专利名称：半导体二极管激光器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及折射率导引型(index-guided)半导体二极管激光器，以下通常简称为激光器，该激光器包括一块半导体本体，它具有第一导电型的半导体衬底，上面有按顺序至少由第一导电型的第一镀层、有源层、以及与第一导电型相反的第二导电型的第二镀层组成的一半导体层结构，还包括能够提供足够强度的正向电流的一个pn结，在位于谐振腔内的条形有源区产生相干电磁辐射，谐振腔由基本垂直于有源区的表面限定，同时半导体层结构在有源区的每一侧具有用以形成有效折射率等级的部件，而第一和第二镀层还有用以形成电连接的部件。本发明还涉及制造这种激光器的方法。
这种激光器具有作为辐射源的各种用途，如用于光盘系统、光纤通信系统、条形码读出器和激光打印机。折射率导引型激光器是非常吸引人的，其原因主要在于出射光束是衍射受限的并且与所施加的光功率相比，进而与通过激光器的电流相比，远场及波前变化相对较小，这与增益导引型激光器形成鲜明的对比。此外，弱折射率激导引型光器比较易于制造。在上述许多应用领域，还需要激光器能够提供最大的光功率，即最大可能的电磁辐射强度。
这种几何形状为条形的激光器见于H.C.Casey和M.B.Panish的“Heterostructure Lasers，Part BMaterials and Operating Characteristics”，该文登载在Academic Press 1978，Ch.7.6，pp.207-217。这里所提供的二极管，例如如图7-6-5(a)所示，包括一个n-GaAs衬底，该衬底的上面有一层放在n型和p型AlGaAs镀层之间的GaAs有源层。电连接部件包括衬底一侧的金属层和p-GaAs接触层，还包括上镀层一侧的金属层。进一步的部件包括有源区上的台面，它占第二镀层的主要部分，因此激光器是(弱)折射率导引型激光器。
已知的激光器的一个缺点是不能提供非常大的有用功率。所谓的P(光功率)相对于I(电流)的特性不象所希望的那样在阈值电流之上基本是线性变化的，实际上在比较小的光功率下所述P-I特性经常存在转折点。在该转折点，光功率对电流强度的导数发生了变化同时出射束不再是衍射受限的。很清楚，当光功率小到出现转折点的程度时，这一结果将限制激光器的应用。上述结果以下被称之为转折。观察到转折时的光功率被称为转折功率(Pkink)。
本发明尤其为实现一种没有所述缺点，或至少将此缺陷降低到小得多的程度的在阀值电流以上直到极高的光功率时具有基本线性(无一转折)P-I特性的半导体二极管激光器，作为其目的。本发明还为提供一种制造这种激光器的方法作为其目的。
为达此目的根据本发明的在本文开始段中所提到的那种半导体二极管激光器的特征在于谐抗振腔具有的至少长度使对该长度而言，作为流经pn结的电流的函数的光功率的导数变化时，光功率是一个最大值。人们惊奇地，发现P-I特性的转折取决于激光器谐振腔的长度。此外还惊人地发现对应于谐振腔长度的某一值，转折功率为最大值。通过实验的方法，可以为在一个以及相同的衬底上制造的激光器确定转折功率为最大值时的长度值，在这一过程中制造了带各种谐振腔长度，而所有其它的特性都相同的许多激光器。当谐振腔取任意长度时，最大转折功率显着大于(最大为两倍)平均转折功率。因此，根据本发明的激光器非常适用于上述场合，因为在直到非常大的光功率的范围内都有基本线性的P-I特性。
值得注意的是，R.T.Lynch等人在“Effect of cavity lengthson stripe-geometry DH laser output linearity”(Appl.Phys.Lett.34(4)，1979年2月15日，第297页)中指出缩短激光器长度将导致更高的转折功率。上述文章中的结论与增益型激光器有关，它与本发明的折射率导引型激光器是根本不同的。所观察到的效果的起因在于波导最低次横模之增益差，它随激光器的长度而单调递减。在本发明的折射率导引型激光器中这种效果是微不足道的，其原因是达到非常大的光功率之前这种效果将不起作用。此外，在上述文章论及的激光器中，即使在那种情况下，作为激光器长度的函数的转折功率也不会有最大值。
根据本发明的第一实施例的激光器特征在于谐振腔的长度构成一组长度的一部分，这一组长度相互间的距离基本相等，而对构成那组部分长度的每一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值。进一步令人惊奇地发现，转折功率还具有许多最大值，基本上这些值都相等，并作为谐振腔长度的函数，这些最大值对应于相互间的距离基本相等的谐振腔的不同长度。作为谐振腔长度的函数的转折功率的梯度变化曲线(大约)为锯齿形，具有基本固定的幅度和周期。谐振腔的长度位置构成对应于一个最大转折功率的一组长度的部分，使得本发明的激光器更适用于大功率应用场合。确实，以这种方式最大转折功率可以与一个较长的长度结合起来。长度较长可以使得起始电流密度较小，同时使得起始电流引起的温度较低。其结果，这种激光器的功率较大而寿命较长。
最好根据本发明激光器的谐振腔的长度介于第一长度和第二长度之间，对第一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，第二长度大于第一长度，对第二长度而言，转折功率大约等于其最大值的50%。在位于转折功率的每个最大值后面的这一区域，激光器的转折功率大于所有可能长度下的平均转折功率。该结论与这样的事实有关，即(下一个)最大值之前的锯齿形曲线的每一齿面基本垂直于纵轴。当谐振腔的长度介于第一长度和第二长度之间，对第一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，第二长度大于第一长度，对第二长度而言，转折功率大约等于其最大值的80%，这时甚至可以得到性能更好的激光器。在实践中可以发现，当谐振腔的长度介于第一长度和第二长度之间，对第一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，第二长度比第一长度约长20μm，这时可以得到最好的结果。加工谐振腔时的分割工艺(cleaving process)误差大约为+/-10μm。当谐振腔的长度比对应于最大转折功率的长度平均约长10μm时，能够充分避免在长度较短情况下该最大值区域中转折功率的非常陡的塌陷。
形成所述长度组部分的一个长度最好等于最短长度，对该长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，将有源区中产生的电磁辐射的基横模和一级横模之间的振荡周期的一半乘以一个整数，加到该长度上。当有源区的大小和有源区周围折射率的值知道时，可以通过计算估算出振荡周期。实践中发现，上述锯齿波的周期恰好等于振荡周期的一半。通过将该振荡周期的一半乘以一个整数，加到可以观察到转折功率的第一最大值对应的长度上，能够得到对长度的一个满意的估算值，对这些长度而言，转折功率将进一步显示出最大值。通过对接近这一估算长度的各种谐振腔进行试验，可以用一种很简单的方式找到还会出现最大值的准确的长度。
通过计算可以将振荡周期p估算出来，这是因为它等于2π/(β0-β1)和λ/2＊△n01，其中β0和β1分别是有源区中产生的电磁辐射的基横模和一级横模的传播常数，λ是有源区中产生的电磁辐射的波长，△n01是有源区中产生的电磁辐射的基横模和一级横模的有效折射率之差。
这是基于下述意整不到的认识折射率导引型激光器中一级横模的波长λ1大于基横模的波长λ0，因为前者的有效折射率比后者的低。假定锁相一级横模在工作于上述转折功率的激光器中传播。这意味着在激光器的谐振腔中基横模和一级横模都形成了驻波。于是在谐振腔内基横模和一级横模之间产生了振荡，它与L-I特性中转折的出现相对应。对振荡周期为Lb适用(1)Lb＝k＊λ1＝(k+1)＊λ0，｛k∈N+｝从中得到(2)Lb＝λ0＊λ1/(λ1-λ0)＝1/(1/λ0-1/λ1)或(3)1/Lb＝1/λ0-1/λ1在长度为L的谐振腔中的驻波的相位条件为(4)L＝m＊λ/2如果基横模和一级横模都支持这一条件，则得到(5)L＝m0＊λ0/2 和(6)L＝m1＊λ1/2，｛(m0，m1)∈N+∩m0＜m1｝从(5)和(6)得到(7)1/λ0＝m0/2＊L 和(8)1/λ1＝m1/2＊L.
将(7)和(8)代入(3)中得到(9)1/Lb＝(m1-m0)/2＊L＝m3/2＊L，｛m3∈N+｝将(9)进行整理，得到(10)L＝m3＊Lb/2，｛m3∈N+｝根据本发明的激光器最好有弱折射率导引型的结构，并且其V参数位于大约π/2和大约π之间，V＝(2＊π＊w/λ)＊√(n22-n21)，其中w是有源区的宽度，λ是激光器的发射波长，n2是有源区区域中的有效折射率，n1是有源区任一侧的有效折射率。上述激光器已比较易于生产，但仍非常适用于大约1μm以下波长范围的发射。不同类型的掩蔽式激光器虽然本身都是很需要的，但实际上在所述波长范围内却很难制造，或者说不可能可靠地制造。这与这些激光器经常由包含铝的层组成有关。y参数的上述范围意味着，在这种激光器中，对有源区的通常宽度W(大约为1至7μm)而言，不仅会出现基横模，而且也会出现一级横模。n2-n1之差值通常大约为1至15＊10-3。
对本发明的激光器的一种有利的改进是使其具有隆起的波导结构。最好是掩蔽式的，掩蔽隆起部分的层具有这样的带隙，它基本不吸收产生的辐射。这样的激光器具有特别低的损耗。
界定谐振腔的表面最好镀膜。这将大大提高最大转折功率，因此激光器可以用于大大提高光功率。
根据本发明的半导体二极管激光器用于脉冲模式，这也将引起最大转折功率的极大提高。
一种制造折射率导引型半导体二极管激光器的方法，通过该方法在半导体衬底上形成一块半导体本体，该半导体衬底是第一导电型的半导体层结构，按顺序至少由第一导电型的第一镀层、有源层、以及与第一导电型相反的第二导电型的第二镀层组成，其中还形成有pn结、条形有源区、和由基本垂直于有源区的表面限定的环绕的谐振腔，该半导体层结构在有源区的每一侧具有用以形成有效折射率等级的部件，而第一和第二镀层还有用以形成电连接的部件，根据本发明的方法的特征在于为谐振腔选择一种至少的长度，对该长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值。根据本发明的这种方法制造的激光器具有特别大的转折功率，因此适用于许多场合。
下面参照实施例和附图更详细地描述本发明。附图中
图1用立体图的方式简要表示本发明的半导体二极管激光器的第一最佳实施例;
图2表示作为图1的激光器谐振腔长度(L)函数的激光器的转折功率(Pkink)，其中有源层包括一个(曲线21)或两个(曲线23)量子阱层;
图3表示具有两个量子阱层并具有如图2所示的长度L1的谐振腔的图1的激光器的光功率(P)，它是流过激光器的电流(I)的函数;
图4用立体图的方式表示本发明的半导体二极管激光器的第二最佳实施例;
图5表示作为图4的激光器的谐振腔长度(L)函数的激光器的转折功率(Pkink)，激光器的镜面未镀膜(曲线53)或用覆盖层镀膜(曲线55);
图6表示具有镀膜镜面并具有如图5所示的长度L2的图4的激光器的光功率(P)，它是流过激光器的电流(I)的函数;
图7表示脉冲方式工作期间作为脉宽(t)的函数的有镀膜镜而的图4激光器的转折功率(Pkink)，谐振腔的长度为图5所示的L2(曲线70)，以及图5所示的L2';
图8用立体图的方式表示本发明的半导体二极管激光器的第三最佳实施例;
图9表示作为图8的激光器谐振腔长度(L)函数的激光器的转折功率(Pkink);以及图10表示具有如图9所示的长度L3的图8的激光器的光功率(P)，它是流过激光器的电流(I)的函数。
附图是示意性的，没有按比例画，为了更清楚起见，夸大了厚度方向的尺寸。在各例中，相应的部分一般标以相同的参考号。相同导电类型的半导体区一般用相同方向的斜线表示。
图1用立体图的方式表示本发明的半导体二极管激光器的第一最佳实施例。激光器100包括具有衬底1的半导体本体，衬底1是第一导电型的，此处为n导电型，在本例中由单晶砷化镓组成，并提供有连接导体8。在该本体上有一半导体层结构，主要包括n导电型的缓冲层11，也是n导电型的第一镀层2'，第一隔离镀层2''，有源层3，有源层3在这里由两层量子阱层3'组成，两层量子阱层3'相互间由势垒层3''隔开，还包括第二隔离镀层4''，以及此处为p导电型的第二镀层4'，4°，在第二镀层4'，4°之间是蚀刻阻挡层5。不仅是第二镀层4'，4°的部分4°，而且还有中间层9和第一接触层10，都是p导电型，它们都处于半导体层结构的台面形部分12之中。台面12的两侧是n型电流阻挡层13。在本例的激光器100的横向形成有效折射率等级的部件包括台面12和位于该台面之下的第二镀层4'，4°的较薄部分4'。于是激光器100是折射率导引型，更准确地说，是弱折射率导引型，并具有所谓隆起波导结构。形成镀层2，4电连接的另一部件除了包括带有连接导体8的所述衬底1以外，还包括第一接触层10，第二接触层6，第二接触层6也是p导电型的，并在台面12和阻挡层13上方延伸，上面是连接导体7。两层镀层2，4之间形成的pn结能够在位于台面12下的有源层3的条形有源区和谐振腔中产生相干电磁辐射，谐振腔由基本垂直于有源区的表面50，51构成，并给出足够强的正向电流。
上述实例的激光器100的(半导体)层的厚度、材料和其它特性列于下表半导体号类型参杂浓度厚度(原子/cm3)(μm)1 GaAs(衬底) N 2×1018350
11 Al0,2Ga0,8As N 2×10180,12' In0,5Al0,35Ga0,15P N 2×10181,32'' In0,5Al0,2Ga0,3P N 2×10180,0453' In0,62Ga0,38P - - 0,00853'' In0,5Al0,2Ga0,3P - - 0,0064'' In0,5Al0,2Ga0,3P P 4×10170,0454' In0,5Al0,35Ga0,15P P 4×10170,540In0,5Al0,35Ga0,15P P 4×10170,85 In0,4Ga0,6P P 1×10180,016 GaAs P 2×10180,59 In0,5Ga0,5P P 1×10180,110 GaAs P 2×10180,513 GaAs N 2×10181,4以上数据表明，本例中的激光器100是(弱)折射率导引型，并具有所谓的隆起波导结构。此处阻挡层13包括(辐射)吸收材料。台面形条12的宽度大约为4.2μm。本例中衬底1上的导电层8是金-锗-镍层，其厚度约为1000 。本例中的导电层7包括铂层、钽层和金层，它们的厚度分别为大约1000、500和2500 。
根据本发明，本例中的激光器100具有长度L1大约为450μm的条形有源区，对该长度而言，作为流经pn结电流(I)的函数的光功率(P)的导数变化时，光功率约为最大值。这意味着，在非常大的光功率之前，即激光器100的基本最大光功率之前，所谓P-I特性不显示转折，因此根据本发明的激光器特别适用于需要在非常大的光功率之前都有线性P-I特性的场合。
图2表示作为图1的激光器100的谐振腔长度(L)函数的激光器100的转折功率(Pkink)(曲线23)。其中有源层仅包括一层量子阱层3'的激光器100的相应曲线也示于图中(曲线21)。曲线21、23都表示转折功率(Pkink)是长度L的函数，并且在相应的曲线中都出现了最大值。符号20、22分别对应根据实际激光器100、以曲线21、23为基础的测量结果。在本例的激光器100中，对大约440μm的长度L1(曲线23)而言，转折功率(Pkink)具有最大值，即大约45mW。图2还表示对大约640μm的谐振腔的第二长度而言，转折功率(Pkink)还有另一最大值，它与长度为440μm时基本一样。激光器100的长度最好介于两个长度之间，此处第一长度大约为440μm，对应转折功率(Pkink)的最大值，第二长度比第一长度要长，此处大约为540μm，对该长度而言，转折功率(Pkink)约为其最大值的50%。根据本发明的激光器100比任意选择谐振腔长度L的激光器100具有更大的转折功率(Pkink)。当第二长度L在此处为大约435μm，则对应的转折功率约为其最大值的80%，仍可得到较好的激光器100。实际上，本例的激光器100的长度最好在440μm和再长20μm即460μm之间。这种激光器100具有基本最大的转折功率，并可大批量生产，因为在通过切开(cleaving)半导体本体，形成镜面50、51时纵向误差大约为+/-10μm。最大值附近曲线23斜率的不对称性也予以考虑。锯齿波21的周期p约为400μm，振荡周期的估算值约为500μm。对曲线23而言，这两个值分别为200μm和240μm。
图3表示具有两个量子阱层并具有如图2所示的长度L1的谐振腔的图1的激光器的光功率(P)，它是流过激光器的电流(I)的函数。图3证实，根据本发明的本实施例的激光器100在很宽的范围内、即直到点31，都有基本线性的P-I特性，这是非常理想的。本例中激光器100的起始电流约为35mA，在大约675nm的波长下发射，非常适用于条形码读出器或激光打印机。
根据本发明，本例的激光器100的制造方法如下。制造过程从(001)衬底1开始，它是单晶n型砷化镓，参杂浓度为每cm3有2×1018个原子，厚度例如为350μm。对具有(001)取向的表面抛光和蚀刻以后，在该表面例如通过OMVPE(有机金属气相取向附生)从气相连续生长以下各层缓冲层11，第一镀层2'，第一隔离镀层2''，有源层3，有源层3包括第一量子阱层3'、势垒层3''和第二量子阱层3'，第二隔离镀层4''，第二镀层4'，4°的第一部分4'，蚀刻阻挡层5，第二镀层4'，4°的第二部分4°，中间层9，以及第一接触层10，这些都是在大约760℃的温度下淀积的。从生长装置移去该结构后，通过溅射和光刻在上面形成二氧化硅掩膜层，该掩膜层为条形，其纵轴垂直于图1的平面。然后将垂直于图的平面的台面形条12蚀刻成半导体层结构，常规的(有选择的)蚀刻装置用于蚀刻阻挡层5上面的各层。清洁该结构后，再次通过OMVPE在台面12的两侧淀积阻挡层13。移去二氧化硅掩模和清洁该结构后，在最后的OMVPE生长工艺中形成第二接触层6。为半导体层选择的材料、化合物、厚度、导电类型和参杂浓度如以上给出的表所示。然后通过例如溅射的方法，在衬底1上形成大约1000 的金-锗-镍层组成的导电层8，例如采用同样的技术，再在该结构的上侧形成导电层7，导电层7包括铂层、钽层和金层，它们的厚度分别为大约1000、500和2500 。将激光器切成所要求的长度L以后，这里是450μm，可供最终安装的单个激光器便形成了。
用本发明的方法，在本例中是在切割过程中，为谐振腔选择一个长度，因此作为流经激光器电流的函数的光功率的导数变化时，光能量为最大值。采用上述方法，以简单的方式得到了本发明的激光器。
图4用立体图的方式表示本发明的半导体二极管激光器100的第二最佳实施例。激光器100具有与第一实施例类似的结构，只是这里没有半导体层6、9和13。这里通过阳极氧化得到绝缘层15，以代替阻挡层13，绝缘层15在台面12的两边，并靠着台面12的外侧。连接导体7与台面12上的第一接触层10接触。此外，这里有源层3包括所谓块状层，并且激光器100再次具有弱折射率导引型结构，但不是掩蔽型的。在台面12的两侧不吸收激光器100发射的辐射，该辐射的波长此处大约为785nm。台面12两侧的第二镀层4的厚度是0.29μm。台面形条12的宽度大约为3.6μm。连接导体7、8与前一个实施例相同。激光器100的镜面50、51分别用强反射和弱反射涂层镀膜(图中未示出)。上述实施例的激光器100的(半导体)层的厚度、材料和其它特性列于下表半导体号类型参杂浓度厚度(原子/cm3)(μm)1 GaAs N 2×101815011 GaAs N 2×101812 Al0,5Ga0,5As N 2×10181,73 Al0,13Ga0,87As - - 0,044 Al0,5Ga0,5As P 5×10171,710 GaAs P 5×10180,5本发明的这一实施例的激光器100具有长度L2此外大约为400μm的条形有源区，对该长度而言，作为流经pn结电流(I)的函数的光功率(P)的导数变化时，光功率为最大值。这意味着，在非常大的光功率之前，即激光器100的最大光功率之前，这里大约为55mW，所谓P-I特性不显示转折，这使得根据本发明的激光器特别适用于需要在非常大的光功率之前都有线性P-I特性的场合。
图5表示作为图4的激光器100的谐振腔长度(L)函数的激光器的转折功率(Pkink)，镜面50、51未镀膜(曲线53)或用覆盖层镀膜(曲线55)。在本例中也能观察到激光器100的转折功率(Pkink)的锯齿形梯度变化。齿顶形成了谐振腔不同长度下对应的最大转折功率的范围。符号52、54分别对应根据实际激光器100、以曲线53、55为基础的测量结果。在本例(曲线55)中，激光器100的长度L2为400μm。在本例的激光器100中，对应该长度，转折功率(Pkink)近似具有最大值即55mW。图5还表示(曲线53)本例的激光器100当镜面未用覆盖层镀膜时，转折功率也呈现基本具有相同周期p的锯齿形梯度变化，然而在这种情况下，最大转折功率(Pkink)的幅度、特别是所有的值都要小许多。图5的其余方面可参照图2。曲线53、55的周期p约为110μm，估算值约为130μm。
图6表示具有镀膜镜面并具有如图5所示的谐振腔长度L2的图4的激光器的光功率(P)，它是流过激光器的电流(I)的函数。图6证实，根据本发明的实施例的激光器100在很宽的范围内、即到点61，都有基本线性的P-I特性，这是非常希望的。本例中激光器100的起始电流约为35mA，在大约785nm的波长下发射，非常适合于作为光记录系统中的读或写激光器。
图7表示脉冲方式工作期间作为脉宽(t)的函数的图4激光器的转折功率(Pkink)，谐振腔的长度为图5所示的L2(曲线70)，以及图5所示的L2'(曲线71)。采用脉冲方式主要对本发明的激光器的转折功率(Pkink)方面进行了改善，特别是脉宽小于约200纳秒。事实上，对谐振腔的长度L2约为400μm而言，转折功率从大约60mW升高到200mW以上(大于三倍)，而对非最佳的约350μm的长度L2'而言，该功率从大约35mW升高到75mW(只有两倍)。因此，本发明的激光器采用脉冲方式特别具有吸引力。应注意的是，采用脉冲方式的最佳长度略大于采用CW(连续工作)方式(约长20μm)。这是因为在前一种情况下的激光器温度比后一种情况低，更多的热量散去了。
本实例的激光器100的制造方式与本发明的第一实施例的制造方式类似。在衬底1上形成层11、2、3、4和10之后，通过蚀刻形成台面12。在去除用于此的掩模之前，这里通过阳极氧化得到绝缘层15，绝缘层15在台面12的两边，并靠着台面12的外侧。去除该掩模之后，形成连接导体7、8，并通过切割形成激光器100。通过溅射或蒸汽淀积法形成镜面50、51上的镀层。
图8用立体图的方式表示本发明的半导体二极管激光器的第三最佳实施例。激光器100的结构类似于第一实施例的激光器，只是没有中间层9，并且半导体层(部分地)包括不同的材料或化合物。本例中激光器100的发射波长大约为980nm。台面形条12的宽度大约为3μm。连接导体7、8与前一个实施例相同。上述实施例的激光器100的(半导体)层的厚度、材料和其它特性列于下表半导体号类型参杂浓度厚度(原子/cm3)(μm)1 GaAs(衬底) N 2×10183502' Al0,4Ga0,6As N 2×10181,32" Al0,2Ga0,8As N 2×10180,042"' GaAs N 2×10180,023' In0,2Ga0,8As - 0,0053"GaAs-0,0054"' GaAs P 5×10170,024" Al0,2Ga0,8As P 5×10170,044' Al0,4Ga0,6As P 5×10170,1540Al0,4Ga0,6As P 5×10171,2
5 GaAs P 5×10170,016 GaAs P 5×10180,510 GaAs P 5×10180,513 GaAs N 1×10181,7本发明的这一实施例的激光器100具有长度L3，此处大约为600μm的条形有源区，对该长度而言，作为流经pn结电流(I)的函数的光功率(P)的导数变化时，光功率大致为最大值。这意味着，在非常大的光功率之前，即激光器100的最大光功率之前，这里大约为85mW，所谓P-I特性不显示转折，这使得根据本发明本实施例的激光器100特别适用于需要在非常大的光功率之前都有线性P-I特性的场合。
图9表示作为图8的激光器100的谐振腔长度(L)函数的激光器的转折功率(Pkink)。符号90对应根据实际激光器100、以曲线91为基础的测量结果，该结果对应于前面的实施例的结果。在本例中，激光器100的长度L3约为600μm(参见图9)，由此得到大约85mW的转折功率(Pkink)。
图10表示具有如图9所示的谐振腔长度L3(大约600μm)的图8的激光器的光功率(P)，它是流过激光器的电流(I)的函数。迟至点101才观测到一个转折。本例中激光器100的起始电流约为15mA，在大约980nm的波长下发射，非常适合于作为光通信系统中的光纤放大器用的泵激激光器。
根据本发明的这一实施例的激光器100的制造方式基本与第一实施例的类似。不同之处可从如上所述结构方面的不同推定。
本发明不局限于所给的实施例，因为对本领域的一般技术人员来说，在不背离本发明的精神的前提下可作许多修改和变更。可采用与上述实施例不同成份的半导体材料、不同层厚度和不同尺寸。也可以用相反的导电类型来全部(同时)替换原有的导电类型。此外，还可以采用其它(折射率导引型)结构，比如CSP(沟道衬底平面)、SAS(自对准结构)或VSIS(V形槽衬底内条)。应强调的是，在这里有源区不需要象所给的实施例那样，在纵向与谐振腔一致。因此，例如可以采用NAM(非吸收镜面)结构。进一步需要注意的是，本发明也复盖了带有光栅的激光器，如DFB(分布式反馈)或DBR(分布式布拉格反射器)，只要光栅的波长选择性足够低。最后还要指出的是，用于形成实施例中的半导体层的方法可以与OMVPE技术不同。因此，可以另外采用MOMBE(金属有机分子束取向附生)、MBE(分子束取向附生)、VPE(气相取向附生)或LPE(液相取向附生)。
权利要求
1.一种折射率导引型半导体二极管激光器，以下通常简称为激光器，该激光器包括一块半导体本体，它具有第一导电型的半导体衬底，上面有按顺序至少由第一导电型的第一镀层、有源层、以及与第一导电型相反的第二导电型的第二镀层组成的一半导体层结构，还包括能够提供足够强度的正向电流的一个pn结，在位于谐振腔内的条形有源区产生相干电磁辐射，谐振腔由基本垂直于有源区的表面限定，同时半导体层结构在有源区的每一侧具有用以形成有效折射率等级的部件，而第一和第二镀层还有用以形成电连接的部件，其特征在于谐振腔至少具有一种长度，对该长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值。
2.如权利要求1所述的半导体二极管激光器，其特征在于谐振腔的长度构成一组长度的一部分，这一组长度相互间的距离基本相等，而对构成长度组部分的每一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值。
3.如权利要求1或2所述的半导体二极管激光器，其特征在于谐振腔的长度介于第一长度和第二长度之间，对第一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，第二长度大于第一长度，对第二长度而言，所述功率大约等于其最大值的50%。
4.如权利要求1、2或3所述的半导体二极管激光器，其特征在于谐振腔的长度介于第一长度和第二长度之间，对第一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，第二长度大于第一长度，对第二长度而言，所述功率大约等于其最大值的80%。
5.如上述任何一个权利要求所述的半导体二极管激光器，其特征在于谐振腔的长度介于第一长度和第二长度之间，对第一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，第二长度比所述第一长度约长20μm。
6.如权利要求2所述的半导体二极管激光器，其特征在于形成所述长度组部分的一个长度最好等于最短长度，对该长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，将有源区中产生的电磁辐射的基横模和一级横模之间的振荡周期的一半乘以一个整数，加到该长度上。
7.如权利要求6所述的半导体二极管激光器，其特征在于振荡周期等于2π/(β0-β1)和λ/2＊△n01，其中β0和β1分别是有源区中产生的电磁辐射的基横模和一级横模的传播常数，λ是有源区中产生的电磁辐射的波长，△n01是有源区中产生的电磁辐射的基横模和一级横模的有效折射率之差。
8.如上述任何一个权利要求所述的半导体二极管激光器，其特征在于激光器是弱折射率导引型的，并且其V参数位于大约π/2和大约π之间，V＝(2＊π＊w/λ)＊√(n22-n21)，其中w是有源区的宽度，λ是激光器的发射波长，n2是有源区区域中的有效折射率，n1是有源区任一侧的有效折射率。
9.如上述任何一个权利要求所述的半导体二极管激光器，其特征在于所述部件包括这样的事实，即半导体二极管激光器具有隆起的波导结构。
10.如权利要求9所述的半导体二极管激光器，其特征在于所述部件包括这样的事实，即隆起的波导结构是掩蔽式的，并且掩蔽隆起波导的层具有这样的带隙以致基本不吸收产生的电磁辐射。
11.如上述任何一个权利要求所述的半导体二极管激光器，其特征在于限定谐振腔的表面涂敷有镀膜。
12.如上述任何一个权利要求所述的半导体二极管激光器用于脉冲模式。
13.一种制造折射率导引型半导体二极管激光器的方法，通过该方法在半导体衬底上形成一块半导体本体，该半导体衬底是第一导电型的，上面有一半导体层结构，按顺序至少由第一导电型的第一镀层、有源层、以及与第一导电型相反的第二导电型的第二镀层组成，其中还形成有pn结、条形有源区、和由基本垂直于有源区的表面限定的环绕的谐振腔，半导体层结构在有源区的每一侧具有用以形成有效折射率等级的部件，而第一和第二镀层还有用以形成电连接的部件，其该方法的特征在于为谐振腔至少选择一种长度，对该长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值。
全文摘要
本发明涉及折射率导引型半导体二极管激光器及其制造方法。P-I(光功率-电流)特性曲线的转折取决于激光器谐振腔的长度。根据本发明为该激光器谐振腔选择一种长度，对该长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值。结果，激光器的长度是最佳的，它不仅与P-I曲线中转折的出现有关，而且与其它特性有关。
文档编号H01S5/00GK1113354SQ95103500
公开日1995年12月13日 申请日期1995年3月22日 优先权日1994年3月22日
发明者C·J·范德波尔, G·A·阿凯特, M·F·C·森曼 申请人:菲利浦电子有限公司