一種量子阱半導體激光外延結構及量子阱激光器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體激光技術領域，具體涉及一種量子阱半導體激光外延結構及量子阱激光器。
【背景技術】
[0002]半導體激光材料通常采用分子束外延(MBE)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)等方法按照預先設計的結構在相應的襯底材料如GaAs或InP上生長而成。一個典型的半導體外延結構包含η型包層、非摻雜的有源區(qū)以及P型包層，其中有源區(qū)包含發(fā)光的量子阱以及波導層。圖1為一典型的基于GaAs材料的635nm量子講激光外延結構不意圖，而圖2a_b為其對應的材料折射率沿生長方向的變化。
[0003]對于半導體量子阱激光的量子阱結構來說，通常的量子阱結構可以是單量子阱結構，也可以是多量子阱結構，圖3a_c分別示出了單量子阱、雙量子阱、以及三量子阱結構。由圖可見實際的量子阱是由帶隙較窄的材料被夾在帶隙較寬的材料中間形成的(如Ec和Ev所示)。當在導帶量子阱中的電子與價帶量子阱中的空穴復合時，就會放出一個光子，從而實現(xiàn)了光的產生。這種有源結構的缺點是不可避免地造成一定比例的載流子泄漏出量子阱，然后在量子阱區(qū)域外進行非輻射復合(見圖4)，從而降低了器件的外量子效率，而且閾值電流也會上升。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明主要解決的技術問題是提供一種量子阱半導體激光外延結構及量子阱激光器，可以使得量子阱激光器的泄漏載流子得到回收，從而提高了器件的內量子效率，降低了器件的閾值電流。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種量子阱半導體激光外延結構，包括有源層以及分別位于有源層的相對兩側且與有源層堆疊排列的第一包層和第二包層；有源層包括沿有源層與第一包層和第二包層的堆疊方向設置的第一波導層、第一量子阱層、第二量子阱層以及第二波導層；其中，第一量子阱層中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長對應于外延結構所需的輸出波長，第二量子阱層中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長小于所述輸出波長。
[0006]其中，第二量子阱層和第一量子阱層由同種材料制成，第二量子阱層的厚度小于第一量子阱層的厚度。
[0007]其中，第二量子阱層和第一量子阱層由不同材料制成。
[0008]其中，有源層進一步包括位于第一量子阱層與第二量子阱層之間的第一勢皇層。
[0009]其中，外延結構進一步包括第一光柵結構，對應設置于第二量子阱層遠離第一量子阱層的一側，第一光柵結構的反射波長等于第二量子阱層中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長。
[0010]其中，有源層進一步包括第三量子阱層，第三量子阱層中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長小于輸出波長。
[0011]其中，第三量子阱層和第一量子阱層由同種材料制成，第三量子阱層的厚度小于第一量子阱層的厚度。
[0012]其中，有源層進一步包括位于第一量子阱層與第三量子阱層之間的第二勢皇層。
[0013]其中，外延結構進一步包括第二光柵結構，對應設置于所述第三量子阱層遠離所述第一量子阱層的一側，第二光柵結構的反射波長等于第二量子阱層中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長。
[0014]為解決上述技術問題，本發(fā)明還提供一種量子阱激光器，包括上述的半導體激光外延結構。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:區(qū)別于現(xiàn)有技術的情況，本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構及量子阱激光器通過第二量子阱層收集從第一量子阱層中泄露出來的載流子，載流子在第二量子阱層中復合，發(fā)射出特定能量的光子，被第一量子阱層所吸收，重新產生可用的載流子，從第一量子阱層逃逸出的載流子被間接回收利用，提高了器件的內量子效率，降低了器件的閾值電流。
【附圖說明】
[0016]圖1是典型半導體量子阱激光外延結構示意圖；
[0017]圖2a為圖1所示的采用折射率圖限制異質結(SCH)結構的激光外延結構的折射率不意圖；
[0018]圖2b為圖1所示的采用漸變折射率分別限制異質結(GRINSCH)結構的激光外延結構的折射率不意圖；
[0019]圖3a是單量子阱能帶示意圖；
[0020]圖3b是雙量子阱能帶示意圖；
[0021 ] 圖3c是三量子阱能帶示意圖；
[0022]圖4是逃逸出量子阱的載流子在量子阱外進行輻射與非輻射復合的能帶示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構第一實施例的結構示意圖；
[0024]圖6是本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構第二實施例的結構示意圖；
[0025]圖7是本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構第三實施例的結構示意圖；
[0026]圖8是本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構第四實施例的結構示意圖；
[0027]圖9是本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構第五實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028]參照圖5，在本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構第一實施例中，激光外延結構包括:有源層51以及分別位于有源層51的相對兩側且與有源層51堆疊排列的第一包層52和第二包層53 ;有源層51包括沿有源層51與第一包層52和所述第二包層53的堆疊方向設置的第一波導層511、第一量子阱層512、第二量子阱層513以及第二波導層514 ;
[0029]其中，第一量子阱層512中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長對應于外延結構所需的輸出波長，第二量子阱層513中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長小于輸出波長。
[0030]其中，有源層51進一步包括位于第一量子阱層512與第二量子阱層513之間的第一勢皇層515。
[0031]本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構通過第二量子阱層513收集從第一量子阱層512中泄露出來的載流子，載流子在第二量子阱層513中復合，發(fā)射出特定能量的光子，被第一量子阱層512所吸收，重新產生可用的載流子，從第一量子阱層512逃逸出的載流子被間接回收利用，提高了器件的內量子效率，降低了器件的閾值電流。
[0032]在優(yōu)選實施例中，第二量子阱層513和第一量子阱層514由同種材料制成，第二量子阱層513的厚度小于第一量子阱層514的厚度。
[0033]量子阱材料的光發(fā)射波長與阱寬的依賴關系:如忽略阱間耦合并采用無限深勢阱的近似可求得量子能級與阱寬的關系，當阱寬變小時，電子能級提高，發(fā)射光能量也增加。所以，本實施例中，在所用的材料相同的情況下，控制第二量子阱層513的厚度，使之小于第一量子阱層512的厚度，進而第二量子阱層513中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長小于輸出波長，載流子在第二量子阱層513中復合，發(fā)射出特定能量的光子，被第一量子阱層512所吸收。
[0034]在另一優(yōu)選實施例中，第二量子講層513和第一量子講層512由不同材料制成，通過對第二量子阱層材料組分的調整，使第二量子阱層513中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長小于輸出波長。
[0035]參照圖6，在本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構第二實施例中，除了本發(fā)明第一實施例類似的基本結構:
[0036]有源層61以及分別位于有源層61的相對兩側且與有源層61堆疊排列的第一包層62和第二包層63 ;有源層61包括沿有源層61與第一包層62和所述第二包層63的堆疊方向設置的第一波導層611、第一量子阱層612、第二量子阱層613以及第二波導層614 ;有源層61進一步包括位于第一量子阱層612與第二量子阱層613之間的第一勢皇層615。
[0037]此外，外延結構進一步包括第一光柵結構64，對應設置于第二量子阱層613遠離第一量子阱層612的一側，且位于對應第二波導層614與第二包層63之間，第一光柵結構64的反射波長等于第二量子阱層613中載流子輻射復合時所發(fā)出的光子的波長。
[0038]根據(jù)光柵周期的長短不同，可將周期性的光纖光柵分為短周期(Λ〈1 μπι)和長周期(Λ>1μπι)兩類。對于短周期的光纖光柵，當光譜光波在其中傳播時，兩個反向傳播的芯模(導模)LPOl之間產生能量耦合，形成特定波長為λ B的反射波，對于前向傳播的LP01，模β I = β 01 ;對于后向傳播的LPOl，模β I = - β 01。兩耦合模的傳播常數(shù)差β = 2β 01較大，這種光柵稱為布拉格光柵。本實施例中的周期性光柵64也可以米用布拉格光柵這種結構，但并不局限于這種結構。
[0039]本發(fā)明量子阱半導體激光外延結構通過第二量子阱層613收集從第一量子阱層612中泄露出來的載流子，載流子在第二量子阱層613中復合，發(fā)射出特定能量的光子，一部分被第一量子阱層612所吸收，重新產生可用的載流子，還有一部分被第一光柵結構64反射，然后被第一量子阱層612所吸收產生可用的載流子，利用以上的結構，從第一量子阱層612逃逸出的載流子被間接回收利用，提高了器件的內量子效率，降低了器件的閾值電流。本發(fā)