专利名称：半导体激光装置和采用它的光盘设备的制作方法
技术领域：
本发明是关于用于光盘系统等作为光源的低噪声自持(self-sustained)脉动式半导体激光装置。
近年来，半导体激光装置(激光二极管)在诸如光通信、激光打印机、和光盘等的领域需求日益增大。在这种环境下，对各种半导体激光装置、特别是着重于那些GaAS型和InP型的已进行了卓有成效的研究和开发。在光信息处理领域中，采用780nm波段AlGaAS型光二极管作为光源进行记录和再现信息的系统已进入实用阶段。这样的系统已推广应用于记录和再现激光盘。
但是近来出现增加这些光盘的存贮容量的强烈要求。与此同时，开始要求获得能以更短波长发射激光的半导体激光装置。
AlGaInP型半导体激光装置能使得激光振荡在红色区域中的630nm至690nm的波长实现。在本说明书中，将(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0≤x＜1)简化为“AlGaInP”。当前，在许多实用的半导体激光装置中，AlGaInP型半导体激光装置能以最短的波长发射激光，从而它们保持有作为用于光信息记录的下一代大容量光源的巨大希望，以替代以往广泛应用的AlGaAs型半导体激光装置。
评价半导体激光装置，除激光波长外强度噪声和温度特性均为重要因素。特别是，在应用半导体激光装置作为再现光盘的光源时，小强度噪声非常重要。这是因为在读取记录在光盘上的信号时强度噪声会带来误差。半导体激光装置的强度噪声不仅是由温度变化、而且还是由部分地以光盘表面反射到半导体激光装置的光线引起的。因此，不可避免的要求以即使在该反射的光被反馈给该装置时仍具有很小强度噪声的半导体激光装置作为再现光盘的光源。
一般，在采用AlGaAs型半导体激光装置作为专用于再现光盘的低输出光源时，有意地在装置的脊状条纹的两侧形成可饱和的吸收器来降低噪声。采用这样一种结构使得激光振荡的纵模为多重的。当激光反馈到装置时，在单一的纵模中实现激光振荡时引起装置温度等的变化，增益峰值中的细微变化就使激光振荡能在接近一已实现激光振荡的纵模的另一纵模中启动。这造成新的纵模与原先纵模之间模的重复而引起噪声。这样，在多重的纵模的情况下，各模强度中的变化被加以平均且各模的强度不会因激光的反馈到装置及装置温度变化等而改变。这使得能获得稳定的低噪声特性。
日本专利申请公开No.63-202083揭示了能得到稳定的自持脉动特性的半导体激光装置。根据这一公开，通过设置一能吸受活性层中产生的光的层来实现自持脉动式激光二极管。
再者，日本专利申请公开No.260716揭示了通过提供几乎与一吸收层的带隙相等的活性层的带隙来改善红光半导体激光装置的特性。
图1为日本专利公开No.6-260716中所揭示的通常的自持脉动式半导体激光装置的示意断面图。此后将参照图1来说明这一半导体激光装置。
参看图1，在一由n-型GaAs制成的基底1601上依次形成有一由n-型GaInP制成的缓冲层1602，由n-型AlGaInP制成的包覆层1603a，应变的量子阱可饱和吸受层1605a，由n-型AlGaInP制成的包覆层1603b，由GaInP制成的应变的量子阱活性层1604，由n-型AlGaInP制成的包覆层1603c，和一应变的量子阱可饱和吸受层1605b。在应变的量子阱可饱和吸收层1605b上分别呈脊状形成有一包覆层1606和由P-型GaInP制成的接触层1607。包覆层1606和接触层1607的两边以由n-型GaAS制成的隔流层1608埋盖。而且，在接触层1607和隔离层1608上还形成有由p-型GaAS制成的帽盖层1609。在帽盖层1609上形成有P-型电极1610且在基底1601的反面形成有n-型电极1611。
图2示出应变的量子阱可饱和吸收层1605a和160b的能带。在应变的量子阱可饱和吸收层1605a和1605b中，由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P制成的阻挡层1701和由GaxIn1-xP(膜厚100A，应变+0.5％至1.0％)制成的阱层1702交替层叠。在此例中，叠置有三个阱层1702。其中，应变的量子阱活性层1604的带隙被规定为几乎等于应变的量子阱可饱和吸收层1605a和1605b的带隙。在此常规例中，目的是要通过采用这种结构来取得满意的自持脉动特性。
与AlGaAS型半导体装置相比，AlGaInP型半导体装置不大可能实现自持脉动。这可能在它的之间的增益特性上带来巨大差异。图3表示相对于主要分别用于AlGaAs型半导体装置和AlGaInP型半导体装置的活性层的GaInP和GaAs的增益对流子密度的依赖性。
为了取得自持脉动，增益相对于载流子密度的增长速率(即增益曲线的斜度)要大。但已看到在采用GaInP时要得到自持脉动相对地要困难。因为其增益曲线的斜度要小于GaAs增益曲线的斜度。
而且，根据本发明的发明人的试验结果看到下列情况在红光半导体激光装置(AlGaInP型半导体激光装置)的情况下，由于增益特性仅仅依靠提供活性层的带隙等于可饱和吸收层的带隙仍然难以得到稳定的自持脉动，如在此常规例中这样。
本发明就是鉴于上述论点提出的，其目的是提供具有稳定的自持脉动特性的高度可靠的半导体激光装置，具体说，是借助于适当地规定构成半导体激光器的可饱和吸收层和隔离层的掺杂度和厚度。
按照本发明的第一方面，提供包括一活性层和夹住此活性层的包覆结构的自持脉动式半导体激光装置，该包覆结构包含一以1×1018cm-3或较多的浓度掺杂有杂质的可饱和吸收层，该可饱和吸收层被设置在离开活性层的位置。
在本发明的一实施例中，可饱和吸收层与活性层的间隙为200A或稍大。
在本发明另一实施例中，此包覆结构还包含在活性层与可饱和吸收层之间的一具有大于活性层和可饱和层的带隙的带隙的隔离层。
在本发明的另一实施例中，此隔离层具有200A或更大的厚度。
在本发明的另一实施例中，与活性层邻接的隔离层的厚度至少为200A的区域的杂质浓度为0.7×1018cm-3或更小。
本发明的另一实施例中，此隔离层几乎是均匀地以0.7×1018cm-3或更小的浓度掺杂以杂质。
本发明的另一实施例中，可饱和吸收层具有局部地高于邻接此可饱和吸收层的包覆结构一部分的杂质浓度的杂质浓度。
本发明的另一实施例中，可饱和吸收层所掺杂的杂质为P-型。
本发明的另一实施例中，包覆结构还包含具有带隙小于活性层和可饱和吸收层之间的隔离层的带隙的光导层。
本发明的另一实施例中，包覆结构还包含一光导层，而可饱和吸收层被设置为邻接到此光导层。
本发明的另一实施例中，包覆结构还包括一光导层，而可饱和吸收层设置在光导层中。
本发明的另一实施例中，包覆结构还包含一光导层，而可饱和吸收层被设置在此光导层的附近。
本发明的另一实施例中，上述的自持脉动式半导体激光装置包括有限流层，掺杂以n-型杂质和P-型杂质。
本发明的另一实施例中，上述自持脉动式半导体激光装置包含活性层与可饱和吸收层之间的由具有大于活性层的带隙的带隙的材料制成的隔离层；由具有小于隔离层的带隙的带隙的材料制成的至少二量子阱层；和一被设置在量子阱层间的由具有大于量子阱层的带隙的带隙的材料制成的量子阻挡层。
本发明的另一实施例中，具有与包覆层的电导性不同的的电导性的阻流层被设置为邻接到包覆层，而注入包覆层的电流所通过的区域的宽度为7μm或稍小。
本发明的另一实施例中，在邻接可饱和吸收层的区域内设置一阻挡载流子扩散进可饱和吸收层的结构。
另一方面，提供一种自持脉动式半导体激光装置，它包含一活性层和夹住此活性层的包覆结构，其中，此包覆结构包含以1×1018cm-3或更大的浓度掺杂以杂质的可饱和吸收层和设置在此可饱和吸收层的附近的光导层；此可饱和吸收层被设置在离开活性层的位置处。
本发明的一实施例中，活性层具有量子阱结构，和可饱和吸收层被形成为一量子阱层的。
本发明的另一实施例中，包覆层包括一P-型包覆层和一n-型包覆层，而可饱和吸收层为P-型并被设置在P-型包覆层中。
本发明的另一实施例中，此包覆结构还包含在活性层与可饱和吸收层之间的具有带隙大于活性层和可饱和吸收层带隙的隔离层。
本发明的另一实施例中，此隔离层其有200或更大的厚度。
本发明另一实施例中，此隔离层的杂质浓度为1×1018cm-3或更小。
另一方面，提供一种包含有一活性层和夹住此活性层的包覆结构的自持脉动式半导体激光装置，其中，此活性层的一部分用作为一可饱和吸收区域，而此可饱和吸收区域被掺杂以1×1018cm-3或更大浓度的杂质。
本发明另一实施例中，可饱和吸收层的杂质为P-型。
本发明另一实施例中，此可饱和吸收区域被设置在邻接到活性层的注流区域的位置。
另一方面，提供一包括活性层和可饱和吸收层的自持脉动式半导体激光装置，其中，可饱和吸收层中的载流子寿命为6nsec或更小。
本发明的一实施例中，可饱和吸收层被掺杂以P-型杂质。
本发明的另一实施例中，可饱和吸收层被掺杂以P-型杂质和n-型杂质。
按照本发明的另一个方面，提供一种用于产生一自持脉动式半导体激光装置的方法，它包括步骤形成包含可饱和吸收层的包覆结构；通过部分去除此包覆结构来暴露可饱和吸收层的一部分；利用具有蚀刻作用的气体选择地去除此可饱和吸收层的被暴露部分；和利用此气体作为一材料形成载流子扩散阻挡层。
另一方面，提供一用于产生包含活性层和夹住此活性层的包覆结构的自持脉动式半导体激光装置的方法。包覆结构包含以1×1018cm-3或更高的浓度掺杂以P-型杂质的可饱和吸收层。此可饱和吸收层被设在离开活性层的位置，而此装置具有在激光振荡开始之后随时间变化的特性，和在大约过去一分种之后变为几乎恒定的特性。此方法包含一稳定化步骤使装置的特性能在激光振荡开始后立即改变以使得到几乎恒定的特性。
本发明的一实施例中，此特性为电流-光输出特性。
本发明的另一实施例中，稳定化步骤包含以退火处理来降低阀值电流的步骤。
本发明的另一实施例中，在稳定化步骤期间激光振荡开始之后阀值电流从一值被立即降低25mA或更多。
按照本发明的另一方面提供一光盘设备，它包含一半导体激光装置；一光会聚系统，将由此半导体激光装置发射的激光会聚入记录媒体；和光检测器，检测自此记录媒体反射的激光。此半导体激光装置为一自持脉动式半导体激光装置，包含一活性层和一夹住活性层的包覆结构，此包覆结构包含以1×1018cm-3或更大的浓度掺杂了杂质的可饱和吸收层，此可饱和和吸收层被置于离开活性层处。
在本发明的一实施例中，此半导体激光装置在记录信息到记录媒体中时以单模式实现激光振荡，并在再现记录在记录媒体中的信息时以自持脉动模式工作。
在本发明另一实施例中，光检测器被设置在半导体激光装置的附近。
在本发明的另一实施例中，此光检测器在一硅基底上形成有多个光二极管，而半导体激光装置被设置在此硅基底上。
在本发明另一实施例中，硅基底具有在其主平面上形成一凹形部分和在此硅基底的凹形部分的一侧上形成的一微型镜面。半导体激光装置被设置在硅基底的凹形部分中，而由该微型镜面与此主平面形成的角度被设定为使得由半导体激光装置发射的激光在由微型镜面反射后能以接近垂直于硅基底的主平面的方向前进。
在本发明的另一实施例中，在此微型镜面的表面上形成有金属膜。
在本发明的另一实施例中，活性层和包覆结构由AlxGayIn1-x-yP(0≤x≤1，0≤y≤1，其中x与y不同时为零)材料制造。
在本发明另一实施例中，可饱和吸收层仅被设置在隔离层的选定区域上。
对所列附图的简要说明图1为一常规示例中的半导体激光装置的断面图；图2为表示此常规示例中可饱和吸收层的Al克分子分率的图形；图3为表示有关GaAs和GaInP的增益对载流子密度的依从关系(增益特性)的图形；图4为表示可饱和吸收层中载流子寿命对掺杂水平的依从关系的图形；图5为按照本发明的第一示例中AlGaInP式半导体激光器的断面图；图6为按照本发明的第一示例中活性层附近的Al克分子分率的图形；图7为表示按照本发明的第一示例中的电流一光输出特性的图形；图8为表示按照本发明的第一示例中光输出和载流子密度随时间变化的图形；图9为表示按照本发明的第一示例中光输出和载流子密度的实际测量的时间的波形图；图10为表示最大自持脉动输出(Pmax)对可饱和吸收层的掺杂水平的依从关系的图形；图11A和11B为表示按照本发明的第一例中的能带和电子密度分布的图形；图12为表示按照本发明第一示例中相对于隔离层厚度的可饱和吸收层中的电子密度的图形；图13为表示按照本发明的第一示例中相对于隔离层厚度的光输出的自持脉动的存在的图形；图14A和14B表示按照本发明的第一示例与常规示例之间的噪声特性的比较；图15A和15B表示按照本发明的第一示例中在隔离层以5×1017cm-3及2×1018cm-3的浓度进行掺杂时的可靠性测试结果；图16为表示最大自持脉动输出(Pmax)对隔离层的掺杂水平与可饱和吸收层的掺杂水平间之差(ΔP)的依从关系的图形；图17-20为表示可饱和吸收层中及其附近的杂质浓度分布的图形；图21为按照本发明的第二示例中的AlGaInP式半导体激光装置的断面图；图22为表示按照本发明第二示例中活性层附近的Al克分子分率的图形；图23为按照本发明和第三示例中的AlGaInP式半导体激光装置的断面图；图24为表示按照本发明第四示例中活性层附近的分率结构的图形；图25A-25E为按照本发明第五示例中产生一半导体激光装置的步骤的断面图；图26为按照本发明第六示例中的AlGaInP式半导体激光装置的断面图；图27为按照本发明第七示例中的AlGaInP式半导体激光装置的断面图；图28为表示按照本发明的光盘设备示例的结构的示意图；图29为按照本发明的光盘设备中所采用的激光单元的投影图；图30表示按照本发明的光盘设备的另一示例的结构的示意图；图31为表示按照本发明的光盘设备的示例中所采用的全息照相装置的功能的图形；和图32为按照本发明的光盘设备的示例中所采用的光检测器的平面视图。
在本发明的半导体激光装置中，可饱和吸收层中载流子寿命通过调节此可饱和吸收层的掺杂水平使之降低到6nsec或更小。结果，自发发射的作用相对于载流子密度随时间的变化比而增加，由此而能容易地实现自持脉动和降低相对的噪声。
在一般的半导体激光装置中，活性层附近的掺杂水平低于1×1018cm-3，所以可饱和吸收层中载流子量寿命很长，使得难于自持脉动。根据本发明的发明人的研究，其原因如下在载流子量寿命很长的情况下，自发发射的作用相对于载流子密度随时间的变化比而减少，而使得其载流子密度很难被振动。下面对此将较详细地说明。
设置有可饱和吸收层的半导体激光装置的速率方程可表示如下
dn1dt=-Γ1V1g1(n1)S-n1τ1(n1)+IeV1---(2)]]>dn2dt=-Γ2V2g2(n2,p)S-n2τ2(n1,p)---(3)]]>式中S为总的光子数；n为电子密度；Γ为光限制因子；P为空穴密度；βsp为自发发射参数；V为体积；τ为载流子寿命；g为增益；和I为注入电流密度。下标1和2分别对应对于活性层和可饱和吸收层。
在电流注入活性层前，等式(1)至(3)的每项均为零。一旦电流开始被注入活性层，等式中有关电流的项成为很大，所以dn1/dt成为正数。这就是说活性层中的电子密度n1增加。
电子密度n1上的增加导致通过自发发射而使光子数增加和通过增益而使光子数的增加。因此，ds/dt减少而使得总光子数S增加。总光子数S的增加增大了等式(2)的第一项的绝对值，以使dn/dt降低，从而使电子密度n中的减少。
等式(3)第一项中的增益gz起始具有负值。因此，等式(3)的右侧成为正的，而可饱和吸收层中的电子密度n2增加。当可饱和吸收层吸收到一定量的光时，增益gz成为正值。当增益gz成为正值时，dn2/dt开始减少并成为负值。
为了实现自持脉动，需要大规模地振动全部光子数S和电子密度n1和n2。为了促成这样的振动，可增加光限制因子Γ或者可降小体积V1和V2。但是，根据本发明人的试验，即使在增加光限制因子Γ或减少各层的体积V1和V2时也未实现自持脉动。
本发明人集中注意于可饱和吸收层中的载流子量寿命τ2，通常是被作为常数对待的。通过各种分析和试验本发明人看到当可饱和吸收层中载流子寿命τ2具有适当值(6nsec或更少)时会实现自持脉动。本发明人还发现通过将可饱和吸收层的掺杂水平设定为一适当值(即1×1018cm-3或较大)可将可饱和吸收层中载流子寿命τ2设置到上述的适当值。
图4为表示载流子寿命τ2相对于掺杂杂质的可饱和吸收层的掺杂的水平的变化的图形。由此图可以了解到载流子寿命τ2的变化很大程度上取决于掺杂水平。这一图形中曲线的形状与P-型杂质的种类无关。
如上述，活性层附近的杂质掺杂水平被设置为很低的低于1×1018cm-3的值。这样作的原因是为防止激光装置的可靠性因杂质散播到活性层中而降低。但是，载流子寿命τ2在杂质掺杂水平低于1×1018cm-3时太长，所以不能实现自持脉动。
如上所述，按照本发明人的试验发现，载流子寿命τ2最好大约为6nsec或较小。在图4所示图形中，载流子寿命τ2为6nsec或较小的区域被加以阴影线标明。如由图4中可明显看到时，载流子寿命τ2在低掺杂水平时成为很长。在掺杂水平低于1×1018cm-3时载流子寿命τ2超过6nsec。相反，增加掺杂水平到1×1018cm-3或更多，例如约2×1018cm-3，载流子寿命τ2可减少到约3nsec。
上述的日本专利公开No.6-260716没有说明掺杂。日本专利公开No.6-260716说明自持脉动的实现仅仅是通过将具有带隙等于活性层带隙的可饱和吸收层引入进被设置在活性层两侧的包覆层来达到的。但是，本发明的发明人看到仅通过将这样一种可饱和吸收层引入包覆层很难实现自持脉动式激光装置。
如上所述，由本发明人的试验已发现，光输出的自持脉动在普通的1×1017cm-3到1×1018cm-3范围内的掺杂水平上不大可能实现。
为了在普通的掺杂水平上实现自持脉动，考虑采用一种用于显著地降低可饱和吸收层的体积V和相对增加载流子浓度作为其他参数的方法。但是为减小可饱和吸收层的体积必须将此层作得较薄。可饱和吸收层中光的制约性随同该层的体积的减小而减少。因这种原因，光吸收比降低而使得难以获得具有所希望的自持脉动特性的半导体激光器。
从而，为得到稳定的自持脉动，通过将可饱和吸收层的掺杂水平设置为一适当值来将可饱和吸收层中的载流子寿命τ2规定在一适当的值(6nsec或更小)是非常有效的。
在增加可饱和吸收层的掺杂水平的情况中有几点应予指出。
通常，大家都知道，采用其主平面由(100)平面倾斜到-(011)的方向(离开基底)的基底能增加在AlGaInP中例如P-型杂质的掺杂水平。但由本发明的发明人的试验发现，将一高度掺杂的层置于靠近活性层时会降低半导体激光装置的可靠性。这是因P-型掺杂物Zn的扩散所引起的。这样，就可靠性而言，仅仅增加可饱和吸收层的掺杂水平就不一定会令人满意。由高度掺杂的可饱和和吸收所带来的问题通过插入一相对低的掺杂水平，例如约5×1017cm-3的隔离层来解决。将借助于图示的示例对此作更详细的叙述。
在本发明的半导体激光装置中，为了补偿当可饱和吸收层被用作为一量子阱时光制约系数中的减少，将一光导层设置在邻接到可饱和吸收层的位置上，或在近可饱和吸收层的附近，由此来充分发挥可饱和吸收层所起的光吸收作用。结果就可能获得稳定的自持脉动特性。
下面将参照附图通过图示示例来说明本发明的半导体激光装置。<示例1>
图5表示按照本发明的第一示例的半导体激光装置的断面结构。
此半导体激光装置包含一n-型GaAs基底201和在此GaAs基底201上形成的半导体多层结构。此半导体层结构包含一n-型GaAs缓冲层202，一n-型AlGaInP包覆层203，由AlGaInP和GaInP制成的多量子阱活性层204，一P-型AlGaInP隔离层205，一P-型GaInP高度掺杂的可饱和吸收层206，第一P-型AlGaInP包覆层207，P-型GaInP蚀刻停止层208，和第二P-型AlGaInP包覆层209。
第二P-型AlGaInP包覆层209具有沿空腔长度方向延伸的条状(宽度约2.0至7.0μm)。
第二P-型包覆层209的上表面上形成有一接触层210。在第二P-型包覆层209和接触层210的两侧形成有n-型GaAs电流阻挡层211。在接触层210和电流阻挡层211上形成有P-型GaAs帽盖层212。帽盖层212的上表面上形成有P-型电极213，而在基底201的反面上形成有n-型电极214。活性层204具有由3个阱层和3个阻挡层构成的多量子阱结构。
在本说明书中，半导体层结构的其余部分，除去半导体层结构中的缓冲层，活性层，接触层，帽盖层，和阻挡电流层，被称之为“包覆结构”，在本示例中，n-型AlGaInP包覆层203，高度掺杂的可饱和吸收层206、P-型GaInP蚀刻停止层208，第一P-型AlGaInP包覆层207，和第二P-型AlGaInP包覆层209组成该包覆结构。
当将电压加到P-型电极213和n-型电极214上使电流(驱动电流)由P-型电极213流向n-型电极214以便实现激光振荡时，电流受电流阻挡层211的阻挡以流过接触层210和第二P-型包覆层209。这使得电流能流过第二P-型包覆层209紧下方的活性层204的区域(电流注入区)而不能流过电流阻挡层211紧下方的区域。在活性层204的电流注入区中产生光并在一定程度上扩散到电流注入区之外。这一光线部分地与可饱和吸收层206交互作用，由此实现自持脉动。
构成本发明的层结构的各半导体层的掺杂水平和厚度如下(表1)名称 No. 掺杂水平 厚度帽盖层 ...212 5×1018(cm-3) 3μm接触层 ...210 1×1018(cm-3) 500A第二P-型包覆层 ...209 1×1018(cm-3) 0.9μm蚀刻停止层 ...208 5×1017(cm-3) 100A第一P-型包覆层 ...207 5×1017(cm-3) 1350A高度掺杂的可饱和吸收层 ...206 2×1018(cm-3) 150A隔离层 ...205 5×1017(cm-3) 900A活性层 ...204 未掺杂 500An-型包覆层 ...203 5×1017(cm-3) 1.0μm缓冲层 ...202 1×1018(cm-3) 0.3μm
图6表示本示例的活性层附近的(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0≤x≤1)的Al克分子分率x的分布。在本示例中，n-型包覆层203、隔离层205、第一P-型包覆层207、和第二P-型包覆层209的Al克分子分率x为0.7。但这些层的Al克分子分率x并不限于0.7。n-型包覆层203、隔离层205、第一P-型包覆层207、和第二P-型包覆209的Al克分子分率x可以互相不同。而且此Al克分子分率x在各自的层中可分级地或连续地改变。
如图6中所示，本示例的可饱和吸收层206在包覆结构的P-型部分中被插在离开活性层204的位置中。在本说明书中，包覆结构中位于活性层204与可饱和吸收层206之间的部分被称之为隔离层205。
本示例的隔离层205的厚度为900。此隔离层205防止可饱和吸收层206被以高浓度掺杂的杂质扩散进活性层204以降低装置的可靠性。后面将说明隔离层205的理想厚度和杂质浓度。
本示例的可饱和吸收层206的厚度为150。带有等于或大于150的厚度的可饱和吸收层不具有量子阱结构，所以在可饱和吸收层中不形成量子能级。当可饱和和吸收层206很厚时，换句话说，可饱和吸收层206有很大体积时，其中的载流子密度变得很小。因此，载流子寿命不会缩短，而使得很难实现自持脉动。考虑到这一点，可饱和吸收层的厚度最好小于150。后面将较详细地说明通过将可饱和吸收层260的厚度作得较薄，例如150或更小，来形成量子阱结构的一示例。
可饱和吸收层206的Al克分子分率被选择得使可饱和吸收层106充分吸收活性层放射的光。
通常，(AlxGa1-x)0.5In0.5P的带隙随Al克分子分率x增加而增加。这样，图6也可表示本示例中活性层附近的带隙的分布。如由图6可理解的，隔离层205的带隙大于活性层204和可饱和吸收层206的带隙。这防止活性层204溢出的少数载流子进入可饱和吸收层206。
隔离层205的带隙并不需要等于第一P-型包覆层207等的带隙。为增强对活性层204溢出的载流子的阻挡效果，可将隔离层205的带隙设定为大于第一P-型包覆层207等的带隙(隔离层205的Al克分子分率可被设定为大于0.7)。而且，为了调节活性层204和/或可饱和吸收层206的光限制因子，可将隔离层205的带隙设定为小于包覆结构的其它部分的带隙(隔离层205的Al克分子分率可被设定为小于0.7)。
在本示例中，可饱和吸收层206的光限制因子大约为4.5％。已发现在可饱和吸收层206的光限制因子为3％时不能得到稳定的自持脉动特性。
图7表示图2中所示的半导体激光装置的电流-光输出特性。阀值电流约为50mA。在自持脉动式半导体激光装置的特性中，在阀值电流附近发现光输出的急剧升高，与普通的半导体激光装置不同。这是因为由于可饱和吸收层的存在使载流子注入量超过一定阀值之前光不向外释放。当载流子注入量超过此阀值时，实现激光振荡，而光输出开始与注入电流成比例增加。
图8表示在对应于图7的图形中的一点P1的电流通过半导体激光装置的情况下光输出对时间的依从关系。由模拟得到图5中所示的振动波形。由图8可看到连续地实现光输出的波动(自持脉动)现象。
图9表示通过操作一实际生产的自持脉动式半导体激光装置所得到的光输出的振动波形。已确认光输出随时间作很强的振动并实现自持脉动。
参看图7，当在到达对应于图7的点P1的值之后注入电流进一步增加时，自持脉动停止而实现普通的激光振荡。自持脉动停止时的光输出假定称作为最大自持脉动输出(Pmax)。
图10表示最大自持脉动输出(Pmax)对可饱和吸收层的掺杂水平的依从关系。由图10很显见，在可饱和吸收层的掺杂水平低于1×1018cm-3(例如0.8×1018cm-3)时，不实现自持脉动。相反，当可饱和吸收层的掺杂水平为1×1018cm-3时，最大的自持脉动输出(Pmax)为5.1mw；当可饱和吸收层的掺杂水平为1.5×1018cm-3时，最大自持脉动输出(Pmax)为8.2mw；和当可饱和吸收层的掺杂水平为2.0×1018cm-3时，最大自持脉动输出(Pmax)为14.3mw。这样，当掺杂水平为1×1018cm-3或更多时，最大自持脉动输出(Pmax)迅速升高。
下面将参照图6说明隔离层的功能。
将说明设置在活性层204与可饱和吸收层206之间的隔离层205的研究结果。在隔离层205变得更薄时可饱和吸收层206更接近添活性层204，因此可饱和吸收层206的光限制因子增加。但当将隔离层205作得太薄时，少数载流子(电子)被从活性层204注入到可饱和吸收层206。
图11A和11B分别为表示在半导体激光装置的作用电压为1.9伏时的能带(实线)和电子密度分布(虚线)的图形。图11A表示在隔离层205的厚度为100A时的特性，而图11B表示隔离层205的厚度为500A时的情况在隔离层205为500A的情况下，与包覆结构的其他部分的电子密度相比，可饱吸收层206的电子密度稍许增加。但是，在隔离层205为100的情况下，可饱和吸收层206的电子密度超过活性层204的电子密度。这就意味着大量的电子被注入可饱和吸收层206。
在当由于载流子的注入具有很高的电子密度时，可饱和吸收层具有增益并不再吸收激光。因此就变成不可能再实现自持脉动。由试验已发现，隔离层205的厚度需要大于100。
图12是表示隔离层的厚度与可饱和吸收层的电子密度之间的关系的图形。由此图可看到，当隔离层变厚时，可饱和吸收层的电子密度可被降低。为了实现自持脉动，需要将电子密度压缩成3×1018cm-3或更小。如由图21可看到的，为了指令电子密度成为3×1018cm-3或更小，隔离层的厚度要求为200或更大。图13示出了考虑到隔离层的厚度及自持脉动现象的一实验结果。由图12和13可看到，为了实现稳定的自持脉动，要求隔离层的厚度为约200可更大。
图14A和14B表示半导体激光装置的相对强度噪声(RIN)特性。图14A表示无可饱和吸收层的半导体激光装置的特性，而图14B则表示本发明的半导体激光装置的特性。
本发明的半导体激光装置示出在一很宽的温度范围内的稳定的低噪声特性。特别是，得到一-140dB的值，所以意识到本发明的半导体激光器是能实际适用的。
下面说明隔离层的杂质浓度。
当可饱和吸收层中载流子寿命通过对隔离层和可饱和吸收层均匀地以杂质掺杂而被缩短时，杂质扩散进活性层以降低激光装置的特性，而导致装置的可靠性降低。图15A表示在隔离层的掺杂水平为5×1017cm-3情况下的可靠性试验的结果，而图15B表示在隔离层的掺杂水平为2×1018cm-3的情况下可靠性试验的结果。如由图15A和图15B可看到的，当隔离层以2×1018cm-3的浓度的掺杂物掺杂时，掺杂物扩散到活性层。然后激光装置的工作电流随时间迅速变化，使得装置不实用。已看到，在这样的高掺杂水平的情况下，激光装置显著恶化。
如上述，当活性层附近区域以高浓度杂质掺杂时，激光装置的特性恶化。因而，为获得能实现稳定自持脉动的高靠性的半导体激光装置就要求活性层附近区域如通常的惯例中那样以相对低的浓度掺杂以杂质，而可饱和吸收层则如本发明中这样以高浓度掺杂以杂质。
后面将较详细的说明可饱和吸收层及其附近的杂质浓度的分布。
其中，假定隔离层的掺杂水平与饱和吸收层的掺杂电平之间的差为ΔP。图16表示Pmax对ΔP的依从关系。如图中可明显看到的，ΔP最好为0.3×1018cm-3或更多。隔离层无需以杂质作均匀掺杂，而可将隔离层形成以包括以较高浓度的杂质掺杂的一部分以低浓度杂质掺杂的一部分。
图17到20表示可饱和吸收层及其附近的杂质浓度分布。
参看图17，隔离层205和可饱和吸收层206一部分的掺杂水平为1.0×1018cm-3，而邻接于活性层204的隔离层205的一部分低于1.0×1018cm-3。在此例中，在邻接活性层204的隔离层205的该部分的掺杂水平与可饱和吸收层206的掺杂水平之差为0.3×1018cm-3或较高，所以能实现稳定的自持脉动。
参看图18，隔离层205主要以几乎与可饱和吸收层206同样的掺杂水平掺杂以杂质，在活性层204附近的隔离层205的一部分以几乎与活性层204相同的掺杂水平掺杂以杂质，在此例中，活性层204附近的隔离层205的部分的掺杂水平与可饱和吸收层206的掺杂水平间之差也是0.3×1018cm-3或更多，所以能实现稳定的自持脉动。
参看图19，隔离层205被均匀地掺杂以杂质，在此情况下，隔离层205的掺杂水平与可饱和吸收层206掺杂水平间之差也为0.3×1018cm-3，以使能实现稳定的自持脉动。
在可饱和吸收层206被以高浓度杂质掺杂的情况下，杂质的一部分可能从可饱和吸收层206扩散到与其邻接的层，如图20中所示。
在本例中，如图6中所示，虽然可饱和吸收层206被设置在第一P-型包覆层207中，它也可被设置在n-型包覆层203中。如本例中所述，当可饱和吸收层206位于极其接近活性层204或者当活性层204与可饱和吸收层206间的隔离层205的掺杂水平被规定得太高时，在实际应用中该装置将丧失其可靠性。当将可饱和吸收层206置于n-型包覆层203中适当的位置时，可饱和吸收层206中载流子寿命可被缩短以与可饱和吸收层206被设置在P-型包覆层207中的情况同样方式实现稳定的自持脉动。<示例2>
现在说明按照本发明的半导体激光装置的第二示例，此半导体激光装置具有包含量子阱结构的恬性层，以使得能获得高于第一例的光输出。
如图21中所示，半导体激光装置包含一n-型GaAs基底1201和此GaAs基底1201上形成的半导体层结构。此半导体层结构包含有n-型GaAs缓冲层1202，n-型AlGaInP包覆层1203，由AlGaInP和GaInP制成的多量子阱活性层1204，P-型AlGaInP隔离层1205，P-型GaInP高度掺杂的量子阱可饱和吸收层1206，光导层1207，第一P-型AlGaInP包覆层1208，P-型GaInP蚀刻停止层1209，和第二P-型AlGaInP包覆层1210。
第二P-型AlGaInP包覆层1210具有在空腔长度方向延伸的条状(宽约2.0～7.0μm)。
第二P-型包覆层1210的上表面上形成有接触层1211。第二P-型包覆层1210和接触层1211的两侧形成一n-型GaAs电流阻挡层1212，在接触层1211和电流阻挡层1212上形成P-型GaAs帽盖层1213。帽盖层1213的上表面上形成P-型电极1214，而在基底1201的反面形成n-型电极1215。活性层1204具有由3个阱层和3个阻挡层构成的多量子阱结构。
形成这一半导体激光装置的各半导体层的种类、厚度、杂质浓度等均与第一示例中的相同。本示例半导体激光装置的特性如下1)量子阱可饱和吸收层1206(厚度30～105)被用作为可饱和吸收层；2)多量子阱活性层1204被用作为活性层；3)可饱和吸收层1206被以高浓度(1.0×1018cm-3或更大)掺杂；和4)由(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P制成的光导层1207(厚度300至1500)被设置在可饱和吸收层1206的邻近。
后面将参照图22较详细地说明本示例的半导体激光装置。
如由图22很显见，本示例中，光导层1207被设置在可饱和吸收层1206的附近。光导层1207具有小于可饱和吸收层1206的并大于隔离层1205及第一P-型包覆层1208的折射率。
在将可饱和吸收层1206作得很薄以便有一量子阱结构的情况下，其光限制因子大大减少。另外，以高浓度掺杂的可饱和吸收层1206不能被设置得这样靠紧活性层1204。结果，在这种状态下才能实现自持脉动。
在本例中，通过在可饱和吸收层1206附近配置由(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P制成的其折射率大于包覆结构的其他部分的光导层1207来提高可饱和吸收层1206的光限制因子。当插入光导层1207而将可饱和吸收层1206的光限制因子设定为至少约1.5％或更大时，就能实现稳定的自持脉动。
在提供可饱和吸收层1206一量子阱的情况下，因为可饱和吸收层1206的厚度很小，如没有光导层1207就不能将其光限制因子设定得很大以足以实现自持脉动。当增加可饱和吸收层1206的层数来增加其光限制因子时，可饱和吸收层1206的体积增大而降低其载流子密度，结果不实现自持脉动。这样就通过在可饱和吸收层1206附近设置光导层1207来实现自持脉动。
光导层1207的带隙最好大于可饱和吸收层1206的并小于隔离层1205的带隙。但是，当光导层1207的带隙太接近可饱和吸收层1206的带隙时，可饱和吸收层1206中所被限制的光太多。结果不出现光吸收的饱和特性。
多量子阱活性层1204包括3个量子阱层，并且各量子阱层的厚度为50A。量子阱可饱和吸收层1206的附近的光导层1207被作成为具有1500A厚度的层(克分子分率X＝0.5)。看到光导层1207为200A或更大时其厚度变为有效。
量子阱可饱和吸收层1206可被设置得更接近多量子阱活性层1204，只要少数载流子不注入量子阱可饱和吸收层1206。当量子阱可饱吸收层1206被设置得太接近活性层1204时，已由活性层1204溢出的少数载流子被注入进可饱和吸收层1206。这样，将可饱和吸收层1206设置在活性层1204附近以尽可能地防止少数载流子被注入进可饱和吸收层1206是恰当的。为了抑制少数载流子由活性层1204注入可饱吸收层1206，最好将隔离层1205的带隙规定为大于包覆结构的其他部分的带隙。也可将例1中所述的隔离层1205的厚度和杂质浓度应用到本示例。
与采用体活性层的半导体激光装置的最大光输出相比，通过将量子阱结构引入多量子阱活性层1204中使本示例中的半导体激光装置的最大光输出(Pmax)增加约20％。此外，阀值电流减小使半导体激光装置能在高温下运行。
本示例半导体激光装置中，已证实图9中所示的自持脉动现象并获得-130dB/Hz或更低的相对强度噪声(RIN)。如上所述，本例的半导体激光装置的特性可通过采用包含有量子阱活性层，低浓度隔离层，高度掺杂的可饱和吸收层，和光导层的新颖结构来实现。<示例3>
现参照图23说明本发明半导体激光装置的第三示例。
在一n-型GaAs基底1401上按顺序形成有缓冲层1402，由AAlGaInP制成的n-型包覆层1403，活性层1404，由AlGaInP制成的第一P-型包覆层1405，和由P-型GaInP制成的蚀刻停止层1406。在蚀刻停止层1406上形成由AlGaInP制成的脊状的第二P-型包覆层1407和由P-型GaInP制成的接触层1408。脊状的第二P-型包覆层1407和接触层1408的两侧被覆盖以由n-型GaAs层构成的电流阻挡层1409。再有，在接触层1408和电流阻挡层1409上形成由P-型GaAs制成的帽盖层1410。而在帽盖层1410和基底1401的反面上分别形成有P-型电极1411和n-型电极1412。
另外，锌(Zn)作为P-型杂质扩散到脊状条纹之外(即邻接电流注入区的区域)。这使得能在活性层1404的电注注入区外面的区域中形成高度掺杂的可饱和吸收区域1413。
本示例的半导体激光装置与上述的不同之处在于活性层1404的一部分起作为可饱和吸收区域的作用。活性层1404的电流注入区中产生的光的一部分漫射到位于电流注入区两侧的可饱和吸收区域1413并被其所吸收，由此实现自持脉动现象。
随着可饱和吸收区域1413的载流子寿命更短，更易与实现自持脉动。较具体说，需要将寿命规定为6nsec或更少，并希望将可饱和吸收区域1413的载流子浓度规定为1×1018cm-3或更大。
另外，由试验结果了解到，分布在可饱和吸收区域1413中的光量要求为总光量的1％或更多。
在图23中所示的半导体激光装置中，实现了自持脉动现象并得到-130dB/Hz或更小的RIN。
在此示例中，形成有以高浓度掺杂以扩散的Zn的可饱和吸收区域。但是起一可饱和吸收区域作用的活性层的1404的区域可通过采用另外的掺杂方法例如离子注入方法来进行高浓度的杂质掺杂。<示例4>
现参照图24说明第四示例半导体激光装置。图24表示包含n-型包覆层1804至第一p-型包覆层1806在内的各层的能带。这一能带类似于图12的能带。
在此例中，活性层与可饱和吸收层间的区域(隔离层)由三部分(1800，1805a，和1805b)组成。第一隔离层1805a由(Al0.7G0.3)0.5In0.5p层构成，厚度60。多量子阻挡(MQB)层1800由厚度为14的Ga0.5In0.5p量子阱层和厚度为14的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P量子阻挡层构成。第二隔离层1805b由厚度60的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P层构成。
多量子阻挡(MQB)层1800用于形成阻止注入电子的实际阻挡层的目的。第一隔离层1805a、多量子阻挡(MQB)层1800、和第二隔离层1805b的总厚度为260A。第一隔离层1805a和第二隔离层1805b被设置来防止因隧道效应引起的电子流通穿过多量子阻挡(MQB)层1800。
上述的结构使导带中阻止注入电子的势垒增加100mv，从而能防止电子由活性层1802流到可饱和吸收层1801。由于多量子阻挡层1800的存在，与没有多量子阻挡层的厚度为260A的隔离层相比较，可饱和吸收层1801的光限制因子增加1％。
如上所述，可饱和吸收层1801中的光分配的比(光限制因子)随着可饱和吸收层1801与活性层1802间的隔离层变薄而增加，换句话说，即随可饱和吸收层1801与活性层1802间的间隔变小时而增加。但是当此间隔太小时，可饱和吸收层1801的电子密度因由活性层1802注入的电子而增加，使得不可能实现自持脉动。
如上所述，本示使中多量子阻挡层(MQB)被插在隔离层与可饱和吸收层之间，多量子阻挡层由于活性层溢出的电子的波动所产生的干扰作用而使得其在活性层与隔离层间的有效阻挡层高度增加。因而注入进可饱和吸收层的电子减少。
一个优点是，通过在可饱和吸收层的附近设置超晶格，例如多量子阻挡层，而使可饱和吸收层的光限制因子增加。这样，按照本示例的结构，通过将隔离层作得较薄而增加可饱和吸收层的光限制因子并由于多量子阻挡层而防止电子注入可饱和吸收层。这使得能易于实现自持脉动。<示例5>
当含有活性层的电流注入区的电流通路之外存在有可饱和吸收层时，被注入可饱和吸收层的载流子以平行于基底的方向在可饱和吸收层中扩散。这增长可饱和吸收层的载流子寿命，使其难以实现自持脉动。这样，最好是有选择地去除位于电流通路以外的可饱和吸收层的部分。
后面通过说明在可饱和吸收层由GaInp混合晶体制成和包覆层和隔离层由AlGaInP混合晶体制成的情况来描述有选择地去除可饱收层的一部分的方法。
作为去除位于电流通路之外的可饱和吸收层的一部分的方法的示例，在一电流注入区上方形成由SiO2等制成的蚀刻掩膜，而未被遮掩的包覆层和设置在包覆层之下的可饱和吸收层的区域则通过以硫酸型溶液作湿法蚀刻或以氯气型气体作干式蚀刻而被去除。但是，可饱和吸收层和活性层间的间隙很小，即为数百A的数量级。因此就有可能，在蚀该可饱和吸收层的步骤期间造成过度蚀刻或在蚀刻步骤之后在水洗或在空气中运输期间活性层遭到损坏，明显地命名装置特性恶化。为了避免这样的麻烦，在一金属有机汽相生长方法，金属有机分子束生长方法等中以一相对于形成可饱和吸收层的混合晶体具有蚀刻作用的气体，例如砷化氢，蚀刻反应室中的装置的可饱和吸收层1，然后在反应室中生长扩散阻挡层。
下向参照图25A至25E说明适用于本发明的蚀刻可饱和吸收层1906的方法。
参看图25A，在一n-型GaAS基底1901上依次形成Si掺杂的n-型GaAS缓冲层1902，Si掺杂的n-型ALGaInP包覆层1903，应变的多量子阱活性层1904，Zn掺杂的P-型AlGaInP隔离层1905，P-型GaInP可饱和吸收层1906，和Zn掺杂的p-型AlGaInP包覆层1907。然后，在这一层结构的电流注入区上选择形成SiO2掩膜。
接着，如图25B中所示，未被此SiO2掩膜遮盖的p-型AlGaInP包覆层1907的区域被以硫酸溶液选择地蚀刻，而使p-型AlGaInP包覆层1907被形成为条状。
在其上面形成此层结构的基底1901被置于金属有机气相生长设备的反应管中。然后，在压力为76Torr下的氢气环境中将砷化氢以每分钟1000cc的量导入反应管中，并将基底1901加热至600℃。如图25c中所示，可饱和吸收层1906被蚀刻。在此条件下GaInP可饱和吸收层1906的蚀刻速率为5μm/小时。这样，为去除5nm的可饱和吸收层1906需要3.6秒的蚀刻时间。
接着，如图25D中所示，砷化氢、三乙基镓(TMGa)、和硅烷气(SiH4)被作为n-型掺杂物导引进反应管，由此选择性地外延生长成作为一载流子扩散阻挡层和一电流阻挡层工作的n-型GaAa层1908。
按照此方法，可饱和吸收层的一部分被选择去除并能形成扩散阻挡层，而不会损伤活性层。
此后，如图25E中所示，顺序形成p-型GaAS接触层和p-型电极。
如上所述，按照本示例，可去除可饱和吸收层的一部分不会损坏活性层，并可将n-型GaAS层用作为电流阻挡层。因此，能实现具有小形态比和被压缩的电流扩散的半导体激光装置。<示例6>
当将作高浓度掺杂的可饱和吸收层设置在一半导体激光装置的活性层附近时，高浓度中的掺杂物在半导体多层薄膜外延生长期间以固相扩散达到活性层。这造成可能扩散的故障，而对激光装置的可靠性起不利影响。如上所述，按照本发明，不可避免地要以高浓度杂质来对可饱和吸收层进行掺杂。因此对由于杂质从可饱和吸收层扩散而引起的生产量的降低和装置特性的恶化进行了研究。
已发现，同时将n-型掺杂物Si和p-型掺杂物Zn加到GaInP可饱和吸收层，可抑制Zn的扩散，而能形成具有良好还原性而不会扰乱所希望的载流子浓度分布的半导体多层膜(见日本专利申请No.4-156522)。
为了利用上述效果，以如下结构产生半导体激光装置，其中可饱和吸收层同时掺杂以p-型和n-型掺杂物。将描述本发明的第六示例。
参看图26，下面说明本发明半导体激光装置的第六示例。
基底2001为一其主平面从(100)平面以〔011〕方向倾斜9℃的n-型GaAs基底。在此基底2001上依次形成由Si掺杂的n-型GSAS制成的缓冲层2002，由Si掺杂的n-型AlGaInP制成的包覆层2003，应变的多量子阱活性层2004，由Zn掺杂p-型AlGaInP制成的隔离层2005，由Zn和Si掺杂p-型GaInP制成的应变的量子阱可饱和吸收层2006，由Zn掺杂p-型AlGaInP制成的光导层2007，由Zn掺杂P-型AlGaInP制成的第一p-型包覆层2008，和由Zn掺杂的p-型GaInP制成的蚀刻停止层2009。
在蚀刻停止层2009上形成有由Zn掺杂的p-型AlGaInP制成的脊形第二p-型包覆层2010和由Zn掺杂的p-型GaInP制成的接触层2011，脊形第二P-型包覆层2010和接触层2011的二侧被覆盖以由Si掺杂的n-型GaAS制成的电流阻挡层2012。而且，在接触层2011和电流阻挡层2012上形成有由Zn掺杂的p-型GaAS制成的一帽盖层2013，在帽盖层2013和基底2001的反面上分别形成一P型电极2014和n-型电极2015。
本示例的半导体激光装置的结构图与图12中的相同。应变的多量子阱活性层2004包含三个厚度为5nm的应变的量子阱。应变的量子阱可饱和吸收层2006的光导层2007具有0.5克分子分率和150nm的厚度。
本示例与上述示例的差别在于通过将p-型掺杂物和n-型掺杂物同时加到应变的量子阱可饱和吸收层2006来将应变的量子阱可饱和吸收层2006的载流子浓度设定到所希望的水平。在这种情况下，所加的Zn和Si的量被精确地调整到使应变的量子阱可饱和吸收层2006的载流子浓度为2×1018cm-3。
由本示例的方法产生的半导体激光装置中，实现的自持脉动现象类似于未同时掺杂以二种掺杂物的方法得到的自持脉动现象，并得到-130B/Hz或更小的RIN。而且，实现自持脉动的半导体激光装置的生产率基本上由5％提高到50％，而假定的寿命由5000小时提高到20000小时。因而得到实用中没有任何问题的半导体激光装置。
在本示例中，通过同时将p-型掺杂物和n-型掺杂物掺杂到可饱和吸收层来抑制以高浓度掺杂的Zn的扩散。这使得装置的生产和操作过程中载流子浓度分布不能作偏离所希望值的较大变化。因此能提高半导体激光装置的各种特性和生产率。
在本示例中，Zn和Si被用作为掺杂物。但是，所用掺杂物并不限于此。也可利用Mg或类似物作为p-型掺杂物，利用Se或类似物作为n-型掺杂物。<示例7>
在示例六中说明了适用于防止掺杂物从可饱和吸收层扩散的结构。此示例七中将说明具有还能防止掺杂物从电流阻挡层扩散的结构的半导体激光装置。
在生产半导体激光装置的过程中生长半导体层的情况中，当在附近存在有再生长界面时，杂质的扩散将通过界面上的缺陷而被加速。因此，Zn被认为在形成掩盖结构，例如在形成GaInP可饱和吸收层后设置电流限制层期间会引起问是。然后发现，将Si作为n-型掺杂物和Zn作为p-型掺杂物同时加到GaAS电流阻挡层，可防止Zn从GaInP可饱和吸收层扩散并能以良好的再现性而不扰乱所希望的载流子浓度分布地形成多层半导体多层膜。为利用上述效果以下列结构产生半导体激光装置，其中可饱和吸收层同时掺杂以p-型和n-型掺杂物。
参照图27来说明本发明的半导体激光装置的第七示例。
基底2101为具有一从(100)平面以〔011〕方向倾斜9℃的平面的n-型GaAS基底，在其上依次形成由Si掺杂的n-型GaAS制成的缓冲层2102，由Si掺杂的n-型AlGaInp制成的包覆层2103，应变的多量子阱活性层2104，由Zn掺杂的p-型AlGaInP制成的隔离层2105，由Zn和Si掺杂的p-型GaInP制成的应变的量子阱可饱和吸收层2106，由Zn掺杂的p-型AlGaInP制成的光导层2107，由Zn掺杂的p-型p-型AlGaInP制成的第一p-型包覆层2108，和由Zn掺杂的p-型GaInP制成的蚀刻停止层2109。
在蚀刻停止层2109上形成有由Zn掺杂的p-型AlGaInP制成的脊形第二p-型包覆层2110和由Zn掺杂的p-型GaInP制成的接触层2111。脊形第二p-型包覆层2110和接触层2111的两侧被覆盖以由Si和Zn掺杂的n-型GaAS制成的电流阻挡层2112。
另外，在接触层2111和电流阻挡层2112上还形成有由Zn掺杂的p-型GaAS制成的帽盖层Zn3。在顶盖层2113和基底2101的反面分别形成P型电极2114和n-型电极2115。
本例的半导体激光装置的结构图与图12的相同。应变的多量子阱活性层2104包含厚度为5nm的三个应变的量子阱。此应变的量子阱可饱和吸收层2106的光导层2107具有0.5的克分子分率和150nm厚度。
本示例与上述示例的不同点在于通过对其同时加入n-型和p-型掺杂物来将电流阻挡层2112的载流子浓度设置到所希望的水平。在这种情况下，将所加入的Si和Zn量精确地调整为电流阻挡层2112的载流子浓度成为3×1018cm-3。
由此示例方法所生成的半导体激光装置中，实现了类似于由不同时掺杂以两种掺杂物的方法所得到自持脉动现象，并获得-130dB/Hz或更少的RIN。另外，实现自持脉动的半导体激光装置的生产率基本上由5％提高到60％，所假定寿命由5000小时改善到40000小时。因而得到实用中不存在问题的半导体激光装置。
本例中通过同时加入n-型和p-型掺杂物到电流限制层来抑制应变的量子阱可饱和吸收层以高浓度掺杂的Zn的扩散。这使得载流子浓度分布不能改变，从而有效地增强了半导体激光装置的各种特性和生产率。
在此例中，应变的量子阱可饱和吸改层和电流阻挡层同时以两种杂质掺杂。但是在仅有电流阻档层同时以两种杂质掺杂也能取得相同的效果。
此例中采用Zn和Si作为掺杂物。但所用的掺杂物并不限于此。也可以采用Mg等作为p-型掺杂物，和Se等作为n-型掺杂物。<示例8>
后面将说明按照本发明的芯片检验步骤。
总的说，多个半导体激光激光装置由一半导体晶片形成。较具体说，在一半导体晶片上形成p-型电极n-型电极之后半导体晶片基底被进行分割以便得到多个条。然后各条的切口表面被涂覆以反射膜。
在芯片检验步骤中被确定具有预定范围之外的特性的半导体激光装置被作为有缺陷产品而加以排除。例如，条形的半导体激光装置即被作缺陷产品加以排除，当在室温下以脉冲驱动时其阀值电流不在100至200mA范围内时。
接着，从在芯片检验步骤中未被排除的条得到激光芯片，这些激光芯片被密封进外壳中用于进行装配步骤。
然后进行老化步骤。本发明人发现在半导体激光装置具有以p-型杂质掺杂的可饱和吸收层的情况下，激光振动开始时激光装置的特性在经过一分钟或较长之后发生变化。还发现在紧接激光振动开始经过数分钟之后此特性趋向于稳定化。较具体说，紧随激光振动开始经过约10分钟后的此特性成为保持几乎恒定的状态。例如，在一半导体激光装置在获得予定光输出的条件下被加以驱动的情况下，尽管在紧接着激光振动开始之后激光装置即以约100mA驱动电流工作，在过去1至10分钟之后激光装置有时会成为以约70mA的驱动电流工作。
上述特性中的变化在激光振动开始后相当短的时间期间内所引起的，但在经过此时间期间后不会被引起。鉴于这一原因，这样的特性变化将被称之为“特性中的初始变化”。
在应用包含半导体激光装置的装置和系统作为光源的情况中，最好此半导体激光装置的驱动电流不改变。因此本发明的半导体激光装置在交货前最好经受特性例如阀值电流的稳定化步骤(老化步骤)。在此老化步骤中，使芯片形式的半导体激光装置能在室温下连续作激光振动1到120分钟，或者使之能在50℃下实现脉冲振荡1至120分钟。这些步骤需要在芯片装配前进行。
还发现，可通过在将晶片分割成多个条之前使晶片经受300℃至800℃的退火处理约10至60分钟来使激光装置的特性稳定化，代替进行老化步骤。半导体激光装置的特性可通过在装配前在晶片状态下作退火处理来进行稳定化。这使得能通过装配前的检验来剔除缺陷产品，以避免装配缺陷装置造成浪费。而且无需分开地处理半导体激光装置，因此能同时处理多个半导体激光装置。用于稳定化特性进行的退火处理可在晶片被分成激光条之后进行。
上述的老化步骤和退火处理在可饱和吸收层被以高浓度p-型杂质(特别Zn)作掺杂的情况下发挥最好的效果。
在上述任一例中，已说明了AlGaInP型半导体激光装置。但是本发明并不局限于此。例如本发明可被应用到AlxGa1-xAS(0≤x≤1)型、AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1)型、或MgxZn1-xSySe1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)型。不管应用何种型式材料，只要可饱和吸收层以1×1018cm-3或更大的浓度掺杂杂质总能实现稳定的自持脉动。
在AlxGa1-xAS(0≤x≤1)型半导体激光装置的情况下，例如，活性层由AL0.1Ga0.9AS制成，可饱和吸收层由GaAS制成，和包覆层由AlGaAS制成。
在AlxGayIn1-x-yN(0≤X≤1，0≤y≤1)型半导体激光装置的情况下，例如，活性层由In0.05Ga0.9N制成，可饱和吸收层由In0.2Ga0.5N制成，和包覆层由Al0.1Ga0.9N制成。
在MgxZn1-xSySe1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)型半导体激光装置的情况下，例如，活性层由Cd0.2Zn0.8Se制成，可饱和吸收层由Cd0.3Zn0.7Se制成，和包覆层由Mg0.1Zn0.9S0.1S0.9制成。<示例9>
下面将参照图28说明本发明的光盘设备。
此光盘设备包括有本发明的半导体激光装置801，对由半导体激光装置801发射的激光(波长650nm)进行准直的准直仪透镜803，将平行光分开成三个激光束(图中仅表示出一激光束)的衍射光栅804，发送/反射激光特定分量的半棱镜805，和将来自半棱镜805的激光聚焦到光盘807上的会聚透镜806。具有例如约1μm直径的激光束斑形成在光盘807上。作为光盘807，可采用可重写的以及只读的光盘。
由光盘807反射的激光在被半棱镜805反射后通过光接收透镜808和柱面透镜809并投射到光感受器810上。此光感受器810具有被分多个片段的光二极管，并根据由光盘807反射的激光产生信息再生信号、跟踪信号、和聚焦误差信号。驱动系统811根据跟踪信号和聚焦误差信号驱动光学系统，以此来调整光盘807上的激光束斑的位置。
在此光盘设备中，作为除半导体激光装置801外的组成部件，均可采用公知的装置。如上述，本示例的半导体激光装置801具有以高浓度掺杂的可饱和接收层。因此，即使在由光盘807反射的激光一部分经过半棱镜805和衍射光栅804返回到半导体激光装置801，相对强度噪声也能维持为低电平。
在图22中所示的半导体激光装置中，在光输出达到约10mw时实现自持脉动。但是，当光输出增加到以超过这一水平时，振荡状态逐渐从自持振荡变到单模振荡。例如，在光输出约15mw时不实现自持脉动。在再现记录在光盘中的信息时，半导体激光装置应当不会因自持脉动造成返回光噪声。但在光盘上记录信息时，无需实现自持脉动。例如，当信息在光输出约15mw时被记录并在光输出约为5mw时被再现，就能进行信息的低噪声记录以及低噪声再现。
如上所述，在本发明的光盘设备中，在波长为630到680nm时能得到低噪声再现而无需利用进行高频叠加的电路元件。
相反，工作在波长630至680nm的通常的AIGaInP型半导体激光装置不能实现稳定的自持脉动。因此，在光盘设备中采用通常的AlGaInP型半导体激光装置的情况下，需要通过对驱动电流作高频叠加来抑制返回光噪声，这就要求一大规模高频叠加电路，而这不利于光盘设备的小型化。<示例10>
下面将说明按照本发明的光盘设备的另一示例。
此光盘设备采用包含上述本发明的半导体激光装置的激光单元。此激光单元包含一其上形成有光二极管的硅基底和其上安装的半导体激光装置。另外，在硅基底上还形成有用于反射由半导体激光装置发射的激光的微型镜面。
现在参照图29说明激光单元。如图29中所示，在一硅基底(7mm×35mm)的主平面1a的中心形成凹形部分2，和在此凹形部分2的底面上设置一半导体激光装置3。凹形部分2的一个侧面形成有角度以便起微型镜面4的功用。在硅基底1的主平面1a为(100)平面的情况下，(111)平面通过非均匀蚀刻而被暴露以便被用作为微型镜面4。(111)平面从(100)平面倾斜54°。因此，当应用一离基底其主平面1a在<110>方向上从(100)平面倾斜9°时，就能得到相对主平面1a倾斜45°的(111)平面。被设置在(111)平面相对位置上的(111)平面相对主平面倾斜63°。微型镜面4不形成在这一平面上，而一用于监视光输出的光二极管5(见后述)形成在它上面。由非均匀蚀刻形成的(111)平面为一光滑镜面平面，以便能起突出的微型镜面4的功能。但为了增强微型镜面4的反射效率，最好在硅基底1的倾斜面上汽相淀积不大可能吸收激光的金属膜。
除了用于监视半导体激光装置3的光输出的光二极管5之外，硅基底1上还形有用于检测光信号的被分为5路的光二极管6a和6b。
参照图30说明本例的光盘设备。由具有上述结构的激光单元10的半导体激光装置(图30中未表示)发射的激光被从微型镜面反射(图30中未表示)并被全息部件11下面上形成的光栅分割成三个光束(此图中为了简单仅表示出一个光束)。此后，激光通过四分之一波片(1/4λ片)12和物镜13并聚焦到光盘14上。从光盘14反射的激光通过物镜13和1/4λ片12并由全息部件11的上面上形成光栅进行衍射。这种衍射使得能形成负一级光和正一级光，如图31中所示。例如，负一级光被辐射到位于图左侧的光接收区15a而正一级光被辐射位于图右侧的光接收区15b。全息部件11上表面上形成的光栅的图形被调节成使得负一级光的焦距与正一极光的不同。
如图32中所示，在激光被聚焦在光盘上时，激光单元10的光接收区15a上形成的反射激光束斑的形状成为与光接收区15b上而形成的一样。当激光未聚焦到光盘上时，激光单元10的光接收区15a上形成的反射激光束斑的形状成为与光接收区15b上所形成的不一样。
左右光接收区上所形成的光束斑的大小被作为聚焦误差信号(FES)检测如下FES＝(S1+S3+S5)-(S2+S4+S6)式中S1至S3指示形成光接收区15a的5个光二极管中的中央3个光二极管输出的信号的强度，而S4至S6指示形成光接怍区15b的5个光二极管中的中央3个光二极管输出的信号强度。当聚焦误差信号(FES)为零时，激光聚焦在光盘上。图30中所示的致动器13驱动物镜13以使聚焦误差信号(FES)成为零。
跟踪误差信号(TES)被得到如下TES＝(T1-T2)+(T3-T4)式中，T1和T2指示形成光接收区15a的5个光二极管两侧的2个光二极管输出的信号强度，而T3和T4指示形成光接收区15b的5个光二极管的两侧的2光二极管输出的信号强度。
信息信号(RES)被得到如下RES＝(S1+S3+S5)+(S2+S4+S6)在本示例中采用其中半导体激光装置与光二极管相结合的激光单元。但半导体激光设备也可与光二极管分开。
如上述，通过利用将半导体激光装置与光二极管相结合的激光单元而使得光盘设备小型化。而且由于予先在硅基底上形成有光二极管和微型镜面，光准直的进行仅需以硅基底准直半导体激光装置。以这种方式，易于进行光学准直而使得增强了装配精度和简化了制造过程。
如上述，按照本发明，所提出的光导体激光装置通过增加可饱和吸收层的掺杂水平而被得到，其中控制了载流子寿命并实现了稳定的自持脉动特性。
再者，本发明的半导体激光装置通过将量子阱应用到活性层并采用设置有光导层的量子阱可饱和吸收层，使得能实现较高输出的自持脉动特性。
另外，本发明的半导体激光装置通过提供邻接活性层的电流注入区的高掺杂可饱和吸收区来使得能易于实现自持脉动。
而且，按照本发明，通过在隔离层中设置多量子阻挡层来抑制电子的注入进可饱和吸收层和增加可饱和吸收层的光限制因子。由此而易于实现自持脉动。
再者，按照本发明，通过同时将n-型掺杂物和p-型掺杂物加到可饱和吸收层和电流限制层来抑制掺杂物的扩散以保证载流子浓度分布不改变。因此本发明对半导体激光装置的各种特性和生产率的提高极为有效。
权利要求
1.自持脉动式半导体激光装置，包括活性层和夹住此活性层的包覆结构，其中包覆结构包含以1×1018cm-3或较高的浓度的掺杂以杂质的可饱和吸收层；和此可饱和吸收层被设置在离开活性层的位置上。
2.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中可饱和吸怍层与活性层间的间隔为200或较大。
3.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中是包覆结构还包含在活性层与可饱和吸收层之间的具有带隙大于活性层和可饱和吸收层的带隙的隔离层。
4.按照权利要求3的自持脉动式半导体激光装置，其中隔离层具有200或更大的厚度。
5.按照权利要求4的自持脉动式半导体激光装置，其中邻接到活性层的隔离层至少200厚度的区域的杂质浓度为0.7×1018cm-3或更小。
6.按照权利要求5的自持脉动式半导体激光装置，其中隔离层以0.7×1018cm-3或较小的浓度被均匀地掺杂杂质。
7.按照权利要求6的自持脉动式半导体激光装置，其中可饱和吸收层具有局部地高于邻接此可饱和吸收层的包覆结构的一部分的杂质浓度的杂质浓度。
8.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中可饱和吸收层所掺杂质为p-型。
9.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中包覆结构还包含具有小于活性层与可饱和吸收层之间的隔离层的带隙的带隙的光导层。
10.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中包覆结构还包含光导层，及可饱和吸收层被设置邻接于光导层。
11.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置， 其中包覆结构还包含光导层，及可饱和吸收层被设置在光导层中。
12.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中包覆结构还包含光导层，及可饱和吸收层被设置在此光导层的附近。
13.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中包括掺杂以n-型和p-型杂质的电流限制层。
14.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，包括在活性层与可饱和吸收层之间的由带隙大于活性层带隙的材料制成的隔离层；至少两个由带隙小于隔离层带隙的材料制成的量子阱层；和设置在量子阱层之间的由带隙大于量子阱层的带隙的材料制成的量子阻挡层。
15.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中具有与包覆层导电性不同的导电性的电流阻挡层被设置邻近于包覆层，且被注入包覆层的电流所通过区域的宽度为7μm或较少。
16.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中在邻接可饱和吸收层的区域内设置有阻挡载流子扩散进可饱和吸收层的结构。
17.自持脉动式半导体激光装置，包括活性层和夹住此活性层的包覆结构，其中包覆结构包含以1×1018cm-3或更大的浓度掺杂以杂质的可饱和吸收层和设置在此可饱和吸收层附近的光导层；和该可饱和吸收层被设置在离开活性层的位置。
18.按照权利要求17的自持脉动式半导体激光装置，其中活性层具有量子阱结构，而可饱和吸收层被形成为一量子阱层。
19.按照权利要求17的自持脉动式半导体激光装置，其中包覆结构包含p-型包覆层和n-型包覆层；和可饱和吸收层为p-型并被设置在p-型包覆层中。
20.按照权利要求17的自持脉动式半导体激光装置，其中包覆结构还包含在活性层与可饱和吸收层之间的具有大于活性层和可饱和吸收层的带隙的带隙的隔离层。
21.按照权利要求20的自持脉动式半导体激光装置，其特征是隔离层具有厚度200或更大。
22.按照权利要求21的自持激脉动式半导体激光装置，其中隔离层的杂质浓度为1×1018cm-3或较小。
23.自持脉动式半导体激光装置，包括活性层和夹住活性层的包覆结构，其中活性层的一部分起可饱和吸收区的作用；和此可饱和吸收区以1×1018cm-3或更大的浓度掺杂以杂质。
24.按照权利要求23的自持脉动式半导体激光装置，其中可饱和吸收层的杂质为p-型。
25.按照权利要求23的自持脉动式半导体激光装置，其中可饱和吸收层被设置在邻接活性层的电流注入区的位置。
26.自持脉动式半导体激光装置，包括活性层和可饱和吸收层，其中可饱和吸收层中载流子寿命为6nsec或更少。
27.按照权利要求26的自持脉动式半导体激光装置，其中可饱和吸收层被掺杂以p-型杂质。
28.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中可饱和吸收层被掺杂以p-型杂质和n-型杂质。
29.用于产生自持脉动式半导体激光装置的方法，包括步骤形成包含可饱和吸收层的包覆结构；通过部分地去除包覆结构来暴露可饱和吸收层的一部分；以具有蚀刻功能的气体选择去除可饱和吸收层的暴露部分；和利用此气体作为材料形成载流子扩散阻挡层。
30.用于产生包括活性层和夹住此活性层的包覆结构的自持脉动式半导休激光装置的方法，其中包覆结构包含被以1×1018cm-3或更多的浓度掺杂以p-型杂质的可饱和吸收层，此可饱和吸收层被设置在离开活性层的位置处，此装置具有在开始激光振荡之后随时间改变并在经过约一分钟之后变为几乎恒定的特性，所述方法包括一稳定化步骤使得装置的特性能在激光振荡开始后立即被改变以便获得几乎恒定的特性。
31.按照权利要求30的产生自持脉动式半导体激光装置的方法，其中此特性为电流一光输出特性。
32.按照权利要求31的产生自持脉动式半导体激光装置的方法，其中此稳定化步骤包含通过老化处理来降低阀值电流的步骤。
33.按照权利要求31的产生自持脉动式半导体激光装置的方法，其中稳定化步骤包含通过退火处理来降低阀值电流的步骤。
34.按照权利要求31的产生自持脉动式半导体激光装置的方法，其中在稳定化步骤期间阀值电流在激光振荡开始之后立即从一值被降低25mA或更多。
35.一光盘设备，包括半导体激光装置，将此半导体激光装置所发射的激光会聚进记录媒体的会聚光学系统，和检测由记录媒体反射的激光的光检测器，其中此半导体激光装置为一包含活性层和夹住此活性层的包覆结构的自持脉动式半导体激光装置，此包覆结构包含以1×1018cm-3或更高浓度被掺杂以杂质的可饱和吸收层，此可饱和吸收层被置于离开活性层处。
36.按照权利要求35的光盘设备，其中半导体激光装置在记录信息进记录媒体中时以单一模式实现激光振荡，而在再现记录媒体中记录的信息时以自持脉动模式工作。
37.按照权利要求35的光盘设备，其中光检测器被设置在半导体激光装置的附近。
38.按照权利要求37的光盘设备，其中光检测器具有形成在硅基底上的多个光二极管，且半导体激光装置被设置在硅基底上。
39.按照权利要求38的光盘设备，其中硅片具有在其主平面上形成的凹形部分和在硅基底的凹形部分的一侧上形成的微型镜面；其中半导体激光装置被设置在硅基底的凹形部分中，而由此微型镜面与主平面形成的角度被设定得使从半导体激光装置发射的激光在被微型镜面反射之后以基本上垂直于硅基底主平面的方向前进。
40.按照权利要求39的光盘设备，其中在微型镜面的表面上形成金属薄膜。
41.按照权利要求1的自持脉动式半导体激光装置，其中活性层和包覆层由AlxGayIn1-x-yP(0≤x≤1，0≤y≤1，其中x和y不同时为零)材料制成。
42.按照权利要求3的自持脉动式半导体激光装置，其中可饱和吸收层仅设置在隔离层的被选择的区域上。
全文摘要
本发明的半导体激光装置包含有由n－型GaAS制成的基底(201),活性层(204),和一对夹住活性层(204)的包覆层。此装置还包含邻接活性层(204)的隔离层(205)和高度掺杂的可饱和吸收层(206)。通过对可饱和吸收层(206)作高度掺杂来缩短载流子寿命,借此即能获得稳定的自持脉动。结果,能得到在很宽的温度范围内具有很低相对噪声强度的半导体激光装置。
文档编号H01S5/20GK1179860SQ96192893
公开日1998年4月22日 申请日期1996年3月27日 优先权日1995年3月31日
发明者足立秀人, 上山智, 木户口勋, 上野山雄, 万浓正也, 福久敏哉 申请人:松下电器产业株式会社