專利名稱：：高溫不用冷卻的二極管激光器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明一般涉及半導體激光器，尤其涉及一種如在特定頻率為1.3微米下工作最佳的混合物半導體量子阱二極管激光器?，F(xiàn)代電話和數(shù)據(jù)網絡依賴硅光纖在聯(lián)接發(fā)送和接收端的光纖上作數(shù)據(jù)傳送。硅光纖，當其用于幾乎不受限制的帶寬時，存在某些限制。雖然它的最小吸收集中在1.5μm的某個頻帶中，但是光纖的一個重要特性是它的依賴于頻率的色散。介電常數(shù)，以及其引起的光纖上的信號傳播速度隨光纖上傳播的光的頻率而變化。色散是介電常數(shù)對于波長(或頻率)的變化率。光纖中的色散使得不同頻率的光信號以不同速度傳播。其結果，短光脈沖，鑒于富利埃(Fourier)分析，它們包含許多光頻率，當它們沿呈現(xiàn)色散的光纖傳播時，沿它們短暫的長度展開。色散展寬限制了脈沖間的間隔，因此也限制了給定長度光纖所能支持的數(shù)字數(shù)據(jù)的速度。由于在1.31μm上通過色散為零，所以在光纖上以1.3μm為中心的光頻帶上傳輸光信號能大大克服硅光纖中的色散限制。因此，現(xiàn)有局域交換訪問光纖網絡最佳工作在1.3μm頻帶上。光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展遇到的最復雜困難的組成或許是光源。Bellcore已出版了技術報告(TechnicalAdvisory)TA—TSY—000983，在其1990年第一版的題為“環(huán)路應用中光電器件的可靠性保證實踐”(ReliabilityAssurancePracticesforOptoelectronicDe-vicesinLoopApplications”一文中，確定了激光二極管或其它等效光發(fā)射元件的技術參數(shù)(requirements)。這種光發(fā)射元件的爭對性技術參數(shù)列于表1中。這些技術參數(shù)是如此苛刻以致只有某種半導體激光器似乎能真正滿足它們。另一方面，由于光源應用于(局域)電話線路，所以此裝置不應加以冷卻，即不需熱電冷卻器，以便保持低成本。表1除特殊規(guī)定外，這些技術規(guī)范適用于所述整個溫度范圍。這些參數(shù)的某些特別難以滿足，尤其在高溫下如此。這些難以滿足的參數(shù)包括閾值電流ITh，在該值上二極管開始產生激光；微分量子效率η和它的變化量Δη；和工作電流IMod條件下的光輸出功率Pop。工作溫度范圍延伸到85℃以便不需要昂貴和不可靠的熱電冷卻器。因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有低閾值電流、高輸出功率和幾乎恒定的微分量子效率和能寬溫度范圍工作的半導體激光器。本發(fā)明的一個特定目的在于提供一種1.3μm頻帶的這樣的激光器。本發(fā)明概括為一種以ALGaInAs/InP材料簇為基礎的激光二極管。激活層包括一個或多個壓縮變形的量子阱激活層，它們由GaInAs、最好是AlGaInAs或InGaAsP構成。量子阱被夾在由AlGaInAs構成的阻擋層之間。且相對于量子阱層具有仔細選定的帶隙。下面結合附圖實施例詳細描述本發(fā)明。圖1為可應用本發(fā)明的脊形波導管的剖面圖；圖2為可應用本發(fā)明的半絕緣、平面形、埋入異質結激光器的剖面圖；圖3為本發(fā)明一實施例中激活層附近區(qū)域的剖面圖；圖4為圖3器件的激活層中及其周圍的能帶結構的概示圖；圖5為作為鋁含量函數(shù)的與InP晶格匹配的ALGaInAs的帶隙曲線圖。本發(fā)明是由以AL為主的ALGaInAs/InP材料組成的一種固態(tài)、混合物半導體光元件。激活層包括一個或多個量子阱，它們最好可壓縮變形，由GaInAs(或最好由ALGaInAs或以InGaAsP替代)組成，并夾在由ALGaInAs構成的阻擋層之間，這些阻擋層要么與InP晶格匹配，要么可拉伸變形，以便補償壓縮變形的激活層。ALGaInAs阻擋層的帶隙和由此引起的結構需仔細選擇以便光層的光性能最佳。鑒于人們對生長在GaAs基質上的GaAs/ALGaAs或InGaAs/ALGaAs層的觀察普遍認為AL氧化會引起長期功能退化，所以ALGaInAs/InP層不像GaInAsP/InP那樣獲得廣泛研究。然而，由于激光器異質結兩側具有比0.4ΔEg更大的導帶偏移0.7ΔEg，所以ALGaInAs/InP激光器與GaInAsP/InP激光器相比具有一些內在的優(yōu)點。這種大的偏移允許電子在高溫下制約在InGaAs甚或低鋁含量的ALGaInAs的量子阱中。較佳實施例利用并由此結合發(fā)明者實驗組和其它合作者在由ALGaInAs/InP材料簇構成的變形量子阱激光器領域中的某些研究成果。這些成果已被揭示在1992年固態(tài)器件和材料的國際會議的詳細摘要、Tsukuba版第604至606頁的、由Bhat等人著的“低閾值1.3和1.55μm變形量子阱激光器”一文中，電子通訊(ElectronicsLetters)、1992年版、第2323頁至2325頁的、由Zah等人著的“低閾值1.3μm變形層ALxCayIn1-x-yAs量子阱激光器。技術的附加部分由下文中得到揭示(1)日本應用物理期刊、1992年第31卷、1365—1371頁、由Kasukawa等人著“通過有機金屬化學蒸發(fā)淀積生成的1.5μmGaInAs/ALGaInAs漸變折射率分別制約的異質結的量子阱激光二極管”一文；(2)ECOC，1991，Thijs等人著“高輸出功率(380mw)、低閾值電流(1.3mA)、低線寬增強因子(≤2)、λ＝1.3μm形變量子阱激光器”一文；(3)應用物理快報，第59卷，1991年，2486—2488頁，由Kasukawa等人著“由金屬有機化學蒸發(fā)淀積生成的極低閾值電流密度、1.5μmGaInAs/ALGaInAs漸變折射率分別制約異質結形變量子阱激光二極管”一文；(4)銦磷化合物及有關材料的第4屆國際會議會議(文集)，1992年4月21—24日，453—456頁，由Bhat等人著“用于低閾值1.3μm和1.55μm量子阱激光器的形變ALxGayIn1－x－y的OMCVD生成法”一文?？捎糜诒景l(fā)明下面詳細描述的實施例的，至少有兩種激光器結構。兩種結構的一般特性和它們的形成描述在本發(fā)明第一組兩篇引用參考中。第一種結構，如圖1剖面圖所示，是一種脊波導管激光器。一ALGaInAs激活層12生長在一n型InP基層10上，它們的詳細結構是本發(fā)明重要方面。一P型InP層14淀積在激活層12上。n型基層10作為下包層而p型層14作為上包層，所以它們共同將光導入并鄰接于激活層12。一重摻雜接觸(contact)P++型InGaAs層16淀積在上包層14上。然后，通過接觸層16和大部分上包層14由光刻步驟形成兩個槽18，在兩槽之間有脊20，在脊20的頂上留有來自接觸層16的一絕緣接觸19。在脊20被掩模之后，一SiO2絕緣氧化層22淀積在其它區(qū)域上。最后，淀積一Ti/Au金屬化層24，它僅與脊20的頂部的接觸層19有效地電氣連接?？缃佑赥i/Au金屬化層24和基層10上的金屬化層28的偏壓電源26將電流垂直通過脊20到基層10，穿過上、下包層14和10之間形成的p—n二極管，兩包層之間具有激活層12。向圖示極性給p—i—n結構加偏壓。因此，激活層12產生在上、下包層14和10之間水平導向的光。光從脊20的軸向端上的部分反射器反射并返回，從它們的之一輸出。該結構在閾值電流ITh之上發(fā)射激光。第二種結構，如圖2剖面圖所示，它是一種半導體器件，一種埋入式異質結激光器。ALGaInAs激活層12生長在n型InP基層10上面。脊20被掩模，且所包圍的材料被蝕刻成阱進入InP基層10。然后一種半絕緣InP層30再一次在那里生長且?guī)缀跎L到脊20的頂部。一種P型上包層14生長在激活層12和半絕緣層30上面。一未圖示的n型層將半絕緣層30與P型上包層14分開。P++型接觸層22和相聯(lián)的金屬化層淀積在上包層14上。半絕緣層30制約著偏置電流通過脊20中的激活層12。這些結構，及激活層12的詳細結構和相聯(lián)的過渡(transition)結構，是周知的。本發(fā)明的工作實施例如圖3剖面圖中所示。它包括一個激活層12，該激活層12具有由雙軸向壓縮變形的ALGaInAs制成的仔細確定的量子阱，且由不變形或拉緊變形的ALGaInAs制成的等間隔仔細確定的阻擋層分開。該結構，按照發(fā)明者實驗組在上述引用文章中描述的一般工藝，在重攙雜n+型InP基層40上用有機金屬化學蒸發(fā)淀積(OMCVD)方法外延生長而成。用n型摻雜到1×1018cm-3的InP制成的低包層42，在基層40上生長到1μm厚。在生長層中，硫化氫用于所有n型攙雜，而二甲鋅用于所有p型攙雜。所謂未摻雜的層，由于沒有鋅擴散?？梢园娂せ顡诫s物的痕量。一下過渡區(qū)44由4部分組成并改進了圖1和2的基本結構。一起始合成漸變的層46摻雜n型到1×1018cm-3，該層46在以1.0—AL—Q(該符號表示下文將給與解釋)開始的10nm以上漸變到In0.48Al0.52As。InALAs的成份與InP晶格匹配。然后，生長由n型In0.48AL0.52As組成的兩個層48和50。下面一層48有40mm的厚度，并摻雜n型到1×1018cm-3。而上層50有50nm的厚度并輕微向下?lián)诫s到7×1017cm-3。InAlAs層48和50兩者起到制約激活層12中的電子的作用。這種結構的大部分的電子能帶結構圖示在圖4中。InP/ALInAs漸變層46和更重摻雜的下面的ALInAs層48有助于導帶附近的電子克服InP和ALInAs之間的0.31eV的阻擋層。一未摻雜的制約阻擋層的過渡層52淀積在上面的ALInAs層50上，它在層48和50的In0.48Al0.52As成份和下文要詳述的量子阱阻擋層的成份之間進行線性成份漸變。制約阻擋層的過渡層52有100nm的厚度。激活層12由5個量子阱54夾心以4層阻擋層56構成。相鄰的過渡層在這樣確定的激活層12的外部起阻擋層的作用。5個量子阱54不摻雜，具有成份為Al0.18Ga0.22In0.70As。并具有厚度為8.8nm。量子阱如此之薄以便在該阱中形成電子和空穴的束縛能態(tài)，產生兩維的狀態(tài)密度。產生這樣厚和成份的阱，在發(fā)光上作為產生帶隙為1.29μm的度量。由于剩余結構要么是InP，要么是與晶格匹配的材料，所以所述的成份也即指量子阱54是可壓縮變形的。量子阱54沒有厚到使變形產生晶格錯位或其它變形退化的缺點。即，該量子阱54具有假同晶厚度。壓縮(或拉伸)變形量可通過將成份上相關的ALAs、GaAs和InAs的晶格常數(shù)的線性組合與InP進行比較進行計算。4層阻擋層56具有用1.0—AL—Q表示的成份。阻擋層不摻雜，每個厚度為10nm。AL—Q標注指與InP晶格匹配的四個一組的成份ALxGayIn1－x－yAs。數(shù)字標注指電子帶隙，它以微米表示的材料的帶隙波長表達。晶格匹配條件表達為y＝0.468－0.983x，而eV表示的帶隙能量表達為Eg＝0.36＋2.093x＋0.629y＋0.577x2＋0.456y2，它涉及帶隙波長為λ(μm)＝1.24/Eg(eV)。如果帶隙已知，那么結合上述兩等式產生x或y的二次方程式。整個關系表示在圖5中。于是，1.0—Al—Q具有X＝0.318和y＝0.154的成份。這些值是建立在上述能量關系上的，其精度不知道。實踐中，帶隙波長是由發(fā)光實驗測量的。激活層12上生長有一不摻雜的具有勢壘制約的過渡層58，它與下面的制約勢壘過渡層52對稱，且其上生長有一由In0.48Al0.52As組成的厚度為50nm的不摻雜的上制約層60。然后再生長一對p型上包層62和64。下面的一層62厚度為0.2μm并摻雜到7×1017cm-3、而上面的一層厚度為1.8μm并摻雜到1×1018cm-3。這種不同摻雜使吸收損失最小并減小了串聯(lián)電阻，由于Zn擴散而不會使p/n結移入激活層。包層64上生長一摻雜到1×1018cm-3的1.3—P—Q層66和一摻雜為1×1018cm-3的1.55—P—Q層68。標注P—Q指與InP晶格匹配的四個一組的成份GaxIn1－xAsyP1－y。而數(shù)字標注為帶隙波長。P—Q層用作P—InP和P++—InGaAs之間的躍變層，以便通過減少價帶偏移作用來減小串聯(lián)電阻。結構的垂直生長用一接觸層70完成，該接觸層70由P++型摻雜大于2×1019cm-3的In0.47Ga0.53As組成，其厚度為0.3μm。金屬化層加到n++基層40和P++接觸層70兩者上，以便在激活層12兩面形成一p—n結。生成這樣的結構，并在該結構的單側定義一個圖1所示的脊型波導，以便側向制約載流子和光子。這樣的側向定義的芯片被切割，以便用許多空腔長度制成二極管激光器。然后對二極管激光器賦以電氣光學特性。這些結果概括在具有剩余未涂復的刻面端的較佳實施例的不同空腔長度的表2中。最好，一刻面端做成幾乎全反射，而另一端做成最佳反射以便光輸出。<<tablesid="table3"num="003"><tablewidth="604">外部η0.460.410.350.330.30Δη，25—65℃(dB)-0.73-0.67-0.45-0.79-1.17Δη，25—85℃(dB)-1.56-1.25-1.03-1.30-1.46波長(nm)@25℃134713631367FWHM1.000.700.30</table></tables>表2從表2明顯可見，本發(fā)明幾乎都能滿足表1的規(guī)定。不管在波導和激活區(qū)中的鋁的高摩爾部分，最初壽命測試表明沒有大的刻面損壞或短期衰變。這些壽命試驗與上述傳統(tǒng)的認識相反，其結果是鋁氧化引起長期衰變。所生成三組比較例類似于上面例子。然而，它們的不同在于，量子阱阻擋層的成份從1.0—Al—Q變成為0.95—AL—Q、1.1—AL—Q或1.2—AL—Q。在0.95—AL—Q和1.2—AL—Q的情況下，合成激光器表明有明顯差的特性。特別是在85℃和最短空腔長度下，它們表現(xiàn)出兩倍的閾值電流和額定工作電流時的光輸出僅一半。具有阻擋(勢壘)成份為1.1—AL—Q的激光器被認為是勉強的但是適用的。本發(fā)明不限于特定結構和第一詳細實施例中給定的成份。勢壘(阻擋層)厚度可從10nm延伸到20nm，而制約層厚度每個可從50nm變化到200nm。n型InP包層，如果使用的話，其范圍同樣可從0.5至5μm，而P型包層從1至5μm。壓縮形變的精度值并不重要。量子阱的鋁含量可改變且可為零。詳細例子涉及1.3μm激光器，但是本發(fā)明能用于具有上面1.3μm詳細描述的最佳成份類型的其它發(fā)射波長。本發(fā)明最重要(但不僅僅限于此)的應用是它用于激光器或其它連續(xù)的光發(fā)射器。本發(fā)明有關的應用是作為具有高增益和高效率的半導體放大器。當然，一種激光器實質上就是一種帶有光反饋的放大器。阻擋(勢壘)層，相對于InP不變形，它可以拉伸形變，由此局部或全部解除量子阱層的可壓縮形變。因此，可包括大量可壓縮量子阱層而不會超過總的假同晶厚度。在本發(fā)明的另一實施例中，量子阱由可壓縮InGaAsP構成。InGaAsP量子阱和ALGaInAs阻擋層，鑒于這兩種材料之間的帶隙偏移，而能最佳化以提供優(yōu)良的二極管激光器。于是本發(fā)明提供一種可在高溫下工作的高效激光器，它的應用已在1.3μm發(fā)射帶上得到證實。權利要求1.一種具有上、下包層的二極管激光器，它包含導電類型相反的III—IV簇半導體成分，一激活層配置在所述上、下包層之間，并包含至少一可壓縮形變的量子阱，它包含GaInAs化合物；和包含ALGaInAs的阻擋層，這些阻擋層夾心于所述量子阱，其特征在于，每個所述阻擋層有一帶隙波長在0.95和1.2μm之間。2.如權利要求1所述的二極管激光器，其特征在于，每個所述阻擋層包含拉伸形變的ALGaInAs用于補償所述量子阱層中的壓縮變形。3.如權利要求1所述的二極管激光器，其特征在于，所述GaInAs化合物是InGaAsP。4.如權利要求1所述的二極管激光器，其特征在于，所述的GaInAs的化合物是ALGaInAs。全文摘要一種半導體二極管激光器包含一具有AlGaInAs構成的多個可壓縮形變的量子阱(54)的激活層(12)，它們夾心于與InP晶格匹配的AlGaInAs構成的阻擋層(52)之間，并具有取決于量子阱成分的精確定義的帶隙。該激活層由相反摻雜的包層(48，50，52；58，60)包圍著以便形成光波導。該激光器極有效地發(fā)射1.3μm的光，尤其在高溫工作下也是如此。文檔編號H01S3/06GK1118527SQ9410914公開日1996年3月13日申請日期1994年9月9日優(yōu)先權日1994年9月9日發(fā)明者巴特·拉賈拉姆,扎哈·闖恩申請人:貝爾通訊研究股份有限公司