专利名称：半导体激光器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在端面(小平面)附近具有电流未注入区域的高功率半导体激光器。尤其是，本发明使小平面灾难性光学破坏等级提高并且提供长期连续工作的高度可靠性。
根据上述说明，在防止小平面COD方面，重要的是增强小平面来获得高功率的半导体激光器。作为防止小平面COD的一种手段，存在这样的一种方法，其中在小平面附近没有电流被注入。在这种情况下，因为在小平面附近电流注入被抑制，所以小平面附近变成非激励状态。由此，非放射性重组被抑制，这确保改善小平面的COD等级。作为具体实例，存在下述方法。即，通过在小平面上构成的电极下面构成一个绝缘膜如SiN，在小平面内没有电流被注入；通过构成一个包括小平面上的半导体层的电流阻挡层，在小平面内没有电流被注入；并且通过在小平面附近执行离子注入，在小平面上没有电流被注入。
所有上述方法使制造步骤复杂化。此外，所述方法引起对半导体激光器的破坏，其中通过在小平面附近执行离子注入，在小平面内没有电流被注入。此外，所有这些小平面电流阻挡结构均与波导层隔开一个距离而构成。当提供电流阻挡结构时，可以认为将出现电流环绕。当电流阻挡结构与有源层之间的距离增加时，电流环绕被认为会引起严重的影响。在即使在小平面上构成了电流阻挡结构，但是电流环绕的影响变得严重的情况下，电流被围绕着小平面缠绕，由此造成小平面电流阻挡结构的功能恶化。因此，考虑到电流环绕，有必要构成宽的小平面电流阻挡区域。当小平面电流阻挡区域被宽阔地构成时，在这个区域由光吸收所造成的影响变得严重，这样半导体激光器装置的性能(阈值电流、斜度效率、温度特征等)恶化。由此，当在小平面附近构成电流阻挡结构时，上述的任何传统方法未必是最优选的。
本发明的公开内容本发明的目的是解决上述问题。本发明的一个目的是提供一种半导体激光器装置，通过在小平面附近提供一种电流阻挡结构，所述半导体激光器装置具有高的小平面COD等级以及长期连续工作的高度可靠性。根据所述结构，制造工艺变得简单，不会引起对半导体激光器装置的损坏，并且性能恶化可以被降至最小。
为了获取上述目的，本发明涉及一种半导体激光器装置，其包括有源层；n型波导层；p型波导层，所述有源层被插入在n型和p型波导层之间；n型和p型包覆层，其被构成以便于n型和p型波导层的外部被插入到其中间；第一电流阻挡层，其被构成以便于限定一个条形电流注入区域，所述区域沿着从此发射激光装置的前端小平面与对面的所述装置后端小平面被连接的方向延伸；以及第二电流阻挡层，其被构成以便于横切于前端小平面附近的条形电流注入区域；其中所述第一电流阻挡层和所述第二电流阻挡层由相同层制成。
根据由此建造的半导体激光器装置，所述第一电流阻挡层和所述第二电流阻挡层由相同层组成，即它们具有相同的成分及相同的膜厚度，其中在第一电流阻挡层之间插入沿着谐振器方向延伸的条形电流注入区域，并且第二阻挡层的构成是为了便于在小平面附近的一侧或两侧没有电流被注入。因此，与传统方法相比较，制造工艺变得简单，而没有增加工艺步骤的数目。因而，在小平面附近可以提供电流阻挡层，而不破坏半导体激光器装置。从而，提供具有高的小平面COD等级及长期连续工作高度可靠性的半导体激光器是可能的。不仅前端小平面上而且后端小平面上可以提供电流阻挡层。所述第二电流阻挡层的两个侧面部分之一触及到小平面。
在本发明中，可以借助电流注入区域和电流阻挡层区域之间等效的折射率差，构成折射率波导结构。此外，在有源层和波导层之间提供具有能带间隙比波导层的能带间隙大的载流子阻挡层，因此载流子被限制并且在外延方向上的波导模可以扩展。因而，通过抑制集中在小平面有源层上的光强度，可以进一步改善小平面COD等级。
在本发明中，优选地，第一和第二电流阻挡层被构成在波导层内部。第一和第二电流阻挡层可以在波导层邻近被构成。在这种情况下，当第二电流阻挡层的宽度太大时，波导损失增加。因此，希望在实际应用中第二电流阻拦层具有一个在2至25μm范围内的宽度。
在具有折射率比波导层折射率低的小平面附近的电流阻挡层被形成在波导层内或形成在波导层邻近，在上述这种结构下，通过在小平面附近采用低折射率层，则在小平面附近的波导模分布可以从有源层被移开。因而，在小平面附近靠近有源层的束能量密度可以被降低，并且可能提供具有基本上改善的小平面COD等级及高度的长期连续工作可靠性的半导体激光器装置。此外，因为波导层被形成在有源层附近，所以通过在波导层提供小平面电流阻挡结构，由进入有源层的电流环绕而引起的影响可以被降低。借此，与在波导层上提供电流阻挡结构相比，用于确保改善小平面COD等级和高度的长期连续工作可靠性所必须的电流阻挡区域可以更窄。当电流阻挡区域变窄时，因光吸收导致的影响可以减小，从而导致减少了半导体激光器装置性能(阈值电流、斜度效率、温度特征等)的降低。
此外在本发明中，优选地，有源层包括InGaAs且波导层由不包括Al的GaAs组成。
通过采用InGaAs来构成有源层的量子井，使用不包括Al的GaAs来构成波导层是可能的。因为在电流阻挡层的构成过程中再生长界面并不经受氧化，所以可以获得过程的稳定性，以便于可以构成精细膜。电阻和热阻的降低可以通过采用由不包括Al的GaAs组成的波导层来完成。
当在小平面附近的电流阻挡层具有比波导层低的折射率时，在小平面附近的波导模受层的影响。即，波导模可以通过改变嵌入波导层内的小平面附近的电流阻挡层的位置、距端面的距离和折射率而受到控制。
它基本上被公知为改善小平面COD等级以减少靠近在小平面上所构成的有源层的束能量密度的方法。靠近有源层的束能量密度由光限制因数(light confinement factor)Γ来表示。通过提供一个电流未注入区域，小平面附近的电流阻挡层的位置、宽度及折射率被设计成满足光限制因数Γ1d注入与光限制因数Γ1d未注入的如下关系，Γ1d注入＞Γ1d未注入其中在电流注入区域通过沿膜厚度方向的一维片状波导路径获得光限制因数Γ1d注入，沿膜厚度方向在小平面附近的电流未注入区域获得光限制因数Γ1d未注入。
借此，发现靠近小平面上的有源层的束能量密度可以被降低，并且小平面COD等级可以被提高。例如，在下面所提到的实施例中，在电流注入区域的光限制因数Γ1d注入显示为0.0084，而在小平面附近的电流未注入区域的膜厚度方向上的光限制因数显示为0.0071。因此，靠近小平面附近的有源层的束能量密度可以被降低。
用于此处的一维片状波导路径的光限制因数Γ按下述公式被定义[公式1]Γ1d=∫ba|E(x)|2dx∫BA|E(x)|2dx]]>其中E(x)为膜厚度方向上的电场、A和B分别为电场座标的极大值和极小值。此外，a和b是由有源层的界面所确定的值。
实际上，在波导模中，束动态地传播。通过例如利用束传播方法的计算机模拟，可以分析这样的状态，在这种状态中，波导模受小平面附近电流阻挡层的影响。小平面附近的电流阻挡层的位置、宽度及折射率被设计成满足在电流注入区域的光限制因数Γ2d注入与光强度率Γ2d小平面之间的如下关系Γ2d注入＞Γ2d小平面其中光强度率Γ2d小平面为当通过束传播法将电流注入区域的波导模传播进入电流未注入区域时，在相对于传播束的前部小平面的有源层处的光强度率。
借助于此，发现波导模受到控制并且小平面COD等级可以得到增加。此外，靠近小平面上的有源层的束能量密度被设计成采用包括极小值的相邻拐点之间的数值，从而可以获得具有更高小平面GOD等级的半导体激光器装置。例如，图7是通过采用束传播方法的计算机模拟(由Optiwave公司生产的BPM CAD)获得的分析曲线图。在图3所示的结构中，根据下面所说明的实施例，基于相对于传播模在与前面小平面40相邻侧面部分相对的侧面部分处的有源层(在图3C中参考号为23a)光强度率(光限制因数)Γ与电流阻挡层23(电流未注入区域)的宽度W之间的关系，进行一项分析，其中所述的侧面部分是在前面小平面上所提供的电流阻挡层23的两个侧面部分之一。在此所采用的光限制因数Γ如下述公式所定义[公式2]Γ2d=∫c.da,b|E(x,y)|2dxdy∫C,DA,B|E(x,y)|2dxdy]]>其中E(x，y)是电场，(A，B)和(C，D)分别是电场座标的极大值和极小值，并且(a，b)和(c，d)是由有源层的界面所确定的值。
从图7显而易见，在这种情况下，当在小平面上的电流阻挡层具有约为5μm或15μm的宽度时，光限制因数变成极小值。应该注意到为了将小平面上的光限制因数最小化，在小平面附近的电流阻挡层宽度的最佳值按需要被设计成取决于层结构。此外，将光限制因数最小化的电流阻挡层宽度随着改变小平面附近电流阻挡层的位置、宽度和折射率而变化。
附图的简要说明
图1A是根据本发明半导体激光器装置的一个实例的透视图，且图1B是所述部分的放大视图；图2是用于举例说明根据本发明的电流阻挡层实例的视图；图3A-3C是如图1所示的半导体激光器装置的横截面视图；图4A-4C是用于举例说明如图1所示半导体激光器制造步骤的视图；图5是显示半导体激光器装置输出性能的图形；图6A-6B是显示随注入到半导体激光器装置中的电流而变化的时间图；以及图7是显示在小平面上电流未注入区域的宽度与光限制因数之间的关系。
执行本发明的最佳模式现在参考附图，将在下面对本发明的优选实施例加以说明。图1A是根据本发明半导体激光器装置的一个实例的透视图。图2显示出为了澄清起见将根据本发明的电流阻挡层23的配置进行虚拟分割的电流阻挡层。图3A-3C是图2的横截面视图。图3A是在激光器的谐振器长度方向的直角方向沿着线A-A′所取的横截面，且其位于与发射小平面(前面小平面)和后面小平面相距一个距离的位置。图3B显示出沿着与线A-A′平行的截面线B-B′所取的发射小平面的附近。图3C是沿着线C-C′所取的横截面，所述线C-C′几乎是条的中心，在所述条中光波导处在谐振器长度方向上。
参考这些图，缓冲层32、n侧包覆层31、n侧波导层30、有源层区域35、p侧波导层24、电流阻挡层23、p侧波导层22、p侧包覆层21和p侧盖层20被构成在n-GaAs基片33上。如图1B的放大视图所示，有源层区域35包括n侧载流子阻挡层29、n侧侧面载流子层28、包括量子阱层和将它们插入的势垒的有源层、p侧侧面载流子层26以及p侧载流子阻挡层25。在此在条的两侧都提供有电流阻挡层23，以为了确定在谐振器长度方向上的一个条S。同样，在前面小平面40和后面小平面41的附近，提供有电流阻挡层以使其横切于条S。
然后，将说明半导体激光器装置的制造方法。图4A-4C显示按照制造步骤的顺序沿着图2中的线A-A′所取的模截面部分。如图4A所示，首先，由GaAs组成的n型(1×1023m-3)缓冲层32(0.5μm)、由Al0.09Ga0.91As组成的n型(1×1024m-3)包覆层31(2.5μm)、由GaAs组成的n型(1×1023m-3)波导层30(0.45μm)、由Al0.4Ga0.6As组成的n型(1×1024m-3)载流子阻挡层29(0.02μm)、由Al0.1Ga0.9As组成的侧面势垒层28(0.05μm)、包括由In0.18Ga0.82As组成的两个量子阱层(0.007μm/个)和由Al0.1Ga0.9As组成用于插入量子阱层的势垒层(0.006μm)的有源层27、由Al0.1Ga0.9As组成的侧面势垒层26(0.05μm)、由Al0.4Ga0.6As组成的p型(1×1024m-3)载流子阻挡层25(0.02μm)、以及由GaAs组成的p型(1×1024m-3)波导层24(0.1μm)接连着构成在n型(1×1023m-3)GaAs基片33上。应该注意到第一晶体成长是通过金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法而完成的，并且可以采用分子束外延(MBE)方法和其它方法。
然后，其中按照这种方法进行晶体生长的基片被从晶体生成装置中取出，并被放进例如电子束蒸气装置中，从而构成在整个表面上由例如SiO2组成的掩模34。随后，通过光刻法技术将除了中心区域之外的所述掩模去除，以构成一个条形窗，从而构成了条形掩模34。与此同时，小平面附近的掩模被去除，以便于构成小平面上的电流未注入区域。因为掩模34极其薄，所以它可以通过具有高精确度和改善的再现性的传统光刻法技术而构成。
在第二晶体成长中，具有掩模34的基片被代替放入到晶体成长装置中，以选择性地生长在p型(1×1024m-3)波导层24上由n型(1×1024m-3)Al0.09Ga0.91As组成的电流阻挡层23(0.18μm)。然后，如图4B所示，在与掩模34附着的区域中可以获得没有晶体成长的层结构。所述掩模例如通过氢氟酸溶液被去除。当然，电流阻挡层可以具有两层或多层这样的层结构。此外，在整个表面上构成电流阻挡层之后，仅是将要施加电流的中央区域可以通过侵蚀被去除。这样，第一电流阻挡层和第二电流阻挡层可以作为相同层同时构成。
在第三晶体成长中，如图4C所示，由GaAs组成的上部p型(1×1023m-3)波导层22(0.35μm)、由Al0.32Ga0.68As组成的p型(1×1024m-3)包覆层21(0.78μm)、以及由p型(1×1024m-3)GaAs组成的盖层20(1.4μm)被接连地构成。然后，本发明的半导体激光器的实例可以如图2所示获得。随后，在基片和盖层20上构成一个电极，并且电流被施加到其上，从而通过载流子注入可以完成激光器振荡。由此获得的半导体激光器装置被提供有在小平面附近波导层上的电流阻挡层。在半导体激光器的电流注入区域中，在膜厚度方向上的光限制因数Γ1d注入被固定而不取决于谐振器长度方向。在电流未注入区域，通过改变第二电流阻挡层的位置、宽度和折射率，可以使在膜厚度方向上的光限制因数Γ1d未注入变得比Γ1d注入小。此外，当通过束传播方法，将电流注入区域的波导模传播到电流未注入区域时，通过改变第二电流阻挡层的位置、宽度及折射率，可以使在相对传播模的前面小平面上的有源层内的光强度率Γ2d小平面小于Γ1d注入。在此实施例中，例如如图7所示，可以使Γ2d小平面小于Γ1d注入，并且通过选择电流阻挡层的宽度Γ2d小平面还可以进一步减小，以便于在小平面上的有源层附近的Γ2d小平面在包括极小值的相邻拐点之间取值。
顺便提起，电流阻拦层的位置并不被局限于波导层的内部，并且它可能是与波导层相邻。在如此构建的半导体激光器装置中，因为小平面附近的电流注入被抑制，所以小平面附近处于未激励状态。因此，非放射重组被抑制，这确保改善了小平面的COD等级。本发明的半导体激光器装置具有一个脊状结构，在这个结构中有源区域被夹在电流阻挡层之间。
此外，第一电流阻挡层和第二电流阻挡层可以如实施例所说明为连续的，或者它们可能是部分非连续的，这种部分非连续的程度使其性能不受破坏。
图5显示当过电流被施加到按上述方法获得的半导体激光器装置上时光输出的状态。在实施例中，准备了一些样品，这些样品具有跨过嵌入波导层内的小平面附近的条的电流阻挡层的各种宽度WX。在小平面附近，电流阻挡层的一个边缘部分与小平面接触，而其余的边缘部分被放置在谐振器长度方向上距离小平面x的位置处。当就这些实例测量电流光输出特征时，在装置具有x＝0μm，即装置在小平面附近没有电流阻挡层的情况下，在电流通过过程中出现COD。与此相反，当装置在小平面附近具有电流阻拦层的情况下，不出现COD，但是COD彻底地变成热饱合。随后，当再次向在小平面附近具有电流阻拦层的装置施加过电流时，可以观察到再现性。根据所述实施例，因为小平面电流阻拦层是在靠近有源层的波导层内所构成，所以因电流环绕进入有源层带来的影响被减小。根据本发明的实施例，如图5所示，在x＝5μm时可以观察到小平面COD得到改善。因此，在电流阻挡层具有窄区域的情况下，电流环绕进入有源区域的影响得到减小，因此发现电流阻挡结构运行正常。
此外，图6A-6B显示通过测量随时间改变的注入电流而获得的结果，其中采用的环境温度为70℃，并且注入电流受到控制以输出固定的激光。图6A显示有关在小平面附近没有电流阻挡层的半导体激光器装置的结果。因为工作是在将电流控制到只给出固定输出的状态下进行，所以在恶化情况下电流增加。参考图6A，可以发现有关在小平面附近没有电流阻挡层的半导体激光器装置，其在早期阶段便恶化。
另一方面，图6B显示分别采用四种具有x＝5μm、12μm、25μm和35μm的半导体激光器装置的四个装置作为具有在小平面附近的第二电流阻挡层不同宽度x的样品的测试结果。经发现在小平面附近具有电流阻挡层的半导体激光器装置高稳定地长期连续工作而不出现恶化。
从上显而易见，借助于在小平面附近的电流阻挡层，小平面COD等级得到显著改善。此外，根据所述结果，在电流阻挡层为窄区域，即x＝5μm的情况下，发现在长时间内连续工作时可以确保高可靠性。
本发明并不局限于上述实施例，并且适用于具有各种结构和组成的半导体激光器。
权利要求
1.一种半导体激光器装置，其包括有源层；n型波导层；p型波导层，所述有源层被插入在n型和p型波导层之间；n型和p型包覆层，其被构成以便于n型和p型波导层的外部被插入到其中间；第一电流阻挡层，其被构成以便于限定一个条形电流注入区域，所述区域沿着从此发射激光装置的前端小平面与对面的所述装置后端小平面被连接的方向延伸；以及第二电流阻挡层，其被构成以便于横切于前端小平面附近的条形电流注入区域；其中所述第一电流阻挡层和所述第二电流阻挡层由相同层组成，并且借助于电流注入区域与第一和第二电流阻挡层区域之间等效的折射率差，构成了折射率波导结构。
2.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其中载流子阻挡层被提供在有源层和p型波导层之间和/或有源层和n型波导层之间，并且所述载流子阻挡层具有比所述波导层高的能带间隙。
3.如权利要求1或2所述的半导体激光器装置，其中第一和第二电流阻挡层被构成在p型波导层和/或n型波导层内部。
4.如权利要求1或2所述的半导体激光器装置，其中第一和第二电流阻挡层被构成在p型波导层和/或n型波导层附近。
5.如权利要求3或4所述的半导体激光器装置，其中有源层包括InGaAs且波导层包括GaAs并且不含Al。
6.如权利要求3或4所述的半导体激光器装置，其中有源层由包括InGaAsP层的多层所组成，并且波导层包括GaAs并且不含Al。
7.如权利要求1至6任何之一所述的半导体激光器装置，其中第二电流阻挡层被构成，以便于满足下述关系Γ1d注入＞Γ1d未注入其中Γ1d注入是在电流注入区域的光限制因数且Γ1d未注入是在电流非注入区域的光限制因数。
8.如权利要求1至7任何之一所述的半导体激光器装置，其中第二电流阻挡层被构成，以便于满足下述关系Γ2d注入＞Γ2d小平面其中，Γ2d注入为在电流注入区域的光限制因数，且Γ2d小平面为当通过束传播方法将电流注入区域的波导模传播进入电流未注入区域时，在相对于传播模的前部小平面的有源层处的光强度率。
9.如权利要求9所述的半导体激光器装置，其中第二电流阻挡层的位置、厚度和宽度被定义，以便于Γ2d小平面存在于包括极小值的相邻拐点之间。
10.如权利要求3至5任何之一所述的半导体激光器装置，其中第二电流阻挡层具有在2至25μm范围内的宽度。
11.一种半导体激光器装置，其包括有源层；n型波导层；p型波导层，所述有源层被插入在n型和p型波导层之间；n型和p型包覆层，其被构成以便于n型和p型波导层的外部被插入到其中间；第一电流阻挡层，其被构成以便于限定一个条形电流注入区域，所述区域沿着从此发射激光装置的前端小平面与对面的所述装置后端小平面被连接的方向延伸；以及第二电流阻挡层，其被构成以便于横切于前端小平面附近的条形电流注入区域；其中第二电流阻挡层被构成，以便于满足下述关系Γ1d注入＞Γ1d未注入其中Γ1d注入是在电流注入区域的光限制因数且Γ1d未注入是在电流非注入区域的光限制因数。
12.一种半导体激光器装置，其包括有源层；n型波导层；p型波导层，所述有源层被插入在n型和p型波导层之间；n型和p型包覆层，其被构成以便于n型和p型波导层的外部被插入到其中间；第一电流阻挡层，其被构成以便于限定一个条形电流注入区域，所述区域沿着从此发射激光装置的前端小平面与对面的所述装置后端小平面被连接的方向延伸；以及第二电流阻挡层，其被构成以便于横切于前端小平面附近的条形电流注入区域；其中第二电流阻挡层被构成，以便于满足下述关系Γ2d注入＞Γ2d小平面其中，Γ2d注入为在电流注入区域的光限制因数，且Γ2d小平面为当通过束传播法将电流注入区域的波导模传播进入电流未注入区域时，在相对于传播束的前部小平面的有源层处的光强度率。
13.如权利要求12所述的半导体激光器装置，其中第二电流阻挡层的位置、厚度和宽度被定义，以便于Γ2d小平面存在于包括极小值的相邻拐点之间。
14.如权利要求11至13任何之一所述的半导体激光器装置，其中第二电流阻挡层具有在2至25μm范围内的宽度。
15.如权利要求11至14任何之一所述的半导体激光器装置，其中借助于电流注入区域与第一和第二电流阻挡层区域之间等效的折射率差，构成了折射率波导结构。
16.如权利要求11至15任何之一所述的半导体激光器装置，其中载流子阻挡层被提供在有源层和p型波导层之间和/或有源层和n型波导层之间，并且所述载流子阻挡层具有比所述波导层高的能带间隙。
17.如权利要求11至15任何之一所述的半导体激光器装置，其中第一和第二电流阻挡层被构成在p型波导层和/或n型波导层内部。
18.如权利要求11至17任何之一所述的半导体激光器装置，其中第一和第二电流阻挡层被构成在p型波导层和/或n型波导层附近。
19.如权利要求17或18所述的半导体激光器装置，其中有源层包括InGaAs并且波导层包括GaAs且不含Al。
20.如权利要求17或18所述的半导体激光器装置，其中有源层由包括InGaAsP层的多层所组成，并且波导层包括GaAs而不含Al。
全文摘要
一种半导体激光器装置包括第一电流阻挡层及第二电流阻挡层，所述第一电流阻挡层被构成以便于限定一个条形电流注入区域，所述区域沿着从此发射激光装置的前端小平面与对面的所述装置后端小平面被连接的方向延伸，且所述第二电流阻挡层被构成以便于横切于前端小平面附近的条形电流注入区域。所述第一电流阻挡层和所述第二电流阻挡层由相同层组成。因此，在具有简易构成结构的小平面附近提供有一个电流阻挡层结构，其对半导体激光器装置不造成损坏并且将性能恶化减至最小，从而可以获得高的小平面COD等级及长期连续工作的高可靠性。
文档编号H01S5/16GK1394372SQ01803534
公开日2003年1月29日 申请日期2001年9月6日 优先权日2000年9月8日
发明者小矶武, 藤本毅 申请人:三井化学株式会社