一种压应变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，具体涉及一种压应变量子阱半导体激光外延结构及量子讲激光器。
【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量子阱激光外延结构示意图，而图2为其对应的材料折射率沿生长方向的变化。由图2可见，激光外延结构的波导核层有两种不同的结构:即分别限制异质结(SCH)结构，与渐变折射率分别限制异质结(GRINSCH)结构。SCH结构与GRINSCH结构的区别在于前者材料组分恒定，而后者渐进变化。
[0003]激射波长为620-690nm的红色可见光半导体激光外延材料通常以GaAs为衬底材料，其量子阱结构通常采用In(X)Ga(1-X)P量子阱材料与In(X)(Al(y)Ga(l-y))(l-X)P势皇材料。当In的摩尔含量小于0.486时，量子阱材料的晶格常数小于衬底材料的晶格常数，此时量子阱处于张应变状态;而当In的摩尔含量大于0.486时，量子阱材料的晶格常数大于衬底材料的晶格常数，此时量子阱处于压应变状态。较长波长如大于650nm的激光量子阱材料通常采用压应变材料，这是因为压应变量子阱具有对载流子更强的限制特性，从而使得器件具有更好的工作特性。而对于波长小于640nm的外延结构，可以采用压应变或张应变量子阱结构。由于需要达到固定的工作波长，所以，对于压应变量子阱结构，需要采用较薄的量子阱材料，而对于张应变量子阱结构，量子阱材料层的厚度要更厚一些。图3给出了两种不同应变量子阱的示意图。
[0004]对于压应变量子阱来说，由于量子阱材料层的厚度更薄，导致一下三个缺点:
[0005]1.量子阱的透明载流子浓度高；
[000?] 2.量子讲的光场限制因子低；
[0007]3.需要多量子阱来提高光场的模式增益。
[0008]上述问题的综合结果是压应变量子阱的激光结构具有更大的阈值电流，以及较小的外量子效率，从而对激光器件的性能带来显著的负面影响。
【发明内容】
[0009]本发明主要解决的技术问题是提供一种压应变量子阱半导体激光外延结构及量子阱激光器，能够使压应变量子阱的厚度可以在很大范围内变化，从而得到更低的阈值电流、更高的外量子效率以及更好的温度特性。
[0010]为解决上述技术问题，本发明提供一种压应变量子阱半导体激光外延结构，其特征在于，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、量子阱以及第二波导层;所述量子阱采用四元的InGaAlP材料。
[0011]其中，量子阱的厚度为d，4nm<cK 15nm。
[0012]其中，量子阱用四元的InGaAlP材料中Al的摩尔分数在0.08到0.18之间。
[0013]其中，第一波导层和第二波导层采用四元的InGaAlP材料，且第一波导层和第二波导四元的InGaAlP材料中Al的摩尔分数小于量子阱四元的InGaAlP材料中Al的摩尔分数，第一波导层和第二波导四元的InGaAlP材料中大于量子讲四元的InGaAlP材料中In的摩尔分数。
[0014]其中，第一包层为η型包层，第二包层为P型包层。
[0015]压应变量子阱半导体激光外延结构进一步包括衬底层，第一包层、有源层和第二包层依次堆叠设置于衬底层上且所述第一包层与衬底层相邻设置。
[0016]其中，量子阱包含多个量子阱结构。
[0017]其中，第一波导层和第二波导层为分别限制异质结结构。
[0018]其中，第一波导层和第二波导层为渐变折射率分别限制异质结结构。
[0019]其中，第一波导层和第二波导层的折射率在生长方向上线性渐变或者非线性渐变。
[0020]为解决上述技术问题，本发明提供一种量子阱激光器，其特征在于，量子阱激光器包括上述的压应变量子阱半导体激光外延结构。
[0021]本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况，本发明压应变量子阱半导体激光外延结构及量子阱激光器，通过改变量子阱所用的材料，能够使压应变量子阱的厚度可以在很大范围内变化，从而得到更低的阈值电流、更高的外量子效率以及更好的温度特性。
【附图说明】
[0022]图1是典型半导体量子阱激光外延结构示意图；
[0023]图2是对应于图1激光外延结构的折射率图，(a)为分别限制异质结(SCH)结构，(b)为渐变折射率分别限制异质结(GRINSCH))结构；
[0024]图3是压应变和张应变量子阱能带示意图；
[0025]图4是本发明压应变量子阱半导体激光外延结构的第一实施例的结构示意图；
[0026]图5是四元的InGaAlP材料量子阱的厚底与材料组分之间的关系示意图；
[0027]图6是不同的材料增益与量子阱中的载流子浓度之间的关系示意图；
[0028]图7是三元材料与四元材料的激光功率与注入电流之间的关系示意图；
[0029]图8是本发明压应变量子阱半导体激光外延结构的第二实施例的结构示意图；
[0030]图9是本发明压应变量子阱半导体激光外延结构的第三实施例的结构示意图；
[0031]图10是本发明压应变量子阱半导体激光外延结构的第四实施例的结构示意图；
[0032]图11是本发明压应变量子阱半导体激光外延结构的第五实施例的结构示意图；
[0033]图12是本发明压应变量子阱半导体激光外延结构的第六实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]参照图4，本发明压应变量子阱半导体激光外延结构的第一实施例包括:有源层41以及分别位于有源层41的相对两侧且与有源层41堆叠排列的第一包层42和第二包层43;
[0035]有源层41包括沿有源层41与第一包层42和第二包43层的堆叠方向设置的第一波导层411、量子阱412以及第二波导层413;
[0036]量子阱412采用四元的InGaA IP材料，常规结构中一般采用三元I nGaP材料。图5给出了四元材料量子阱的厚度与材料组分之间的关系，由图可见，Al摩尔分数越大，量子阱的厚度越厚；In摩尔分数越大，量子阱的厚度越薄，因此采用了四元的InGaAlP材料的压应变量子阱的厚度可以在很大范围内变化，从而可以使得人们根据要求设计出具有更低阈值电流、更高外量子效率以及更好的温度特性的器件。
[0037]优选的，第一包层42为η型包层，第二包层43为ρ型包层，
[0038]图6给出了计算的材料增益与量子阱