專利名稱：用于增大光發(fā)射器件最大調(diào)制速度的方法、增大了最大調(diào)制速度的光發(fā)射器件及其量子 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于增大光發(fā)射器件最大調(diào)制速度的方法、增大了最大調(diào)制速度的光發(fā)射器件及其量子阱結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
光發(fā)射器件——如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)——是本領(lǐng)域公知的。VCSEL的有源區(qū)具有量子阱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一個或多個量子阱層與相應(yīng)數(shù)目的阻擋層交錯組成。每個量子阱層與相鄰的阻擋層構(gòu)成量子阱。量子阱對載流子(電子和空穴)進(jìn)行捕獲和限制，這些載流子隨后發(fā)生輻射復(fù)合而產(chǎn)生光。
傳統(tǒng)VCSEL中產(chǎn)生850納米(nm)波長光的有源區(qū)具有由砷化鎵(GaAs)量子阱層和鋁鎵砷(A1GaAs)阻擋層組成的量子阱結(jié)構(gòu)。但是，采用銦鎵砷(InGaAs)代替GaAs作為量子阱層的材料更好，因為應(yīng)變增大了微分增益并降低了透明電流，而這些對于高速工作、可靠性和驅(qū)動電路都有利。產(chǎn)生980nm波長光的典型傳統(tǒng)VCSEL的量子阱結(jié)構(gòu)具有銦鎵砷(InGaAs)量子阱層和砷化鎵(GaAs)阻擋層，或者銦鎵砷(InGaAs)量子阱層和磷砷化鎵(GaAsP)阻擋層。
但是，與傳統(tǒng)的850nm VCSEL相比，傳統(tǒng)的980nm VCSEL的最大調(diào)制速度較低，溫度性能較差。
因此，需要一種方法來增大980nm VCSEL以及產(chǎn)生此波長的其他光發(fā)射器件的最大調(diào)制速度并改善其溫度性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例涉及具有更大的最大調(diào)制速度的光發(fā)射器件。一種示例涉及用于增大光發(fā)射器件調(diào)制速度的方法。該方法包括形成AlxGa1-xAs阻擋層，在這些阻擋層之間形成銦鎵砷(InGaAs)量子阱層，并在量子阱層與阻擋層之間形成界面層。界面層增大了量子阱的量子阱層中的載流子限制，并因此增大了光發(fā)射器件的最大調(diào)制速度。
另一種實施例提供了一種垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。VCSEL具有量子阱結(jié)構(gòu)，該量子阱結(jié)構(gòu)包括與AlxGa1-xAs阻擋層交錯的InGaAs量子阱層。VCSEL還具有使量子阱結(jié)構(gòu)中載流子限制增大從而使VCSEL的最大調(diào)制速度增大的組成部分。
另一種實施例提供了用于光發(fā)射器件的量子阱結(jié)構(gòu)。這種量子阱結(jié)構(gòu)具有阻擋層、與阻擋層交錯的InGaAs量子阱層、以及各個量子阱層與各個相鄰阻擋層之間的界面層，界面層的材料減弱了量子阱層與相鄰阻擋層之間界面缺陷的影響。界面層有益地減小了增益譜線的加寬和量子阱中的非輻射復(fù)合中心，否則，量子阱層與相鄰阻擋層之間的界面缺陷會造成這些不利影響。


圖1A是半導(dǎo)體激光器的部分剖視圖，該激光器作為含有本發(fā)明實施例的光發(fā)射器件的例子。
圖1B是傳統(tǒng)光發(fā)射器件的量子阱結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖1C是示出圖1B所示量子阱結(jié)構(gòu)能帶分布的能級圖。
圖2是圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實施例，用于增大垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)中載流子限制的一種方法的流程圖。
圖3A是圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實施例具有AlGaAs阻擋層的量子阱結(jié)構(gòu)的示意圖。該量子阱結(jié)構(gòu)提供了更大的載流子限制。
圖3B是圖示了圖3A所示量子阱結(jié)構(gòu)能帶分布的能級圖。
圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實施例，具有多個量子阱的量子阱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶的能帶分布的能級圖。該量子阱結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了更大的載流子限制。
圖5A是具有InGaAs/GaAs多量子阱結(jié)構(gòu)的示例性有源區(qū)的能帶圖，其上疊加的曲線代表量子阱結(jié)構(gòu)中所限制的電子的波函數(shù)。
圖5B是具有InGaAs/AlGaAs多量子阱結(jié)構(gòu)的示例性有源區(qū)的能帶圖，其上疊加的曲線代表量子阱結(jié)構(gòu)中所限制的電子的波函數(shù)。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明一種實施例，在量子阱層與相鄰阻擋層之間具有界面層的量子阱結(jié)構(gòu)的示意圖。該量子阱結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了更大的載流子限制。
圖6B是圖示了圖6A所示量子阱結(jié)構(gòu)能帶分布的能級圖。
具體實施例方式
載流子限制是確定980nm VCSEL量子阱結(jié)構(gòu)的材料增益的一個因素。增大載流子限制提供了能使量子阱結(jié)構(gòu)的微分增益增大的材料增益。微分增益定義為材料增益對注入載流子密度的微分。此外，VCSEL的馳豫頻率與微分增益成正比例，并因此與VCSEL的量子阱結(jié)構(gòu)中的載流子捕獲成比例。馳豫頻率表征了當(dāng)VCSEL產(chǎn)生光時電子和光子的固有振蕩，并限定了VCSEL的最大調(diào)制速度。因此，增大載流子限制提供了增大微分增益以增大馳豫頻率、并因此增大激光器或VCSEL的最大調(diào)制速度的一種途徑。增大載流子限制還會改善VCSEL或其他光發(fā)射器件的溫度性能。
以前已經(jīng)完成了一些工作，解決了應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化問題。特別是，在“Theoretical Gain in Strained-layer Quantum Wells”，1850PROC.SPIE 177-188(“Corzine文獻(xiàn)”)中，Corzine等人從理論上討論了使應(yīng)變的量子阱的增益最大化的各種物理效果。Corzine文獻(xiàn)討論了通過增大有源區(qū)中的載流子密度對微分增益的理論上的改善。
但是，隨著光發(fā)射器件(例如VCSEL)轉(zhuǎn)向更高調(diào)制速度，量子阱結(jié)構(gòu)的特性要受到更多研究。由此，以往不感興趣的參數(shù)也變得越來越重要。隨著VCSEL調(diào)制速度的增大，以往技術(shù)中的缺點也變得明顯起來。而且，VCSEL的波長增大需要更加嚴(yán)格地注意這些缺點。例如，諸如載流子限制、載流子捕獲率和載流子逃逸率這些因素變得越來越重要。以前的許多工作(例如Corzine文獻(xiàn))并未解決這些問題。
特別地，載流子限制取決于量子阱結(jié)構(gòu)中載流子的捕獲率與逃逸率之比。傳統(tǒng)的980nm VCSEL具有由InGaAs量子阱層和GaAs阻擋層組成的量子阱結(jié)構(gòu)，其中量子阱層的InGaAs中銦含量小于20％。這樣的量子阱結(jié)構(gòu)提供的載流子限制不足以使VCSEL獲得期望的最大調(diào)制速度。(術(shù)語和總體情況)圖1A的示意示了根據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射器件100的一種實施例的部分剖視圖。在所示的示例中，光發(fā)射器件100是垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。
光發(fā)射器件100具有第一反射器110和第二反射器130，有源區(qū)120位于這些反射器之間。通常，第一反射器110和第二反射器130是分布式Bragg反射器(DBR)。
第一反射器110和第二反射器130一起限定了光學(xué)腔，有源區(qū)120位于光學(xué)腔中。有源區(qū)120由量子阱結(jié)構(gòu)125夾在n型分隔層123和p型分隔層127之間組成。通常，在根據(jù)本發(fā)明一種實施例的VCSEL中，量子阱結(jié)構(gòu)125限定了一到五個量子阱。不過，本發(fā)明不限于限定了這樣數(shù)目量子阱的量子阱結(jié)構(gòu)。
N型分隔層123和p型分隔層127分別向量子阱結(jié)構(gòu)125中注入電子和空穴(統(tǒng)稱為“載流子”)。空穴是缺失了電子的化學(xué)鍵。空穴能夠在半導(dǎo)體材料中運動，但是移動性通常不如電子。載流子由量子阱結(jié)構(gòu)125所限定的那些量子阱捕獲并限制在其中。限制在量子阱結(jié)構(gòu)125的量子阱中的電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生光(例如980nm波長的光)。
VCSEL 100是根據(jù)本發(fā)明的一種光發(fā)射器件的示例。但是，本發(fā)明不限于VCSEL。本發(fā)明的實施例可以適用于其他類型的光發(fā)射器件，例如但不限于邊發(fā)射激光器和光放大器(例如電泵浦外腔激光器的光增益介質(zhì))。
如上所述，光發(fā)射器件(例如980nm VCSEL)的有源區(qū)含有限定了一個或多個量子阱的量子阱結(jié)構(gòu)。圖1B是傳統(tǒng)光發(fā)射器件(未示出)的有源區(qū)的剖視圖。有源區(qū)由量子阱結(jié)構(gòu)10夾在n型分隔層5和p型分隔層20之間組成。在圖1B所示的示例中，量子阱結(jié)構(gòu)10由量子阱層與阻擋層交錯構(gòu)成，其中量子阱層是具有低帶隙能的半導(dǎo)體材料(低帶隙材料)，阻擋層是具有比低帶隙材料高的帶隙能的半導(dǎo)體材料(高帶隙材料)。量子阱結(jié)構(gòu)10限定了單個量子阱，并由量子阱層16夾在阻擋層14和18之間而組成。
在其他的傳統(tǒng)光發(fā)射器件實施例中，量子阱結(jié)構(gòu)10由N個量子阱層與N+1個阻擋層交錯組成。量子阱結(jié)構(gòu)通常限定一個量子阱(N＝1)到五個量子阱(N＝5)，不過限定了多于五個量子阱的量子阱結(jié)構(gòu)也是已知的。
在980nm VCSEL中，量子阱層16的低帶隙材料是銦鎵砷(InGaAs)，阻擋層14和18的高帶隙材料是砷化鎵(GaAs)。
圖1C的能帶圖示出了圖1B所示量子阱結(jié)構(gòu)10的能帶分布。能帶分布示出了量子阱層16、阻擋層14以及阻擋層18在價帶和導(dǎo)帶之間的能帶變化。圖1C示出了量子阱層16的低帶隙材料與阻擋層14和18的高帶隙材料之間帶隙能的差別(即導(dǎo)帶能量與價帶能量之間的差別)。量子阱層16與阻擋層14、18之間的帶隙能差別限定了量子阱12。在所示的示例中，在量子阱層16與阻擋層14、18之間的界面處，帶隙能急劇改變。
在包含量子阱結(jié)構(gòu)10的光發(fā)射器件工作期間，n型分隔層5和p型分隔層20分別向量子阱結(jié)構(gòu)10中注入電子和空穴作為載流子。注入量子阱結(jié)構(gòu)10的部分載流子被量子阱層16捕獲并限制在其中。限制在量子阱層16中的電子和空穴復(fù)合以產(chǎn)生光。這種復(fù)合所產(chǎn)生的部分光由光發(fā)射器件發(fā)射。
發(fā)明人考慮到的用于在VCSEL(例如980nm VCSEL)的有源區(qū)的InGaAs/GaAs量子阱中增大載流子限制的一種手段是增大InGaAs量子阱層的厚度。量子阱層的載流子捕獲率隨著量子阱層厚度的增大而增大。但是，增大量子阱層的厚度會有害地降低不同子帶能級之間的能量間隔。這樣會導(dǎo)致更多載流子分布在量子阱中高于基態(tài)的高能態(tài)。這樣的載流子分布會導(dǎo)致較低的微分增益，因為準(zhǔn)費米能級遠(yuǎn)離透明能帶邊緣移動。此外，量子阱層的厚度和銦含量是由期望的發(fā)射波長(例如980nm)確定的。盡管量子阱層的厚度和銦含量可以在小范圍內(nèi)變化，但是它們不能在更大范圍內(nèi)隨意改變。
發(fā)明人考慮到的用于在980nm VCSEL有源區(qū)的InGaAs/GaAs量子阱中增大載流子限制的另一種手段是增大InGaAs量子阱層中的銦含量。但是，增大銦含量增大了量子阱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變并使發(fā)射波長偏移。為了抵消InGaAs量子阱層中銦含量增大可能造成的這種波長偏移，可以隨著銦含量的增大而減小量子阱厚度。但是，過度的應(yīng)變會降低VCSEL的可靠性，并且減小量子阱層的厚度會造成載流子限制減小。
如下面將要詳細(xì)說明的，本發(fā)明的實施例提供了一種方法，在不造成應(yīng)變增大、也不必減小量子阱層厚度的情況下增大了光發(fā)射器件的最大調(diào)制速度。在一種實施例中，通過用AlGaAs作為阻擋層材料來增大量子阱結(jié)構(gòu)中的載流子限制，獲得了更高的最大調(diào)制速度。AlGaAs阻擋層通過降低載流子從量子阱的逃逸率而提供了更高的載流子限制。與傳統(tǒng)阻擋層材料GaAs相比，AlGaAs的帶隙能更大，因而降低了載流子逃逸率。而且，鋁含量較小的AlGaAs具有與GaAs相似的晶格常數(shù)，所以用AlGaAs作為阻擋層材料不會顯著改變量子阱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變。
InGaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)提供了比傳統(tǒng)的InGaAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)更多的載流子限制的另一種機制是InGaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)在InGaAs量子阱層與AlGaAs阻擋層之間具有更加陡峭的界面。造成這種陡峭界面的一個因素是量子阱層的InGaAs和阻擋層的AlGaAs具有相同的V族亞晶格。這傾向于減小量子阱層與鄰近阻擋層之間的相互擴(kuò)散。而且，Al-As鍵比Ga-As鍵要強得多，所以InGaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)傾向于具有比傳統(tǒng)的InGaAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)更少的相互擴(kuò)散并因此具有更陡峭的界面。因此，向阻擋層中的GaAs加入Al降低了相互擴(kuò)散并因而提供了更加陡峭的界面。更加陡峭的界面減少了造成非輻射復(fù)合的中間帶隙狀態(tài)(midgap state)。
InGaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)增大載流子限制的另一種機制是InGaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)具有比傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)更大的偏移因子Qc。在InGaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)帶偏移對InGaAs量子阱層與AlGaAs阻擋層之間的能帶偏移的貢獻(xiàn)(65％)比價帶偏移的貢獻(xiàn)(35％)更大。為了對導(dǎo)帶中的電子進(jìn)行良好的限制，以及在多量子阱結(jié)構(gòu)中各量子阱之間獲得良好的空穴分布，這種能帶排列是有利的。由于電子與空穴之間的遠(yuǎn)距靜電相互作用力，良好的空穴分布還有利于對導(dǎo)帶中的電子進(jìn)行更好的限制。阻擋層的帶隙能增大不僅增大了量子阱中的載流子限制，還造成更高能態(tài)中的載流子數(shù)目減少。因此，增大了處于基態(tài)的載流子濃度，使得準(zhǔn)費米能級保持接近透明能帶邊緣。
(用于改善載流子限制的方法)圖2是圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例，用于增大光發(fā)射器件的調(diào)制速度的方法200的流程圖。調(diào)制速度增大主要是由于增大了光發(fā)射器件的量子阱中的載流子限制。在這種實施例中，通過增大阻擋層的有效帶隙能以形成更深的量子阱來實現(xiàn)增大載流子限制。
在方框210中，形成AlxGa1-xAs阻擋層。在方框220中，在阻擋層之間形成銦鎵砷(InGaAs)量子阱層。在一種實施例中，阻擋層和量子阱層組成了VCSEL的有源區(qū)的部分。
使量子阱層經(jīng)受壓應(yīng)變可以改善諸如微分增益以及最大調(diào)制速度等的特性。通過增大量子阱層的InGaAs材料中的銦含量來增大量子阱層所經(jīng)受的壓應(yīng)變。增大量子阱層中的應(yīng)變理論上會增大量子阱和VCSEL的微分增益。增大微分增益有助于增大最大調(diào)制速度。在本發(fā)明的一種實施例中，銦含量約為20％，即量子阱層的材料是In0.2Ga0.8As。本發(fā)明的其他實施例采用的量子阱層材料具有大于20％的銦含量，即量子阱層的材料是InxGa1-xAs，其中x＞0.2。
如上所述，本實施例增大了InGaAs量子阱層中的載流子限制以增大VCSEL的調(diào)制速度。這是通過用AlxGa1-xAs作為量子阱結(jié)構(gòu)的阻擋層材料來降低量子阱層中所捕獲載流子的逃逸率來實現(xiàn)的。更具體地說，帶隙能高于GaAs的AlxGa1-xAs阻擋層降低了量子阱層的導(dǎo)帶中所捕獲電子的逃逸率。
在本實施例中，InGaAs量子阱層中所捕獲的載流子的逃逸率降低增大了量子阱結(jié)構(gòu)的載流子限制因子。載流子限制因子衡量量子阱層的載流子密度參數(shù)，以恰當(dāng)?shù)胤从沉孔于鍖又械膶嶋H電流密度。其結(jié)果是，在本實施例中，載流子限制因子適當(dāng)?shù)赜兄诹孔于鍖拥奈⒎衷鲆嬗嬎?，并最終有助于包括InGaAs/AlGaAs量子阱的VCSEL的調(diào)制速度計算。通過增大載流子限制因子，根據(jù)本發(fā)明的實施例增大了VCSEL的最大調(diào)制速度。
以往，電流密度是通過載流子密度直接確定的，而沒有關(guān)于量子阱結(jié)構(gòu)的載流子捕獲和逃逸特性的任何考慮。因此，計算微分增益并未提供量子阱結(jié)構(gòu)的精確的性能特征。與之相比，本實施例在載流子捕獲和載流子逃逸方面都考慮了載流子限制問題，提供了給定VCSEL中量子阱結(jié)構(gòu)的精確性能特征。
通過用AlxGa1-xAs作為阻擋層材料，本實施例通過降低InGaAs量子阱層中所捕獲的載流子的逃逸率而增大了載流子限制因子。增大量子阱層的載流子限制因子增大了VCSEL的最大調(diào)制速度。
載流子限制因子由載流子捕獲率γcapture與載流子逃逸率γescape之比來確定，如式1所示 載流子捕獲率γcapture被描述為載流子捕獲的概率，與載流子捕獲時間成反比。換句話說，載流子捕獲率越高，載流子捕獲的概率就越高，量子阱中捕獲載流子所需的時間就越短。同樣，載流子逃逸率γescape被描述為載流子逃逸的概率，與載流子逃逸時間成反比。載流子逃逸率降低使得所捕獲的載流子逃逸的概率降低，表示量子阱中捕獲的載流子需要更長時間才能逃逸。
根據(jù)本發(fā)明，降低載流子逃逸率γescape增大了載流子限制因子。通過使量子阱層的導(dǎo)帶與相鄰阻擋層的導(dǎo)帶之間的能量差別增大來將捕獲的電子更好地限制在量子阱層的導(dǎo)帶中，來降低載流子逃逸率。即，根據(jù)本發(fā)明的實施例通過用具有更高帶隙能的材料作為夾住量子阱層的阻擋層的材料，增大了這種能量差別。在本實施例中，阻擋層材料為AlxGa1-xAs，它具有比傳統(tǒng)阻擋層材料GaAs更高的導(dǎo)帶能量。具體地說，本實施例將量子阱層的導(dǎo)帶能量與相鄰阻擋層的導(dǎo)帶能量之間的差別從采用傳統(tǒng)的GaAs阻擋層所得的約80meV增大到了本實施例采用AlxGa1-xAs阻擋層所得的100meV以上。
圖2還圖示了方法200的可選附加組成部分。在步驟230，在InGaAs量子阱層與各個AlxGa1-xAs阻擋層之間形成界面層。下面將說明界面層帶來的好處。
在根據(jù)本發(fā)明實施例的光發(fā)射器件中，AlxGa1-xAs阻擋層將更多電子載流子限制在量子阱層中，因此降低了載流子逃逸率γescape。作為附帶的好處，與傳統(tǒng)GaAs阻擋層相比，AlxGa1-xAs阻擋層的勢壘高度更大，還增大了載流子捕獲率γcapture。因此，在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，AlxGa1-xAs阻擋層通過增大載流子捕獲率并降低載流子逃逸率而增大了載流子限制因子。
同樣，作為附帶的好處，本實施例的AlxGa1-xAs阻擋層增大了VCSEL的微分增益。微分增益的增大是因為載流子限制增大了。如上所述，所述的增大載流子限制因子使得載流子限制增大。
另外，阻擋層的AlxGa1-xAs材料的帶隙能的增大使InGaAs量子阱層和AlxGa1-xAs阻擋層的厚度都可以成比例地減小而不會影響微分增益。量子阱層厚度減小會減小載流子限制，但是這種減小被用作阻擋層材料的AlxGa1-xAs的更大帶隙能造成的上述載流子限制的增大抵消了。
載流子限制是確定VCSEL的量子阱結(jié)構(gòu)中InGaAs量子阱層材料增益的一個因素。量子阱中載流子限制的增大獲得了令量子阱結(jié)構(gòu)的微分增益總體上增大的材料增益特性。換句話說，增大載流子限制增大了材料增益隨電流密度的改變率。載流子密度定義為量子阱結(jié)構(gòu)中的電流密度與載流子限制因子之積，如式2所示。
載流子密度＝(電流密度)×(載流子限制因子)(2)材料增益隨電流密度特性變化的斜率確定了微分增益。接下來，量子阱的馳豫頻率與微分增益成正比例。馳豫頻率表征當(dāng)VCSEL產(chǎn)生光時電子和光子的固有振蕩，并限制了VCSEL的調(diào)制速度。馳豫頻率越高，VCSEL的最大調(diào)制速度就越高。因此，增大載流子限制增大了材料增益隨電流密度特性變化的斜率，即增大了微分增益。增大的微分增益增大了馳豫頻率，這接下來增大了VCSEL的最大調(diào)制速度。
(提供了更佳載流子限制的量子阱結(jié)構(gòu))圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了更佳載流子限制的量子阱結(jié)構(gòu)300的示意圖。在一種實施例中，量子阱結(jié)構(gòu)300形成VCSEL的有源區(qū)的一部分。更具體地說，在一種實施例中，量子阱結(jié)構(gòu)300形成了產(chǎn)生約980nm波長光的VCSEL的有源區(qū)的一部分。
量子阱結(jié)構(gòu)300由銦鎵砷(InGaAs)量子阱層320和夾住量子阱層320的鋁鎵砷(AlGaAs)阻擋層310組成。阻擋層310的AlGaAs與量子阱層320的InGaAs之間存在晶格不匹配，使得量子阱結(jié)構(gòu)300存在應(yīng)變。具體地說，量子阱層320的InGaAs中的銦使量子阱層受到壓應(yīng)變，這種壓應(yīng)變使量子阱層的材料特性以使量子阱結(jié)構(gòu)300的微分增益增大的方式改變。如上所述，InGaAs量子阱層320中銦的含量確定了應(yīng)變大小，銦的含量約等于或大于20％。
夾住InGaAs量子阱層320的阻擋層310由鋁鎵砷AlxGa1-xAs組成。如上文參考圖2所述，阻擋層310的AlxGa1-xAs中鋁含量大于5％增大了InGaAs量子阱層320的導(dǎo)帶與AlxGa1-xAs阻擋層310的導(dǎo)帶之間的勢壘高度。
而且，阻擋層310的AlxGa1-xAs材料中鋁的含量足夠低，使得可以用標(biāo)準(zhǔn)的外延生長工藝生長具有良好電學(xué)特性和光學(xué)特性的材料。例如，根據(jù)本發(fā)明的一種實施例，外延生長工藝是分子束外延(MBE)。根據(jù)本發(fā)明的另一種實施例中，外延生長工藝是金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。
圖3B是根據(jù)本發(fā)明一種實施例，圖3A所示量子阱結(jié)構(gòu)300的能級圖。能級圖還示出了量子阱結(jié)構(gòu)300的結(jié)構(gòu)成分。能級示了平帶條件(flat-band condition)，其中沒有電場施加到量子阱結(jié)構(gòu)300。在量子阱層320的平帶條件下，所示帶隙能Egq330針對電子和重空穴在最低亞能級(n＝1)之間的躍遷。所示帶隙能Egb360針對阻擋層310。能級圖的上部362示出了阻擋層和量子阱層的導(dǎo)帶能量Ec。能級圖的下部364示出了阻擋層和量子阱層的價帶能量Ev。
另外，圖3B示出了InGaAs量子阱層320的導(dǎo)帶與AlxGa1-xAs阻擋層310的導(dǎo)帶之間的勢壘高度ΔEc340。根據(jù)本發(fā)明獲得的勢壘高度ΔEc340比使用GaAs阻擋層的傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)中的勢壘高度要高，并且是在沒有增大量子阱結(jié)構(gòu)300中應(yīng)變的情況下獲得的。如上所述，增大應(yīng)變會由于降低了效率和微分增益而造成量子阱結(jié)構(gòu)300的性能和可靠性下降。在沒有增大量子阱結(jié)構(gòu)300中的應(yīng)變的情況下實現(xiàn)勢壘高度ΔEc340增大是由于砷化鋁和砷化鎵的晶格常數(shù)相似。因此，向砷化鎵中加入鋁不會明顯改變量子阱結(jié)構(gòu)300中的應(yīng)變。
另外，根據(jù)本發(fā)明中實現(xiàn)勢壘高度ΔEc340的增大沒有造成InGaAs量子阱層320中形成任何中間帶隙狀態(tài)。圖3B圖示了量子阱結(jié)構(gòu)300中可能存在的中間帶隙狀態(tài)Ei350。中間帶隙狀態(tài)Ei350的能量與量子阱層320的價帶能量相差量子阱層的帶隙能Egq330值的一半。在已有的任何中間帶隙狀態(tài)處的復(fù)合都會使非輻射復(fù)合增大。如上所述，當(dāng)努力增大勢壘高度ΔEc340時，量子阱層中銦的含量增大，這樣造成的應(yīng)變增大引起了中間帶隙狀態(tài)。但是根據(jù)本發(fā)明，AlxGa1-xAs的阻擋層310增大了勢壘高度ΔEc340而不增大量子阱結(jié)構(gòu)300中的應(yīng)變，也不會促進(jìn)中間帶隙狀態(tài)形成。因此防止了存在這樣的狀態(tài)時可能發(fā)生的非輻射復(fù)合。
采用AlGaAs作為阻擋層310的材料還在不造成價帶內(nèi)散射(intravalence scattering)的情況下增大了勢壘高度ΔEc340。使用大于20％銦含量來增大勢壘高度的傳統(tǒng)途徑(例如在傳統(tǒng)的InGaAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)中)所造成的應(yīng)變增大造成價帶中輕空穴和重空穴狀態(tài)的間隔更大。更大的間隔造成了量子阱結(jié)構(gòu)中的增益抑制，因為輕空穴需要更長時間才能落到重空穴占據(jù)的基態(tài)。輻射復(fù)合只由重空穴產(chǎn)生。但是，根據(jù)本發(fā)明的AlxGa1-xAs阻擋層310在不造成更大應(yīng)變或增益抑制的情況下增大了勢壘高度ΔEc340。
在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，圖3A所示量子阱結(jié)構(gòu)300在量子阱層320與阻擋層310之間具有陡峭的界面。陡峭界面是因為量子阱層320的InGaAs與阻擋層310的AlGaAs具有相同的V組亞晶格。陡峭界面產(chǎn)生了良好的量子阱光學(xué)特性并限制了增益譜線的加寬。另外，在根據(jù)本發(fā)明的量子阱結(jié)構(gòu)中，AlxGa1-xAs阻擋層310與InGaAs量子阱層320之間的陡峭界面缺陷更少。缺陷數(shù)目的減小降低了非輻射復(fù)合的發(fā)生率。
(高帶隙能偏移因子)根據(jù)本發(fā)明實施例的InGaAs/AlxGa1-xAs量子阱結(jié)構(gòu)300具有比傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)更高的帶隙能偏移因子Qc。帶隙能偏移因子表征導(dǎo)帶和價帶對量子阱層與阻擋層之間的帶隙能偏移的相對貢獻(xiàn)。帶隙能偏移因子在式3中表述如下Qc＝ΔEc/ΔEg(3)在式3中，ΔEc與上文參考勢壘高度ΔEc340所述一樣。ΔEg為阻擋層帶隙能(即Egb360)與量子阱層320的帶隙能(即Egq330)之間的差別，表示為下面的式4ΔEg＝Egb-Egq(4)InGaAs/AlxGa1-xAs量子阱結(jié)構(gòu)300的實施例得到高Qc值，特別是與傳統(tǒng)的InGaAs/GaAsP量子阱相比。例如，InGaAs/AlxGa1-xAs量子阱結(jié)構(gòu)300具有約0.65的Qc值，而傳統(tǒng)的InGaAs/GaAsP量子阱結(jié)構(gòu)具有約0.4的Qc值。
InGaAs/AlxGa1-xAs量子阱結(jié)構(gòu)300的高Qc值產(chǎn)生了增大電子限制的條件并在多量子阱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了更均勻的空穴分布。例如，InGaAs/AlxGa1-xAs量子阱結(jié)構(gòu)300的0.65的Qc值表明導(dǎo)帶貢獻(xiàn)了InGaAs量子阱層320與AlxGa1-xAs阻擋層310之間帶隙能差別的65％，價帶貢獻(xiàn)了帶隙能差別的35％。
導(dǎo)帶和價帶貢獻(xiàn)之間65/35的分配使得對InGaAs量子阱層320的導(dǎo)帶中電子的限制增大，因為量子阱層320與阻擋層310之間的勢壘高度ΔEc340更大。這種65/35的分配關(guān)系不會明顯增大空穴限制，因為導(dǎo)帶提供了大部分帶隙能偏移。增大空穴限制會由于不均勻和/或更慢的載流子輸運而降低VCSEL的最大調(diào)制速度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的量子阱結(jié)構(gòu)300中更大的Qc值在多量子阱結(jié)構(gòu)中提供了更均勻的空穴分布。較低的Qc值(例如在InGaAs/GaAsP量子阱結(jié)構(gòu)中)增大了空穴限制，這降低了多個量子阱之間空穴分布的均勻性。這是因為增大的空穴限制將量子阱中的大多數(shù)空穴限制為最接近向量子阱結(jié)構(gòu)中注入空穴的p型分隔層20(圖1B)。結(jié)果，傳統(tǒng)的低Qc值多量子阱結(jié)構(gòu)中的空穴分布不均勻。
在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，InGaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)300具有約0.65的高Qc值。這帶來了更大的電子限制，并在多量子阱結(jié)構(gòu)中帶來了更均勻的空穴分布。增大的電子限制增大了微分增益和調(diào)制速度，并改善了VCSEL(量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成其一部分)的溫度特性。
(改善了載流子限制的多量子阱結(jié)構(gòu))圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例，多量子阱結(jié)構(gòu)400的導(dǎo)帶能級圖。盡管所示的示例是980nm VCSEL的多量子阱結(jié)構(gòu)，但是工作于其他波長的VCSEL中也可以適用其他實施例。
多量子阱結(jié)構(gòu)400由N個InGaAs量子阱層410與(N+1)個AlxGa1-xAs阻擋層420交錯組成，其中N為整數(shù)。本發(fā)明的其他實施例還可以在各個量子阱層410跟與其相鄰的阻擋層420之間具有界面層(未示出，但在下面參考圖5A進(jìn)行說明)。與單量子阱結(jié)構(gòu)相比，多量子阱結(jié)構(gòu)400自然提供了更高的載流子捕獲率(γcapture)，因為它具有更多的量子阱來捕獲載流子。
為了VCSEL發(fā)出激光，VCSEL的光學(xué)增益必須克服VCSEL的光學(xué)損耗。量子阱結(jié)構(gòu)用材料增益來補償光學(xué)損耗。在單量子阱結(jié)構(gòu)中，單個量子阱必須產(chǎn)生補償光學(xué)損耗所需的全部材料增益。產(chǎn)生這種高材料增益需要苛刻的制造和生長技術(shù)。
在多量子阱結(jié)構(gòu)(例如圖4所示多量子阱結(jié)構(gòu)400)中，各個量子阱之間共享材料增益。多量子阱結(jié)構(gòu)中的每個量子阱不必具有與單量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱一樣高的材料增益。因為多量子阱結(jié)構(gòu)中的每個量子阱提供較少的材料增益，所以量子阱可以以更低的載流子密度(因而更低的電流密度)工作。部分由于材料增益與載流子密度的特性而以較低載流子密度工作使得每個量子阱以更高的微分增益和更低的載流子泄漏工作。另外，對于多量子阱結(jié)構(gòu)，橫向電場的光學(xué)限制因子要高得多。因此，可以期望由于增大量子阱的數(shù)目而帶來明顯的性能改善。
通過使電流經(jīng)過VCSEL使通常的VCSEL發(fā)出激光。電流注入造成圖4所示能級圖中導(dǎo)帶的準(zhǔn)費米能級向AlxGa1-xAs阻擋層420的能帶邊緣上升。這增大了電子的逃逸率。但是，在多量子阱結(jié)構(gòu)中，由于如上所述量子阱中材料增益較低，準(zhǔn)費米能級更接近能帶邊緣。對于給定的載流子密度，隨著準(zhǔn)費米能級向能帶邊緣移動，每個量子阱的材料增益都最大化。用AlGaAs作為阻擋層420的材料增大了量子阱所提供的勢壘高度ΔEc。這降低了所捕獲的電子從量子阱層410的逃逸率。
同樣，如上所述，用作阻擋層420的AlxGa1-xAs較高的帶隙能使得在不損害微分增益的情況下，InGaAs量子阱層410和AlxGa1-xAs阻擋層的厚度都可以降低。AlxGa1-xAs阻擋層的帶隙能增大造成的載流子限制增大抵消了由于量子阱層厚度減小所造成的載流子限制減小。量子阱層和阻擋層厚度的減小使得量子阱密度可以增大。對于相似尺寸的VCSEL，這會使微分增益增大，因為同樣空間中量子阱的數(shù)目更多，增大了對載流子的捕獲。通過使用多量子阱也增強了光學(xué)限制因子。
含有多量子阱結(jié)構(gòu)400的一種實施例的VCSEL具有超過含單量子阱結(jié)構(gòu)的VCSEL的優(yōu)點。例如，多量子阱結(jié)構(gòu)具有更大的載流子捕獲率(γcapture)。另外，多量子阱結(jié)構(gòu)由于每個量子阱具有較低的材料增益及其造成的較高勢壘高度ΔEc而具有較低的載流子逃逸率(γescape)。結(jié)合起來看，這些因素提供了更大的載流子限制因子，帶來了更好的載流子限制，更大的微分增益，并最終得到了具有更大最大調(diào)制速度的多量子阱VCSEL。
(減小量子阱之間的耦合)AlGaAs阻擋層超過GaAs阻擋層的另一優(yōu)點是降低了多量子阱結(jié)構(gòu)中量子阱之間的耦合。量子阱之間的高度耦合會造成增益降低。圖5A是具有多量子阱結(jié)構(gòu)的示例性有源區(qū)的能級圖，該量子阱結(jié)構(gòu)由四個4.3納米(nm)厚的In0.23Ga0.77As量子阱層和五個7.0納米厚的GaAs阻擋層交錯組成。疊加在能級圖上的曲線代表量子阱結(jié)構(gòu)中所限制電子的波函數(shù)。由圖5A可見波函數(shù)從大括號420表示的量子阱范圍泄漏出去的程度相當(dāng)大。對于圖5A所示波函數(shù)，計算得到的限制因子約為69％，對于量子阱結(jié)構(gòu)的第一本征態(tài)(first eigenstate)，計算得到的微帶寬度(minibandwidth)約為1.0meV。
圖5B是含有量子阱結(jié)構(gòu)的一種示例性有源區(qū)的能級圖，該量子阱結(jié)構(gòu)由四個4.3內(nèi)米厚的In0.23Ga0.77As量子阱層和五個7.0內(nèi)米厚的Al0.1Ga0.9As阻擋層交錯組成。疊加在能級圖上的曲線代表量子阱結(jié)構(gòu)中所限制電子的波函數(shù)。圖5B所示有源區(qū)的發(fā)射波長與圖5A中所示相同。使用AlGaAs作為阻擋層材料對于波函數(shù)計算所得的限制因子為82％。這與圖5A所示采用GaAs阻擋層的量子阱結(jié)構(gòu)的限制因子相比有了顯著增大。同樣，計算得到的第一本征態(tài)的微帶寬度也減小了。將圖5B與圖5A相比可見，用AlGaAs作為阻擋層材料減小了量子阱之間的耦合。這種耦合減小允許在不使增益減小或線寬加寬的情況下增大有源區(qū)中的量子阱數(shù)目。
(帶有界面層以改善載流子限制的量子阱結(jié)構(gòu))圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施例的量子阱結(jié)構(gòu)600，量子阱結(jié)構(gòu)600中，在量子阱層與阻擋層之間插入了界面層。界面層改善了量子阱結(jié)構(gòu)的載流子限制。量子阱結(jié)構(gòu)600構(gòu)成了光發(fā)射器件(例如VCSEL)的有源區(qū)的一部分。在本實施例中，量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成了產(chǎn)生980nm波長光的VCSEL的有源區(qū)的一部分。但是，量子阱結(jié)構(gòu)600的其他實施方式也適于包含在產(chǎn)生其他波長光的VCSEL中。界面層給載流子限制帶來的改善使量子阱結(jié)構(gòu)600與傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)相比，具有更高的微分增益和馳豫頻率。更高的馳豫頻率增大了量子阱結(jié)構(gòu)600以及VCSEL(量子阱結(jié)構(gòu)600構(gòu)成其一部分)的最大調(diào)制速度。
量子阱結(jié)構(gòu)600由阻擋層610、阻擋層650以及阻擋層610與阻擋層650之間的InGaAs量子阱層630組成。量子阱層630中InGaAs的體晶格常數(shù)(bulk lattice constant)比阻擋層610和650的材料的體晶格常數(shù)要大，所以量子阱層630受到壓應(yīng)變。
量子阱結(jié)構(gòu)600還包括分別插入量子阱層630與阻擋層610和650之間的界面層620和640。界面層620和640的材料是AlyGa1-yAs，其中鋁含量y小于阻擋層610和650的AlxGa1-xAs中的鋁含量x。在一種實施例中，界面層620和640的AlxGa1-xAs中的鋁含量為零，即界面層620和640的材料是GaAs。根據(jù)本發(fā)明的一種實施例，界面層620和640的厚度范圍從約0.1nm到約2nm。
界面層620夾在阻擋層610與量子阱層630之間。界面層640夾在阻擋層650與量子阱層630之間。各個界面層降低了量子阱結(jié)構(gòu)600的增益譜線加寬，否則，量子阱層630與各個阻擋層610、650之間有缺陷的分界就會造成這種加寬。
界面層620和640還分別增大了量子阱結(jié)構(gòu)600的有效載流子捕獲截面。量子阱層630中載流子的捕獲包括載流子能量從其在阻擋層610和650中之一的能量向量子阱層630導(dǎo)帶的基態(tài)能量的馳豫。界面層620和640為穿過它們的載流子提供了更加緩和的能量弛豫。這轉(zhuǎn)化成量子阱層中載流子被捕獲的概率增大，以及電子的載流子捕獲率(γcapture)增大。接著，載流子捕獲率γcapture如上所述增大了載流子限制因子，這增大了微分增益和馳豫頻率。馳豫頻率的增大使得量子阱結(jié)構(gòu)600的最大調(diào)制速度增大。
圖6B是圖6A所示量子阱結(jié)構(gòu)600的能級圖。圖6B示出了量子阱結(jié)構(gòu)600中阻擋層610和650、界面層620和640以及量子阱層630的帶隙能。圖6B還示出了量子阱結(jié)構(gòu)600的結(jié)構(gòu)元件。界面層620和640的導(dǎo)帶與價帶之間的帶隙能Egi660處于InGaAs量子阱層的帶隙能Egq670與阻擋層610和650的帶隙能Egb680之間。
在一種實施例中，阻擋層610和阻擋層650的材料是具有大于5％的Al含量x(x＞0.05)的AlxGa1-xAs。
在根據(jù)本發(fā)明的另一種實施例中，界面層620和640分別使阻擋層610和650的材料可以是GaAsP。采用GaAsP阻擋層的傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)由于InGaAs/GaAsP界面的缺陷使量子阱結(jié)構(gòu)的增益譜線加寬而具有較低的載流子限制。但是，界面層620和640增大了量子阱結(jié)構(gòu)600的有效載流子捕獲截面。這減輕了由于使用GaAsP阻擋層而給載流子限制造成的減小，并使微分增益和馳豫頻率相應(yīng)地增大。馳豫頻率的增大使得量子阱結(jié)構(gòu)600的最大調(diào)制速度增大。
本文參考示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明。但是，由權(quán)利要求限定的本發(fā)明并不限于所述這些具體實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于增大光發(fā)射器件(100)的最大調(diào)制速度的方法，所述方法包括形成A1GaAs的阻擋層(610和650)(步驟210)；在所述阻擋層(610和650)之間形成InGaAs量子阱層(630)(步驟220)；以及在所述量子阱層(630)與各個所述阻擋層(610和650)之間形成界面層(620和640)(步驟230)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述量子阱層(630)的所述InGaAs具有大于20％的銦含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的形成所述量子阱層(步驟220)包括形成多個InGaAs量子阱層(630)，所述量子阱層(630)與所述阻擋層(610和650)交錯；所述的形成所述界面層(步驟230)包括在每個所述量子阱層(630)與相鄰的所述阻擋層(620和640)之間形成界面層(620和640)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述的形成所述阻擋層(步驟210)包括用鋁含量大于5％的AlGaAs形成所述阻擋層(620和640)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將所述光發(fā)射器件(100)構(gòu)造成產(chǎn)生980nm波長的光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述的形成所述界面層(步驟230)包括用GaAs形成所述界面層(620和640)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述的形成所述界面層(步驟230)包括用AlGaAs形成所述界面層(620和640)，所述界面層的AlGaAs的鋁含量比所述阻擋層(610和650)的AlGaAs的鋁含量低。
全文摘要
本發(fā)明公開的方法包括形成Al
文檔編號H01S5/00GK1981413SQ200580022885
公開日2007年6月13日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月6日
發(fā)明者阿施史·唐頓, 邁克爾·R·T·泰恩, 英－蘭·昌 申請人:安華高科技光纖Ip(新加坡)私人有限公司