專利名稱：長波長GaInNAs/GaInAs光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有GaInNAs有源層的光學(xué)裝置，更具體地，涉及將光的發(fā)射波長改變成長波長的GaInNAs/GaInAs光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
近來，在光通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)連接領(lǐng)域中，已有研究開發(fā)發(fā)射1.3μm或更長的長波長光的激光器。1.3μm波段的長波長激光器在光纖中的操作具有最小的耗散，因而適用于高速通信。1.5μm波段的長波長激光器利用它的最小吸收被傳輸，因而適用于長距離通信。長波長激光器具有低驅(qū)動(dòng)電壓，因而適用于高集成Si基電路。
目前研究用于局域光通信的基于GaAs襯底的長波長激光器主要使用GaInNAs材料作為有源層、使用GaAs或GaNAs材料作為阻擋層以獲得1.3μm或更長的波長。基于GaAs襯底的裝置具有一些優(yōu)勢，例如低成本、簡單的晶體生長技術(shù)以及高反射鏡面(mirror)。然而，如果GaAs或GaNAs阻擋層形成在GaAs襯底上并且隨后GaInNAs有源層被夾在所述阻擋層之間，那么激光器的光學(xué)性能變差。
在GaInAs層中摻入氮(N)導(dǎo)致形成GaInNAs(也稱作Guinness)有源層，從而增加波長。但是，由于在具有高銦(In)含量的InGaAs層中低的N摻入比例，改變成長波長是非常困難的。此外，隨著為了實(shí)現(xiàn)長波長而增加N含量，GaInNAs有源層的光學(xué)性能往往明顯變壞。通常，為了提高GaInNAs光學(xué)裝置的光發(fā)射性能，在生長之后使用熱退火工藝。在這種情況下，產(chǎn)生In的釋放(discharge)，并且因而，光學(xué)裝置的波長改變成短波長。結(jié)果，制造具有GaInNAs有源層的高性能光學(xué)裝置是困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種高性能光學(xué)裝置，其發(fā)射長波長光。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種光學(xué)裝置，包括GaInNAs有源層，其具有量子阱結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生光；以及兩個(gè)GaInAs阻擋層，其中一個(gè)被沉積在GaInNAs有源層的上表面上，另一個(gè)被沉積在GaInNAs有源層的下表面上，并且其具有比GaInNAs有源層高的導(dǎo)帶能量和低的價(jià)帶能量。
GaInNAs有源層可以由GaxIn1-xNyAs1-y化合物制成，其中0≤x＜1和0≤y＜1。
GaInAs阻擋層可以由GaxIn1-xAs化合物制成，其中0≤x＜1。
GaInNAs有源層可以包括位于其下表面上的GaAs襯底。
根據(jù)本發(fā)明，通過將一新的GaInAs阻擋層引入導(dǎo)傳統(tǒng)的具有GaAs襯底和GaInNAs有源層的光學(xué)裝置中，可以制造發(fā)射1.3μm或更長的長波長光的光學(xué)裝置。


通過參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的以上和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置的量子阱結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置的示意圖；圖3為顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置中由于應(yīng)變壓力而產(chǎn)生波長改變的原理的示意圖；圖4為顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置中峰值波長的增加的曲線圖；圖5為顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置中銦(In)的釋放的補(bǔ)償效應(yīng)的示意圖；以及圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置退火后峰值波長的短波長改變隨In含量的變化的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置。
圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置的量子阱結(jié)構(gòu)的示意圖。
請參照圖1，GaInNAs有源層具有量子阱結(jié)構(gòu)(SQW)，該量子阱結(jié)構(gòu)具有最低導(dǎo)帶能量Ec1，而GaInAs阻擋層具有導(dǎo)帶能量Ec2，Ec2比Ec1高。點(diǎn)線表示的Ec3表示GaAs阻擋層的導(dǎo)帶能量。在傳統(tǒng)的基于GaInNAs有源層的光學(xué)裝置中，具有比GaInAs材料更高的導(dǎo)帶能量的GaAs材料被用于阻擋層。
在GaInNAs有源層上的GaAs阻擋層的疊層結(jié)構(gòu)中，捕獲在量子阱結(jié)構(gòu)中的電子具有基態(tài)能量E1，而在GaInNAs有源層上的GaInAs阻擋層的疊層結(jié)構(gòu)中，捕獲在量子阱結(jié)構(gòu)中的電子具有基態(tài)能量E2。也就是說，當(dāng)阻擋層從GaAs變化成GaInAs時(shí)，量子阱中電子的基態(tài)能量減小。因而，與電子從E1能級到E3能級的躍遷相比，電子從E2能級躍遷到E3能級情況下的光發(fā)射能量減小。光發(fā)射能量(E)必須滿足下面的公式1。從公式1可以看出，隨著光發(fā)射能量(E)減小，波長(λ)變成長波長。
公式1E＝hc/λ其中，h為普朗克常數(shù)(6.63×10-34J·S)，c為光速(3×108m/s)。
本發(fā)明的光學(xué)裝置的特征在于，在有源層的上、下表面上具有GaInNAs有源層和兩個(gè)GaInAs阻擋層。
圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置的示意圖。
請參照圖2，本發(fā)明的光學(xué)裝置包括N型GaAs襯底1；GaAs緩沖層2；由AlGaAs材料制成的N型覆層半導(dǎo)體層3；第一GaInAs阻擋層4；GaInNAs有源層5；第二GaInAs阻擋層6；由AlGaAs材料制成的P型覆層半導(dǎo)體層；以及P型GaAs接觸層8，它們依序沉積在GaAs襯底1上。N型電極9形成在GaAs襯底1的下表面上，P型電極10形成在P型GaAs接觸層8上。
圖2所示的本發(fā)明的光學(xué)裝置具有GaInNAs有源層5和分別位于有源層5的上、下表面由AlGaAs材料制成的第一和第二阻擋層4和6。因此，可以降低有源層5的量子阱結(jié)構(gòu)中電子的基態(tài)能量。來自P型電極8的電子和來自N型電極9的空穴分別穿過第一化合物半導(dǎo)體層3和第二化合物半導(dǎo)體層7，并且隨后分別隧穿過第一和第二阻擋層4和6。接著，所述電子和空穴在有源區(qū)5中彼此復(fù)合，由此發(fā)射光。在這種情況下，與傳統(tǒng)光學(xué)裝置相比，第一和第二阻擋層4和6的導(dǎo)帶能量減小。結(jié)構(gòu)能帶隙減小，由此有源層的發(fā)射波長改變成長波長。
圖3為顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置中由于應(yīng)變壓力而產(chǎn)生波長改變的原理的示意圖。
圖3(a)顯示了GaInNAs/GaAs結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶(CB)以及價(jià)帶能量的輕空穴(LH)和重空穴(HH)的分布。這是不存在由于GaAs晶格匹配而造成的應(yīng)變的情況。
通常使用的GaInNAs有源層要求略高的銦(In)含量，以便獲得1.3μm或更長的長波長。為此，壓應(yīng)變被施加到GaInNAs有源層，如圖3(b)所示。在這種壓應(yīng)變作用狀態(tài)下，產(chǎn)生GaAs晶格失配，并且LH和HH的能級降低。結(jié)果，導(dǎo)帶能量和價(jià)帶能量之間的帶隙增加。
然而，如果使用GaInAs作為這種GaInNAs有源層的阻擋層，如圖3(c)所示，GaInAs由于其晶格常數(shù)大于GaAs或者GaNAs而降低了只作用到GaInNAs有源層的壓應(yīng)變。結(jié)果，與使用GaAs或者GaNA阻擋層的情況相比，能帶隙減小。因此，從具有GaInAs阻擋層/GaInNAs有源層的結(jié)構(gòu)發(fā)射的光的波長改變成長波長。
圖4為顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有量子阱結(jié)構(gòu)的光學(xué)裝置中峰值波長隨阻擋層In含量增加而變化的曲線圖。在這種情況下，使用He-Ne激光器作為激發(fā)光源并且峰值波長表示光致發(fā)光(PL)測量結(jié)果。
請參照圖4，對于GaAs阻擋層用于量子阱結(jié)構(gòu)時(shí)，峰值波長為1223nm；對于含有成分比例為5％的In的阻擋層，峰值波長為1234nm；對于含有10％In含量的阻擋層，峰值波長為1237nm；對于含有20％In含量的阻擋層，峰值波長為1243nm。也就是說，如果GaInAs阻擋層含有增加的20％In含量，與GaAs阻擋層相比，峰值波長向長波長移動(dòng)大約20nm。
圖5為顯示在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置的制造工藝中退火時(shí)銦(In)的釋放的補(bǔ)償效應(yīng)的示意圖。
在具有GaInNAs有源層的光學(xué)裝置的傳統(tǒng)制造工藝中，為了提高光發(fā)射效率，其隨N的摻入而減小，進(jìn)行熱退火。然而，在這種退火工藝中，產(chǎn)生In和N從GaInNAs有源層釋放，這是光的發(fā)射波長移動(dòng)到短波長的主要因素。另一方面，如果光學(xué)裝置具有本發(fā)明的GaInAs阻擋層，當(dāng)退火時(shí)，In的內(nèi)部擴(kuò)散同時(shí)發(fā)生在有源層和阻擋層中，從而補(bǔ)償了有源層中In的損失。請參照圖5，當(dāng)退火時(shí)In和N從GaInNAs有源層行進(jìn)到GaInAs阻擋層時(shí)，GaInAs阻擋層中的In同時(shí)行進(jìn)到GaInNAs有源層以由此補(bǔ)償In的損失。
圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置退火后峰值波長的短波長改變隨In含量而變化的曲線圖。這里，所使用的樣品被退火，并顯示出退火前后通過使用He-Ne激光器作為激發(fā)光源在室溫下PL測量的峰值波長的變化。
請參照圖6，當(dāng)In含量為0％時(shí)，短波長移動(dòng)的變化為52nm。當(dāng)In含量增加5％時(shí)，短波長移動(dòng)的變化減小到48nm；當(dāng)In含量增加10％時(shí)，短波長移動(dòng)的變化減小到44nm。也就是說，隨著In含量增加，短波長移動(dòng)的變化減小。因此，通過增加In含量而減小短波長移動(dòng)的變化可以實(shí)現(xiàn)長波長。
從以上描述顯而易見的是，本發(fā)明的光學(xué)裝置包括GaInNAs有源層和分別位于有源層上、下表面上的兩個(gè)GaInAs阻擋層。因此，能帶隙減小，并且因而光發(fā)射波長移動(dòng)到長波長波段。此外，由于晶格失配而產(chǎn)生的有源層和阻擋層之間的應(yīng)變減小，由此防止晶格失配影響光發(fā)射性能和退火時(shí)In釋放造成的In的損失。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例具體地顯示和描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，其中可以做出形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置，包括GaInNAs有源層，其具有量子阱結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生光；以及兩個(gè)GaInAs阻擋層，其中一個(gè)沉積在GaInNAs有源層的上表面上，另一個(gè)沉積在GaInNAs有源層的下表面上，并且其具有比GaInNAs有源層高的導(dǎo)帶能量和低的價(jià)帶能量。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中GaInNAs有源層由GaxIn1-xNyAs1-y化合物制成，其中0≤x＜1，0≤y＜1。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中GaInAs阻擋層由GaxIn1-xAs化合物制成，其中0≤x＜1。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中GaInNAs有源層包括位于其下表面上的GaAs襯底。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有GaInNAs/GaInAs結(jié)構(gòu)的光學(xué)裝置。該光學(xué)裝置包括GaInNAs有源層，其具有量子阱結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生光；以及兩個(gè)GaInAs阻擋層，其中一個(gè)被沉積在GaInNAs有源層的上表面上，另一個(gè)被沉積在GaInNAs有源層的下表面上，并且其具有比GaInNAs有源層高的導(dǎo)帶能量和低的價(jià)帶能量。因此，該光學(xué)裝置在1.3μm或更長的長波長波段具有優(yōu)異的光發(fā)射性能。
文檔編號H01S5/323GK1518179SQ20041000288
公開日2004年8月4日 申請日期2004年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月29日
發(fā)明者林成進(jìn) 申請人:三星電子株式會社