專利名稱：：高溫不用冷卻的二極管激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體激光器，尤其涉及一種如在特定頻率為1.3微米下工作最佳的混合物半導(dǎo)體量子阱二極管激光器?，F(xiàn)代電話和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)依賴硅光纖在聯(lián)接發(fā)送和接收端的光纖上作數(shù)據(jù)傳送。硅光纖，當(dāng)其用于幾乎不受限制的帶寬時(shí)，存在某些限制。雖然它的最小吸收集中在1.5μm的某個(gè)頻帶中，但是光纖的一個(gè)重要特性是它的依賴于頻率的色散。介電常數(shù)，以及其引起的光纖上的信號(hào)傳播速度隨光纖上傳播的光的頻率而變化。色散是介電常數(shù)對(duì)于波長(zhǎng)(或頻率)的變化率。光纖中的色散使得不同頻率的光信號(hào)以不同速度傳播。其結(jié)果，短光脈沖，鑒于富利埃(Fourier)分析，它們包含許多光頻率，當(dāng)它們沿呈現(xiàn)色散的光纖傳播時(shí)，沿它們短暫的長(zhǎng)度展開。色散展寬限制了脈沖間的間隔，因此也限制了給定長(zhǎng)度光纖所能支持的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的速度。由于在1.31μm上通過色散為零，所以在光纖上以1.3μm為中心的光頻帶上傳輸光信號(hào)能大大克服硅光纖中的色散限制。因此，現(xiàn)有局域交換訪問光纖網(wǎng)絡(luò)最佳工作在1.3μm頻帶上。光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展遇到的最復(fù)雜困難的組成或許是光源。Bellcore已出版了技術(shù)報(bào)告(TechnicalAdvisory)TA—TSY—000983，在其1990年第一版的題為“環(huán)路應(yīng)用中光電器件的可靠性保證實(shí)踐”(ReliabilityAssurancePracticesforOptoelectronicDe-vicesinLoopApplications”一文中，確定了激光二極管或其它等效光發(fā)射元件的技術(shù)參數(shù)(requirements)。這種光發(fā)射元件的爭(zhēng)對(duì)性技術(shù)參數(shù)列于表1中。這些技術(shù)參數(shù)是如此苛刻以致只有某種半導(dǎo)體激光器似乎能真正滿足它們。另一方面，由于光源應(yīng)用于(局域)電話線路，所以此裝置不應(yīng)加以冷卻，即不需熱電冷卻器，以便保持低成本。表1除特殊規(guī)定外，這些技術(shù)規(guī)范適用于所述整個(gè)溫度范圍。這些參數(shù)的某些特別難以滿足，尤其在高溫下如此。這些難以滿足的參數(shù)包括閾值電流ITh，在該值上二極管開始產(chǎn)生激光；微分量子效率η和它的變化量Δη；和工作電流IMod條件下的光輸出功率Pop。工作溫度范圍延伸到85℃以便不需要昂貴和不可靠的熱電冷卻器。因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有低閾值電流、高輸出功率和幾乎恒定的微分量子效率和能寬溫度范圍工作的半導(dǎo)體激光器。本發(fā)明的一個(gè)特定目的在于提供一種1.3μm頻帶的這樣的激光器。本發(fā)明概括為一種以ALGaInAs/InP材料簇為基礎(chǔ)的激光二極管。激活層包括一個(gè)或多個(gè)壓縮變形的量子阱激活層，它們由GaInAs、最好是AlGaInAs或InGaAsP構(gòu)成。量子阱被夾在由AlGaInAs構(gòu)成的阻擋層之間。且相對(duì)于量子阱層具有仔細(xì)選定的帶隙。下面結(jié)合附圖實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。圖1為可應(yīng)用本發(fā)明的脊形波導(dǎo)管的剖面圖；圖2為可應(yīng)用本發(fā)明的半絕緣、平面形、埋入異質(zhì)結(jié)激光器的剖面圖；圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中激活層附近區(qū)域的剖面圖；圖4為圖3器件的激活層中及其周圍的能帶結(jié)構(gòu)的概示圖；圖5為作為鋁含量函數(shù)的與InP晶格匹配的ALGaInAs的帶隙曲線圖。本發(fā)明是由以AL為主的ALGaInAs/InP材料組成的一種固態(tài)、混合物半導(dǎo)體光元件。激活層包括一個(gè)或多個(gè)量子阱，它們最好可壓縮變形，由GaInAs(或最好由ALGaInAs或以InGaAsP替代)組成，并夾在由ALGaInAs構(gòu)成的阻擋層之間，這些阻擋層要么與InP晶格匹配，要么可拉伸變形，以便補(bǔ)償壓縮變形的激活層。ALGaInAs阻擋層的帶隙和由此引起的結(jié)構(gòu)需仔細(xì)選擇以便光層的光性能最佳。鑒于人們對(duì)生長(zhǎng)在GaAs基質(zhì)上的GaAs/ALGaAs或InGaAs/ALGaAs層的觀察普遍認(rèn)為AL氧化會(huì)引起長(zhǎng)期功能退化，所以ALGaInAs/InP層不像GaInAsP/InP那樣獲得廣泛研究。然而，由于激光器異質(zhì)結(jié)兩側(cè)具有比0.4ΔEg更大的導(dǎo)帶偏移0.7ΔEg，所以ALGaInAs/InP激光器與GaInAsP/InP激光器相比具有一些內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn)。這種大的偏移允許電子在高溫下制約在InGaAs甚或低鋁含量的ALGaInAs的量子阱中。較佳實(shí)施例利用并由此結(jié)合發(fā)明者實(shí)驗(yàn)組和其它合作者在由ALGaInAs/InP材料簇構(gòu)成的變形量子阱激光器領(lǐng)域中的某些研究成果。這些成果已被揭示在1992年固態(tài)器件和材料的國(guó)際會(huì)議的詳細(xì)摘要、Tsukuba版第604至606頁的、由Bhat等人著的“低閾值1.3和1.55μm變形量子阱激光器”一文中，電子通訊(ElectronicsLetters)、1992年版、第2323頁至2325頁的、由Zah等人著的“低閾值1.3μm變形層ALxCayIn1-x-yAs量子阱激光器。技術(shù)的附加部分由下文中得到揭示(1)日本應(yīng)用物理期刊、1992年第31卷、1365—1371頁、由Kasukawa等人著“通過有機(jī)金屬化學(xué)蒸發(fā)淀積生成的1.5μmGaInAs/ALGaInAs漸變折射率分別制約的異質(zhì)結(jié)的量子阱激光二極管”一文；(2)ECOC，1991，Thijs等人著“高輸出功率(380mw)、低閾值電流(1.3mA)、低線寬增強(qiáng)因子(≤2)、λ＝1.3μm形變量子阱激光器”一文；(3)應(yīng)用物理快報(bào)，第59卷，1991年，2486—2488頁，由Kasukawa等人著“由金屬有機(jī)化學(xué)蒸發(fā)淀積生成的極低閾值電流密度、1.5μmGaInAs/ALGaInAs漸變折射率分別制約異質(zhì)結(jié)形變量子阱激光二極管”一文；(4)銦磷化合物及有關(guān)材料的第4屆國(guó)際會(huì)議會(huì)議(文集)，1992年4月21—24日，453—456頁，由Bhat等人著“用于低閾值1.3μm和1.55μm量子阱激光器的形變ALxGayIn1－x－y的OMCVD生成法”一文?？捎糜诒景l(fā)明下面詳細(xì)描述的實(shí)施例的，至少有兩種激光器結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)的一般特性和它們的形成描述在本發(fā)明第一組兩篇引用參考中。第一種結(jié)構(gòu)，如圖1剖面圖所示，是一種脊波導(dǎo)管激光器。一ALGaInAs激活層12生長(zhǎng)在一n型InP基層10上，它們的詳細(xì)結(jié)構(gòu)是本發(fā)明重要方面。一P型InP層14淀積在激活層12上。n型基層10作為下包層而p型層14作為上包層，所以它們共同將光導(dǎo)入并鄰接于激活層12。一重?fù)诫s接觸(contact)P++型InGaAs層16淀積在上包層14上。然后，通過接觸層16和大部分上包層14由光刻步驟形成兩個(gè)槽18，在兩槽之間有脊20，在脊20的頂上留有來自接觸層16的一絕緣接觸19。在脊20被掩模之后，一SiO2絕緣氧化層22淀積在其它區(qū)域上。最后，淀積一Ti/Au金屬化層24，它僅與脊20的頂部的接觸層19有效地電氣連接。跨接于Ti/Au金屬化層24和基層10上的金屬化層28的偏壓電源26將電流垂直通過脊20到基層10，穿過上、下包層14和10之間形成的p—n二極管，兩包層之間具有激活層12。向圖示極性給p—i—n結(jié)構(gòu)加偏壓。因此，激活層12產(chǎn)生在上、下包層14和10之間水平導(dǎo)向的光。光從脊20的軸向端上的部分反射器反射并返回，從它們的之一輸出。該結(jié)構(gòu)在閾值電流ITh之上發(fā)射激光。第二種結(jié)構(gòu)，如圖2剖面圖所示，它是一種半導(dǎo)體器件，一種埋入式異質(zhì)結(jié)激光器。ALGaInAs激活層12生長(zhǎng)在n型InP基層10上面。脊20被掩模，且所包圍的材料被蝕刻成阱進(jìn)入InP基層10。然后一種半絕緣InP層30再一次在那里生長(zhǎng)且?guī)缀跎L(zhǎng)到脊20的頂部。一種P型上包層14生長(zhǎng)在激活層12和半絕緣層30上面。一未圖示的n型層將半絕緣層30與P型上包層14分開。P++型接觸層22和相聯(lián)的金屬化層淀積在上包層14上。半絕緣層30制約著偏置電流通過脊20中的激活層12。這些結(jié)構(gòu)，及激活層12的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和相聯(lián)的過渡(transition)結(jié)構(gòu)，是周知的。本發(fā)明的工作實(shí)施例如圖3剖面圖中所示。它包括一個(gè)激活層12，該激活層12具有由雙軸向壓縮變形的ALGaInAs制成的仔細(xì)確定的量子阱，且由不變形或拉緊變形的ALGaInAs制成的等間隔仔細(xì)確定的阻擋層分開。該結(jié)構(gòu)，按照發(fā)明者實(shí)驗(yàn)組在上述引用文章中描述的一般工藝，在重?cái)v雜n+型InP基層40上用有機(jī)金屬化學(xué)蒸發(fā)淀積(OMCVD)方法外延生長(zhǎng)而成。用n型摻雜到1×1018cm-3的InP制成的低包層42，在基層40上生長(zhǎng)到1μm厚。在生長(zhǎng)層中，硫化氫用于所有n型攙雜，而二甲鋅用于所有p型攙雜。所謂未摻雜的層，由于沒有鋅擴(kuò)散?？梢园娂せ顡诫s物的痕量。一下過渡區(qū)44由4部分組成并改進(jìn)了圖1和2的基本結(jié)構(gòu)。一起始合成漸變的層46摻雜n型到1×1018cm-3，該層46在以1.0—AL—Q(該符號(hào)表示下文將給與解釋)開始的10nm以上漸變到In0.48Al0.52As。InALAs的成份與InP晶格匹配。然后，生長(zhǎng)由n型In0.48AL0.52As組成的兩個(gè)層48和50。下面一層48有40mm的厚度，并摻雜n型到1×1018cm-3。而上層50有50nm的厚度并輕微向下?lián)诫s到7×1017cm-3。InAlAs層48和50兩者起到制約激活層12中的電子的作用。這種結(jié)構(gòu)的大部分的電子能帶結(jié)構(gòu)圖示在圖4中。InP/ALInAs漸變層46和更重?fù)诫s的下面的ALInAs層48有助于導(dǎo)帶附近的電子克服InP和ALInAs之間的0.31eV的阻擋層。一未摻雜的制約阻擋層的過渡層52淀積在上面的ALInAs層50上，它在層48和50的In0.48Al0.52As成份和下文要詳述的量子阱阻擋層的成份之間進(jìn)行線性成份漸變。制約阻擋層的過渡層52有100nm的厚度。激活層12由5個(gè)量子阱54夾心以4層阻擋層56構(gòu)成。相鄰的過渡層在這樣確定的激活層12的外部起阻擋層的作用。5個(gè)量子阱54不摻雜，具有成份為Al0.18Ga0.22In0.70As。并具有厚度為8.8nm。量子阱如此之薄以便在該阱中形成電子和空穴的束縛能態(tài)，產(chǎn)生兩維的狀態(tài)密度。產(chǎn)生這樣厚和成份的阱，在發(fā)光上作為產(chǎn)生帶隙為1.29μm的度量。由于剩余結(jié)構(gòu)要么是InP，要么是與晶格匹配的材料，所以所述的成份也即指量子阱54是可壓縮變形的。量子阱54沒有厚到使變形產(chǎn)生晶格錯(cuò)位或其它變形退化的缺點(diǎn)。即，該量子阱54具有假同晶厚度。壓縮(或拉伸)變形量可通過將成份上相關(guān)的ALAs、GaAs和InAs的晶格常數(shù)的線性組合與InP進(jìn)行比較進(jìn)行計(jì)算。4層阻擋層56具有用1.0—AL—Q表示的成份。阻擋層不摻雜，每個(gè)厚度為10nm。AL—Q標(biāo)注指與InP晶格匹配的四個(gè)一組的成份ALxGayIn1－x－yAs。數(shù)字標(biāo)注指電子帶隙，它以微米表示的材料的帶隙波長(zhǎng)表達(dá)。晶格匹配條件表達(dá)為y＝0.468－0.983x，而eV表示的帶隙能量表達(dá)為Eg＝0.36＋2.093x＋0.629y＋0.577x2＋0.456y2，它涉及帶隙波長(zhǎng)為λ(μm)＝1.24/Eg(eV)。如果帶隙已知，那么結(jié)合上述兩等式產(chǎn)生x或y的二次方程式。整個(gè)關(guān)系表示在圖5中。于是，1.0—Al—Q具有X＝0.318和y＝0.154的成份。這些值是建立在上述能量關(guān)系上的，其精度不知道。實(shí)踐中，帶隙波長(zhǎng)是由發(fā)光實(shí)驗(yàn)測(cè)量的。激活層12上生長(zhǎng)有一不摻雜的具有勢(shì)壘制約的過渡層58，它與下面的制約勢(shì)壘過渡層52對(duì)稱，且其上生長(zhǎng)有一由In0.48Al0.52As組成的厚度為50nm的不摻雜的上制約層60。然后再生長(zhǎng)一對(duì)p型上包層62和64。下面的一層62厚度為0.2μm并摻雜到7×1017cm-3、而上面的一層厚度為1.8μm并摻雜到1×1018cm-3。這種不同摻雜使吸收損失最小并減小了串聯(lián)電阻，由于Zn擴(kuò)散而不會(huì)使p/n結(jié)移入激活層。包層64上生長(zhǎng)一摻雜到1×1018cm-3的1.3—P—Q層66和一摻雜為1×1018cm-3的1.55—P—Q層68。標(biāo)注P—Q指與InP晶格匹配的四個(gè)一組的成份GaxIn1－xAsyP1－y。而數(shù)字標(biāo)注為帶隙波長(zhǎng)。P—Q層用作P—InP和P++—InGaAs之間的躍變層，以便通過減少價(jià)帶偏移作用來減小串聯(lián)電阻。結(jié)構(gòu)的垂直生長(zhǎng)用一接觸層70完成，該接觸層70由P++型摻雜大于2×1019cm-3的In0.47Ga0.53As組成，其厚度為0.3μm。金屬化層加到n++基層40和P++接觸層70兩者上，以便在激活層12兩面形成一p—n結(jié)。生成這樣的結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)的單側(cè)定義一個(gè)圖1所示的脊型波導(dǎo)，以便側(cè)向制約載流子和光子。這樣的側(cè)向定義的芯片被切割，以便用許多空腔長(zhǎng)度制成二極管激光器。然后對(duì)二極管激光器賦以電氣光學(xué)特性。這些結(jié)果概括在具有剩余未涂復(fù)的刻面端的較佳實(shí)施例的不同空腔長(zhǎng)度的表2中。最好，一刻面端做成幾乎全反射，而另一端做成最佳反射以便光輸出。<<tablesid="table3"num="003"><tablewidth="604">外部η0.460.410.350.330.30Δη，25—65℃(dB)-0.73-0.67-0.45-0.79-1.17Δη，25—85℃(dB)-1.56-1.25-1.03-1.30-1.46波長(zhǎng)(nm)@25℃134713631367FWHM1.000.700.30</table></tables>表2從表2明顯可見，本發(fā)明幾乎都能滿足表1的規(guī)定。不管在波導(dǎo)和激活區(qū)中的鋁的高摩爾部分，最初壽命測(cè)試表明沒有大的刻面損壞或短期衰變。這些壽命試驗(yàn)與上述傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)相反，其結(jié)果是鋁氧化引起長(zhǎng)期衰變。所生成三組比較例類似于上面例子。然而，它們的不同在于，量子阱阻擋層的成份從1.0—Al—Q變成為0.95—AL—Q、1.1—AL—Q或1.2—AL—Q。在0.95—AL—Q和1.2—AL—Q的情況下，合成激光器表明有明顯差的特性。特別是在85℃和最短空腔長(zhǎng)度下，它們表現(xiàn)出兩倍的閾值電流和額定工作電流時(shí)的光輸出僅一半。具有阻擋(勢(shì)壘)成份為1.1—AL—Q的激光器被認(rèn)為是勉強(qiáng)的但是適用的。本發(fā)明不限于特定結(jié)構(gòu)和第一詳細(xì)實(shí)施例中給定的成份。勢(shì)壘(阻擋層)厚度可從10nm延伸到20nm，而制約層厚度每個(gè)可從50nm變化到200nm。n型InP包層，如果使用的話，其范圍同樣可從0.5至5μm，而P型包層從1至5μm。壓縮形變的精度值并不重要。量子阱的鋁含量可改變且可為零。詳細(xì)例子涉及1.3μm激光器，但是本發(fā)明能用于具有上面1.3μm詳細(xì)描述的最佳成份類型的其它發(fā)射波長(zhǎng)。本發(fā)明最重要(但不僅僅限于此)的應(yīng)用是它用于激光器或其它連續(xù)的光發(fā)射器。本發(fā)明有關(guān)的應(yīng)用是作為具有高增益和高效率的半導(dǎo)體放大器。當(dāng)然，一種激光器實(shí)質(zhì)上就是一種帶有光反饋的放大器。阻擋(勢(shì)壘)層，相對(duì)于InP不變形，它可以拉伸形變，由此局部或全部解除量子阱層的可壓縮形變。因此，可包括大量可壓縮量子阱層而不會(huì)超過總的假同晶厚度。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，量子阱由可壓縮InGaAsP構(gòu)成。InGaAsP量子阱和ALGaInAs阻擋層，鑒于這兩種材料之間的帶隙偏移，而能最佳化以提供優(yōu)良的二極管激光器。于是本發(fā)明提供一種可在高溫下工作的高效激光器，它的應(yīng)用已在1.3μm發(fā)射帶上得到證實(shí)。權(quán)利要求1.一種具有上、下包層的二極管激光器，它包含導(dǎo)電類型相反的III—IV簇半導(dǎo)體成分，一激活層配置在所述上、下包層之間，并包含至少一可壓縮形變的量子阱，它包含GaInAs化合物；和包含ALGaInAs的阻擋層，這些阻擋層夾心于所述量子阱，其特征在于，每個(gè)所述阻擋層有一帶隙波長(zhǎng)在0.95和1.2μm之間。2.如權(quán)利要求1所述的二極管激光器，其特征在于，每個(gè)所述阻擋層包含拉伸形變的ALGaInAs用于補(bǔ)償所述量子阱層中的壓縮變形。3.如權(quán)利要求1所述的二極管激光器，其特征在于，所述GaInAs化合物是InGaAsP。4.如權(quán)利要求1所述的二極管激光器，其特征在于，所述的GaInAs的化合物是ALGaInAs。全文摘要一種半導(dǎo)體二極管激光器包含一具有AlGaInAs構(gòu)成的多個(gè)可壓縮形變的量子阱(54)的激活層(12)，它們夾心于與InP晶格匹配的AlGaInAs構(gòu)成的阻擋層(52)之間，并具有取決于量子阱成分的精確定義的帶隙。該激活層由相反摻雜的包層(48，50，52；58，60)包圍著以便形成光波導(dǎo)。該激光器極有效地發(fā)射1.3μm的光，尤其在高溫工作下也是如此。文檔編號(hào)H01S3/06GK1118527SQ9410914公開日1996年3月13日申請(qǐng)日期1994年9月9日優(yōu)先權(quán)日1994年9月9日發(fā)明者巴特·拉賈拉姆,扎哈·闖恩申請(qǐng)人:貝爾通訊研究股份有限公司