分解減少的具有銦INGaP勢壘層和INGaAs(P)量子阱的激光器的制造方法
【專利摘要】一種制備VCSEL的方法，可以使用MBE進行：在第一鏡區(qū)上生長第一導電區(qū)；在第一導電區(qū)上與第一鏡區(qū)相對地生長有源區(qū)，所述有源區(qū)的生長包括：(a)生長具有In1-xGaxP(As)的量子阱勢壘；(b)生長具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層；(c)生長具有In1-zGazAsyP1-y的量子阱層；(d)生長另一具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層；(e)重復工藝(a)至(d)，多次循環(huán)；(f)生長具有In1-xGaxP(As)的量子阱勢壘；在有源區(qū)上與第一導電區(qū)相對地生長第二導電區(qū)，其中：x的范圍從0.77至0.50；y的范圍從0.7到1；和z的范圍從0.7到0.99。
【專利說明】分解減少的具有銦INGaP勢壘層和INGaAs(P)量子阱的激光器
【背景技術】
[0001]激光器被普遍使用于許多現代通信組件中進行數據傳輸。變得越來越普遍的用途之一是在數據網絡中使用激光器。激光器被用于許多光纖通訊系統(tǒng)中以在網絡上傳送數字數據。在一個示例性的配置中，激光器可以通過數字數據進行調制以產生光信號，包括表示二進制數據流的光與暗輸出周期。在實際實踐中，激光器輸出代表二進制的高點的高光輸出和代表二進制低點的較低功率光輸出。為獲得快速的反應時間，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]光網絡相比于其他類型的網絡(如銅線基網絡)具有多種優(yōu)點。例如，許多現有的銅線網絡以對于銅線技術而言接近最大可能的數據傳輸速率以及接近最大可能的距離進行操作。而另一方面，許多現有的光網絡無論是在數據傳輸速率還是在距離方面都超過了對于銅線網絡可能的最大值。也就是說，光網絡能夠以比銅線網絡可能的距離更遠、速率更快的方式可靠地傳送數據。
[0003]用于光學數據傳輸的激光器的一種類型是垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。正如其名所暗示，VCSEL具有一夾在兩個鏡疊層之間并被該兩個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)的半導體晶片上。VCSEL包括布置在半導體晶片上的底部鏡。通常，底部鏡包括多個高折射率和低折射率交替的層。當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，一部分光被反射。通過使用足夠數目的交替層，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，所述底部鏡和頂部鏡具有相反的導電類型(例如P-型鏡和η-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，而與它在物理結構中如何布置無關。當PN結被電流正向偏置時，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，被注入的少數載流子在量子阱中形成粒子數反轉，產生光增益。光增益是當在有源區(qū)中的光子激發(fā)導帶中的電子與價帶中的空穴復合產生額外光子時發(fā)生。當光增益超過兩鏡的總損失時，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)形成的一個或多個氧化物層而形成的。氧化物孔用作形成光學腔以及引導偏置電流通過所形成腔的中心區(qū)?；蛘撸墒褂闷渌侄?，如離子注入、構圖后的外延再生長、或其他光刻構圖來執(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，當電流經過PN結時，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帶到價帶的復合使得光子開始在由所述鏡所限定的激光器腔中移動。所述鏡來回反射光子。當偏置電流在由所述腔所支持的波長下足以在量子阱態(tài)之間產生粒子數反轉時，在量子阱中產生光增益。當光增益等于腔損耗時，發(fā)生激光器振蕩并且激光器被認為是處于閾值偏置，當從VCSEL的頂部發(fā)射光學相干的光子時，VCSEL開始'產生激光'。
[0008]已經確定了 VCSEL的有源區(qū)的組成可以確定激光器的功能。特別地，如果不精心準備量子阱和圍繞量子阱的勢壘層的組成，那么量子阱的元素可以互相擴散到勢壘層中并與勢壘層的元素再結合，并且勢壘層的元素可以互相擴散到量子阱中并且可以與量子阱的元素再結合。這樣的相互擴散和交叉結合會在量子阱和勢壘層之間產生對于激光器在能量上不太有利的區(qū)域。因此，設計防止元素發(fā)生這樣的相互擴散和交叉組合的有源區(qū)是有利的。
[0009]本發(fā)明要求保護的主題并不限于解決如在上面所述的那些環(huán)境中的任何缺點或僅在如上面所述的那些環(huán)境中操作的實施例。相反，提供這樣的背景僅僅是說明一項可以實踐本文所述的一些實施例的實例技術。

【發(fā)明內容】

[0010]在一個實施例中，VCSEL可以包括:一個或多個具有InGaAs的量子阱；兩個或更多個結合所述一個或多個量子阱層的、具有InGaP的量子阱勢壘；和一個或多個具有GaP、GaAsP或GaAs中一種或多種的過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間。
[0011]在一個實施例中，VCSEL可以具有:一個或多個具有IrvzGazAsyPh的量子阱；兩個或更多個結合所述一個或多個量子阱層的、具有IrvxGaxP(As)的量子阱勢壘；和一個或多個具有GaP、GaAsP或GaAs中一種或多種的過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間，在此，X表示在量子阱勢壘中的Ga的百分數并且范圍從0.77至約0.65 ；y表示在量子阱中的As的百分數并且范圍從0.9至約0.95 ;以及z表示在量子阱中的Ga的百分數并且的范圍從0.7到0.99。在一個方面，X的范圍從0.75到0.5 ;y的范圍從0.7到I ;以及z的范圍從0.7到0.99。
[0012]在一個實施例中，一個或多個量子阱具有IrvzGazAs ;—個或多個量子阱勢魚具有IiVxGaxP ;和一個或多個過渡單層具有GaAsP或GaP，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間。作為一個選擇，一個或多個過渡單層具有GaAs，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間。在一個方面，所述一個或多個過渡單層可以由GaAsP或GaP或GaAs形成，使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
[0013]在一個實施例中，所述一個或多個過渡單層可以包括InGaP或InGaAsP,是由GaP、GaAs或GaAsP中的一種或多種沉積界面單層形成，使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
[0014]在一個實施例中，所述量子阱勢壘可以被配置為抑制載流子波函數消散到量子阱勢壘中。所述抑制消散是與沒有量子阱過渡層的VCSEL相比。
[0015]在一個實施例中，所述過渡單層被配置為增加有源區(qū)的差分增益。所述增加差分增益是與沒有所述一個或多個過渡單層的VCSEL相比。
[0016]在一個實施例中，所述VCSEL可以包括在結合所述量子阱勢壘層的第一導電區(qū)和第二導電區(qū)中至少之一與所述一個或多個量子阱勢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；或相對于所述一個或多個量子阱和相關的鏡區(qū)是在第
一零點處。
[0017]在一個實施例中，一種制備VCSEL的方法可以包括:使用分子束外延(MBE)生長體結晶結構，所述結晶結構具有:一個或多個量子阱；兩個或更多個結合所述一個或多個量子阱中每一個的量子阱勢壘；和一個或多個沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間的過渡單層。
[0018]在一個實施例中，一種制備VCSEL的方法可以包括利用MBE在量子阱勢壘和量子阱之間形成一個或多個過渡單層。所述一個或多個過渡單層可以包括InGaP或InGaAsP,是由GaP、GaAs或GaAsP中的一種或多種沉積界面單層形成，使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
[0019]在一個實施例中，一種制備VCSEL的方法可以使用MBE進行:生長GaAs襯底；在GaAs襯底上生長第一鏡區(qū),所述第一鏡區(qū)包括多個具有一種或多種折射率的第一鏡層；在第一鏡區(qū)上生長第一導電區(qū)；在第一導電區(qū)上與第一鏡區(qū)相對地生長有源區(qū)，所述有源區(qū)的生長包括:(a)生長具有IrvxGaxP(As)的量子阱勢壘；(b)生長具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層；(c)生長具有IrvzGazAsyPh的量子阱層；(d)生長另一具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層；(e)重復工藝(a)至(d)，多次循環(huán)；和(f)在有源區(qū)的最后一個過渡層上生長最后的具有IrvxGaxP(As)的量子阱勢壘；在有源區(qū)上與第一導電區(qū)相對地生長第二導電區(qū)；和在第二導電區(qū)上生長第二鏡區(qū)，所述第二鏡區(qū)包括多個具有一種或多種折射率的第二鏡區(qū)。
[0020]在一個實施例中，一種VCSEL可以具有:由第一材料制備的量子阱勢壘；由第二材料制備的量子阱；和一個或多個在量子阱勢壘和量子阱之間的過渡單層。所述一個或多個過渡單層可以由所選的第三材料形成，其使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]前述和下述信息以及本公開內容的其他特征將通過下面的說明和所附權利要求書，結合附圖變得更加清楚。應理解的是，這些附圖僅示出根據本公開內容的幾個實施例，并且不應被認為限制其范圍，通過使用附圖將描述本公開內容的其他特異性和細節(jié)，在附圖中:
[0022]圖1是示意性的VCSEL操作環(huán)境的實施例；
[0023]圖2是示意性的VCSEL層疊型半導體操作環(huán)境的實施例；
[0024]圖3是示出具有Inl-xGaxAsyPl-y的組成的穩(wěn)定單相極限(binodial)等溫線的圖表；
[0025]圖4是示意性的VCSEL的半導體層的實施例；
[0026]圖5A-5C是示意性的VCSEL的有源區(qū)的不同實施例；
[0027]圖6是示意性的VCSEL的有源區(qū)的實施例；
[0028]圖7是示意性的VCSEL的有源區(qū)的實施例；
[0029]圖8是制造VCSEL的方法的實施例的流程圖；
[0030]圖9是制造VCSEL的方法的實施例的流程圖；
[0031]圖10是制造VCSEL的方法的實施例的流程圖；
[0032]圖11A-11B包括示出VCSEL的實施例的波函數生長方向相對于能帶邊緣(EV)的圖；
[0033]圖12包括示出VCSEL的實施例的態(tài)密度圖；
[0034]圖13包括示出VCSEL的實施例的波長增益圖；和
[0035]圖14包括示出VCSEL的空穴費米能級圖；
[0036]所有這些都是根據本文所述的至少一個實施例進行設置，本領域的普通技術人員可根據本文提供的公開內容對所述設置進行修改。
【具體實施方式】
[0037]將參照附圖進行下面的詳細描述，這些附圖構成本發(fā)明的一部分。在附圖中，除非上下文另有規(guī)定，否則相似的符號通常表示相似的組件。在詳細描述中記載的說明性實施例、附圖以及權利要求書都并不意味著進行限制。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容的各方面都可以按各種不同的配置進行設置、替代、組合、分離和設計，所有這些都明確地被本文所考慮。
[0038]本發(fā)明的半導體裝置可以由任何類型的半導體制造。合適的材料的實例包括II1-V族半導體材料(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)))以及任選的一些IV族材料來制備。
[0039]半導體裝置可以包括具有一個或多個量子阱以及一個或多個量子阱勢壘的有源區(qū)。量子阱和量子阱勢壘可以被設在它們之間的一個或多個過渡層分開。由于過渡層位于量子阱和量子阱勢壘之間的界面處，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πι-v族化合物的情況下，所述具有高能量帶隙的區(qū)域轉變?yōu)楦咪X含量(例如，對于III族材料為70%-100%的Al)?？梢赃x擇鋁含量以使所述材料具有比有源區(qū)的量子阱勢壘中的帶隙相對寬的帶隙。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。在示例性實施例中，高鋁區(qū)域還可以包括摻雜的增加。根據限制阻礙是在有源區(qū)的η-側或是P-側，限制層可以摻入P-型或η-型摻雜物。
[0040]量子講可以包括InGaAsP量子講和InGaP量子講勢魚，在量子講和量子講勢魚之間有GaP、GaAs或GaAsP過渡層。圖3包括示出可以用于本發(fā)明的VCSEL的量子阱、量子阱勢壘和過渡層的組合圖。在此，過渡層在所示區(qū)域內可以具有在所限定范圍內的任何組合，并且在一個例子中可以包括從量子阱到量子阱勢壘的漸變的(ramp)組成改變。
[0041]為了本發(fā)明的目的，在InGaP或具有In和Ga的其他體系中的銦(In)和鎵(Ga)的含量是指在InGa組分中的In或Ga的百分數。此外，為了本發(fā)明的目的，在InGaAsP或具有As和P的其他體系中的砷(As)和磷⑵的含量是指在AsP組分中的As或P的百分數。當在元素通式中As或P是出現在括號內時,例如(As)或(P),它表示該元素以少量或痕量存在。少量將小于5%或小于1%。
[0042]在一個實施例中，有源區(qū)可以包括Inl-xGaxP量子阱勢壘層，其中X表示在量子阱勢壘中的第III族Ga的摩爾分數，其可以在從約0.75至約0.50的范圍，或約0.72至約
0.60,或約0.71至約0.65，或約0.70，并且其中l(wèi)_x表示在量子阱勢壘中的第III族In的摩爾分數，其可以在從約0.25至約0.60的范圍，或約0.27至約0.50，或約0.28至約0.40，或約0.32。在一個例子中，InGaP量子阱勢壘可以具有約0.32-0.35的In或32-55%的In。如本文所使用，摩爾分數表示使用的百分比，其中摩爾分數可以乘以100從而得到百分比。
[0043]在一個實施例中,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的百分數，其可以在從約0.7至約0.99的范圍，或約0.7至約0.98，或約0.7至約0.9，或約0.8，并且其中Ι-z表示在量子阱中的In的百分數，其可以在從約0.3至約0.01的范圍，或約0.3至約0.02，或約0.3至約0.1，或約0.5。
[0044]在一個實施例中,有源區(qū)可以包括Inl-zGazAsyPl-y量子講,其中z表示在量子講中的III族Ga的摩爾分數，其可以在從約0.7至約0.99的范圍，或約0.7至約0.98，或約
0.7至約0.9，或約0.8，并且y表示在量子阱中的V族As的摩爾分數，其可以在從約0.6至約I的范圍，或約0.6至0.98，或約0.8至約0.95。
[0045]在一個實施例中，有源區(qū)可以包括在每個量子阱和量子阱勢壘之間的GaP過渡層。在一個方面，GaP過渡層沒有In。在另一個方面，過渡層可以沒有As。在另一個方面中，過渡層可以是純的GaP。
[0046]在一個實施例中，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As中之一,或者沒有In,或者沒有As,或者沒有In和As。例如,過渡層可以是GaAsP或GaAs,或者是GaAsP和GaAs。對于過渡層GaAswPl_w, w可以是從O至約I的范圍，或約0.25至約0.75，或約0.4至約0.6，或約0.5。
[0047]人們已經發(fā)現,可在InGaP-1nGaAs (P)的界面處發(fā)生分解,使得As和In配對并且Ga和P配對，從而創(chuàng)建使材料接近InAs的界面，這會顯著降低界面處的帶隙。作為具有InGaAs(P)的量子阱和具有InGaP的量子阱勢壘之間的過渡層的理想選擇是在界面處沒有In和As兩者的材料。過渡層可以包括一個或多個GaP單層，由于Ga已經與P配對并且在過渡單層中沒有In，因此GaP單層可以抑制As與In配對?；蛘撸诰哂斜菼nGaAs(P)更寬的帶隙的GaP的中間材料，并且該中間材料沒有In或As之一時可以用作過渡單層。此夕卜，具有GaAsP或者甚至GaAs的過渡單層是合理的。[0048]在一個實施例中，有源區(qū)可以包括一個或多個InGaP(As)勢壘層，每層具有低的As或沒有As，以及從約25%至約50%的III族成分In，最佳為約30%的III族成分。有源區(qū)可以包括一個或多個InGaAs量子講，阱的In百分數可以較低，例如為約12%。此外，該阱可具有高的As。此外，該阱可以是低P的阱。
[0049]在量子阱和量子阱勢壘之間的界面處沒有過渡層，那么可以存在中間組成，該中間組成是不混溶的，然后分解成可混溶的組成。這種分解導致3-D生長和粗糙的界面，以及高、低帶隙材料的混合物。眾所周知的是InGaAsP中存在很大的混溶隙，該混溶隙外部發(fā)生成分分解。圖 3 (從 Stringfellow(Stringfellow ;Immiscibility and SpinodalDecomposition In III/V alloys ;Journal of Crystal Growth ;65 (1983) 454-462 ;引入本文作為參考)復制)示出了這種現象圖。在大致呈圓形的區(qū)域里的材料趨向于分離成圓形區(qū)域以外的材料。圖上示出了量子阱和量子阱勢壘之間的中間組成。這些組成與混溶隙重疊，結果As與In配對并且在量子阱和量子阱勢壘之間的界面處形成低帶隙材料，這是不期望的。此外，Ga趨向于與P配對，這也是不希望的，因為它會使得In和As締合并形成在混溶隙外部的材料。分離也往往導致界面變得粗糙，因為它是材料的實際運動。組成可以變化，如在圖3中示出。
[0050]在過渡層中使用過渡材料避免了混溶隙，所述過渡材料具有與量子阱的材料和量子阱勢壘的材料都不混溶的中間材料，如GaP、GaAs或者GaAsP的多種組成。過渡層可以是能夠包括其他元素并且仍然提供本文所述的改進。例如，過渡層可以包括1、2、3、4、5或高達9或10個所述材料單層，以防止量子阱和量子阱勢壘之間的相互擴散和交叉反應。
[0051]在一個實施例中，可以通過分子束外延(MBE)來順序制備半導體材料的勢壘層、過渡層和量子阱。InGaP和InGaAs (P)之間的界面由于元素在界面處的相互作用以及彼此締合的方式而會非常難于制造。V族元素彼此互相擴散，因此，存在著一個所有的III族材料與所有的V族元素相互作用的區(qū)域，這是在能量上不利的區(qū)域。As可被攜帶到下一層，并且As對InGaAs (P)具有記憶效應，特別是當在MOCVD反應器中形成所述層時。In和Ga可以交換位置，使得In可以與As相鄰并且Ga可以與P相鄰以引起交叉相互作用交換反應。這產生了在VCSEL環(huán)境中不利的低帶隙界面層。此外，In可以分離到界面的表面，尤其是在含有In的壓縮層中，例如量子阱。所有這些因素使得非常難以制造薄的InGaP-1nGaAs阱。
[0052]人們已經發(fā)現，使用在量子阱和勢壘層之間保護性地制備的過渡層可以通過抑制V族元素的相互擴散和In-Ga交換來改善VCSEL功能。量子阱和量子阱勢壘之間的界面可以包括與阱相鄰的、采用分子晶格層形式的GaP界面層(即，界面單層)，使得界面層(例如，過渡層)在勢壘和量子阱之間。在InGaP量子阱勢壘和InGaAs量子阱層的界面處的GaP層大幅降低了相互擴散效應。雖然仍然會發(fā)生相互擴散，但結果是GaP層轉變?yōu)镮nGaAsP層,該InGaAsP層比不沉積GaP界面層時本應在界面處的帶隙更寬。此外，也可使用GaAsP界面層。
[0053]增加一個或多個GaP、GaAs或GaAsP的分子單層以在量子阱和量子阱勢壘的界面處提供過渡層可以大幅降低交叉相互作用交換反應。
[0054]在一個實施例中，VCSEL的有源區(qū)或整個半導體層可以用分子束外延(MBE)制備?，F在可以將在MBE期間的較低生長溫度用于制備在量子阱和量子阱的勢壘層之間具有過渡層的VCSEL半導體層。較低的生長溫度以及對V族材料具有較少記憶效應的反應器可以降低交叉相互作用效應。已經發(fā)現MBE顯著優(yōu)于MOCVD。通過MBE生長這些結構可以在< (小于)500°C進行。相比較而言，MOCVD的溫度會> (大于)600°C，而且通常更熱，這將導致嚴重的相互擴散，并增強Ga-1n交換反應。此外，在MOCVD中，砷化氫和砷粘結到許多表面上，而且會使得直接從InGaAs到InGaP的突變(abrupt transition)很困難。MBE具有砷記憶效應，但它本質上只在生長晶片的表面。當擋板關閉并且砷閥也關閉時，源也沒有了。因此，制備在量子阱和量子阱勢壘之間具有過渡層的有源區(qū)的益處可以包括:利用在降低V族相互擴散的足夠低的溫度下的MBE形成所述有源區(qū)，In-Ga交換反應減少；并且由于低的砷記憶效應使得突變更容易，所以形成突變。
[0055]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 (金屬有機物MBE)或可以按照上述在量子阱和量子阱勢壘之間產生過渡層的的類似方法。
[0056]現在將針對于VCSEL描述本發(fā)明的各個方面。然而，本領域技術人員將認識到，本發(fā)明的特征可以合并到其他具有有源區(qū)的發(fā)光半導體裝置中。
[0057]圖1示出平面的、電流導向的VCSEL100，其具有用于頂部(124)和底部(116)鏡的周期層對。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(例如，P型或η型摻雜質)。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層或層類型。
[0058]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?？梢允褂靡阎幕驗閂CSEL裝置開發(fā)的其他隔離區(qū)。
[0059]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η型或P型，這取決于特定的VCSEL設計。然而，也可使用其他類型的VCSEL鏡。
[0060]金屬接觸層112和126可以是允許VCSEL100的適當電偏置的歐姆接觸。當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，有源區(qū)122發(fā)光136，光穿過上部鏡層疊124。本領域技術人員將認識到，可使用其他配置的接觸來在整個有源區(qū)122產生電壓并產生光136，如圖4中所示。
[0061]圖2示出有源區(qū)122和限制層118和120。有源區(qū)122是由被量子阱勢壘140分開的一個或多個量子阱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量子阱138和量子阱勢壘140之間的過渡層，其中在量子阱138和量子阱勢壘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。
[0062]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構。
[0063]根據VCSEL裝置的設計和高鋁含量區(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的峰的中心。
[0064]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體材料形成，例如GaAs> AlAs> InP、AlGaAs、InGaAs> InAlAs、InGaP、AlGaAsP、AlGalnP、InGaAsP> InAlGaAs>SiGe 等。
[0065]在一個例子中，下電子限制層是AllnP。在另一個例子中，上電子限制層可以是AlInGaP0
[0066]圖4包括VCSEL的實施例的一部分400的示意圖。VCSEL400可以包括結晶襯底420,第一鏡區(qū)416,第一導電區(qū)414,與第一導電區(qū)414相關聯的接觸428,有源區(qū)412,氧化物層422，第二導電區(qū)410，第二鏡區(qū)418，接觸424，以及以可操作的VCSEL形式設置的激光器輸出孔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域的標準或者為VCSEL開發(fā)的方法來制備。
[0067]對VSEL400的以下描述可以作為例子使用，然而可以應用本領域中已知的改變。結晶襯底420可以是GaAs。位于GaAs襯底上的第一鏡區(qū)416可以具有多個第一鏡層,所述多個第一鏡層具有一種或多種折射率。第一導電區(qū)414可以可操作地耦合到有源區(qū)412。接觸428可以與第一導電區(qū)414相關聯，以便在有源區(qū)412充入電流時提供用于電子的路徑。正如本文中更詳細地描述，有源區(qū)412可以包括由一個或多個量子阱勢壘層結合的一個或多個量子阱，每個量子阱和量子阱勢壘之間有過渡層。氧化物層422可以是任何保護性氧化物，例如二氧化硅；然而，也可以使用保護性氮化物或碳化物。第二導電區(qū)410可以可操作地耦合有源區(qū)412。第二鏡區(qū)418可以位于第二導電層上并與有源區(qū)相對，第二鏡區(qū)具有多個第二鏡層，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可以設置為可操作的VCSEL形式。
[0068]圖5A包括VCSEL的有源區(qū)500a的至少一部分的實施例的示意性表示。有源區(qū)500a示出為順序包括:第一量子阱勢壘(QW勢壘)510，過渡層511，第一量子阱(QW) 512，過渡層511，然后是第二 QW勢壘514。如圖所示，有源區(qū)500a是本發(fā)明VCSEL的有源區(qū)的最小單位，因為只有一個量子阱512被兩個量子阱勢壘510，514結合，在量子阱512和量子阱勢壘510，514之間具有過渡層511。
[0069]圖5B包括VCSEL的有源區(qū)500b的實施例的示意性表示。如圖所示，有源區(qū)500b可以包括第一量子阱勢壘(QW勢壘)510，第一量子阱(QW) 512，第二 QW勢壘514，第二 QW516，第三QW勢壘518，第三QW520和第四QW勢壘522，在QW和QW勢壘之間有過渡層511。有源區(qū)500b可以設置為可操作的VCSEL形式。
[0070]圖5C包括VCSEL的有源區(qū)550的實施例的示意性表示。有源區(qū)550示出為按順序包括:第一量子阱勢壘(QW勢壘)560,過渡層561，第一量子阱(QW) 562，過渡層511，以此類推重復直到“第N” Qff勢壘564，過渡層561，“第N” QW566，過渡層561，然后“N+1 ” QW勢壘558。在此，N可以是任何合理的數，如從I到20，或從5至15或10至13，或約12。在這個例子中，量子阱、量子阱勢壘、過渡層都包括本文所描述的任何材料。
[0071]圖6包括VCSEL的有源區(qū)600的實施例的示意性表示。有源區(qū)600示出為順序包括:第一 Inl-xGaxP量子阱勢壘(QW勢壘)610，GaP過渡層611，第一 Inl-zGazAs量子阱(Qff) 612, GaP過渡層611，并以此類推重復，直至“第N”Inl_xGaxP QW勢壘614，GaP過渡層611，“第 N” Inl-zGazAs QW616，GaP 過渡層 611，然后是“N+l” Inl-xGaxP QW 勢壘 618。在此，N可以是任何合理的數，如從I到20，或從5至15或10至13，或約12。
[0072]圖7包括VCSEL的有源區(qū)700的實施例的示意性表示。有源區(qū)700示出為順序包括:第一 Inl-xGaxP (As)量子講勢魚(Qff勢魚)710, GaAswP1-w過渡層711,第一 Inl-zGazAsyPl-y量子阱(QW) 712，GaAswP I 過渡層711，以此類推，直至“第N”Inl-xGaxP(As)QW 勢壘 714，GaAswPli 過渡層 711，“第 N” Inl-zGazAsyPl-y QW716,GaAswP1-w過渡層711，然后“N+1” Inl-xGaxP(As)QW勢壘718。在此，N可以是任何合適的數，如從I到20，或從5至15或10至13，或約12。
[0073]圖8是制造具有本文所述功能的有源區(qū)的VCSEL的方法的實施例的工藝800的流程圖。所述工藝可以包括:(I)生長第一導電區(qū)(方框810)，(2)生長一個或多個量子阱層(方框820)和生長一個或多個量子阱勢壘，以使所述量子阱勢壘可操作地耦合各量子阱層(方框830)，和在每個量子阱和量子阱勢壘之間生長一個或多個過渡層。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壘接觸時更高的帶隙比(方框825)。工藝800可以包括在有源區(qū)上生長第二導電區(qū)(方框840)。工藝800概括性地示出有源區(qū)的生長，所述有源區(qū)具有量子阱(方框820)，量子阱勢壘(方框830)，以及量子阱和量子阱勢壘之間的過渡層(方框825)。如此，該工藝可以包括:形成量子阱勢壘(方框830)，形成過渡層(方框825)，形成量子阱(方框820)，形成過渡層(方框825)，然后形成量子阱勢壘(方框830)。形成最后一個量子阱勢壘(方框830)以后，可以形成第二導電區(qū)(方框840)。
[0074]圖9是制造VCSEL的方法的實施例的另一工藝900的流程圖。所述工藝可以包括生長具有多個第一鏡層的第一鏡區(qū)，所述多個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)上生長第一導電區(qū)(方框920)。然后在第一導電區(qū)上生長第一量子阱勢壘(方框930)。隨后，在第一量子阱勢壘上生長一個或多個過渡單層(方框935)，此后在一個或多個過渡單層上生長第一量子講層(方框940),然后在第一量子講層上生長一個或多個過渡單層(方框945)，此后在一個或多個過渡單層上生長第二量子阱勢壘(方框950)。工藝900還可以包括在最后一個量子阱勢壘層上生長第二導電區(qū)(方框960)，然后生長具有多個第二鏡層的第二鏡區(qū)，所述多個第二鏡層具有一種或多種折射率(方框970)。
[0075]圖10是制造VCSEL的方法的另一實施例的工藝1000的流程圖。所述工藝可以包括:生長襯底(方框1010)，生長具有多個第一鏡層的第一鏡區(qū)，所述多個第一鏡層具有一種或多種折射率(方框1020),在第一鏡區(qū)上生長第一導電區(qū)(方框1030), (a)在第一導電區(qū)上生長具有GaP的第一量子阱勢壘(方框1040)，(b)生長過渡層(方框1045)，(c)在第一量子阱勢壘上生長第一量子阱層(方框1050)，(d)生長過渡層(1055)，(e)重復方法(a)-(d)多個循環(huán)(方框1060)，例如“N”個循環(huán)，生長“N+1”量子阱勢壘(方框1062)?？梢栽谟性磪^(qū)上生長第二導電區(qū)(方框1070)并且可以在第二導電區(qū)上生長具有多個第二鏡層的第二鏡區(qū)，所述多個第二鏡層具有一種或多種折射率(方框1080)。
[0076]在一個實施例中，有源區(qū)可以配置為包括一個或多個以下特征:低P的薄量子阱；量子阱周圍的GaP量子阱過渡層；薄的GaP量子阱過渡層；可拉伸的量子阱勢壘；具有約32%的In的InGaP量子阱勢壘；具有小于或約10%的P，以及任選地無P的InGaAs(P);或碳摻雜AlGaAs以調節(jié)摻雜AlInGaP p型注入層。當以公式(As)或(P)表示層時，指定As或P是該層中任選的或者P是以低量存在。[0077]在一個實施例中，可以通過調節(jié)量子阱和量子阱勢壘來配置VCSEL，使得對于任何電子或空穴載流子的基本波函數的空間范圍是其他載流子的85%或更小，這增強了矩陣元。這可以通過InGaP勢壘和InGaAs(P)阱實現。此外，這可以通過使一個阱的物理尺寸小于其他阱而實現。例如在常見量子阱和量子阱勢壘之間的邊界處使用Sb會相對于電子阱擴大空穴阱。在阱中使用Sb作為補充，使得電子阱更淺，相對于空穴減小了其限制，從而允許相對于一些空穴的更廣泛的波函數傳播。載流子波函數相對的空間范圍百分比可以是小于或約70，或小于或約55%。
[0078]這種調節(jié)可以通過在量子阱和量子阱勢壘之間的邊界處使用過渡層或者通過明智地量子阱和勢壘材料和尺寸而獲得。預期矩陣元的增強是有益于所有半導體層以及所有使用量子阱進行光交互作用的裝置如電吸收調制器。
[0079]在一個實施例中，InGaP量子阱勢壘和InGaAs(P)量子阱可以是基本上不含Al。由于Al化合物生長的相關問題，降低Al可以提高可靠性。
[0080]在一個實施例中，量子阱兩側上的量子阱勢壘的厚度可以從約40A至約100A或約45A至約75A，或約50A至約60A或約55A。相對薄通過減小擴散長度并增加在量子阱的少數載流子群，提高了增益飽和。相對薄也可以增加利用隧道通過量子阱的載流子輸運。在一個實施例中，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55A。結合有源區(qū)的外量子阱勢壘的厚度可以是100A至約140，或約IlOA至約130A，或約120A至約125A，或約130A。
[0081]在一個實施例中，量子阱可以基本上沒有P。在這些量子阱中P的減少可以提高VCSEL速度。
[0082]在一個實施例中，VCSEL可以沒有Be而生長。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]在一個實施例中，VCSEL可以包括雙氧化物層，以減少電容在兩個氧化物層，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、第二導電區(qū)410和第二鏡區(qū)418。
[0084]在一個實施例中，VCSEL包括以高遷移率材料在零點(null)處具有重摻雜的大量周期性摻雜。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壘相鄰開始，第一氧化物在第一零點處。
[0085]為了提高速度以及調節(jié)波長，將不同數量的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。這造成能量能級的凹陷，導致更長的波長，從而使阱變窄。由此產生的波函數可以以其高密度的狀態(tài)穿透到量子阱勢壘中。為了彌補這一點，生長勢壘以提供最大的導電能帶偏移，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而不會顯著滲透到勢壘中。
[0086]InGaP可以用作量子阱勢壘，因為它相比于其他勢壘材料具有優(yōu)良的光學特性。InGaP量子阱勢壘可以晶格匹配GaAs過渡層，在價帶中具有良好的能帶偏移，但是，它在導帶中可能會很低。低的能帶偏移可以通過在勢魚層中使用拉伸應變的InGaP來改善,其中In組成為約32%。這在導帶和價帶兩者中提供了接近0.35eV的能帶偏移并且InGaP對于導帶的態(tài)密度低，在價帶中波函數到勢壘層的滲透低。[0087]此外，會在深阱中發(fā)生通過有源區(qū)從一個阱到另一個阱的不佳傳輸?？梢酝ㄟ^使勢壘薄到足以用于基本貫穿隧道來緩解不佳的傳輸。
[0088]使用這些原理設計的量子阱的例子示出于圖11A-11B的波函數的模擬圖像中。應指出的是，顯示的η = I的電子波函數比空穴波函數更廣地傳播出去。這得到了矩陣元的增強。圖1lA示出了 InGaP-1nGaAs有源區(qū)。圖1lB示出了具有40%的AlGaAs量子阱勢壘的InGaP-1nGaAs有源區(qū)。如果與具有相同的InGaAs阱的40%的AlGaAs勢壘(圖11Β)相t匕，觀察到相似的效果，只是波函數延伸到較差的勢壘材料，由于勢壘材料以及波函數延伸到勢壘材料中，造成量子阱的態(tài)密度的副作用。這表明在結合有更深阱的InGaP中的較低的空穴有效質量。盡管較低的空穴有效質量會導致向勢壘中的更大滲透，但對此進行的增加的阱深度的補償減少了滲透，使在勢壘中的空穴有效質量、整體的有效質量，及因此在第一能級觀察到的價帶中的態(tài)密度都很低。導帶具有相似的態(tài)密度，降低的態(tài)密度顯著提高增益/差分增益。圖1lA和圖1lB的有源區(qū)都可用于本發(fā)明。
[0089]更深的量子阱深度給出了對于InGaP-1nGaAs量子阱的最大的性能優(yōu)勢。如果AlGaAs-1nGaAs阱的增益譜被調整為大致匹配InGaP-1nGaAs阱的增益譜，那么使用約7%的In (相比于12%的In)，并且價帶態(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)。
[0090]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。當增益或差分增益降低時，透明度增加。另外在阱中的載流子濃度也增加，增益最終達到飽和。鏡損耗可以足夠低至使裝置在高差分增益區(qū)(例如，曲線之間的大間隔)工作。
[0091]弛豫入阱可以通過使用窄的有源區(qū)來增強。阱的數量可以減少到一個阱(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)，以致光子壽命會使設備減速。取而代之，優(yōu)選的是使量子阱勢壘的尺寸最小，如本文所描述的尺寸。這也增強了阱間的隧道傳輸，這由于狀態(tài)反正都被耦合，從而降低了有效擴散時間。
[0092]圖14包括VCSEL的實施例的空穴費米能級圖。如圖所示，VCSEL具有含約33%的In的厚度為40A的InGaP勢壘。InGaAs量子阱具有約12.5%的In，厚度為43A。該圖還示出在有源區(qū)下方的下電子限制層，和AlInGaP的上電子限制層。最后，存在具有6el8摻雜的 AlGaAs 區(qū)。
[0093]表I提供了 VCSEL的例子。在表I中，示出的量子阱是薄的。此外，GaP過渡層通過從量子阱和量子阱勢壘的相互擴散可以變成InGaAsP。計算系統(tǒng)可以由計算機可執(zhí)行指令編程以沉積層，如表I所述。
[0094]在一個實施例中，VCSEL可以包括=GaAs襯底，在GaAs襯底上并具有多個第一鏡層的第一鏡區(qū)，所述多個第一鏡層具有一種或多種折射率；位于第一鏡區(qū)上的第一導電區(qū)；以及位于第一導電區(qū)上與第一鏡區(qū)相對的有源區(qū)。有源區(qū)可以包括:一個或多個量子阱層；一個或多個量子阱勢壘；以及一個或多個具有GaP的過渡單層(例如，界面)，所述過渡單層沉積在量子阱層和量子阱勢壘之間。第二導電區(qū)可以位于有源區(qū)上與第一導電區(qū)相對。第二鏡區(qū)可以位于第二導電層上與有源區(qū)相對，第二鏡區(qū)可以具有多個第二鏡層，所述多個第二鏡層具有一種或多種折射率。
[0095]在一個實施例中，每個量子講和量子講勢魚可以被具有GaP、GaAs和/或GaAsP的一個或多個過渡單層所分開。
[0096]在一個實施例中，有源區(qū)包括在量子阱和量子阱勢壘之間的一個或多個過渡單層，所述一個或多個過渡單層由所選的第三材料形成，其使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
[0097]在一個實施例中，有源區(qū)可以包括:從InGaP制備的量子阱勢壘；從基本上沒有P的InGaAs制備的量子阱；和在量子阱的勢壘和量子阱之間的一個或多個過渡單層。所述一個或多個過渡單層可以由GaAsP或GaP或GaAs形成，使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
[0098]在一個實施例中，與一個或多個量子阱勢壘相比，量子阱層可以具有低P。此外，和一個或多個量子阱層相比，量子阱勢壘可以具有低Al。
[0099]在一個實施例中，VCSEL可以包括在有源區(qū)外部的一個或多個電子限制層。任選地，VCSEL可以包括將有源區(qū)夾在中間的上電子限制層和下電子限制層。電子限制層可以包括 AlInGaP 或 AlGaAs。
[0100]在一個實施例中，一個或多個量子講具有AlGaAs-1nGaAs。
[0101]在一個實施例中，一個或多個量子阱勢壘可以另外包括Al。Al可以以痕量存在于所述一個或多個量子阱勢壘中。Al可以以在量子阱勢壘的晶格結構中足夠低至可忽略不計的量存在于一個或多個量子阱勢壘中。另一方面，量子阱勢壘可以基本上沒有Al。在此，Al是以小于或約1%的Al、小于或約0.1%的Al，小于或約0.01%的Al，小于或約0.001%的Al，或者小于或約0.0001%的Al的痕量存在于量子阱層和/或量子阱勢壘中。
[0102]在一個實施例中，有源區(qū)可以包括:從AlInGaP制備的量子阱勢魚，從InGaAsP制備的基本上沒有P的量子阱，以及在量子阱的勢壘和量子阱之間的一個或多個過渡單層，所述一個或多個過渡單層由GaAs或GaAsP形成，使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
[0103]在一個實施例中，所述一個或多個過渡單層可以包括從一個或多個沉積的GaP或GaAsP過渡單層的形成的InGaP或InGaAsP，使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
[0104]在一個實施例中，有源區(qū)可以包括:從InGaP制備的量子阱勢壘，從InGaAs制備的基本上沒有P的量子阱，和在量子阱的勢壘和量子阱之間的一個或多個過渡單層，所述一個或多個過渡單層包括從一個或多個沉積的GaP或GaAsP過渡單層的形成的InGaP或InGaAsP,使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
[0105]在一個實施例中，有源區(qū)可以包括可拉伸應變的量子阱勢壘。
[0106]在一個實施例中，有源區(qū)可以包括在量子阱的勢壘和量子阱之間的一個或多個過渡單層。所述一個或多個過渡單層可以由所選的第三材料形成，其使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
[0107]在一個實施例中，第一導電區(qū)或第二導電區(qū)被配置為注入區(qū)。所述注入區(qū)被配置為將電子載流子或空穴注入到所述一個或多個量子阱層中。注入區(qū)可以包括在P型注入層的約85%至約100%的AlGaAs。在一個選擇中，注入區(qū)可以包括在與AlInGaP層相鄰的p型注入層中的AlGaAs?；蛘?，注入區(qū)包括AlInGaP。在又另一種選擇中，注入區(qū)可以包括碳摻雜的AlGaAs，例如其量足以調節(jié)P型注入層中的摻雜AlInGaP。
[0108]在一個實施例中，所述一個或多個量子阱的邊界在一個或多個量子阱的一個或多個界面處包括一個或多個GaP、GaAs和/或GaAsP界面層，其中所述GaP、GaAs和/或GaAsP界面層以足以抑制低間隙過渡層形成的量存在。
[0109]在一個實施例中，有源區(qū)在量子阱層和量子阱勢壘之間沒有低隙過渡層。
[0110]在一個實施例中，有源區(qū)被配置使得用于電子載流子或空穴載流子的基本波函數的空間范圍相比于其他載流子的基本波函數為約85%、70%、55%或更小。在此，用于一個載流子的基本波函數充分小于其他載流子的基本波函數，從而增強矩陣元。
[0111]在一個實施例中，量子阱P的含量為小于或約20%、10%、5%、1%、0.1%。在另一個實施例中，量子阱勢壘As的含量為小于或約20%、10%、5%、1%、0.1%。
[0112]在一個實施例中，量子阱勢壘被配置為限制有源區(qū)的載流子。在另一個實施例中，量子阱勢壘被配置為抑制載流子波函數消散到量子阱勢壘中。在此，抑制消散是與在量子阱和量子阱勢壘之間沒有過渡層的VCSEL相比。例如，所述一個或多個過渡單層配置為增加有源區(qū)的差分增益，其中，所述差分增益增加是與沒有所述一個或多個過渡單層的VCSEL相比。
[0113]在一個實施例中，VCSEL半導體可以包括配置為減小電容的雙氧化物。此外，VCSEL可以在相對于所述一個或多個量子阱和相關的鏡區(qū)的第一零點處包括氧化物層。
[0114]本領域技術人員將會理解，對于在此所述的工藝和方法以及其他工藝和方法，在所述工藝和方法中執(zhí)行的功能可能會以不同的順序執(zhí)行。此外，所概述的步驟和操作僅作為例子提供，并且在不損害所公開的實施例的本質的情況下，一些步驟和操作可以是任選的、組合成更少的步驟和操作，或擴展為額外的步驟和操作。
[0115]本發(fā)明的內容并不限于在本申請中描述的特定實施例，這些特定實施例旨在說明各個方面。對于本領域技術人員而言顯而易見的是，可以進行許多修改和變化而不脫離它的精神和范圍。除了本文所列舉的那些方法和設備以外，在本公開內容范圍內的功能等效物通過前面的描述對于本領域的技術人員也是顯而易見的。這種修改和變化旨在落入所附權利要求書的范圍內。本公開內容僅由所附權利要求書來限定，同時這些權利要求的等同物的全部范圍也被賦予限定作用。應當理解的是，本公開內容并不限于特定的方法、試劑、化合物和組合物或生物體系，它必然也可以發(fā)生變化。也應當理解的是，本文使用的術語僅是用于描述特定實施例的目的，并且不旨在進行限制。
[0116]本文所述的主題有時描述了包含在不同的組件中，或與不同的組件相連接的其他不同組件。應當理解的是，這樣的描述架構僅僅是示例性的，實際上可以實施許多其他的體系結構來實現相同的功能。概念上講，為了實現相同的功能的任何的組件配置都被有效地“關聯”，從而實現所需的功能。因此，本文中相結合以實現特定功能的任意兩個組件都可以被視為彼此“相關聯”從而實現所期望的功能，而與架構或中間組件無關。同樣，如此相關聯的任何兩個組件也可以被視為是彼此“可操作地連接的”或“可操作地耦合的”，以實現期望的功能，并且能夠被如此相關聯的任何兩個組件也可以被視為是彼此“能夠可操作地耦合的”，以實現期望的功能。能夠可操作地耦合的具體例子包括但不限于物理上可匹配的和/或物理上相互作用的組件和/或能夠無線相互作用的和/或無線相互作用的組件和/或邏輯相互作用和/或能夠邏輯上相互作用的組件。
[0117]對于本文使用的基本上任何復數和/或單數術語，只要適于上下文和/或應用，那么本領域的技術人員可以將單個翻譯為多個和/或將多個翻譯為單個。為了清楚起見，本文各種可明文列出單數/復數排列。
[0118]本領域技術人員應理解的是，一般情況下，本文所用的術語，特別是在所附權利要求書(例如，在所附權利要求的主體)中所用的術語通常旨在為“開放式”術語(例如，術語“包括”應該被解釋為“包括但不限于”，術語“具有”應解釋為“至少具有”，術語“包括”應解釋為“包括但不限于”等)。本領域人員還應當理解，如果意圖在于在提出的權利要求被提及物(recitation)的具體數值，這樣的意圖將在權利要求中明確地被提及，并且在缺少這樣的提及時不存在這樣的意圖。例如，為了幫助理解，下文附帶的權利要求可以包含使用引入性的短語“至少一種”和“一種或多種”，以引出權利要求被提及物。然而，使用這樣的短語不應被解釋為暗示著借助不定冠詞“一(a)”或“一(an)”引出的權利要求被提及物將任何含有這樣引出的權利要求被提及物的特定的權利要求限制于那些含有僅僅一種這樣的被提及物的實施方案，即使當同一的權利要求包含引入性的短語“一種或多種”或“至少一種”以及不定冠詞如“一(a)”或“一(an)”的時候(例如，“一(a)”和/或“一(an)”應當被解釋為表示“至少一種”或“一種或多種”)；對于用于引出權利要求被提及物的定冠詞的使用也同樣適用。此外，即使明確提及了提出的權利要求被提及物的具體的數值，本領域技術人員將認識到，這種被提及物應被解釋為至少表示所提及的數值(例如，無修飾的被提及物“兩個被提及物”，沒有其它修飾語，表示至少兩個被提及物或兩個以上被提及物)。此夕卜，當使用類似于“A、B和C等中的至少一種”的慣例的情況下，通常這樣一種句式意圖在于本領域技術人員將理解所述慣例(例如，“具有A、B和C中的至少一種的體系將包括但不限于:單獨具有A，單獨具有B，單獨具有C，具有A和B，具有A和C，具有B和C，和/或具有A、B和C的體系等)。當使用類似于“A、B或C等的至少一種”的慣例的情況下，通常這樣一種句式意圖在于本領域技術人員將理解所述慣例(例如，“具有A、B或C的至少一種的體系”將包括但不限于:單獨具有A，單獨具有B，單獨具有C，具有A和B，具有A和C，具有B和C，和/或具有A、B和C的體系等)。本領域人員還將理解，實際上任何表述兩個以上選擇性的術語的分離性的單詞和/或短語，無論是在說明書中、權利要求中還是附圖中，都應被理解為企圖設想如下的可能性:包括術語之一、包括術語中任一、或同時包括兩術語。例如，短語“A或B”將被理解為包括可能性“A”或“B”或“A和B”。
[0119]此外，當按照馬庫什群組描述本公開內容的特征或方面時，本領域技術人員將認識到，該公開內容也因此描述了馬庫什群組的成員的子群組或任何單獨的成員。
[0120]本領域技術人員將理解，對于任何和所有目的，例如在提供書面描述方面，在此公開的所有范圍也包括任何和所有可能的子范圍以及其子范圍的組合。任何列舉的范圍可以簡單地被認作充足的描述以及使得該范圍能夠至少被分成二等份、三等份、四等份、五等份、十等份等。作為非限定性實例，本文討論的任何范圍可以容易地分成下三分之一、中三分之一和上三分之一等。如本領域的技術人員也可以理解，諸如“高達”，“至少”和類似的所有語言包括了所記載的數字并且指可按上述隨后細分成子范圍的范圍。最后，本領域的技術人員將理解，范圍包括每個單獨的成員。因此，例如，具有1-3個單元是指一組指具有
1、2或3個單元的組。同樣地,具有1-5個單元的組是指具有1、2、3、4或5個單元的組,等
坐寸ο
[0121]
【權利要求】
1.一種垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，包括: 一個或多個具有InGaAs(P)的量子阱； 兩個或更多個結合所述一個或多個量子阱層的、具有InGaP(As)的量子阱勢壘；和一個或多個具有GaP、GaAsP或GaAs中一種或多種的過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間。
2.根據權利要求1的VCSEL，包括: 一個或多個具有IrvzGazAsyPh的量子阱； 兩個或更多個結合所述一個或多個量子阱層的、具有IrvxGaxP(As)的量子阱勢壘；和一個或多個具有GaP、GaAsP或GaAs中一種或多種的過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間， 其中: X的范圍從0.75至0.50 ； I的范圍從0.6到 I ;和 z的范圍從0.6到0.99。
3.根據權利要求2的VCSEL， 包括: 一個或多個具有IrvzGazAs的量子阱； 一個或多個具有IrvxGaxP的量子阱勢壘；和 一個或多個具有GaAsP的過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間。
4.根據權利要求2的VCSEL，包括: 一個或多個具有IrvzGazAs的量子阱； 一個或多個具有IrvxGaxP的量子阱勢壘；和 一個或多個具有GaAs的過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間。
5.根據權利要求1的VCSEL，包括: 在量子阱勢壘和量子阱之間的一個或多個過渡單層，所述一個或多個過渡單層是由GaAsP或GaP或GaAs形成，使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
6.根據權利要求1的VCSEL，包括: 在量子阱勢壘和量子阱之間的一個或多個過渡單層，所述一個或多個過渡單層包括InGaP或InGaAsP，是由GaP、GaAs或GaAsP中的一種或多種沉積界面單層形成，使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
7.根據權利要求1的VCSEL，其中所述量子阱勢壘包括至少痕量的Al。
8.根據權利要求1的VCSEL，包括在量子阱勢壘層外部的一個或多個電子限制層。
9.根據權利要求8的VCSEL，其中所述一個或多個電子限制層包括AlInGaP和/或AlGaAs ο
10.根據權利要求8的VCSEL，包括注入區(qū)的至少一個電子限制層包括碳摻雜AlGaAs，其量足以調節(jié)P型注入層中的摻雜AlInGaP。
11.根據權利要求1的VCSEL，其中所述一個或多個過渡單層足以抑制在量子阱和量子阱勢壘之間的低隙界面層的形成。
12.根據權利要求1的VCSEL，其中所述量子阱勢壘被配置為抑制載流子波函數消散到量子阱勢壘中，其中 所述抑制消散是與沒有量子阱過渡層的VCSEL相比。
13.根據權利要求1的VCSEL，其中所述一個或多個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或多個過渡單層的VCSEL相比。
14.根據權利要求1的VCSEL，包括在結合所述量子阱勢壘層的第一導電區(qū)和第二導電區(qū)中至少之一與所述一個或多個量子阱勢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 相對于所述一個或多個量子阱和相關的鏡區(qū)是在第一零點處。
15.一種制備權利要求1的VCSEL的方法，該方法包括: 使用分子束外延(MBE)生長體結晶結構，所述結晶結構具有: 一個或多個量子阱； 兩個或更多個結合所述一個或多個量子阱中每一個的量子阱勢壘；和 一個或多個沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間的過渡單層。
16.根據權利要求15的方法,包括: 在所述量子阱勢壘和量子阱之間形成一個或多個過渡單層，所述一個或多個過渡單層包括InGaP或InGaAsP,是由GaP、GaAs或GaAsP中的一種或多種沉積界面單層形成，使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
17.根據權利要求15的方法，包括: 在量子阱勢壘層外部形成一個或多個電子限制層，所述一個或多個電電子限制層包括AlInGaP 和 / 或 AlGaAs。
18.根據權利要求17的方法，包括注入區(qū)的至少一個電子限制層包括碳摻雜AlGaAs，其量足以調節(jié)P型注入層中的摻雜AlInGaP。
19.一種制備垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的方法，包括: 使用MBE，進行: 在GaAs襯底上生長第一鏡區(qū)，所述第一鏡區(qū)包括多個具有一種或多種折射率的第一鏡層; 在第一鏡區(qū)上生長第一導電區(qū)； 在第一導電區(qū)上與第一鏡區(qū)相對地生長有源區(qū)，所述有源區(qū)的生長包括: (a)生長具有InGaP(As)的量子阱勢壘； (b)生長具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層； (c)生長具有InGaAs(P)的量子阱層； (d)生長另一具有GaP、GaAsP或GaAs中的一種或多種的過渡層；(e)重復工藝(a)至⑷，多次循環(huán)；和 (f)生長具有InGaP(As)的量子阱勢壘； 在有源區(qū)上與第一導電區(qū)相對地生長第二導電區(qū)；和 在第二導電區(qū)上生長第二鏡區(qū)，所述第二鏡區(qū)包括多個具有一種或多種折射率的第二鏡區(qū)。
20.一種垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，包括: 由第一材料制備的量子阱勢壘； 由第二材料制備的量子阱；和 一個或多個在量子阱勢壘和量子阱之間的過渡單層，所述一個或多個過渡單層由所選的第三材料形成，其使得與量子阱勢壘和/或量子阱的III族相互擴散和/或V族相互擴散得到一個或多個過渡單層，所述過渡單層相比于不具有所述一個或多個過渡單層而是由量子阱勢壘和量子阱之間的III族相互擴散和/或V族相互擴散所得到的低帶隙界面具有更寬的帶隙。
21.根據權利要求20的VCSEL，包括: 一個或多個具有IrvzGazAsyPh的量子阱； 兩個或更多個結合所述一個或多個量子阱層的具有IrvxGaxP(As)的量子阱勢壘；和一個或多個具有GaP、GaAsP或GaAs中一種或多種的過渡單層，所述過渡單層沉積在各量子阱層和量子阱勢壘之間， 其中: X的范圍從0.75至0.50 ； I的范圍從0.6到 I ;和 z的范圍從0.6到0.99。
【文檔編號】H01S5/34GK103548220SQ201280024005
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年3月19日 優(yōu)先權日:2011年3月17日
【發(fā)明者】拉爾夫·H·約翰遜, 杰羅姆·K·韋德 申請人:菲尼薩公司