CN1879266A - 高温激光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种适于高温工作的半导体激光器结构，该半导体激光器结构具有限制层以将电子限制到有源区(量子阱)，并具有分隔的基于锑化物的包层以提供额外的电子限制和光子限制。该结构适于在980nm至1.55μm(微米)的远程通信波长发射激光。该包层使用了AlAsSb，其能与InP晶格匹配且能用于获得大的导带偏移。其对于无冷却器(没有热电冷却器)的工作非常有用。

Description

高温激光二极管
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2003年11月6日提交的、序列号为60/517,400的美国临时专利申请的优先权。
缩微胶片附件
[0002]不适用。
技术领域
[0003]本发明涉及半导体激光二极管，尤其涉及具有优良温度特性的半导体激光二极管。
背景技术
[0004]半导体激光二极管可分成两组，一组用于短波长应用(λ＝0.78-0.89μm)(1μm＝1微米)而一组用于长波长应用(λ＝0.98-1.6μm)。基于砷化镓(GaAs)的材料系统非常适于短波长应用及目前优良高温性能，但是它们一般不适于超过约1.2μm的应用。然而，现代光远程通信系统是在长波下工作，典型地980nm至1.55μm，因此典型地使用基于磷化铟(InP)的材料，因为它们更适于长波长应用，尤其在1.3至1.6μm，这是典型的信号传输波长范围。InP材料系统通常展现出较差的高温性能，因此为了使基于InP的器件可靠地工作，通常需要外部冷却。在本领域中用整体的热电冷却器来封装半导体激光二极管是公知的，这增大了成本、复杂性及功率消耗。
[0005]一般地，对激光二极管的高温工作能力的评估是通过使用特征温度T0，如以下等式(1)所概括并与临界电流和工作温度相关联：
I＝I0exp(T/T0)                                    (1)
[0006]其中I是临界电流，I0是比例因数，T是绝对温度(°K)。因此，较高的T0允许较高的工作温度，因为对于较高的T0，临界电流随温度变化较小。较高的T0与较大的导带偏移相联系。相反地，通常将典型InP材料系统的较差温度性能归因于小导带偏移，其经常也是由于缺乏具有比InP高的能带隙及低的折射率的合适可用材料。
[0007]基于InP的已知激光器结构的第一例子显示在图1中。该激光器使用InGaAsP/InP材料系统，其通常具有较差的特征温度T0≈60K。参考图1，激光器结构100包含p-InP包层(cladding layer)101，InGaAsP(铟—镓—砷化物—磷化物)限制层(confinement layers)102、108及阻挡层(barrier layers)104、106，也为InGaAsP但与阻挡层及限制层的成分不同的量子阱(quantum wells)103、105、107，以及另一个n-InP包层109(注意，在图中，星号用来代表相同材料的不同成分)。
[0008]参考图1的能带图，包层(101，109)与限制层(102，108)之间的导带偏移110为109meV(注意，在图中，这些值是以eV(电子伏特)为单位显示在括号内，以避免与附图标记混淆)。阻挡层及限制层(102，104，106，108)与量子阱(103，105，107)之间的导带偏移111是111meV。包层(101，109)与限制层(102，108)之间的价带偏移112为164meV。阻挡层及限制层(102，104，106，108)与量子阱(103，105，107)之间的价带偏移113是166meV。InP(101，109)的能带隙114是1.35eV。现在参考图1的折射率图，对于1.55μm的光学波长，包层(101，109)的折射率是3.17，阻挡层及限制层(102，104，106，108)的折射率是3.31，量子阱(103，105，107)的折射率是3.6(注意，在图中，这些值显示在括号内，以避免与附图标记混淆)。
[0009]基于InP的已知激光器结构的第二例子显示在图2中。该激光器使用InGaAlAs/InP材料系统，并比第一例子的结构具有较好的特征温度T0≈90K。参考图2，激光器结构200包含p-InP连接层201，InAlAs(铟—铝化物—砷化物)包层202、210，InGaAlAs限制层203、209及阻挡层205、207，InGaAlAs(铟—镓—铝化物—砷化物)量子阱204、206、208但与限制层及阻挡层203、205、207、209成分不同，以及n-InP衬底层211。注意，一般地，半导体激光二极管构建在衬底上(图2中211)，并具有连接层(图2中210)用于连接至外界。连接层和衬底层示意在图2中以示完整，但这些层就光和电限制而言并不对结构起重要作用，因此为了简洁在其它图中并未示出。参考图2的能带图，连接层及衬底层(201，211)与包层(202，210)之间的导带偏移212是-185meV。包层(202，210)与限制层及阻挡层(203，205，207，209)之间的导带偏移213是297meV。限制层及阻挡层(203，205，207，209)与量子阱(204，206，208)之间的导带偏移214是165meV。连接层及衬底层(201，211)与包层(202，210)之间的价带偏移215是75meV。包层(202，210)与限制层及阻挡层(203，205，207，209)之间的价带偏移216是127meV。限制层及阻挡层(203，205，207，209)与量子阱(204，206，208)之间的价带偏移217是71meV。InP(201，211)的能带隙218是1.35eV，InAlAs(202，210)的能带隙219是1.46eV。现在参考图2的折射率图，对于1.55μm的光学波长，连接层及衬底层(201，211)的折射率是3.17，包层(202，210)的折射率是3.2，限制层及阻挡层(203，205，207，209)的折射率是3.35，量子阱(204，206，208)的折射率是3.6。
[0010]已知激光器结构的另一个例子显示在图3中。该激光器与前个例子的区别之处在于它是基于GaAs的。它使用InGaNAs/GaAs材料系统(铟—镓—氮化物—砷化物/镓—砷化物)，并具有比前两个例子的结构有改善的特征温度T0≈120K。然而，并不一定适合或想要使用GaAs系统，尤其是对于光远程通信波长。参考图3，激光器结构300包含p-AlGaAs包层301，GaAs限制层302、308及阻挡层304、306，GaInNAs量子阱303、305、307，以及另一个n-AlGaAs包层309。参考图3的能带图，包层(301，309)与限制层(302，308)之间的导带偏移310是224meV。限制层及阻挡层(302，304，306，308)与量子阱(303，305，307)之间的导带偏移311是434meV。包层(301，309)与限制层(302，308)之间的价带偏移312是150meV。限制层及阻挡层(302，304，306，308)与量子阱(303，305，307)之间的价带偏移313是186meV。AlGaAs(301，309)的能带隙314约为1.90eV，GaAs(302，304，306，308)的能带隙315为1.52eV。现在参考图3的折射率图，对于1.55μm的光学波长，包层(301，309)的折射率是3.26，限制层及阻挡层(302，304，306，308)的折射率是3.40，量子阱(303，305，307)的折射率是3.6。注意，图3的结构实际上是夹在n-GaAs衬底和p-GaAs连接层之间，以便机械及电连接至外界。
[0011]上述现有技术的激光器结构具有较差的温度性能或其它缺点。因此，仍然高度期望有用于光远程通信波长的、能有改进的高温工作特性的半导体激光器结构。
发明内容
[0012]因此，本发明的一个目的是提供一种改进的半导体激光器结构，能在高温下工作。
[0013]所以，本发明的一个方面提供一种半导体激光器结构，该半导体激光器结构具有有源区、相邻于有源区的限制层、以及相邻于限制层的包层。有源区能发射辐射，并由不含锑的材料构建。限制层适于将电子限制在有源区中，并由不含锑的材料构建。包层包含锑基(Sb)合金。
[0014]在一些实施例中，包层具有比限制层低的折射率。
[0015]在一些实施例中，包层具有比限制层大的带隙。
[0016]在其它实施例中，包层与InP晶格匹配。
[0017]在一些实施例中，包层包含AlAsSb。
[0018]在其它实施例中，包层包含一化合物(compound)，该化合物主要包含Al，As和Sb。
[0019]在还有的其它实施例中，包层包含AlGaAsSb。
[0020]在一些实施例中，有源区包含至少一个量子阱，而在其它实施例中，有源区包含由阻挡层所分隔的多个量子阱。
[0021]在一些实施例中，阻挡层包含与限制层相同的材料。
[0022]在一些实施例中，量子阱包含InGaAsP。
[0023]在一些实施例中，限制层包含InP。
[0024]在其它实施例中，量子阱包含InGaAlAs。
[0025]在一些实施例中，限制层包含InAlAs。
[0026]在一些实施例中，有源区适于在约980nm的波长发射辐射。
[0027]在其它实施例中，有源区适于在约1.3μm的波长发射辐射。
[0028]在还有的其它实施例中，有源区适于在约1.55μm的波长发射辐射。
[0029]在一些实施例中，激光器结构包含法布里—珀罗(Fabry-Perot)激光器。
[0030]在其它实施例中，激光器结构包含分布式反馈(distributedfeedback，DFB)激光器。
[0031]在还有的其它实施例中，激光器结构包含半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)。
[0032]根据本发明的另一方面，提供有一种半导体激光器结构，该半导体激光器结构具有有源区，该有源区具有第一侧与第二侧，该有源区能发射辐射，第一限制层相邻于所述有源区的第一侧，该第一限制层适于将电子限制在有源区中，第二限制层相邻于有源区的第二侧，该第二限制层适于将电子限制在有源区中，第一包层相邻于该第一限制层，该第一包层包含锑基(Sb)合金；第二包层相邻于该第二限制层，该第二包层包含锑基(Sb)合金。
[0033]在一些实施例中，第一限制层和第二限制层协作将电子限制在有源区中。
[0034]在一些实施例中，第一包层和第二包层适于将电子限制在有源区中。
[0035]在一些实施例中，第一包层和第二包层适于与第一限制层和第二限制层协作以将电子限制在有源区中。
[0036]在一些实施例中，使第一包层和第二包层与InP晶格匹配。
[0037]在一些实施例中，第一包层和第二包层包含AlAsSb。
[0038]在其它实施例中，第一包层和第二包层包含一化合物，该化合物主要包含Al，As和Sb。
[0039]在一些实施例中，第一包层和第二包层包含AlGaAsSb。
[0040]在一些实施例中，有源区包含至少一个量子阱。
[0041]在一些实施例中，第一限制层和第二限制层包含InP。
[0042]在其它实施例中，量子阱包含InGaAsP。
[0043]在一些实施例中，第一限制层和所述第二限制层包含InAlAs。
[0044]在其它实施例中，量子阱包含InGaAlAs。
[0045]在还有的其它实施例中，有源区包含至少一个量子阱，该量子阱包含InGaAlAs，该第一限制层和第二限制层包含InAlAs，有源区适于在约980nm的波长发射辐射。
[0046]根据本发明的另一个方面，提供有一种半导体激光器结构，该半导体激光器结构基于InP材料系统，并具有能发射辐射的有源区；限制层相邻于有源区，该限制层适于将电子限制在有源区中；并且包层相邻于限制层，该包层包含锑基(Sb)合金。
[0047]该激光器结构可在高温下工作，并且对于光学系统中低功率消耗所需的不用冷却器的工作非常有用。
附图说明
[0048]从以下的详细说明结合附图，本发明的更多特征及优点将变得显而易见，在附图中：
[0049]图1显示基于InP的第一现有技术激光器结构的能带结构及折射率特性；
[0050]图2显示基于InP的第二现有技术激光器结构的能带结构及折射率特性；
[0051]图3显示基于GaAs的现有技术激光器结构的能带结构及折射率特性；
[0052]图4显示本发明半导体激光器结构的第一实施例的能带结构及折射率特性；
[0053]图5显示本发明半导体激光器结构的第二实施例的能带结构及折射率特性；以及
[0054]图6显示本发明半导体激光器结构的第三实施例的能带结构及折射率特性。
[0055]将注意到，在附图中，用相似的附图标记来识别相似的特征。
具体实施方式
[0056]本发明提供一种半导体激光器结构，该半导体激光器结构可生长成与InP晶格匹配，并提供了获得与InGaNAs/GaAs材料系统相似的导带能量偏移的可能性。
[0057]一种改进使用InP基材料的激光器结构的温度性能的方法是使用波导包层材料，该波导包层材料所具有的折射率在感兴趣的光学波长处小于InP的折射率，并且该波导包层材料所具有的带隙能量大于InP的带隙能量。本发明使用诸如AlAsSb(铝—砷化物—锑化物)的锑基材料作为波导包层。当与不含锑的有源区及限制层结合使用时，这样的锑基包层展示出优良的电子限制及波导特性。这些材料的一个优点是可使它们与InP晶格匹配。
[0058]图4示意了本发明半导体激光器结构的第一实施例。该激光器使用了传统上用于远程通信系统的InP材料系统，但具有新颖的AlAsSb波导包层。参考图4，激光器结构400包含有源区，该有源区包含InGaAsP量子阱403、405、407，并由InP阻挡层404、406所分隔开。有源区由限制层402、408束缚。限制层402、408分别由p-AlAsSb包层401与n-AlAsSb包层409束缚。这些层沉积在InP衬底上(未示出)。参考图4的能带图。包层(401，409)与限制层(402，408)之间的导带偏移410为594meV。限制层及阻挡层(402，404，406，408)与量子阱(403，405，407)之间的导带偏移411为220meV。包层(401，409)与限制层(402，408)之间的价带偏移412为-25meV。限制层及阻挡层(402，404，406，408)与量子阱(403，405，407)之间的价带偏移413为330meV。注意，尽管包层(401，409)具有比限制层及阻挡层(402，404，406，408)更高的能带能量，但是由于空穴与电子相比的高的态密度、大的有效质量及低的迁移率，所以空穴仍然被较好地限制在量子阱(403，405，407)中。
[0059]AlAsSb(401，409)的能带隙414为1.91eV，InP(402，404，406，408)的能带隙415为1.35eV。现在参考图4的折射率图，对于1.55μm的光学波长，包层(401，409)的折射率为3.02，阻挡层(402，404，406，408)的折射率为3.17，量子阱(403，405，407)的折射率为3.6。包层可视为是光学包层或波导包层。
[0060]该激光器结构因此具有能发射辐射的有源区，该有源区被每一侧的限制层所束缚以限制电子，而该限制层被波导包层束缚以进一步限制电子以及限制辐射(光子)。
[0061]图5示意了本发明的半导体激光器结构的第二实施例，其使用了比图4的实施例更新的材料系统，并展示出更好的高温性能。该激光器使用了具有InAlAs阻挡层和InGaAlAs量子阱的AlAsSb波导包层。参考图5，激光器结构500包含有源区，该有源区包含由InAlAs阻挡层504、506所分隔开的InGaAlAs量子阱503、505、507。有源区被限制层502、508束缚。限制层502、508分别被p-AlAsSb包层501及n-AlAsSb包层509束缚。参考图5的能带图，包层(501，509)与限制层(502，508)之间的导带偏移510约为334meV。限制层及阻挡层(502，504，506，508)与量子阱(503，505，507)之间的导带偏移511为462meV。包层(501，509)与限制层(502，508)之间的价带偏移512为125meV。限制层及阻挡层(502，504，506，508)与量子阱(503，505，507)之间的价带偏移513为198meV。AlAsSb(501，509)的能带隙514为1.91eV，InAlAs(502，504，506，508)的能带隙515为1.46eV。现在参考图5的折射率图，对于1.55μm的光学波长，包层(501，509)的折射率为3.02，限制层及阻挡层(502，504，506，508)的折射率为3.20，量子阱(503，505，507)的折射率为3.6。
[0062]限制层(502，508)提供电子限制。包层(501，509)提供额外的电子限制，并且还帮助控制电子流进量子阱(503，505，507)中，从而提供比仅从增加势垒高度所能预期的更好的性能。包层(501，509)还由于低折射率而提供光限制。
[0063]使用三元AlAsSb成分作为包层提供了优良的高温性能。本发明的其它实施例使用具有少量诸如镓(Ga)的其它元素的四元成分，由此使用AlGaAsSb作为包层。
[0064]图6示意了本发明的半导体激光器结构的第三实施例。该实施例类似于图5的第二实施例，但适配成在980nm的波长处工作。现在参考图6，激光器结构600包含有源区，该有源区包含由InAlAs阻挡层604、606所分隔开的InGaAlAs量子阱603、605、607。有源区被限制层602、608束缚。限制层602、608分别被p-AlAsSb包层601及n-AlAsSb包层609束缚。参考图6的能带图，包层(601，609)与限制层(602，608)之间的导带偏移610约为334meV。限制层及阻挡层(602，604，606，608)与量子阱(603，605，607)之间的导带偏移611为137meV。包层(601，609)与限制层(602，608)之间的价带偏移612为125meV。限制层及阻挡层(602，604，606，608)与量子阱(603，605，607)之间的价带偏移613为59meV。AlAsSb(601，609)的能带隙614为1.91eV，InAlAs(602，604，606，608)的能带隙615为1.46eV，现在参考图6的折射率图，对于980nm的光学波长，包层(601，609)的折射率为3.10，限制层及阻挡层(602，604，606，608)的折射率为3.38，量子阱(603，605，607)的折射率为3.6。
[0065]图6的实施例表明了本发明除了在典型光远程通信系统的更长波长(980nm至1.55μm)之外还在980nm处是有用的。
[0066]本发明适用于许多类型的半导体激光器配置，诸如但并不限于法布里—珀罗抽运激光器、使用光栅的分布式反馈(DFB)激光器以及半导体光放大器(SOA)。
[0067]本发明的上述实施例仅仅是例示性的。因此本发明的范围仅仅由随附的权利要求的范围所限定。

Claims (48)

1.一种半导体激光器结构，包含：
能发射辐射的有源区，所述有源区不含锑；
相邻于所述有源区的限制层，所述限制层适配成将电子限制在有源区中，所述限制层不含锑；以及
相邻于所述限制层的包层，所述包层包含锑基(Sb)合金。
2.如权利要求1所述的半导体激光器结构，其中包层具有比限制层低的折射率。
3.如权利要求2所述的半导体激光器结构，其中包层是光波导包层。
4.如权利要求2所述的半导体激光器结构，其中包层具有比限制层大的带隙。
5.如权利要求4所述的半导体激光器结构，其中包层与InP晶格匹配。
6.如权利要求5所述的半导体激光器结构，其中包层包含AlAsSb。
7.如权利要求5所述的半导体激光器结构，其中包层包含一化合物，所述化合物主要包含Al，As和Sb。
8.如权利要求7所述的半导体激光器结构，其中包层包含AlGaAsSb。
9.如权利要求6所述的半导体激光器结构，其中有源区包含至少一个量子阱。
10.如权利要求9所述的半导体激光器结构，其中有源区包含由阻挡层所分隔的多个量子阱。
11.如权利要求10所述的半导体激光器结构，其中阻挡层包含与所述限制层相同的材料。
12.如权利要求9所述的半导体激光器结构，其中所述至少一个量子阱包含InGaAsP。
13.如权利要求12所述的半导体激光器结构，其中限制层包含InP。
14.如权利要求9所述的半导体激光器结构，其中所述至少一个量子阱包含InGaAlAs。
15.如权利要求14所述的半导体激光器结构，其中限制层包含InAlAs。
16.一种选自于包含法布里一珀罗激光器、分布式反馈(DFB)激光器和半导体光放大器(SOA)的组的器件，其中所述器件包含如权利要求6所述的半导体激光器结构。
17.一种半导体激光器结构，包含：
具有第一侧与第二侧的有源区，所述有源区能发射辐射，所述有源区不含锑；
相邻于所述有源区的所述第一侧的第一限制层，所述第一限制层适配成将电子限制在有源区中，所述第一限制层不含锑；
相邻于所述有源区的所述第二侧的第二限制层，所述第二限制层适配成将电子限制在有源区中，所述第二限制层不含锑；
相邻于所述第一限制层的第一包层，所述第一包层包含锑基(Sb)合金；以及
相邻于所述第二限制层的第二包层，所述第二包层包含锑基(Sb)合金。
18.如权利要求17所述的半导体激光器结构，其中所述第一限制层和第二限制层协作将电子限制在有源区中。
19.如权利要求18所述的半导体激光器结构，其中所述第一包层和所述第二包层适配成将电子限制在有源区中。
20.如权利要求18所述的半导体激光器结构，其中所述第一包层和所述第二包层适配成将光子限制在有源区中。
21.如权利要求19所述的半导体激光器结构，其中所述第一包层和所述第二包层适配成将光子限制在有源区中。
22.如权利要求19所述的半导体激光器结构，其中所述第一包层和所述第二包层适配成与所述第一限制层和所述第二限制层协作以将电子限制在有源区中。
23.如权利要求21所述的半导体激光器结构，其中所述第一包层和所述第二包层与InP晶格匹配。
24.如权利要求21所述的半导体激光器结构，其中所述第一包层和所述第二包层包含AlAsSb。
25.如权利要求21所述的半导体激光器结构，其中所述第一包层和所述第二包层包含一化合物，该化合物主要包含Al，As和Sb。
26.如权利要求25所述的半导体激光器结构，其中所述第一包层和所述第二包层包含AlGaAsSb。
27.如权利要求25所述的半导体激光器结构，其中所述有源区包含至少一个量子阱。
28.如权利要求25所述的半导体激光器结构，其中所述第一限制层和所述第二限制层包含InP。
29.如权利要求27所述的半导体激光器结构，其中所述第一限制层和所述第二限制层包含InP。
30.如权利要求29所述的半导体激光器结构，其中所述至少一个量子阱包含InGaAsP。
31.如权利要求27所述的半导体激光器结构，其中所述第一限制层和所述第二限制层包含InAlAs。
32.如权利要求31所述的半导体激光器结构，其中所述至少一个量子阱包含InGaAlAs。
33.一种基于InP材料系统的半导体激光器结构，所述激光器结构包含：
能发射辐射的有源区；
相邻于所述有源区的限制层，所述限制层适配成将电子限制在有源区中；以及
相邻于所述限制层的包层，所述包层包含锑基(Sb)合金。
34.如权利要求33所述的半导体激光器结构，其中包层是光波导包层。
35.如权利要求34所述的半导体激光器结构，其中包层具有比限制层低的折射率。
36.如权利要求35所述的半导体激光器结构，其中包层具有比限制层大的带隙。
37.如权利要求36所述的半导体激光器结构，其中包层与InP晶格匹配。
38.如权利要求37所述的半导体激光器结构，其中包层包含一化合物，所述化合物主要包含Al，As和Sb。
39.如权利要求38所述的半导体激光器结构，其中包层包含AlAsSb。
40.如权利要求38所述的半导体激光器结构，其中包层包含AlGaAsSb。
41.如权利要求38所述的半导体激光器结构，其中有源区包含至少一个量子阱。
42.如权利要求41所述的半导体激光器结构，其中有源区包含由阻挡层所分隔的多个量子阱。
43.如权利要求42所述的半导体激光器结构，其中阻挡层包含与所述限制层相同的材料。
44.如权利要求41所述的半导体激光器结构，其中所述至少一个量子阱包含InGaAsP。
45.如权利要求44所述的半导体激光器结构，其中限制层包含InP。
46.如权利要求41所述的半导体激光器结构，其中所述至少一个量子阱包含InGaAlAs。
47.如权利要求46所述的半导体激光器结构，其中限制层包含InAlAs。
48.一种选自于包含法布里—珀罗激光器、分布式反馈(DFB)激光器和半导体光放大器(SOA)的组的器件，其中所述器件包含如权利要求38所述的半导体激光器结构。
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