专利名称：激光器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器，更为具体地说，(但不是全部地)涉及适合于光泵激应用的大功率半导体激光器，并涉及其制造方法。
背景技术：
如能获得这样一种激光器所要的有效功率输出的话，则必须控制约束因子，在光强度，特别是在激光器的输出小面处的光强度，没有变到足够高来危及灾难性的光学损伤的情况下，来保持激发激光。也必须在两个重要的平面(“远场角”和特别是垂直于激光器层结构的“垂直远场角”)都要控制从激光器出射的激光光束的发散性，以便获得对激光输出要与之耦合的光纤或其它光导的数值孔径的合理匹配。
已经提出过许多半导体激光结构，在这些结构中，在激光器的低折射率覆盖层中引入一层更多层称之为“光捕获层”的与有源激光激光层隔开的折射率相当高的薄层，以便随着约束因子和发散性都降低的结果来“减弱”光学模式。例如，Lordache等人在《电子学通讯》Vol.35 No2(1999年1月21日)p.148-9的一篇论文中描述了采用单一、厚的光捕获层的折射率渐变的半导体激光结构，该光捕获层取决于在有源激发的激光层的上面和下面的折射率甚为不同的覆盖层的采用。不过，一般来说，这两个效应相互作用，且难于在同时获得这两个主要特性所要的值。
发明内容
我们现已发现一种半导体激光结构，在这结构中，可以在有用的范围内选择约束因子，几乎与发散性无关，所以极大地简化了符合这两个要求的激光器设计；且在这结构中，与常规的折射率渐变的结构相比，在制作过程中的变化被减到了最小。
根据本发明的主要方面，一种半导体激光结构包括高折射率的有源激光层；有源层的每一侧有一折射率渐变的薄层；且在各自折射率渐变层的每一侧有低折射率的覆盖层，以及插入在覆盖层中的一层之内的至少一层光捕获层，其点有(a)该光捕获层，或它们中的每一层，它与离有源层的距离相比较是薄的，以及(b)该覆盖层具有基本上相同的、均匀的折射率。
为免除怀疑，在本申请中使用的渐变折射率的“薄层指的是一种薄层，在这薄层中，其折射率从在靠近有源层的这部分薄层中的高值变到类似于在靠近覆盖层的这部分覆盖层中折射率的低值，或是连续地变，或者一系列的小阶跃变，不包括具有恒定中间折射率的薄层。而且，关于在本申请中的折射率是在波长1550nm，温度为20℃时测量的，除非本文另有要求。
较佳的是，渐变的折射率层具有通过它的厚度连续地变化的折射率，更具体地说，以或是线性的，或是抛物线的折射率梯度为佳。
如果要想把有源层放在光场分布的中央，于是就应有插入到每层覆盖层中的光捕获层(或多于一层这样的薄层)，较佳的是对称的结构。不过，我们推荐不对称的结构，在这结构中有插入到仅在有源层一侧的覆盖层中的一层光捕获层(或多于一层这样的薄层)；更准确地说，是在较靠近将正常地形成器件的基底上的一侧。这最后的结构具有的好处是，一旦敷设好这所需的薄层后，后继的制作步骤与没有任何光捕获层的常规折射率渐变的激光器基本上相同。
为制作简易，我们推荐只采用一层光捕获层，或在有源层每侧上只用一层；但是，如果相要，可在一侧或两侧采用多达约3到4层光捕获层；多薄层提供额外的自由度并能在界限的准确地控制近场分布的形状；这一点，反过来又能控制远场分布的形状和宽度。光捕获层较佳的是具有与在折射率渐变的薄层中最大的折射率相等或至少接近的折射率。激光器所有其它部分的折射率(同样地，组份)可与常规折射率渐变的激光器相同。
本发明包括根据本发明的激光器的制作方法，本发明的激光器包括通过外延生长敷设电极并解理劈开以形成镜面，在基底上形成对应的层结构。
该层结构可用任意的外延生长技术来形成，例如分子束外延，金属—有机的化学学相沉积，金属—有机的分子束外延或化学束外延。
本发明的方法可包括其它的常规步骤，而在层结构形成后的所有步骤可全部是常规的。通常将采用图形腐蚀来形成脊峰以便限定注入的电荷载流子从而改善光发射的效率，而在这样的诸情况下，通常采用做好图形的氮化硅沉积来控制形成电极的金属沉积。其它可能有用的步骤包括在完成顶表面的加工后，研磨基底的下侧来减小厚度和热阻；小面钝化以增加耐用度；以及在小面上沉积氧化物以调节反射率。
本发明的其它较佳特性将从随后的描述中了解。
在本发明的激光结构中，为预先确定折射率值，其结束因子对这些尺寸的大部分可实行的范围内几乎由光捕获层的厚度来决定，且与光捕获层离有源层的间距几乎无关；对(仅是)部分的那个范围，发散性几乎由该间距决定，且几乎与厚度无关。
将知道，激光器各部分折射率的变化在约束因子和反射性上将会有显著的影响；某些例子将在下面描述，且在我们目前的经验基础上，我们相信可能被认真考虑的变化，通常将有一个非常类似于在光捕获层厚度变化的影响。在本领域中的技术人员会通过常规实验或通过计算来决定所提出的变化的影响。
附图简述本发明将用示例的方法，参考附图作进一步的描述，其中
图1是根据本发明激光器第1形式层结构的图示代表；图2和图3是分别示出对与图1仅在尺寸上不同的激光器范围内，计算的约束因子和垂直远场角作为光捕获层厚度和间距的函数的曲线图。
图4和图5是类似于图1，示出根据本发明另一可替换层结构的示意图。
图6是一激光器的草图，在这激光器中，其层结构对应于图4，而图7到9是其依次放大的细节。
图10-11和12-13，每对图分别对应图2和图3，示出在图1的结构中，光捕获层组份的，从而是折射率变化的影响曲线图；以及图14-15，分别对应图2和图3，示出在图1的结构中，改变折射率渐变层分布的影响曲线图。
具体实施例方式
图1通过画出折射率η对离自由表面距离X的曲线图来表示根据本发明激光器的层结构，这层结构在具有离有源层3有相同间距的两层光捕获层1，2的意义上来说，它是对称的。有源层可以是，单个，双倍或多量子阱的类型，由于它在各场合中是常规的，所以不需要作进一步的描述。在它的周围采用砷化铝镓和砷化镓来形成所要的结构，用通常的方法来改变铝的含量(如果有)来获得所需的如在图中所示的折射率和能级。
直接邻接于有源层每个侧面的是薄层4，在这薄层中，其折射率(如上面限定的)从3.52(在铝含量为零处)逐渐减小到约3.36(在铝含量约为27.5存子％处)，其分布为有点接近顶点在零铝含量处的抛物线，以便建立折射率渐变分别约束的异结构(GRIN-SCH)，以及除了各自具有折射率约为3.52(铝含量零处)的光捕获层2，3之外，3，36的低折射率(铝含量27.5原子％)维持在整个覆盖层5，6中。可以采用超低折射率(好比说，η＝3.32，铝含量35原子％)的任选层7来抑制光耦合到基底8中(在图中只包括了一小部分)。较佳的折射率渐变是象在薄层7和基底8之间所示的，来避免在两种具有不同能带隙的材料之间突变的交界面，这样会提高驱动激光器所需的电压值(事实上，光捕获层的出现稍为增加了这个电压)。渐变的高折射率表面层9提供了良好的欧姆电接触。
图2对一激光器标绘出计算的约束因子Г。图2为一般用根据图1的层结构制成的60μm宽区激光器标绘出计算的约束因子Г，不过具有在直至110nm范围内的光捕获层变化的厚度y和离各自的折射率渐变层4的最近边界在300到900nm范围内的光捕获层变化的距离Z。
类似地，图3对相同的尺寸范围标绘了计算的垂直远场角(VFF)。在本文中，“垂直”指的是在与层结构平面正交的方向上，而计算是根据在辐射波瓣(radiation lobe)全宽度的半最大强度处(FWHM)。
从图2和3的检验中可以知道，通过在图中标出的区域A之内选择厚度与距离的组合或只是通过选择约85nm的厚度y以达到良好的近似，有可能获得0.010的低约束因子，并通过选择合适的距离Z，有可能获得在近似范围15-35°内的任何所想要的VFF。类似地，通过在区域B中选择尺寸的组合，或通过选择35nm的厚度y以达到较好的近似，有可能获得约0.013的高约束因子，并通过合适的距离Z的选择来与在近似范围10-22°中与任何想要的VFF结合。
与图2和3相关联的数值，当然是图1的折射率值专用的，但是对其它行得通的值，该原则保持准确，正如在下面要作进一步说明的。
图4和5示出根据本发明的另一种结构，从它们仅在一侧上具有光捕获层的意义上来说它们是非对称的。图4的结构，除了省略光捕获层1之外，基本上与图1的结构相同，而图5的结构，除了添加额外的光捕获层10之外，基本上与图4的结构相同。如果需要，可添加三层甚至四层这样的薄层，较佳的是仅在下面的一侧，虽然这样可能需要增加的覆盖层厚度。附加的薄层可把近场形成所想要的形状，例如，以便减小远场的侧波瓣。
图6-9示出由图4代表的脊峰升高的激光器实际结构的透视示意图，图7、8和9是由分别在前面的图中，以VII、VIII和IX指出的椭圆所指示的该部分放大细节。这些图从逆顺序来看是会得到最好的理解。
图9示出了在前面描述的覆盖层5、6和7，折射率渐变层4，有源层3，光捕获层2和渐变的高折射率层9。它也示出具有高掺杂砷化镓的盖板层12的激光器脊峰11。在脊峰两侧面和邻近的背腐蚀表面上的氮化硅绝缘镀层13，以及沿整个上表面上延伸的钛/铂/金合金的镀层13。
在这镀层13(图8)的顶部电解沉积用于正电连接的金接触垫片14。在该图中可看到其中一个激光小面15。该结构被支承在基底8上，并与它一起构成激光器芯片，它按其顺序被装置在提供分离的接触区17和18的子装配台16上。直接把负接触区17用熔焊连接到基底8的基座上，而用有焊料的引线19把正接触区18连接到垫片14。
图10、12和14对应图2并示出对三个不同结构计算的结果；图11、13和15类似地对应图3并代表相同的结构。在每种场合下，已把垂直标度选到使对应诸图的非常接近的相似性立刻就成为明显起来。图7和8是根据仅与图1在具有由含5％铝的砷化镓—铅(η约3.49)制成的光捕获层方面有区别的结构；图9和10根据在含10％铝(η约3.46)上有同样的修改的结构，而图11和12则根据在图1上用线性来代替在折射率渐变的薄层4中的抛物线分布作修改的结构。
一般，根据图1、4和5的层结构是用分子束外延技术制作，象类似于图5结构的一种结构，但在折射率渐变的异结构的相同一侧具有相等间隔的三层光捕获层。从每种结构，由常规工艺制作60μm宽、1.5mm长的宽区激光器和4μm宽、2mm长的脊峰升高的激光器。
对脊峰升高的激光器，首先通过光刻和化学腐蚀限定脊峰，并放置光致抗蚀层和做好图形，使得它只保留在脊峰顶部。然后全面地涂敷氮化硅镀膜层，并通过“卸下”工艺从脊峰上面除去，在这工艺中，一种酸腐蚀液渗入氮化硅层来除去光致抗蚀剂和覆盖在它上面的那部分氮化硅。把二氧化硅涂敷到顶表面区，并涂敷光致抗蚀剂，再做好图形来形成限定正电极区的掩膜。由掩膜暴露的区域遭受到活性离子腐蚀从它除去二氧化硅，且在表面准备之后，用气相沉积相继涂敷钛、铂和金，而保留下来的二氧化硅连同与在它顶部该部分沉积金属一起用湿腐蚀除去。还采用相似的光致抗蚀剂的镀膜层来覆盖脊峰区，并在脊峰的两侧都留有未覆盖的电极区，然后在电极区上用电解沉积两片厚的金的垫片。现在通过研磨和化学腐蚀下侧面来减小芯片的厚度以获得适合于所需热阻和电容的尺寸。通过气相沉积相继把负电极和加强板涂敷到下侧面，而通过解劈开暴露出小面，用氧化物钝化并镀膜来控制反射。在芯片上形成多个激光器，而现在它们通过解理劈开被分开并被合适地封装。
在某几个步骤的省略下(诸如，脊峰腐蚀，小面钝化，反射控制等)宽区激光器的制备是类似的。
为了作比较，制作了一对除了省略光捕获层之外，基本上一样的常规GRIN-SCH激光器。
在每种情况下，测量了约束因子和VFF以供与计算值作比较，还测量了阀值电流密度Jth，内耗ai和特征温度To，所有这些都是对宽区激光器进行的，而对更实际的脊峰升高的激光器测量了斜率系数。测量的结果示于下表
#用作比较的常规GRIN-SCH*对第一个OTL，从GRIN-SCH测量，对任何后面的OTL，从前面的一个测量
权利要求
1.一种包括高折射率的有源激光层；在有源层的每一侧，折射率渐变的薄层；以及在各自折射率渐变层的每一侧，低折射率的覆盖层，和在其中一覆盖层内插入的至少一层光捕获层的半导体激光器结构，其特征在于(a)该光捕获层，或它们中的每一层，与离有源层的距离相比是薄的，以及(b)覆盖诸层具有基本上相同的、均匀的折射率。
2.如权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述折射率渐变层具有的折射率通过它的厚度是连续变化的。
3.如权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述折射率渐变层具有的折射率根据线性折射率梯度通过它的厚度作变化。
4.如权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述折射率渐变层具有的折射率根据线性折射率梯度通过它的厚度作变化。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述在有源层的一侧上的覆盖层中至少插入一层光捕获层，该有源层的一侧较靠近在其上形成器件基底。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述光捕获层(或几层)具有的折射率等于或至少接近于在折射率渐变层中的最高折射率。
7.一种制作激光器的方法，其特征在于，包括，通过外延生长，涂敷电极和解理劈开以形成镜面，在基底上，根据在权利要求1-4中任意一项权利要求所述形成层结构。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述该层结构是通过分子束外延，金属—有机的化学气相沉积，金属—有机的分子束外延或化学束外处来形成的。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述包括图形腐蚀来形成脊峰的步骤。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电极的镀覆包括采用做成图形的氧化硅的沉积。
全文摘要
一种半导体激光结构，包括高折射率的有源激光层；在有源层的每一侧面，有折射率渐变层；在各自折射率渐变层的每一侧有一低折射率的覆盖层，以及在一层或每层覆盖层之内插入至少一层光捕获层。该光捕获层，或它们中的每一层，与离有源层的距离相比是薄的，而覆盖诸层具有基本上相同的、均匀的折射率。因为这些特点结合的结果，在有用的范围内，仅通过选择光捕获层的厚度来设定约束因素子和仅通过选择它的位置来设定发散性就变得有可能了。
文档编号H01S5/00GK1533001SQ20041003040
公开日2004年9月29日 申请日期2004年3月17日 优先权日2003年3月21日
发明者G·西斯洛蒂, G 西斯洛蒂, P·布拉维蒂, 饲, G·巴克钦 申请人:康宁O.T.I.有限公司