[发明专利]降低蓝移的InP基激光器

说明书

技术领域

本发明一般涉及半导体量子阱结构，更具体地说，本发明涉及能够更好地控制其之比变量的InP和InGaAs量子阱二极管激光器。

发明背景

许多先进的电子和光电子集成电路都是基于诸如Ⅲ-Ⅴ族半导体的化合物半导体。砷化镓(GaAs)便是一项已成熟技术的基础，而磷化铟(InP)和相关材料还没有这么成熟，但是已经受到人们极大关注，尤其是在特别适合与石英光纤相集成的1.55μm光波长波段工作的诸如激光器和光学调制器的有源光电子器件方面。铟镓砷(InGaAs)通常被看作是InP基的材料，因为能够制备出晶格常数变化极小同时在具有重要商业价值的1550nm光谱上提供能带隙控制的InP合金。

Ⅲ-Ⅴ族半导体的根本优点在于能够采用诸如有机物金属化学汽相淀积法(OMCVD)和分子束外延法(MBE)等现代薄膜生长技术外延生长几乎任意组分的Ⅲ-Ⅴ族薄膜，假设Ⅲ族阳离子和Ⅴ族阴离子相等，因此能够获得许多重要的半导体特性，如自由设定电子能带隙。Ⅱ-Ⅵ族半导体具有同样的自由度。能够如此实现的一种重要结构是激光器和调制器经常使用的单量子阱或多量子阱(MQC)结构，图1以示意图方式示出这种结构一个例子，水平轴代表外延生长方向，垂直轴代表不同材料的电子能带隙。例如，电子二极管结构包括n型InP层10和p型InP层12，它们将未掺杂有源层14夹在当中，未掺杂的有源层14包括InGaAs阱16和InGaAsP势垒18交替层叠的薄膜层。阱和势垒14和16足够薄，通常小于10nm，在阱14中形成一个或多个量子机制价带状态20和导电状态22。量子阱的数目可以是一个也可以是多个。

在阱14中价带和导电状态20与22之间的有效能带隙与阱的材料组分和阱的厚度有关。尽管通常将组分选择为与InP衬底相匹配的晶格，但是，可以在阱和势垒中引入可控制的应变量，进一步控制电子能带结构。结果是有源层14具有高的窄电子状态密度，假设阱14制作得很好，可以方便地改变决定光学特性的有效能带隙。在典型的光电子器件中，将电引线连接到两个InP层10和12上，在垂直于图所示z轴方向的方向上沿有源层14形成未示出的光学波导结构，从而将有源层14中的大部分光波限制在与电学控制载流子相互作用的地方。

然而，形成光学限定结构的工艺会使多量子阱结构产生退化。在图2的截面图中示出了典型的简化埋入式异质结构MQC激光器的设想。生长图1所示的垂直平面结构，然后，形成图案并刻蚀，从而形成沿y方向延伸的脊，沿包含多量子阱的有源层14的x方向有一有限的宽度。此后，在脊的周围再外延生长半绝缘InP 24，降低有源层14相对于周围材料折射率的双比度，限制流入有源层14的偏置电流。为了便于说明，对图2所示的结构作了简化。例如可以包括更多的层，更好地把光限定在纤芯中，但是图示的结构已足以说明本发明的效果。Odagawa等人在“在零偏置条件下应变InGaAs/InGaAsP MQC激光器的高速操作”IEEE J.Quan.Electron.Vol.29,1993,pp.1682-1686和Aoki等人在“利用MQC结构的平面内量子能量控制的DFB激光器和电子吸收调制器的单片集成”International J.of High Speed Electronics and Systems Vol.5,1994,pp.67-90中描述了埋入式异质结构激光器的更实际的结构。

再生长的较厚半绝缘层24使大量的热堆积在已经制备的量子阱上。即使后生长的上部覆盖层12也招致明显的热堆积。这些材料的OMCVD通常是在625至650℃之间进行的，所以应当预计到600至700℃之间的温度。对于显退火可能需要更高的温度。量子阱在这些温度范围的热处理通常已经观察到阱状态之间的能带隙的蓝移。即阱状态的有效能带隙退火到较大的带隙能量。此外，势阱会失去其矩形形状。Aoki等人所述的结构包括具有不同阱厚度的激光器和调制器，二者都涉及再生长，一个是上部p型InP层，另一个是半绝缘InP。因此，预计到明显的蓝移，但是激光器和调制器的蓝移量是不同的，因为阱厚度不同。

已经观察到在为1515nm设计的器件中，光致发光峰值的蓝移大小约为10至40nm。然而，蓝移在一块基片上是变化的，在不同基片之间也是变化的。光致辐射波长峰值的漂移反映了制备激光器和调制器中问题，因为例如分布反馈激光器的最佳性能需要增益峰值的波长与光栅节距相匹配。在调制器的情况中，不同多量子阱之间的蓝移偏差将产生吸收随波长不太陡峭的变化，由此劣化了调制器的性能。