一种量子阱半导体激光外延结构及量子阱激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光技术领域，具体涉及一种量子阱半导体激光外延结构及量子阱激光器。
【背景技术】
[0002]半导体激光材料通常采用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法按照预先设计的结构在相应的衬底材料如GaAs或InP上生长而成。一个典型的半导体外延结构包含η型包层、非掺杂的有源区以及P型包层，其中有源区包含发光的量子阱以及波导层。图1为一典型的基于GaAs材料的635nm量子讲激光外延结构不意图，而图2a_b为其对应的材料折射率沿生长方向的变化。
[0003]对于半导体量子阱激光的量子阱结构来说，通常的量子阱结构可以是单量子阱结构，也可以是多量子阱结构，图3a_c分别示出了单量子阱、双量子阱、以及三量子阱结构。由图可见实际的量子阱是由带隙较窄的材料被夹在带隙较宽的材料中间形成的(如Ec和Ev所示)。当在导带量子阱中的电子与价带量子阱中的空穴复合时，就会放出一个光子，从而实现了光的产生。这种有源结构的缺点是不可避免地造成一定比例的载流子泄漏出量子阱，然后在量子阱区域外进行非辐射复合(见图4)，从而降低了器件的外量子效率，而且阈值电流也会上升。
【发明内容】
[0004]本发明主要解决的技术问题是提供一种量子阱半导体激光外延结构及量子阱激光器，可以使得量子阱激光器的泄漏载流子得到回收，从而提高了器件的内量子效率，降低了器件的阈值电流。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种量子阱半导体激光外延结构，包括有源层以及分别位于有源层的相对两侧且与有源层堆叠排列的第一包层和第二包层；有源层包括沿有源层与第一包层和第二包层的堆叠方向设置的第一波导层、第一量子阱层、第二量子阱层以及第二波导层；其中，第一量子阱层中载流子辐射复合时所发出的光子的波长对应于外延结构所需的输出波长，第二量子阱层中载流子辐射复合时所发出的光子的波长小于所述输出波长。
[0006]其中，第二量子阱层和第一量子阱层由同种材料制成，第二量子阱层的厚度小于第一量子阱层的厚度。
[0007]其中，第二量子阱层和第一量子阱层由不同材料制成。
[0008]其中，有源层进一步包括位于第一量子阱层与第二量子阱层之间的第一势皇层。
[0009]其中，外延结构进一步包括第一光栅结构，对应设置于第二量子阱层远离第一量子阱层的一侧，第一光栅结构的反射波长等于第二量子阱层中载流子辐射复合时所发出的光子的波长。
[0010]其中，有源层进一步包括第三量子阱层，第三量子阱层中载流子辐射复合时所发出的光子的波长小于输出波长。
[0011]其中，第三量子阱层和第一量子阱层由同种材料制成，第三量子阱层的厚度小于第一量子阱层的厚度。
[0012]其中，有源层进一步包括位于第一量子阱层与第三量子阱层之间的第二势皇层。
[0013]其中，外延结构进一步包括第二光栅结构，对应设置于所述第三量子阱层远离所述第一量子阱层的一侧，第二光栅结构的反射波长等于第二量子阱层中载流子辐射复合时所发出的光子的波长。
[0014]为解决上述技术问题，本发明还提供一种量子阱激光器，包括上述的半导体激光外延结构。
[0015]本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况，本发明量子阱半导体激光外延结构及量子阱激光器通过第二量子阱层收集从第一量子阱层中泄露出来的载流子，载流子在第二量子阱层中复合，发射出特定能量的光子，被第一量子阱层所吸收，重新产生可用的载流子，从第一量子阱层逃逸出的载流子被间接回收利用，提高了器件的内量子效率，降低了器件的阈值电流。
【附图说明】
[0016]图1是典型半导体量子阱激光外延结构示意图；
[0017]图2a为图1所示的采用折射率图限制异质结(SCH)结构的激光外延结构的折射率不意图；
[0018]图2b为图1所示的采用渐变折射率分别限制异质结(GRINSCH)结构的激光外延结构的折射率不意图；
[0019]图3a是单量子阱能带示意图；
[0020]图3b是双量子阱能带示意图；
[0021 ] 图3c是三量子阱能带示意图；
[0022]图4是逃逸出量子阱的载流子在量子阱外进行辐射与非辐射复合的能带示意图；
[0023]图5是本发明量子阱半导体激光外延结构第一实施例的结构示意图；
[0024]图6是本发明量子阱半导体激光外延结构第二实施例的结构示意图；
[0025]图7是本发明量子阱半导体激光外延结构第三实施例的结构示意图；
[0026]图8是本发明量子阱半导体激光外延结构第四实施例的结构示意图；
[0027]图9是本发明量子阱半导体激光外延结构第五实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]参照图5，在本发明量子阱半导体激光外延结构第一实施例中，激光外延结构包括:有源层51以及分别位于有源层51的相对两侧且与有源层51堆叠排列的第一包层52和第二包层53 ;有源层51包括沿有源层51与第一包层52和所述第二包层53的堆叠方向设置的第一波导层511、第一量子阱层512、第二量子阱层513以及第二波导层514 ;
[0029]其中，第一量子阱层512中载流子辐射复合时所发出的光子的波长对应于外延结构所需的输出波长，第二量子阱层513中载流子辐射复合时所发出的光子的波长小于输出波长。
[0030]其中，有源层51进一步包括位于第一量子阱层512与第二量子阱层513之间的第一势皇层515。
[0031]本发明量子阱半导体激光外延结构通过第二量子阱层513收集从第一量子阱层512中泄露出来的载流子，载流子在第二量子阱层513中复合，发射出特定能量的光子，被第一量子阱层512所吸收，重新产生可用的载流子，从第一量子阱层512逃逸出的载流子被间接回收利用，提高了器件的内量子效率，降低了器件的阈值电流。
[0032]在优选实施例中，第二量子阱层513和第一量子阱层514由同种材料制成，第二量子阱层513的厚度小于第一量子阱层514的厚度。
[0033]量子阱材料的光发射波长与阱宽的依赖关系:如忽略阱间耦合并采用无限深势阱的近似可求得量子能级与阱宽的关系，当阱宽变小时，电子能级提高，发射光能量也增加。所以，本实施例中，在所用的材料相同的情况下，控制第二量子阱层513的厚度，使之小于第一量子阱层512的厚度，进而第二量子阱层513中载流子辐射复合时所发出的光子的波长小于输出波长，载流子在第二量子阱层513中复合，发射出特定能量的光子，被第一量子阱层512所吸收。
[0034]在另一优选实施例中，第二量子讲层513和第一量子讲层512由不同材料制成，通过对第二量子阱层材料组分的调整，使第二量子阱层513中载流子辐射复合时所发出的光子的波长小于输出波长。
[0035]参照图6，在本发明量子阱半导体激光外延结构第二实施例中，除了本发明第一实施例类似的基本结构:
[0036]有源层61以及分别位于有源层61的相对两侧且与有源层61堆叠排列的第一包层62和第二包层63 ;有源层61包括沿有源层61与第一包层62和所述第二包层63的堆叠方向设置的第一波导层611、第一量子阱层612、第二量子阱层613以及第二波导层614 ;有源层61进一步包括位于第一量子阱层612与第二量子阱层613之间的第一势皇层615。
[0037]此外，外延结构进一步包括第一光栅结构64，对应设置于第二量子阱层613远离第一量子阱层612的一侧，且位于对应第二波导层614与第二包层63之间，第一光栅结构64的反射波长等于第二量子阱层613中载流子辐射复合时所发出的光子的波长。
[0038]根据光栅周期的长短不同，可将周期性的光纤光栅分为短周期(Λ〈1 μπι)和长周期(Λ>1μπι)两类。对于短周期的光纤光栅，当光谱光波在其中传播时，两个反向传播的芯模(导模)LPOl之间产生能量耦合，形成特定波长为λ B的反射波，对于前向传播的LP01，模β I = β 01 ;对于后向传播的LPOl，模β I = - β 01。两耦合模的传播常数差β = 2β 01较大，这种光栅称为布拉格光栅。本实施例中的周期性光栅64也可以米用布拉格光栅这种结构，但并不局限于这种结构。
[0039]本发明量子阱半导体激光外延结构通过第二量子阱层613收集从第一量子阱层612中泄露出来的载流子，载流子在第二量子阱层613中复合，发射出特定能量的光子，一部分被第一量子阱层612所吸收，重新产生可用的载流子，还有一部分被第一光栅结构64反射，然后被第一量子阱层612所吸收产生可用的载流子，利用以上的结构，从第一量子阱层612逃逸出的载流子被间接回收利用，提高了器件的内量子效率，降低了器件的阈值电流。本发