一種壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(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)明涉及半導體激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)及量子講激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]半導體激光材料通常采用分子束外延(MBE)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)等方法按照預(yù)先設(shè)計的結(jié)構(gòu)在相應(yīng)的襯底材料如GaAs或InP上生長而成。一個典型的半導體外延結(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層。圖1為一典型的基于GaAs材料的635nm量子阱激光外延結(jié)構(gòu)示意圖，而圖2為其對應(yīng)的材料折射率沿生長方向的變化。由圖2可見，激光外延結(jié)構(gòu)的波導核層有兩種不同的結(jié)構(gòu):即分別限制異質(zhì)結(jié)(SCH)結(jié)構(gòu)，與漸變折射率分別限制異質(zhì)結(jié)(GRINSCH)結(jié)構(gòu)。SCH結(jié)構(gòu)與GRINSCH結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于前者材料組分恒定，而后者漸進變化。
[0003]激射波長為620-690nm的紅色可見光半導體激光外延材料通常以GaAs為襯底材料，其量子阱結(jié)構(gòu)通常采用In(X)Ga(1-X)P量子阱材料與In(X)(Al(y)Ga(l-y))(l-X)P勢皇材料。當In的摩爾含量小于0.486時，量子阱材料的晶格常數(shù)小于襯底材料的晶格常數(shù)，此時量子阱處于張應(yīng)變狀態(tài);而當In的摩爾含量大于0.486時，量子阱材料的晶格常數(shù)大于襯底材料的晶格常數(shù)，此時量子阱處于壓應(yīng)變狀態(tài)。較長波長如大于650nm的激光量子阱材料通常采用壓應(yīng)變材料，這是因為壓應(yīng)變量子阱具有對載流子更強的限制特性，從而使得器件具有更好的工作特性。而對于波長小于640nm的外延結(jié)構(gòu)，可以采用壓應(yīng)變或張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)。由于需要達到固定的工作波長，所以，對于壓應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，需要采用較薄的量子阱材料，而對于張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，量子阱材料層的厚度要更厚一些。圖3給出了兩種不同應(yīng)變量子阱的示意圖。
[0004]對于壓應(yīng)變量子阱來說，由于量子阱材料層的厚度更薄，導致一下三個缺點:
[0005]1.量子阱的透明載流子濃度高；
[000?] 2.量子講的光場限制因子低；
[0007]3.需要多量子阱來提高光場的模式增益。
[0008]上述問題的綜合結(jié)果是壓應(yīng)變量子阱的激光結(jié)構(gòu)具有更大的閾值電流，以及較小的外量子效率，從而對激光器件的性能帶來顯著的負面影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)及量子阱激光器，能夠使壓應(yīng)變量子阱的厚度可以在很大范圍內(nèi)變化，從而得到更低的閾值電流、更高的外量子效率以及更好的溫度特性。
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括有源層以及分別位于有源層的相對兩側(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)置的第一波導層、量子阱以及第二波導層;所述量子阱采用四元的InGaAlP材料。
[0011]其中，量子阱的厚度為d，4nm<cK 15nm。
[0012]其中，量子阱用四元的InGaAlP材料中Al的摩爾分數(shù)在0.08到0.18之間。
[0013]其中，第一波導層和第二波導層采用四元的InGaAlP材料，且第一波導層和第二波導四元的InGaAlP材料中Al的摩爾分數(shù)小于量子阱四元的InGaAlP材料中Al的摩爾分數(shù)，第一波導層和第二波導四元的InGaAlP材料中大于量子講四元的InGaAlP材料中In的摩爾分數(shù)。
[0014]其中，第一包層為η型包層，第二包層為P型包層。
[0015]壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)進一步包括襯底層，第一包層、有源層和第二包層依次堆疊設(shè)置于襯底層上且所述第一包層與襯底層相鄰設(shè)置。
[0016]其中，量子阱包含多個量子阱結(jié)構(gòu)。
[0017]其中，第一波導層和第二波導層為分別限制異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0018]其中，第一波導層和第二波導層為漸變折射率分別限制異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0019]其中，第一波導層和第二波導層的折射率在生長方向上線性漸變或者非線性漸變。
[0020]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種量子阱激光器，其特征在于，量子阱激光器包括上述的壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)。
[0021]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)明壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)及量子阱激光器，通過改變量子阱所用的材料，能夠使壓應(yīng)變量子阱的厚度可以在很大范圍內(nèi)變化，從而得到更低的閾值電流、更高的外量子效率以及更好的溫度特性。
【附圖說明】
[0022]圖1是典型半導體量子阱激光外延結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是對應(yīng)于圖1激光外延結(jié)構(gòu)的折射率圖，(a)為分別限制異質(zhì)結(jié)(SCH)結(jié)構(gòu)，(b)為漸變折射率分別限制異質(zhì)結(jié)(GRINSCH))結(jié)構(gòu)；
[0024]圖3是壓應(yīng)變和張應(yīng)變量子阱能帶示意圖；
[0025]圖4是本發(fā)明壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5是四元的InGaAlP材料量子阱的厚底與材料組分之間的關(guān)系示意圖；
[0027]圖6是不同的材料增益與量子阱中的載流子濃度之間的關(guān)系示意圖；
[0028]圖7是三元材料與四元材料的激光功率與注入電流之間的關(guān)系示意圖；
[0029]圖8是本發(fā)明壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)的第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖9是本發(fā)明壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)的第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖10是本發(fā)明壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)的第四實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖11是本發(fā)明壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)的第五實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖12是本發(fā)明壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)的第六實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0034]參照圖4，本發(fā)明壓應(yīng)變量子阱半導體激光外延結(jié)構(gòu)的第一實施例包括:有源層41以及分別位于有源層41的相對兩側(cè)且與有源層41堆疊排列的第一包層42和第二包層43;
[0035]有源層41包括沿有源層41與第一包層42和第二包43層的堆疊方向設(shè)置的第一波導層411、量子阱412以及第二波導層413;
[0036]量子阱412采用四元的InGaA IP材料，常規(guī)結(jié)構(gòu)中一般采用三元I nGaP材料。圖5給出了四元材料量子阱的厚度與材料組分之間的關(guān)系，由圖可見，Al摩爾分數(shù)越大，量子阱的厚度越厚；In摩爾分數(shù)越大，量子阱的厚度越薄，因此采用了四元的InGaAlP材料的壓應(yīng)變量子阱的厚度可以在很大范圍內(nèi)變化，從而可以使得人們根據(jù)要求設(shè)計出具有更低閾值電流、更高外量子效率以及更好的溫度特性的器件。
[0037]優(yōu)選的，第一包層42為η型包層，第二包層43為ρ型包層，
[0038]圖6給出了計算的材料增益與量子阱