专利名称：半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器。本发明的半导体激光器可应用于振荡波长因电流/光输出/温度等而改变的所有类型的半导体激光器。
背景技术：
最近光信息处理和光通讯领域的技术已经取得了明显的进步。例如，为了通过光纤网络实现高速双向通讯以用于诸如图像信息的大量信息的传输，大容量光纤传输线以及适用于该传输线的信号放大器是必不可少的。作为该情况的一种典型示例，目前正在各个领域进行以诸如Er+3的稀土元素掺杂的光纤放大器(EDFA)的研究。为此，期望开发出用于激发光源的优良半导体激光器，其作为EDFA的部件是不可缺少的元件。
原理上，可用于EDFA的激发光源的振荡波长包括三种，800nm、980nm、以及1480nm。其中，公知的是，鉴于放大器的性能并考虑到其增益和/或噪声系数，980nm下的激发是最期望的。具有该980nm振荡波长带的激光器已经通过在GaAs衬底上设置InGaAs有源层实现，且其必须满足两个相互矛盾的要求，即其输出功率要高且其寿命要长。另外，SHG光源及其它部件要求其附近的波长，例如从890nm至1150nm，且在其它各个应用领域中期望具有出色性能的激光器的开发。
在信息处理技术领域，为获得高密度数据存储正在开发短波半导体激光器。特别地，近来蓝光激光器的发展十分明显，生长在AlOx等衬底上的GaN材料的稳定性提高，并对此正在进行进一步的研究。另外，半导体激光器被应用于医学领域以及精细加工领域，其应用范围在未来将进一步增大。
一般而言，半导体激光器与固体激光器和气体激光器相比尺寸小且重量轻，由于其这些优点使得其具有多种应用。然而，从其波长稳定性的角度来说，半导体激光器不总是优于任何其它激光光源。例如，在其中小面反射(facetreflection)是其谐振器(cavity)结构的基础的常规Fabry-Perot(法布里-泊罗)半导体激光器中，振荡波长随着器件温度的提高而逐渐增大。这是因为构成半导体激光器的材料的带隙在高温时减小，且可以认为器件的特性基本上限制于其构成材料。在为高输出功率工作而驱动器件时，或者即在器件的输入电流增大时，半导体激光器的振荡波长可以由于器件产生的热量而逐渐增大。一般，期望半导体激光器中对应于温度/光输出/输入电流变化的波长波动尽可能小，并期望解决这一问题。
已经为提供具有较小波长变化的半导体激光器进行了各种尝试。例如，如H.C.Casey，Jr.，M.B.Panish，Hetero-structure Lasers(Academic Press，1978)，pp.90-106中介绍，已知具有稳定的振荡波长的半导体激光器(DFB激光器)可通过在器件有源层的周围形成周期性光栅结构并使用其作为分布式反射器来制造。波长稳定化的其它方法已经得到广泛应用，其包括形成用于半导体激光器的外谐振器结构，其中从半导体激光器输出的光中具有特定波长的光被选择性地反射并输入到器件内。然而，前者要求在器件内形成周期性光栅结构，由此具有工艺复杂和器件不适于高输出驱动工作的缺点。后者要求外谐振器结构且由此光源整体尺寸变大，其问题在于丧失了小尺寸半导体激光器主体的优点。
另一方面，在本发明人的报道-IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.36，No.12，December(2000)，pp.1454-1461-中，一种980nm波段半导体激光器形成在对于具有其振荡波长的光透明的衬底上。准确而言，其中，在衬底的折射率与包层(clad layer)相比较大时，或者即在能够起波导作用的衬底存在于有意形成在器件内的半导体激光器波导下方时，且在激光器波导与衬底波导耦合时，则(1)根据衬底的厚度，器件振荡谱包括与由器件的谐振器长度限定的Fabry-Perot模间隔无关的强度调制(该文献中图4)；(2)在衬底具有普通厚度(120μm左右)时，强度调制周期为2.5nm左右；(3)在该情况下，在器件振荡谱中显示出最大强度的纵模的电流相关性/温度相关性具有阶梯状特殊特性(该文献中的图7和图11)。如图7所示，这些特性包括其中在其极小区域内振荡波长的电流相关性极小的区域，且此特性为半导体激光器的波长稳定提供了建议。
另外，在该文献中，讨论了波长稳定机制。一般，通过电流注入到内建于半导体激光器内的波导中产生的增益谱随着输入电流/光输出/温度的提高而朝长波长侧移动。这正是普通半导体激光器中波长改变的原因。然而，在半导体激光器形成在对于具有振荡波长的光透明的衬底上且衬底的折射率与包层相比相对较大时，衬底内产生了抑制波长改变的机制。在起波导作用的衬底中，没有出现受激发射且因此输入的载流子积累于其中。一般，半导体材料的折射率随着其载流子密度的增大而减小。这种现象被称为等离子现象。因此，在作为激光器波导和衬底波导耦合的结果产生的振荡谱强度调制上，以及在根据该结果选择的纵模上，波长缩短机制将通过电流注入而作用。具体而言，可以理解上述文献IEEE Journal中图7所见的波长稳定区域是通过伴随作为电流注入的结果波长红移的激光器波导的增益谱的效应、以及从通过等离子效应波长缩短的衬底波导导致的效益的“平衡”实现的结果。考虑温度相关性，因为衬底由于温度升高导致的折射率增大产生的振荡波长红移效应与因为有源层由于温度升高导致带隙减小产生的振荡波长红移效应相比较小，可以抑制波长由于温度升高而红移的激光器波导增益谱的效应。
然而，在上述系统中，波长对于电流改变稳定的区域很窄，如图7所示，且存在在稳定区域之前和之后发生极大波长改变的问题。然而，为解决此问题，难以控制衬底的波导机制。这是因为以下原因在形成LD结构过程中，衬底对于其上的外延晶体生长起底层的作用，此外，衬底必须足够厚从而确保其机械强度以保护晶片在生产半导体激光器的工艺期间免于折断，相反其不得不减薄到可以解理从而形成半导体激光器小面的程度。因此，器件的总厚度将不得不最终限定在100μm至150μm左右的范围。即使在衬底的光学优化厚度为40μm时，实际无法操控该类型的衬底。
发明内容
本发明在于解决上述现有技术的问题。具体而言，本发明的目的在于提供一种以简化方式在相对宽的电流区/光输出区或温度区内，降低半导体激光器振荡波长的电流相关性、光输出相关性或温度相关性的方法。
本发明人努力研究以解决该问题，结果，发现这些问题可以通过本发明解决，其涉及一种半导体激光器，该激光器具有振荡波长λ(nm)，并包括至少衬底、平均折射率为N1cld的第一导电类型包层、平均折射率为NA的有源层结构、平均折射率为N2cld的第二导电类型包层，其中平均折射率为N1SWG的第一导电类型次波导层(subwaveguide layer)存在于衬底与第一导电类型包层之间，以及平均折射率为N1LIL的第一导电类型低折射率层存在于次波导层与衬底之间，以及这些折射率满足所有以下公式
N1cld＜NA，N2cld＜NA，N1cld＜N1SWG，N2cld＜N1SWG，N1LIL＜N1SWG。
下面介绍本发明的优选实施例。优选地，折射率满足所有以下公式N1LIL≤N1cld，N1LIL≤N2cld。
还优选地，本发明半导体激光器的第一导电类型包层的厚度T1cld(nm)和其第二导电类型包层的厚度T2cld(nm)满足以下公式0.5＜T1cld/λ＜3.0，T1cld＜T2cld。
还优选，本发明半导体激光器的第一导电类型次波导层的厚度T1SWG(nm)满足以下公式2000(nm)＜T1SWG＜40000(nm)。
还优选，本发明半导体激光器的第一导电类型低折射率层的厚度T1LIL(nm)满足以下公式500(nm)＜T1LIL＜20000(nm)。
还优选，本发明半导体激光器的衬底的厚度Tsub(nm)满足以下公式75000(nm)＜Tsub＜135000(nm)。
在本发明半导体激光器的一个优选实施例中，衬底对于具有振荡波长λ(nm)的光透明。优选，该情况下衬底的折射率Nsub满足以下公式N1LIL＜Nsub。
在本发明的另一个优选实施例中，衬底吸收具有振荡波长λ(nm)的光。
本发明的半导体激光器的又一优选实施例为具有小面反射型谐振器结构的边缘发射型器件。
本发明的半导体激光器的又一优选实施例包括第一导电类型包层与有源层结构之间的具有折射率N1MWG的第一光导层、以及有源层结构与第二导电类型包层之间的具有折射率N2MWG的第二光导层，其中这些折射率满足所有以下公式N1cld＜N1MWG＜NA，
N2cld＜N1MWG＜NA，N1cld＜N2MWG＜NA，N2cld＜N2MWG＜NA。
优选，上述类型半导体激光器满足所有以下公式N1SWG≤N1MWG，N1SWG≤N2MWG。
还优选，衬底在激光振荡波长λ(nm)下的折射率NSUB满足以下公式中的至少一个NSUB＝N1SWG，NSUB＝N1MWG，NSUB＝N2MWG，N1SWG＝N1MWG，N1SWG＝N2MWG，N1MWG＝N2MWG。
本发明半导体激光器的又一优选实施例如下第二导电类型包层包括上第二导电类型包层和下第二导电类型包层，上第二导电类型包层和电流阻挡层形成电流注入区，且其还包括接触层。
优选，本发明半导体激光器用于单横模工作。还优选，在本发明的半导体激光器中，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。
图1在其中部示出了本发明半导体激光器的基本层构造的示例；在其左侧示出了根据本发明的折射率分布的示例；在其右侧示出了本发明中期望的光强度分布的示例；在其顶部示出了此说明中所提及的垂直方向/水平方向/谐振器方向的用语的含义；图2为本发明半导体激光器的一个示例的示意截面图；图3为示例的半导体激光器的振荡谱；图4为示出纵模波长的电流相关性的曲线图，其显示了示例的半导体激光器的振荡谱中的最大强度；图5为比较例1的半导体激光器的振荡谱；图6为示出纵模波长的电流相关性的曲线图，其显示了比较例1的半导体激光器的振荡谱中的最大强度；图7为比较例2的半导体激光器的振荡谱；以及图8为示出纵模波长的电流相关性的曲线图，其显示了比较例2的半导体激光器的振荡谱中的最大强度。
附图中，1为衬底，2为第一导电类型低折射率层，3为第一导电类型次波导层，4为第一导电类型包层，5为有源层结构，6为第二导电类型包层，7为第二导电类型接触层，11为第一导电类型衬底，12为第一导电类型缓冲层，13为第一导电类型低折射率层，14为第一导电类型次波导层，15为第一导电类型包层，16为第一光导层，17为有源层结构，18为第二光导层，19为下第二导电类型包层，20为第一导电类型电流阻挡层，21为帽层(caplayer)，22为上第二导电类型包层，23为第二导电类型接触层，101为应变量子阱层(strained quantum well layer)，102为势垒层，103为应变量子阱层，201为衬底侧(第一导电类型侧)电极，202为外延层侧(第二导电类型侧)电极。
具体实施例方式
以下，将详细介绍本发明的半导体激光器。只要满足权利要求1的条件，本发明的半导体激光器不特别限定于其结构和其制造方法的细节。此介绍中，以用语“从A至B”表示的数值范围表示包括A和B的范围。
参照图1，介绍本发明半导体激光器的波长稳定机制。在其中部，图1示出了叠置在衬底上且对本发明必须的衬底(1)/第一导电类型低折射率层(2)/第一导电类型次波导层(3)/第一导电类型包层(4)/有源层结构(5)/第二导电类型包层(6)的结构，且这具有有利地用于构造该半导体激光器的第二导电类型接触层(7)。在以下的介绍中，衬底为第一导电类型衬底。在其左侧，图1示出了根据本发明的折射率分布的示例。高折射率半导体材料一般具有窄的带隙，带隙趋势也在图1中示出。在其右侧，图1示出了本发明中期望的光强度分布的示例。在其顶部，图1示出了此介绍中所提及的用语垂直方向/水平方向/谐振器方向的含义。
基本上，半导体激光器的垂直方向上的光限制通过光聚焦于夹在第一导电类型包层与第二导电类型包层之间的有源层结构周围来获得，两包层都具有相对较低的折射率。此间，电子或空穴从具有不同导电类型的各包层注入，且在具有相对较高折射率且具有窄带隙的有源层结构周围，光与载流子之间的相互作用被有效地获得从而产生增益。在以下介绍中，为方便起见，包括第一导电类型包层/有源层结构/第二导电类型包层并具有一般半导体激光器的功能的部分被称作“激光器波导”。在本发明中，激光器波导部分基本与传统器件中的相同。
另一方面，本发明的一个特征在于第一导电类型次波导层有意地位于第一导电类型包层的第一导电类型衬底侧。第一导电类型次波导层夹在具有相对较低折射率的第一导电类型包层与第一导电类型低折射率层之间，由此其起波导层的作用。另外，由于第一导电类型低折射率层/第一导电类型次波导层/第一导电类型包层都具有相同的导电类型，所以次波导层不用作如有源层那样的增益产生波导，而是用作具有无源功能的波导。在以下介绍中，包括第一导电类型低折射率层/第一导电类型次波导层/第一导电类型包层的无源波导部分为方便简单表达起见被称作“次波导”。
可以理解，次波导层为独立层结构，其为了控制衬底波导的功能的目的而有意地被外延生长，这一点本发明人已在上述文献IEEE Journal中阐明。因此，本发明中半导体激光器的波长稳定作用是为了控制电流注入导致的归因于减小第一导电类型次波导层的折射率的等离子效应的增益谱红移。对于温度相关性，由于因温度提高导致的第一导电类型次波导层的折射率的增加产生的振荡波长红移效应小于因其温度提高导致的有源层带隙的减小而产生的振荡波长红移效应，所以可以抑制在激光器波导中产生的增益谱红移。
另外，在本发明中，通过改变外延生长的第一导电类型次波导层的厚度，可以改变其中波长被稳定的电流注入区域的范围，如上述IEEE Journal中图7所见。关于温度相关性，可以放大温度相关性相对较小的区域，如上述IEEEJournal中图11所见。
具体而言，次波导层的厚度与器件振荡谱中所见的强度调制周期彼此成反比。因此，例如，在第一导电类型次波导层的厚度为20μm时且根据本发明制造与上述报道相同的980nm波段半导体激光器时，强度调制周期可以为15nm左右。结果，作为振荡谱中强度调制的结果而产生的一些纵模中表现出最高强度的纵模，如上述IEEE Journal中图4所见，不会轻易移动到相邻的纵模，即使在半导体激光器的增益谱随着电流注入器件中而移至长波长侧(红移方向)时。因此，与由于厚度例如为120μm左右的厚衬底波导的作用产生稳定的情况相比，器件的振荡波长可以在更宽的电流区域中被稳定。另外，在适当选择第一导电类型次波导层的厚度时，其可以比半导体激光器的增益谱的范围更宽地设置实质强度调制周期。在此情况下，作为强度调制结果选择的仅一个纵模出现在器件的振荡谱中，强度调制周期无法轻易见到。这表示了制造极好单色性半导体激光器的可能性。
本发明的另一特征在于无源波导功能独立于衬底，由此如上述IEEEJournal中图7所见，可以在宽电流注入区域内产生波长稳定区域，而不考虑衬底与振荡波长间的相对关系。为此，充分防止经次波导层传播的光泄露到第一导电类型衬底中十分重要。如图1所示，设置在第一导电类型衬底与第一导电类型次波导层之间的第一导电类型低折射率层起着重要作用，从而防止彼此耦合的激光器波导和次波导与衬底光耦合。
若非根据本发明，上述IEEE Journal中图7或图11所述的特性无法在衬底对具有振荡波长的光透明且衬底的折射率比包层的相对更高的情况不存在时，或者即在起波导作用的衬底存在于有意内建的半导体激光器波导下方且激光器波导与衬底波导耦合的特定情况不存在时表现出来。例如，具有形成在GaAs衬底上的较薄包层和InGaAs有源层的980nm波段半导体激光器为此情况的一个示例。然而，根据本发明，即使半导体激光器具有形成在GaAs衬底上的AlGaAs有源层，其中衬底的带隙比器件的振荡波长小且衬底对于具有振荡波长的光用作吸收体，或者即使半导体激光器具有InP衬底上的InGaAsP有源层，其中衬底本身对于具有振荡波长的光透明且起包层作用，其也可以实现其中波长的电流相关性/光输出相关性/温度相关性较小的器件。根据第一导电类型包层的厚度，以及激光器波导与次波导之间的相对折射率差异，激光器波导与次波导之间的耦合程度可被控制。在有意内建的两个波导彼此适合地耦合时，可以实现其中波长的电流相关性/光输出相关性/温度相关性较小的器件。
本发明将参照图2更加详细地介绍，其中示出了本发明半导体激光器的一个示例的示意截面图。如图2所示，具有折射率光导结构(refractive-indexguided structure)且具有与衬底的导电类型不同的导电类型的第二导电类型包层包括两层，上第二导电类型包层和下第二导电类型包层，且上第二导电类型包层和电流阻挡层形成电流注入区域。这是一个单横模工作器件，其额外具有一用于降低与电极的接触电阻的接触层。在下述的此示例中，第一导电类型称作n型；第二导电类型称作p型。每一层的极性不限制本发明。每一层可以部分地不掺杂，或者可以部分地为第一导电类型或第二导电类型。除非特别指出，每层的折射率是指器件振荡波长下的折射率，且在功能层包括多层或其具有超晶格结构时，该层的折射率通过将每层的折射率与厚度的乘积的总和除以每层的厚度的总和，接着再平均所得的数据来给出。具体地，在应用于以单横模工作的半导体激光器时，本发明明显表现出其效果。这是因为以单横模工作的器件的振荡谱的单色性与不具有横模控制功能的器件相比明显更加出色。
对于第一导电类型衬底(11)，从所需振荡波长、晶格匹配、将有意引入有源层的应力、以及用作光导层的有源层的应力补偿等的角度出发，使用GaAs、InP或GaN的单晶衬底。
对于衬底，从改善外延生长中的结晶度的角度出发，不仅可以使用正取向衬底(just-oriented substrate)还可以使用非取向衬底(miss-orientedsubstrate)。非取向衬底具有促进阶流模式(step-flow mode)晶体生长的效果，并得到广泛使用。本领域中广泛使用的非取向衬底具有从0.5至2度左右的倾斜，且根据构成量子阱结构的材料系统，其倾斜可以在10度左右。衬底可以预先经过化学蚀刻或热处理，用于根据MBE或MOCVD的晶体生长技术制造半导体激光器。
衬底可以吸收具有由有源层结构限定的振荡波长的光，或者可以是透明的。总之，本发明可以以任何期望的方式应用于任何该些衬底。这是因为衬底的光学性质可能由于将在下面介绍的第一导电类型低折射率层而被忽略。因此，衬底的最终厚度可以限制在在半导体激光器结构的制造中足以确保衬底的机械强度且不降低其可解理性的范围内。优选，其在75与135μm之间，更加优选地在95与125μm之间。
在衬底为第一导电类型时，缓冲层(12)优选为第一导电类型。期望为缓和体晶中的不完整性和为便于形成具有相同晶轴的薄外延膜而设置缓冲层。优选，第一导电类型缓冲层由与用于第一导电类型衬底的化合物相同的化合物形成。在衬底为GaAs时，则通常GaAs用于缓冲层。在此情况下，缓冲层可选地可以按照与衬底相同的方式处理。然而，超晶格层也广泛用作缓冲层。因此，缓冲层可以不由与衬底相同的化合物形成。在某些情况下，鉴于所需发射波长和器件的总体结构，可以选择与衬底不同的材料用于缓冲层。这种就结构和材料而言与衬底不同的缓冲层可以起到第一导电类型低折射率层的作用。在此情况下，在振荡波长下的缓冲层的折射率Nbuf可以等于第一导电类型低折射率层的折射率N1LIL。
第一导电类型低折射率层(13)设置在衬底与第一导电类型次波导层之间，这实现了次波导层中的光限制，且其起到了重要作用，从而不将彼此光耦合的激光器波导(在此情况下，这由第一导电类型包层/第一光导层/有源层结构/第二光导层/第二导电类型包层构成)和次波导(这由第一导电类型低折射率层/第一导电类型次波导层/第一导电类型包层构成)与第一导电类型衬底光耦合。为此，第一导电类型低折射率层在振荡波长下的折射率N1LIL对于次波导的折射率N1SWG必须满足以下条件N1LIL＜N1SWG。
另外，期望第一导电类型包层的折射率N1cld和第二导电类型包层的折射率N2cld满足以下条件N1LIL≤N1cld，N1LIL≤N2cld。
特别地，以下条件N1LIL＝N1cld＝N2cld是最期望的，为了便于器件的制造。当第二导电类型包层如此处所示实施例中那样包括下包层和上包层时，第二导电类型包层的折射率N2cld通过以每层的厚度的总和除每层的折射率与厚度的乘积的总和，再平均所得数据来给出。在第一导电类型衬底对于具有振荡波长的光是透明时，且在其折射率由Nsub表示时，则期望该构造满足以下条件N1LLI≤Nsub。
可以适当选择第一导电类型低折射率层的厚度，从而实现次波导层中的光限制，并从而不将彼此光耦合的激光器波导和次波导与第一导电类型衬底光耦合。然而，层的厚度T1LIL(nm)优选满足以下条件500(nm)＜T1LIL＜20000(nm)。若极薄，则低折射率层无法实现上述功能；但若不必要地厚，则由于器件中的串联电阻会增大而是不利的。第一导电类型低折射率层可以是单层低折射率层，但可以具有通过重叠多个层构成的超晶格结构，所述层与振荡波长相比足够薄。
第一导电类型次波导层(14)位于第一导电类型低折射率层与第一导电类型包层之间，且其具有引导从第一导电类型包层适当泄漏的光的功能。为实现此功能，第一导电类型次波导层的折射率N1SWG相对于第一导电类型低折射率层的折射率N1LIL和第一导电类型包层的折射率N1cld必须满足以下条件N1LIL＜N1SWG，N1cld＜N1SWG。
另外，相对于构成激光器波导的第二导电类型包层的折射率N2cld，其必须满足以下条件N2cld＜N1SWG。
第一导电类型次波导层的厚度可以根据其中的振荡波长需要被稳定以抵御器件中电流改变的区域、根据器件的振荡波长并根据第一导电类型次波导层本身的材料适当选择。一般，作为激光器波导与次波导耦合的结果，振荡谱中所见的强度调制周期与第一导电类型次波导层的厚度成反比。因此，在具有普通Fabry-Perot谐振器的半导体激光器中，期望第一导电类型次波导层的厚度T1SWG(nm)满足以下条件2000(nm)＜T1SWG＜40000(nm)。由上述显见，考虑到器件的振荡波长，经次波导层传播的模可以是其阶在多数情况下相对较高的高阶模。
第一导电类型次波导层的部分或全部可以由超晶格结构等形成。另外，原则上，第一导电类型次波导层的部分或全部可以是非掺杂的。
第一导电类型包层(15)为构成激光器波导和次波导的元件，另外，其对于控制两波导的耦合起重要作用。为构成激光器波导，第一导电类型包层的折射率N1cld相对于有源层结构的平均折射率NA必须满足以下条件N1cld＜NA。
另外，为构成次波导，第一导电类型包层的折射率N1cld相对于第一导电类型次波导层的折射率N1SWG必须满足以下条件N1cld＜N1SWG。
再者，关于与激光器波导与次波导之间的相对关系有关的第一导电类型包层的厚度T1cld(nm)，其厚度可以适当选择从而将两波导彼此耦合，且该层可以薄从而实现两者之间的强耦合但可以厚从而实现其弱耦合。由此，如所述的该层的厚度相对于振荡波长λ(nm)，T1cld/λ优选满足以下条件
0.5＜T1cld/λ＜3.0。
第一导电类型包层的一部分可以是非掺杂的，且该层中的掺杂水平可以改变。第一导电类型包层和第二导电类型包层不总是必须具有单层结构来实现激光器波导中的各种光限制，该些层可以具有多层结构。第一导电类型包层可以部分地具有超晶格结构。
本发明的有源层结构意味着包括单层体有源层、单层量子阱有源层、包括由一个或更多个势垒层分隔开的两个量子阱有源层的双量子阱结构、以及包括由势垒层分隔开的三个或更多个量子阱有源层的多量子阱结构。一般而言，光导层用于具有量子阱层的有源层结构。然而，在此说明中，有源层结构的概念不包括光导层。
有源层结构(17)必须与第一导电类型包层和第二导电类型包层一同构成激光器波导，因此有源层结构的平均折射率NA相对于第一导电类型包层的折射率N1cld和第二导电类型包层的折射率N2cld必须满足以下关系N1cld＜NA，N2cld＜NA。
优选，有源层结构不是体有源层，而是包括量子阱有源层，因为其适于增大器件的输出功率。特别地，在衬底是GaAs时，则期望有源层结构包括AlGaAs量子阱层，InGaP量子阱层，InGaAs应变量子阱层，或InAlGaAs应变量子阱。特别地，包括其中内在地具有压应力的应变量子阱层的有源层结构，诸如InGaAs或InAlGaAs，是特别优选的，因为其可以有效降低器件的阈值电流。图2示出了一种情形，其中均由InGaAs形成的两个应变量子阱层(101、103)被势垒层(102)分隔开。在衬底为InP时，则期望有源层结构包括InGaAsP量子阱层或InAlGaAs量子阱层。
有源层结构可以具有任何所需的导电类型。特别地，在该结构包括量子阱有源层时，则期望量子阱层是非掺杂的，且势垒层中存在第一导电类型的含Si部分。由于电子可以从势垒层中掺的Si供给到量子阱层，且器件的增益谱可以是宽波段的，所以该类型的实施例是优选的。
有源层结构的构造和构成该结构的每层的厚度可以按任何期望的方式适当限定。在有源层结构中有量子阱层时，则期望第一光导层(16)和第二光导层(18)存在于该层的两侧。在此情况下，第一光导层和第二光导层与第一导电类型包层/有源层结构/第二导电类型包层一同构成激光器波导。因此，期望第一光导层的折射率N1MWG和第二光导层的折射率N2MWG满足以下条件N1cld＜N1MWG＜NA，N2cld＜N1MWG＜NA，N1cld＜N2MWG＜NA，N2cld＜N2MWG＜NA。
优选，第一光导层的折射率和第二光导层的折射率相对于第一导电类型次波导层的折射率满足以下条件N1SWG≤N1MWG，N1SWG≤N2MWG。
还优选，第一光导层的折射率与第二光导层的折射率相同，从而确保波导的对称构造。还期望这两层的折射率也与第一导电类型次波导层的折射率相同。在衬底为GaAs且有源层结构包括InGaAs应变量子阱有源层时，还期望第一光导层和第二光导层都由GaAs形成。由此，期望本发明的半导体激光器满足以下条件中的至少一个NSUB＝N1SWG，NSUB＝N1MWG，NSUB＝N2MWG，N1SWG＝N1MWG，N1SWG＝N2MWG，N1MWG＝N2MWG。
更加优选地，N1SWG＝N1MWG＝N2MWG。
最优选地，NSUB＝N1SWG＝N1MWG＝N2MWG，以便于器件的制造。
第一光导层和第二光导层的厚度可按任何所需的方式限定。可以考虑激光器波导中光限制的条件适当确定之。光导层可以不是单层，而是可以具有超晶格结构且可以具有多层结构。光导层的折射率可以在适合的范围内在该层内改变。另外，光导层的导电类型可以按任何所需方式限定。优选，该层包括第一导电类型的含Si部分。由于电子可从第一光导层和/或第二光导层中掺的Si供给到量子阱层中且器件的增益谱可以是宽波段的，所以该类型的实施例是优选的。
在制造需要横模控制的器件时或在器件中限定了到有源层结构内的电流注入路径时，如图2所示，期望第二导电类型包层被构造为具有下包层和上包层的两层结构，且上包层和电流阻挡层形成了电流注入区域。抵御电流和温度的改变稳定振荡波长的本发明的方法对于具有Fabry-Perot谐振器并给出单横模振荡的器件特别有效。
下第二导电类型包层(19)和上第二导电类型包层(22)与第一导电类型包层/第一光导层/有源层结构/第二光导层一同构成激光器波导。因此，第二导电类型包层的折射率N2cld和有源层结构的平均折射率NA必须满足以下条件N2cld＜NA。
如此处所述，当第二导电类型包层包括下包层和上包层时，则第二导电类型包层的折射率N2cld通过以每层的厚度的总和除每层的折射率与厚度的乘积的总和，再平均所得数据来给出。
第二导电类型包层的厚度，或者即下包层和上包层的总厚度，T2cld(nm)可以适当选择。然而，由于期望第二导电类型包层对于尽可能多地防止光泄露到将要形成在包层上的接触层中有效，所以期望第二导电类型包层的厚度相对于第一导电类型层的厚度T1cld(nm)满足以下条件T1cld≤T2cld。
从器件对称构造的角度出发，第一导电类型包层的折射率N1cld和第二导电类型包层的折射率N2cld优选满足以下条件N1cld＝N2cld。
第二导电类型包层的一部分可以是非掺杂的，或者该层的掺杂水平可以改变。
不总是需要第一导电类型包层和第二导电类型包层具有单层结构以实现激光器波导中的各种光限制，且该些层可以具有多层结构。第二导电类型包层可以部分地具有超晶格结构。
第一导电类型电流阻挡层(20)具有两个功能。该层的一个功能字面上为阻挡电流，从而实质地控制电流注入区域；另一个为对于第二导电类型包层适当限制其相对折射率，由此实现该层中水平方向的光限制。
对于前者，期望该层的导电类型与第一导电类型包层的相同，或者该层是非掺杂的。
从后者的角度出发，实现如图2的器件结构中的单横模工作的一种方法包括使电流阻挡层的折射率比上第二导电类型包层的小，由此形成器件内水平方向的波导结构。例如，当上第二导电类型包层由AlxGa1-xAs形成且电流阻挡层由AlzGa1-zAs形成时，则x和y限定为x＜z，且器件中水平方向的光限制由此实现。在此情况下，期望主要由电流阻挡层和上第二导电类型包层之间的折射率差定义的水平方向的有效折射率差在约10-3。对于单横模工作的方法，电流阻挡层可以由能够吸收具有器件振荡波长的光的材料形成，器件可以是损失波导类型的。
另外，对于单横模工作的一个要点在于适当控制图2的宽度W，该宽度对应于电流注入区的宽度。在本发明应用于单横模工作的器件时，宽度W优选从1.5μm至3.5μm左右。
优选，帽层(21)形成在电流阻挡层上。对于帽层，选择在制造器件期间保护电流阻挡层并促进上第二导电类型包层/接触层的生长的材料。基本上，帽层的导电类型可以是第一导电类型或第二导电类型。
优选，第二导电类型接触层(23)形成在上第二导电类型包层上，用于减小器件与电极的接触电阻。接触层一般由GaAs材料形成。一般而言，使得该层中的载流子浓度比其它层中的高，用于减小该层与电极的接触电阻。接触层的厚度可以适当选择。
构成半导体激光器的每层的厚度可以在能够有效体现每层的功能的范围内适当选择。在所示结构的制造中，还可以根据每个构成层的厚度选择适当的晶体生长方法。器件总体上可以根据MBE或MOCVD法制造。特别地，在层的适合厚度超过10μm时，例如，在形成次波导层时，则需要的层可以选择性地根据LPE方法形成。
外延层侧电极(202)进一步形成在图2的半导体激光器上。例如，这可以通过在第二导电类型接触层的表面上以蒸镀的方式顺序沉积Ti/Pt/Au，接着合金化所沉积的金属来形成。
一般而言，上述工艺使得能够通过使用具有350μm左右厚度的衬底制造半导体激光器。在其上形成电极以前，衬底的未由半导体激光器结构覆盖的相反表面可以被抛光，从而去除衬底的不必要的厚度。在本发明中，器件的总厚度可以被构造，从而其足以确保器件的机械强度而不损害其可解理性。
抛光后，在衬底的相反侧形成电极(201)。当这形成在第一导电类型衬底的表面上且这为n型电极时，则例如在衬底表面上以蒸镀的方式顺序沉积AuGe/Ni/Au，随后将其合金化从而形成需要的电极。
用作光输出面的小面在如此制造的半导体晶片中形成。在本发明中，光发射不限于边缘发射。然而，本发明对于边缘发射型器件是有利的。该小面用作反光镜(mirror)，从而构成半导体器件中的谐振器。该小面优选通过解理形成。解理是本领域中广泛采用的方法。将要通过解理形成的小面根据所用衬底的取向而不同。例如，当具有晶体学上等效于本领域喜用的名为(100)的面的衬底用于制造边缘发射型激光器件时，则(110)或晶体学上与之等效的面将是构成谐振器的面。另一方面，在使用非取向衬底时，则根据倾斜方向与谐振器方向之间的关系，小面无法与谐振器方向呈90度。例如，当使用从(100)面向[1-10]方向倾斜2度的衬底时，小面也将倾斜2度。
在本发明中，期望在器件的暴露的半导体小面上形成电介质、或电介质-半导体组合的涂层。涂层的形成主要为两个目的，增大自半导体激光器的光引出效率和保护器件的小面。对于器件的高输出运行，期望不对称的涂覆，其如下在器件的前小面上形成在振荡波长下具有低反射率(至多10％)的涂层，在其后小面上形成在振荡波长下具有高反射率(至少80％)的涂层。
各种材料可用于该涂层。例如，优选使用从AlOx、TiOx、SiOx、SiNx、Si和ZnS构成的组中选取的一种或多种。对于低反射率涂层，可用AlOx、TiOx、SiOx。对于高反射率涂层，可用AlOx/Si的多层膜、以及TiOx/SiOx的多层膜。所需反射率可以通过控制膜厚度来实现。然而，一般而言，低反射率涂层AlOx、TiOx或SiOx的厚度被控制在λ/4n左右，其中n表示该层在波长λ下的折射率的实数部分。另外，高反射率多层膜一般被控制来使得构成该膜的每一层的厚度可在λ/4n左右。
将参照以下示例更具体地介绍本发明。以下示例中所示的材料、浓度、厚度、操作规程及其它可适当改变和调整而不超出本发明的范围和要旨。因此，本发明的范围不应限于下述示例。
(示例1)图2的半导体激光器根据下述工艺制造。
在具有1×1018cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型GaAs衬底(11)(在980nm下具有3.5252的折射率，并具有350μm的厚度)的(100)面上，根据MBE方法按外延生长的方式形成具有0.5μm厚度并具有1×1018cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型GaAs层(980nm下的折射率为3.5252)，作为第一导电类型缓冲层(12)；具有2.0μm厚度并具有1×1018cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型Al0.5Ga0.5As层(980nm下的折射率为3.2512)，作为第一导电类型低折射率层(13)；以及具有3.0μm厚度并具有1×1018cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型GaAs层(980nm下的折射率为3.5252)，作为第一导电类型次波导层(14)的一部分。
接着，在衬底的外延生长面上，以根据LPE方法的晶体生长的方式形成具有约40μm厚度并具有5×1017cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型GaAs层(980nm下的折射率为3.5252)作为第一导电类型次波导层(14)的一部分。
为确定第一导电类型次波导层(14)的厚度并将其表面平整化，通过LPE形成的层的晶体生长面在化学机械抛光模式下被去除，使得通过MBE生长的第一导电类型次波导层和通过LPE生长的第一导电类型次波导层的总厚度可以是29μm。
接着，根据MBE方法在结构的表面上外延生长以下层。作为第一导电类型次波导层的也用作晶体生长的缓冲层的一部分，具有1.0μm厚度和1×1018cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型GaAs层(980nm下的折射率为3.5252)按晶体生长的方式形成，于是第一导电类型次波导层的最终厚度为30.0μm。
在此，按顺序叠置以下层作为第一导电类型包层(15)，具有1.35μm厚度和1×1018cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型Al0.35Ga0.65As层(980nm下的折射率为3.3346)；作为第一光导层(16)，具有35nm厚度和8×1017cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型GaAs层(980nm下的折射率为3.5252)；作为有源层结构(17)，具有6nm厚度的非掺杂In0.16Ga0.84As应变量子阱层(101)、具有8nm厚度的Si掺杂n型GaAs势垒层(102)、以及具有6nm厚度的非掺杂In0.16Ga0.84As应变量子阱层(103)；作为第二光导层(18)，具有35nm厚度和8×1017cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型GaAs层(980nm下的折射率为3.5252)；作为下第二导电类型包层(19)，具有0.1μm厚度和1×1018cm-3的载流子浓度的Be掺杂p型Al0.35Ga0.65As层(980nm下的折射率为3.3346)；作为第一导电类型电流阻挡层(20)，具有0.5μm厚度和5×1017cm-3的载流子浓度的n型Al0.39Ga0.61As层(980nm下的折射率为3.3069)；以及作为帽层(21)，具有10nm厚度和1×1018cm-3的载流子浓度的Si掺杂n型GaAs层。
在最上层的除其电流注入区部分外的部分中形成氮化硅掩模。在此步骤中，氮化硅掩模开口的宽度为1.5μm。接着，使用体积比为1/1/5的硫酸(98重量％)、过氧化氢(30重量％的水溶液)和水的混合溶液，在25℃下蚀刻帽层(21)和第一导电类型电流阻挡层(20)27秒，直到蚀刻深度可以达到下第二导电类型包层(19)的程度。接着，将其浸入比例为1/6的HF(49％)和NH4F(40％)的混合溶液中2分30秒，从而去除氮化硅层。
接着，作为上第二导电类型包层(22)，根据MOCVD法按照埋入部分(电流注入区部分)的厚度可以是2.5μm的方式生长具有1×1018cm-3的载流子浓度的Zn掺杂p型Al0.35Ga0.65As层(980nm下的折射率为3.3346)。另外，具有6×1018cm-3的载流子浓度的Zn掺杂p型GaAs层(980nm下的折射率为3.5252)被生长至具有3.5μm的厚度，作为第二导电类型接触层(23)，用于确保该结构与电极的接触。
电流注入区的宽度W(上第二导电类型包层的在与下第二导电类型包层的界面处的宽度)为2.2μm。第一导电类型电流阻挡层(20)与上第二导电类型包层(22)之间的折射率差和宽度W被设计来使得波导模式可以仅是基模。
接着，作为外延层侧电极(202)的p侧电极，Ti/Pt/Au被以蒸镀的方式沉积，并在400℃下被合金化5分钟，从而完成电极结构。
接着，抛光第一导电类型衬底的未由外延层覆盖的面，使得器件的总厚度可以是约120μm(其中，衬底的厚度可以是约80μm，不考虑第一光导层/有源层结构/第二光导层/帽层等极薄的层)。
另外，作为衬底侧电极(201)的n侧电极，AuGeNi/Au被以蒸镀的方式沉积，并在400℃下被合金化5分钟，从而完成半导体晶片。
接着，其在空气中被解理，从而获得具有700μm共振波长的激光棒，且其(110)面暴露出来。接着，具有165nm厚度的AlOx膜涂层在真空中形成，使得器件前小面的反射率在980nm振荡波长下可以为2.5％。
另外，为了加工其后小面侧，激光棒从真空室中取出。170nm厚的AlOx层/60nm厚的非晶硅层/170nm厚的AlOx层/60nm厚的非晶硅层的四层涂层形成在后小面上，且如此覆盖的后小面具有92％的反射率。
在25℃下且在82.3mA、148.3mA、221.2mA和301.3mA，针对其振荡谱分析如此制造的半导体激光器。图3示出了其中注入221.2mA电流的器件的振荡谱，且其证实了器件的极稳定的纵模振荡。可以认为，由强度调制周期和激光增益谱之间的关系，可选择性地观察到一个纵模，该周期作为激光器波导与具有30μm厚度的次波导的耦合的结果可被数学地估计为约10nm。图4为曲线图，其通过绘制上述电流注入内具有振荡谱中最大强度的纵模波长的电流相关性而获得。图中，黑点表示实验数据。振荡波长随着电流从82.3mA到301.3mA增加而稍微变短。然而，波长波动为约1.5nm，是极小的。
(比较例1)除以下情况外，按照与示例1相同的方式制造半导体激光器。略去通过MBE形成的第一导电类型低折射率层(13)和通过MBE和LPE形成的第一导电类型次波导层(14)；通过MBE在衬底上连续生长直至帽层(21)的其它层；以及第一导电类型包层(15)和第二导电类型包层(22)的厚度为1.5μm。
在25℃下且在从82.5mA至302.5mA的范围内以2.5mA的电流间隔，针对其振荡谱特征，详细分析如此制造的半导体激光器。图5示出了195mA电流注入其中的器件的振荡谱，且其证实了以约2.9nm的间隔叠加在振荡谱上的强度调制的影响。这可能是因为激光器波导与起波导作用并具有约112μm厚度的衬底耦合的结果。图6为通过绘制在上述电流注入内具有振荡谱中最大强度的纵模波长的电流相关性获得的曲线图。图中，空心三角形表示实验数据。振荡波长图形随着电流从82.5mA至302.5mA增加而显示出特殊的台阶状形状。在该电流范围内，最大值(987.2nm)与最小值(980.9nm)之间的差距为6.3nm，该范围内的波长波动非常大。
(比较例2)除以下情况外，按照与示例1相同的方式制造半导体激光器。略去通过MBE形成的第一导电类型低折射率层(13)和通过MBE和LPE形成的第一导电类型次波导层(14)；直到帽层(21)的其它层通过MBE连续生长在衬底上；以及第一导电类型包层(15)和第二导电类型包层(22)的厚度为2.5μm。
在25℃下且在从82.5mA至302.5mA的范围内以2.5mA的电流间隔，针对其振荡谱特性，详细分析如此制造的半导体激光器。图7示出了192.5mA电流注入其中的器件的振荡谱，且其确认了没有强度调制对振荡谱的影响。这可能因为，第一导电类型包层足够厚，因此激光器波导无法与具有波导功能的衬底耦合。图8为通过绘制在上述电流注入内显示振荡谱最大强度的纵模波长的电流相关性给出的曲线。图中，空心圆表示实验数据。振荡波长总体上随电流从82.5mA至302.5mA增加而简单增加。在该电流范围内，最大值(989.4nm)与最小值(982.9nm)之间的差为6.5nm，该范围内的波长波动非常大。
本发明使得能够实现一种半导体激光器，其可以以简单的方法制造，且具有抵御电流/光输出/温度的变化的稳定振荡波长。
权利要求
1.一种半导体激光器，其具有振荡波长λ(nm)，并包括至少衬底、具有平均折射率N1cld的第一导电类型包层、具有平均折射率NA的有源层结构、以及具有平均折射率N2cld的第二导电类型包层，其中具有平均折射率N1SWG的第一导电类型次波导层存在于该衬底与该第一导电类型包层之间，以及具有平均折射率N1LIL的第一导电类型低折射率层存在于该次波导层与该衬底之间，以及这些折射率满足所有以下公式N1cld＜NA，N2cld＜NA，N1cld＜N1SWG，N2cld＜N1SWG，N1LIL＜N1SWG。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其中所述折射率满足所有以下公式N1LIL≤N1cld，N1LIL≤N2cld。
3.如权利要求1或2所述的半导体激光器，其中该第一导电类型包层的厚度T1cld(nm)满足以下公式0.5＜T1cld/λ＜3.0。
4.如权利要求1至3中任一项所述的半导体激光器，其中该第一导电类型包层的厚度T1cld(nm)和该第二导电类型包层的厚度T2cld(nm)满足以下公式T1cld＜T2cld。
5.如权利要求1至4中任一项所述的半导体激光器，其中该第一导电类型次波导层的厚度T1SWG(nm)满足以下公式2000(nm)＜T1SWG＜40000(nm)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的半导体激光器，其中该第一导电类型低折射率层的厚度T1LIL(nm)满足以下公式500(nm)＜T1LIL＜20000(nm)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的半导体激光器，其中该衬底对于具有该振荡波长λ(nm)的光是透明的。
8.如权利要求7所述的半导体激光器，其中该衬底的折射率Nsub满足以下公式N1LIL＜Nsub。
9.如权利要求1至6中任一项所述的半导体激光器，其中该衬底吸收具有该振荡波长λ(nm)的光。
10.如权利要求1至9中任一项所述的半导体激光器，其中该衬底的厚度Tsub(nm)满足以下公式75000(nm)＜Tsub＜135000(nm)。
11.如权利要求1至10中任一项所述的半导体激光器，其为具有小面反射型谐振器结构的边缘发射型器件。
12.如权利要求1至11中任一项所述的半导体激光器，其中该衬底、第一导电类型低折射率层、第一导电类型次波导层、第一导电类型包层或第二导电类型包层中的任何一个或全部包括含Ga和As的化合物。
13.如权利要求1至12中任一项所述的半导体激光器，其中该有源层结构包括含In、Ga和As的应变量子阱层。
14.如权利要求1至12中任一项所述的半导体激光器，其中该有源层结构包括含Al、Ga和As的量子阱层。
15.如权利要求1至14中任一项所述的半导体激光器，其包括该第一导电类型包层与该有源层结构之间的具有折射率N1MWG的第一光导层、以及该有源层结构与该第二导电类型包层之间的具有折射率N2MWG的第二光导层，其中这些折射率满足所有以下公式N1cld＜N1MWG＜NA，N2cld＜N1MWG＜NA，N1cld＜N2MWG＜NA，N2cld＜N2MWG＜NA。
16.如权利要求15所述的半导体激光器，其满足所有以下公式N1SWG≤N1MWG，N1SWG≤N2MWG。
17.如权利要求15或16所述的半导体激光器，其中该衬底在该激光振荡波长λ(nm)下的折射率NSUB满足以下公式中的至少一个NSUB＝N1SWG，NSUB＝N1MWG，NSUB＝N2MWG，N1SWG＝N1MWG，N1SWG＝N2MWG，N1MWG＝N2MWG。
18.如权利要求15至17中任一项所述的半导体激光器，其中该第一光导层和该第二光导层中的至少一个包括Ga和As。
19.如权利要求1至18中任一项所述的半导体激光器，其中该第二导电类型包层包括上第二导电类型包层和下第二导电类型包层，该上第二导电类型包层和电流阻挡层形成电流注入区，且该半导体激光器还包括接触层。
20.如权利要求1至19中任一项所述的半导体激光器，其以单横模工作。
21.如权利要求1至20中任一项所述的半导体激光器，其中该第一导电类型为n型，该第二导电类型为p型。
全文摘要
一种具有振荡波长λ(nm)的半导体激光器，包括至少衬底、具有平均折射率N
文档编号H01S5/00GK1701480SQ0382530
公开日2005年11月23日 申请日期2003年9月9日 优先权日2002年9月20日
发明者堀江秀善 申请人:三菱化学株式会社