有源区中含铟的垂直腔面发射激光器.pdf

量子阱和相关的垒层，包含在典型的GaAs衬底中或周围的氮(N)、铝(Al)、锑(Sb)、磷(P)和/或铟(In)，以获得长波长的VCSEL性能，如1260至1650nm范围的波长。根据本发明的特点，公开了包含至少一个由InGaAs组成的量子阱(11)、位于所述至少一个量子阱(11)两边的GaAsN垒层(12)和位于所述垒层(12)两边的GaAsN限制层(13)的垂直腔面发射激光器。也可给位于量子阱(11)的GaAsN垒层(12)两边和位于垒层(12)两边的AlGaAs限制层(13)配置InGaAs量子阱(11)。也可给位于至少一个量子阱(11)两边的AlGaAs垒层(12)和位于垒层(12)两边的GaAsN限制层(13)配置InGaAs量子阱(11)。使量子阱(11)具有50的厚度。也可使量子阱(11)具有至少40meV的深度。

1、  一种垂直腔面发射激光器，包括：
至少一个量子阱(11)，具有至少40meV的深度并包含InCaAs；
GaAsN垒层(12)，位于所述至少一个量子阱(11)两边；以及
限制层(13)，位于所述垒层(12)两边。

2、  如权利要求1的垂直腔面发射激光器，其中，所述量子阱(11)的厚度最大为50，包含50。

3、  如权利要求1的垂直腔面发射激光器，其中，所述限制层(13)包括GaAsN或AlGaAs。

4、  如权利要求3的垂直腔面发射激光器，其中，所述量子阱(11)的厚度最大为50，包含50。

5、  一种垂直腔面发射激光器，包括：
至少一个量子阱(11)，具有至少40meV的深度并包含InGaAs；
AlGaAs垒层(12)，位于所述至少一个量子阱(11)两边；以及
GaAsN限制层(13)，位于所述垒层(12)两边。

6、  如权利要求5的垂直腔面发射激光器，其中，所述量子阱(11)的厚度最大为50，包含50。

有源区中含铟的垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器，尤其涉及利用氮、铝、锑、磷和/域铟的组合物作为材料系统并作为一种增加VCSEL器件波长方法的垂直腔面发射激光器。本发明更具体涉及一种有源区中含铟的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
发明背景
固态半导体激光器是用于如光电通信系统和高速打印系统中的重要的器件。尽管目前在大多数应用中使用边缘发射激光器，但是最近对垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)的兴趣有所增加。对VCSEL感兴趣的原因是边缘发射激光器产生的光束其发散角大，从而很难有效地收集所发射的光束。而且，边缘发射激光器在晶片被分割成单个器件前不能进行测试，其边缘形成每个器件的反射面。另一方面，不仅仅VCSEL的光束有较小的发散角，而且VCSEL发射的光垂直于晶片表面。此外，由于在VCSEL的设计中VCSEL包括了单一晶体上的反射面，所以就可以在晶片上测试并制造一维或二维激光器阵列。
典型地，通过在衬底材料上生长若干层从而制造出VCSEL。VCSEL包括通过半导体制造技术形成在衬底上的第一反射叠层、形成在第一反射叠层顶部的有源区和形成在有源区顶部的第二反射叠层。通过在第二反射叠层的顶部设置第一接触并在衬底的背面设置第二接触，使得电流流过有源区，从而驱动VCSEL。
有源区进而由夹在两个间隔物包层区域之间的一个或更多量子阱组成。在间隔物内部，有源区夹在限制层中。限制层或限制区用来提供对于少数载流子的电限制。通过为量子阱、限制层和垒层选择合适的材料，一般可以生长或制造出能够产生希望的、预定波长光的VCSEL。例如，通过在GaAs衬底上使用InGaAs量子阱，可以制造较长波长的VCSEL。然而，使用InGaAs量子阱会在量子阱中引起应变。如果量子阱生长超过它们的临界厚度，就会因产生位错而使量子阱松弛，因此生成质量较差的有源区。
有源区中的各层的厚度虽然不是任意的，但是在设计和工艺的限制内仍有一定的灵活性。间隔物、限制层、垒层和被反射面夹在其中的有源区的组合厚度必须足以形成法布里-珀罗谐振器。量子阱基本上应集中在电场的波腹位置。这两个要求根据其它层的厚度限定间隔物厚度。量子阱之间垒层的厚度必须足够厚，从而充分限定量子阱，并且要足够的薄，以使量子阱的位置没有过分地远离电场的波腹。位于量子阱区域边缘处的垒层的厚度具有一定的灵活性。最佳的是，它们具有至少足够的厚度，以致每个量子阱的能级在标称上是相同的。如果材料质量需要这样的话，那么它们可以更厚一些。限制层常常是与间隔物相同的层，或者如本研究所示，限制层逐步地渐变或在价带和导带中朝向垒层的价带和导带连续。有时，限制层和垒层由相同的成份组成，但这对载流子限制不是最佳的，通常是根据工艺原因采用折衷方式。
量子阱的厚度是通过量子力学而与阱和垒层的成份、希望的发射波长以及态密度相关。可以优选使用具有较高态密度的较窄量子阱。
VCSEL技术中所需要的是一种方法，用以获得通常在GaAs衬底上制造的长波长量子阱。本发明人已经认识到，本发明的优点是弥补前述和其它现有技术中的缺陷以更容易地制造较长波长的VCSEL。因此，本发明是作为一种新颖的方法和装置来说明和展示以论述目前在现有技术中存在的缺陷。
发明简介
提供本发明的以下内容，以方便理解本发明独有的一些创新特点，但并不打算做全面描述。将整个说明书、权利要求书、附图和摘要综合起来，就可以对本发明的各个方面有全面的理解。通过阅读说明书，本领域的普通技术人员很容易明白本发明地其它目的和优点。
根据指出的现有技术的局限性，提出了应用于固态激光器技术的新的和改善的特性，这些新的和改善的特性能够提供较长波长的VCSEL器件。
本发明的一个特点是提供制造改进的VCSEL的方法。
根据本发明的各个方面，能利用放置在典型的GaAs衬底中或周围的氮、铝、锑、磷和/或铟的几种新型组合物来生长量子阱和/或相关的垒层，从而获得长波长的VCSE特性，例如，用于光纤通信的1260至1650纳米范围的波长。
根据本发明的一个特点，提供了一种VCSEL，其中，在具有由AlGaAs组成的限制区域的量子阱中引入含N的InGaAs。
根据本发明的另一个特点，提供一种VCSEL，其中，在量子阱和垒层中引入含N的InGaAs。
根据本发明的另一个特点，提供一种VCSEL，其中，在量子阱和垒层中引入含N的InGaAs，且在限制层中添加入铝。
根据本发明的另一个特点，提供一种VCSEL，其中，在量子阱中引入含N的InGaAs，并在垒层和限制层中引入铝。
根据本发明的另一个特点，提供一种VCSEL，其中，将含锑(Sb)和＞1％氮的InGaAs添加到量子阱。
根据本发明的另一个特点，提供一种VCSEL，其中，在量子阱引入InGaAsN和Sb，并在垒层中引入GaAsN。
根据本发明的另一个特点，提供一种VCSEL，其中，提供了具有GaAsP垒层和AlGaAs限制层的InGaAsSbN量子阱。
根据本发明的另一个特点，提供一种VCSEL，其中，在具有GaAsN垒层和AlGaAs限制区域的量子阱(不含N)中提供InGaAs。
根据本发明的另一个特点，提供一种VCSEL，其中，提供了具有至少一个GaAs量子阱的AlGaAs垒层，该量子阱包含在量子阱中引入的N、Sb和/或In。
根据本发明的另一个方面，能够将氮添加到VCSEL的InGaAs量子阱的垒层，以便当垒层处于张应力时，量子阱处于压缩状态。为了补偿由于将氮添加入InGaAs量子阱中引起的特性变化，可以减少量子阱的厚度。在有源区中，氮用于应变补偿和整体带隙的减少。
根据本发明的另一个特点，AlGaAs或AlGaAsN可用于垒层中少数载流子限制，从而避免价带的2型特性。
根据本发明的另一个特点，在GaAs或InGaAs量子阱中使用氮或氮与Sb。平衡Sb和氮以避免价带或导带中2型跃迁，并保持具有在量子阱边缘的价带和导带的至少0.1ev带间断的优良载流子限制。
根据本发明的另一个特点，描述了一种垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器包含：由InGaAs组成的至少一个量子阱、位于所述至少一个量子阱两边的GaAsN垒层、和位于所述垒层两边的GaAsN限制层。还可以给位于所述至少一个量子阱两边的GaAsN垒层和位于所述的垒层两边的AlGaAs限制层提供InGaAs量子阱。还可以给位于所述的至少一个量子阱两边的AlGaAs垒层和位于所述的垒层两边的GaAsN限制层提供InGaAs量子阱。
可以开发量子阱使其包含50厚度。还可以开发量子阱使其具有至少40meV的深度。
附图说明
附图中相同的参考数字表示各个图中相同或功能相似的元件，说明书包括这些附图并构成说明书的一部分，附图进一步说明了本发明并且与本发明的详细说明一起，用于说明本发明的原理。
图1是具有AlGaAs限制区、GaAs垒层和InGaAs量子阱的VCSEL的能量对位置和应变的图例；
图2是具有AlGaAs限制区、GaAs垒层和InGaAsN量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图3是具有GaAsN垒层和InGaAsN量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图4是具有AlGaAs限制层、GaAsN垒层和InGaAsN量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图5是具有GaAsN垒层和InGaAsNSb量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图6是具有GaAs垒层和GaInAsNSb量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图7是具有AlGaAs垒层和InGaAsN量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图8是具有GaAs垒层和具有大于1％氮的GaAsNSb量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图9是具有AlGaAs限制区、GaAsN垒层和InGaAs量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图10是具有GaAsN垒层和GaAsNSb量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图11是具有AlGaAs限制层、GaAsP垒层和GaAsSbN量子阱的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例；
图12是根据本发明实施例的VCSEL的示例性截面图；和
图13是根据本发明的另一实施例的VCSEL的另一个示例性截面图。
本发明的详细说明
依据对本发明下面详细说明的检验，对本领域的技术人员来说，本发明新颖的特征将变得明显，或通过实施本发明可以学习本发明新颖的特征。然而，应该理解，当表明本发明的某一实施例时，所提供的本发明的详细说明和具体实施例仅仅是用于说明本发明的目的，因为对本领域的技术人员来说，根据本发明的详细说明和后面的权利要求书，处于本发明范围之内的各种变化和修改将是显而易见的。
已证实，在GaAs上形成长波长量子阱是很困难的，但下面说明书中提供的技术使得较长波长量子阱和较高效率VCSEL变成是现在可行的了。一个问题是长波长化合物往往与GaAs晶格不匹配。最近，在量子阱中使用氮已缓解了这个问题，相对于每一个其它的减小带隙的元素来讲，在量子阱中使用氮降低了能带，并降低了晶格常数，因而允许包含其它的元素(例如In，Sb)，包含其它的元素(例如In，Sb)减小了带隙，但增加了晶格常数。遗憾的是，氮的使用对降低价带的限制有负面影响，并且当添加更多的氮时，易于降低材料的利用率。
本发明能够在有氮或无氮的垒层中使用应变补偿，以便在没有松弛的情况下允许更多的铟和/或Sb添加到量子阱中，并因而获得较长波长。还可以实现对Sb和N的阱深影响的交替使用，以便获得至少0.07ev的导带阱和至少0.05ev的价带阱。
现在，在详细地说明本发明的优点之前，将提供图1-11的初步说明。参考图1，图1-11中的左手边的附图部分图解地表示VCSEL的量子阱11、垒层12和限制层13的位置。相对于所提到的成份的位置，通过画垂直线表示功率。在图1-11的右手例，图示了每个举例器件的应变，用垂直向下表示压应力，垂直向上表示张应力。
参考图1，显示了具有AlGaAs限制层13、GaAs垒层12和InGaAs量子阱11的VCSEL的“能量对位置”和“应变”的图例，并作为在图2-11中构成的用于调节基准。在GaAs衬底上使用InGaAs量子阱，就能获得较长的波长，然而，在量子阱中还引起应变，如相关的应变测量的深度15所示。
参考图2，显示了具有AlGaAs限制层、GaAs垒层和InGaAsN量子阱的VCSEL。将氮添加到图1的InGaAs量子阱，其导致了能量和价带限制的减少20。然而，在图2中，当对比图1的无氮器件时，应变减少22。
参考图3，还将氮(N)添加到图2中所示的器件的垒层。如图3中的箭头31所示，通过在垒层中引入氮再造空穴阱。另外，随着将氮添加到垒层给器件提供了应变补偿33。应当注意，即使在没有引入氮的量子阱中，仍可实现应变补偿。
参考图4，现在将铝(Al)添加到图3所示的器件的限制层/区。向限制层提供铝消除了或基本上减少了图中箭头41所示的器件边缘处不希望的阱。然而，铝的引入可忽略对器件应变的影响。
参考图5，现在将锑(Sb)添加到先前图4所示器件的量子阱中。向量子阱引入Sb导致了带隙的降低、价带阱的上升和导带阱的降低。随着引入Sb器件中的应变上升。
参考图6，将锑(Sb)添加到图2中所述的器件的量子阱中。用于器件的带隙提升了价带阱61，但降低了导带阱62。还示出了量子阱中的压应变随着Sb而增加。
参考图7，将铝(Al)添加到图2中首先示出的器件的垒层和限制层中。如在图例中所见，使用Al再造价带阱。根据图2的最初位置，应变补偿不明显。
参考图8，显示了不含铟的器件。在图6所示的器件中除去铟。量子阱包含GaAsNSb。示出了随着In的除去改善了器件应变。
参考图9，显示从图4所示器件的量子阱中除去氮。从量子阱中除去N增加了带隙和空穴限制。然而，在量子阱中还使得应变增加，但是在垒区中补偿了该应变。
参考图10，说明了应变补偿器件。通过向垒层添加氮，向限制层添加铝改善了图8的器件。量子阱是GaAsSbN。这种结合增加了空穴阱并减少了电子阱。减少了器件中的整体应变。
参考图11，通过向垒层添加磷(P)示出了额外的应变补偿。图11中的器件显示具有AlGaAs限制层和GaAsSbN量子阱。铟也可以被用在量子阱中。
通过常规方法，不可能达到用在数据通信VCSEL和边缘发射器中的1310nm的量子阱。参考图1，说明的是在GaAs上的典型InGaAs应变量子阱。通过在垒层(图4，9)中使用用于应变补偿的氮，在没有松弛的条件下，可以向量子阱添加足够多的铟从而接近1310nm，因为在量子阱本身中很少使用或不使用氮，所以保持了空穴限制和材料质量。使用具有足够多的铝的AlGaAs限制层以避免形成额外的阱是有利的。
如上所述，图8显示了具有GaAs垒层的GaAsSbN量子阱。在这种情况下，Sb和氮都减小了带隙。Sb引起量子阱倾向于具有优良空穴限制的较弱的电子限制并且，氮则相反方向地倾向于具有优良电子限制的较弱的空穴限制。通过调整这些比率，可以获得至少0.07ev阱深的导带和0.05ev深度的价带，同时获得1310nm和1550nm的光发射。
如果在量子阱中使用大量的Sb和少许的N，以致在量子阱中就存在过量的压应变，可以结合发明方面1以补偿该过量的压应变。即可以将氮或磷添加到垒层中，这是因为氮或磷趋向于加深电子阱，在该电子阱中Sb趋向使电子阱变窄。再次利用Al或甚至P来避免额外的阱，从而增加限制层的带隙是有用的。
在本发明的量子阱中可以使用铟，以调节的波长、量子阱中阱深和应变。由于带隙收缩，阱被更加压缩。但如图5和6中所示，添加铟对相对的带偏移(价带或导带)仅有次要的影响。图6工作于1310nm和1550nm的有源区。
如图7中所示，AlGaAs垒层被用于InGaAsN量子阱，以增加空穴阱的深度。因为氮增加了电子有效质量，所以能够使得含氮的量子阱更薄，即小于50A。在VCSEL中，这意味着有更多的量子阱。
本发明的所有方面能应用于边缘发射器和VCSEL以及其它半导体激光器中的单量子阱和多量子阱。在整个上文中，导带中保持了至少0.07ev阱深，价带中保持了至少0.05ev深度。
在定向材料上使用100或111所获得的缺少的步骤使在没有松弛的情况下更容易生长高应变层。可以结合上述步骤来使用减少了一系列步骤的外延平坦技术。内部量子阱力学稳定器也可以与上述步骤一起使用。
参考图12，说明了垂直腔面发射激光器100(VCSEL)的截面图。可以通过例如金属有机分子束外延或金属有机化学汽相淀积技术生长VCSEL100。参考转让给本发明人作为受让人的美国专利NO.5903589，该专利描述了用于本领域的VCSEL的制造方法。优选在GaAs衬底101上生长VCSEL，这是由于该材料的鲁棒性和低的成本，然而，应当认识到半导体材料例如Ge也可用作衬底。然后，通过在衬底上配置各层来形成VCSEL100。
外延层包括：配置在衬底101上的第一反射镜叠层105，配置在第一反射镜叠层105上的第一覆层区108，配置在第一覆层区108上的有源区110，配置在有源区110上的第二覆层区112，以及配置在第二覆层区112上的第二反射镜叠层115。有源区110还包括被垒层125彼此分离的一个或多个量子阱120，其取决于所设计的VCSEL100的应用。本领域的普通技术人员能够明显发现VCSEL的有源区110中量子阱120的数量不同。
通过在衬底101上外延淀积镜偶层106，可以生长第一反射镜叠层105。为了使反射镜叠层105与衬底101晶格匹配，应当淀积适合于镜偶层106的半导体材料体系。在该具体实施例中，该实施例不应当成为本发明整个范围的限制，衬底101是GaAs，因此可以使用GaAs/AlGaAs材料体系。为了获得高反射率百分数，叠层105中的镜偶层106的数量通常在20-40的范围内，其取决于各层折射率之间的差异。通过改变反射镜叠层105中铝的含量也可以获得不同的折射率。
第一覆层区108可以由在第一反射镜叠层105上外延配置的一层或多层来形成。当前描述的本发明实施例中的第一覆层区108可以由GaAsN材料体系形成。
已经表明将氮添加到量子阱120对增加各层间的应变有影响，其降低了激发态的带隙能量。带隙能量的减少通常降低了用于激发材料所需要的能量，并增加了发射光子的波长。这对于获得较长波长的VCSEL100是需要的。添加到量子阱120的氮越多，带隙能量的减少就越大，因而能够制造较长波长的VCSEL100。
通过在GaAsN垒层以及其次在量子阱自身中使用氮，能够减少结构中的应变(这样能够增加量子阱的容许厚度)，并能减少该GaAsN垒层以及量子阱自身的能隙，从而能够增加容许的波长。
在量子阱中使用氮能使价带成为间断地非限制型或2型。然而，通过使用AlGaAs或AlGaAs作为限制材料，GaAsN、AlGaAs或AlGaAsN或GaAsP作为垒层，还可以减小非限制问题。另外，如果在量子阱中Sb取代了部分As，则能够进一步避免由氮引起的II型跃迁，允许有更多的氮。由于允许有更多的氮所以也允许更多的铟。因为氮、铟和Sb都降低了带隙能量，所以可实现的波长扩展到比用于数据通信的1310nm或用于电信的1550nm更长的波长。
通过向InGaAs量子阱添加氮，阱中的全部应变可以变得相当小以在达到临界厚度之前允许更多的铟，因而可以制造较长波长的VCSEL。在垒层中使用氮用于应变补偿，能够提高量子阱区中的允许应变，意味着在量子阱中使用更多的铟。在未妨碍临界厚度的情况下，允许有更多的铟，可以产生更低的带隙和更长的波长。另外，在量子阱之间的垒层中使用氮还能减少导带中这些垒层的能量，减少导带中这些垒层的能量使量子态的能量更低，进一步提高了允许的波长。在垒层中使用氮有利于避免价带中的II型性能，这是因为当量子阱中包括氮时，导带的间断性增加，价带的间断性减少。另外，将AlGaAs或AlGaAsN用于限制结构能够进一步避免在限制层边界的垒层的价带中所无意产生的阱。最终，在量子阱中使用Sb能够进一步降低带隙能量，同时避免了II型性能(允许更多的氮)。所有的这些方面有助于制作非常长的波长的有源区。
将氮引入有源区110一般也不是没有缺点。GaN和InN在它们的晶格常数以及最理想的生长条件中有很大的差异。由于晶格不匹配，所以当包括有源区110的层生长超出一定的临界厚度时，材料的质量会受到显著影响。比临界厚度更厚的层具有失配位错，释放了层间的应变，并降低了材料的质量。这基本上损害了VCSEL100的质量。
通过在垒层125中包含氮，当将氮仅添加到有源区110中时，能够观察到事实上的带隙能量降低。然而，为了获得给定的带隙能量降低而在有源区110中所需要的氮的数量、以及较长的波长都可以被减少。因此晶格不匹配通常没有氮被单独地添加到有源区时严重，这样可以更容易地制造该材料体系。通过向垒区125引入氮比仅向有源区110添加氮能够获得更高质量的VCSEL。
接着，可以在第一覆层区108上外延淀积有源区110。有源区110可以包括一个或更多的量子阱120。优选的实施例使用小于50埃的量子阱120。当将氮被引入有源区110或覆层区108、112时，这些区中的有效电子质量能够快速增加。随着态密度的增加，通常减少了在有源区110中为了产生给定数量的增益所需要的铟或氮的数量。因此，能够减少量子阱120的体积，这样给出了用于出现寄生情况的更小的体积。
第二覆层区112由外延配置在有源区110上的一层或多层构成。第二覆层区112由GaAsN材料体系制成。
接着，通过在第二覆层区115上外延淀积镜偶层116来生长第二反射镜叠层115。为了使反射镜叠层115与衬底101晶格匹配，应当淀积用于镜偶层116的适合的半导体材料体系。衬底101由GaAs制成，因此可以使用GaAs/AlGaAs材料体系。为了获得高反射率百分数，叠层115中的镜偶层116的数量通常在20至40的范围内，其取决于各层折射率之间的差异。通过改变反射镜叠层115中铝的含量，获得不同的折射率。
现在参考图13，显示了本发明的可替换的实施例。平坦层235可以被夹在下限制层和量子阱之间。当在衬底上生长不同的层时，成组的分子台阶形成在新形成的层的表面上。这些层的表面上的台阶增加了邻近衬底的层与衬底产生位错的可能性。在有源区210之前对量子阱层的应变影响最小的距离处生长严重压应变的InGaAs平坦层235，所述InGaAs平坦层235通常对其上配置有有源区210的表面的平坦性有影响。平坦层235与量子阱之间的距离可以为几百埃。在下限制层201与第一反射镜叠层205之间生长该平坦层235，使得分子台阶较为平坦。当在“100或111 on”方向衬底上生长外延层时，该表面进一步平坦。如果衬底处于“off”方向，分子台阶的数量可以增加并且台阶成组的可能性增加，由此增加了位错的可能性。通过使其上淀积叠层的表面平坦，通过有源区中添加较多量的In或Sb，可以进一步增加层间的应变。这种增加的In或Sb通常降低了带隙能量，由此容易生长发射较长波长的VCSEL201。
在从VCSEL量子阱中获得最佳的增益中，量子阱的深度是重点考虑的因素。综合来讲，通常在最新编辑的用于研发半导体器件例如VCSEL的能带参数在由Vurgraftman，Meyer和Ram-Mohan撰写的标题为“用于III-IV族化合物半导体以及它们的合金的能带参数(Band parameters for III-V compoundsemiconductors and their alloys)”(应用物理杂志“Journal of AppliedPhysics，Volume 89，Number 11，1 June 2001”)的论文中讨论过了。该论文为本领域的技术人员在计算能带偏移方面提供了一些见解，由此能够获得利用不同材料的最佳量子阱深度，并因此包含在本公开中作为参考。
应当设计用于VCSEL的量子阱以便利于将载流子限制在量子阱内而不是限制在量子阱的外部，同时量子阱不会如此的深以至于禁止阱之间的适当载流子的流动。适当的量子阱深度使VCSEL量子阱中的增益最大化，这样使阈值电流最小化，并使斜度效率最大化(都是希望的结果)。量子阱中的发光和增益涉及到量子阱中空穴和电子的产量。通过设置能带偏移来建立量子阱深度。用于决定量子阱深度的两个能带是价带和导带(价带与空穴阱相关，导带与电子阱相关)。能带的设置决定了量子阱的偏移(meV，毫电子伏)，并提供了与空穴和电子的限制相关的深度。
图14-22提供了处于不同阱深的VCSEL性能的图解说明。尽管对AlGaAs量子阱进行了图14-22中说明的模拟，但由于温度一般是相同的并且器件之间的有效质量没有很大的差异，所以所有的分析适用于其它材料。
图14-16是代表偏置下(激活激光)分析一组常规的用于850nmVCSEL的三个量子阱1401的第一组图表。这种情况下基本上是p掺杂，这样就抑制了相对于空穴浓度的电子浓度。如图14中图表的垂直轴所示，通过将价带偏移1405设置在近似125meV并且将导带偏移1410设置在近似250meV来建立三个量子阱1401的阱深。应当理解量子阱的数量不局限于三个。如在图15中的图解数据中所见，在所示的三个量子阱之外几乎没有复合。能够看到，在量子阱内比存在一些空穴1511和最小量电子的量子阱外边(或中间)区域有更多的电子1507和空穴1509的复合。尽管存在足够的两种载流子，但是在阱之间能够充分地进行传输。参考图16，在阱内产生电子与空穴的总复合1603而不是在阱1611外产生电子与空穴的总复合，这样产生了良好发光，并因而获得VCSEL量子阱的良好增益。
图17-19说明了代表分析在偏置下的量子阱的第二组图表。参考图17，对于价带1703将量子阱深设置为近似60meV，对于导带1705将量子阱深设置为近似120meV。参考图18，显示了三个量子阱外增加的大量空穴和电子1811。因此，量子阱外的电子和空穴的这种损失造成了较少的发光1901，并且由此如图19所示，造成了量子阱产生更小的增益。
图20-22是代表分析在偏置下的量子阱的第三组图表。对于价带2003将三个量子阱的阱深设置为近似40meV，对于导带2005将三个量子阱的阱深设置为近似80meV。如图21中所见，三个量子阱外边的复合2101已变得非常大。参考图22，由于不希望的寄生发光2205，量子阱内的复合损失导致了非常少量的发光2201和增益。
基于前面对三组中所代表的量子阱的分析，希望开发出具有至少40MeV量子阱空穴深度和至少80MeV量子阱电子深度的VCSEL。这种价带和导带的设置将提供至少最小的可接受的增益；然而，已经显示对于价带达到和包含125MeV和对于导带达到和包含250MeV的最佳的量子阱空穴阱深。只要通过热电子发射、隧道效应或二者都使用来维持阱之间的充分迁移，甚至可以接受更大的阱深。
这里提出的实施例和例子代表了对本发明和其实际应用的最好解释，并由此使本领域的技术人员能够制造和利用本发明。然而，本领域的技术人员将理解前面的说明和例子仅仅是为了说明和举例的目的而展示的。本发明的其它变化和修改对本领域的技术人员来说是很明显的，并且附属的权利要求的目的覆盖了这种变化和修改。给出的说明不是为了穷举或限制本发明的范围。在不脱离下面权利要求的精神和范围情况下，根据上述教导能够进行许多修改和变化。希望本发明在应用中能够包含具有不同特性的元件。希望由所附的权利要求来限定本发明的范围，并给出所有方面的全部的等同的认识。
如下对其中被要求保护的特有特性和权利的本发明的实施例进行限定。本发明权利要求书为：