CN86105580A - 半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

在一个众所周知的半导体激光器内，由各自厚度均小于电子的德布罗意波长的阻挡层和激活层或势井层所组成的一种多量子井型激活层被掺入一种杂质，而且在阻挡层内所形成的杂质密度高于势井层中的密度。在多量子井激活层被包围在P-型和n-型敷层之间的情况下，势井层不进行掺杂，位于与势井层相接触的阻挡层部分也不进行掺杂，使接近P-型敷层的其余阻挡层部分成为n-型电导率，同时，使靠近n-型敷层的阻挡层部分成为P-型电导率。

Description

本发明所涉及的内容是半导体激光器，而且重点是介绍以高调制速度和低阈值电流的特征的半导体激光器的结构。
半导体激光器的调制速度与半导体激光器的最大调制频率成正比。因此，为了提高半导体激光器的速度，半导体激光器直接调制的最大频率应该尽可能的高些。通常，半导体激光器直接调制的最大频率近似为5GHZ。最近在理论上做出的予测表明，使用所谓的量子井型激光器可以提高最大频率，在所谓的量子井型激光器中，一种激活层的厚度小于晶体内部的电子波包（Y.ARAKAWA    et    al：Applied    Physics    Letters，45，950（1984）另一方面，在实验中已经证实，对于普通的半导体激光器来说，当激活层使用某一种杂质进行重掺杂时，该最大频率也可以提高（C、B、SU    et    al：Applied    Physics    Letters，46，344（1985）。然而，无论在哪一种情况下，不用其它的特殊方法，直接调制的最大频率在10GHZ附近。
在第九届激光器会议的资料PP.162-3中，C.B.SU等人揭示出，当P-型激活层中的杂质浓度增加时，半导体激光器的调制频率也将增大。它所根据的事实是，增益系数的增量与注入载流子的增量的比值由于杂质的掺杂而增大。然而，这个方法还存在有问题，即激活层载流子的寿命缩短以至使阈值电流增加且发射效率降低。
本发明的目的是为了消除以前工艺上的缺点，并且以提供这样一种激光器为目标，这种激光器具有低的阈值电流和高发射效率，能在10GHZ或更高的频率下进行直接调制。
事实上，一个半导体激光器直接调制的最大频率主要决定于驰豫振荡频率fr。驰豫振荡频率fr由光和电子变化的相移所产生。作为增加频率fr的一种有效方法，可考虑增加增益的增量△g对于载流子密度的增量△n的比值（△g/△n），这是一种微分增益。在上述Y.ARAKAWA等人的文献中报导，使用所谓的量子井型激光器可以使该微分增益增大，在这种激光器中，半导体激光器的激活层的厚度被减小，以至于小于晶体内自由电子的波包。另一方面，据上述C.B.SU等人的报导，当普通半导体激光器的激活层掺有一种较高浓度的杂质时，频率fr将增大。其根据也被认为是，高的杂质浓度可使微分增益增加。
本发明人已经发现，为了通过进一步增加激光器的频率fr来增加调制速度，例如是量子井型激光器，在其内部，激活层的厚度小于晶体内自由电子的波包，可将一种杂质引入到迄今尚未进行掺杂的激活层内，或者引入到2个或更多个包含在量子井型激光器内的激活层中，或者引入到位于这些激活层之间的阻挡层内，此外对于杂质的浓度来说，需要引入的杂质浓度要高于载流子的浓度，这些载流子以光激射型式注入到激活层内部。在这方面已经揭示出，当一种施主作为杂质型被引入时，电子的两维性有发生退化而减小微分增益的倾向，这样，一种受体就更为有效。此外，在多量子井型激光器中，激光器众多薄的激活层由于中间放入了阻挡层而得到了改善，由阻挡层所掺杂的杂质所产生的载流子被激活层所捕获。在这种情况下，已经知道，由于掺杂的杂质而形成的带尾不会恶化电子或空穴的二维性，而且也不会降低微分增益，因此调制速度能够增大。就是说，在一个半导体激光器内，在那里，激活层的厚度小于晶体内部自由电子的波包，根据本发明的一种半导体激光器，它由掺有一种杂质的激活层或一阻挡层组成，杂质的密度要高于被注入到激活层中的载流子的密度，阻挡层的带隙至少要大于包括两个激活层带隙，从而，量子井型激光器的驰豫振荡频率fr被增大并使最大频率提高，乃至使调制速度增加。
减小半导体激光器阈值电流的一种方法是，把激活层收入到多量子井结构中。它所根据的事实是，由载流子的二维性所产生的一种阶梯式的状态密度，使对增益有贡献的载流子的比例增加了。再者，如众所周知的那样，在多量子井结构中，增益的增量与注入载流子的增量的比值比普通双异质结构的要大。通过把多量子井型半导体激光器的多量子井激活层掺杂成为P-型或n-型，就可以予期到，高速调制特性将会得到明显的改进。然而，当全部多量子井结构进行掺杂时，令人担扰的事情是，本身存在有载流子的势井层将会受到所产生的带尾的影响，这将使载流子的二维性发生退化。因此，本发明人发现，当存在有载流子的势井层不进行掺杂，而只对阻挡层有选择地掺杂时，载流子的二维性不会退化，因此高速调制特性可得到改善（图4）。然而，在多量子井结构中，电子或空穴的波函数会穿透到阻挡层中。因此，本发明人发明了一种结构，在这种结构的阻挡层内，位于与势井层相接触位置的几个原子层不进行掺杂，这时，阻挡层的中心区为P-型或n-型（图5）。进而还发现，当阻挡层的中心区进行有选择性地掺杂时，它们在P-型敷层的一侧变成的n-型，而在n-型敷层一侧变成为P-型，如图6所示。这样，激活层以P-型和n-型两种型式进行掺杂，增益的增量和注入载流子的比得到很大的增加，可以期望在高速调制方面会有明显改善。
简而言之，在一个半导体激光器中，在所生成的一个半导体衬底上面，至少要有一个敷层和一个势井层，或者至少一个多量子井激活层，其中，势井层和阻挡层交替地进行沉积，而且P-型和n-型敷层中，每一层的带隙都大于势井层的带隙，势井层的厚度小于电子的德布罗意（de    Broglie）波长;所构成的半导体层的电导率型在空间沉积方向上是不同的，因此可以得到一个高调制速度的半导体激光器。
如上所述，根据本发明所构成的半导体激光器是，在一个半导体激光器中，激活层的厚度小于晶体内部自由电子的波包，在至少有两个激活层的情况下，上述激活层或阻挡层的带隙要大于一个激活层的厚度，它掺有的杂质浓度高于载流子的浓度，这些载流子被注入到激活层中，于是量子井型激光器的驰豫振荡频率fr增加到允许以20GHZ或更高的频率进行直接调制的程度，它远远超过10GHZ，而且在半导体激光器的调制速度方面也可得到明显的改善。进一步的效果是，这种半导体激光器可作为光学运算电路或超高速光学通信的光源来使用。
图1是表示根据本发明的一种半导体激光器具体实施例的剖面图。
图2是量子井结构的能带示意图。
图3是表示驰豫振荡频率fr的实验结果的曲线图。
图4-图6是说明本发明的多量子井结构的剖面图。
图7-图10是本发明的半导体激光器的具体实施例的剖面图。
图11是表示本发明另一个具体实施例的剖面图。
图12是解释本发明效果的一个曲线图。
现在，将对本发明的具体实施例结合附图进行说明。
实施例1：
图1是表示根据本发明的半导体激光器的实施例1的剖面图，图2是量子井结构的一个能带示意图，而图3是表示驰豫振荡频率fr的实验结果的曲线图。参考图1，采用金属-有机化合物化学气相沉积法，将一个n-型Ga1-XAlXAS敷层2（X＝0.45）生长在一个n-型GaAs衬底1上，然后在其上生长一个多量子井结构。该多量子井层的构成是，P-型Ga1-yAlyAs敷活层3（y＝0-0.2，厚度：3-15nm）和无掺杂的Ga1-ZAlZAs阻挡层4（Z＞y，厚度：3-20nm），它们被交替地生长2-10层。接着，一个P-型Ga1-XAlXAs层5和一个P-型GaAs层6被生长，然后蒸镀生成一个Cr-Au的P-侧电极7和一个Au-GeNi-Au的n-侧电极8。然后，所得到的结构被切割成分立的薄片。在这里，当激活层3掺杂一种至少为1×1018cm-3的P-型杂质时，微分增益变大，而且最大频率由以前工艺的10GHz增大到20GHz。当掺杂杂质浓度超过1×1019cm-3时，晶格缺陷增加，所以，杂质浓度最好是被限制在1×1018cm-3的量级上。此外，当激活层掺杂有Zn的时候，由于扩散所引起的无序化会增加，并且量子井结构会消失。因而，要求使用更为有效的Mg，Be等。
实施例2：
本发明的另一个实施例将同样参考图1进行介绍。利用金属-有机化合物化学气相沉积法，将一个n-型Ga1-XAlXAs敷层2生长在一个n-型GaAs衬底1上。在本装置中，在敷层2上所形成的一个多量子井结构的组成是，无掺杂的Ga1-yAlyAs激活层3（y＝0-0.2，厚度：3-15nm）及P-型Ga1-ZAlZAs阻挡层4（z＞y，厚度：3-20nm），它们被交替地生长2-10层。在这里，当阻挡层4掺有一种至少为1×1018cm-3的P-型杂质时，所产生的大多数空穴被激活层3所捕获。这种情况下的能带示意图表示在图2中。如图中所示，高密度的空穴9存在于激活层3中，而且象前面的装置中那样，微分增益槽加使最大频率增大。在阻挡层4掺杂有3×1018cm-3的Mg的情况下，驰豫振荡频率的实验结果表示在图3中。在这个图里，横坐标轴代表光功率P的平方根，这里已根据难性退化光功率Pc对P进行了归一化，这时，纵坐标轴表示了驰豫振荡频率fr。与以前工艺中的量子井型激光器的数据（如虚线所示），进行比较，在本实施例中的最大频率增大到20GHz以上，如实线所示。
在本实施例中，既然激活层不直接掺杂一种杂质，则由于杂质掺杂所引起的带尾就不会形成，而且量子井结构中的电子或空穴的二维性也不会退化。因此，基于量子井结构的微分增益也不会降低，而且直接调制速度的提高也更加有了保证。在上述装置中，作为P-型杂质，Mg，Be等任何一种都是有效的。此外，在这种装置的情况下，不只是P-型杂质而且Si，Te这样的n-型杂质也是有效的。再者，在两个分别的装置中，当阻挡层由InP构成，激活层由InGaAsP构成，而且它们都掺有相同的杂质时，在这两种情况下可以得到相同的效果。此外，尽管两个实施例进行了有选择的掺杂，激活层和阻挡层却都可以实现均匀的掺杂。
实施例3：
参考图7。
利用MOCVD法（金属-有机化合物气相沉积法），在一个n-型GaAs晶体衬底18上已成功地生成了一个n-型GaAs缓冲层19，一个n-型Ga1-XAlXAs敷层13（x＝0.45），一个多量子井激活层20，还要生长一个P-型Ga1 XAlXAs敷层14和一个n-型GaAs光吸收层21，在激活层20中，有5个无掺杂的厚度为70
Figure 86105580_IMG2
的GaAs势井层11与4个阻挡层交替地生成，这样，掺有2×1018（cm-3）的Mg、厚度为20
Figure 86105580_IMG3
的一个P-Ga0.7Al0.3As层16被夹在无掺杂的厚度为10
Figure 86105580_IMG4
的Ga0.7Al0.3As层15之间。利用光刻技术将n-型GaAs层21的中间部分完全除去，形成一个宽度为1-15um的线槽，它可将P-型Ga1-XAlXAs敷层14的表面露出来。接着，利用MOCVD法形成一个P-型Ga1-XAlXAs敷层22（x＝0.45）和一个P-型GaAs复盖层23。然后形成一个P-侧电极24和一个n-侧电极25，这样经切割后就可以得到一个谐振腔长度约为300um为激光器。在这里，当P-型Ga0.55Al0.45As层14的厚度为0.1-0.5um时，该波导结构变成为指数-波导（ihdexguide）结构，而且在高速调制期间横模可被稳定下来。
为进行连续谐振试验所制造的装置，在室温下在波长830nm处及10-25mA的阈值电流的情况下，所得到的激光发射光谱表现为一个单纵模和一个稳定的横模谐振，直到70mw的光功率时没有任何结构缺陷。当该激光器的偏压加到光功率为60mw且受到小信号的直接调制时，在调制频率方面获得了可达到15GHz（3dB下降）的良好特性。作为它在固定光功率下的使用寿命，该光功率为60mw，温度为70℃，经过200小时的使用时间后，没有观察到有任何显著的恶化，而且证实它具有高的可靠性。更进一步，作为多量子井结构而不是上述的结构，实际上在Ga1 WAlWAs势井层和Ga1-BAlBAs阻挡层的所有组合中都得到了相同的高速调制特性，在Ga1-WAlWAs势井层中，Al的摩尔比W为0-0.2，每一层的厚度为30-150
Figure 86105580_IMG5
，而且层数为2-10，在Ga1-BAlBAs阻挡层中，Al的摩尔比B是0.2-0.5（要满足B＞W），而且在它的每一层中，无掺杂的侧面的阻挡层厚度为2.8-30
Figure 86105580_IMG6
，此时作为中心区的P-型阻挡层的厚度是5-50
Figure 86105580_IMG7
。
实施例4：
参考图8。
利用MOCVD法，在一个n-型GaAs衬底18上已成功地生成了一个n-型GaAlAs敷层13，一个n-型GaAlAs导光层26，象图7装置中那样的相同的多量子井激活层20，一个P-型GaAlAs敷层14及一个P-型GaAs复盖层23。使用光刻技术除去GaAs复盖层面积留下1-15um宽的一条，用离子-注入法将Si注入到条型的P-型GaAs复盖层23外面的区域内，以便穿透到激活层20中。此后，SiO2层28被沉积在条型的P-型GaAs复盖层的外部，而且形成一个P一侧电极24和一个n-侧电极25。接着，经切割后就可以得到一个谐振腔长度为300μm左右的激光器。利用本实施例，可以得到与图7实施例相类似的特性。进而，关于激活层的结构，图7实施例中所表明的范围完全适用且可得到类似的特性。
实施例5：
参考图9。
在一个n-型GaAs衬底18上生长一个n-型GaAlAs敷层13，与图7的装置中相同的多量子井激活层20和一个P-型GaAlAs敷层14。接着，对所得到的结构用光刻技术刻到n-型GaAs衬底18处，并留出宽度为1-5um的一条，然后生长一个P-型GaAlAs层22和一个n-型GaAlAs层29，并形成一个Zn-扩散区30。接着，形成一个P-侧电极24和一个n-侧电极25，然后通过切割可得到一个谐振腔长度为300um左右的激光器。本装置也表现出了良好的高速调制特性。既然激活层完全被GaAlAs所包围，就不会存在载流子的横向扩散，高速调制特性就更为出色，并且直到20GHz的调制也是可能的。此外，关于激活层的结构，图7装置中所表示的范围完全适用且可得到类似的特性。
实施例6：
参考图10。
在一块绝缘的GaAs衬底31上生成一个无掺杂的GaAlAs层32，一个多量子井激活层20，在20的内部，三层无掺杂的厚度为70
Figure 86105580_IMG8
的GaAs势井层11与二个阻挡层交替生成，在每个阻挡层内，一个掺有2×1018（cm-3）厚度为20
Figure 86105580_IMG9
的n-Ga0.7Al0.3As层17被夹在无掺杂的厚度为10A的Ga0.7Al0.3As层15之中，而且在那里，两个无掺杂的厚度为70A的GaAs势井层与两个阻挡层交替生成，在每个阻挡层内，一个掺有2×1018（cm-3）的Mg厚度为20A的P-Ga0.7Al0.3As层16被夹在一个无掺杂的厚度为10A的Ga0.7Al0.3As层15和另一个无掺杂的GaAlAs层32之间。然后，对所生长的各层进行蚀刻以便剩下一个宽度为1-5um的一个条型线。一个P-型GaAlAs掩埋层22和一个n-型GaAlAs掩埋层29被生成，接着再生成一个P-侧电极24和一个n-侧电极25。然后，经切割就可制造一个谐振腔长度约为300um的激光器。在这个激光器的结构中，载流子被横问注入到激活层内部。此外，既然该多量子井激活层具有P-杂质和n-杂质，它们被引入到阻挡层内，则增益的增量与注入载流子的比变得更大，而且可允许直到20GHz的调制速度。当这种在阻挡层内包含有P-杂质和n-杂质的多量子井激活层被应用到图7、8、9所示的装置中时，可以得到类似的高速调制特性。在每种实施例中，既使在把Be用作为P-型杂质，把Si用作为n-型杂质时，也可以得到类似的结果。
实施例7：
参考图11。
将一个n-型敷层13生长在一个n-型GaAs衬底18上。通过在敷层13上生长一个量子井层40和一个量子井层50可形成一个量子井激活层20，在40内部，5个掺杂1×1017（cm-3）Mg的P-Ga0.8Al0.2As势井层和4个掺杂有2×1018（cm-3）Mg的P-Ga0.7Al0.3As的阻挡层交替进行沉积，在50内部，4个掺有1×1017（cm-3）Se的P-Ga0.8Al0.2As势井层和4个掺有1×1019（cm-3）Se的P-Ga0.7Al0.3As阻挡层被交替沉积。在所得到的结构中，用MOCVD法成功地生成一个P-型GaAlAs敷层14和一个P-型GaAlAs复盖层23。然后，用实施例4中的相同方法形成一个条型线，并生成电极24和25以便得到一个半导体激光器。这个激光器具有一个15GHz的调制速度。
实施例8：
利用MOCVD法，在一块n-型GaAs衬底上成功地生成一个n-型GaAlAs敷层13，一个量子数活层，在激活层内部，5个无掺杂的厚度为40A的GaAlAs势井层与4个阻挡层被交替沉积，在每个阻挡层内已成功地沉积了一个厚度为10A的无掺杂的Ga0.7Al0.3As薄膜，一个厚度为30A的P-Ga0.7Al0.3As薄膜和一个厚度为10A的无掺杂的Ga0.7Al0.3As薄膜，而且在那里，由一个厚度为10A的无掺杂的Ga0.7Al0.3As薄膜和一个厚度为20A的P-Ga0.7Al0.3As薄膜组成的阻挡层和一个无掺杂的GaAlAs势井层被进一步沉积，紧接着再沉积一个P-型GaAlAs敷层。其它方面与装置4相同。这样所制造的一个半导体激光器的特性与实施例3中激光器的特性类似。
实施例9：
一个n-型敷层被生成在一个GaAs衬底上以后，接着生成一个量子井激活层，在激活层内部，5个无掺杂的势井层与4个阻挡层交替进行沉积，在每个阻挡层内，位于与势井层相接触的一个原子层不进行掺杂，另一方面则保持其它部分为P-型。一个P-型敷层被生长在激活层上面。其它方面与实施例4中的相同。这样得到的一个半导体激光器的调制速度是13GHz。
对于上述实施例的半导体激光器，通过改变掺杂量已制造出了一些样品。于是，根据5×1017（cm-3）的掺杂量有力地证明了本发明的效果（参考图12）。然而，在掺杂量达到2×10 2×1019（cm-3）时，晶体的晶格增大而且不能再得到任何半导体激光器。

Claims (9)

1、在一个半导体激光器中，其中半导体层被生长在一个半导体衬底上，该半导体层至少包含有一个敷层和一个或多个激活层，它是与一个或多个阻挡层或一个多量子井型激活层伴随在一起进行沉积的，在量子井型激活层中，一个势井层和一个阻挡层交替沉积，而且在那里，激活层的厚度小于晶体内自由电子的波包，这种半导体激光器的特点是上述激活层掺有一种杂质。
2、根据权项1的一种半导体激光器，其中所说的杂质是一种受体。
3、根据权项1的一种半导体激光器，在那里，用所说的杂质对所说的多量子井型激活层进行掺杂，所说的阻挡层的杂质密度高于所说的势井层（激活层）的杂质密度。
4、在一个半导体激光器中，其中在一个半导体衬底上所生成的许多半导体层包含有一个多量子井激活层和P-型及n-型阻挡层，在该多量子井激活层内，厚度都小于电子的德布罗意（de  Broglie）波长的每一个势井层与带隙小于势井层带隙的阻挡层交替进行沉积，所形成的P-型和n-型阻挡层之间可以容纳多量子井层，而且这里的每个阻挡层的带隙都大于势井层的带隙;半导体激光器的特点是，组成所述的多量子井激活层的各相应层的电导率类型空间上在所述多量子井激活层的一个沉积方向上是不同的。
5、根据权项4的一种半导体激光器，其中在上述的多量子井激活层中，至少有一组与所述的P-型敷层顺序邻接的势井层和阻挡层具有n-型电导率，而上述的多量子井激活层的其它区域则具有P-型电导率。
6、根据权项4的一种半导体激光器，其中在上述的多量子井激活层内，至少有一个与所说的P-型敷层顺序邻接的阻挡层具有n-型电导率，上述的多量子井激活层的其它区域内的阻挡层具有P-型电导率，而且所述的全部势井层均未进行掺杂。
7、根据权项4的一种半导体激光器，其中在所述的多量子井激活层内，至少有一个与所述的P-型敷层顺序邻接的阻挡层具有n-型电导率，但是至少有一个位于与势井层相接触的界面一侧的原子层未进行掺杂;上述多量子井激活层的其它区域内的阻挡层具有P-型电导率，但是至少有一个位于与势井层相接触的原子层来进行掺杂;而且所述的余部势井层没有进行掺杂。
8、根据权项4的一种半导体激光器，其中所说的阻挡层在位于与所述的势井层相接触的一侧至少有一个原子层来进行掺杂，并且在其它区域内具有P-型电导率，所述的势井层没有进行掺杂。
9、根据权项4-8的任一项的一种半导体激光器，其中P-型杂质是Be或Mg，n-型杂质是Se或Si，而且杂质浓度至少为5×1017（cm-3）。
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