阅读说明：本技术 具有厚缓冲层的半导体层结构 (Semiconductor layer structure with thick buffer layer ) 是由 L.范 于 2019-06-28 设计创作，主要内容包括：一种半导体层结构,可以包括衬底、形成在衬底上的缓冲层,以及形成在缓冲层上的一组外延层。所述缓冲层可以具有大于2微米(μm)的厚度。所述一组外延层包括量子阱层。量子阱混合区域可以与所述量子阱层和从半导体层结构的表面的区域扩散的材料相关联地形成。(A semiconductor layer structure may include a substrate, a buffer layer formed on the substrate, and a set of epitaxial layers formed on the buffer layer. The buffer layer may have a thickness greater than 2 micrometers (μm). The set of epitaxial layers includes a quantum well layer. The quantum well intermixed region can be formed in association with the quantum well layer and a material diffused from a region of a surface of the semiconductor layer structure.)

具有厚缓冲层的半导体层结构

相关申请

本申请依据35U.S.C.§119要求2018年8月22日提交的美国临时专利申请No.62/721,346的优先权，其内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开涉及发射器阵列，并且更具体地涉及具有厚缓冲层的半导体层结构。

背景技术

半导体激光器由各种外延层形成。各种外延层生长在衬底上。当供应有电流时，半导体激光器发出激光。半导体激光器可以包括边缘发射激光器或垂直发射激光器，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。

发明内容

根据一些实施方式，一种半导体层结构可以包括：衬底；缓冲层，形成在所述衬底上；以及一组外延层，其形成在所述缓冲层上，其中所述缓冲层具有大于2微米(μm)的厚度，其中所述一组外延层包括量子阱层，并且其中，与所述量子阱层和从半导体层结构的表面的区域扩散的材料相关联地形成量子阱混合区域。

根据一些实施方式，一种半导体激光器可以包括：衬底；缓冲层，形成在所述衬底上；以及一组外延层，其形成在所述缓冲层上，其中所述缓冲层具有在3微米(μm)至5μm的范围内的厚度，其中所述一组外延层包括量子阱层，并且其中，通过从半导体层结构的表面的区域扩散的材料使用量子阱混合在所述量子阱层内形成量子阱混合区域。

根据一些实施方式，一种光学装置可以包括：衬底；缓冲层，形成在所述衬底上；以及一组外延层，其形成在所述缓冲层上；其中所述缓冲层具有跨所述缓冲层平均4微米(μm)的厚度，其中所述一组外延层包括量子阱层，并且其中，使用量子阱混合通过从半导体层结构的表面的区域扩散的材料在所述量子阱层内形成量子阱混合区域，其中覆盖层形成在所述缓冲层上。

根据一些实施方式，一种方法可以包括：提供衬底；在所述衬底上形成缓冲层，其中所述缓冲层具有大于2微米(μm)的厚度；以及在所述缓冲层上形成一组外延层，其中所述一组外延层包括量子阱层，并且其中，与所述量子阱层和从半导体层结构的表面的区域扩散的材料相关联地形成量子阱混合区域。

附图说明

图1是描绘现有半导体层结构的激光波长和晶锭(boule)的切片数量之间的关系的图表。

图2是描绘本文所述具有厚缓冲层的半导体层结构的示例实施方式的图。

图3和图4是描绘比较缓冲层的各种厚度和针对所述各种厚度晶锭的切片数量和激光波长之间的对应关系的一个或多个图表的图。

图5是描绘用于形成本文所述的具有厚缓冲层的半导体层结构的示例过程的流程图。

具体实施方式

以下对示例实施方式的详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。

杂质诱导的无序化(Impurity-induced disordering)可用于产生高功率二极管激光器。在此过程期间，将晶片置于高温环境中直到量子阱(quantum well)混合。然而，量子阱混合不仅发生在预期发生量子阱混合的区域中，而且发生在二极管激光器的半导体层结构的活性区域中，在此处的量子阱混合是有害的。这一过程的结果是不同晶片之间的激光波长的明显差异，这可能导致针对给定波长规格的低产率。已经观察到随着来自相同晶锭的衬底切片数量变化的明显的波长变化(例如，来自相同晶锭的晶片可能经历30纳米(nm)或更大的波长变化，这取决于来自晶锭的晶片的切片数量)。例如，在相同的生长过程(growth run)中，具有低衬底切片数量的晶片的激光波长(例如,，在850nm至865nm的范围内)通常比具有高衬底切片数量的晶片的激光波长(例如，在875nm至895nm的范围内)短很多。在生长过程和其他晶片热处理期间，特别是在杂质诱导的无序化过程步骤期间，杂质或点缺陷(例如，空穴，在此处晶体晶格中缺少原子)存在于衬底中，并且倾向于朝向半导体层结构的外延层迁移。杂质或点缺陷的这种迁移促进量子阱混合，导致激光波长偏离设计波长。

需要衬底和外延层之间的阻挡层来阻挡和/或减少这种迁移。将外延层与衬底分开的缓冲层在外延生长质量中起关键作用。由于即使最细致的衬底制备也不能提供原子光滑的表面，其在初始“氧化物吹离(oxide blow-off)”期间变得更加粗糙，缓冲层有利于外延生长的平滑界面。在生长薄的GaAs缓冲层之后，通常在GaAs衬底上生长近红外半导体激光器的外延结构。在上述半导体层结构中，缓冲层的厚度通常为约0.4微米(μm)(或约400nm)。

本文描述的一些实施方式提供了包括厚缓冲层的半导体层结构(例如，用于半导体二极管激光器)。例如，厚缓冲层可以分离半导体层结构的衬底和半导体层结构的各种外延层(例如，当半导体层结构包括在半导体激光器中时，各种外延层可以与激发光相关联)。厚缓冲层可以具有多个微米(μm)的厚度，其防止或阻止杂质或点缺陷从衬底迁移到各外延层中。这通过减少或消除半导体层结构的非预期区域中的量子阱混合，而提供了对从不同晶片产生的半导体激光器之间的激光波长的改善控制，从而减少或消除了不同半导体激光器之间的波长差异性，和/或降低了由半导体层结构形成的半导体激光器的波长具有在设计波长范围之外的激光波长的可能性。对激光波长的改进的控制通过跨从晶锭的不同晶片形成的不同半导体激光器提供将激光波长控制在波长范围内的改善的控制，提高了从晶锭生产半导体激光器的产量。提高的产量降低了成本并消除了浪费，否则会通过使用不包括厚缓冲层的半导体层结构而发生浪费。

图1是描绘现有半导体层结构的激光波长和晶锭的切片数量之间的关系的图表100。该图表显示现有半导体激光器的这种关系，现有半导体激光器包括现有的半导体层结构(例如，包括厚度约为0.4μm的缓冲层)。该图表在图表的第一轴上显示晶锭切片数量(“晶锭的切片#”)(例如，晶片或衬底切片)并且在第二轴上显示以纳米为单位的操作电流(I_op)下的激光波长(“I_op(nm)时的激光波长”)。该图表显示现有半导体层结构的不同生长过程的各种曲线图(例如，生长1至生长3)，其中，曲线表示对于每个生长过程由各种晶锭切片形成的半导体激光器激光波长和对应切片数量。另外，图表显示对于每个生长过程的不同生长曲线的趋势。如附图标记110显示，与生长过程无关，低的切片数量与低的激光波长相关。例如，对于与黑色圆圈和黑色趋势线相关联的生长1，大约230个切片数量与860nm至865nm范围内的激光波长相关。如附图标记120显示，与生长过程无关，高的切片数量与高的激光波长相关。例如，对于生长1，大约315个切片数量与大约888nm至大约891nm范围内的激光波长相关。结果，即使切片来自相同的晶锭，较高切片数量的切片和较低切片数量的晶片之间也可存在显着的激光波长变化。例如，对于生长1，激光波长变化大于20nm(对于一些生长过程且在生长过程的低端和生长过程的高端之间超过30nm)。取决于设计需要，这一波长变化可导致显着的浪费，并且可以增大制造半导体激光器期间的成本。例如，参考生长1，如果对于特定设计需要875nm至895nm范围内的激光波长，则仅具有大约264至大约312范围内的切片数量的晶片可以用于制造用于该特定设计的半导体激光器。具有这一范围之外的切片数量的切片可能会产生不具有足够的激光波长的半导体激光器，且因此需要被丢弃或需要重新赋予目的以用于不同的设计。下文参考图2-4描述，本文描述的一些实施方式减少或消除了这一波长可变性，从而减少或消除了由波长可变性引起的潜在问题。

如上文所述，图1作为示例提供。其它示例可以与参考图1所述的示例有所不同。

图2是描绘本文所述的具有厚缓冲层的半导体层结构200的示例实施方式的图。

如图2所示，半导体层结构可以包括衬底210。例如，衬底210可以是砷化镓(GaAs)衬底等。附加或替代地，衬底210可以是掺杂的。例如，衬底210可以是n-掺杂衬底。衬底210可以由来自晶锭的晶片(例如，切片)形成，且半导体层结构的各个其它层可以形成(例如，生长)在衬底210上。

如图2进一步所示，半导体层结构可以包括缓冲层220。例如，缓冲层220可以形成在衬底210上。缓冲层220可以是GaAs缓冲层等。附加或替代地，缓冲层220可以是掺杂的。例如，缓冲层220可以是n-掺杂缓冲层。在一些实施方式中，缓冲层220可以包括与衬底210相同的材料(例如，缓冲层220和衬底210可以均包括GaAs)。

缓冲层220可以具有多个微米的厚度。例如，缓冲层220可以具有大于或等于2μm的厚度。在一些实施方式中，如下文所述，缓冲层220可以跨缓冲层220而具有大约4μm的厚度(例如，其可以跨缓冲层220在3μm和5μm的范围内，其可以跨缓冲层220具有4μm的平均厚度，等等)。

缓冲层220可以与衬底210晶格匹配。例如，衬底210和缓冲层220可以具有匹配(例如，几乎相等)的晶格常数。这有利于衬底210上的缓冲层220生长到上述厚度，和/或有利于形成对衬底210中的缺陷到缓冲层220中的迁移和/或到形成在下面描述的缓冲层220上的各种外延层中的迁移的阻力。

各种外延层可以形成在缓冲层220上。例如，所述各种外延层可以包括形成在缓冲层220上的第一覆盖层230(例如，n-覆盖层)。第一覆盖层230可以形成n-型双异质结构层。如图2进一步显示，半导体层结构可以包括形成在第一覆盖层230上的第一波导层240(例如，n-波导层)。第一波导层240可以在由半导体层结构形成的半导体激光器内在特定方向上引导电子(或光)和/或可以将电子(或光)限制到量子阱层250。如图2进一步所示，半导体层结构可以包括形成在第一波导层240上的量子阱250。如图所示，第二波导层260可以形成在量子阱层250上。量子阱层250可以用作半导体激光器的活性区域。量子阱混合区域可以与半导体芯片(未示出)的某些区域中的量子阱层250相关联地形成。量子阱混合区域可以通过在这些区域中从晶片表面扩散材料(例如，硅原子)而在这些区域中有意地形成。在这种有意的杂质扩散期间，可以将晶片放置在高温环境中一段时间，直到材料可以从晶片表面的一些区域扩散到量子阱层250的一些区域。可以保护晶片表面的其他区域，使得来自晶片表面的材料不会扩散到量子阱层250。在一些实施方式中，这些受保护区域可以用作激光器腔内的半导体激光器活性区域。

如图2中进一步所示，半导体层结构可以包括形成在量子阱层250上的第二波导层260(例如，p-波导层)和形成在第二波导层260上的第二覆盖层270(例如，p-覆盖层)。第二波导层260可以相应地类似第一波导层240和第一覆盖层230，除了其是p-型层而不是n-型层之外。如图2进一步所示，半导体层结构可以包括帽层280。帽层280可以高度掺杂。

图2所示和参考其描述的半导体层结构可以用于形成各种类型的装置。例如，半导体层结构可以用于形成半导体激光器(例如，半导体二极管激光器)、发光装置等。在一些实施方式中，装置的激光波长可以在红外(IR)或近红外范围(例如，在700nm至1000nm的范围内)。通过包括厚缓冲层，图2中所示的半导体层结构提供了对由来自相同晶锭的不同衬底210形成的不同装置之间的激光波长可变性的改进控制(例如，当在I_op和室温的情况下发出激光时，室温例如大约21摄氏度，或由热电冷却器(TEC)设定的其它温度。)在一些实施方式中，由相同晶锭中的不同衬底210形成的激光器装置的激光波长可以在与进行这一确定相关联的相同的操作条件(例如，相同的电流、相同的散热器温度等)时测量。例如，改进的控制可以针对由具有低切片数量的衬底形成的装置和由具有高切片数量的衬底形成的装置将激光波长保持在20nm范围内内(例如，当由具有低切片数量的衬底形成的装置的和由具有高切片数量的衬底形成的装置的激光波长在相同的操作条件下测量时)。因此，激光波长可以基本上与晶锭中的衬底210的切片数量或切片位置无关(例如，激光波长控制可以促进根据预期的应用使用由低切片数量和/或高切片数量形成的装置)。在这种情况下，激光波长基本上与切片位置或切片数量无关，可以解释为激光波长与由任何其他晶锭衬底形成的另一个装置的激光波长之间的变化小于特定量(例如，15nm、30nm等)，而不论这一对衬底的切片位置或切片数量如何。

以这一方式，本文描述的一些实施方式提供包括厚缓冲层的半导体层结构。厚缓冲层可以减少或消除来自衬底210的缺陷的迁移，这改善了使用包括厚缓冲层的半导体层结构形成的装置的性能。另外，包括厚缓冲层的半导体层结构提供了对由具有来自晶锭的不同的切片数量的衬底210形成的装置之间的波长可变性的改进控制。当使用晶锭生产在窄波长范围(例如，20nm的范围)内发出激光的装置时，这提高了晶锭的产量，从而降低了与装置生产相关的成本和/或浪费。

如上文所述，图2作为示例提供。其它示例可以与参考图2所述的示例有所不同。

图3是描绘比较缓冲层的各种厚度和对于各种厚度激光波长与晶锭的切片数量之间的对应关系的图表300。例如，该图表示出对于包括0.4μm厚的缓冲层的半导体层结构和包括4.0μm厚的缓冲层的半导体层结构(例如，包括厚缓冲层的半导体层结构)激光波长和切片数量之间的关系的比较。当对应的装置在操作电流(I_op)和室温的情况下发出激光时，发生图3的图表中所示的激光波长。

附图标记310示出了具有0.4μm厚的缓冲层的半导体层结构(其通常在现有半导体层结构中使用)的曲线。如图所示，由该半导体层结构形成的装置的波长变化可以大于35nm(例如，从大约855nm的低端到大约892nm的高端)。在一些应用中，这一波长变化可能过大，或者可能导致在可接受范围之外的激光波长。

附图标记320显示包括厚缓冲层(例如，4.0μm的缓冲层)的半导体层结构的曲线。如图所示，由包括厚缓冲层的这一半导体层结构形成的装置的波长变化可以小于20nm(例如，从大约882nm的低端到大约892nm的高端)。结果，通过使用厚缓冲层，对应于由晶锭的衬底形成的两个不同装置的激光波长之间的差异可小于20nm。以这种方式，通过减小由晶锭的切片形成的装置之间的波长可变性，包括厚缓冲层的半导体层结构提供了对激光波长的改进控制，这降低了成本和浪费，如本文其他地方所述。

如上文所述，图3描绘了一个或多个示例。其它示例可以与敞开图3所述的示例有所不同。

图4是描绘比较缓冲层的各种厚度和对于各种厚度激光波长与晶锭的切片数量之间的对应关系的图表400。例如，该图表针对包括0.4μm厚的缓冲层的半导体层结构(例如，通常在现有的半导体层结构中使用)、包括0.8μm厚的缓冲层的半导体层结构、包括2.0μm厚的缓冲层的半导体层结构、包括4.0μm厚的缓冲层的半导体层结构示出激光波长和切片数量之间的关系的比较。当对应的装置在操作电流(I_op)和室温下发出激光时，类似于本文其他地方所描述，发生图4的图表中所示的激光波长。

附图标记410示出了与敞开图3的附图标记310所示的相同的曲线，该曲线是包括0.4μm厚的缓冲层的半导体层结构的曲线。附图标记420显示包括0.8μm厚的缓冲层的半导体层结构的曲线。如图所示，由不同的晶锭切片形成的装置之间的波长可变性仍然大于20nm(例如，从大约858nm的低端到大约882nm的高端)。此外，对于某些需要激光波长在875nm至895nm范围内(作为一个具体示例)的应用，与0.8μm和0.4μm示例相关联的装置超过一半不具有该范围内的激光波长，当使用0.4μm或0.8μm厚的缓冲层时，导致大于50％的损耗率。

附图标记430显示包括2.0μm厚的缓冲层的半导体层结构的曲线。如图所示，由不同的晶锭切片形成的装置之间的波长可变性小于20nm(例如，从大约870nm的低端到大约889nm的高端)。在这一示例中，并且对于上述应用(例如，需要激光波长在875nm至895nm的范围内)，三个装置中的两个可适用于那些应用，从而仅导致33.33％的损耗。以这种方式，具有2.0μm厚缓冲层的装置可以相对于包括0.8μm厚或0.4μm厚的缓冲层的装置提供改进的波长控制。附图标记440显示包括4.0μm厚的缓冲层的半导体层结构的曲线。如图所示，4.0μm厚的缓冲层相对于2.0μm厚的缓冲层提供改进的波长可变性控制。例如，对于需要激光波长在875nm至895nm范围内的应用，10个装置中的9个具有该范围内的激光波长，导致仅10％的损耗。以这种方式，具有厚缓冲层(例如，多个微米厚的缓冲层)的装置可以减少晶片之间的激光波长差异。例如，晶片之间的波长差异从对于0.4μm厚的缓冲层的37nm降低到对于4.0μm厚的缓冲层的14nm。

如上文所述，图4仅作为示例提供。其它示例可以与结合图4所述的示例有所不同。

图5是描绘用于形成具有厚缓冲层的半导体层结构的示例过程500的流程图。

如图5所示，过程500可以包括提供衬底(框505)。例如，衬底210可以如上文所述提供。

进一步如图5所示，过程500可以包括在衬底上形成缓冲层(510)。例如，缓冲层220可以形成在衬底210上，如上文所述。在一些方面中，缓冲层220具有大于2μm的厚度。

进一步如图5所示，过程500可以包括在缓冲层上形成一组外延层(框515)。例如，一组外延层可以形成在缓冲层220之上，如上文所述。在一些方面中，所述一组外延层包括量子阱层250。在一些方面中，量子阱混合区域与量子阱层250和从半导体层结构的表面区域扩散的材料相关联地形成。

过程500可以包括另外的实施方式，诸如下面描述的和/或结合本文其他地方描述的一个或多个其他过程的任何单个实施方式或实施方式的组合。

在一些实施方式中，半导体层结构包括在激光器装置中。在一些实施方式中，激光器装置具有在红外(IR)或近红外范围中的波长。在一些实施方式中，激光器装置的激光波长基本上与来自晶锭的衬底的切片位置无关。

在一些实施方式中，缓冲层包括与衬底相同的材料。在一些实施方式中，缓冲层具有2μm值5μm范围内的厚度。在一些实施方式中，所述厚度跨缓冲层平均为4μm。在一些实施方式中，缓冲层是n-掺杂缓冲层。在一些实施方式中，所述一组外延层的n-掺杂覆盖层形成在n-掺杂缓冲层上。在一些实施方式中，量子阱层形成在n-掺杂覆盖层上。

尽管图5示出了过程500的示例框，但是在一些实施方式中，过程500可以包括附加的框、更少的框、不同的框或者与图5中描绘的框不同地布置的框。附加或替代地，可以并行执行过程500的两个或更多个框。

前述公开内容提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的确切形式。可以根据以上公开内容进行修改和变化，或者可以从实施实践中获得修改和变化。

如本文所用，术语“层”旨在广义地解释为一个或多个层，并且包括水平、垂直或以其他角度取向的层。

本文结合阈值描述了一些实施方式。

如本文所使用的，取决于上下文，满足阈值可以指一值大于阈值、多于阈值、高于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、少于阈值、低于阈值、小于或等于阈值、等于阈值等。

尽管在权利要求中记载和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但是这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。实际上，许多这些特征可以以未在权利要求中具体陈述和/或在说明书中公开的方式组合。尽管列出的每个从属权利要求可以直接仅依赖于一个权利要求，但是各种实施方式的公开内容包括每个从属权利要求与权利要求集合中的每个其他权利要求。

除非明确说明，否则本文中使用的元件、动作或说明不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所使用的，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联地引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”可互换地使用。

此外，如本文所使用的，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关项目和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”交替使用。在仅有一个项目的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“具有”等意图为开放式术语。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。此外，如本文所用，术语“或”当连续使用时旨在是包括性的，并且可与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅一个”组合使用)。