专利名称：半导体激光装置和光盘装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光装置和光盘装置，尤其涉及一种可以实现高输出和高度可靠性的半导体激光装置以及利用该激光装置的光盘装置。
背景技术：
半导体激光装置应用在光通讯装置、光记录装置等装置中。近年来，在这些装置中对高速化和大容量化的需要有所增加。为了满足这种需要，对改进半导体激光装置的各种特性进行了研究和开发。
其中，用于光盘装置如常规的CD或CD-R/RW的780nm波段的半导体激光装置通常由AlGaAs材料制造。因为在CD-R/RW中对高速写入的需求也在增加，所以要求高输出的半导体激光装置以满足这些需求。
作为常规的AlGaAs半导体激光装置，有一种如图10所示(例如，见JP11-274644)的例子。下面简要说明一下AlGaAs半导体激光装置的结构。如图10所示，在n型GaAs基板501上顺次叠置有一个n型GaAs缓冲层502、一个n型Al0.5Ga0.5As下包层503、一个Al0.35Ga0.65As下引导层504、一个由两个Al0.12Ga0.88As阱层(每层厚度为80)和三个Al0.35Ga0.65As阻挡层(每层厚度为50)交替设置而成的多量子阱有源层505、一个Al0.35Ga0.65As上引导层506、一个p型Al0.5Ga0.5As第一上包层507和一个p型GaAs蚀刻停止层508。在蚀刻停止层508的表面上顺次形成台型带状p型Al0.5Ga0.5As第二上包层509和屋檐状p型GaAs盖层510。在第二上包层509的两侧上叠置一个n型Al0.3Ga0.3As第一电流阻挡层511和n型GaAs第二电流阻挡层512，使得将除台带形部分以外的区域定义成电流狭窄部分。在第二电流阻挡层512上形成一个p型GaAs平坦化层513，并将p型GaAs接触层514平铺在其整个表面上。
半导体激光装置具有35mA的阈值电流和大约160mW的COD(Catastrophic Optical Damage，严重的光学损伤)水平。
但是，在采用AlGaAs材料的半导体激光装置中，高功率驱动时由于活性Al(铝)原子的影响，由COD造成的“端面破坏”也易于出现在激光光发射端面上。其结果是这种半导体激光装置只有大约160mW的最大光输出。假定由COD造成的端面破坏因下列机制而发生。在共振器的端面中，因为Al易于被氧化，所以形成一个表面态。当放出热量时，注入到有源层中的载流子经由该表面态而缓和。因此，温度局部地升高。温度的升高减小了端面附近的有源层能带隙。其结果是端面附近的激光吸收增大，并且经表面态而缓和的载流子数量增多，导致进一步发热。通过重复这种正反馈，端面最终被熔化，导致振荡停止。因为在常规半导体激光装置中的有源区中包含Al，所以基于上述原理的端面破坏变成一个大问题。
本发明人一直在进行高输出半导体激光装置的研究，采用不含Al(无铝材料)的InGaAsP材料。结果，实现了最大光输出几乎高达250mW的半导体激光装置，但是没有获得充分的可靠性和温度特性。检查这种半导体激光装置，发明人发现了注入到有源区中的载流子在高温环境或高功率驱动下易于泄漏到有源区外部的可能性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甚至在高功率驱动下也具有高可靠性并具有很长寿命的半导体激光装置，以及利用这种半导体激光装置的光盘装置。
为了实现上述目的，根据本发明第一方案的半导体激光装置包括一GaAs基板；一被支撑在GaAs基板上的InGaAsP量子阱有源层，所述量子阱有源层由一个或多个阱层以及多个阻挡层交迭设置组成；一n型包层和一p型包层，其按照将量子阱有源层插在其间的方式设置；一第一引导层，设置在n型包层和量子阱有源层之间；和一第二引导层，设置在p型包层和量子阱有源层之间，其中半导体激光装置具有大于760nm并小于800nm的振荡波长，和用InGaP形成第一引导层。
在GaAs基板为n型的情形中，n型包层和第一引导层位于比量子阱层更接近基板的一侧，并分别充当下包层和下引导层。另一方面，在GaAs为p型的情形中，n型包层和第一引导层位于比量子阱层更远离基板的一侧，并分别充当上包层和上引导层。
根据本发明，可以实现一种振荡波长大于760nm且小于800nm、以及COD水平高于AlGaAs半导体激光装置的COD水平的半导体激光装置。另外，因为插在量子阱层和n型包层之间的第一引导层由InGaP形成，所以与AlGaAs半导体激光装置相比，可以更多地减少载流子从有源区的泄漏。因而，可以利用在高输出操作中具有良好温度特性的GaAs基板来实现高输出的半导体激光装置(尤其是用于CD-R/RW的780nm波段的高输出半导体激光装置)。
在一个实施例中，第二引导层由AlGaAs形成。AlGaAs按照不与发生照射复合处的阱层紧邻的方式设置。这使得可以确保可靠性，并且同时通过AlGaAs的导带底能级(Ec)充分地抑制载流子(尤其是电子)的溢出。因此，有利地实现了具有高度可靠性和长寿命的半导体激光装置。如果在构成第二引导层的AlGaAs中的Al克分子份数超过0.2，则可以更好地实现上述效果。
在一个实施例中，第一引导层具有30以上的厚度，由此更好地抑制了空穴的泄漏。这使得可以获得在高输出操作中具有良好温度特性、可靠性和长寿命的半导体激光装置。另外，如果第一引导层具有与GaAs基板晶格匹配的组成或具有关于GaAs基板不超过1％的压缩应变或拉伸应变的组成，则可以更好地获得类似的效果。
在一个实施例中，在第一引导层和n型包层之间设置一个由AlGaAs形成的发光形状稳定化引导层，由此获得具有更稳定形状的光分布。因而在高输出操作中可实现良好的可靠性。如果发光形状稳定化引导层的Al克分子份数为0.2以上，则可以更好地实现上述效果。
在半导体激光装置的一个实施例中，使用相对于GaAs基板具有压缩应变的InGaAsP量子阱有源层。因而，减小了振荡阈值电流，并由此实现了尤其在780波段具有高度可靠性并具有长寿命的高输出的半导体激光装置。
在一个实施例中，压缩应变量不超过3.5％。因此，可以很好地获得上述效果。
在一个实施例中，采用具有拉伸应变的InGaAsP阻挡层。阻挡层的应变量补偿了阱层的压缩应变，并由此制成一种具有更稳定晶体的应变量子阱有源层。因此，实现了一种具有高度可靠性的半导体激光装置。
在一个实施例中，拉伸应变量不超过3.5％。因而很好地获得上述效果。
根据本发明第二方案的光盘装置采用了如上所述以高于常规的光功率驱动的半导体激光装置。因此，即使光盘的旋转速度高于常规情形，也可以执行数据的读写操作。因此，光盘的存取时间(以下特指写入操作的情形)变得远远短于采用常规半导体激光装置的系统。这使得能够提供可以更舒适地操作的光盘装置。
通过下面结合附图的详细描述，本发明将变得更加清晰，其中附图只出于示意的目的，不构成对本发明的限定，其中图1是根据本发明第一实施例的半导体激光装置沿垂直于装置的条带方向的平面的截面图；图2是完成了第一晶体生长和掩蔽工艺之后的半导体激光装置沿垂直于条带方向的平面的截面图；图3是完成了用于形成台型带的蚀刻工艺之后的半导体激光装置沿垂直于条带方向的平面的截面图；图4是完成了用于电流阻挡层的晶体生长工艺之后的半导体激光装置沿垂直于条带方向的平面的截面图；图5是半导体激光装置的能带线的简图；图6是表示依赖于其下引导层结构的半导体激光装置的可靠性曲线；图7是表示依赖于其阱层的压缩应变量的半导体激光装置的可靠性曲线；图8是表示半导体激光装置的引导层中的Al克分子份数与温度特性(To)之间关系的曲线；图9是根据本发明第二实施例的光盘装置的示意图；和图10是常规的半导体激光装置沿垂直于器件条带方向的平面的截面图。
具体实施例方式
下面通过图示的实施例描述本发明的半导体激光装置和光盘装置。
(第一实施例)图1是根据本发明第一实施例的半导体激光装置的结构的示意图。在此半导体激光装置中，如图1所示，在n型GaAs基板101上，顺次叠置有n型GaAs缓冲层102、n型Al0.4488Ga0.5512As第一下包层103、n型Al0.5471Ga0.4529As第二下包层104、Al0.429Ga0.571As发光形稳定化下引导层105、In0.49Ga0.51P下引导层106、应变多量子阱有源层107、Al0.429Ga0.571As上引导层109、p型Al0.4885Ga0.5115As第一上包层110和p型GaAs蚀刻停止层111。另外，在蚀刻停止层111上，设置有台型带状p型Al0.4885Ga0.5115As第二上包层112和GaAs盖层113，台型带状p型Al0.4885Ga0.5115As第二上包层112和GaAs盖层113的两侧填充有n型Al0.7Ga0.3As第一电流阻挡层115、n型GaAs第二电流阻挡层116和p型GaAs平坦化层117，这些层限定一个光/电流狭窄区。另外，在整个表面上设置p型GaAs盖层119。半导体激光装置具有台型带状部分121a和设置在台型带状部分121a两侧上的侧向部分121b。
接下来，参见图2-4描述制造半导体激光结构的工艺。如图2所示，在具有(100)面的n型GaAs基板101上，顺次叠置n型GaAs缓冲层102(厚度为0.5μm)、n型Al0.4488Ga0.5512As第一下包层103(厚度为3.0μm)、n型Al0.5471Ga0.4529As第二下包层104(厚度为0.3μm)、Al0.429Ga0.571As发光形状稳定化下引导层105(厚度为1830)、In0.49Ga0.51P下引导层106(厚度为100)、由三层In0.2655Ga0.7345As0.5972P0.4028压缩应变量子阱层(应变为0.4865％，每层的厚度为50)和四层In0.1109Ga0.8891As0.4071P0.5972阻挡层(应变为-1.31％，从基板一侧起，层的厚度分别为70、50、50、70)交迭设置而成的应变多量子阱有源层107、Al0.429Ga0.571As上引导层109(厚度为1830)、p型Al0.4885Ga0.5115As第一上包层110(层的厚度为0.16μm)和p型GaAs蚀刻停止层111(厚度为30)、p型Al0.4885Ga0.5115As第二上包层112(厚度为1.28μm)以及通过金属有机化学气相沉积而生长晶体的GaAs盖层113(厚度为0.75μm)。
另外，参见图2，通过光刻工艺，在将要形成台带形部分的部位上形成抗蚀剂掩模114(掩模宽度为5.5μm)，使得台带形部分沿(011)方向延伸。
接下来，如图3所示，对除抗蚀剂掩模114以外的部分实施蚀刻(如图2所示)，由此形成台带形部分121a。该蚀刻分两步执行，利用硫酸和过氧化氢以及氢氟酸的混合水溶液，直到刚好抵达蚀刻停止层111的上方。利用氢氟酸对GaAs的蚀刻率较低这一事实使得蚀刻表面平坦化并能够控制台带形部分的宽度。蚀刻深度为1.95μm，台带最低部分的宽度约为2.5μm。蚀刻之后去除抗蚀剂掩模114。
随后，如图4所示，通过金属有机化学气相沉积技术顺次晶体生长n型Al0.7Ga0.3As第一电流阻挡层115(厚度为1.0μm)、n型GaAs第二电流阻挡层116(厚度为0.3μm)和p型GaAs平坦化层117(厚度为0.65μm)，以形成光/电流狭窄区域。
之后，如图4所示，通过光刻工艺，只在两侧向部分121b上形成抗蚀剂掩模118。随后，通过蚀刻去除台带形部分121a之上的电流阻挡层。利用氨水和过氧化氢的混合水溶液以及硫酸和过氧化氢的混合水溶液分两步执行蚀刻。
之后，去除抗蚀剂掩模118，并形成如图1所示的p型GaAs盖层119(厚度为2.0μm)。以此方式制得具有图1所示结构的半导体激光装置。
在第一实施例中，如图6所示，在下列条件下进行可靠性测试780nm的振荡波长；70℃的温度和230mW的脉冲，确定5000小时或以上的稳定操作。在图6所示的曲线中，沿纵坐标轴绘制的Iop表示当半导体激光装置在70℃下的输出为230mW时的电流值。图6所示的改型具有与第一实施例相同的结构，除改型的下引导层只由InGaP组成之外。与第一实施例相比，改型性能较差，但能够执行将近5000小时的稳定操作。
至此，本发明人已经研究了在GaAs基板上采用InGaAsP量子阱有源层的半导体激光装置。此时，制成具有比采用AlGaAs的装置更高COD水平的半导体激光装置。为了进一步提高半导体激光装置在高输出操作中的温度特性，提供了由InGaP形成的下引导层，由此使特性温度To升高到210K。已经得到认同，如第一实施例一样，提供厚度为100的下引导层106减少了载流子(尤其是空穴)从有源区中泄漏，这样带来性能的改进。
图5是第一实施例的半导体激光装置的能带线的简图。在GaAs基板上的780波段InGaAsP量子阱有源层中，阻挡层的价带顶能级(Ev)低于由AlGaAs形成的引导层的能级(Ev)。即，如果下引导层由AlGaAs形成，则形成这样一种结构，即其中的空穴由于在下引导层和阻挡层之间界面处的隧道效应而易于从有源区泄漏。这被认为阻碍了性能的进一步改善。考虑此原因，为了减少空穴的泄漏，InGaP被用于下引导层，以使下引导层的能级(Ev)低于阻挡层的能级(Ev)，以防止空穴发生隧道效应，由此使得能够实现上述效果。如果下引导层的厚度小于30，则有可能载流子隧穿并易于泄漏。因此，如果其厚度是30以上，可以获得更好的上述效果。
在第一实施例中，如果下引导层InGaP具有与GaAs基板晶格匹配的组成或具有不大于1％的压缩应变或拉伸应变的组成，则可以很好地获得上述效果。如果下引导层具有拉伸应变，则能级(Ev)降低更多，这带来防止空穴泄漏的效果。如果下引导层具有压缩应变，则因为整个量子阱有源层具有拉伸应变，则下引导层具有应变补偿效果。但是，超过1％的应变量造成包括量子阱有源层的层超过临界厚度，并因而结晶性恶化，导致特性恶化。因此，优选不超过1％的压缩或拉伸应变作为InGaP的应变量。这里量由下式表示(a1-aGaAs)/aGaAs此处，aGaAs是GaAs基板的晶格常数，a1是阱层的晶格常数。如果应变量的值为正，则应变称作压缩应变，如果值为负，则称作拉伸应变。
在第一实施例中，上引导层由AlGaAs形成。因而，通过AlGaAs的导带最低能级来实现充分抑制载流子(尤其是电子)溢出的效果。与此同时，因为上引导层的AlGaAs不是紧邻发生照射复合的阱层，所以确保了可靠性。当制造无Al半导体激光装置以获得高可靠性时，包括引导层和包层的所有层通常都由使用InGaP的无铝等材料制造。但是，在第一实施例中，将Al克分子份数超过0.2的AlGaAs设置为上引导层，通过该AlGaAs获得与由振荡波长为780nm的InGaAsP形成的阱层间的良好平衡导带能级差(ΔEc)。
图8是Al克分子份数和特性温度(To)间的关系曲线。如图8所示，可以断定在Al克分子份数超过0.2的AlGaAs引导层的情况下温度特性得到改善，使得实现足够高的可靠性。
在第一实施例中，在下引导层和下包层之间提供由AlGaAs形成的发光形状稳定化下引导层，实现了高功率驱动时具有良好可靠性的半导体激光装置。这假设归结如下。不仅InGaP、而且与上引导层相同材料的AlGaAs也用于下引导层部分。这防止了由于取决于所用材料的折射率差别而造成光分布劣化或不稳定。由此实现光分布的稳定形状。另外，发光形状稳定化下引导层的0.2以上的Al克分子份数使得能够更好地获得上述效果。
因为在第一实施例中采用在GaAs基板上由InGaAsP形成的压缩应变阱层，振荡阈值电流被减小，由此实现一种半导体激光装置，其尤其在780nm波段的高功率驱动下具有很好的可靠性并具有较长的寿命。另外，因为压缩应变量不超过3.5％，所以最理想地获得上述效果。
图7是表示依赖于其阱层的压缩应变量的半导体激光装置的可靠性(70℃，230mW)曲线。可以看到，如果压缩应变量超过3.5％，则可靠性下降。这被认为是可归因于由于过大的压缩应变量所致的结晶度的下降。
因为在第一实施例中采用均由InGaAsP形成并具有拉伸应变的阻挡层，所以它们补偿了具有压缩应变的阱层的应变量，从而可以制造具有更稳定晶体的应变量子阱有源层。由此可以实现高度可靠的半导体激光装置。另外，不超过3.5％的拉伸应变量使得能够更好地获得上述效果。
在第一实施例中，应用了由AlGaAs的发光形状稳定化下引导层和InGaP的第二下引导层形成的结构。仅用由InGaP组成的下引导层也可以获得相同的效果。
虽然第一实施例具有一种掩埋脊结构，但本发明不限于此。在包括脊结构、内带状结构和掩埋异质结结构在内的任何一种结构中都可以实现相同的效果。
虽然在第一实施例中采用n型基板，但通过利用p型基板并在上述实施例中更换n型和p型层，可以实现相同的效果。
虽然采用了780nm的波长，但不限于此。如果波长大于760nm或小于800nm，即在所谓的780nm波段中，也可以实现相同的效果。另外，虽然把p型GaAs盖层119的厚度设置为大约2.0μm，则可以形成大约50μm的更大厚度。
(第二实施例)图9是根据本发明的光盘装置的结构实例示图。操作此光盘装置以在光盘401上写入数据和再现写入在光盘上的数据。在此光盘装置中，包括第一实施例的半导体装置402，作为用于那些操作的发光装置。
下面将更详细地描述此光盘装置。在此光盘装置中，对于写入操作，从半导体激光装置402发出的信号光通过准直透镜403变成平行光，并再透射分束器404。然后，在其偏振态被λ/4偏光板405调节之后，信号光被照射物镜406会聚，由此照射光盘401。对于读取操作，不具有叠加在激光束上的数据信号的激光束沿着与写入操作相同的路径传播，照射光盘401。然后，被其上记录有数据的光盘401表面反射的激光束通过激光束照射物镜406和λ/4偏光板405，并且之后被分束器404反射，使得其传播方向改变90°。随后，激光束被再现光物镜407聚焦并施加到信号探测用光电探测装置408。然后，在信号探测用光电探测装置408中，从光盘401读出的数据信号根据入射激光束的强度被转变成电信号，并通过信号光再现电路409再现为原始的信息信号。
第二实施例的光盘装置采用如上所述的半导体激光装置，以高于常规的光功率动作。因此，即使光盘的旋转速度增大到高于常规的情形，也可以执行数据读取和写入操作。因而可以很大程度地缩短存取(以下特指写入操作的情形)光盘的时间，这使得能够提供一种允许更舒适地操作的光盘装置。
本实施例已经就本发明的半导体激光装置应用到记录再生型光盘装置的情形做了说明。然而，无需赘述，本发明的半导体激光装置也可以应用到利用780nm波段的光盘记录装置或光盘再生装置。
本发明的半导体激光装置和光盘装置不应局限于上述的实施例。理所当然地，可以在不脱离本发明实质的前提下做各种改型，如阱层/阻挡层的数量以及这些层的厚度。
显而易见，本发明可以不同的方式达到同样的效果。这些改型不认为是脱离了本发明的实质和范围，并且所有的这些改型对于本领域的技术人员而言都是显而易见的，都将包含在本发明所附权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种半导体激光装置，包括一GaAs基板；一被支撑在所述GaAs基板上的InGaAsP量子阱有源层，所述量子阱有源层由一个或多个阱层以及多个阻挡层交迭设置组成；一n型包层和一p型包层，其按照将所述量子阱有源层插在其间的方式设置；一第一引导层，设置在所述n型包层和所述量子阱有源层之间；和一第二引导层，设置在所述p型包层和所述量子阱有源层之间，其中所述半导体激光装置具有大于760nm并小于800nm的振荡波长，和所述第一引导层由InGaP形成。
2.如权利要求1所述的半导体激光装置，其中所述第二引导层由AlGaAs形成。
3.如权利要求1所述的半导体激光装置，其中所述第一引导层具有30以上的厚度。
4.如权利要求1所述的半导体激光装置，其中所述第一引导层具有与GaAs基板晶格匹配的组成或具有相对于GaAs基板不超过1％的压缩应变或拉伸应变的组成。
5.如权利要求1所述的半导体激光装置，其中所述第二引导层的Al克分子份数在0.2以上。
6.如权利要求1所述的半导体激光装置，其中在所述第一引导层和所述n型包层之间设置一由AlGaAs形成的发光形状稳定化引导层。
7.如权利要求6所述的半导体激光装置，其中发光形状稳定化引导层的Al克分子份数在0.2以上。
8.如权利要求1所述的半导体激光装置，其中一个或每个阱层都具有压缩应变。
9.如权利要求8所述的半导体激光装置，其中压缩应变量不超过3.5％。
10.如权利要求1所述的半导体激光装置，其中所述阻挡层具有拉伸应变。
11.如权利要求10所述的半导体激光装置，其中拉伸应变量不超过3.5％。
12.一种光盘装置，其中采用了权利要求1所述的半导体激光装置。
全文摘要
本发明公开一种半导体激光装置和光盘装置，该激光装置具有大于760nm且小于800nm的振荡波长，在n型GaAs基板(101)上，顺次叠置n型第一和第二下包层(103，104)、下引导层(106)、应变InGaAsP多量子阱有源层(107)、上引导层(109)和p型上包层(110)。因为下引导层(106)由InGaP形成，所以减少了载流子从有源层中的泄漏。另外，因为上引导层(109)由AlGaAs形成，所以抑制了载流子(尤其是电子)的溢出。
文档编号H01S5/34GK1543025SQ20041003158
公开日2004年11月3日 申请日期2004年3月25日 优先权日2003年3月26日
发明者蛭川秀一, 典, 河西秀典, 岸本克彦, 彦 申请人:夏普株式会社