专利名称：用于GAAS材料系统的长波长假同晶InGaNPAsSbI型和II型有源层的制作方法
工作于1.3μm和1.5μm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)期望用于低成本光电信系统和数据链路。这些器件的实现启动了数字通信的应用，比如“光纤到户”，在仅几公里的距离上工作。尽管工作于1.3μm波长的激光器正在引起高速通信的兴趣，因为这些激光器以光纤的最小色散工作，但是1.55μm激光器也正在对长距离通信感兴趣，因为它们以最小吸收发射。此外，长波长激光器具有一个低工作电压，使得它们具有与集成的基于Si电路进行集成的吸引力，其发展方向是越来越低的工作电压与较高的集成密度。由于1.3和1.5μm VCSEL潜在的巨大市场，目前已经进行了大量的研究，即，主要基于两种基片InP和GaAs通过使用不同途径开发器件。尽管InP是边缘发射激光器的传统基片材料，但是GaAs提供了较低基片成本和潜在的高器件性能的优点。
通常，VCSEL是光发射半导体器件，包括两个分布布拉格反射器(DBR)，在它们之间设有一个有源区，该有源区具有能发射理想波长的光的材料。
图1示意性地示出了一个典型的VCSEL结构。在此情况下，有源区包括若干由GaAs势垒分离的InGaAs量子阱，并且图示了在一个有源区中所需的一般的导带边缘线。该半导体结构被设计成在有源区中电子与孔穴之间具有最小的间隙，在该有源区中两种类型的载流子重组并发射光。所发射光的波长由该有源区中的电子与孔穴之间的能量差别确定。所示的特定有源区设计成发射980nm的光，但是发射更长波长的光还需要相同的设计程序。AlxGa1-xAs片用来限定谐振腔长度，该谐振腔长度是发射激光波长λ的半波长的倍数。其成分与相对折射率和不同层的带隙一起被显示。因为，在VCSEL中有源区短，典型地比激光波长(λ)小许多，所以光子通过有源区仅经历了一个小的单通光增益。因此，为达到激励激光的目的，在有源区的两侧需要高反射结构。作为制造有源区的需要这可以通过用同样的外延生长工艺，或者通过介电沉积技术容易地达到。反射镜由具有不同折射率材料的λ/4交变的层组成。激励的波长，部分波在这些层之间的界面处反射构成干扰，导致在窄光谱区域具有非常高的反射率。该薄膜层叠在有源区的两侧，形成所谓的分布布拉格反射器(DBRs)，典型地具有99％或更高的反射率。
需要用于光模的波导结构，例如图2示出的构造。在图2所示的一个指引波导器件中，光模通过绕一柱形蚀刻去材料形成一个空柱(air-post)器件限定。然后电流也限制在该柱形区内。另外可用增益波导。通过激发器件中的高能质子或者离子可产生很高电阻率区。由此限定了一个使通过电流集中于有源区上的区域。该增益区被横向限制，并且在自由区形成模。也可用这些方案的结合。近来在大力开发氧化限制器件。可选择氧化反射镜层以形成AlxOy包层提供电流限制和指引波导，这使器件具有低的阈值电流。
发光结构的工作原理可以是可逆的。如果适当波长的光直接照射在这种器件上，那么在两端产生电流，允许其作为检测器工作。为了高性能检测器，需要进行不同的优化，使其具有不同于发射器的最佳结构。图3所示是一个典型的结构。但是，用于光发射和检测的有源区使用了与普通型一样的层状结构。
VCSEL需要产生优质激光的有源材料和高反射率DBR的反射镜。在现有VCSEL的生产中所遇到的普遍问题已由美国专利5,719,894和5,719,895号广泛地评述，因此该专利在这里被全文引入。通常，在1.3到1.55μm区发光的VCSEL的生产由下面问题产生麻烦(1)很难生产用于InP衬底的高效DBR并且在实践中已发现是非常无效的；(2)用InP/InGaAsP生长的VCSEL由于材料的高热敏度和折射率性质使其性能低；(3)在GaAs上的生长产生优质激光的有源材料对于现有技术的VCSEL已被证实是不成功的。
在InP衬底上用于已晶格匹配的反射镜的材料是InP和InGaAsP。这些材料也有缺陷，即(i)低折射率等级；和(ii)不良的热敏性能。
低折射率等级显示其自身一些层需要产生一个具有理想反射率的DBR反射镜。当比较生长在GaAs上的AlGaAs叠层时，生长在InP上的叠层需要多个InP/InGaAsP层才产生相同的反射率。另外，InGaAsP显示比GaAs或AlAs具有较高的热敏度。这增加了器件的热敏问题，例如，有源区域的热，使其在室温下更难于达到可靠的连续波(CW)工作。如果工作电流加在这些区域上，该问题会进一步恶化，因为多数材料需要反射镜，这样增加了产生热传导的距离并且同时增加了产生的热值。
尽管GaAs在低基片成本、单晶生长技术和高反射率反射镜上提供了显著的优点，但是，在GaAs上生长高光学质量的有源材料是一个问题，许多研究人员已试图在多种方式上解决该问题。一个常用的解决该问题的方法是通过利用增益偏置。例如由Jewell等人公开的美国专利5,719,894和5,719,895，它们在这里引作参考。尽管由Jewell等人概述的方法看起来有一些诱人的作用，但是，仍普遍地发现用该方法很难达到发射所需波长的光，因为没有充分开发工艺参数如临界厚度。具体地对于美国专利US5,719,894号将遇到下述问题1.如Jewell等人所教导的，在半导体材料中加入氮(N)，比如InGaAs形成InGaNAs或者GaInNAs称为“吉尼斯”(“Guinness”)，已证实可增加波长。但是，达到1.3或者甚至1.55μm所需N的量，通常可导致对器件的性能和器件的寿命产生不利作用的高缺陷等级。这些问题随着所加入的N量而大大增加。
2.尽管一些研究者相信形成四价合金，但是另一观点仍认为N作为杂质或者缺陷状态掺入，会导致增益的饱和。
3.N的加入是一项复杂的技术。问题是在有源材料中可靠地加入多于1％的N。一般地，该材料因此在低温下生长，导致了劣质的结晶质量和后面的热处理。但这些步骤不能完全解决由低温生长带来的缺陷。
另外，对于美国5,719,895号，当对半导体应用该技术时可遇到下面的问题/不足1.在目前的技术下InAs/GaAs超晶格的生长极其困难，因为在InAs和GaAs之间产生大的晶格失配。
2.在高应变的外延生长中，层状结构不能光滑地生长，甚至阱低于临界厚度。层状结构可显示出表面粗糙或者波纹，并且还可能出现岛状，随着有源区的量急剧下降，导致为本发明的目的的量子点的构造被认为可与“量子岛”(quantum islands)功能性地互换。
3.用于描述应变的理论模型通常过于简单地叙述生长过程。其它生长方式，例如(Stranski-Krastanov)，将导致用于厚层阱的量子点构造要低于临界厚度。在这种情况下在形成岛或者点处有源区的量变得十分小。这将减小由层状结构提供的可达到的最大增益。而且，很可能点的尺寸是一个整体，它导致较宽的谱线，和较低的材料增益峰值。
4.十分光滑的层状结构能够达到临界厚度，就公知的而言，从未在实验上实现与本发明有关所提出的结构。甚至在这种情况下超结晶结构包括一个单一InAs层和一个GaAs层的重复单元，在达到临界厚度之前应变累积可导致表面粗糙。结构的不均匀性，如波纹，将引起宽谱线和降低增益。
5.这些结构的生长还很可能导致材料缺陷的产生(例如错位)。这将严重降低材料的增益特性和缩短由这种材料产生的任何激光的寿命。
避免上面概述的现有技术VCSEL问题的最有前途的，虽然复杂的方法之一是已使用的薄膜合成，其中有源区和DBR生长在分开的InP衬底上，然后将其粘合在一起，以形成VCSEL。这样经常导致复杂的制造工艺并伴有产量问题以和各器件的高成本。
为了保证可靠性和再现性并克服InP/InGaAsP材料系统的限制，特别是因为基于GaAs的技术通常比基于InP的技术更成熟，其它基于GaAs结构的开发正引起广泛关注。但是，能够在GaAs上生长并具有适合发射1.3μm光的带隙的材料不易发现。
在一方法中，量子点(QD)结构已经被发展。InGaAs QD已显示在1.3μm可光致发光(PL)，并且已经实现光电二极管谐振腔工作在1.27μm。近来，在1.3μm附近工作的边缘发射QD激光器也已被证实。已注意到室温(RT)下在1.3μm处用已应变的GaAsSb量子阱(QWs)光致发光(PL)并已报道在边缘发射器件中在1.27μm处产生激光。另外在基于GaAs的VCSEL结构中用单一GaInNAs QW实现发射1.18μm较长波长的光，并在RT下间歇工作。还注意到在具有II型能带边缘的GaAsSb/InGaAs双重QW试样中PL波长达到1.33μm。用于长波长器件具有II型能带边缘结构的可行性和边缘发射LED的制造已得到证实。
发明概述本发明克服了现有VCSEL器件所遇到的问题，并且通过设置具有量子阱结构的有源区，提供一用于发射1.0到1.6μm波长的产生方法。该量子阱能够用于在GaAs衬底上生长的激光器中。这种有源区将应变补偿势垒与在量子阱中不同能带边缘组合以达到发射长波长光，而同时在结构中将应变减小到最小。本发明提供一结构，该结构通过具有许多构形的多组分合金层的制造而形成。该合金配制得使其各个成分都对累积应变和发射/吸收长波长光作出贡献。根据本发明制成的器件可用于光的发射和吸收，或者光的调制，或者其中之一，并且根据它们的物理和光学性能特别适合于成功或者最佳发射和/或吸收具有特定波长的光。就此而论，通过参考波长可有益地提供和说明器件，在该波长处该器件能够有效地操作，即吸收和/或发射光。用于量子阱层的合金成分是最佳的以使可能达到最长的波长，和最小的总的应变。另外，应变补偿势垒层帮助进一步降低结构的总应变，因此具有极小的错位构造或者对器件性能和器件寿命起反作用的其它缺陷。在这里描述的合金形成层中最重要的成分是氮(N)，它可降低带隙能(较长波长)，而同时降低晶格常数，因此减小应变。磷(P)也具有这种性质，而锑(Sb)和铟(In)使生长在GaAs上的层状结构晶格常数增大并且因此引起压缩应变。在以比几个百分点高的量加入N是复杂的，并且潜在地导致结晶质量的劣化。于是，在与其它合金成分结合中，N所用的量从技术的观点来看要易于处理，而提供一个重要的附加量以最大限度地达到波长。
本发明所述的有源层结构是如下面所述基本的标准部件的综合，并全部都依赖量子限制。对于量子限制，层状结构需要结合层和层之间互不相同的价带能和导带能。在图4中示出了最简单的这种量子阱结构。具有较低导带边缘和较高价带边缘的层—空穴具有一个反向能量标度—该层夹在较高导带边缘和较低价带边缘之间。电荷载流子，导带中的电子和价带中的空穴在该结构量子化的能级中变成陷阱并且非常有效地复合，发射波长与最低导带能级和最高价带能级之间的距离一致的光。该器件作为检测器工作，这样的量子阱具有很高吸收作用和好的探测灵敏度。如前面所述，具有这种结构的器件可具有光处理效用，即可作为光发射器或者光接收/探测器，或者光调制器，或任意或所有这些不时根据需要使用的器件。
为了提高包含该结构量子阱的效率，如图5所示，若干个量子阱以周期的次序层叠。当量子阱紧密地耦合时，这样的布置叫作超结晶格子并沿周期方向有其自身能带结构，形成具有独特性能的人造层状材料。当量子阱弱耦合时，量子阱的能级被保留，以使多个量子阱能带结构是各个量子阱的简单倍数。
为了降低跃迁能，如图6所示，在价带边缘和导带边缘不同位置的两个量子阱层能够直接结合。这样II型量子阱在空间上有一个分开的区域以俘获电子和空穴，使在最深电子阱中的最低能级和最高空穴阱中的最高能级之间跃迁。低跃迁能的优点是通常伴随着降低的跃迁效率，因为对于电子和空穴的波动函数是空间上分离的并且它们的重叠减小。该重叠的精确值很大程度上取决于具体的能带结构，并且已证实的构形显示类似上述(I型)特殊直接量子阱的很高效率。
如图7所示，波动函数重叠的一个改进方法是使II型耦合阱对称，其中形成三层结构以使两个电子(空穴)阱之间的势垒相对降低。在这种情况下，电子(空穴)的波动函数在结构的对称轴上有一个高值，此处空穴(电子)的波动函数是最大值。这导致高效率跃迁和好的器件性能。
典型地，这里论述的该结构的量子阱有一个比衬底大的晶格常数。为在该结构中降低总的累积应变，该应变能够导致对器件性能不利的缺陷，在量子阱两侧的势垒层可以由比衬底晶格常数值小的材料制成。尽管层状结构彼此是应变的，但是整个结构的平均应变是降低的甚至变成零。这一设计原理叫作应变平衡并如图8所示。
为了克服现有技术VCSEL器件和制造方法所遇到的问题，本发明公开了对具有I型和II型能带边缘线的应变补偿结构的使用。应变补偿的使用可在没有材料质量衰变的情况下生长多层，因此在器件设计上提供较高的自由度。
简要描述附1是在右边显示导带能/折射率/材料成分变化的普通VCSEL结构的示意图。(现有技术。)图2示出了典型的VCSEL结构显示(a)指引波导器件(b)增益波导器件，(c)氧化限制器件。(现有技术。)图3显示用相同有源区材料作为VCSEL的普通检测器的结构。(现有技术。)图4表示I型量子阱。
图5示出I型多个量子阱。
图6示出II型量子阱。
图7示出II型对称量子阱。
图8表示应变补偿的原理。
图9示出所设计的用于发射近1.3μm的光的I型应变补偿QW系统的能带边缘线的示意图。
图10对照应变用于GaAs上的GaPAsSb连续的应变比较带隙能点。负应变值表示压缩应变。右手阴影区域是直接带隙材料，而左手阴影区域是间接带隙材料。
图11是根据本发明利用材料系统1的一个A/B/C/B/A I型单量子阱。
图12是根据本发明利用材料系统1的一个A/B/C/B/A I型多量子阱。
图13是根据本发明利用材料系统2的一个A/B/C/D/B/A II型单量子阱。
图14是根据本发明利用材料系统2的一个A/B/C/D/B/A II型多量子阱。
图15是根据本发明利用材料系统3的一个A/B/D/C/B/A II型单量子阱。
图16是根据本发明利用材料系统3的一个A/B/D/C/B/A II型多量子阱。
图17是根据本发明利用材料系统4的一个A/B/D/C/D/B/A II型单量子阱。
图18是根据本发明利用材料系统4的一个A/B/D/C/D/B/A II型多量子阱。
图19是根据本发明利用材料系统5的一个A/B/C/D/C/B/A II型单量子阱。
图20是根据本发明利用材料系统5的一个A/B/C/D/C/B/A II型多量子阱。
详细描述最佳实施例尽管使用已应变的异质结InwGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z/AlpGa1-pAs/GaAs，本发明的材料系统包括1)压缩应变的InwGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z量子阱和具有I型能带线的拉伸应变AlqGa1-qNrPsAs1-r-s势垒层；和2)利用具有II型能带线的多InwGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z/InaGa1-aNbAs1-b层的压缩应变量子阱和拉伸应变AlqGa1-qNrPsAs1-r-s势垒层。两个材料系统在GaAs衬底上假同晶(pseudomorphically)地生长。作为这里使用的“假同晶”意思是具有错合位错的足够低的密度以用于制造具有足够高寿命的激光器。本发明使用了I型和II型的能带边缘线。
本发明通过利用单一或者多个生长在材料A上的，具有应变补偿材料B，I型有源材料C，或者具有II型有源材料C和D的有源材料的组合可达到发射或者吸收在1.0μm到1.6μm波长范围的光。
对于I型有源层材料系统1＝A-B-(C-B)[n倍]-A，n＝1，2，3…对于II型有源层材料系统2＝A-B-(C-D-B)[n倍]-A，n＝1，2，3…
材料系统3＝A-B-(D-C-B)[n倍]-A，n＝1，2，3…材料系统4＝A-B-(D-C-D-B)[n倍]-A，n＝1，2，3…材料系统5＝A-B-(C-D-C-B)[n倍]-A，n＝1，2，3…其中各个层是A＝AlpGa1-pAs 0≤p≤1B＝AlqGa1-qNrPsAs1-r-s0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1C＝InwGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1D＝InaGa1-aNbAs1-b01≤a≤1；0＜b＜0.1量子阱-层C和D-是压缩应变的，而在间隔势垒中拉伸应变—在有源区中层B用于全部或者部分补偿总的应变。补偿应变的程度影响总厚度和能够以无位错的生长的量子阱的数量。在这些多种材料系统的最佳实施例中，由于层状结构的一层建造在另一层的顶面上，因此每一层要平行于另一层。
用立体模型理论，由本发明所公开结构的能带边缘示意图可构成材料组分的函数。作为一个示出的实施例，图9示出了根据本发明制成的特殊材料系统的导带和价带边缘线。势垒的成分是GaP0.42As0.58和阱的成分是GaP0.37As0.08Sb0.55。这些材料的室温带隙，与界面处不连续的能带一起显示。势垒的应变是+1.5％(拉伸)，而对于阱层是3％(压缩)。对于上面给出的势垒和阱的成分，对于8nm宽的势垒和阱在QW中被限制的电子和空穴之间的跃迁能已计算为0.96eV。该结果与近1.3μm的波长相一致，因此证实了本发明工作在理想波长范围的性能。
为了证实这些结构实验的可行性，通过分子束外延(MBE)用装有阀的腔裂解晶胞生长试验样品，以通过数字合金化用于精确控制层的成分。通过数字合金化的结合和使用混入的V族元素，实际上可以达到层的化学计量以提供理想的波长特征(例如≥1.3μm)。
令人吃惊的是，与本发明有关已发现P和Sb的掺杂能够使VCSEL具有波长≥1.3μm同时比公知的传统器件具有足够长的寿命。该结果与那些本领域普通技术人员通常使用的方法相反。一般地，相信P和Sb的掺杂将导致材料具有间接带隙，尤其是当QW中几乎没有或者没有In时。因此，确信这种材料作为电信波长器件的元素已被大大或者完全忽略。另外，应变的影响和直接和间接带隙的成分没有很好地确定。与本发明有关已发现P和N的掺杂能够降低材料的应变，因此临界厚度变大。在表面粗糙/起波纹之前，这使其易于生长高质量的假同晶(无缺陷的)材料层。该材料的使用提供一个新的参量空间，允许使用改进的应变补偿层以提供高质量外延材料。通过使用本发明公开的材料和方法，还可以选择QW的成分以使有源材料有一个直接的与在1.3μm附近波长一致的能带到能带的能量跃迁。
易于发射达到并超过1.3波长的光的(In)GaNPAsSb材料系统是大带隙GaPSb的弧状参数。但是，在GaAs上的假同晶GaPSb是一个间接带隙材料其压缩应变级低于-5％并且因此对于激光器不适合作为有源材料。为了在低于-5％应变能级获得0.96eV(1.3μm)直接带隙材料；少量的As或者InAs必须添加到GaPSb中。例如，图10所示是GaPAsSb的带隙能对照的应变。在图10中，三元的GaPAs，GaPSb，和GaAsSb三变量接近GaPAsSb四元区。
对于标记“直接带隙”(在图10中)的最低能带到跃迁带的区域是在导带的Γ点和价带的Γ点之间。这些成分对于激光器适合作为有源材料。对于标记间接带隙的区域，最低能带到跃迁带是一个在导带的X或者L最低点和价带的Γ点之间的间接跃迁；这些成分对于激光器不适合作为有源材料。图10中显示了在Γ点计算的带隙能值。
X，L和Γ能带结构标记法涉及单独电子或者晶体的动量值。直接跃迁能级借助在具有相同动量(例如，Γ点到Γ点)的能态之间的电子运动。而间接跃迁能级在跃迁期间借助在动量和能级中的变化。间接带隙材料对于激光器不适合作为有源材料，因为为了节省动量光的能带到能带的跃迁需要附加微粒的调节；这可以极大降低光的跃迁产生的机率。
由于GaP有一个较大的带隙(＞2eV)和一个间接带隙，所以(In)Ga(N)PAsSb材料系统适合用于基于GaAs的长波长激光器是非显而易见的。(In)Ga(N)PAsSb材料系统的不显著的性质使其适合基于GaAs的激光器包括，但不限于此1)GaPSb的较大的弧状带隙参数；如图10，其中GaPSb三元素的中间元素的带隙比二元素端点的其中一个的带隙小(GaP或者GaSb)。
2)混入V族成分(P，As和Sb)在此为GaPAsSb的大范围是直接带隙材料。
N和In加入到这些合金中使带隙能进一步降低并且因此具有较长的工作波长。N好象作为定域态加入，在窄谐振带和导带之间引起强的相互作用，因此减小了直接跃迁的原始带隙。已经证实与只有很小N百分比的不含N合金相比，有源层加入N能够在急剧错位的VCSEL器件中产生激光。因为大量的N难于加入，例如在InGaAs中，对于器件应用这些单V族元素(As)系统，达到均匀发射1.3μm是一项复杂的工作。通常，该层状结构需要在低于生长温度下生长然后退火，使其处于高缺陷密度中和在合金中结构变形，同样显然根据位错发射或吸收波长。本发明通过加入的N与上述结构结合避免这些困难，使在波长中明显地添加位错而保持应变和缺陷密度降低。因为根据生长温度和粘着系数，特别对于金属稳定生长方式，Sb是一个较好匹配，所以在这些合金中增加Sb部分来代替具有N的In，可更好地加入N并因此获得更好质量的层状结构。
本发明的一个实施例，这里由系统1表示，包括一个层状序列的有源层，该层状序列在衬底上可以是A-B-C-B-A接近GaAs成分，即包括GaAs和/或在基本比例上其结构和功能的等价物；其中A＝AlpGa1-pAs0≤p≤1B＝AlqGa1-qNrPsAs1-r-s0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1C＝InwGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1为了标记清楚，便于理解概念上层状序列表示为A-B-C-B-A(仅作为举例描述)，其特征是连续的叠层，每一层与下一表示的层相邻(再接着仅是举例描述，A成分层与B成分层相邻，在B成分的相对侧与C成分层相邻，反过来C成分层的相对侧与B成分层相邻，该B成分层最后在其相对侧与A成分层相邻)。该示意的层状序列的能带结构由图11显示。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
在本发明的另一实施例中，有源层的C-B单元可以重复，如图12中所示意的结构。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
本发明的一实施例，这里由系统2表示，包括在衬底上层状序列A-B-C-D-B-A的有源层接近GaAs成分；其中A＝AlpGa1-pAs0≤p≤1B＝AlqGa1-qNrPsAs1-r-s0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1C＝InwGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1D＝InaGa1-aNbAs1-b0≤a≤1；0＜b＜0.1该层状序列的示意的能带结构由图13显示。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
在本发明的另一实施例中，有源层的C-D-B单元可以重复，如图14中所示意的结构。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
本发明的一实施例，这里由系统3表示，包括在衬底上层状序列A-B-D-C-B-A的有源层接近GaAs成分；其中A＝AlpGa1-pAs 0≤p≤1B＝AlqGa1-qNrPsAs1-r-s0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1
C＝InwGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1D＝InaGa1-aNbAs1-b0≤a≤1；0＜b＜0.1该层状序列的示意的能带结构由图15显示。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
在本发明的另一实施例中，有源层的D-C-B单元可以重复，如图16中所示意的结构。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
本发明的一实施例，这里由系统4表示，包括在衬底上层状序列A-B-D-C-D-B-A的有源层接近GaAs成分；其中A＝AlpGa1-pAs0≤p≤1B＝AlqGa1-qNrPsAs1-r-s0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1C＝InwGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1D＝InaGa1-aNbAs1-b0≤a≤1；0＜b＜0.1该层状序列的示意的能带结构由图17显示。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
在本发明的另一实施例中，有源层的D-C-D-B单元可以重复，如图18中所示意的结构。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
本发明的一实施例，这里由系统5表示，包括在衬底上层状序列A-B-C-D-C-B-A的有源层接近GaAs成分；其中A＝AlpGa1-pAs 0≤p≤1B＝AlqGa1-qNrPsAs1-r-s0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1
C＝InwGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1D＝InaGa1-aNbAs1-b0≤a≤1；0＜b＜0.1该层状序列的示意的能带结构由图19显示。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
在本发明的另一实施例中，有源层的D-C-D-B单元可以重复，如图20中所示意的结构。在B层中r＝s＝0，应变补偿也可以是零。
显然对于本领域的普通技术人员上述的本发明的方式和实例，它们已经公开的本发明的用途方面和其优点，仅是说明和示范性的，并不能描述和限定本发明的构思和范围，本发明的构思和范围只在下面的权利要求中限定。上面所提及的所有参考在这里被全文引入。
权利要求
1.一种光处理器件包括(a)一衬底和(b)一个有源区，其中所述衬底包括具有一晶格常数的半导体材料，和其中所述有源区包括多个层，该层包括(i)至少一个假同晶光处理层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z(0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1)和；至少一个假同晶势垒层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1，0＜t＜1)，和其中在所述有源区中所述多层的每层具有一成分，该成分不同于任意相邻层的成分。
2.由权利要求1所述的器件，其中光处理包括从(a)发射光；(b)接收光；(c)传感光；和(d)调制光中选择的处理。
3.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区进一步包括(iii)至少一个假同晶光处理层包括InaGa1-aNbAs1-b(0≤a≤1；0＜b＜0.1)。
4.由权利要求3所述的器件，其中在所述有源区中所述多层结构的每一层基本上平行设置在一个共同的平面上。
5.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区包括一个A-B-C-B-A层的序列，其中A层包括AlpGa1-pAs(0≤p≤1)，B层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1，0＜t＜1)，和C层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-s-y-z(0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1)，和其中在B层和C层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线。
6.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区包括一个A-B- 层的序列，其中A层包括AlpGa1-pAs(0≤p≤1)，B层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(0≤q≤1；0≤r≤0.10≤s≤1，0＜t＜1)，和C层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z(0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1)，和其中(C-B)层的序列可相邻地连续地重复n倍，n是一个大于1的整数倍，并且在B层和C层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线。
7.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区包括一个A-B-C-D-B-A层的序列，其中A层包括AlpGa1-pAs(0≤p≤1)，B层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(O≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1，0＜t＜1)，和C层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z(0≤w≤1；0＜x＜0.1；O≤y≤0.6；0＜z＜1)，D层包括InaGa1-aNbAs1-b(0≤a≤1；0＜b＜0.1)，和在B和C层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，和其中在B和D层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，和其中在C和D层之间形成的能带结构是一个II型的带隙线。
8.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区包括一个A-B- 层的序列，其中A层包括AlPGa1-PAs(0≤p≤1)，B层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1，0＜t＜1)，和C层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z(0≤w≤10＜x＜0.10≤y≤0.6；0＜z＜1)，D层包括InaGa1-aNbAs1-b(0≤a≤1；0＜b＜0.1)，和其中(C-D-B)层的序列可相邻地连续地重复n倍，n是一个大于1的整数倍，并且在B和C层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，在B和D层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，和在C和D层之间形成的能带结构是一个II型的带隙线。
9.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区包括一个A-B-D-C-B-A层的序列，其中A层包括AlPGa1-PAs(0≤p≤1)，B层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1，0＜t＜1)，和C层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z(0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.60＜z＜1)，D层包括InaGa1-aNbAs1-b(0≤a≤1；0＜b＜0.1)，和在B和C层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，在B和D层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，和在C和D层之间形成的能带结构是一个II型的带隙线。
10.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区包括一个A-B- 层的序列，其中A层包括AlPGa1-PAs(0≤p≤1)，B层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1，0＜t＜1)，和C层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z(0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜)，D层包括InaGa1-aNbAs1-b(0≤a≤1；0＜b＜0.1)，和其中(D-C-B)层的序列可相邻地连续地重复n倍，n是一个大于1的整数倍，在B和C层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，在B和D层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线和在C和D层之间形成的能带结构是一个II型的带隙线。
11.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区包括一个A-B-D-C-D-B-A层的序列，其中A层包括AlPGa1-PAs(0≤p≤1)，B层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1，0＜t＜1)，和C层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z(0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1)，D层包括InaGa1-aNbAs1-b(0≤a≤1；0＜b＜0.1)，和其中在B和C层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，在B和D层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，和在C和D层之间形成的能带结构是一个II型的带隙线。
12.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区包括一个A-B- 层的序列，其中A层包括AlPGa1-PAs(0≤p≤1)，B层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1，0＜t＜1)，和C层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z(0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1)，D层包括InaGa1-aNbAs1-b(0≤a≤1；0＜b＜0.1)，和其中(D-C-D-B)层的序列可相邻地连续地重复n倍，n是一个大于1的整数倍，和其中在B和C层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，在B和D层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，和在C和D层之间形成的能带结构是一个II型的带隙线。
13.由权利要求2所述的器件，其中所述有源区包括一个A-B- 层的序列，其中A层包括AlPGa1-PAs(0≤p≤1)，B层包括AlqGa1-qNrPsAstSb1-r-s-t(0≤q≤1；0≤r≤0.1；0≤s≤1，0＜t＜1)，和C层包括InWGa1-wNxPyAszSb1-x-y-z(0≤w≤1；0＜x＜0.1；0≤y≤0.6；0＜z＜1)，D层包括InaGa1-aNbAs1-b(0≤a≤1；0＜b＜0.1)，和其中(C-D-C-B)层的序列可相邻地连续地重复n倍，n是一个大于1的整数倍，和其中在B和C层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线，在B和D层之间形成的能带结构是一个I型的带隙线和在C和D层之间形成的能带结构是一个II型的带隙线。
14.由权利要求2或3所述的器件，其中包括所述有源区的所述多个层中的至少一个层在生长过程中所述获得量子点阵，其中至少形成一层。
15.由权利要求2所述的器件，其中在约300K的室温下可由器件处理的光的波长是至少约1150nm。
16.由权利要求2所述的器件，其中在约高于300K的室温下可由器件处理的光的波长是至少约1150nm。
17.由权利要求2所述的器件，其中在约低于300K的室温下可由器件处理的光的波长是至少约1150nm。
18.由权利要求2所述的器件，其中所述衬底包括具有一个晶格常数的GaAs。
19.由权利要求2所述的器件，其中所述衬底包括GaAs与其它附加衬底组分结合，该附加衬底组分由包括Al，In，和一掺杂剂组中选取。
20.由权利要求2所述的器件，其中还包括(c)具有第一导电型的第一导电层并置于与有源区电接触；(d)一个具有第二导电型的第二导电层并置于与有源区电接触；(e)与所述有源区电连接，其中所述电连接具有处理电流的能力，和其中所述处理包括从下面的组中选择的处理，包括(i)给有源区提供电流；和(ii)接收来自所述有源区的电流。
21.由权利要求20所述的器件，其中所述第一和第二导电层的带隙比在所述有源区中层状序列的带隙大。
22.由权利要求20所述的器件，还包括空的半导体界面，其中所述半导体界面适合于光处理。
23.由权利要求22所述的器件，其中所述半导体界面通过一从包括蚀刻和粘合组中选择的工艺步骤形成，以形成一个与所述多层的各层基本上平行的平面垂直的腔。
24.由权利要求20所述的器件，还包括(f)设置在所述第二导电层上的光栅层，其中所述光栅层包含线性伸长超过至少部分所述有源区，和其中所述光栅层限定一个具有光谐振的光学腔，该谐振与谐振波长一起与谐振能一致，和其中在真空中以微米测量的谐振波长约等于1.24，与以电子伏测量的谐振能分开。
25.由权利要求24所述的器件，其中光栅线由谐振波长的四分之一的n倍位移，其中n是一个大于或等于1的整数，由此形成相移光栅。
26.由权利要求20所述的器件，还包括(f)一个设置在所述有源区下面的下反射镜；(g)和一个设置在所述有源区上面的上反射镜，所述反射镜与谐振能一起限定了一个与谐振波长一致的光谐振腔，和其中在真空中以微米测量的谐振波长约等于1.24，与以电子伏测量的谐振能分开。
27.由权利要求26所述的器件，其中所述下反射镜包括多个交替地相邻设置的较高折射率和较低折射率层。
28.由权利要求27所述的器件，其中所述多个较低折射率的下反射镜层中至少一层包括氧化材料。
29.由权利要求26所述的器件，其中所述上反射镜包括多个交替地相邻设置的较高折射率和较低折射率层。
30.由权利要求29所述的器件，其中每个所述低折射率层是从以下组中选取的，包括氧化材料；低折射率介电材料；和低折射率半导体材料。
31.由权利要求29所述的器件，其中每个所述高折射率层是从以下组中选取的，包括高折射率介电材料；和高折射率半导体材料。
32.由权利要求20所述的器件，还包括(f)设置在所述上反射镜和所述有源区之间的两区域孔。
33.由权利要求32所述的器件，其中所述两区域孔的第一区具有相对低的电阻和所述两区域孔的第二区具有比所述孔的第一区的电阻高的电阻。
34.由权利要求32所述的器件，其中所述两区域孔的第一区的折射率比所述两区域孔的第二区的折射率高。
35.由权利要求32所述的器件，其中所述两区域孔包括氧化材料和其中所述孔的第二区比所述孔的第一区氧化程度高。
36.由权利要求32所述的器件，其中所述两区域孔通过蚀刻一柱形结构形成。
37.由权利要求32所述的器件，其中所述器件包括光电谐振腔(RCPD)。
38.由权利要求32所述的器件，其中所述器件包括发光二极管谐振腔(RCLED)。
39.由权利要求32所述的器件，其中所述器件包括一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
40.由权利要求32所述的器件，其中所述器件包括用于光数据通信的垂直腔表面发射激光器。
41.由权利要求40所述的器件，其中所述器件的发射波长在约1260nm到1360nm之间。
42.由权利要求40所述的器件，其中所述器件的发射波长在约1360nm到1460nm之间。
43.由权利要求40所述的器件，其中所述器件的发射波长在约1460nm到1610nm之间。
44.由权利要求40所述的器件，其中所述器件包括光调制器。
全文摘要
本发明公开一种改进结构的和用于形成光处理(例如光发射和光接收/传感)技术的器件,尤其是垂直腔表面发射激光器(VCSEL),比如发现用于通信的应用。所公开的VSCAL器件和制造方法提供一生长在含有GaAs的衬底上的具有量子阱的有源区结构,因此提供适合处理具有1.0到1.6μm范围波长的光的处理器。有源区结构结合在量子阱中具有不同带线的应变补偿势垒,以达到发射长补偿光,而同时在结构中降低应变。所公开的器件的改进的作用是建立了具有大量组分的多成分合金层。每一合金层可根据所公开的选择成分选择,以提供累积应变和长波长的发射/吸收的不同的构造。另外最小应变势垒层补偿或者进一步改善在结构总应变方面提供帮助,因此,降低最适宜的位错影响水平或者其它有损器件性能和器件寿命的缺陷。本发明公开的在推荐合金层中的关键组分用于有源区的物质,如氮(N),适合于降低联合层的带隙能(即增加光波长),而同时降低联合结构的晶格常数并因此降低应变。
文档编号H01S5/343GK1384990SQ00814968
公开日2002年12月11日 申请日期2000年11月1日 优先权日1999年11月1日
发明者沙恩·约翰逊, 菲利普·多德, 沃尔夫冈·布劳恩, 张永航, 郭长志 申请人:亚利桑那董事会