专利名称：发光半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光半导体装置。本发明具体且非排它地可应用于半导体激光器、发光二极管(LED)、超辐射发光二极管(SLED)或光放大器，并且特别涉及以红外(IR)波长操作的装置。
背景技术：
带间发光半导体装置在导带中的高能电子与价带中的空穴复合时发射光。电子与空穴的复合导致按发射光子的形式释放能量。导带与价带之间在能量上的最小差异(称为带隙能量Eg)完全支配在电子与空穴复合时所释放能量的大小。这种大小的能量进而支配所发射光子的波长。不同半导体材料具有不同带隙能量&，并且为形成发光半导体装置的有源区所使用的材料由此主要根据希望该装置发射的光的波长来选择。为形成以顶波长发射光的发光半导体装置的有源区所使用的材料典型地包括 III-V族材料，因为这些族的材料倾向于具有用于以顶波长发射的合适带隙。伴随这样的材料的问题是，它们的特性非常依赖于温度。采用半导体激光器作为示例，存在使该激光器开始发射相干光的阈值电流Ith，和表示光输出功率变化与电输入功率变化相比的斜率。该阈值电流Ith和斜率两者都对温度敏感，并且通常在室温及其附近温度特别敏感。例如，图1示出了在一定温度范围上、由常规1.5μπι InGaAsP激光器所输出光的光功率和输入至该激光器的电流之间的关系。可以看出，阈值电流Ith(光功率在该电流处突然增大)随着温度的增大而增大。还可以看出，对恒定偏置电流来说，光功率随着温度的增大而显著减小。图2示出了在固定偏置电流下，功率与温度之间的关系。参照图3，可以看出，在较低温度(例如，低温)下，1.5μπι InGaAsP激光器的阈值电流Ith几乎全部归因于随着温度的增大而线性增大的、光产生的辐射复合(辐射电流)。 然而，在大约^OK以上，该阈值电流Ith强烈增大。这种增大是指数性的，因此，在至 353Κ(大约20°C至80°C)的温度范围(其是大多数应用的环境温度范围)中，该阈值电流 Ith发生宽范围变化。为了减轻由这种半导体激光器的温度相关性而产生的困难，使用热电控制(TEC) 来保持恒定温度并且使该阈值电流稳定。然而，这对于半导体激光器的成本来说增加了显著费用，并且显著增加了能量使用。1.5μπι InGaAsP激光器典型地需要大约IOmW电功率以达到激光阈值。然而，对于TEC来说，其典型地需要大约600mW电功率。因此，仅大约2%的输入电功率被用于生成激光发射。
发明内容
根据第一方面，提供了一种发光半导体装置，该发光半导体装置具有包括III-V 材料的有源区，该III-V材料包括铋和一种或多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中，并且使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。根据第二方面，提供了一种制造发光半导体装置的方法，该方法包括以下步骤设置III-V材料作为有源区，该III-V材料包括铋和一种或多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中，并且使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。根据第三方面，提供了一种包括铋和一种或多种其它V族元素的III-V材料，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中，并且使得所述III-V材料的自旋轨道分裂能量大于所述III-V材料的带隙能量。该材料可以用作发光半导体装置的有源区。根据第四方面，提供了一种发光半导体装置，该发光半导体装置具有包括III-V 材料的有源区，该III-V材料包括铋和一种或多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中。根据第五方面，提供了一种制造发光半导体装置的方法，该方法包括以下步骤设置III-V材料作为有源区，该III-V材料包括铋和一种或多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中。根据第六方面，提供了一种包括铋和一种或多种其它V族元素的III-V材料，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中。该材料可以被用于发光半导体装置中。根据第七方面，提供了一种发光半导体装置，该发光半导体装置具有包括III-V 材料的有源区，该III-V材料包括铋和两种或更多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。根据第八方面，提供了一种制造发光半导体装置的方法，该方法包括以下步骤设置III-V材料作为有源区，该III-V材料包括铋和两种或更多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。根据第九方面，提供了一种包括铋和两种或更多种其它V族元素的III-V材料，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。该材料可以被用于发光半导体装置中。优选的是，铋原子与所述一种或多种其它V族元素的原子的百分比处于5%至 15%的范围中。在优选实施方式中，所述材料中的铋原子与所述一种或多种其它V族元素的原子的百分比大约为10%。更一般地说，铋原子与所述一种或多种其它V族元素的原子的期望百分比将取决于如下的因素，诸如希望所述III-V材料发射的光的波长以及使用的 V族元素。所述装置可以发射红外光。优选的是，所述装置可以发射具有处于1.3μπι到 6. 0 μ m之间的波长的光。更优选的是，所述装置可以发射具有处于1. 3 μ m到2. 0 μ m之间的波长的光。所述III族元素可以是镓。或者，其可以是铟、铝或硼，或者这些元素的任何组合。 可以选择这些元素中的两种的组合或这些元素中的三种的组合。
所述一种其它V族元素或所述多种其它V族元素中的一种可以是砷。另外或可选的是，所述一种其它V族元素或所述多种其它V族元素中的一种可以是氮、磷或锑。在优选实施方式中，存在两种或更多种V族元素。具体来说，III-V材料可以是(ialnAsBi或 GalnPBi。在具体的优选实施方式中，所述两种或更多种其它V族元素中的一种是氮。在具体实施方式
中，所述III-V材料是GaAsBiN。所述材料中的氮原子与铋原子和所述一种或多种其它V族元素除氮以外的原子的百分比可以小于或等于10%。或者，该百分比可以小于或等于5%。所述有源区可以包括第一部分和第二部分，该第一部分包括III-V材料，该III-V 材料包括铋和所述一种或多种其它V族元素，该第二部分包括另一 III-V材料。所述另一 III-V材料可以是除了铋以外的上述III-V材料中的一种。实际上，除了所述另一 III-V材料包括代替Bi的不同V族元素以外，这两种III-V材料可以包括相同的元素或者甚至由相同的元素构成。在具体的优选实施方式中，所述另一 III-V材料包括氮。例如，包括铋和所述一种或多种其它V族元素的所述III-V材料可以是GaAsBi，而所述另一 III-V材料可以是 GaASN0所述装置可以激光器，例如边缘发射半导体激光器、分布式反馈激光器或垂直腔面发射激光器。或者，所述装置可以是发光二极管，例如超辐射发光二极管。在另一可选例中，所述装置可以是光放大器，例如垂直腔半导体光放大器。下面，参照附图，仅通过示例对优选实施方式进行描述。
图1是示出在20°C -70°C范围中的各个温度下，针对以1. 5 μ m操作的现有技术的 InGaAsP激光器的输出功率和输入电流之间的关系的曲线图。图2是示出以1. 5 μ m操作的现有技术的InGaAsP激光器的光功率的温度依赖性的曲线图。图3是示出以1. 5 μ m操作的现有技术的InGaAsP激光器的阈值电流Ith和其辐射分量Irad的温度依赖性的曲线图。图如是具有包括GaASl_xBix的有源区的边缘发射半导体激光器的示意性表示。图4b是图如中所示的边缘发射半导体激光器的有源层的特写图。图5是示出在III-V族化合物半导体中，自旋轨道分裂能量怎样随着V族原子序数改变的曲线图。图6是示出作为铋浓度的函数的、GaASl_xBix的自旋轨道分裂能量Asq和带隙&之间的关系，并且还例示了将氮和铟引入该合金的效果的曲线图。图7是示出图如所示的边缘发射半导体的能带对准的能带图。图8是在电子空穴对经历光产生的辐射复合的情况下的宽带隙半导体中的电子带结构的图形表示。图9是在电子和空穴经历非辐射CHSH俄歇(Auger)复合的情况下的窄带隙半导体中的电子带结构的图形表示。图10是在窄带隙半导体的电子带结构中发生的价带间吸收(IVBA)的图形表示。图Ila是在自旋轨道分裂能量大于导致非辐射CHSH俄歇复合过程被抑制的带隙的情况下的窄带半导体中的电子带结构的图形表示。图lib是在自旋轨道分裂能量大于带隙的情况下的窄带半导体中抑制IVBA的图形表示。图12是示出hP、GaSb以及GaAsBi化合物中的阈值电流与激光能量的依赖关系的图。图13是示出针对在非辐射过程不被抑制的情况下边缘发射半导体激光器的和针对图4a所示边缘发射半导体激光器的、阈值电流与温度的关系的图。图14是针对图如的边缘发射半导体激光器的阈值电流与温度的关系的图。图15是示出在现有技术GaAs化合物中和在优选实施方式的GaAsBi化合物中，带隙对温度的依赖性的图。图16a是示出针对各种氮浓度，作为铋浓度的函数的、GaAsBiN的自旋轨道分裂能量Astj与带隙&之间的关系的图。图16b是示出在GaAs/GaAsBiN异质结处的价带偏移ΔΕν和导带偏移八艮对 GaAsBiN层中的铋和氮浓度的依赖性的图。图16c是示出针对各种氮浓度的、GaAsBiN层中的应变与铋浓度之间的关系的图。图17是具有包括GaASl_xBix的有源区的分布式反馈激光器的示意性表示图。图18是具有包括GaASl_xBix的有源区的谐振腔发光二极管或垂直腔面发射激光器的示意性表示图。图19是具有包括GaASl_xBix的有源区的LED的示意性表示图。图20是具有包括GaASl_xBix的有源区的超辐射LED的示意性表示图。图21是具有包括GaASl_xBix的有源区的半导体光放大器的示意性表示图。图22是示出针对包含Bi、In以及N的材料的样本的典型二次离子质谱图的图。图23是示出针对GaAs和GaAsBi的样本的典型反射光谱图的图，其中，因为在 GaAsBi样本中Δ so大于Eg，所以因Δ so而引起的峰值远离该样本中的&。
具体实施例方式参照图4a，根据本发明第一优选实施方式，提供了边缘发射半导体激光器401。该激光器401在基板402上包括n型包覆层404、第一本征波导层414、有源层405、第二本征波导层415以及ρ型包覆层408，这些层按该次序自底向上地设置。激光器401具有从一端至另一端的长度L，和从一侧至另一侧的宽度W。光反射端面411、412分别设置在激光器401的各端。光反射端面411、412至少横跨有源层405。在这个实施方式中，它们在激光器401的整个高度上延伸。激光器401的、在光反射端面411、 412之间的长度L被选择为该激光器401所发射光的半波长λ/2的整数N倍。在这个实施方式中，长度L大约为500 μ m。分别位于激光器401两侧中的各侧的侧面413、414都具有粗糙表面，以便与光反射端面411、412相比，减小反射率。这减小了激光器401中光传播的不希望的横向模式的产生。电流注入脊状部409设置在ρ型包覆层408的顶部。电流注入脊状部409沿激光器401的长度L延伸。它定位在激光器401的宽度W的中央，但仅延伸跨过宽度W的一部分。换句话说，电流注入脊状部409比激光器401的宽度W窄。在电流注入脊状部409的顶表面上的是电接触部410。在这个实施方式中，基板402包括η掺杂砷化镓(GaAs)晶片，如可从Wafer Technology Ltd.获得的GaAs晶片。η型包覆层404是掺杂有锗(Ge)的砷化铝镓(AWaAs)。 P型包覆层408是掺杂有硅(Si)的GaAs。第一和第二本征波导层414、415是GaAs。电流注入脊状部是掺杂有Si的GaAs。η型包覆层404和ρ型包覆层408皆具有几μ m的厚度。本征波导层414、415和有源层405具有组合厚度λ/2 μ，其中，λ是激光器401所发射光的波长，而μ是本征波导层414、415和有源层405的平均折射率。在这个实施方式中，λ 1.5μπι并且μ 3， 由此本征波导层414、415和有源层405的组合厚度大约为250nm。电流注入脊状部409具有500nm的厚度并且为10 μ m宽。参照图4b，有源层405包括多个有源区406，这些有源区被多个势垒区407分隔。 在这个实施方式中，存在四个有源区406和三个势垒区407。一个有源区406位于有源层 405的顶部，并且一个有源区406位于有源层450的底部。在顶部和底部有源区406之间， 交替地设置了势垒区407和有源区406。有源区406包括镓砷铋化合物(GaASl_xBix)。GaASl_xBix中的V族元素铋(Bi)原子的百分比χ被选择为使得GaASl_xBix的自旋轨道分裂能量Astj大于GaASl_xBix的带隙能量 Eg0更具体地说，随着V族元素Bi原子的百分比χ的增加，GaAs1^xBix的带隙能量&减小， 并且GaASl_xBix的自旋轨道分裂能量Δ S()增加。在大约χ = 10%时，这两种能量相等。在更大百分比的χ下，带隙能量1小于自旋轨道分裂能量Δμ。典型地讲，对于边缘发射半导体激光器401以有用波长发射光并且可容易制造来说，χ在5%到15%之间。参照图5，III-V材料中的自旋轨道分裂强烈依赖于V族原子的原子序数。V族元素的原子序数越高，导致自旋轨道分裂越大。因此，将原子序数较高的V族元素添加至具有原子序数较低的V族元素的III-V材料增加了自旋轨道分裂。图6示出了自旋轨道分裂能量Δ S()对GaASl_xBix中的V族元素铋(Bi)的原子百分比χ的依赖性。可以看出，对于纯GaAs材料来说，S卩，x = 0，带隙&大于自旋轨道分裂能量Astj，但随着Bi的添加和χ增大，带隙&减小，而自旋轨道分裂能量Aaj增大。更详细地说，半导体材料的价带包括大量离散的能带，包括自旋轨道分裂带SO。自旋轨道带SO的存在归因于电子与原子核之间的耦合，并且对于大原子核来说，该耦合特别强烈，并且自旋轨道分裂大。因此，自旋轨道分裂能量δ S()是原子序数的强函数。铋是最大的稳定V族元素，原子序数为83，并且展示最大程度的V族元素自旋轨道分裂。将铋添加至 III-V材料将减小该材料的带隙I，并且将自旋轨道分裂能量增大至带隙&与自旋轨道分裂能量相等的点，并且最终自旋轨道分裂能量Aaj超过带隙1。四个有源区406是最佳数量，但可以设置任何数量的有源区406。一般来说，随着设置更多的有源区406，有源层405的结构中的应变量增加。这种应变可以由势垒区407来补偿。在这个实施方式中，势垒区包括GaAs，但它们可以可选地包括未掺杂的镓砷磷化物 (GaAsP)、镓砷氮化物(GaAsN)或者具有固有拉伸应变的某种其它半导体。每一个有源区406都具有2nm到15nm之间的厚度。这与激光器401中电子和空穴的波长相当，其大约为5nm。这允许每一个有源区406提供电子和空穴的量子限制(quantum confinement)。有源层405中的多个有源区406在有源层405中提供重复的量子阱结构，其可以帮助在有源层405中提供高密度的光子。这进而最大化了有源区406中光子受激发射的概率。调节有源区406的厚度可以精细地调谐所发射光子的能量。激光器401通过分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制造， 其中，在超高真空下按顺序生长各个层。首先，通过沉积AlGaAs并同时向其掺杂Ge而在基板402上设置η型包覆层404。接着，通过沉积GaAs在η型包覆层404上设置第一本征波导层414。接下来，通过在第一本征波导层414上生长GaASl_xBix而在第一本征波导层414 上设置第一有源区406，其中χ被选择为确保自旋轨道分裂能量Astj大于带隙能量I。通过在第一有源区406上生长GaAs，而在第一有源区406上设置第一势垒区407。接着，按相同方法，在第一势垒区407上设置第二有源区406，并且随后在第二有源区406上设置第二势垒区407。依次重复设置有源区406和势垒区407，直到设置了最后的第四有源区406为止。接着，通过生长GaAs在第四势垒区407上设置第二本征波导层415。接着，通过以下步骤而在第二本征波导层415上设置ρ型包覆层408和电流注入脊状部409 生长掺杂有Si 的GaAs，并且蚀刻该生长材料，从而提供所需厚度的第一层以形成ρ型包覆层415，并且提供所需宽度和厚度的第二层以形成电流注入脊状部409。接着，将电流注入脊状部409的顶表面金属化以形成电接触部410。最后，将该基板和已经设置在该基板上的层从上至下劈开，以提供激光器401的光反射端面411、412以及侧表面413、414。侧面413、414被刻划以形成光反射性差的粗糙表面。当经由电接触部410和基板402下面的另一电接触部(未示出)向激光器401施加电流时，电子从η型包覆层404注入，而空穴从ρ型包覆层408注入。与激光器401的宽度W相比，电流注入脊状部409的相对较窄的宽度具有将电子和空穴的注入集中至沿激光器401的宽度中部在电流注入脊状部409下延伸的区域的效果。这些电子和空穴跨过包覆层404、408以及本征波导层414、415向彼此迁移，从而复合。这种复合主要发生在有源层 405的有源区406中。参照图7，有源层405的本征波导层414、415以及势垒区407的带隙Eg大于有源层405的有源区406的带隙I。电子和空穴被限制在由有源层405的每一个有源区406所产生的势阱500内。当在有源区406的导带中的电子与在有源区406的价带中的空穴复合时，光子的自发发射发生。当在能量接近有源区406的带隙Eg的入射光子与导致其与价带中的空穴复合的、导带中的电子相互作用时，光子的受激发射发生。第一本征波导层414与η型包覆层404之间的边界上的折射率和第二本征波导层 415与ρ型包覆层408之间的边界上的折射率的差异导致所发射光子在大部分入射角在这些边界处反射。这将光子限制于包括第一和第二本征波导层414、415和有源层405的有效波导层。另外，反射端面412、413致使所发射光子在激光器401的每一端，更具体地说，在有效波导层的每一端被反射。这具有增加有效波导层内，更具体地说，在有源层405的有源区406中的光子的密度的效果。这种增加的光子密度增加了有源区406中光子的受激发射的概率。参照图8，诸如GaAs这样的中间(intermediate)带隙半导体具有在300K下按带隙1= 1.42eV分隔的导带C和价带V。在该图中，实心圆圈表示电子，而空心圆圈表示空穴。最基本的是，来自导带C的电子与价带V中的空穴的复合导致发射具有与当电子和空穴复合时由电子和空穴所损失的能量相等的能量的光子，该能量典型地等于带隙4。从而，所发射的光子典型地具有波长λ =hc/\，其中，h是普朗克常数，并且c是光速。然而，价带V具有精细结构，并且被分裂成重空穴带HH、轻空穴带LH以及自旋轨道带SO。重空穴带 HH的顶部与自旋轨道带SO的顶部之间的能量差是自旋轨道分裂能量Asq。因此，电子和空穴也可以经历所谓的俄歇复合和价带间吸收(IVBA)，这两者都涉及在价带V的精细结构内的跃迁。这些过程都不会导致产生光子。在俄歇复合过程中，当电子和空穴复合时它们所损失的能量被给予进一步激发到其相应带中的另一电子或空穴。由此，在俄歇复合中，涉及三种载流子初始电子空穴对、力口上另外的电子或空穴。参照图9，在导电空穴自旋空穴(CHSH)俄歇复合过程中，复合的导带C中的电子和价带V中的空穴的能量和动量被传递到价带V中的另一空穴。由此，通过将电子从自旋轨道带SO迁移到重空穴带HH而将上述另一空穴从价带的重空穴带HH激发到价带V的自旋轨道带SO中。在IVBA过程中，参照图10，通过受激或自发发射过程产生的光子可以在离开该结构之前被重吸收。在IVBA过程中，通过将电子从自旋轨道带SO迁移至轻空穴带LH，光子使空穴从价带的轻空穴带LH激发至价带V的自旋轨道带SO。或者，通过将电子从自旋轨道带 SO迁移至重空穴带HH而将空穴从重空穴带HH激发至自旋轨道带SO。入射光子被吸收。在具有相对较大带隙&的材料中，由于在能量-动量图上需要的近垂直跃迁，俄歇复合的概率较小。在按相对较长波长(即，近顶和中IR(波长范围1.3-2.0μπι))发射光的、具有相对较小带隙&的材料中，俄歇复合和IVBA占优势。图9和10示出了具有相对较小带隙民的材料(如InGaAs，其中，在300Κ下，Eg = 0. 8eV)的带结构。参照图11a，第一优选实施方式的激光器401的有源区406的GaASl_xBix材料的带结构具有大于带隙能量ι的自旋轨道分裂能量Δμ。这意味着，由于通过来自导带C的电子与来自价带V的空穴的复合未释放足够能量，因而不太可能发生电子从自旋轨道带SO向轻空穴带LH或重空穴带HH跃迁。换句话说，不存电子可以进入的可用状态。由此在具有这种带结构的材料中，CHSH俄歇复合被抑制。类似地，参照图11b，由于入射光子不太可能造成载流子在自旋轨道带SO和重空穴带HH或轻空穴带LH之间迁移，因而IVBA被抑制。相反，当来自导带C的电子与来自价带V的空穴复合时，入射光子激发光子的发射，但本身不被吸收。导带C和价带V中的载流子能量和动量的分散随着温度的增加而增加。在具有图 9和10所示的带结构的材料中，俄歇复合和IVBA的量因此随着温度强烈地改变。具体来说，对于具有较小带隙I的材料来说，由于需要以顶波长发射光子，所以俄歇复合和IVBA 在室温下占优势。利用这种材料的装置因此易于具有不稳定的光发射特性并且需要某一形式的温度控制，以便于稳定。另一方面，在室温下，在第一优选实施方式的激光器401的有源区406的GaASl_xBix材料中不大可能发生俄歇复合和IVBA。这意味着，激光器401的光发射特性稳定，并且可以避免温度控制的需要。图12示出了针对具有包括不同材料的有源区406的三种不同激光器401中的每一个的、阈值电流Ith作为激光能量的函数而如何改变。激光能量是带隙I的函数，并且每一个激光器401都按不同带隙&并由此按不同波长的发射光来测试。针对具有由InGaAsP 和InGaAsSb制成的有源区406的激光器401的、其中带隙民等于自旋轨道分裂能量Δ so的区域被阴影化。对于具有由InGaAsP制成的有源区406的激光器401来说，阈值电流Ith随着激光能量的减小而增大，因为CHSH俄歇复合和IVBA开始占优势。对于具有由InGaAsSb 制成的有源区406的激光器401来说，由于带隙&小于自旋轨道分裂能量Asq，因而CHSH 俄歇复合和IVBA被抑制。然而，InGaAsSb激光器401所发射光的波长大约为2 μ m,因此处于通信系统中的激光器所需的近红外波长范围之外。对于具有由GaASl_xBix制成的有源区 406的第一优选实施方式的激光器401来说，阈值电流Ith随着激光能量线性增加。实际上， 由于该激光器401受到抑制CHSH俄歇复合和IVBA的益处，因而该阈值电流Ith跟随辐射电流。然而，该激光器也发射通信系统中的激光器所需的近红外区域中的光。图13示出了当有源区406包括其中带隙1大于自旋轨道分裂能量或者带隙 Eg小于自旋轨道分裂能量Astj的材料时，由激光器401所输出光的光功率与输入电流的比较。可以看出，对于带隙&小于自旋轨道分裂能量Aso)的材料来说，与带隙& 大于自旋轨道分裂能量Aso)的材料相比，由光功率开始随着输入电流更快速增加的点所示的阈值电流Ith较小，并且斜率更大。在原点与曲线上的恒定光功率的点之间绘制的线的梯度是所谓的“墙插效率”的测量，并且表示总的电到光功率的效率。较大墙插效率是理想的，因为它表示所消耗的电功率的量和转换成光的电功率的部分。可以看出，与带隙1大于自旋轨道分裂能量的材料相比，带隙1小于自旋轨道分裂能量Aaj的材料已经减小了阈值电流Ith，增大了斜率，并且增大了墙插效率。图14示出了通过添加铋如何改进了第一优选实施方式的激光器401的温度稳定性。可以看出，阈值电流1&对温度增加的响应接近于线性，与现有技术指数响应相比，其更加理想。针对20°C-70°C的范围上的响应近似恒定，因此不需要单独的温度稳定系统。阈值电流Ith跟随辐射电流。由于添加铋缩窄了 GaASl_xBix合金的带隙&，因此，所发射光的波长增加。在大多数应用中，特别是在电信方面，重要的是能够选择所发射光的波长。例如，电信系统在 1. 3 μ m-1. 55 μ m之间操作，并且解析波长(resolving wavelength)对于波分复用技术来说是基本的。在第一优选实施方式中，可以按多种方式来选择所发射光的波长，这些方式包括进一步添加铋，调节有源区406的厚度，或者通过添加其它III族或V族元素来选择波长并且控制层中的应变。下面，对每一种方法进行讨论。进一步添加铋将增加所发射光的波长。因此，可通过进一步添加铋而达到的波长大约为1.5μπι及以上。可以添加的铋的最大量因为铋原子的较大尺寸将应变引入到结构中而受到限制。将铋添加至III-V化合物的另一特征是，其改进了发射波长针对温度波动的稳定性。这在图15中被例示。增加有源区406的厚度增加了所发射光的波长。有源区406的数量可以在从单个区域406或者单个量子阱到10个或更多个区域406的范围内改变，尽管这不显著影响所发射光的波长，但影响效率。本发明第二优选实施方式也可以参照图^、4b、5和6来理解。第二优选实施方式提供了一种具有与第一优选实施方式的激光器401类似的结构。事实上，除了有源区406 的组成以外，第二优选实施方式的其它所有特征都与第一优选实施方式的特征相同。第一与第二优选实施方式之间的差别在于，有源区406除了包括上面与第一优选实施方式有关地描述的镓、砷以及铋以外，还包括其它元素。
图6例示了将其它元素引入到有源区406中减小了带隙&，这意味着，使得自旋轨道分裂能量超过带隙1所需的铋的百分比也减小。图6例示如下根据第一优选实施方式的有源区中的带隙&，即，将铋单独引入至砷化镓时的情况(线601)；引入铋和氮(N) 两者时的带隙(线602)；以及引入铋和铟(In)两者时的带隙(线603)。从图6可以看出， 引入氮或铟减小了自旋轨道分裂能量超过带隙1的交叉点。而且，随着该交叉点处的带隙I减小，这意味着可获得更高波长(例如高于1. 2 μ m)。优选的是，在第二优选实施方式中引入到有源区406中的另一元素是V族元素。更优选的是，将氮作为另一元素引入。尽管如此，例如，可以另选地或另外地使用磷(P)和锑 (Sb)。优选的是，有源区406中的V族元素氮原子的百分比小于或等于10%，更优选地，小于或等于5%。在这个实施方式中，有源区406中的V族元素铋原子的百分比优选地处于 3%至15%的范围中。图16A更详细地例示了引入氮的效果。图16A示出了针对包括不同量的氮的材料的、作为铋的百分比的函数的带隙I和自旋轨道分裂能量Δμ。从图16Α中可以看出，对于指定百分比的铋来说，增加氮的量实质上减小了带隙I。同时，由于其低原子序数，引入氮对自旋轨道分裂能量具有最小影响。与引入氮相关联的另一优点是有源区与GaAs层之间的导带偏差八&的增大。图 7示出了该导带偏差Δ&。这与由引入铋而产生的价带偏差ΔΕν(也在图7中例示)的增大结合，以减小有源层406中的载流子泄漏影响。因此，将铋和氮两者引入到有源层中允许控制俄歇复合和载流子泄漏影响。通过与自旋轨道分裂能量Δ S()相关地控制带隙&来抑制俄歇复合，并且通过导带偏差与价带偏差Δ Ev的增大来减少载流子泄漏。有利的是，在诸如发射近红外波长光和中红外波长光的LED和激光器这样的光子装置中可以控制俄歇复合和载流子泄漏影响。图16B例示了铋和氮对价带偏差Δ Ev和导带偏差Δ Ec的影响。在铋含量-氮含量的图形上标绘了在GaAs与GaAsBiN之间的异质结处、价带偏差ΔΕν和导带偏差八&的各种值。从图16Β可以清楚地看出，氮含量的增加增大了导带偏差，而铋含量的增加增大了价带偏差ΔΕν。引入氮的另一优点是减小了装置中的应变。图16C例示了引入氮对作为铋的百分比的函数的在GaAs层和GaAsBiN层之间的界面处的应变的影响。图16C清楚地示出了增加铋的百分比增大了应变量，而引入氮抵消了这种影响。同样地，引入氮可以促进装置的可制造性。本发明另一优选实施方式也可以参照图4a、4b、5和6来理解。除了有源区406的组成以外，该优选实施方式的其它所有特征都与第一优选实施方式的特征相同。第一优选实施方式与该优选实施方式之间的差别在于，每一个有源区406都包括两个层(未示出)， 一个在另一个的顶部。在每一个有源区中，所述两个层中的第一层包括包含铋的III-V材料，而这两个层中的第二层包括另一 III-V材料。例如，第一层包括GaAsBi，而第二层包括 GaAsN。这导致每一个有源区406中的相关能带彼此去局部化(de-localised)，并且具有进一步限制有源区406中的俄歇复合过程的优点。这种结构已知为“II型对准(type II alignment)，，。在上述实施方式中，用于与铋(并且在合适的情况下，一种或更多种其它V族元素)一起炼制合金所选择的III-V化合物是GaAs。S卩，GaAs与铋或诸如BiN这样的铋化合物一起炼制合金。然而，可以使用其它二元化合物，例如InAs、AlAs、GaP、ΙηΡ,Α1Ρ> GaN, InN、AlN、GaSb、hSb、AlSb，来代替GaAs。还可以使用基于这些二元化合物的三元化合物， 例如GaInAs和feJnP。而且，可以使用基于这些二元化合物的五元(pentanary)或四元混合物，例如GaInAsSb。在上述实施方式中，使用量子阱结构。然而，本领域技术人员应当认识到，根据本发明，还可以使用利用量子线或量子点结构的装置。实际上，本发明的特定优选实施方式利用在GaAs内具有由GaAsBiN制成的量子点的量子点结构。在这个实施方式中，如通过图 12B至12D所例证的，可以选择满足以下条件的铋和氮的比例带隙& <导带偏差AEc ；带隙1<价带偏差ΔΕν;以及带隙1<自旋轨道分裂Δμ。利用满足这些标准的量子点结构，可以完全消除俄歇复合。DFB激光器在另一实施方式中，提供了一种分布式反馈(DFB)激光器，其具有包括GaASl_xBix 的有源区803，其中，GaAs1^xBix中的V族元素铋(Bi)原子的百分比χ被选择为使得 GaAs1^xBix的自旋轨道分裂能量Astj大于GaASl_xBix的带隙能量&。图17例示了这种DFB 激光器801的结构。通过MBE将由η型AlGaAs制成的包覆层802生长到GaAs基板上。在其顶部上，生长了 GaAs波导层的下半部分80如。由GaASl_xBix制成的有源区803生长到波导层80 上直至厚度lOnm，以形成量子阱结构。如与第一优选实施方式的激光器401相关地描述并且在图4b中所示，可以使用多个量子阱。在有源区803的顶部上，生长了 GaAs波导层的上半部分806b，在GaAs波导层的上半部分806b的上方形成了布拉格光栅804。该光栅804通过蚀刻上GaAs波导806b的背部并且生长有ρ型AWaAs包覆层805来形成。这沿着激光器腔形成了折射率的周期性变化，在每一个脊之间具有节距P。光栅层804中的皱折沿激光器腔提供了折射率的周期性变化，由此，沿该腔的长度分布光反馈。如果前向和后向传播波的频率与光栅的节距有关，则它们仅相长干涉，并且所允许模式位于该光栅的布拉格频率的任一侧。在布拉格反射器中引入四分之一长度位移意味着，这些模式中的一个模式将优先地发出激光。DFB激光器因为它们的单模行为和窄线宽而被广泛地用于光通信系统中。这允许在1.55 μ m的光纤衰减最小值周围按紧密隔开的波长同时传输几个数据信道。在有源区 803的GaAs合金中包含铋含量比例使得抑制了非辐射复合过程，并且增加了装置的效率。抑制依赖于温度的非辐射复合过程指的是，装置在一定范围的温度上固有地稳定， 并且由此不需要温度控制系统。VCSEL/RCLED在另一实施方式中，提供了一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)。该装置具有与谐振腔LED (RCLED)相似的结构。参照图18，在GaAs基板(未示出)上生长由GaAs制成的η型层902。接下来，与四分之一波长厚的GaAs层交替地生成四分之一波长厚的AWaAs层，以形成分布式布拉格反射器叠层903a。由GaASl_xBix制成的有源层904夹在反射器叠层903a 和另一叠层90 之间。生长有源层904，以形成如405的量子阱结构。腔长度为0.1 μ m， 其比边缘发射装置的腔长度更短，因此，该反射器必须具有> 99%的反射率。光学腔位于与生长方向相同的方向中，并且光输出来自该表面。在该表面处，沉积具有圆孔906的电极905。在该合金中的铋含量比例被选择，使得自旋轨道分裂能量Aaj大于带隙1，因此，抑制非辐射过程，并且改善了波长的温度稳定性。由此，在该实施方式的VCSEL中，将输入电流有效地转换成光输出。而且，不存在非辐射俄歇复合和IVBA意味着，该输出与温度无关，并且不需要温度稳定化电子装置。可以添加另外的元素，例如N或^1，以将输出波长调谐至所期望的值。VCS0A/VECSEL在另一实施方式中，提供了一种垂直腔半导体光放大器(VCSOA)或垂直外腔面发射激光器(VECSEL)。该结构和图18的VCSEL相似，但减小了上布拉格反射器叠层90 的反射率，以使得没有达到激光器阈值。因为通过量子阱的单轮增益(single pass gain)相当低，所以需要更加显著的顶部反射率，以用于生成相当高的增益。关于上述的边缘发射 S0A，有源区是GaASl_xBix合金，其中χ被选择为使得自旋轨道分裂能量大于带隙Eg。这允许省略与这些装置相关联的常规热管理系统，并且增加SOA的差分增益。LED参照图19，发光二极管1001具有夹在η型GaAs 1002和ρ型GaAs 1004之间的由GaAsBi制成的有源层1003。当电流流过该装置时，从有源层1003发生光的自发发射。 GaAsBi层中的铋含量比例被选择，使得自旋轨道分裂能量Δ so大于带隙&，因此，极大地减小了发生俄歇过程和IVBA过程的概率。因此，增加了该装置的效率。超辐射LED参照图20，超辐射LED 1101具有夹在η型GaAs 1102和ρ型GaAs 1104之间的由 GaAsBi制成的有源区1103。防反射涂层1105和1106设置在该装置的任一端，并且在这一方面，其具有与边缘发射半导体光放大器相同的构造，但没有波导。其它差别是，不存在对 SLED的输入信号。事实上，SLED应当小心地保护不受外部光反馈，因为即使很小程度的反馈也可以减小总体发射带宽和输出功率，或者，有时甚至导致寄生激光，该寄生激光引起发射光谱中的窄的峰值。选择在有源区域中铋所占比例，使得自旋轨道分裂能量大于带隙1。SOA在另一实施方式中，提供了一种半导体光放大器(SOA)。随着光脉冲传播通过通信系统，该脉冲衰减，直到必须再生该脉冲以保持其超过背景噪声水平。使用半导体光放大器来放大该信号，由此，输入光子激发另外的光子的发射。该结构与边缘发射激光器类似并且在图21的平面图中进行了例示。边缘发射激光器与SOA之间的主要差别在于，SOA具有相对于端面的有角度的脊状部1201。而且，设置防反射涂层1202，以抑制该装置端部处的反射，从而防止激光作用和最小化通过反射造成的损失。该装置的有源区是GaASl_xBix，其中， 选择铋的含量比例，以便确保自旋轨道分裂大于带隙1，这增加了 SOA的差分增益。这消除了对TEC的需要以将该装置保持在恒温下。该材料中铋的量可以利用次级离子质谱(SIMS)来确定。在SIMS中，样品经受高能离子流，该高能离子流逐渐侵蚀通过该样品的多个层。当离子通过该结构时，它们将该结构内部的元素溅射出，形成次级离子。这些在质谱仪中进行分析，该质谱仪给出与该结构中单个元素的浓度相关的精确信息。因此，提供了对样品中铋的直接测量，其示出铋含量比例是否超出使得大于带隙1的水平。
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图22示出了典型SIMS标绘图，其中，对另外包括铟和氮的边缘发射激光器401的有源区405的截面进行分析。可以看到铋、铟以及氮的峰值，并且这些峰值的高度指示该样品中每一种材料的相对比例。这样，可以确定GaASl_xBix样品中χ的值。还可以使用光谱学来直接测量自旋轨道分裂能量Aaj和带隙I。例如，在光调制光谱学中，利用来自单色器的光和切割激光束照明该样品。通过在接通和未接通激光器的情况下分析样品的反射比，可以确定自旋轨道分裂能量和带隙ι的值，据此，可以判定，在该样品中是否已经满足自旋轨道分裂能量大于带隙1的条件。图23示出了来自分光计的典型输出。由于当载流子进行跨过带隙的跃迁时的光子吸收，因此看到低能量下的峰值，并且该峰值的能量表示带隙能量&。更高能量下反射率的另一峰值与跨过带隙的自旋轨道带和导带之间的跃迁相关联。这个点处的能量因此表示带隙能量I加上自旋轨道能量。对于其中与带隙1相比，自旋轨道能量ΔS()不大的材料来说，较高能量下的峰值相对接近较低能量下的峰值。对于材料GaASl_xBix来说，其中，χ被选择为使得自旋轨道分裂能量大于带隙&，那么，与&峰值远离零相比，Eg+Aso峰值将进一步远离&峰值。对本领域技术人员来说，针对在此描述的优选实施方式和一般原理以及特征的各种修改例将是明显的。由此，本发明不限于所示实施方式，并且这些修改例和变型例也将落入所附权利要求的精神和范围内。
权利要求
1.一种发光半导体装置，所述发光半导体装置具有包括III-V材料的有源区，所述 III-V材料包括铋和一种或多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中，并且使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。
2.根据权利要求1所述的发光半导体装置，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于5%至15%的范围中。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的发光半导体，其中，所述装置发射红外光。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的发光半导体，其中，所述装置发射具有处于 1. 3 μ m至Ij 6. 0 μ m之间的波长的光。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的发光半导体，其中，所述装置发射具有处于 1. 3 μ m至Ij 2. 0 μ m之间的波长的光。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述材料中的铋原子与所述一种或多种其它V族元素的原子的百分比大约为10%。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述III-V材料包括镓。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述一种其它V族元素或所述多种其它V族元素中的一种是砷。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述一种或多种其它 V族元素包括两种或更多种V族元素。
10.根据权利要求9所述的发光半导体装置，其中，所述多种其它V族元素中的一种是氮。
11.根据权利要求10所述的发光半导体装置，其中，所述材料中的氮原子与铋原子和所述一种或多种其它V族元素除氮以外的原子的百分比小于或等于10%。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的发光半导体装置，其中，所述材料中的氮原子与铋原子和所述一种或多种其它V族元素除氮以外的原子的百分比小于或等于5%。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述III-V材料是 GaAsBiN。
14.根据权利要求1至8中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述III-V材料是 GaInAsBi0
15.根据权利要求1至7中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述III-V材料是 (MnPBi。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述有源区包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括所述III-V材料，所述III-V材料包括铋和所述一种或多种其它V族元素，所述第二部分包括另一 III-V材料。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述装置是激光器。
18.根据权利要求17所述的发光半导体装置，其中，所述装置是边缘发射激光器、分布式反馈激光器或者垂直腔面发射激光器。
19.根据权利要求1至16中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述装置是发光二极管。
20.根据权利要求19所述的发光半导体装置，其中，所述装置是超辐射发光二极管。
21.根据权利要求1至16中的任一项所述的发光半导体装置，其中，所述装置是光放大ο
22.根据权利要求21所述的发光半导体装置，其中，所述装置是垂直腔半导体光放大ο
23.一种制造发光半导体装置的方法，所述方法包括以下步骤设置III-V材料作为有源区，所述III-V材料包括铋和一种或多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中，并且使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。
24.一种包括铋和一种或多种其它V族元素的III-V材料，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中，并且使得所述III-V材料的自旋轨道分裂能量大于所述III-V材料的带隙能量。
25.一种发光半导体装置，所述发光半导体装置具有包括III-V材料的有源区，所述 III-V材料包括铋和一种或多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中。
26.根据权利要求25所述的发光半导体装置，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V 族元素的原子的百分比处于5%至15%的范围中。
27.一种制造发光半导体装置的方法，所述方法包括以下步骤设置III-V材料作为有源区，所述III-V材料包括铋和一种或多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中。
28.—种包括铋和一种或多种其它V族元素的III-V材料，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比处于3%至15%的范围中。
29.一种发光半导体装置，所述发光半导体装置具有包括III-V材料的有源区，所述 III-V材料包括铋和两种或更多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V 族元素的原子的百分比使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。
30.根据权利要求四所述的发光半导体装置，其中，所述其它V族元素中的一种是氮。
31.一种制造发光半导体装置的方法，所述方法包括以下步骤设置III-V材料作为有源区，所述III-V材料包括铋和两种或更多种其它V族元素，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。
32.—种包括铋和两种或更多种其它V族元素的III-V材料，其中，所述材料中的铋原子与所述其它V族元素的原子的百分比使得所述材料的自旋轨道分裂能量大于所述材料的带隙能量。
33.一种如这里所述并且在图如至23中所示的发光半导体装置。
全文摘要
发光半导体装置(401)具有由铋(Bi)和一种或多种其它V族元素形成的有源区(405)。在具体实施方式
中，III-V材料除包括铋外，还包括砷化镓(GaAs)。在所述III-V材料中包含铋，减小了带隙，同时提高了该材料的自旋轨道分裂能量。当自旋轨道分裂能量超过带隙时，禁止俄歇复合过程，减小了发光半导体装置(401)随环境温度改变的灵敏度。
文档编号H01L33/30GK102484184SQ201080037476
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月25日 优先权日2009年6月26日
发明者S·J·斯威尼 申请人:萨里大学