半导体激光器装置及其制造方法

专利名称：半导体激光器装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器装置及其制造方法，特别涉及红色和红 外域的半导体激光器装置及其制造方法。
背景技术：
当今，对不仅具有播放功能还具有记录功能的对应16倍速记录的 DVD等可进行高速写入的光盘系统用光源的需要越来越大。这种光源， 至少需要可以以300mW以上的高输出工作的半导体激光器装置。
一般，在使半导体激光器装置进行高输出工作时，对取出激光侧的共 振器端面(前端面)涂覆具有反射率为10%以下的低反射率的电介质膜， 对与前端面相反侧的共振器端面(后端面)涂覆具有反射率为85%以上的 高反射率的电介质膜。通过进行低反射率(AR; Anti Reflection)涂覆和 高反射率(HR; High Reflection)涂覆，可以提高电流-光输出功率特性中 的外部微分量子效率(斜效率)。由此，可以用较少的电流注入量实现较 高的光输出功率。此外，还可以防止降低前端面的激光的功率密度，防止 因激光本身的光输出导致激光端面被熔化破坏的毁灭性的光损害(COD)。
使前面的反射率降低、使后面的反射率提高，对提高COD等级和光 取出效率十分有效。但是，如果使前端面的反射率过低，共振器内部中被 反馈的激光就会减少，振荡阈值电流就会增大。此外，如果使前端面的反 射率降低，在将半导体激光器装置应用在光盘的情况下，容易产生由来自 光盘的反射回光带来的噪音(回光感生噪音)。因此，在高输出的激光器 中，为了得到较高的光取出效率，同时减少回光感生噪音，前端面涂覆成 反射率为5 10%左右。此外， 一般后端面要尽可能形成高反射率，所以 涂覆成反射率为95% 100%左右。
由于前端面和后端面的反射率大小有较大不同，所以在高输出半导体
激光器装置中，传播在活性层中的共振器方向的光分布强度，为在前端面 侧比后端面侧更高的前后非对称的光分布强度。在这种情况下，光分布强 度较高的前端面侧相比后端面侧，能产生更强的受激发射。因此，相比后 端面侧，需要往活性层注入更多的的电子-空穴对，特别是，在进行高输出 工作时，在前端面侧中，活性层中的电子-空穴对容易变得不足。电子-空
穴对不足，为发光效率饱和的一个原因，在获得输出为200mW 300mW 以上的高输出激光的情况下，会导致温度特性恶化，造成重大障碍。
另一方面，对于通常的AlGalnP类的半导体激光器，为了获得良好的 温度特性，以从(100)面起在
方向上在从7°至15°的范围内倾斜 的面为主面的GaAs基板被广泛使用。在将共振器形成在这种基板上的情 况下，如果仅仅使用化学的湿蚀刻来形成脊(ridge)状的条形部，结晶面 与条形部侧壁所成的角中的锐角值，为01=54.7° —0° ， 02=54.7° +9° 。 另一方面，如果使用离子束蚀刻等物理方法形成条形部，那么就可以将条 形部的截面形状，形成为在结晶的截面内相对于叠层方向的轴为轴对称的 形状。但是，在这种情况下，脊侧壁上会留下物理损伤，脊侧壁与电流狭 窄层之间的界面上会发生泄露，使电流狭窄效应变差。因此，在用物理方 法形成条形部的情况下，优选在电流狭窄层生长之前，对脊的侧壁稍稍进 行湿蚀刻。这样，条形部的形状仍然为轴非对称形状。
在轴非对称的条形部的情况下，在波导线路中传播的光分布，相对条 形为非对称的形状。光密度较高部分的载流子，由于大多是因受激发射而 产生载流子的发光再结合，所以载流子的空间烧孔(holeburning)形状也 为非对称分布。这意味着，与活性层平行的水平方向的有效折射率分布， 为左右非对称。由此，光分布容易往增益相对变高的方向上移动，在光输 出-电流特性上容易发生产生弯曲的扭结(kink)。
为了抑制扭结的发生，可以窄化条形宽度，使电流在狭窄的条形区域 中集中通过。由此，可以减小活性层的动作载流子的空间烧孔所产生的载 流子分布的凹陷的大小，可以抑制光输出功率-电流特性中扭结的产生，直 到达到更高的输出。但是，如果窄化条形宽度，就会导致因元件的串联电 阻增大而使动作电压增大，以及因功耗增大而使温度特性恶化。
为了解决上述课题，己经提出了一种半导体激光器装置，它形成在从
基板面方位为(001)起在[110]方向上倾斜的化合物半导体基板上，具有
图13所示的条形部(例如参照专利文献2)。
如图13所示，条形部200具有被设于共振器中央部且宽度固定的 第1区域200a;和分别被设于第1区域的两侧、宽度渐渐变大的第2区域 200b。另外，条形部200的侧壁上设有电流阻挡层(未图示)，电流阻挡 层的折射率比条形部200的折射率小。
通过上述构成，条形部200内的有效折射率，比条形部200外的有效 折射率更高。因此，光分布可以被隔绝在条形部200内，可以获得基本横 模振荡。此外，由于电流阻挡层对激光透明，所以可以减少导波损失，可 以降低动作电流值。进而，在条形部200的宽度固定的第1区域200a中， 光分布相对于条形部形状的相对发光位置固定，激光的远视野象(下称 FFP)的光轴得以稳定。另一方面，对于条形部的宽度变化的第2区域200b， 由于条形部上面的宽度变宽，所以可以使串联电阻(Rs)减小。其结果， 对于半导体激光器装置，可以获得FFP光轴稳定的基本横模振荡，同时可 以降低动作电流值，降低Rs。特开2004-200507号公报
然而，上述现有半导体激光器装置存在如下问题。今后，在进行高温 工作时，为了实现可输出300mW以上的高输出的激光，需要提高温度特 性。为此，需要将共振器长度加长约150(Hrni以上。光输出功率-电流特性 中的外部微分量子效率，与镜面损失/ (镜面损失+波导线路损失)成比例。 此外，镜面损失的大小与共振器长度成反比。因此，共振器越长，镜面损 失越小，所以外部微分量子效率容易受到波导线路损失的影响。对前端面 进行反射率为7%的涂覆、对后端面进行反射率为95%的涂覆的半导体激 光器装置的镜面损失，在共振器长度为90(Him时它是15.1cm"，共振器长 度为1500pm时它是9cm"。通常的高输出的激光的波导线路损失是10cm" 以下，很明显，共振器长度越长，波导线路损失对外部微分量子效率的影 响就越大。因波导线路损失而损失的光变为热。由此，在进行高温、高输 出工作时，元件的发热被加速，造成热饱和等级降低。
据此，对于共振器长度超过1500^im的长共振器的半导体激光，波导 线路损失的减少对提高高温下热饱和的光输出等级非常重要。由此，对于
长共振器的激光器，为了使热饱和的光输出提高，需要尽可能减少波导线 路损失。
另一方面，上述现有半导体激光器装置，为了使扭结标准提高，具有 条形宽度狭窄的第l区域、和条形宽度逐渐变化的第2区域。由于从条形 宽度变化的第2区域的脊侧壁传来的光发生散乱，所以产生放射损失。放
射损失的发生带来以下问题波导线路损失增大约几cm—1，外部微分量子 效率降低约10%。

发明内容
本发明的目的是实现一种半导体激光器装置，使得外部微分量子效率 的降低较少，在高输出的工作状态下发光效率的饱和不易发生，可稳定地
进行基本横模振荡。
为了达到上述目的，本发明对半导体激光器装置采取以下构成具备 具有条形宽度变化区域的条形部，而且对于条形宽度变化的区域，内部与 外部的有效折射率差比端面附近区域的大。
具体讲就是，对于本发明的半导体激光器装置，其特征在于，具备共 振器构造，所述共振器构造包含依次形成在基板上的第l包层、活性层和
第2包层，所述第2包层，具有在取出激光的前端面与作为该前端面相反
侧的端面的后端面之间延伸的条形部，所述条形部具有设于所述前端面 侧的第1区域；设于所述后端面侧的第2区域；和设于所述第1区域和所 述第2区域之间且条形宽度变化的变化区域，所述变化区域上的所述条形
部的内部与外部的有效折射率差，比所述第1区域的所述条形部的内部与 外部的有效折射率差更大。
本发明的半导体激光器装置中，由于变化区域上的条形部的内部与外 部的有效折射率差，比第1区域的条形部的内部与外部的有效折射率差更 大。所以，可以使条形宽度变化的变化区域中的水平方向上的光的隔绝加 强。因此，可以减少在变化区域中传播的光的放射损失，抑制波导线路损 失的增大。此外，由于在前端面附近的光的隔绝减弱，前端面附近区域的 光密度变小，所以前端面不易产生熔化破坏。此外，在条形宽度窄的部分 上，可以抑制活性层载流子的空间烧孔，提高产生扭结的光输出功率。其
结果，可以实现扭结等级高并且产生熔化破坏的光输出功率高的、基横模 稳定的半导体激光器。
对于本发明的半导体激光器装置中，第1区域包含宽度固定的定宽部
分，定宽部分的长度为10nm以上。如此一来，可以通过劈开来将激光器
元件分离的情况下，减小因劈开位置的误差而导致的条形宽度的变动。由
此，可以进一步减少激光器的远视野象(FFP)的大小发生变化。
本发明的半导体激光器装置中，所述前端面上的反射率，为所述后端 面的反射率以下，所述前端面上的条形宽度，比所述后端面上的条形宽度 更宽。
通过采取这种构成，可以使注入光密度较高的前端侧面的电流值大于 后端面侧。因此，可以提高注入电流转换成光的效率，提高外部微分量子 效率。
本发明的半导体激光器装置上的活性层是由一般式为(AlaGab) eIm.JP (其中，0^a<l,0<b^l,a+b=l,0<c<l)表示的材料组成，第1包层和 第2包层也可以是由一般式为(AldGae) fIni-fP (其中，0<d<l，0<e< l,d+e=l,0<f<l)表示的材料组成。
此夕卜，活性层是由一般式为AlxGai.xAs (其中，0^x<l)表示的材料 组成，第1包层和第2包层也可以是由一般式为(AldGae) fln,.fP (其中， 0<d<l，0<e<l,d+e=l,0<f<l)表示的材料组成。
本发明的半导体激光器装置中，活性层也可以是量子阱活性层。通过 采取这种构成，可以进一步使振荡阈值电流值减小，得到发光效率较高的 半导体激光。
本发明的半导体激光器装置中，活性层中的所述前端面附近区域和所 述后端面附近区域中的至少一方可以由于杂质扩散而被无序化。通过采取 这种构成，杂质扩散区域的活性层的相当于禁制带宽度的能量，比共振器 内部的活性层的相当于禁制带宽度的能量更大。由此，杂质扩散区域的活 性层对于激光器振荡光透明，不易产生熔化破坏。
本发明的半导体激光器装置中，条形部是脊条形部，还具备覆盖第 1区域的脊条形部侧壁的第1电流阻挡层、和覆盖变化区域的脊条形部侧
壁的第2电流阻挡层。第1电流阻挡层的折射率也可以比第2电流阻挡层的折射率大。通过采取这种构成，可以减少变化区域上的脊侧壁发射的损 失光的产生，即便是相对于共振器方向条形宽度为不同的结构，也可以抑 制波导线路损失的增大。
本发明的半导体激光器装置中，第1电流阻挡层和第2电流阻挡层既 可以是互不相同的电介质材料，也可以是相同的电介质材料。
本发明的半导体激光器装置中，第1电流阻挡层和第2电流阻挡层，
分别也可以是由包含Si02、 SiNx、 A1203、 Ti02、 Zr02、 Ta2Os、 Ce02或 Nb205，或者至少包含它们中的2个的化合物组成。
对于本发明的半导体激光器装置的制造方法，其特征在于，具备以下 工序在基板上依次形成第l包层、活性层和第2包层的工序a;通过蚀 刻所述第2包层，形成具有条形宽度变化的变化区域的条形部的工序b; 和形成第l电流阻挡层以覆盖除所述变化区域之外的区域，并且，形成第 2电流阻挡层以覆盖所述变化区域的工序c，在所述工序c中，形成所述 第1电流阻挡层和所述第2电流阻挡层，使所述变化区域上的所述条形部 的内部与外部的有效折射率差，比除所述变化区域之外的区域上的所述条 形部的内部与外部的有效折射率差更大。
本发明的半导体激光器装置的制造方法中，由于是通过变化区域上的 条形部的内部与外部的有效折射率差、比除变化区域外的区域上的条形部 的内部与外部的有效折射率差更大的方式，形成第1电流阻挡层和第2电 流阻挡层，所以，在变化区域中传播的光的放射损失较小，可以容易实现 抑制波导线路损失增大的半导体激光器装置。
本发明的半导体激光器装置及其制造方法，可以使外部微分量子效率 的降低减少，在高输出工作的状态下不易产生发光效率饱，实现稳定进行 基横模振荡的半导体激光器装置。


图1是表示本发明一实施方式的半导体激光器装置的截面图。 图2是表示本发明一实施方式的半导体激光器装置的平面图。 图3是表示一例一般的半导体激光器装置中的活性层的动作载流子密 度的水平方向上的分布图线。
图4是表示本发明一实施方式的半导体激光器装置的第1变形例的平 面图。
图5是表示镜面损失(0lm) / (镜面损失(CXm) +波导线路损失((Xw)) 与波导线路损失的关系受到共振器长度影响的图线。
图6是表示锥角与波导线路损失的增大量的关系受到条形部的内部与
外部的有效折射率差(An)影响的图线。
图7是表示将本发明一实施方式的半导体激光器装置的电流-光输出 功率特性与以往的半导体激光器装置进行比较的图线。
图8是表示本发明一实施方式的半导体激光器装置的第2变形例的平 面图。
图9是表示本发明一实施方式的半导体激光器装置的第3变形例的平 面图。
图10是表示本发明一实施方式的半导体激光器装置的第4变形例的 平面图。
图11是按照工序顺序表示本发明一实施方式的半导体激光器装置的 制造方法的截面图。
图12是按照工序顺序表示本发明一实施方式的半导体激光器装置的 制造方法的截面图。
图13是表示现有例的半导体激光器装置的平面图。
图中10—基板，ll一缓冲层，12 —第1包层(clad layer), 13 —活 性层，14一第2包层，15—保护层，16 —接触层，16 —记录，17—电流阻 挡层(current block layer), 17a—第1电流阻挡层，17b—第2电流阻挡层， 18a—P电极，18b—N电极，20 —条形(stripe)部，20a—第1区域，20b 一第2区域，20c—变化区域，30 —氧化硅膜，31—Zn扩散源，32—氧化 硅膜，40—共振器构造，40a—端面窗部。
具体实施例方式
参照附图，对本发明一实施方式进行说明。图l是表示本实施方式的 半导体激光器装置的取出激光的前端面侧的截面构成。如图1所示，本实 施方式的半导体激光器装置，是在将从(100)面起在
方向上倾斜10°的面作为主面的由n型GaAs所组成的基板10上，形成共振器构造40 的红色激光器装置。另外，省略了P电极和N电极的有关图示。
在基板10上依次形成有厚度为0.5pm的由n型GaAs组成的缓冲 层11;厚度为2pm的由n型(Alo.7Ga0.3) 0.51Ina49P组成的第1包层12; 活性层13;由p型(Alo.7Gao.3) o.51In,P组成的第2包层14;厚度为50nm 的由p型Gao.5IIn,P组成的保护层15;和厚度为0.4pm的由p型GaAs 组成的接触层16。
活性层13，是应变量子阱活性层，由从下侧依次叠层的由(AlQ.5Ga().5) 0.51InQ.49P组成的第1引导层、3层的由GalnP组成的势井层、2层的由 AlGalnP组成的壁垒层；和由AlGalnP组成的第2引导层组成。
在第2包层14上，形成有脊状的条形部20。从条形部20的下端到活 性层13上端的距离dp为0.2pm。此外，从条形部20的上端到活性层13 的上端的距离为l. m。在条形部20的侧壁上，形成有厚度为0.3jim的 电流阻挡层17。
电流阻挡层17，像后面说明的那样，含有设于端面附近的第1电流阻 挡层和设于中央部的第2电流阻挡层。
从接触层16注入的电流，由于电流阻挡层17而只在条形部20上被 窄化，被集中注入至位于活性层13上的条形部20的下方的部分。因此， 激光振荡所必需的载流子的翻转分布状态，通过几十mA这样微小的注入 电流得以实现。
在因注入到活性层13的载流子的再结合而发光的光中，在与活性层 13垂直的方向上放射的光，在垂直方向上被夹持活性层13的第1包层12 和第2包层14隔绝。与活性层13平行的方向上放射的光，因电流阻挡层 17与第2包层14之间的折射率之差而在平行方向上被隔绝。此外，由于 电流阻挡层17相对于激光器振荡光是透明的，所以没有光吸收，可以实 现低损失的波导线路。此外，由于在波导线路中传播的光分布，可以在电 流阻挡层17上大量溢出，所以容易实现适于高输出工作的10-3量级的有 效折射率差(An)。此外，对于An的大小，可以通过改变dp，以1(^量 级进行精密控制。这样，在对光分布进行精密控制的同时，可以得到低动 作电流、高输出的半导体激光器。
另外，如果将基板法线方向设为垂直方向，将在条形内部区域中在垂 直方向上构成的多层波导线路的垂直方向的传导常数((31)与真空中的波
数(k0)之比(pi/k0)设为Neql，将条形的外部区域中在垂直方向上构 成的多层波导线路的垂直方向的传导常数(P2)与真空中的波数(k0)之 比(卩2/k0)设为Neq2，那么所谓有效折射率差〔An 〕，就是指Neql与 Neq2的差(An= Neq 1 - Neq2 )。
此外，在进行8(TC的高温操作时，为了提高放热性，在本实施方式中 将共振器长度设为1750prn。
在共振器构造40的前端面和后端面上，进行电介质膜覆盖(未图示)， 使得对红色激光的反射率分别为7%和95%。此外，在前端部和后端部附 近，接触层16、保护层15、第2包层14、活性层13和第1包层12的一 部分被无序化，来形成端面窗部40a。
图2表示本实施方式的另一半导体激光器装置的平面构成。如图2所 示，条形部20具有设于取出激光的前端面侧的第1区域20a;设于作为 前端面的相反侧端面的后端面侧的第2区域20b;和设于第1区域20a与 第2区域20b之间的变化区域20c。
第1区域20a上的条形宽度Wf是3.5iim，第2区域20b上的条形宽 度Wr是2.1pm，变化区域20c上，条形宽度是从Wml至Wm2呈直线变 化的，锥角为ei。另外，这里所说的条形宽度，是指图1所示的条形部 20的下端部的宽度W。
此外，在第1区域20a和第2区域20b的侧壁上，形成有第1电流阻 挡层17a，在变化区域20c的侧壁上形成有第2电流阻挡层17b。有关第1 电流阻挡层17a和第2电流阻挡层17b的详细说明将在后面进行。
一般，高输出的激光器中，通常覆盖(coating)电介质膜，使得前端 面侧的反射率(Rf)为10%以下的低反射率，后端面侧的反射率(Rr)为 75%以上的高反射率。这是为了提高来自前端面的光取出效率，而且降低 前端面侧的光密度，提高激光器的端面形成熔化破坏(COD)的光输出等 级。这时，对于波导线路的共振器方向的光密度而言，前端面侧比后端面 侧更高，需要更多的为了激光器振荡而消耗的活性层的载流子数。因此， 如果对共振器内部的光密度相对较高的前端面侧注入更多的电流，则可以
提高电流-光输出功率特性的斜率，得到温度特性突出的元件。也就是说， 对于前端面侧的反射率比后端面侧的反射率更小的激光器，若使前端面侧 的条形宽度大于后端面侧的条形宽度，则有益于注入的电流高效地受激发 射，可以提高斜率。
这里，对条形宽度进行说明。活性层上的动作载流子密度在水平方向 的分布，如图3所示，在脊中央部呈相对凹陷的分布。这是被称为载流子 的空间烧孔现象，它取决于条形部的中央部所产生的较强的受激发射。如
果将该载流子浓度凹陷的大小设为ANc，则ANc越大，活性层的增益分
布，在光密度较高的条形部的中央部就越低，其两侧的增益越大。因此， 会因极小的、条形的左右非对称性，光分布左右移动，并产生扭结。为了
抑制这种现象，需要使ANc变小。为了使ANc变小，尽量窄化条形宽度 W，使电流集中通过活性层中狭窄的区域，十分有效。由此，可以在光分 布强度较高的条形部的紧挨中央部正下方的活性层，以较高电流注入密度 补充因受激发射而消耗的载流子。相反，如果条形宽度变大，光分布就会 被隔绝在条形部内，ANc会变大。因此，当条形宽度加大时，扭结等级就 降低了。
另一方面，条形宽度可以对元件的串联电阻产生影响，条形宽度大的 元件，元件的串联电阻就小，可以使动作电压降低。动作电压的降低关系 到功耗的降低。此外，由于发热量降低，所以也关系到温度特性的提高。 另外，由于可以降低激光器装置的驱动电压，所以在电路设计上，是很有 利的。因此，优选条形宽度在扭结等级不降低的范围内尽量加大。
总之，(1)在电流-光输出功率特性上要想提高外部微分量子效率， 最好从前端面侧向后端面侧进行条形宽度的窄化，(2)为了降低动作电 压，最好使条形宽度变宽，(3)为了抑制扭结发生，最好使条形宽度变 窄。也就是说，为了使动作电流值和动作电压较低、提高扭结等级，优选 扩大前端面侧上的条形宽度，窄化后端面侧的条形宽度，使其间的条形宽 度渐渐变窄。
条形宽度也可以从前端面侧向后端面侧连续变化。但是，如果条形宽 度变化，脊侧壁上的波导光的散乱损耗就会变大，使效率降低。因此，为 了降低改变条形宽度情况下的波导线路损耗的增大量，最好在光密度较高 的前端面部中使条形宽度变化较小。因此，如图2所示，在前端面侧的第
l区域20a中，优选将条形宽度设为固固定。此外，在第l区域20a中， 在改变条形宽度的情况下，如图4所示，优选变化量小于变化区域20c， 也就是说，最好使第1区域20a上的锥角90小于变化区域20c的锥角01。
也就是说，如果将前端面上的条形宽度设为Wf、将变化区域的前端 面侧的端部上的条形宽度设为Wml、将变化区域20c的后端面侧的端部 上的条形宽度设为Wm2、将第1区域20a的长度设为Ll、将变化区域20c 的长度设为L2，优选满足Wf^Wml、 Wml > Wm2、 (Wf—Wml) /Ll >(Wml—Wm2) /L2的关系。
换言之，在条形宽度相对共振器方向变化、形成，并存在条形宽度对 共振器方向的变化率不同的多个区域的情况下，该变化率，只要将平均光 密度更高的区域的变化率设定得更小即可。
此外，在激光端面附近，在通过劈开将元件分裂的情况下，为了抑制 由于劈开位置的错位而导致的条形宽度的变动，在距离端面长约10pm以 上的区域，优选将条形宽度设为固定。原因是如果条形宽度变动，波导 线路中传播的光分布幅度就会发生变化，所以共振器端面放射的远视野图 像(FFP)就会变化。在图2中，在距离前端面200)im和距离后端面50iim 的位置上，将条形宽度设为固定。此外，在图4中，在距离前端面10pm 的位置上，将条形宽度设为固定。
在后端面侧，即使条形宽度因劈开位置的偏差而变化，也几乎不会对 前端面放射的FFP的图形产生影响。此外，后端面侧由于光密度较小，所 以即便An变小，脊侧壁上产生的散乱损失的大小也很小。因此，第2区 域上的条形宽度，不一定非要固定。
在设置有条形宽度变化的变化区域的情况下，从脊侧壁传播的光发生 散乱，关系到波导线路损失的增大。因此，只要抑制因来自于这种脊侧壁 的散乱而导致的波导线路损耗的产生，就可以进一步提高外部微分量子效 率，得到高效发光的半导体激光器。为了在半导体激光器上进行高温高输 出的工作，需要加长共振器长度，在提高放热性的同时降低动作载流子密 度，抑制来自高温工作时的活性层的热激发的载流子的溢出。
对于对应16倍速记录的可高速写入的光盘系统用的红色激光器，需
要在8(TC以上的高温下，实现300mW以上的高输出工作。因此，需要将 红色激光器的共振器的长度设为150(Him以上。在这种情况下，光输出-电流特性中的外部微分量子效率，与镜面损失(am) / (镜面损失(oim) + 波导线路损耗(aw))成比例。如果设表示被注入的载流子进行发光再结
合的比例的内部量子效率为(rii)、设从前端面取出激光器振荡光的效率 为(TP ，那么外部微分量子效率如式1那样表示。式1<formula>formula see original document page 15</formula>
这里，如果将L设为共振器长度，镜面损失由下式表示。式2<formula>formula see original document page 15</formula>
由式2可知共振器长度越长，镜面损失就越小。因此，可知共振 器长度越长，外部微分量子效率所对应的波导线路损失的大小的影响就越 大。
图5，将镜面损失(am) / (镜面损失(am) +波导线路损耗(aw)) 设为iv表示对w与波导线路损失之间关系的共振器长度依赖性的研究的 结果。在本实施方式中，为了降低波导线路损失，提高外部微分量子效率， 电流阻挡层对激光几乎透明，它采用了使用比包层的折射率还低的介质材 料的实折射率波导线路构造。在这种情况下，波导线路损失通常为10cm—1 以下的波导线路损失。因此，图5所示的结果表示的是，波导线路损失为 lOcm"以下的波导线路损失的范围。
'如图5所示，共振器长度越长，外部微分量子效率就越小，路损失的 增大对W的影响就越大。在共振器长度为1500|im以上的情况下，如果波 导线路损失增大1 cm" 2cm—1， iv就降低约10%。这意味着外部微分量子 效率降低约10%，对高温高输出工作造成重大障碍。
由此，可知即便为了提高放热性而将共振器长度设为1500pm以上， 也会由于rir变小，造成外部微分量子效率降低，不仅如此，波导线路损失 对降低外部微分量子效率的影响增大。
因此，对于长度为1500)im以上的长共振器的激光器而言，如果不尽 可能地降低波导线路损失，就无法在低动作电流下进行高输出工作。对于 动作电流值的增大，从激光驱动电路的驱动电流容量的限制和因电力损耗 增加而导致发热量增大的观点出发，动作电流值最好尽可能地小。
为了获得低动作电流的高输出激光器，需要抑制波导线路损失的增 大。但是，本实施方式的半导体激光器装置，由于具有条形宽度从共振器
长的前面向后面逐渐变窄的变化区域，所以有可能因来自脊侧壁的散乱损 失而使波导线路损失变大。
图6表示条形部的内部与外部的有效折射率差(An)对锥角与波导线 路损失的增大量之间的关系产生的影响。另外，所谓锥角是图2所示的条
形宽度变化的角度ei。
如图6所示，如果锥角变大，波导线路损失就增大。此外，An越大， 波导线路损失的增大量越小。当An较小时，在波导线路中传播的激光就 会向条形部外扩散，所以对于条形部外的活性层也需要进行激光振荡所必 需的电流注入，使振荡阈值电流值增大和动作电流值增大。相反，当An 较大时，由于光分布被较强地隔绝在条形部内，所以，条形部内的光密度 就会变高，载流子的空间烧孔的大小就会增大，很容易产生扭结。为此， 通常，高输出的激光器中，为了稳定光分布的横模，将An设为5X10—s至 7X10^左右。对于该An的范围，为了使波导线路损失的增大抑制在2cm—1 以下，为了防止外部微分量子效率降低10%以上，在An为7X 1(tM青况下， 要将锥角设为0.23。以下。此外，在An为5Xl(^的情况下，要将锥角设 为0.12°以下。因此，如果将锥角设为0.12。以下，那么在An为5X10'3 以上的波导线路的情况下，可以使波导线路损失的发生控制在2cm"以下。 另夕卜，如果将锥角设为0.05。以下，那么在An为5Xl(^以上的波导线路 的情况下，可以使波导线路损失的发生控制在lcm"以下。
也就是说，如果在取出光的共振器的前端面附近，将An设定得较小 以便获得希望的光分布，在条形宽度变化的区域将An设定得较大，就可
以抑制条形宽度变化所导致的波导线路损失的增大。
对于本实施方式的半导体激光器装置，在图2所示的第1区域20a和 第2区域20b中，将电流阻挡层17设成由SiN组成的第1电流阻挡层17a， 在变化区域20c中，将电流阻挡层17设成由Si02组成的第2电流阻挡层 17b。因此，第2电流阻挡层17b的折射率就比第1电流阻挡层17a小。 这样，通过减小变化区域20c中的第2电流阻挡层17b的折射率，即便dp 相同，也可以改变An。具体讲就是，变化区域20c中的An的值是7X10—3， 第1区域20a和第2区域20b中的An的值是5.5 X 10—3。
在图2所示的例子中，前端面上的条形宽度为3.5pm，后端面上的条 形宽度为2.1pm，共振器长度为1750)im，在距离前端面200pm的第1区 域20a和距离后端面50^im的第2区域20b中，条形宽度固定。所以，锥 角01为0.03° 。因此，由于改变了条形宽度，所以波导线路损失的增大 为非常小的值，约0.3cm"左右。其结果如图5所示，能够将因改变条形 宽度而导致的散乱损失的发生对^下降带来的影响，抑制在几％以下，为 非常小的水平上。
图7表示本实施方式的半导体激光器装置的电流-光输出功率特性。动 作条件是80'C、 50ns、脉冲占空比为40%。本实施方式的半导体激光器装 置，将第1区域和第2区域中的An的值设为5.5X10—3，将变化区域中的 △n的值设为7X10'3。现有的半导体激光器装置，其An为5.5X10'3，并 且固定。对于本实施方式的半导体激光器装置，可知相对于现有的半导 体激光，动作电流降低了约10%，对降低波导线路损失具有效果。
图2中，表示变化区域中的条形宽度的变化率为固定的例子，只要端 面反射率低的前端面侧的条形宽度比端面反射率相对较高的后端面侧的 条形宽度更宽即可。因此，如图8所示，对于变化区域20c，条形宽度的 变化率以2阶段变化即可。在这种情况下，设变化区域20c中的An值为 大于第1区域20a和第2区域20b中的An值。
在使条形宽度的变化率进行2阶段变化的情况下，优选在前端面侧的 区域R1中，与后端面侧的区域R2相比条形宽度的变化率小，也就是说， 区域R1中的锥角ei比区域R2中的锥角92小。由此，在光密度较高的前 端面侧的部分上，锥角变小，因而可以对脊侧壁上的散乱损失的发生进行
进一步抑制。在这种情况下，91是0.23°以下，优选是0.12°以下，更优
选是o.05。以下。此外，虽然只要ei比e2小即可，但如图9所示，可以 将ei设为o度，来将前端面侧的区域ri设为定宽区域。
此外，也可以对条形宽度的变化率进行2阶段以上的变化。在这种情
况下，只要条形宽度的变化率从前端面侧的区域向后端面侧的区域逐渐变
大即可。此外，如图io所示，对于最前端面侧的区域Ri，可以将ei设
为0度，将最前端面侧的区域R1设为定宽区域。
另外，己经表示了条形宽度的变化是直线状的例子，也可以不必是直 线，只要是端面反射率较低的前端面上的条形宽度比端面反射率相对较高 的后端面上的条形宽度更宽、且变化区域上的条形宽度的共振器长所对应
的变化率的绝对值，换算成角度为0.23。以下，任何形状都可以。在这种
情况下，为了进一步抑制因锥形状而导致的波导线路损失的发生，优选变
化区域中的条形宽度的变化率的绝对值换算成角度为0.12。以下，更优选 为0.05°以下。
如果前端面上的条形宽度大，电流的注入面积就会增大，所以，可以 使元件的微分电阻减小，可以提高在进行高温工作时发生热饱和的光输出 的等级，另一方面，高次横模会被截止，电流-光输出功率特性上容易产生 扭结。因此，前端面的条形宽度可以设为2.5pm以上5pm以下，优选设 为3iim以上4pm以下，更优选设为3.2pm以上3.7pm以下。此外，如果 后端面上的条形宽度大，注入面积就会增大，所以元件的微分电阻减小， 而另一方面，高次横模会被截止，电流-光输出功率特性上容易产生扭结， 另外，通过将电流注入区域设为锥状，电流的利用效率也会降低。因此， 可以将后端面的条形宽度设为l)im以上3jiim以下，优选设为1.5pm以上 2.5)nm以下，更优选设为1.7pm以上2.3 pm以下。
下面，参照附图，对本发明一实施方式的半导体激光器的制造方法进 行说明。图11按照工序顺序表示了一个实施方式的半导体激光器的制造 方法。
首先，如图11 (a)所示，在以从(100)面起在
方向上倾斜10 °的面作为主面的由n型GaAs组成的基板10上，使用有机金属气相堆积 (MOCVD)法，依次形成厚度为0.5)im的由n型GaAs组成的缓冲层11;厚度为1.2pm的由n型(Alo.7Gao.3) o.51Ina49P组成的第1包层12;活 性层13;由p型(Ala7Gao.3)化5,Ino.49P组成的第2包层14;厚度为50nm 的由p型Gaa51Ina49P组成的保护层15;和厚度为0.3pm的由p型GaAs 组成的接触层16。也可以取代MOCVD法，使用分子线磊晶法(MBE)。
在本实施方式中，活性层13是具有由(Alo.5Ga。.5) a5,In。.49P组成的第 1引导层；3层的由GalnP组成的势井层；2层的由AiGalnP组成的壁垒 层；和由AlGalnP组成的第2引导层的应变量子阱活性层。也可以取代应 变量子阱活性层，使用无应变的量子阱或块材(bulk)。此外，活性层的 导电型既可以是p型，也可以是n型，无惨杂也可以。
将基板从MOCVD反应炉中取出之后，如图11 (b)所示，使用热 CVD法G70。C)，将0.3pm的氧化硅膜30堆积在接触层16上。
接下来，进一步使用光刻和干蚀刻技术使氧化硅膜30图形化，在距 离端面30pm左右的区域，使接触层16露出。接着，如图ll (c)所示， 对接触层16的露出部，使用由Zn组成的扩散源31，使Zn热扩散。由此， 在端面附近，形成端面窗部40a。
如果在端面附近扩散杂质，使量子阱活性层无序化，在100mW左右 就会造成端面破坏，所以，为了能够进行100mW以上的高输出的工作， 共振器端面的量子阱活性层，优选通过无序化，形成对激光透明的端面窗 部40a。
接下来，使用大气压热解CVD法G7(TC)，在接触层16上形成厚 度为0.3jLim的氧化硅膜32，然后使用光刻和干蚀刻技术进行图形化。在 进行图形化时，对取出激光的前端面侧的第1区域，采取宽为3.5pm的条 形，对后端面侧的第2区域，采取宽为2.1pm的条形，在第1区域和第2 区域之间的变化区域，采取宽从3.5^im到2.1pm渐渐变窄的锥状条形。将 图形化了的氧化硅膜32作为掩膜，使用硫酸类或盐酸类蚀刻剂，依次有 选择地对接触层16、保护层15和第2包层14进行蚀刻，形成如图11 (b) 所示的平顶山状条形部20。在形成平顶山状的条形部20之后，用氟酸类 溶液除去作为掩膜使用的氧化硅膜。
接下来，对基板上的整个面，形成成为第2电流阻挡层17b的氧化硅 膜。接着，使用光刻法将抗蚀剂膜图形化，使接触层16的上面、第1区域和第2区域中的包含条形部20侧壁的条形部20的两侧的区域开口 。接
着，将图形化了的抗蚀剂膜作为掩膜，有选择地除去氧化硅膜。由此，如
图12 (a)所示，在变化区域中，形成第2电流阻挡层17b。另外，图12 (a)表示变化区域的截面。
接下来，使用光刻法，在第1区域和第2区域，将抗蚀剂膜图形化， 使得仅在含有条形部20侧壁的条形部20的两侧区域开口。接着，在形成 成为第1电流阻挡层17a的SiN膜之后，通过剥离(lift off)除去抗蚀剂 膜上的SiN膜。由此，如图12 (b)所示，在第1区域和第2区域中，形 成第1电流阻挡层17a。
下面，如图12 (c)所示，在接触层16上形成P电极18a，在基板的 背面形成N电极18b。
己经表示了将SiN用于第1电流阻挡层、将Si02用于第2电流阻挡层 的例子。但是，只要第1区域和第2区域的An是可以获得所期望的光分 布的范围，变形区域中，与第1区域和第2区域相比An变大即可，可以 使用任何一种材料。具体讲就是，可以对氧化硅(Si02)、氮化硅(SiN)、 氧化钛(Ti02)、氧化铝(A1203)、氧化锆(Zr02)、氧化钽(Ta205)、 氧化铯(Ce02)、氧化铌(Nb205)和氢化无定形硅等进行适当组合并选 择。此外，也可以使用这些材料的混合物，或者使用由这些材料组成的多 层膜。
本实施方式，对具有用一般式为(AlaGab) eIni-eP (其中，0^a<l,0 <b^l,a+b=l, 0<c<l)表示的材料组成的活性层的红色的半导体激光器 装置进行了说明。但是，对于具有用一般式为(AlaGab)eln,《P(其中，O^a <l,0<b^l,a+b=l,0<c<l)表示的材料组成的活性层的红外的半导体激 光器装置，也可以得到相同效果。
另外，本实施方式中，虽然是将用来注入电流的构造设成脊条形部， 但对于其它的条形构造，也可以得到相同效果。
本发明的半导体激光器装置及其制造方法，可以使外部微分量子效率 降低较少，在高输出的工作状态下发光效率不易发生饱和，可稳定地进行 基本横模式振荡的半导体激光器装置。尤其对红色和红外域半导体激光器 装置及其制造方法等有用。
权利要求
1.一种半导体激光器装置，其特征在于，具备共振器构造，所述共振器构造包含依次形成在基板上的第1包层、活性层和第2包层，所述第2包层，具有在取出激光的前端面与作为该前端面相反侧的端面的后端面之间延伸的条形部，所述条形部具有设于所述前端面侧的第1区域；设于所述后端面侧的第2区域；和设于所述第1区域和所述第2区域之间且条形宽度变化的变化区域，所述变化区域上的所述条形部的内部与外部的有效折射率差，比所述第1区域的所述条形部的内部与外部的有效折射率差更大。
2. 根据权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于， 所述第1区域包含宽度固定的定宽部分， 所述定宽部分的长度为10pm以上。
3. 根据权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于， 所述前端面上的反射率，为所述后端面的反射率以下， 所述前端面上的条形宽度，比所述后端面上的条形宽度更宽。
4. 根据权利要求1 3任意一项所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述活性层，是由一般式为(AlaGab) cIn,.cP表示的材料组成， 所述第1包层和第2包层，是由一般式为(AldGae) fln,.fP表示的材料组成，其中，0〇a<l,0<b^l，a+b=l, 0<c<l; 0<d<l,0<e<l,d+e=l， 0<f<l。
5. 根据权利要求1 3任意一项所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述活性层，是由一般式为AUGa^As表示的材料组成， 所述第1包层和第2包层，是由一般式为(AldGae) fIni.fP表示的材 料组成，其中，0〇a<l;0<d<l,0<e<l,d+e=l,0<f<l。
6. 根据权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述活性层是量子阱活性层。
7. 根据权利要求6所述的半导体激光器装置，其特征在于， 所述活性层中的、所述前端面附近的区域和所述后端面附近的区域之中的至少一方，由于杂质扩散而被无序化。
8. 根据权利要求1 3任意一项所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述条形部是脊条形部，还具备覆盖所述第1区域中的所述脊条形部的侧壁的第1电流阻挡 层和覆盖所述变化区域中的所述脊条形部侧壁的第2电流阻挡层，所述第1电流阻挡层的折射率比所述第2电流阻挡层的折射率更大。
9. 根据权利要求8所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述第1电流阻挡层和所述第2电流阻挡层，由互不相同的电介质材 组成。
10. 根据权利要求8所述的半导体激光器装置，其特征在于， 所述第1电流阻挡层和所述第2电流阻挡层，由相同的电介质材料组成。
11. 根据权利要求8所述的半导体激光器装置，其特征在于， 所述第1电流阻挡层，由包含Si02、 SiNx、 A1203、 Ti02、 Zr02、 Ta205、Ce02或Nb20s，或者包含它们中的至少2个的化合物组成，所述第2电流阻挡层，由包含Si02、 SiNx、 A1203、 Ti02、 Zr02、 Ta205、 Ce02或Nb205，或者包含它们中的至少2个的化合物组成。
12. —种半导体激光器装置的制造方法，其特征在于，具备以下工序 在基板上依次形成第1包层、活性层和第2包层的工序a; 通过蚀刻所述第2包层，形成具有条形宽度变化的变化区域的条形部的工序b;禾口形成第1电流阻挡层以覆盖除所述变化区域之外的区域，并且，形成 第2电流阻挡层以覆盖所述变化区域的工序c，在所述工序c中，形成所述第1电流阻挡层和所述第2电流阻挡层， 使所述变化区域上的所述条形部的内部与外部的有效折射率差，比除所述 变化区域之外的区域上的所述条形部的内部与外部的有效折射率差更大。
全文摘要
本发明提供一种半导体激光器装置，使得外部微分量子效率的降低减小，高输出工作的状态下的发光效率的饱和不易产生，可以稳定进行基横模振荡。半导体激光器装置，具备包含在基板上形成的第1包层、活性层和第2包层的共振器构造，第2包层具有取出激光的前端面与作为该前端面的相反侧端面的后端面之间延伸的条形部20。条形部20，具有设在所述端面侧的第1区域20a；设在后端面侧的第2区域20b；和设在第1区域20a与第2区域20b之间的宽度变化的变化区域20c。变化区域20c上的条形部的内部与外部的有效折射率差，比第1区域20a上的条形部的内部与外部的有效折射率差更大。
文档编号H01S5/22GK101359806SQ20081013116
公开日2009年2月4日 申请日期2008年7月30日 优先权日2007年7月30日
发明者佐藤智也, 木户口勋, 高山彻 申请人:松下电器产业株式会社