一种PNiN结构晶闸管激光器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种既可以呈现激光器光学特性又可以呈现晶闸管电学特性的PNiN结构晶闸管激光器，属于半导体光电子领域。本发明的激光器包括依次层叠的N型电极、N型衬底、N型缓冲层、N型限制层、无掺杂的有源区层、N型反型层、P型限制层、P型接触层和P型电极。本发明的晶闸管激光器中引入N型反型层，以及无掺杂的有源区i层，在获得高功率和低阈值的激光器光学特性的同时，还可以获得晶闸管的电学特性。
【专利说明】—种PNiN结构晶闸管激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种PNiN结构的晶闸管激光器，在传统PiN结构激光器中加入N型反型层变成PNiN结构此器件，使其不仅有激光器的光学特性，而且具有晶闸管的电学特性。
【背景技术】
[0002]晶闸管又称为晶体闸流管，最早在1957年由美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化。典型的晶闸管是PNPN四层半导体结构。其能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于交流调压、可控整流、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
[0003]随着半导体的发展，晶闸管也从传统的电力电子开关发展成为半导体光学开关，半导体光学开关晶闸管依然沿用传统的pnpn结构。光学开关因在光学存储器、光互连、路由、神经网络等领域具有重要应用而被越来越多的科学研究者所研究，也成为现在最为热门的研究方向之一。在光学开关设备中，光学晶闸管具有很多优点，如更快的开关速度、更低的开关能耗等。
[0004]现在半导体光学开关晶闸管主要集中在对晶闸管激光器的研究上，因为晶闸管激光器不仅可以作为光学开关，并且可以发射激光。传统的Pnpn结构晶闸管中间层的载流子耗尽速度慢，开关速度慢。
[0005]晶闸管激光器在光通讯和光互连系统中都有重要的应用。目前晶闸管激光器的研究主要集中在InP的材料体系，其激光发射波长主要集中在1.55 μ m波段附近，但这些器件的阈值大，功率低一直在限制着其应用。GaAs材料体系的晶闸管激光器的研究最近也有所一定进展，但是其复杂的材料结构会大大影响其开关速度。更简单的材料结构将有助于获得更快的开关速度和更低的开关能耗。
【发明内容】
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]本发明的目的在于提供一种PNiN结构晶闸管激光器。在传统激光器中间引入N型反型层，使得此结构的器件在正向偏压状态具有晶闸管的电学特性，同时在注入电流情况下具有激光器的光学特性。这也是区别于传统晶闸管的重要部分。除此之外，晶闸管激光器还可以发射低阈值、高功率的激光。这也是此结构晶闸管激光器的优良特性。
[0008]( 二 )技术方案
[0009]为解决上述技术问题，本发明提出一种PNiN结构晶闸管激光器，该晶闸管激光器由依次层叠的N型电极层、N型衬底、N型缓冲层、N型限制层、无掺杂有源区层、N型反型层、P型限制层、P型接触层和P型电极层)组成，所述N型反型层(6)由GaAs和AlGaAs材料构成。
[0010]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述N型衬底由GaAs材料构成，所述N型缓冲层由GaAs材料构成。
[0011]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述N型限制层中的AlAs的组分为0.3?0.7的固定值。
[0012]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述N型限制层中的AlAs的组分是变化范围为
0.3?0.7的线性渐变值。
[0013]根据本发明的一种【具体实施方式】,所述N型限制层厚度设置在500nm?3000nm之间。
[0014]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述无掺杂有源区层由II1-V组材料构成。
[0015]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述无掺杂有源区层包括I?10个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs或AlGaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。
[0016]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述N型反型层由GaAs和AlGaAs材料构成。
[0017]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述N型反型层厚度设置在1nm?400nm之间。
[0018]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述N型反型层中的AlAs的组分为0.3?0.7的固定值。
[0019]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述P型限制层由AlGaAs材料构成。
[0020]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述P型限制层中的AlAs的组分为0.3?0.7的固定值。
[0021]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述P型限制层中的AlAs的组分是变化范围为
0.3?0.7的线性渐变值。
[0022]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述P型限制层厚度设置在500nm?3000nm之间。
[0023]根据本发明的一种【具体实施方式】,所述P型接触层由GaAs材料构成。
[0024]根据本发明的一种【具体实施方式】,所述P型接触层厚度设置在10nm?500nm之间。
[0025](三)有益效果
[0026]本发明采用PNiN结构的晶闸管激光器，可以有效解决现有技术中的问题。本发明使晶闸管激光器的结构更加简单，方便制作的同时也有利于大规模生产和产业化。同时本发明使晶闸管激光器的研究拓展到GaAs材料体系，有效拓宽了晶闸管激光器的波长范围，在正向偏压时具有晶闸管电学特性，即在正向偏压时可以起到开关作用，同时可以实现低阈值、大功率的激光。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是根据本发明提出的PNiN结构晶闸管激光器的剖面图；
[0028]图2根据本发明提出的PNiN结构晶闸管激光器的正向偏压的晶闸管电学特性图；
[0029]图3根据本发明提出的PNiN结构晶闸管激光器的光学功率-电流特性图。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0031]图1是根据本发明提出的一种PNiN结构晶闸管激光器的剖面图。如图1所示，该激光器由依次层叠的N型电极层1、N型衬底2、N型缓冲层3、N型限制层4、无掺杂有源区层5、N型反型层6、P型限制层7、P型接触层8和P型电极层9组成。
[0032]所述N型电极层I可由N型欧姆接触的材料构成，例如Au/Zn或AuGeNi。其厚度应设置在10nm?100nm之间,优选为350nm。其可通过热蒸发或磁控派射方法制备。
[0033]所述N型衬底2由GaAs材料构成。
[0034]所述N型缓冲层3由GaAs材料构成。其厚度应设置在50nm?100nm之间，优选为300nm。其可通过金属有机气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)进行材料生长制备。
[0035]所述N型限制层4可由AlGaAs材料构成，其中AlAs的组分可以是0.3?0.7的固定值，也可以是为线性渐变的值，例如AlAs组分变化范围为0.3?0.7。其厚度应设置在500nm?3000nm之间，优选为1200nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
[0036]所述无掺杂有源区层5可由II1-V组材料构成,例如GaAs, AlGaAs, InGaAs等。其中包括I?6个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs或AlGaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
[0037]所述N型反型层6可由GaAs和AlGaAs材料构成。其中AlGaAs中AlAs的组分可以是0.3?0.7的固定值，优选为0.47。其GaAs材料的厚度应设置在5nm?200nm之间，优选为1nm ；AlGaAs材料的厚度应设置在5nm?200nm之间，优选为35nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
[0038]所述P型限制层7可由AlGaAs材料构成。其中AlAs的组分为0.3?0.7的固定值，或者为线性渐变的结构，其中AlAs组分变化范围为0.3?0.7。其厚度应设置在500nm?3000nm之间，优选为1200nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
[0039]所述P型接触层8由GaAs材料构成。其厚度应设置在10nm?500nm之间，优选为200nm。其可通过MOCVD或MBE材料生长方法制备。
[0040]所述P型电极层9可由P型欧姆接触的材料构成，例如AuZn，TiAu。其厚度应设置在10nm?100nm之间,优选为350nm。其可通过热蒸发或磁控派射方法制备。
[0041]下面通过一个实施例来说明本发明的激光器及其相应的制备方法。
[0042]在该实施例中，该N型电极I制作在衬底2的下面，电极材料为AuGeNi。
[0043]N型衬底2采用GaAs衬底，其衬底是(100)面N型镓砷材料。
[0044]在N型衬底2上制作N型缓冲层3，该N型缓冲层也采用MOCVD进行外延材料生长，其厚度为300nm。
[0045]在N型GaAs缓冲层3上制作N型限制层4，该N型限制层4由AlGaAs构成，掺杂物是硅Si，掺杂浓度大于或等于lX1018cm_3。其中AlAs的组分是0.5，其厚度为1200nm。
[0046]在N型限制层4上制作无掺杂有源区层5，该无掺杂有源区层5的有源区材料是InGaAs量子阱材料，量子阱个数为2。以InGaAS为量子阱材料，GaAs为垒材料，AlGaAs为限制层材料，AlAs的组分为0.26。
[0047]在无掺杂有源区层5上制作该N型反型层6，N型反型层6由GaAs和AlGaAs构成，掺杂物是娃Si,掺杂浓度大于或等于lX1018cnT3。其中GaAs层厚度为1nm, AlGaAs层厚度为35nm，AlAs的组分为0.47。
[0048]在N型反型层6上制作P型限制层7，该P型限制层7由AlGaAs构成，基掺杂物是碳C，掺杂浓度大于或等于I X 118CnT3其中AlAs的组分是0.47，其厚度为1200nm。
[0049]在P型限制层7上制作该P型接触层8，该P型接触层8由GaAs构成，掺杂物是碳C，掺杂浓度大于或等于lX1018cnT3。其厚度为200nm。
[0050]在P型接触层8上制作该P型电极9，P型电极9电极材料为TiAu。其厚度为350nmo
[0051]由此结构材料制备的4微米条宽，300微米腔长的未镀膜激光器管芯在工作时，该结构的晶闸管激光器在正向偏压时具有晶闸管电学特性，同时可以实现50mA的低阈值、40mff的大功率的激光。
[0052]图2是该实施例的晶闸管激光器正向偏压的晶闸管电学特性图。如图所示，当正向偏压时，其电压-电流曲线呈现S型晶闸管电学特性，其开关点电压和保持点电压分别是IlV和4.6V，对应的电流分别是20mA和21mA。
[0053]图3是根据本发明提出的PNiN结构晶闸管激光器的功率-电流光学特性图，如图所示，此晶闸管激光器的阈值可低至50mA，功率可以高至40mW。
[0054]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，该晶闸管激光器由依次层叠的N型电极层(I)、N型衬底(2)、N型缓冲层(3)、N型限制层(4)、无掺杂有源区层(5)、N型反型层(6)、P型限制层(7)、P型接触层⑶和P型电极层(9)组成，所述N型反型层(6)由GaAs和AlGaAs材料构成。
2.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述N型衬底⑵由GaAs材料构成，所述N型缓冲层(3)由GaAs材料构成。
3.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述N型限制层(4)中的AlAs的组分为0.3?0.7的固定值。
4.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述N型限制层(4)中的AlAs的组分是变化范围为0.3?0.7的线性渐变值。
5.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述N型限制层(4)厚度设置在500nm?3000nm之间。
6.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述无掺杂有源区层(5)由II1-V组材料构成。
7.如权利要求6所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述无掺杂有源区层(5)包括I?10个量子阱，量子阱材料为InGaAs或GaAs或AlGaAs，垒的材料是AlGaAs或GaAs0
8.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述N型反型层(6)由GaAs和AlGaAs材料构成。
9.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述N型反型层(6)中的AlAs的组分为0.3?0.7的固定值。
10.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述N型反型层(6)厚度设置在1nm?400nm之间。
11.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型限制层(7)由AlGaAs材料构成。
12.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型限制层(J)中的AlAs的组分为0.3?0.7的固定值。
13.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型限制层(7)中的AlAs的组分是变化范围为0.3?0.7的线性渐变值。
14.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型限制层(7)厚度设置在500nm?3000nm之间。
15.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型接触层(8)由GaAs材料构成。
16.如权利要求1所述的PNiN结构晶闸管激光器，其特征在于，所述P型接触层(8)厚度设置在10nm?500nm之间。
【文档编号】H01S5/34GK104051961SQ201410289510
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】杨松 申请人:南京青辰光电科技有限公司