量子阱结构的半导体装置和 用该装置的激光器及制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种半导体装置，特别是涉及一种具有量子阱结构的半导体装置，其中半导体装置的发射波长可以通过改变多个阻挡层的厚度和组成来进行调整，本发明还涉及使用该半导体装置的半导体激光器以及所述半导体装置和半导体激光器的制造方法。
背景技术
最近，为了发展高速数据通信技术在包括激光打印机、光学影像储存、地下光缆系统、及光通信中的各种应用，已经对光学进行了积极的研究。例如，由于在光通信领域内的这样的发展，在地面上建立的通过空气传播电磁波的大型天线已经被传播光信号形式的大量信息的地下光缆所代替。
对应增长的高速、廉价通信系统的要求，已经开发了具有长波地光传输波段的光纤。近来，正在开发可以用于从1.3μm到1.5μm的波长范围的光纤。为了使用光纤来实现高速信息传输，信息需要适当地转换成光信号。为了这一目的，要求一个具有在光纤的光传输波段内的波长的激光振荡信号。因此，为了振荡出在光纤的光传输波段内的波长的激光信号，已经努力地对激光二极管进行改进。
这样的努力涉及到改变装置的内部成分和界面结构，以增强装置性能、减小尺寸以及减少发热和功耗。研究的结果是一个成本低并且很容易与光纤结合的砷化镓(GaAs)基的垂直腔面发射激光(vertical surface emitting laser，VCSEL)二极管。
M.Kondow等人于1996年2月报告了一种研究成果，发现通过向一个砷化镓基的垂直腔面发射激光(VCSEL)加氮来实现长波激光振荡(Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.35(1996)，pp.1273-1275，part 1，No.2B，中的“GaInNAs：A Novel Material for Long-Wavelength-Range Laser Diodes with ExcellentHigh-Temperature Performance(用于具有极好高温性能的长波范围激光二极管的新材料)”)。
在公开通过向砷铟化镓(InGaAs)材料中加入少量氮能够实现长波发射的Kondow的论文公布后，由于在一个地铁区域网络(metro area network，MAN)中使用的光通信部分的要求，已经积极开发出使用镓铟氮砷(GaInNAs)的1.3μm波长半导体激光器。但是，如果砷化镓被用于一个阻挡层并且镓铟氮砷用于一个阱，当量子阱结构中的氮浓度增加时所述发射波长移动到一个更长的波段，而光学特性显著恶化。因此，使用这样的砷化镓/镓铟氮砷量子阱结构，即使在1.25μm的波段中可以获得发射效率极好的量子阱。
作为解决上述问题的一个可能方案，由J.Harris等在文章“Longwavelength GaIhNAs ridge waveguide lasers with GaNAs barriers(具有镓氮砷阻挡层的镓铟氮砷脊波导激光器)”(IEEE，LEOS2001年会[proceeding Vol.pp.12-13])中建议一种具有砷化镓/镓铟氮砷(GaAs/GaInNAs)量子阱结构的半导体激光器，其具有由镓氮砷(GaNAs)代替砷化镓组成的量子阱阻挡层。由Harris等建议的半导体激光器使用镓氮砷作为阻挡层来减少所述阻挡层和所述量子阱之间的能隙，并且将所述量子阱的发射波长移动至较长波段。在该结构中，随着镓氮砷层变厚，由镓铟氮砷制成的量子阱的发射波长转变到一个较长的波长范围。
但是，当用镓氮砷制造量子阱阻挡层时，与在所述砷化镓/镓铟氮砷量子阱结构中一样，随着氮的浓度增加或量子阱阻挡变厚，晶体质量迅速变差。
为了解决这个问题，N.Tansu等发表在Applied Physics Letters Vol.83，No.1上的文章“High-Performance and High-TemperatureContinuous-Wave-Operation 1300nm InGaAsN Quantum Well Lasers byOrganometallic Vapor Phase Epitaxy(通过有机金属气相外延的高性能和高温连续波工作1300nm铟镓砷氮量子阱激光器)”中提出使用具有抗张强度的磷化镓作为阻挡层的1.3μm半导体激光器。
根据N.Tansu等的建议，当在一个砷化镓半导体衬底上生长III族半导体材料时，可以根据砷/磷的比率来调整波段间隙，并且容易控制拉伸应变。但是，在使用金属有机化合物化学气相淀积(metal-organic chemical vapordeposition，MOCVD)的淀积工艺中，由于砷源和磷源被供应到同一反应容器内，所述反应容器内部容易受到污染。因此，不能确保可重复的淀积。
【发明内容】
本发明提供一种具有发射波长至少为1.3μm的量子阱结构的半导体装置及制造该半导体装置的方法。
本发明还提供一种具有发射波长至少为1.3μm的量子阱结构的垂直腔面发射激光器(VCSEL)及制造该VCSEL的方法。
本发明进一步提供一种具有发射波长至少为1.3μm的量子阱结构的边缘发射半导体激光器及制造该边缘半导体激光器的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种半导体装置，包括：GaAs基的衬底；及在所述GaAs基的衬底上形成的量子阱结构并且包括量子阱层，一对第一阻挡层彼此面对在它们间的量子阱层，并且一对第二阻挡层与各个第一阻挡层相邻。
根据本发明的另一个方面，提供一种边缘发射半导体激光器，包括：GaAs基的衬底；在所述GaAs基的衬底上形成的量子阱结构；围绕所述量子阱结构的包覆层；及一对与所述包覆层电连接的电极，其中所述量子阱结构包括量子阱层，一对第一阻挡层彼此面对在它们间的量子阱层，并且一对第二阻挡层与各个第一阻挡层相邻。
根据本发明的再一个方面，提供一种VCSEL，包括：GaAs基的衬底；在所述GaAs基的衬底上形成的第一分布布喇格反射器区域；在第一所述DBR(分布布喇格反射器)区域上形成的量子阱结构；在所述量子阱结构上形成的第二DBR区域；及一对与所述第一和第二DBR区域电连接的电极，其中所述量子阱结构包括量子阱层，一对第一阻挡层彼此面对在它们间的量子阱层，并且一对第二阻挡层与各个第一阻挡层相邻。
根据本发明的又一个方面，提供一种制造半导体装置的方法，包括制备GaAs基的衬底；在所述GaAs基的衬底上形成第二下阻挡层；在所述第二下阻挡层上形成第一下阻挡层；在所述第一下阻挡层上形成量子阱层；在所述量子阱层上形成第一上阻挡层；及在第一上阻挡层上形成第二上阻挡层。
【附图说明】
通过详细描述其示例性实施例并结合附图，本发明的上述和其它特性和优点会更加明显，在附图中：
图1和2分别为截面视图和能带示意图，表示根据本发明一个实施例的边缘发射半导体激光器；
图3和4分别为截面视图和能带示意图，表示根据本发明另一实施例的量子阱结构；
图5和6分别为截面视图和能带示意图，表示根据本发明另一实施例的量子阱结构；
图7和8分别为截面视图和能带示意图，表示根据本发明另一实施例的量子阱结构；
图9和10为表示根据本发明另一实施例的一个垂直腔面发射激光器及其有源区的截面图；
图11为表示当铟镓砷层的厚度被固定且镓氮砷层的厚度变化时，从根据本发明的量子阱结构发射的光的波长的曲线图；
图12为表示当镓氮砷层的厚度被固定且铟镓砷层的厚度变化时，从根据本发明的另一量子阱结构发射的光的波长的曲线图；
图13为发射波长与所述铟镓砷层中铟的含量的关系曲线图；及
图14为发射波长与所述镓氮砷层中氮的含量的关系曲线图。
【具体实施方式】
下面将参考附图详细描述一种具有带双阻挡层的量子阱结构的半导体结构、使用所述半导体结构的半导体激光器、及所述半导体激光器的制造方法的实施例。附图中，相同的元件用相同的附图标记来表示。
图1为表示根据本发明一个实施例的边缘发射半导体激光器的截面图。如图1所示，边缘发射半导体激光器100包括：一个半导体衬底104，在所述半导体衬底104的下表面形成的一个n型电极102，在所述半导体衬底104上表面形成的一个下包覆层106A，一个形成在所述下包覆层106A上的有源区110，在所述有源区110上形成的上包覆层106B，形成在所述上包覆层106B上的接触层120，以及形成在所述接触层120上的p型电极126。
另外，所述有源区110包括一个中心阻挡层112、一个下量子阱层114A、一个上量子阱层114B、一个第一下阻挡层116A、一个第一上阻挡层116B、一个第二下阻挡层118A、及一个第二上阻挡层118B。所述中心阻挡层112在所述有源区110的中间由砷化镓形成。所述第二下阻挡层118A、第一下阻挡层116A、及所述下量子阱层114A顺序地形成在所述中心阻挡层112和所述下包覆层106A之间。所述上量子阱层114B、第一上阻挡层116B及第二上阻挡层118B顺序地形成在所述中心阻挡层112和上包覆层106B之间。
所述半导体衬底104由n型砷化镓基半导体材料制成。各层可以生长在所述半导体衬底104上以容易地形成一个砷化镓基的量子阱。所述下包覆层106A为n型并且使用例如铝镓砷来形成至18000的厚度。所述上包覆层106B为p型并且使用例如铝镓砷来形成至18000的厚度。
接触层120为p型并且使用例如砷化镓来形成至800的厚度。n型电极102和p型电极126用于激励有源区110。所述n型电极102由锗化金制成而所述p型电极126由钛制成。
根据本发明第一实施例的边缘发射半导体激光器100是一个条型。为了施加通过所述有源区110的条型区的电流，在接触层120上形成由SiO2制成的绝缘层124，并且此后所述绝缘层124被构图成条型。
虽然在图中未显示，为了改善所述p型电极126和所述p型接触层120之间的欧姆接触，可以进一步形成金属接触层，其由钛或铂或者钛和铂的叠层形成。为了改善所述n型电极102和半导体衬底104之间的欧姆接触，可进一步包括一个金属接触层，其由镍或金或者镍和金的叠层形成。
在本发明的第一实施例中，所述边缘发射半导体激光器的p型电极126被设计用于施加一个穿过所述有源区的条型区域的电流。但是，所述边缘发射半导体激光器的p型电极126可以设计成施加一个通过整个有源区的电流。另外，虽然所述有源区110没有被形成为条形，但是所述边缘发射半导体激光器被构造成具有一个与形成在所述绝缘层124的开口部分上的p型电极126的形状相匹配的有源区110。
图2为根据本发明第一实施例的边缘发射半导体激光器的能带示意图。
如图所示，下量子阱层114A和上量子阱层114B(它们都被用在根据本发明第一实施例的边缘发射半导体激光器100的有源区110内)由厚度至2-10nm的GaxIn1-xNyAs1-y来构成，其中x和y大于0且小于1。在本发明的第一实施例中，x为0.65和y为0.01。
同时，所述第一下阻挡层116A和第一上阻挡层116B由厚度为0.1-50nm的InxGa1-xAs来构成，其中x大于0且小于1。在本发明的第一实施例中，x为0.35。
此外，第二下阻挡层118A和第二上阻挡层118B由厚度为0.1-20nm的GaNxAs1-x来构成，其中x大于0且小于1。在本发明的第一实施例中，x为0.02。
附加地，所述中心阻挡层112由厚度为0-50nm的GaAs制造。
根据本发明的第一实施例，通过改变第一阻挡层116A和116B及第二阻挡层118A和118B的成分和厚度，所述有源区110的下量子阱层114A和上量子阱层114B中发射的激光束的波长可以被控制为至少1.2μm。另外，通过改变所述第一下和上阻挡层116A和116B中的铟(In)的成分，可以控制所述下量子阱层114A和上量子阱层114B中感应的压缩应变的程度和形式。
另外，通过改变第二下和上阻挡层118A和118B中氮的组成，可以控制在所述下量子阱层114A和上量子阱层114B中感应的拉伸应变的程度和形式。同样，通过改变所述第一阻挡层116A或第二阻挡层116B的厚度，可以控制在所述下量子阱层114A和上量子阱层114B中感应的压缩应变或拉伸应变的程度和形式。
根据本发明的第一实施例，通过改变所述第一阻挡层116A和116B及第二阻挡层118A和118B的组成和厚度，可以控制所述激光束的波长。因此，即使所述量子阱层114A和114B的结晶形式被所述第一阻挡层116A和116B损害，通过所述第二阻挡层118A和118B的适当变形，可以显著地改进所述量子阱层114A和114B的结晶形式。
结果，在本发明的第一实施例中，通过改变具有与量子阱层相同结构的所述第一阻挡层和第二阻挡层的成分和厚度，在所述量子阱层中发射的激光束的波长可以被控制在100nm或更大而不会损害其光学特性。
虽然在本发明第一实施例中所述量子阱层形成为双层结构，可以制造一个在所述下和上包覆层106A和106B之间包括多个量子阱层(即，多于两个量子阱层)的边缘发射半导体层。
图3和4为分别表示根据本发明另一个实施例的量子阱结构的截面图和能带示意图。在该第二实施例中，除了所述有源区外其它所有元件的结构和功能与第一实施例相同。
本发明第二实施例中使用的有源区160具有一个单量子阱结构，来代替多量子阱结构。形成在所述有源区160中心处的所述量子阱层162为2-10nm厚，并且由GaxIn1-xNyAs1-y制造，其中x和y大于0且小于1。在所述第二实施例中，x为0.65而y为0.01。
同时，第一下阻挡层164A和第一上阻挡层164B由厚度为0.1-50nm的InxGa1-xAs制造，其中x大于0且小于1。在本发明的第二实施例中，x为0.35。
另外，第二下阻挡层166A和第二上阻挡层166B由厚度为0.1-50nm的GaNxAs1-x制造，其中x大于0且小于1。在本发明的第二实施例中，x为0.02。
图5和6为分别表示根据本发明第三实施例的量子阱结构的截面图和能带示意图。本发明第三实施例中使用的有源区170包括第一阻挡层176和第二阻挡层178，如图5所示，第一阻挡层176和第二阻挡层178并没有关于量子阱层174对称。量子阱层174由厚度为2-10nm的GaxIn1-xNyAs1-y制造，其中x和y大于0且小于1。在本发明的第三实施例中，x为0.65而y为0.01。
根据所述第三实施例，在所述量子阱层174下面形成一个辅助阻挡层172，其由GaAs形成，具有0-500nm的厚度。
同时，所述第一阻挡层176的厚度为0.1-50nm，其由InxGa1-xAs制造，其中x大于0且小于1。在本发明的第三实施例中，x为0.35。
另外，所述第二阻挡层178由GaNxAs1-x制造，其中x大于0且小于1，其仅在第一上阻挡层176上，厚度为0.1-20nm。在本发明的第三实施例中，x为0.02。
图7和8为分别表示根据本发明第四实施例的量子阱结构的截面图和能带示意图。在根据本发明第四实施例的一个边缘发射半导体激光器中，有源区180的量子阱层184由厚度为2-10nm的GaxIn1-xNyAs1-y制造，其中x和y大于0且小于1。在所述第四实施例中，x为0.65而y为0.01。
同时，所述第一下阻挡层186A和第一上阻挡层186B由InxGa1-xAs制造，其中x大于0且小于1，其厚度为0.1-50nm。在本发明的第四实施例中，x为0.02。
另外，所述第二下阻挡层182由厚度为0-500nm的GaAs制造。所述第二上阻挡层188由GaNxAs1-x制造，其中x大于0且小于1，其厚度为0.1-20nm。在本发明的第四实施例中，x为0.02。
与第一实施例不同的是，本发明的第四实施例中改变了第一下阻挡层186A和第一上阻挡层186B的成分和厚度，以感应所述量子阱层184上的压缩应变，但仅仅所述第二上阻挡层188用于感应所述量子阱层184上的拉伸应变。
图9为表示根据本发明第五实施例的一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)的截面图。如图9所示，根据本发明另一实施例的一个垂直腔面发射激光器200包括：一个半导体衬底204，在所述半导体衬底204的下表面形成的一个n型电极202，在所述半导体衬底204上表面形成的一个n型分步布喇格反射(DBR)层240，一个形成在n型DBR层240上的有源区210，形成在所述有源区210上的p型DBR层230，在所述p型DBR层230上形成的接触层220，及一个形成在所述接触层220上的p型电极226。
另外，如图10所示，所述有源区210包括：一个中心阻挡层212；一个第二下阻挡层218A，一个第一下阻挡层216A，和一个下量子阱层214A(它们顺序地形成在所述中心阻挡层212和n型DBR层240之间)；以及一个上量子阱层214B，一个第一上阻挡层216B，和一个第二上阻挡层218B(它们顺序地形成在所述中心阻挡层212和所述p型DBR层230之间)。
根据本发明的第五实施例，所述半导体衬底204由n型GaAs基半导体材料制造。所述n型DBR层240通过交替多个GaAs层242和多个AlGaAs层244来形成。所述p型DBR层230通过交替叠置多个GaAs层232和多个AlGaAs层234来形成。
所述接触层220由p型材料制造，例如，GaAs，厚度为800。所述n型电极202由AuGe制造，并且所述p型电极226由钛制造。
根据本发明第五实施例的VCSEL 200为条型。为了容许将电流从所述p型电极226施加到所述有源区210的条型区域，在所述接触层220上形成一个SiO2的绝缘层224并且构图为条型。
虽然在图中未示出，为了改进所述p型电极226和p型接触层220之间的欧姆接触，可进一步形成由钛或铂或叠置的钛和铂层所形成的一个金属接触层。同样，为了还改进n型电极202和半导体衬底204之间的欧姆接触，可进一步包括一个由镍或金或叠置的镍和金层所形成的一个金属接触层。
图10所示的有源区210具有与根据本发明第一实施例的有源区110相同的结构和功能。
虽然根据本发明第五实施例的VCSEL被描述为与有源区210有关，但是一个VCSEL可以使用根据上述第二到第四实施例的任一有源区来实现。
图11为当第一阻挡层的厚度固定而第二阻挡层的厚度改变时，发射波长与根据本发明的量子阱结构中阻挡层厚度的关系曲线图，该量子阱结构包括由InGaAs制造的第一阻挡层和由GaNAs制造的第二阻挡层。在室温下使用光致发光(PL)来测量发射波长。如图11的曲线所见，从量子阱发射的发射波长随着GaNAs层厚度的减少而朝着红光波长范围移动。与一个在GaInNAs量子阱结构中包括GaAs阻挡层的传统半导体激光器相比较，出现了高达25nm的红移。
图12为当由GaNAs制造的第二阻挡层的厚度固定而由InGaAs制造的第一阻挡层的厚度变化时量子阱中发射波长的变化的曲线图。在图12的曲线图所见，当InGaAs层的厚度减少时，发射波长朝着一个更长波长范围移动，高达60nm。
图13为量子阱中发射波长与InGaAs层中铟的含量的关系曲线图。使用包括由Ga0.015As0.985制造的中心阻挡层和第一(GaNAs)和第二(InGaAs)阻挡层(它们具有固定厚度)的结构，试验性地获得图13的曲线。如图13所见，当使用20％的铟时，发射波长变得最短。
图14为量子阱中发射波长与由GaNAs制造的第二阻挡层中氮的含量的关系曲线图。使用包括由In0.35Ga0.65As制造的第一阻挡层的结构，其中所述第一(InGaAs)和第二(GaNAs)阻挡层具有固定厚度，而改变DMHY流率，通过试验而获得图14的曲线。
如上所述，根据本发明，通过在量子阱结构中形成多个阻挡层并且通过调整每个所述阻挡层的厚度和成分，可以解决在常规量子阱结构中产生的长波范围内光学质量下降的问题。
根据本发明，可以防止当一个GaInNAs量子阱结构被热处理时发生的发射波长移动到较短波长范围的问题。
根据本发明，使用一个GaAs基量子阱结构，能够容易地产生1.3μm或更长的发射波长。
根据本发明，使用由InGaAs层制造的第一阻挡层来感应量子阱结构中的压缩应变对于光学增益很有利。
根据本发明，使用一个少量氮MO源能够经济地实现长波发射。
虽然参考其示例性实施例对本发明进行了具体地展示和说明，但是本领域普通技术人员应该明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的范围和其精神的情况下，可以在形式和细节上做出各种变化。