一種量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)及量子阱激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)及量子阱激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光材料通常采用分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等方法按照預(yù)先設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在相應(yīng)的襯底材料如GaAs或InP上生長(zhǎng)而成。一個(gè)典型的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)包含η型包層、非摻雜的有源區(qū)以及P型包層，其中有源區(qū)包含發(fā)光的量子阱以及波導(dǎo)層。圖1為一典型的基于GaAs材料的635nm量子講激光外延結(jié)構(gòu)不意圖，而圖2a_b為其對(duì)應(yīng)的材料折射率沿生長(zhǎng)方向的變化。
[0003]對(duì)于半導(dǎo)體量子阱激光的量子阱結(jié)構(gòu)來說，通常的量子阱結(jié)構(gòu)可以是單量子阱結(jié)構(gòu)，也可以是多量子阱結(jié)構(gòu)，圖3a_c分別示出了單量子阱、雙量子阱、以及三量子阱結(jié)構(gòu)。由圖可見實(shí)際的量子阱是由帶隙較窄的材料被夾在帶隙較寬的材料中間形成的(如Ec和Ev所示)。當(dāng)在導(dǎo)帶量子阱中的電子與價(jià)帶量子阱中的空穴復(fù)合時(shí)，就會(huì)放出一個(gè)光子，從而實(shí)現(xiàn)了光的產(chǎn)生。這種有源結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是不可避免地造成一定比例的載流子泄漏出量子阱，然后在量子阱區(qū)域外進(jìn)行非輻射復(fù)合(見圖4)，從而降低了器件的外量子效率，而且閾值電流也會(huì)上升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)及量子阱激光器，可以使得量子阱激光器的泄漏載流子得到回收，從而提高了器件的內(nèi)量子效率，降低了器件的閾值電流。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)，包括有源層以及分別位于有源層的相對(duì)兩側(cè)且與有源層堆疊排列的第一包層和第二包層；有源層包括沿有源層與第一包層和第二包層的堆疊方向設(shè)置的第一波導(dǎo)層、第一量子阱層、第二量子阱層以及第二波導(dǎo)層；其中，第一量子阱層中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于外延結(jié)構(gòu)所需的輸出波長(zhǎng)，第二量子阱層中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)小于所述輸出波長(zhǎng)。
[0006]其中，第二量子阱層和第一量子阱層由同種材料制成，第二量子阱層的厚度小于第一量子阱層的厚度。
[0007]其中，第二量子阱層和第一量子阱層由不同材料制成。
[0008]其中，有源層進(jìn)一步包括位于第一量子阱層與第二量子阱層之間的第一勢(shì)皇層。
[0009]其中，外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括第一光柵結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)設(shè)置于第二量子阱層遠(yuǎn)離第一量子阱層的一側(cè)，第一光柵結(jié)構(gòu)的反射波長(zhǎng)等于第二量子阱層中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)。
[0010]其中，有源層進(jìn)一步包括第三量子阱層，第三量子阱層中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)小于輸出波長(zhǎng)。
[0011]其中，第三量子阱層和第一量子阱層由同種材料制成，第三量子阱層的厚度小于第一量子阱層的厚度。
[0012]其中，有源層進(jìn)一步包括位于第一量子阱層與第三量子阱層之間的第二勢(shì)皇層。
[0013]其中，外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括第二光柵結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)設(shè)置于所述第三量子阱層遠(yuǎn)離所述第一量子阱層的一側(cè)，第二光柵結(jié)構(gòu)的反射波長(zhǎng)等于第二量子阱層中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)。
[0014]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供一種量子阱激光器，包括上述的半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)及量子阱激光器通過第二量子阱層收集從第一量子阱層中泄露出來的載流子，載流子在第二量子阱層中復(fù)合，發(fā)射出特定能量的光子，被第一量子阱層所吸收，重新產(chǎn)生可用的載流子，從第一量子阱層逃逸出的載流子被間接回收利用，提高了器件的內(nèi)量子效率，降低了器件的閾值電流。
【附圖說明】
[0016]圖1是典型半導(dǎo)體量子阱激光外延結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2a為圖1所示的采用折射率圖限制異質(zhì)結(jié)(SCH)結(jié)構(gòu)的激光外延結(jié)構(gòu)的折射率不意圖；
[0018]圖2b為圖1所示的采用漸變折射率分別限制異質(zhì)結(jié)(GRINSCH)結(jié)構(gòu)的激光外延結(jié)構(gòu)的折射率不意圖；
[0019]圖3a是單量子阱能帶示意圖；
[0020]圖3b是雙量子阱能帶示意圖；
[0021 ] 圖3c是三量子阱能帶示意圖；
[0022]圖4是逃逸出量子阱的載流子在量子阱外進(jìn)行輻射與非輻射復(fù)合的能帶示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖6是本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖7是本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖8是本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖9是本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)第五實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]參照?qǐng)D5，在本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)第一實(shí)施例中，激光外延結(jié)構(gòu)包括:有源層51以及分別位于有源層51的相對(duì)兩側(cè)且與有源層51堆疊排列的第一包層52和第二包層53 ;有源層51包括沿有源層51與第一包層52和所述第二包層53的堆疊方向設(shè)置的第一波導(dǎo)層511、第一量子阱層512、第二量子阱層513以及第二波導(dǎo)層514 ;
[0029]其中，第一量子阱層512中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于外延結(jié)構(gòu)所需的輸出波長(zhǎng)，第二量子阱層513中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)小于輸出波長(zhǎng)。
[0030]其中，有源層51進(jìn)一步包括位于第一量子阱層512與第二量子阱層513之間的第一勢(shì)皇層515。
[0031]本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)通過第二量子阱層513收集從第一量子阱層512中泄露出來的載流子，載流子在第二量子阱層513中復(fù)合，發(fā)射出特定能量的光子，被第一量子阱層512所吸收，重新產(chǎn)生可用的載流子，從第一量子阱層512逃逸出的載流子被間接回收利用，提高了器件的內(nèi)量子效率，降低了器件的閾值電流。
[0032]在優(yōu)選實(shí)施例中，第二量子阱層513和第一量子阱層514由同種材料制成，第二量子阱層513的厚度小于第一量子阱層514的厚度。
[0033]量子阱材料的光發(fā)射波長(zhǎng)與阱寬的依賴關(guān)系:如忽略阱間耦合并采用無限深勢(shì)阱的近似可求得量子能級(jí)與阱寬的關(guān)系，當(dāng)阱寬變小時(shí)，電子能級(jí)提高，發(fā)射光能量也增加。所以，本實(shí)施例中，在所用的材料相同的情況下，控制第二量子阱層513的厚度，使之小于第一量子阱層512的厚度，進(jìn)而第二量子阱層513中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)小于輸出波長(zhǎng)，載流子在第二量子阱層513中復(fù)合，發(fā)射出特定能量的光子，被第一量子阱層512所吸收。
[0034]在另一優(yōu)選實(shí)施例中，第二量子講層513和第一量子講層512由不同材料制成，通過對(duì)第二量子阱層材料組分的調(diào)整，使第二量子阱層513中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)小于輸出波長(zhǎng)。
[0035]參照?qǐng)D6，在本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)第二實(shí)施例中，除了本發(fā)明第一實(shí)施例類似的基本結(jié)構(gòu):
[0036]有源層61以及分別位于有源層61的相對(duì)兩側(cè)且與有源層61堆疊排列的第一包層62和第二包層63 ;有源層61包括沿有源層61與第一包層62和所述第二包層63的堆疊方向設(shè)置的第一波導(dǎo)層611、第一量子阱層612、第二量子阱層613以及第二波導(dǎo)層614 ;有源層61進(jìn)一步包括位于第一量子阱層612與第二量子阱層613之間的第一勢(shì)皇層615。
[0037]此外，外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括第一光柵結(jié)構(gòu)64，對(duì)應(yīng)設(shè)置于第二量子阱層613遠(yuǎn)離第一量子阱層612的一側(cè)，且位于對(duì)應(yīng)第二波導(dǎo)層614與第二包層63之間，第一光柵結(jié)構(gòu)64的反射波長(zhǎng)等于第二量子阱層613中載流子輻射復(fù)合時(shí)所發(fā)出的光子的波長(zhǎng)。
[0038]根據(jù)光柵周期的長(zhǎng)短不同，可將周期性的光纖光柵分為短周期(Λ〈1 μπι)和長(zhǎng)周期(Λ>1μπι)兩類。對(duì)于短周期的光纖光柵，當(dāng)光譜光波在其中傳播時(shí)，兩個(gè)反向傳播的芯模(導(dǎo)模)LPOl之間產(chǎn)生能量耦合，形成特定波長(zhǎng)為λ B的反射波，對(duì)于前向傳播的LP01，模β I = β 01 ;對(duì)于后向傳播的LPOl，模β I = - β 01。兩耦合模的傳播常數(shù)差β = 2β 01較大，這種光柵稱為布拉格光柵。本實(shí)施例中的周期性光柵64也可以米用布拉格光柵這種結(jié)構(gòu)，但并不局限于這種結(jié)構(gòu)。
[0039]本發(fā)明量子阱半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)通過第二量子阱層613收集從第一量子阱層612中泄露出來的載流子，載流子在第二量子阱層613中復(fù)合，發(fā)射出特定能量的光子，一部分被第一量子阱層612所吸收，重新產(chǎn)生可用的載流子，還有一部分被第一光柵結(jié)構(gòu)64反射，然后被第一量子阱層612所吸收產(chǎn)生可用的載流子，利用以上的結(jié)構(gòu)，從第一量子阱層612逃逸出的載流子被間接回收利用，提高了器件的內(nèi)量子效率，降低了器件的閾值電流。本發(fā)