专利名称：包括多个mqw区的mqw激光器结构的制作方法
包括多个MQW区的MQW激光器结构相关申请的交叉参照本申请要求2008年12月16日提交的美国专利申请No. 12/336,050的优先权，该申请通过引用结合于此。背景领域本发明涉及半导体激光器，更具体地涉及激光器结构中增加的光学限制。
背景技术：
本发明人已经认识到，为了改善对在半导体激光器的波导中传播的光的光学限制，应当减少或排除输出耦合至激光器衬底的受限制模式。此外，应当使激光器有源区周围的光场分布变窄，以确保光学传播模式与增益区之间的有效交迭，并防止由于光学模式穿透到有源区附近的金属接触区中而引起的光学损失。这些挑战对于在约450nm和约600nm 之间的波长下工作的半导体激光器而言尤其严重，因为此类激光器通常易于光学泄漏。概述半导体激光器可包括光学异质结构，包括例如夹在两个包覆层之间的具有较高折射率的波导层，其中两个包覆层的折射率低于波导的折射率。包覆层用于使光学模式宽度变窄，且该模式在包覆层中按指数规律衰减，因为包覆层折射率低于波导的有效折射率。波导的有效折射率nrff与包覆层的折射率之差越大，包覆层中的模式穿透越少，且该模式越窄。因此，通过提高波导中的折射率或减小包覆层的折射率，可实现窄模式。如果波导的有效折射率nrff低于衬底的折射率，则光通过下部包覆层隧穿到衬底中是可能的。为降低此可能性，nrff与包覆层折射率之差应当尽可能大。理想情况下，需要使包覆层尽可能厚，且使之具有接近或高于衬底折射率的nrff。不幸的是，在III族氮化物半导体激光器的情况下，异质结构中由晶格失配引起的应变和InGaN的热不稳定性对激光器施加了重要的设计约束。例如，生长足够厚的且具有足够高Al含量的AKiaN包覆层以降低包覆层折射率是有挑战性的，因为AWaN拉应变在该结构中产生开裂问题。由于像高压应变、糟糕的热稳定性以及材料掺杂困难等因素，生长具有足够^含量的InGaN异质结构也是困难的。本发明人也已经认识到，包覆层折射率的降低将不会相对于激光器衬底的折射率产生高的波导有效折射率nrff，因为根据光学限制物理学，包覆层折射率的降低会导致波导有效折射率nrff的降低。根据本发明的主题，在例如大于450nm激射波长下操作的半导体激光器的波导区的有效折射率neff可通过在激光器结构中引入多个MQW区而被增大，从而增强激光器结构中的光学限制。该增强的光学限制减少了模式向激光器衬底的泄漏，且有助于防止由于光学模式穿透到激光器结构的有源区附近的金属接触区中而引起的光学损失。例如，在接触金属被沉积在激光器结构的上部包覆层之上的情况下，即便通过上部包覆层轻微穿透到金属层中的模式尾部也会是显著光学损失的起源，因为金属中的吸收是极其高的。上述波导区的有效折射率neff的提高会减少该模式尾部穿透。
根据本发明的一个实施例，提供了一种多量子阱激光二极管，其包括激光器衬底、 半导体有源区、波导区以及包覆区。该有源区包括至少一个有源MQW区和至少一个无源MQW 区。有源MQW区被配置用于光子的电泵浦受激发射。无源量子阱区在有源MQW区的激射光子能量下是光学透明的。每个MQW区包括多个量子阱和介于其间的势垒层厚度为a的多个势垒层。毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的间隔层所分开。间隔层厚度b大于势垒层厚度 a。量子阱的带隙低于介于其间的势垒层和间隔层的带隙。各个有源区、波导区以及包覆区形成位于激光器衬底上的多层二极管，以使波导区引导来自有源区的受激光子发射，且包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。根据本发明的另一实施例，提供了一种多量子阱激光器结构，其中有源区包括被配置用于光泵浦的光子受激发射的一个或多个有源MQW区。每个MQW区包括多个量子阱以及介于其间的势垒层厚度为a的氮化物势垒层，这多个量子阱包括减小带隙的III族氮化物组分。毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的氮化物间隔层所分开。间隔层厚度b大于势垒层厚度a。量子阱的带隙低于介于其间的氮化物势垒层和氮化物间隔层的带隙。各个有源区、波导区以及包覆区在激光器衬底上形成多层结构，以使波导区引导来自有源区的受激光子发射，且包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。根据本发明的又一实施例，间隔层厚度b大于势垒层厚度a，且在约IOnm与约 150nm之间。势垒层厚度a在约2nm与约30nm之间。附图简述本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中
图1是根据本发明一个实施例的适用于电泵浦的多量子阱激光器结构的示图；以及图2是根据本发明另一个实施例的适用于光泵浦的多量子阱激光器结构的示图。详细描述图1和2中示出的多量子阱(MQW)激光器结构100包括半导体有源区10、包括设置在有源区10两侧的一对波导层20的波导区、以及包括设置在波导区两侧的一对包覆层 30的包覆区。各个有源区、波导区和包覆区形成位于激光器衬底35上的多层结构，以使波导区的波导层20引导来自有源区10的受激光子发射，且包覆区的包覆层30促进所发射光子在波导区中的传播。有源区10包括多个MQW区40、50、60，其中至少一个MQW区被配置用于受激光子发射。MQW区40、50、60通过提供在激射波长下尽可能高的折射率来增强光学限制，而不会引入光学损失。因此，如上所述，波导的有效折射率neff提高，且激光器结构中的光学限制被增强。由MQW区40、50、60所提供的折射率典型地随着MQW区40、50、60中所用半导体材料的带隙降低而超线性地增大。因此，在实施本发明时，在构造MQW区40、50、60时应当使用具有相对低带隙的材料以增强光学限制。在电泵浦和光泵浦的激光器结构100中，包括图1和2所示的那些结构中，有源区 10是利用多个相对较薄量子阱70构造而成的。虽然不是必需的，但量子阱70可利用被选择用于上述减小带隙的III族氮化物来制造。为了明确和描述本发明的目的，在其浓度提高时减小带隙的组分将被称为量子阱的“减小带隙”组分。选择减小带隙的III族氮化物组分，以使量子阱70在受激发射波长下的折射率可随着量子阱70中减小带隙III族氮化物组分的浓度增大而超线性地增大。例如，根据一个实施例，量子阱70包括InGaN量子阱， 该InGaN量子阱通常在压应变下生长在GaN衬底或缓冲层上，且InGaN中InN组分浓度提高会引起折射率的超线性提高。相比之下，如果InGaN中GaN组分的浓度增大，则不会减小量子阱的带隙，因此该组分一般不被认为是量子阱的减小带隙组分。在另一实施例中，量子阱70包括在压应变下生长在AlGaN或AlN衬底上的AlGaN量子阱。对于InGaN量子阱70， 减小带隙的III族氮化物组分可以是具有以上讨论的减小的带隙的hN。对于AKiaN量子阱70，减小带隙的III族氮化物组分可以是具有以上讨论的减小的带隙的GaN。还可构想 AlGaAs量子阱、AlGaAsP量子阱、GaAs量子阱、InGaAs量子阱及其组合。如上所述，MQW区40、50、60的折射率随着量子阱的减小带隙组分的浓度增加而超线性地提高。不过，随着减小带隙组分的浓度和利用该组分的层的厚度增加，利用该组分的半导体层中的压应变仅仅以相对线性的方式积累。因此，为了从较高折射率及由此所提供的较好光学限制中获益而不增加总应变，相比于使用单个具有相对较低的减小带隙组分浓度的相对较厚的层，优选使用多个具有较高减小带隙组分浓度的较薄的层。虽然波导区10 中的压应变典型地随着减小带隙组分的含量增加而几乎线性地积累，但通过减小相对薄量子阱70的厚度同时增加减小带隙组分在量子阱70中的含量，可增强光学限制且不牺牲结构完整性。因此，也包括介入其间的势垒层80的MQW区40、50、60代表将传播光学模式集中在相对薄区中的相对紧凑波导区10。在实施本文中公开的各实施例时，应当认识到，尽管具有较低带隙的量子阱70 — 般增加量子阱70中的光学限制，但MQW区域40、50、60的组成应被如此保持，以致于它不会产生过度的压应变积累或生长形态的劣化，该压应变积累或生长形态劣化例如常常导致ν 形坑在该结构中形成。为帮助解决这些问题同时允许MQW区40、50、60中的低带隙， 邻的 MQff区40、50、60被利用较大带隙材料制造的间隔层90分开。量子阱70的带隙低于介于其间的氮化物势垒层80和间隔层90各自的带隙。虽然可构想本发明范围内的激光器结构可采用产生上述特性的各种常规和有待开发的氮化物或其它材料，但在一个实施例中，MQW区 40、50、60包括hGaN，而间隔层90包括GaN或hGaN。如图1和2中示意性示出，间隔层90限定间隔层厚度b，该间隔层厚度b大于势垒层厚度a。该间隔层90可以是纳米尺度，但应当足够厚以至少部分地减轻MQW区40、50、60 上的应变积累，并恢复MQW生长期间引入的任何形态劣化。例如，在一些实施例中，间隔层厚度b可以大于势垒层厚度a。更具体地，在间隔层厚度b在约20nm与约IOOnm之间的情况下，势垒层厚度a可以在约2nm与约30nm之间。在其它实施例中，间隔层厚度b至少是势垒层厚度a的两倍。在另外的实施例中，间隔层厚度b大于约20nm，而势垒层厚度a小于约 20nm。在如图1所示的电泵浦MQW激光器结构100中，各个有源区、波导区和包覆区被形成为多层激光二极管，而有源区10包括夹在一对无源MQW区40、60之间的有源MQW区50。 有源MQW区50被配置用于光子的电泵浦受激发射。为了确保无源量子阱区40、60的光跃迁能量高于激光器结构100的激射光子能量，并确保无源量子阱区40、60在有源MQW区50 的激射光子能量下光学透明，无源MQW区40、60的带隙需要尽可能接近但高于有源MQW区 50的激射光子能量。如熟悉半导体结构的本领域普通技术人员将理解地，有源和无源MQW区40、50、60各自的量子阱光跃迁能量能按照各种方式来调整。例如，在hGaN/GaN MQff区的情况下，量子阱光跃迁能量可通过调节InGaN中的InN摩尔分数来调整。相应地，如下表1中所示，在MQW区包括InGaN的情况下，为了确保无源MQW区40、 60的透明性，如果量子阱厚度相同，则有源量子阱区50的h含量可被调整为大于无源量子阱区40、60的h含量。以此方式，可使无源量子阱区40、60的光跃迁能量高于多量子阱激光器结构100的激射光子能量，且无源量子阱区40、60将在多量子阱激光器结构的激射光子能量下透明。图1的电泵浦激光二极管结构100的无源MQW区40、60的材料折射率随着带隙减小而超线性地提高。一般而言，该带隙不能低于MQW区40、60的吸收边的波长到达激光器发射波长的点，即MQW区40、60的吸收光子能量必须高于激射光子能量。在一些实施例中，例如，有源量子阱区的激射光子能量将比无源量子阱区的光子能量低约50meV到约400meV。以下的表1给出了适用于在电泵浦激光器结构的情况下实施本发明的特定实施例的一些具体设计参数。表1 (如图1所示，各组成部分从上往下列出)。层厚度组成掺杂备注接触层45100 nmGaNP++掺杂包覆层30>500 nmAlGaN 或 AlGaN/GaN 超晶格， AlN平均摩尔分数0 -20%P掺杂波导200-150 nm(In)GaN, InN摩尔分数 0-10%P掺杂无源MQW 60InGaN厚度 1-10nm， GaN 厚度 2-30nmInGaN/GaN, InGaN 中的 InN摩尔分数为5-30%P型无源^iGaN 跃迁能量比激射光子能量高50-400 meV间隔层9010-100 nm(In)GaN, InN摩尔分数 0-10%部分P掺杂或未掺杂该层之中、 之上或之下的AlGaN电子阻挡层有源MQW 50InGaN厚度 1-10nm， GaN 厚度 2-30nmInGaN/GaN, InGaN 中的 InN摩尔分数为10-50%GaN势垒可以是η掺杂的间隔层9010-100 nm(In)GaN, InN摩尔分数 0-10%η掺杂的无源MQW 40InGaN厚度 1-10nm， GaN 厚度 2-30nmInGaN/GaN, InGaN 中的 InN摩尔分数为5-30%η型无源InGaN 跃迁能量比激射光子能量高50-400
权利要求
1.一种多量子阱激光二极管，包括激光器衬底、半导体有源区、波导区以及包覆区，其特征在于所述有源区包括至少一个有源MQW区和至少一个无源MQW区； 所述有源MQW区被配置用于光子的电泵浦受激发射； 所述无源量子阱区在所述有源MQW区的激射光子能量下是光学透明的； 每个所述MQW区包括多个量子阱和介于其间的势垒层厚度为a的势垒层； 毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的间隔层分开； 所述间隔层厚度b大于所述势垒层厚度a ； 所述量子阱的带隙低于介于其间的势垒层和间隔层的带隙；以及各个有源区、波导区以及包覆区被形成为所述激光器衬底上的多层二极管，以使所述波导区引导来自所述有源区的受激光子发射，且所述包覆区促进所发射光子在所述波导区中的传播。
2.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于所述激光二极管还包括插入在所述有源MQW区与所述无源MQW区之间的电子阻挡层；以及所述电子阻挡层在所述间隔层之中、在所述间隔层与有源MQW区之间、或在所述间隔层与所述无源MQW区之间。
3.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于，所述无源量子阱区的光跃迁能量高于所述有源量子阱区的激射光子能量。
4.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于，所述有源MQW区的激射光子能量将比所述无源MQW区的光跃迁能量低约50meV到约400meV。
5.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于，所述量子阱包括InGaN量子阱、AWaN量子阱、AWaAs量子阱、AWaAsP量子阱、GaAs量子阱、InGaAs量子阱及其组合。
6.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于所述有源MQW区包括其中h摩尔分数在约10%与约50%之间的InGaN量子阱；以及所述无源MQW区包括其中h摩尔分数在约5%与约30%之间的InGaN量子阱。
7.如权利要求6所述的多量子阱激光二极管，其特征在于所述介于其间的势垒层包括其中h摩尔分数在约0%与约10%之间的GaN或InGaN 势垒层；以及所述间隔层包括其中h摩尔分数在约0%与约10%之间的GaN或InGaN间隔层。
8.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于 所述波导层包括设置在所述有源区两侧的P掺杂和N掺杂的层；以及所述包覆层包括设置在所述有源区两侧的P掺杂和N掺杂的层。
9.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于所述有源MQW设置在所述激光二极管的ρ掺杂侧与所述激光二极管的η掺杂侧之间； 所述激光二极管的η掺杂侧的间隔层完全或部分地η掺杂； 所述激光二极管的P掺杂侧的间隔层完全或部分地P掺杂； 介于所述激光二极管的η掺杂侧的量子阱之间的势垒层是η掺杂的；以及介于所述激光二极管的P掺杂侧的量子阱之间的势垒层是P掺杂的。
10.如权利要求9所述的多量子阱激光二极管，其特征在于所述激光二极管还包括位于插入所述有源MQW区与所述无源MQW区之间的间隔层中的电子阻挡层；所述间隔层位于所述电子阻挡层与所述无源MQW区之间的部分是ρ掺杂的，而所述间隔层位于所述电子阻挡层与所述有源MQW区之间的部分是未掺杂的。
11.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于，所述氮化物间隔层足够厚，以至少部分地减轻所述MQW区上的应变积累，或至少部分地恢复表面形态。
12.—种多量子阱激光器结构，包括激光器衬底、半导体有源区、波导区以及包覆区，其特征在于所述有源区包括被配置用于光子的光泵浦受激发射的一个或多个有源MQW区；每个MQW区包括多个量子阱以及介于其间的势垒层厚度为a的氮化物势垒层，所述多个量子阱包括减小带隙的III族氮化物组分；毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的氮化物间隔层分开；所述间隔层厚度b大于所述势垒层厚度a ；所述量子阱的带隙低于介于其间的氮化物势垒层和氮化物间隔层的带隙；以及各个所述有源区、波导区以及包覆区在所述激光器衬底上形成多层结构，以使所述波导区引导来自有源区的受激光子发射，且所述包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。
13.如权利要求12所述的多量子阱激光器结构，其特征在于，所述有源区包括被配置用于光子的光泵浦受激发射的多个有源MQW区。
14.如权利要求12所述的多量子阱激光器结构，其特征在于，各个所述有源区、波导区以及包覆区由未掺杂的半导体材料层形成。
15.如权利要求12所述的多量子阱激光器结构，其特征在于，所述有源MQW区的各自组成在功能上等效。
16.如权利要求12所述的多量子阱激光器结构，其特征在于，每个所述有源MQW区能在常见波长的光泵浦下激射。
17.如权利要求12所述的多量子阱激光器结构，其特征在于，所述MQW区中包括的减小带隙的III族氮化物组分包括hN，而所述氮化物间隔层包括GaN或InGaN。
18.如权利要求12所述的多量子阱激光器结构，其特征在于所述量子阱包括其中^摩尔分数在约10%与约50%之间的InGaN量子阱；所述介于其间的势垒层包括其中h摩尔分数为约0-10%的GaN或hGaN势垒层；以及所述间隔层包括其中h摩尔分数为约0-10%的GaN或InGaN间隔层。
19.如权利要求12所述的多量子阱激光器结构，其特征在于所述间隔层厚度b大于所述势垒层厚度a，且在约IOnm与约150nm之间；以及所述势垒层厚度a在约2nm与约30nm之间。
20.如权利要求12所述的多量子阱激光器结构，其特征在于，所述有源区被配置用于超过约450nm的激射波长。
21.如权利要求1所述的多量子阱激光二极管，其特征在于，所述有源区被配置用于超过约450nm的激射波长。
22.—种多量子阱激光器结构，包括激光器衬底、半导体有源区、波导区以及包覆区，其特征在于所述有源区包括被配置用于光子的光泵浦受激发射的多个有源MQW区； 每个所述MQW区包括多个量子阱和介于其间的势垒层厚度为a的势垒层； 毗邻的MQW区被间隔层厚度为b的氮化物间隔层分开； 所述间隔层厚度b大于所述势垒层厚度a，且在约IOnm与约150nm之间； 所述势垒层厚度a在约2nm与约30nm之间；所述量子阱的带隙低于介于其间的势垒层和氮化物间隔层的带隙；以及各个所述有源区、波导区以及包覆区在所述激光器衬底上形成多层结构，以使所述波导区引导来自有源区的受激光子发射，且所述包覆区促进所发射光子在波导区中的传播。
23.如权利要求22所述的多量子阱激光器结构，其特征在于，所述量子阱包括InGaN量子阱、AlGaN量子阱、AlGaAs量子阱、AlGaAsP量子阱、GaAs量子阱、InGaAs量子阱及其组口 O
全文摘要
提供了包括有源和/或无源MQW区的多量子阱激光器结构。每个MQW区包括多个量子阱和介于其间的势垒层。毗邻的MQW区被间隔层分开，间隔层比介于MQW之间的势垒层厚。量子阱的带隙低于介于其间的势垒层和间隔层的带隙。有源区可包括有源和无源MQW，且被配置用于光子的电泵浦受激发射，或它可包括被配置用于光子的光泵浦受激发射的有源MQW区。
文档编号H01S5/20GK102246369SQ200980151576
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月14日 优先权日2008年12月16日
发明者C-E·扎, D·兹佐夫, J·内皮尔拉, R·巴特 申请人:康宁股份有限公司