TWI832199B - 具有非對稱結構之高功率邊射型半導體雷射 - Google Patents
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Abstract
本發明有關一種具有非對稱結構之高功率邊射型半導體雷射，包括有：一基板層，材料為n型砷化鎵(n-GaAs)；一下披覆層，材料為n型磷化鋁鎵銦(n-AlxGa1-xInP，x為0.2〜0.4)而形成在該基板上；一下光波導層，材料為磷化鎵銦(GaInP)而形成在該下披覆層上；一第一下阻障層，材料為磷砷化鎵(GaAsP)而形成在該下光波導層上；一量子井層，材料為砷化銦鎵(InGaAs)而形成在該第一下阻障層上；一第一上阻障層，材料為磷砷化鎵(GaAsP)而形成在該量子井層上；一上光波導層，材料為磷化鎵銦(GaInP)而形成在該第一上阻障層上，且令該上光波導層的厚度在300nm以下，該上光波導層厚度為該下光波導層厚度的1/3〜1/2；一上披覆層，材料為p型磷化鋁鎵銦(p-AlxGa1-xInP，x為0.55〜0.9)而形成在該上光波導層上，且令該上披覆層的厚度在900nm以下，該上披覆層厚度為該下披覆層厚度的1/3〜1/2；以及一歐姆接觸層，材料為p型砷化鎵(p-GaAs)而形成在該上披覆層上；藉此，具有利用非對稱結構提高輸出光功率之功效。
Description
本發明有關一種具有非對稱結構之高功率邊射型半導體雷射，尤指一種利用非對稱結構將活性區的位置偏移至靠近上披覆層之設計者。
976nm之半導體雷射可以作為摻鉺光纖放大器(EDFA)的激發光源，其雷射光通過晶體倍頻可以獲得480~490nm藍綠光輸出，是藍綠光源發展的新趨勢；無鋁發光層結構用在780〜980nm半導體雷射，例如InGaAs、InGaAsP、GaAs、GaAsP，其最大的優點為整個發光層結構的抗災難性光學鏡損壞(Catastrophic optical mirror damage(COMD))大於含鋁磊晶結構，如J. Jiménez, C. R. Physique 4 (2003) 的表格所整理各個材料對COMD level所示。
當雷射發光波長為976nm時，發光層之量子井能隙變小，可使用以InGaAs為量子井(quantum well (QW))的磊晶材料結構，此時QW/阻障(Barrier)/光波導(waveguide(WG))系統材料可使用InGaAs/AlGaAs/AlGaAs、InGaAs/InGaAsP/ GaInP或InGaAs/GaAsP/GaInP，在追求高效率(wall-plug efficiency)的要求下，InGaAs/AlGaAs/AlGaAs可用來克服因操作電壓上升所伴隨的電功率損耗，故傳統976nm高功率半導體雷射使用InGaAs/AlGaAs/AlGaAs材料系統，其優點為AlGaAs的熱導係數高於GaInP，低起始電壓，但缺點為含Al層容易氧化，雷射鏡面氧化會造成COMD，進而降低元件可靠度。再者，InGaAs/InGaAsP/GaInP材料系統具有低起始電壓，高COMD level的優點，但GaInP與InGaAsP的磊晶，其表面形貌與GaAs基板的晶向偏角度有強相關， GaInP適合成長在高角度基板，InGaAsP則適合成長在0~2度的基板，四元材料InGaAsP成長時須精準控制As/P兩個五族氣體，故高品質InGaAsP/InGaP的磊晶成長技術要求較高，不易成長出高品質之磊晶片。
976nm半導體雷射使用InGaAs/GaAsP/GaInP優於InGaAs/GaAs/GaInP，因為In含量較高時，高應力的量子井，易使薄膜產生缺陷；GaAsP可以降低整個活性區的壓縮應變(compressive strain)，減少QW的缺陷密度(defect density)，且適量增加GaAsP的P含量，能障高度(barrier height)會增加，更多的電子侷限在QW，能增加材料的光致發光(photoluminescence)強度，提升元件的性能(例如降低驅動電流及提升斜率效應(slope efficiency(SE)))，且GaAsP為低折射率材料，可減弱波導侷限效應，進而增加近場寬度、縮減垂直方向遠場角度。另外，透過插入幾個奈米厚度的GaAs於InGaAs/GaAsP介面，並不影響光型，卻可防止In原子擴散進入GaAsP，避免InGaAs/GaAsP介面形成互相擴散的四元化合物層(InGaAsP)，降低元件的性能。
當雷射元件的共振腔長度增加至2〜6mm，可以有效降低注入的電流密度，同時增加熱逸散(heat dissipation)的面積，進而降低元件的接面溫度(junction temperature)；但內部損耗(internal loss)會隨著共振腔加長而增加，使得SE降低。
本發明之主要目的，欲提供一種具有非對稱結構之高功率邊射型半導體雷射，而具有利用非對稱結構提高輸出光功率之功效。
本發明之另一目的，乃利用無鋁活性區提高COMD level，具有增加元件可靠度之功效。
為達上述功效，本發明之技術特徵，包括有：一基板層，材料為n型砷化鎵(n-GaAs)；一下披覆層，材料為n型磷化鋁鎵銦(n-AlxGa1-xInP，x為0.2〜0.4)而形成在該基板上；一下光波導層，材料為磷化鎵銦(GaInP)而形成在該下披覆層上；一第一下阻障層，材料為磷砷化鎵(GaAsP)而形成在該下光波導層上；一量子井層，材料為砷化銦鎵(InGaAs)而形成在該第一下阻障層上；一第一上阻障層，材料為磷砷化鎵(GaAsP)而形成在該量子井層上；一上光波導層，材料為磷化鎵銦(GaInP)而形成在該第一上阻障層上，且令該上光波導層的厚度在300nm以下，該上光波導層厚度為該下光波導層厚度的1/3〜1/2；一上披覆層，材料為p型磷化鋁鎵銦(p-AlxGa1-xInP，x為0.55〜0.9)而形成在該上光波導層上，且令該上披覆層的厚度在900nm以下，該上披覆層厚度為該下披覆層厚度的1/3〜1/2；以及一歐姆接觸層，材料為p型砷化鎵(p-GaAs)而形成在該上披覆層上。
此外，該量子井層與該下光波導層之間還形成有材料為磷砷化鎵(GaAsP)的第一下阻障層，該量子井層與該上光波導層之間還形成有材料為磷砷化鎵(GaAsP)的第一上阻障層；其中，該量子井層與該第一下阻障層之間還形成有材料為砷化鎵(GaAs)的第二下阻障層，該量子井層與該第一上阻障層之間還形成有材料為砷化鎵(GaAs)的第二上阻障層。
然而，該下過渡層材料為n-Ga0.51In0.49P，該下披覆層厚度為2200nm材料為n-(Al0.2Ga0.8)In0.5P，該下光波導層厚度為800nm材料為Ga0.51In0.49P，該第一下阻障層材料為Ga0.8AsP0.2，該第二下阻障層厚度為2〜5nm，該量子井層材料為In0.2Ga0.8As，該量子井層厚度為5〜10nm，該第二上阻障層厚度為2〜5nm，該第一上阻障層材料為Ga0.8AsP0.2，該上光波導層厚度為300nm材料為Ga0.51In0.49P，該上披覆層厚度為845nm材料為p-(Al0.65Ga0.35)In0.5P，該上過渡層材料為p-Ga0.51In0.49P。
再者，該基板層與該下披覆層之間還形成有材料為n型磷化鎵銦(n-GaInP)的下過渡層，該上披覆層與該歐姆接觸層之間還形成有材料為p型磷化鎵銦(p-GaInP)的上過渡層。又，該基板層的晶向角偏離(100)10
o。
藉此，利用上光波導層的厚度小於下光波導層的厚度，上披覆層的厚度小於下披覆層的厚度，將活性區的位置偏移至靠近上披覆層，而可以在結構上提高輸出光功率。
首先，請參閱圖1所示，本發明由下而上依序為：n-GaAs基板層10、n-Ga
0.51In
0.49P下過渡層12、厚度為2200nm的n-(Al
0.2Ga
0.8)In
0.5P下披覆層14、厚度為800nm的Ga
0.51In
0.49P下光波導層16、Ga
0.8AsP
0.2第一下阻障層18、厚度為2〜5nm的GaAs第二下阻障層20、厚度為5〜10nm的In
0.2Ga
0.8As量子井層22、厚度為2〜5nm的GaAs第二上阻障層24、Ga
0.8AsP
0.2第一上阻障層26、厚度為300nm的Ga
0.51In
0.49P上光波導層28、厚度為845nm的p-(Al
0.65Ga
0.35)In
0.5P上披覆層30、p-Ga
0.51In
0.49P上過渡層32以及p-GaAs歐姆接觸層34。
基於如是之構成，本發明為非對稱結構的無鋁活性區976nm高功率半導體雷射，材料磊晶部分是成長在在偏離(100)晶向角為10
o的GaAs基板層10上，活性區應力補償結構有插入2〜5nm的阻障層20、24，量子井層22的PL波長設計在965nm，在大電流下，該光致發光(Photoluminescence，PL)波長對應的電致發光(Electroluminescence，EL)波長可至976nm；因此，經由調整上、下光波導層28、16的不同厚度及上、下披覆層30、14的不同成份與厚度，讓90%以上的光場落在P型摻雜(p-doping)以外的區域，將內部損耗(internal loss)最小化，且經由縮短P型摻雜側的厚度，來減少元件在高功率操作的熱阻(thermal resistance)；圖2為上光波導層28厚度為150nm或300nm、不同鋁成份的上披覆層30，對應厚度為800nm的下光波導層16，其光場在p-doping以外的區域的比例≧93%。
是以，本發明引入非對稱光子載子分開耦合異質結構Asymmetric decoupled confinement heterostructure(ADCH)結構來降低內部損耗、增加SE；而利用上光波導層28的厚度小於下光波導層16的厚度，上披覆層30的厚度小於下披覆層14的厚度，將活性區的位置偏移至靠近上披覆層30，下披覆層14的折射率高於上披覆層30，如此可大幅減少光場被落在上披覆層30的自由載子吸收，且光侷限因子Γ
p -WG＜Γ
n -WG且Γ
QW變小、等效光點變大，依據下列公式P
max=(d
qw/Γ
qw)*W*[1-R/(1+R)]*P
COMD(P
max：最大輸出功率，d
qw：量子井寬度，Γ
qw：侷限因子，R：前鏡面反射率，P
COMD：可承受COMD最大輸出功率)可以在結構上提高輸出光功率，具有利用非對稱結構提高輸出光功率之功效；同時，活性區為Al-free的材料，亦有助於提高COMD level，具有增加元件可靠度之功效。
綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請 鈞局惠賜專利，以勵發明，無任德感。
惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技術人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。
10基板層
12下過渡層
14下披覆層
16下光波導層
18第一下阻障層
20第二下阻障層
22量子井層
24第二上阻障層
26第一上阻障層
28上光波導層
30上披覆層
32上過渡層
34歐姆接觸層
圖1係本發明之結構示意圖。
圖2係本發明多種非對稱結構與P型摻雜以外區域光強度率之關係說明圖。
10基板層
12下過渡層
14下披覆層
16下光波導層
18第一下阻障層
20第二下阻障層
22量子井層
24第二上阻障層
26第一上阻障層
28上光波導層
30上披覆層
32上過渡層
34歐姆接觸層
Claims (4)
- 一種具有非對稱結構之高功率邊射型半導體雷射，包括有：一基板層，材料為n型砷化鎵(n-GaAs)；一下披覆層，材料為n型磷化鋁鎵銦(n-AlxGa1-xInP，x為0.2~0.4)而形成在該基板上；一下光波導層，材料為磷化鎵銦(GaInP)而形成在該下披覆層上；一第一下阻障層，材料為磷砷化鎵(GaAsP)而形成在該下光波導層上；一量子井層，材料為砷化銦鎵(InGaAs)而形成在該第一下阻障層上；一第一上阻障層，材料為磷砷化鎵(GaAsP)而形成在該量子井層上；一上光波導層，材料為磷化鎵銦(GaInP)而形成在該第一上阻障層上，且令該上光波導層的厚度在300nm以下，該上光波導層厚度為該下光波導層厚度的1/3~1/2；一上披覆層，材料為p型磷化鋁鎵銦(p-AlxGa1-xInP，x為0.55~0.9)而形成在該上光波導層上，且令該上披覆層的厚度在900nm以下，該上披覆層厚度為該下披覆層厚度的1/3~1/2；以及一歐姆接觸層，材料為p型砷化鎵(p-GaAs)而形成在該上披覆層上。
- 如請求項1所述具有非對稱結構之高功率邊射型半導體雷射，其中，該量子井層與該第一下阻障層之間還形成有材料為砷化鎵(GaAs)的第二下阻障層，該量子井層與該第一上阻障層之間還形成有材料為砷化鎵(GaAs)的第二上阻障層，該基板層與該下披覆層之間還形成有材料為n型磷化鎵銦(n-GaInP)的下過渡層，該上披覆層與該歐姆接觸層之間還形成有材料為p型磷化鎵銦(p-GaInP)的上過渡層。
- 如請求項2所述具有非對稱結構之高功率邊射型半導體雷射，其中，該下過渡層材料為n-Ga0.51In0.49P，該下披覆層厚度為2200nm材料為n-(Al0.2Ga0.8)In0.5P，該下光波導層厚度為800nm材料為Ga0.51In0.49P，該第一下阻障層材料為Ga0.8AsP0.2，該第二下阻障層厚度為2~5nm，該量子井層材料為In0.2Ga0.8As，該量子井層厚度為5~10nm，該第二上阻障層厚度為2~5nm，該第一上阻障層材料為Ga0.8AsP0.2，該上光波導層厚度為300nm材料為Ga0.51In0.49P，該上披覆層厚度為845nm材料為p-(Al0.65Ga0.35)In0.5P，該上過渡層材料為p-Ga0.51In0.49P。
- 如請求項1所述具有非對稱結構之高功率邊射型半導體雷射，其中，該基板層的晶向角偏離(100)10°。
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| US20120138130A1 (en) * | 2009-05-11 | 2012-06-07 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E.V. | Tunnel diodes comprising stress-compensated compound semiconductor layers |
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| US20120138130A1 (en) * | 2009-05-11 | 2012-06-07 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E.V. | Tunnel diodes comprising stress-compensated compound semiconductor layers |
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