陷阱減少的具有高銦低鋁量子阱和高鋁低銦勢(shì)壘層的激光器的制造方法
【專利摘要】一種VCSEL，可以包括：一個(gè)或多個(gè)具有(Al)InGaAs的量子阱；兩個(gè)或更多個(gè)結(jié)合所述一個(gè)或多個(gè)量子阱層的、具有Al(In)GaAs的量子阱勢(shì)壘；和一個(gè)或多個(gè)過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢(shì)壘之間，其中所述量子阱、勢(shì)壘和過渡單層基本上沒有陷阱。所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層包括GaP、GaAs、GaAsP和/或GaAsPSb?；蛘咚鯲CSEL可以包括兩個(gè)或更多個(gè)AlInGaAs的過渡單層，其勢(shì)壘側(cè)單層具有低In高Al，相比之下，量子阱側(cè)單層具有高In低Al。
【專利說明】陷阱減少的具有高銦低鋁量子阱和高鋁低銦勢(shì)壘層的激光器
【背景技術(shù)】
[0001]激光器被普遍使用于許多現(xiàn)代通信組件中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。變得越來越普遍的用途之一是在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中使用激光器。激光器被用于許多光纖通訊系統(tǒng)中以在網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在一個(gè)示例性的配置中，激光器可以通過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制以產(chǎn)生光信號(hào)，包括表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)流的光與暗輸出周期。在實(shí)際實(shí)踐中，激光器輸出代表二進(jìn)制的高點(diǎn)的高光輸出和代表二進(jìn)制低點(diǎn)的較低功率光輸出。為獲得快速的反應(yīng)時(shí)間，激光器是一直開啟的，只是從高光輸出到較低的光輸出變化。
[0002]光網(wǎng)絡(luò)相比于其他類型的網(wǎng)絡(luò)(如銅線基網(wǎng)絡(luò))具有多種優(yōu)點(diǎn)。例如，許多現(xiàn)有的銅線網(wǎng)絡(luò)以對(duì)于銅線技術(shù)而言接近最大可能的數(shù)據(jù)傳輸速率以及接近最大可能的距離進(jìn)行操作。而另一方面，許多現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)無論是在數(shù)據(jù)傳輸速率還是在距離方面都超過了對(duì)于銅線網(wǎng)絡(luò)可能的最大值。也就是說，光網(wǎng)絡(luò)能夠以比銅線網(wǎng)絡(luò)可能的距離更遠(yuǎn)、速率更快的方式可靠地傳送數(shù)據(jù)。
[0003]用于光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募す馄鞯囊环N類型是垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。正如其名所暗示，VCSEL具有一夾在兩個(gè)鏡疊層之間并被該兩個(gè)鏡疊層所限定的激光諧振腔。VCSEL通常是布置在諸如砷化鎵(GaAs)的半導(dǎo)體晶片上。VCSEL包括布置在半導(dǎo)體晶片上的底部鏡。通常，底部鏡包括多個(gè)高折射率和低折射率交替的層。當(dāng)光線穿過具有一種折射率的層到具有另一種折射率的層時(shí)，一部分光被反射。通過使用足夠數(shù)目的交替層，可以由所述鏡反射高百分比的光。
[0004]在底部鏡上形成有包括多個(gè)量子阱的有源區(qū)。有源區(qū)形成夾在底部鏡和頂部鏡之間的PN結(jié)，所述底部鏡和頂部鏡具有相反的導(dǎo)電類型(例如P-型鏡和n-型鏡)。值得注意的是，頂部鏡和底部鏡的概念可以是稍隨意的。在某些配置中，可以從VCSEL的晶片側(cè)提取光，其“頂部”鏡是完全反射型的-因此不透明。然而，為了本發(fā)明的目的，“頂部”鏡指將要從其提取光的鏡子，而與它在物理結(jié)構(gòu)中如何布置無關(guān)。當(dāng)PN結(jié)被電流正向偏置時(shí)，空穴和電子形式的載流子被注入到量子阱中。在偏置電流足夠高時(shí)，被注入的少數(shù)載流子在量子阱中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生光增益。光增益是當(dāng)在有源區(qū)中的光子激發(fā)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合產(chǎn)生額外光子時(shí)發(fā)生。當(dāng)光增益超過兩鏡的總損失時(shí)，發(fā)生激光器振蕩。
[0005]有源區(qū)也可以包括氧化物孔，所述氧化物孔是使用在頂部鏡和/或底部鏡中鄰近有源區(qū)形成的一個(gè)或多個(gè)氧化物層而形成的。氧化物孔用作形成光學(xué)腔以及引導(dǎo)偏置電流通過所形成腔的中心區(qū)?；蛘?，可使用其他手段，如離子注入、構(gòu)圖后的外延再生長(zhǎng)、或其他光刻構(gòu)圖來執(zhí)行這些功能。
[0006]頂部鏡形成在有源區(qū)上。頂部鏡與底部鏡類似，通常包括多個(gè)高折射率和低折射率交替的層。一般來說，頂部鏡具有更少的交替的高折射率和低折射率層的鏡周期，以提高從VCSEL的頂部的光發(fā)射。
[0007]說明性地，當(dāng)電流經(jīng)過PN結(jié)時(shí)，激光器發(fā)揮作用將載流子注入到有源區(qū)中。被注入的載流子在量子阱中從導(dǎo)帶到價(jià)帶的復(fù)合使得光子開始在由所述鏡所限定的激光器腔中移動(dòng)。所述鏡來回反射光子。當(dāng)偏置電流在由所述腔所支持的波長(zhǎng)下足以在量子阱態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)，在量子阱中產(chǎn)生光增益。當(dāng)光增益等于腔損耗時(shí)，發(fā)生激光器振蕩并且激光器被認(rèn)為是處于閾值偏置，當(dāng)從VCSEL的頂部發(fā)射光學(xué)相干的光子時(shí)，VCSEL開始'產(chǎn)生激光'。
[0008]已經(jīng)確定了 VCSEL的有源區(qū)的組成可以確定激光器的功能。特別地，如果不精心準(zhǔn)備量子阱和圍繞量子阱的勢(shì)壘層的組成，那么會(huì)在量子阱和量子阱勢(shì)壘的界面處形成陷阱。這樣形成的陷阱會(huì)凝結(jié)成錯(cuò)位環(huán)，該錯(cuò)位環(huán)可生長(zhǎng)成更大的環(huán)并造成非輻射復(fù)合。這會(huì)造成VCSEL失效。因此，設(shè)計(jì)防止在量子阱和量子阱勢(shì)壘的界面處形成這種陷阱的有源區(qū)是有利的。
[0009]本發(fā)明要求保護(hù)的主題并不限于解決如在上面所述的那些環(huán)境中的任何缺點(diǎn)或僅在如上面所述的那些環(huán)境中操作的實(shí)施例。相反，提供這樣的背景僅僅是說明一項(xiàng)可以實(shí)踐本文所述的一些實(shí)施例的實(shí)例技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，VCSEL可以包括:一個(gè)或多個(gè)具有(Al) InGaAs的量子阱；兩個(gè)或更多個(gè)結(jié)合所述一個(gè)或多個(gè)量子阱層的、具有Al (In)GaAs的量子阱勢(shì)壘；和一個(gè)或多個(gè)過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢(shì)壘之間，其中所述量子阱、勢(shì)壘和過渡單層基本上沒有陷阱(trap)。在一個(gè)方面，所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層包括GaP、GaAs、GaAsP和/或GaAsPSb。在另一方面，兩個(gè)或更多個(gè)過渡單層包括AlInGaAs,其勢(shì)壘側(cè)單層具有低In高Al，相比之下，量子阱側(cè)單層具有高In低Al。在另一方面，所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層沒有Al和In。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，一種制備VCSEL的方法可以包括:使用分子束外延(MBE)生長(zhǎng)體結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所述結(jié)晶結(jié)構(gòu)具有:一個(gè)或多個(gè)量子阱；兩個(gè)或更多個(gè)結(jié)合所述一個(gè)或多個(gè)量子阱中每一個(gè)的量子阱勢(shì)壘；和一個(gè)或多個(gè)沉積在各量子阱層和量子阱勢(shì)壘之間的過渡單層。所述方法可以包括形成VCSEL，所述VCSEL包括:一個(gè)或多個(gè)具有InGaAs的量子阱，In范圍從約2%至約11%并且Ga范圍從約89%至約98% ;或者一個(gè)或多個(gè)具有AlInGaAs的量子講，Al范圍從約6%至約11%，In范圍從約8%至約20%并且Ga范圍從約69%至約86% ；一個(gè)或多個(gè)具有AlGaAs或Al (In)GaAs的量子阱勢(shì)壘，Al范圍從約25%至約40%，In范圍從約0至約2%，并且Ga范圍從約60%至約75% ;以及一個(gè)或多個(gè)在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的過渡層，所述過渡層具有GaAs、GaAsP或GaAsPSb。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，一種制備VCSEL的有源區(qū)的方法可以包括:(a)生長(zhǎng)具有Al (In)GaAs的量子阱勢(shì)壘；(b)生長(zhǎng)具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層；(C)生長(zhǎng)具有(Al) InGaAs的量子阱層；(d)生長(zhǎng)另一具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層；(e)重復(fù)工藝(a)至(d)，多次循環(huán)；和(f)生長(zhǎng)具有Al (In)GaAs的量子阱勢(shì)壘。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，一種VCSEL可以包括:一個(gè)或多個(gè)具有高In低Al的量子阱；兩個(gè)或更多個(gè)結(jié)合所述一個(gè)或多個(gè)量子阱層的具有高Al低In的量子阱勢(shì)壘；和一個(gè)或多個(gè)過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢(shì)壘之間，其中所述量子阱、勢(shì)壘和過渡單層基本上沒有陷阱。在這一實(shí)施例中，所述一個(gè)或多個(gè)量子阱的特征在于下述:高In的范圍是從約2%至約6% ;和低Al的范圍是從約0至約12% ;在所述一個(gè)或多個(gè)量子阱勢(shì)壘中:高Al的范圍是從約25%至約40% ;和低In的范圍是從約0至約2%。
[0014]例如，所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層包括GaP、GaAs和/或GaAsP?；蛘撸鰞蓚€(gè)或更多個(gè)過渡單層包括AlInGaAs,其勢(shì)壘側(cè)單層具有低In高Al，相比之下，量子阱側(cè)單層具有高In低Al。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]前述和下述信息以及本公開內(nèi)容的其他特征將通過下面的說明和所附權(quán)利要求書，結(jié)合附圖變得更加清楚。應(yīng)理解的是，這些附圖僅示出根據(jù)本公開內(nèi)容的幾個(gè)實(shí)施例，并且不應(yīng)被認(rèn)為限制其范圍，通過使用附圖將描述本公開內(nèi)容的其他特異性和細(xì)節(jié)，在附圖中:
[0016]圖1是示意性的VCSEL操作環(huán)境的實(shí)施例；
[0017]圖2是示意性的VCSEL層疊型半導(dǎo)體操作環(huán)境的實(shí)施例；
[0018]圖3是示出具有InGaAsP的組成的穩(wěn)定單相極限(binodial)等溫線的圖表,其原理可應(yīng)用于本發(fā)明的組成；
[0019]圖4是示意性的VCSEL的半導(dǎo)體層的實(shí)施例；
[0020]圖5A-5C是示意性的VCSEL的有源區(qū)的不同實(shí)施例；
[0021]圖6是示意性的VCSEL的有源區(qū)的實(shí)施例；
[0022]圖7是示意性的VCSEL的有源區(qū)的實(shí)施例；
[0023]圖8是制造VCSEL的方法的實(shí)施例的流程圖；
[0024]圖9是制造VCSEL的方法的實(shí)施例的流程圖；
[0025]圖10是制造VCSEL的方法的實(shí)施例的流程圖；
[0026]圖11A-11B包括示出VCSEL的實(shí)施例的波函數(shù)生長(zhǎng)方向相對(duì)于能帶邊緣(EV)的圖；
[0027]圖12包括示出VCSEL的實(shí)施例的態(tài)密度圖；
[0028]圖13包括示出VCSEL的實(shí)施例的波長(zhǎng)增益圖；和
[0029]圖14包括相對(duì)于VCSEL的量子阱和勢(shì)魚的過渡層的實(shí)例的示意性展示；
[0030]圖15包括示出作為圖14的VCSEL的生長(zhǎng)函數(shù)的帶能圖，示出在過渡層的帶能改變；
[0031]圖16包括示出圖14的VCSEL的內(nèi)嵌數(shù)據(jù)的圖表，示出由于過渡層而改善的性能；和
[0032]圖17包括示出VCSEL的實(shí)施例的能帶邊緣(eV)相對(duì)于波函數(shù)生長(zhǎng)方向的圖；
[0033]所有這些都是根據(jù)本文所述的至少一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行設(shè)置，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可根據(jù)本文提供的公開內(nèi)容對(duì)所述設(shè)置進(jìn)行修改。
【具體實(shí)施方式】
[0034]將參照附圖進(jìn)行下面的詳細(xì)描述，這些附圖構(gòu)成本發(fā)明的一部分。在附圖中，除非上下文另有規(guī)定，否則相似的符號(hào)通常表示相似的組件。在詳細(xì)描述中記載的說明性實(shí)施例、附圖以及權(quán)利要求書都并不意味著進(jìn)行限制。在不偏離本文主題的精神或范圍的情況下可以利用其他實(shí)施例，并且可以做出其他改變。容易理解的是，如本文所概述的和在附圖中所示的本公開內(nèi)容的各方面都可以按各種不同的配置進(jìn)行設(shè)置、替代、組合、分離和設(shè)計(jì)，所有這些都明確地被本文所考慮。
[0035]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可以由任何類型的半導(dǎo)體制造。合適的材料的實(shí)例包括II1-V族半導(dǎo)體材料(例如，由一種或多種III族材料(硼⑶、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、韋它(Tl)及ununtrium(Uut)和一種或多種V族材料(氮(N)、磷(P)、砷(As)、鋪(Sb)、秘(Bi)及ununpentium(Uup)(未確認(rèn))))以及任選的一些IV族材料來制備。
[0036]半導(dǎo)體裝置可以包括具有一個(gè)或多個(gè)量子阱以及一個(gè)或多個(gè)量子阱勢(shì)壘的有源區(qū)。量子阱和量子阱勢(shì)壘可以被設(shè)在它們之間的一個(gè)或多個(gè)過渡層分開。由于過渡層位于量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的界面處，因此它們也可以被稱為界面層。電子限制層(electrical confining layers)可以夾持有源區(qū)，并通過限制有源區(qū)的載流子來提供光增益效率。限制層可以具有高能量帶隙的區(qū)域，在許多II1-V族化合物的情況下，所述具有高能量帶隙的區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)楦咪X含量(例如，對(duì)于III族材料為60%-100%的Al)?？梢赃x擇鋁含量以使所述材料具有比有源區(qū)的量子阱勢(shì)壘中的帶隙相對(duì)寬的帶隙。寬帶隙材料可以使限制層得到良好的載流子限制并提高有源區(qū)的效率。在示例性實(shí)施例中，高鋁區(qū)域還可以包括摻雜的增加。根據(jù)限制阻礙是在有源區(qū)的n-側(cè)或是P-側(cè)，限制層可以摻入P-型或n-型摻雜物。
[0037]量子講可以包括具有低量Al和高量In的AlInGaAs。量子講勢(shì)魚可以包括具有低量In和高量Al的AlInGaAs?？梢栽谠诹孔于搴土孔于鍎?shì)壘之間包括過渡層，該過渡層可以包括GaP、GaAs、GaAs或能避免高Al低In區(qū)與低Al高In區(qū)的相鄰的梯度的AlInGaAs。
[0038]為了本發(fā)明的目的，在AlInGaAs量子阱或量子阱勢(shì)壘其他體系中，鋁(Al)、銦(In)和鎵(Ga)的含量是與V族材料砷(As)配對(duì)的III族材料。因此Al、In和Ga是指在AlInGa組分中的Al、In或Ga的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)在元素通式中諸如Al或In的物質(zhì)是出現(xiàn)在括號(hào)內(nèi)時(shí)，例如(Al)或(In)，它表示該元素以少量或痕量存在。少量的In可以是小于5%或小于1%或小于0.1%。少量的Al可以是小于12%、或小于2%、或小于1%或小于0.1%。
[0039]在一個(gè)實(shí)施例中，量子阱可以制備為具有痕量至少量Al。在量子阱中相對(duì)于(Al)InGa組分為少量的Al可以在從約0%至約5%的范圍，或約0.0001%至約2%，或約0.01%至約1%，或約0.05%。另外，量子阱可以制備為具有高量的In，特別是相對(duì)于Al的量。在量子阱中相對(duì)于(Al) InGa組分的In的量可以在從約1%至約50%的范圍，或約2%至約40%，或約4%至約30%，或約4%。在量子阱中相對(duì)于(Al) InGa組分的Ga的量可以在從約50%至約99%的范圍，或約60%至約98%，或約70%至約96%，或約96%。當(dāng)Al足夠少時(shí)，量子阱可以表示為(Al)InGaAs。當(dāng)沒有Al時(shí),量子講可以表示為InGaAs。
[0040]在一個(gè)實(shí)施例中，量子阱勢(shì)魚可以制備為具有痕量至少量In。在量子阱勢(shì)魚中相對(duì)于(Al) InGa組分為少量的In可以在從約0%至約5%的范圍，或約0.0001%至約2%，或約0.01%至約1%，或約0.05%。另外，量子阱勢(shì)壘可以制備為具有高量的Al，特別是相對(duì)于In的量。在量子阱勢(shì)壘中相對(duì)于(Al) InGa組分的Al的量可以在從約20%至約60%的范圍，或約25%至約55%，或約35%至約40%，或約35%。在量子阱勢(shì)壘中相對(duì)于(Al) InGa組分的Ga的量可以在從約40%至約80%的范圍，或約45%至約75%，或約55%至約65%，或約65%。當(dāng)In足夠少時(shí)，量子阱可以表示為Al(In)GaAs。當(dāng)沒有In時(shí)，量子阱可以表示為AlGaAs。
[0041]在一個(gè)實(shí)施例中，有源區(qū)可以包括Inl-zGazAs量子講,其中z表示在量子講中的Ga的百分?jǐn)?shù)，其可以在從約0.8至約0.99的范圍，或約0.83至約0.98，或約0.94至約0.98，或約 0.96。
[0042]在一個(gè)實(shí)施例中,有源區(qū)可以包括AlxInl-z-xGazAs量子講,其中z表示在量子講中Ga的摩爾分?jǐn)?shù)，其可以在從約0.6至約0.9的范圍，或約0.69至約0.88，或約0.72至約0.86，或約0.8 ;并且X表示在量子阱中的Al的摩爾分?jǐn)?shù)，其可以在從約0.06至約I的范圍，或約0.08至0.2，或約0.09至約0.11，或約0.1。因此，In的量(例如l_z_x)可以在從約0.06至約0.5的范圍，或約0.7至約0.3或約0.08至約0.2。
[0043]在一個(gè)實(shí)施例中，有源區(qū)可以包括All-kGakAs量子講勢(shì)魚,其中k表示在量子講勢(shì)壘中的Ga的百分?jǐn)?shù)，其可以在從約0.5至約0.85的范圍，或約0.55至約0.8，或約0.6至約0.75，或約0.7。因此，Al的量(例如1-k)可以在從約0.2至約0.5的范圍，或約0.25至約0.4。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，有源區(qū)可以包括All-j-klnjGakAs量子講勢(shì)魚,其中k表示在量子阱勢(shì)壘中的Ga的百分?jǐn)?shù)，其可以在從約0.5至約0.85的范圍，或約0.55至約0.8，或約0.6至約0.75，或約0.7 ;并且j表示在量子阱勢(shì)壘中的In的百分?jǐn)?shù)，其可以在從約0或
0.0001至約I的范圍，或約0.0001至約0.1，或約0.001至約0.02，或約0.005至約0.01，或約0.01。
[0045]在一個(gè)實(shí)施例中，有源區(qū)可以包括在每個(gè)量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的GaP過渡層。在一個(gè)方面，GaP過渡層沒有In。在另一個(gè)方面，過渡層可以沒有Al。在另一個(gè)方面中，過渡層可以是純的GaP。
[0046]在一個(gè)實(shí)施例中，有源區(qū)可以包括具有中間材料的過渡層，該中間材料具有GaP并且沒有In或Al中之一,或者沒有In,或者沒有Al,或者沒有In和Al。例如,過渡層可以是GaP、GaAsP或GaAs，或者是GaP、GaAsP和GaAs。另外，過渡層的材料可以選自GaP、GaAsP或GaAs。對(duì)于具有GaAsl_wPw過渡層,w可以是從0.0至約I的范圍，或約0.4至約1，或約0.5至約I。
[0047]在一個(gè)實(shí)施例中，過渡層可以包括GaAsl-w-vPwSbv,其中x在從約0.3至約I的范圍，或約0.4至約1，或約0.5至約1，并且V可以在從約0至約0.1的范圍，或約0.001至約0.05，或約0.01至約0.2。
[0048]在一個(gè)實(shí)施例中，過渡層的材料可以是沒有Al和In兩者的適當(dāng)材料。在一個(gè)實(shí)施例中，過渡層可以在量子阱側(cè)具有沒有Al的單層。在一個(gè)實(shí)施例中，過渡層可以在量子阱勢(shì)壘側(cè)具有沒有In的單層。
[0049]在一個(gè)實(shí)施例中，過渡層可以具有不同材料的兩個(gè)或更多個(gè)單層，例如從量子阱側(cè)到量子阱勢(shì)壘側(cè)在組成上階躍的各種單層。當(dāng)具有階躍的組成時(shí)，在量子阱側(cè)的單層可以至少基本上沒有Al并且在量子阱勢(shì)壘側(cè)的單層至少基本上沒有In。當(dāng)然，只要能避免陷阱，那么痕量的Al和In可以是適合的。
[0050]在一個(gè)實(shí)施例中，過渡層可以包括多個(gè)在(Al) InGaAs和Al (In)GaAs之間的中間組成的單層。也即，所述單層可以和量子阱與量子阱勢(shì)壘具有相同的元素，只是Al和In含量不同。在此，量子阱側(cè)的單層可以至少基本上沒有或者有少量的Al并且在量子阱勢(shì)壘側(cè)的單層基本上沒有或者有少量的In。如此，所述單層可以從過渡層的量子阱側(cè)到量子阱勢(shì)壘側(cè)具有增加量的Al，并且所述層可以從量子阱勢(shì)壘側(cè)到量子阱側(cè)具有增加量的In。[0051]在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的過渡層可以克服與在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的界面處形成陷阱相關(guān)的問題。過渡層可以形成在高Al低In量子阱勢(shì)壘和高銦低鋁量子阱之間的界面處，使得陷阱減少或者基本上不形成。如此，過渡層可以用于抑制激光器中由于在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間形成陷阱所造成的穩(wěn)定性的問題。
[0052]沒有如上所述的過渡層，那么與具有(Al) InGaAs (例如低Al高銦)的量子阱相鄰的具有Al (In)GaAs (例如至少0.35的高Al)的量子阱勢(shì)壘由于Al和In的化學(xué)性質(zhì)的極度差異會(huì)在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間形成界面陷阱。因此，可以將在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的沒有銦和Al的過渡層(例如GaP、GaAs或GaAsP以及在此所述的其他物質(zhì))用于界面處以防止形成陷阱。
[0053]元素In和Al都是III族元素，但是它們之間具有大的尺寸差異和大的化學(xué)差異，由此當(dāng)用于激光器半導(dǎo)體組成時(shí)它們具有不同的特性。當(dāng)用于激光器半導(dǎo)體組成時(shí)，例如AlGaAs與InGaAs相鄰時(shí)，In和Al之間的差異可以造成陷阱的形成。這些陷阱可以在利用正常正偏置裝置操作來操作激光時(shí)形成，并且可以凝結(jié)成錯(cuò)位環(huán)，該錯(cuò)位環(huán)可生長(zhǎng)成更大的環(huán)并造成非福射復(fù)合。這會(huì)造成VCSEL失效。人們認(rèn)為當(dāng)AlGaAs與InGaAs相鄰時(shí)形成陷阱，它是EL2陷阱。為了克服陷阱的形成，可以在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間定位具有一個(gè)或多個(gè)單層的過渡層。優(yōu)選地，將沒有Al和In兩者的材料用于過渡層，例如GaAs或GaAsP或GaP ;然而，也可能通過如上所述的從量子阱組成到量子阱勢(shì)壘組成的中間AlInGaAs組成的階躍來減少陷阱。有益的可以是抑制從高Al低In量子阱勢(shì)壘到低Al高In量子阱的直接轉(zhuǎn)變。多種材料類型也可以用于界面，只要高Al低In層不直接接觸高In低Al層。
[0054]圖3示出了用于具有InGaAs量子阱、InGaP量子阱勢(shì)壘和InGaAsP量子阱過渡層的體系中的量子阱、量子阱勢(shì)壘以及在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的過渡層的組成的實(shí)例。在此，InGaAsP量子阱過渡層可以具有從InGaAs量子阱到InGaP量子阱勢(shì)壘的過渡的組成使得被存在直接從InGaAs到InGaP的界面。如此，過渡層可以包括一個(gè)或多個(gè)單層形成濃度梯度。相同的原理可以應(yīng)用于量子阱，量子阱勢(shì)壘和AlInGaAs的過渡單層以便抑制從高Al低In到低Al高In的直接轉(zhuǎn)變。
[0055]過渡層的單層數(shù)量可以變化；然而2-3個(gè)單層會(huì)是恰當(dāng)?shù)?。例如，過渡層可以包括
1、2、3、4、5或高達(dá)9或10個(gè)所述材料單層，以防止在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間形成陷阱。所述單層的厚度可以各自為約2.5A。
[0056]在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過分子束外延(MBE)來順序制備半導(dǎo)體材料的勢(shì)壘層、過渡層和量子阱。此外，VCSEL的有源區(qū)或整個(gè)半導(dǎo)體層可以用分子束外延(MBE)制備?，F(xiàn)在可以將在MBE期間的較低生長(zhǎng)溫度用于制備在量子阱和量子阱的勢(shì)壘層之間具有過渡層的VCSEL半導(dǎo)體層。通過MBE生長(zhǎng)這些結(jié)構(gòu)可以在〈(小于)500°C進(jìn)行。相比較而言，MOCVD的溫度會(huì) >(大于)600°C。此外，可以通過與MBE相似的方法制備VCSEL，例如GSMBE (氣體源MBE)和MOMBE (金屬有機(jī)物MBE)或可以按照上述在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間產(chǎn)生過渡層的的類似方法。
[0057]現(xiàn)在將針對(duì)于VCSEL描述本發(fā)明的各個(gè)方面。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的特征可以合并到其他具有有源區(qū)的發(fā)光半導(dǎo)體裝置中。
[0058]圖1示出平面的、電流導(dǎo)向的VCSEL100，其具有用于頂部(124)和底部(116)鏡的周期層對(duì)。襯底114形成在底部接觸層112上并且摻入有第一類型的雜質(zhì)(例如，p型或n型摻雜質(zhì))。底部鏡疊層116形成在襯底114上以及底部限制層118形成在底部疊層116上。底部限定層118和頂部限制層120將有源區(qū)122夾在中間。上鏡疊層124形成在頂部限制層120上。金屬層126在一部分的疊層124上形成接觸。然而，也可以利用其他的VCSEL配置，以及可以使用各種其他的VCSEL層或?qū)宇愋汀?br> [0059]隔離區(qū)128限制通過有源區(qū)122的電流130的區(qū)域。可以通過離子注入和/或氧化來形成區(qū)128。可以使用已知的或?yàn)閂CSEL裝置開發(fā)的其他隔離區(qū)。
[0060]鏡疊層116(底部)和124(頂部)可以是分布布拉格反射器(DBR)疊層，并且包括周期層(例如，132和134)。周期層132和134通常分別是AlGaAs和AlAs，但可以由其他的II1-V族半導(dǎo)體材料制成。鏡疊層116和124可以是摻雜或未摻雜的，摻雜可以是n型或P型，這取決于特定的VCSEL設(shè)計(jì)。然而，也可使用其他類型的VCSEL鏡。
[0061]金屬接觸層112和126可以是允許VCSEL100的適當(dāng)電偏置的歐姆接觸。當(dāng)VCSEL100的接觸層126的電壓不同于接觸層112的電壓而正向偏置時(shí)，有源區(qū)122發(fā)光136，光穿過上部鏡層疊124。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可使用其他配置的接觸來在整個(gè)有源區(qū)122產(chǎn)生電壓并產(chǎn)生光136，如圖4中所示。
[0062]圖2示出有源區(qū)122和限制層118和120。有源區(qū)122是由被量子阱勢(shì)壘140分開的一個(gè)或多個(gè)量子阱138形成。雖然圖2中未具體示出，但本發(fā)明的改良包括在每個(gè)量子阱138和量子阱勢(shì)壘140之間的過渡層，其中在量子阱138和量子阱勢(shì)壘140之間的線可表示過渡層。限制層118和120可任選地分別包括高鋁含量區(qū)142和144。高鋁含量區(qū)提供了在有源區(qū)122中的良好載流子限制。
[0063]限制區(qū)120可以包括位于有源區(qū)122和高鋁含量區(qū)144之間的漸變區(qū)146。正如下面所討論，高鋁含量區(qū)144和漸變區(qū)146的組合提供了具有良好的載流子限制和良好的電子注入的注入結(jié)構(gòu)。
[0064]根據(jù)VCSEL裝置的設(shè)計(jì)和高鋁含量區(qū)142和144的厚度，限制區(qū)118和120可任選地分別包括間隔層148和150。間隔層148和150的厚度可以取決于要制造的VCSEL裝置的種類。在諸如VCSEL或VECSEL的垂直諧振腔裝置中，間隔層提供在鏡間的諧振間隔，并且如果需要的話，將有源區(qū)的量子阱提供為在光場(chǎng)的峰的中心。
[0065]限制層118和120和有源區(qū)122可以由一種或多種類型的半導(dǎo)體材料形成，例如GaAs> AlAs> InP、AlGaAs、InGaAs> InAlAs、InGaP、AlGaAsP、AlGalnP、InGaAsP> InAlGaAs>SiGe 等。
[0066]在一個(gè)例子中，下電子限制層是AllnP。在另一個(gè)例子中，上電子限制層可以是AlInGaP0
[0067]圖4包括VCSEL的實(shí)施例的一部分400的示意圖。VCSEL400可以包括結(jié)晶襯底420,第一鏡區(qū)416,第一導(dǎo)電區(qū)414,與第一導(dǎo)電區(qū)414相關(guān)聯(lián)的接觸428,有源區(qū)412,氧化物層422，第二導(dǎo)電區(qū)410，第二鏡區(qū)418，接觸424，以及以可操作的VCSEL形式設(shè)置的激光器輸出孔426。這些組件中除了有源區(qū)412以外的任何組件也都能夠按照本領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)或者為VCSEL開發(fā)的方法來制備。
[0068]對(duì)VSEL400的以下描述可以作為例子使用，然而可以應(yīng)用本領(lǐng)域中已知的改變。結(jié)晶襯底420可以是GaAs或其他。位于GaAs襯底上的第一鏡區(qū)416可以具有多個(gè)第一鏡層，所述多個(gè)第一鏡層具有一種或多種折射率。第一導(dǎo)電區(qū)414可以可操作地耦合到有源區(qū)412。接觸428可以與第一導(dǎo)電區(qū)414相關(guān)聯(lián)，以便在有源區(qū)412充入電流時(shí)提供用于電子的路徑。正如本文中更詳細(xì)地描述，有源區(qū)412可以包括由ー個(gè)或多個(gè)量子阱勢(shì)壘層結(jié)合的ー個(gè)或多個(gè)量子阱，每個(gè)量子阱和量子阱勢(shì)壘之間有過渡層。氧化物層422可以是任何保護(hù)性氧化物，例如ニ氧化硅；然而，也可以使用保護(hù)性氮化物或碳化物。第二導(dǎo)電區(qū)410可以可操作地耦合有源區(qū)412。第二鏡區(qū)418可以位于第二導(dǎo)電層上并與有源區(qū)相対，第二鏡區(qū)具有多個(gè)第二鏡層，所述第二鏡層具有一種或多種折射率。接觸424可以是用于電傳導(dǎo)以操作有源區(qū)的任何類型的電接觸。激光器輸出孔426可以設(shè)置為可操作的VCSEL形式。
[0069]圖5A包括VCSEL的有源區(qū)500a的至少一部分的實(shí)施例的示意性表示。有源區(qū)500a示出為順序包括:第一量子阱勢(shì)壘(QW勢(shì)壘)510，過渡層511，第一量子阱(QW) 512，過渡層511，然后是第二 QW勢(shì)壘514。如圖所示，有源區(qū)500a是本發(fā)明VCSEL的有源區(qū)的最小単位，因?yàn)橹挥些`個(gè)量子阱512被兩個(gè)量子阱勢(shì)壘510，514結(jié)合，在量子阱512和量子阱勢(shì)壘510，514之間具有過渡層511。
[0070]圖5B包括VCSEL的有源區(qū)500b的實(shí)施例的示意性表示。如圖所示，有源區(qū)500b可以包括第一量子阱勢(shì)壘(QW勢(shì)壘)510，第一量子阱(QW) 512，第二 QW勢(shì)壘514，第二 QW516，第三QW勢(shì)壘518，第三QW520和第四QW勢(shì)壘522，在QW和QW勢(shì)壘之間有過渡層511。有源區(qū)500b可以設(shè)置為可操作的VCSEL形式。
[0071]圖5C包括VCSEL的有源區(qū)550的實(shí)施例的示意性表示。有源區(qū)550示出為按順序包括:第一量子阱勢(shì)壘(QW勢(shì)壘)560,過渡層561，第一量子阱(QW) 562，過渡層511，以此類推重復(fù)直到“第N” Qff勢(shì)壘564，過渡層561，“第N” QW566，過渡層561，然后“ N+1 ” QW勢(shì)壘558。在此，N可以是任何合理的數(shù)，如從I到20，或從5至15或10至13，或約12。在這個(gè)例子中，量子阱、量子阱勢(shì)壘、過渡層都包括本文所描述的任何材料。
[0072]圖6包括VCSEL的有源區(qū)600的實(shí)施例的示意性表示。有源區(qū)600示出為順序包括:第一高Al低In量子阱勢(shì)壘(QW勢(shì)壘)610，過渡層611，第一高In低Al量子阱(QW)612，過渡層611，并以此類推重復(fù)，直至“第N，，高Al低In Qff勢(shì)壘614，過渡層611，“第N，，高In低Al QW616，過渡層611，然后是“N+1”高Al低In QW勢(shì)壘618。在此，N可以是任何合理的數(shù)，如從I到20，或從5至15或10至13，或約12。在這一例子中，量子阱、量子阱勢(shì)壘和過渡層包括上述任何物質(zhì)。
[0073]圖7包括VCSEL的有源區(qū)700的實(shí)施例的示意性表示。有源區(qū)700示出為順序包括:第一 Al (In)GaAs 量子阱勢(shì)壘(QW 勢(shì)壘)710，GaAswPli 過渡層 711，第一(Al)InGaAs量子阱(QW) 712, GaAswPl-w過渡層711，以此類推，直至“第N”Al(In)GaAs QW勢(shì)壘714，GaAswPl-w 過渡層 711，“第 N，，(Al) InGaAs QW716，GaAswPli 過渡層 711，然后“N+1”A1 (In)GaAs QW勢(shì)壘718。在此，N可以是任何合適的數(shù)，如從I到20，或從5至15或10至13，或約12。在這一例子中，量子阱、量子阱勢(shì)壘和過渡層包括上述任何物質(zhì)。
[0074]圖8是制造具有本文所述功能的有源區(qū)的VCSEL的方法的實(shí)施例的エ藝800的流程圖。所述エ藝可以包括:(I)生長(zhǎng)第一導(dǎo)電區(qū)(方框810)，(2)生長(zhǎng)ー個(gè)或多個(gè)量子阱層(方框820)和生長(zhǎng)ー個(gè)或多個(gè)量子阱勢(shì)壘，以使所述量子阱勢(shì)壘可操作地耦合各量子阱層(方框830)，和在每個(gè)量子阱和量子阱勢(shì)壘之間生長(zhǎng)ー個(gè)或多個(gè)過渡層。過渡層可以被配置為其組成和厚度能提供比在量子阱和量子阱勢(shì)壘接觸時(shí)更高的帶隙比(方框825)。エ藝800可以包括在有源區(qū)上生長(zhǎng)第二導(dǎo)電區(qū)(方框840)。
[0075]圖9是制造VCSEL的方法的實(shí)施例的另ーエ藝900的流程圖。所述エ藝可以包括生長(zhǎng)具有多個(gè)第一鏡層的第一鏡區(qū)，所述多個(gè)第一鏡層具有一種或多種折射率(方框910),然后在第一鏡區(qū)上生長(zhǎng)第一導(dǎo)電區(qū)(方框920)。然后在第一導(dǎo)電區(qū)上生長(zhǎng)第一量子阱勢(shì)壘(方框930)。隨后，在第一量子阱勢(shì)壘上生長(zhǎng)ー個(gè)或多個(gè)過渡單層(方框935)，此后在ー個(gè)或多個(gè)過渡單層上生長(zhǎng)第一量子講層(方框940),然后在第一量子講層上生長(zhǎng)ー個(gè)或多個(gè)過渡單層(方框945)，此后在ー個(gè)或多個(gè)過渡單層上生長(zhǎng)第二量子阱勢(shì)壘(方框950)。エ藝900還可以包括在最后ー個(gè)量子阱勢(shì)壘層上生長(zhǎng)第二導(dǎo)電區(qū)(方框960)，然后生長(zhǎng)具有多個(gè)第二鏡層的第二鏡區(qū)，所述多個(gè)第二鏡層具有一種或多種折射率(方框970)。
[0076]圖10是制造VCSEL的方法的另ー實(shí)施例的エ藝1000的流程圖。所述エ藝可以包括:生長(zhǎng)襯底(方框1010)，生長(zhǎng)具有多個(gè)第一鏡層的第一鏡區(qū)，所述多個(gè)第一鏡層具有一種或多種折射率(方框1020),在第一鏡區(qū)上生長(zhǎng)第一導(dǎo)電區(qū)(方框1030), (a)在第一導(dǎo)電區(qū)上生長(zhǎng)具有GaP的第一量子阱勢(shì)壘(方框1040)，(b)生長(zhǎng)過渡層(方框1045)，(c)在第一量子阱勢(shì)壘上生長(zhǎng)第一量子阱層(方框1050)，(d)生長(zhǎng)過渡層(1055)，(e)重復(fù)方法(a)-(d)多個(gè)循環(huán)(方框1060)，例如“N”個(gè)循環(huán)，生長(zhǎng)“N+1”量子阱勢(shì)壘(方框1062)?？梢栽谟性磪^(qū)上生長(zhǎng)第二導(dǎo)電區(qū)(方框1070)并且可以在第二導(dǎo)電區(qū)上生長(zhǎng)具有多個(gè)第二鏡層的第二鏡區(qū)，所述多個(gè)第二鏡層具有一種或多種折射率(方框1080)。
[0077]在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過調(diào)節(jié)量子阱和量子阱勢(shì)壘來配置VCSEL，使得對(duì)于任何電子或空穴載流子的基本波函數(shù)的空間范圍是其他載流子的85%或更小，這增強(qiáng)了矩陣元。這可以通過使ー個(gè)阱的物理尺寸小于其他阱而實(shí)現(xiàn)。例如在常見量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的邊界處使用Sb會(huì)相對(duì)于電子陷阱擴(kuò)大空穴陷阱。在陷阱中使用Sb作為補(bǔ)充，使得電子陷阱更淺，相對(duì)于空穴減小了其限制，從而允許相對(duì)于ー些空穴的更廣泛的波函數(shù)傳播。載流子波函數(shù)相対的空間范圍百分比可以是小于或約70，或小于或約55%。
[0078]這種調(diào)節(jié)可以通過在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的邊界處使用過渡層或者通過明智地量子阱和勢(shì)壘材料和尺寸而獲得。預(yù)期矩陣元的增強(qiáng)是有益于所有半導(dǎo)體層以及所有使用量子阱進(jìn)行光交互作用的裝置如電吸收調(diào)制器。
[0079]在一個(gè)實(shí)施例中，量子阱兩側(cè)上的量子阱勢(shì)壘的厚度可以從約40A至約100A或約45A至約75A，或約50A至約60A或約55A。相對(duì)薄通過減小擴(kuò)散長(zhǎng)度并增加在量子阱的少數(shù)載流子群，提高了增益飽和。相對(duì)薄也可以增加利用隧道通過量子阱的載流子輸運(yùn)。在一個(gè)實(shí)施例中，量子阱的厚度可以是從約40A至約100A或約45A至約75A，或約50A至約60A或約50A。結(jié)合有源區(qū)的外量子阱勢(shì)壘的厚度可以是100A至約140，或約IlOA至約130A，或約120A至約125A，或約130A。
[0080]在一個(gè)實(shí)施例中，GaAs過渡層厚度可以是從約5A至約20A，或約5A至約15A。GaAsP過渡層厚度可以是從約2.5A至約10A，或從約2.5A至約5A。GaAsPSb過渡層厚度可以是從約2.5A至約10A，或者從約2.5A至約5A。
[0081]在一個(gè)實(shí)施例中，有源區(qū)可以包括InGaAs量子阱和兩相鄰的過渡層，它們的厚度可以是從約30A至約60A，或約40A至約60A。AlInGaAs量子阱和兩相鄰的股多層的厚度可以是從約30A至約70A，或約40A至約70A。
[0082]在一個(gè)實(shí)施例中，VCSEL可以沒有Be而生長(zhǎng)。這樣的VCSEL可以在AlInGaP上電限制層后面包括約85-100%的AlGaAs作為p型注入層(參見圖14)。
[0083]在一個(gè)實(shí)施例中，VCSEL可以包括雙氧化物層，以減少電容在兩個(gè)氧化物層，但主要是在第一氧化物層上燃燒。即，圖4的氧化層422可以制備為兩個(gè)不同的氧化物層。雖然示出的是平面的，但氧化物層422可以是任何形狀，并可以位于圍繞有源區(qū)的壁上，如臺(tái)面有源區(qū)等。此外，氧化物層422可以覆蓋有源區(qū)412、第二導(dǎo)電區(qū)410和第二鏡區(qū)418。
[0084]在一個(gè)實(shí)施例中，VCSEL包括以高遷移率材料在零點(diǎn)(null)處具有重?fù)诫s的大量周期性摻雜。此外，鏡可以被配置為不太符合1/4 1/4。在某些情況下，鏡可以從與量子阱或量子阱勢(shì)壘相鄰開始，第一氧化物在第一零點(diǎn)處。
[0085]為了提高速度以及調(diào)節(jié)波長(zhǎng)，將不同數(shù)量的In和P添加到量子阱中?？梢詫n添加到量子阱中以提高速度。這造成能量能級(jí)的凹陷，導(dǎo)致更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，從而使陷阱變窄。由此產(chǎn)生的波函數(shù)可以以其高密度的狀態(tài)穿透到量子阱勢(shì)壘中。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，生長(zhǎng)勢(shì)壘以提供最大的導(dǎo)電能帶偏移，并提供最多的載流子限制。如果能帶偏移不夠，那么可以使用較窄的阱來允許最大的In而不會(huì)顯著滲透到勢(shì)壘中。
[0086]使用這些原理設(shè)計(jì)的量子阱的例子示出于圖11A-11B的波函數(shù)的模擬圖像中。應(yīng)指出的是，顯示的n=l的電子波函數(shù)比空穴波函數(shù)更廣地傳播出去。這得到了矩陣元的增強(qiáng)。圖1lA示出了 InGaP-1nGaAs有源區(qū)。圖1lB示出了具有40%的AlGaAs量子阱勢(shì)壘的InGaP-1nGaAs有源區(qū)。如果與具有相同的InGaAs阱的40%的AlGaAs勢(shì)壘(圖11B)相比，觀察到相似的效果，只是波函數(shù)延伸到較差的勢(shì)壘材料，由于勢(shì)壘材料以及波函數(shù)延伸到勢(shì)壘材料中，造成量子阱的態(tài)密度的副作用。這表明在結(jié)合有更深阱的InGaP中的較低的空穴有效質(zhì)量。盡管較低的空穴有效質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致向勢(shì)壘中的更大滲透，但對(duì)此増加的陷阱深度補(bǔ)償減少了滲透，使在勢(shì)壘中的空穴有效質(zhì)量、整體的有效質(zhì)量，及因此在第一能級(jí)觀察到的價(jià)帶中的態(tài)密度都很低。導(dǎo)帶具有相似的態(tài)密度，降低的態(tài)密度顯著提高増益/差分増益。圖1lA和圖1lB的有源區(qū)都可用于本發(fā)明。
[0087]更深的量子阱深度給出了對(duì)于InGaP-1nGaAs量子阱的最大的性能優(yōu)勢(shì)。如果AlGaAs-1nGaAs陷阱的増益譜被調(diào)整為大致匹配InGaP-1nGaAs陷阱的增益譜，那么使用約7%的In (相比于12%的In)，并且價(jià)帶態(tài)密度變成如圖12A-12C的態(tài)密度圖(例如，約2.6el8/cm3,從 InGaP-1nGaAs 陷阱的 1.5el8 大幅上升)。圖 12A 示出 了 InGaP-1nGaAs 有源區(qū)。圖12B示出了與圖12A具有相同的尺寸和In含量的AlGaAs-1nGaAs。圖12C示出了降低In以匹配增益譜的AlGaAs-1nGaAs有源區(qū)。
[0088]如在圖13A-13C的增益所示，增益也減小并且透明度增加。圖13A示出InGaP-1nGaAs有源區(qū)。圖13B示出了圖13A所示具有相同尺寸和In含量的AlGaAs-1nGaAs有源區(qū)。圖13C示出了具有降低的In以匹配增益譜的AlGaAs-1nGaAs。當(dāng)増益或差分増益降低時(shí)，透明度増加。另外在阱中的載流子濃度也増加，増益最終達(dá)到飽和。鏡損耗可以足夠低至使裝置在高差分増益區(qū)(例如，曲線之間的大間隔)工作。
[0089]弛豫入阱可以通過使用窄的有源區(qū)來增強(qiáng)。阱的數(shù)量可以減少到ー個(gè)阱(圖5A)，但利用殘次加工(imperfect processing),鏡反射率可能變得太高(避免由于接近極限的增益飽和)，以致光子壽命會(huì)使設(shè)備減速。取而代之，優(yōu)選的是使量子阱勢(shì)壘的尺寸最小，如本文所描述的尺寸。這也增強(qiáng)了阱間的隧道傳輸，這由于狀態(tài)反正都被耦合，從而降低了有效擴(kuò)散時(shí)間。[0090]圖14示出了就Al和In的相對(duì)量而言的有源區(qū)的實(shí)施例。如圖所示，勢(shì)壘具有高Al和低In。此外,量子阱示出為具有高In和低Al。過渡層示出為沒有Al或In。
[0091]圖15包括示出了具有InGaAs陷阱和AlGaAs勢(shì)壘層以及GaAs過渡層的有源區(qū)1500的實(shí)施例的帶邊緣對(duì)生長(zhǎng)方向的曲線圖。有源區(qū)1500示出為具有量子阱勢(shì)壘層1510、量子阱1520和過渡層1530。過渡層1530作為量子阱1520的翼出現(xiàn)。圖15的有源區(qū)表示在圖16的條形圖中具有“翼“的條。
[0092]圖16示出了曲線圖，說明了在根據(jù)本發(fā)明的有源區(qū)燃燒期間功率減少。如圖所示，當(dāng)量子阱是InGaAs并且AlgaAs勢(shì)壘層具有高Al低In時(shí)，在燃燒期間存在顯著的功率損耗。然而，當(dāng)加入過渡層(例如，“翼”)時(shí)，燃燒顯著降低。翼被限定為IOA厚并且具有GaAs過渡層，其中所示的百分比(例如，5%或6%)表示在量子阱中的In的量。這表明，具有過渡層的設(shè)計(jì)相比于在量子阱和勢(shì)壘層之間沒有過渡層的有源區(qū)更可靠。功率損耗的變化表明，過渡層減少了激光器的陷阱數(shù)，増加了壽命。另外，條中“+15C”意味著在較高溫度下，如増加15°C時(shí)生長(zhǎng)有源區(qū)。在任何情況下，在量子阱和勢(shì)壘層之間添加過渡層都會(huì)減少陷阱并提高具有這種類型的有源區(qū)的激光器的壽命。
[0093]圖17包括示出了有源區(qū)1700的實(shí)施例的能帶邊緣對(duì)生長(zhǎng)方向的曲線圖。有源區(qū)1700示出為具有量子阱勢(shì)壘層1710、量子阱1720和過渡層1730。過渡層1730作為量子阱1720的翼出現(xiàn)。在此，勢(shì)壘層1710包括具有35%的Al的AlGaAs，量子阱1720是InGaAs，并且過渡層1730包括具有35%的As的GaAsP。有源區(qū)包括4個(gè)約60A的具有In0.04Ga0.96As的量子阱。然而，有源區(qū)可以包括如本文所述的組成。
[0094]表1示出了可用于量子阱、勢(shì)壘層和過渡層的不同組成以及用于InGaAs量子阱的厚度。在此，可以將任何量子阱壘和/或任何過渡層用于InGaAs量子阱。具有InGaAs量子阱的有源區(qū)可以用于14Gbps激光器，增強(qiáng)可靠性，并且可以用于28Gbps的激光器。
[0095]表1-1nGaAs 量子阱
[0096]
【權(quán)利要求】
1.一種垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，包括: 一個(gè)或多個(gè)具有(Al) InGaAs的量子阱； 兩個(gè)或更多個(gè)結(jié)合所述一個(gè)或多個(gè)量子阱層的、具有Al(In)GaAs的量子阱勢(shì)壘；和一個(gè)或多個(gè)過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢(shì)壘之間，其中所述量子阱、勢(shì)壘和過渡單層基本上沒有陷阱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，其中所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層包括GaP、GaAs、GaAsP和/或 GaAsPSb。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSE L，其中兩個(gè)或更多個(gè)過渡單層包括AlInGaAs,其勢(shì)壘側(cè)單層具有低In高Al，相比之下，量子阱側(cè)單層具有高In低Al。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，其中所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層沒有Al和In。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，包括: 一個(gè)或多個(gè)具有InGaAs的量子阱，In范圍從約2%至約11%并且Ga范圍從約89%至約 98% ； 一個(gè)或多個(gè)具有AlGaAs或Al (In) GaAs的量子阱勢(shì)壘，Al范圍從約25%至約40%，In范圍從約0至約2%，并且Ga范圍從約60%至約75% ;和 一個(gè)或多個(gè)在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的過渡層，所述過渡層具有GaAs、GaAsP或GaAsPSb。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，包括: 一個(gè)或多個(gè)具有AlInGaAs的量子阱，Al范圍從約6%至約11%，In范圍從約8%至約20%并且Ga范圍從約69%至約86% ； 一個(gè)或多個(gè)具有AlGaAs或Al (In) GaAs的量子阱勢(shì)壘，Al范圍從約25%至約40%，In范圍從約0至約2%，并且Ga范圍從約60%至約75% ;和 一個(gè)或多個(gè)在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的過渡層，所述過渡層具有GaAs、GaAsP或GaAsPSb。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，包括一個(gè)或多個(gè)具有GaASl_wPw的過渡單層，其中w的范圍是從0至I。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，包括: 一個(gè)或多個(gè)具有Inatl4Gaa96As的量子講； 一個(gè)或多個(gè)具有Ala35Gaa65As的量子阱勢(shì)壘；和 一個(gè)或多個(gè)具有GaAsa35Pa65的過渡單層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，包括1、2或3個(gè)具有GaP、GaAs和/或GaAsP的過渡單層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，包括在量子阱勢(shì)壘層外部的一個(gè)或多個(gè)電子限制層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，其中所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層足以抑制在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的低隙界面層的形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，其中所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層被配置為增加有源區(qū)的差分增益，其中所述增加差分增益是與沒有所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層的VCSEL相比。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的VCSEL，包括在結(jié)合所述量子阱勢(shì)壘層的第一導(dǎo)電區(qū)和第二導(dǎo)電區(qū)中至少之一與所述一個(gè)或多個(gè)量子阱勢(shì)壘層之間的氧化物層，其中所述氧化物層是:配置為減小電容的雙氧化物；或 相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)量子阱和相關(guān)的鏡區(qū)是在第一零點(diǎn)處。
14.一種制備權(quán)利要求1的VCSEL的方法，該方法包括: 使用分子束外延(MBE)生長(zhǎng)體結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所述結(jié)晶結(jié)構(gòu)具有: 一個(gè)或多個(gè)量子阱； 兩個(gè)或更多個(gè)結(jié)合所述一個(gè)或多個(gè)量子阱中每一個(gè)的量子阱勢(shì)壘；和 一個(gè)或多個(gè)沉積在各量子阱層和量子阱勢(shì)壘之間的過渡單層。
15.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，包括形成VCSEL，所述VCSEL包括: 一個(gè)或多個(gè)具有InGaAs的量子阱，In范圍從約2%至約11%并且Ga范圍從約89%至約98% ;或者一個(gè)或多個(gè)具有AlInGaAs的量子阱，Al范圍從約6%至約11%，In范圍從約8%至約20%并且Ga范圍從約69%至約86% ； 一個(gè)或多個(gè)具有AlGaAs或Al (In)GaAs的量子阱勢(shì)壘，Al范圍從約25%至約40%，In范圍從約0至約2%，并且Ga范圍從約60%至約75% ;和 一個(gè)或多個(gè)在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的過渡層，所述過渡層具有GaAs、GaAsP或GaAsPSb。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法,包括: 在量子阱勢(shì)壘層外部形成一個(gè)或多個(gè)電子限制層，所述一個(gè)或多個(gè)電電子限制層包括AlInGaP 和 / 或 AlGaAs。
17.一種制備垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的方法，包括: 生長(zhǎng)有源區(qū)，所述生長(zhǎng)是通過: (a)生長(zhǎng)具有Al(In)GaAs的量子阱勢(shì)壘； (b)生長(zhǎng)具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層； (c)生長(zhǎng)具有(Al)InGaAs的量子阱層； (d)生長(zhǎng)另一具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層； (e)重復(fù)工藝(a)至⑷，多次循環(huán)；和 (f)生長(zhǎng)具有Al(In)GaAs的量子阱勢(shì)壘。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，包括形成VCSEL，所述VCSEL包括: 一個(gè)或多個(gè)具有InGaAs的量子阱，In范圍從約2%至約11%并且Ga范圍從約89%至約98% ;或者一個(gè)或多個(gè)具有AlInGaAs的量子阱，Al范圍從約6%至約11%，In范圍從約8%至約20%并且Ga范圍從約69%至約86% ； 一個(gè)或多個(gè)具有AlGaAs或Al (In) GaAs的量子阱勢(shì)壘，Al范圍從約25%至約40%，In范圍從約0至約2%，并且Ga范圍從約60%至約75% ;和 一個(gè)或多個(gè)在量子阱和量子阱勢(shì)壘之間的過渡層，所述過渡層具有GaAs、GaAsP或GaAsPSb。
19.一種垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，包括: 一個(gè)或多個(gè)具有高In低Al的量子阱； 兩個(gè)或更多個(gè)結(jié)合所述一個(gè)或多個(gè)量子阱層的具有高Al低In的量子阱勢(shì)壘；和一個(gè)或多個(gè)過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢(shì)壘之間，其中所述量子阱、勢(shì)壘和過渡單層基本上沒有陷阱。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的VCSEL，其中: 在所述一個(gè)或多個(gè)量子阱中: 高In的范圍是從約2%至約6% ;和 低Al的范圍是從約0至約12% ； 在所述一個(gè)或多個(gè)量子阱勢(shì)壘中: 高Al的范圍是從約25%至約40% ;和 低In的范圍是從約0至約2%。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的VCSEL，其中所述一個(gè)或多個(gè)過渡單層包括GaP、GaAs和/或GaAsP0
22.根據(jù)權(quán)利要求20的VCSEL，其中兩個(gè)或更多個(gè)過渡單層包括AlInGaAs,其勢(shì)壘側(cè)單層具有低In高Al，相比之下 ，量子阱側(cè)單層具有高In低Al。
【文檔編號(hào)】H01S5/183GK103563190SQ201280023971
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月17日
【發(fā)明者】拉爾夫·H·約翰遜, 吉米·艾倫·泰特姆, 安得烈·N·麥金尼斯, 杰羅姆·K·韋德, 盧克·A·格雷厄姆 申請(qǐng)人:菲尼薩公司