专利名称：半导体激光器件及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器件及其设计方法。
近年来，一直在积极地研究开发能工作于小工作电流的半导体激光器件。IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUMELECTRONICS，VOL.1，NO.1，PP.102-109，1995曾报导过一种应用透明电流阻挡层的有效折射率导向型(real refractive index guided)半导体激光器，可以减小其工作电流。
在这种有效折射率导向型半导体激光器件中，认为当有效折射率差值大到某种程度时，横向模是稳定的。例如在上述资料中，有效折射率差值约为5×10-3。
然而，在上述应用透明电流阻挡层地有效折射率导向型半导体激光器件中，难以以基本的横向模激光产生更大的光输出功率。
再者，在上述的实折射导向型半导体激光器件中，可以减小腔内损耗，故能得到很大的光输出功率。然而，当把该半导体激光器件应用于光头作为可重写光盘诸如磁光盘或相变盘的光源时，就要求半导体激光器件实现更大的光输出功率。此外，在高于四倍速度作写操作时，相对于激光器件的输出功率，希望以基本横向模激光产生的最大光输出功率不小于70mw，而沿水平方向的水平光束发散角θH不小于6.5°，以便在光头携带半导体器件的情况下减小噪特性等。
本发明的一个目的是提供一种能以基本的横向模激光获得大的光输出功率的半导体激光器件及其设计方法。
本发明的另一个目的是提供一种能以基本的横向模激光提高最大光输出功率并增大沿水平方向的水平光束发散角θH的半导体激光器件及其设计方法。
根据本发明的半导体激光器件包括第一导电型包层、有源层、第二导电型敷层和电流阻挡层，电流阻挡层具有预定宽度的条形开口用来限定电流路径并形成该电流路径，且其带隙大于第二导电型敷层的带隙，其折射率依次小于第二导电型敷层的折射率，第二导电型敷层有一平坦部分且在其上有一条状脊形部分(ridge portion)，该脊形部分定位于电流阻挡层的开口内，如此形成电流阻挡层以覆盖住平坦部分的上表面和脊形部分的侧表面，而且，激有源层中对应于开口的区域(即发光区中面向开口的区域或/和发光区中包括开口的区域)的有效折射率与有源层中对应于开口两侧的区域(即发光区中面向开口两侧的区域或/和发光区中包括开口两侧的区域)的有效折射率之间的差值Δn以及这宽度W[μm]满足下述关系
Δn≥2×10-3，
W≤-1.6×10-3×Δn+9.3，以及
W≥3.0
这样，就提供了一种所谓的脊形波导型(ridge wave guided)半导体激光器件。离开有源层某一距离的脊形部分的宽度可以随该距离的增大而减小。
在该半导体激光器件中，能以小的工作电流以和基本横向模激光获得大的光输出功率。例如，可获得不小于100mw的光输出功率。
由于有效折射率之间的差值Δn不小2×10-3，因此可保持一种良好的有效折射率导向型结构。因开口宽度W不小于3.0μm，故有高可靠性。
有效折射率之间的差值Δn与开口宽度W满足下述关系则更好。
W≤-1.5×10-3×Δn+8.55
这样，就能以基本横向模激光得到不小于150mw的光输出功率。
第一导电型敷层可以是AlxGa1-xAs，有源层可以是AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0)，第二导电型敷层可以是AlyGa1-yAs(y＞q)，而电流阻挡层可以是AlzGa1-zAs。
此时，能以小的工作电流和基本横向模激光得到大的光输出功率。例如，能以基本横向模激光得到不小于l00mw的光输出功率。
通过选择电流阻挡层的Al的组分比z和开口两侧第二导电型敷层的厚度，可以设定有效折射率之间的差值Δn。
第一导电型敷层的Al的组分比x和第二导电型敷层的Al的组分比y，最好是既不小于0.4，又不大于0.6。
电流阻挡层的Al的组分比z最好大于第二导电型敷层的Al的组分比y。若电流阻挡层的Al的组分比z与第二导电型敷层的Al的组分比y之差不小于0.02，则更好。在这种情况下，就能容易地在有效折射率之间实现很好的差值。
电流阻挡层的Al的组分比z最好不大于0.6，这样就提高了电流阻拦层的结晶性，由此还提高了形成于电流阻挡层上的一层的结晶性，因而能提供高可靠性的半导体激光器件。
电流阻挡层最好至少包括一第一导电型层。这样，电流阻挡层中的第一导电型层与第二导电型敷层的导电类型相反，由此可实现充分的电流阻挡作用。电流阻挡层可以只用第一导电型层构成。
电流阻挡层可以包括形成于有源层上的第一层和形成于该第一层上的第二层，第二层可以是第一导电型，而第一层的杂质浓度可以比第二层的杂质浓度低。在这种情况下，可防止杂质从电流阻挡层扩散入有源层。特别是，第一层最好是一种非掺杂层。
若用第一导电层构成电流阻挡层，则离有源层某一距离的电流阻挡层的杂质浓度可以随距离的缩短而降低。
在第二导电型敷层中可以存在诸如阻止蚀刻层之类厚度不大于300的另外一层，因为这几乎不影响有效折射率之间的差值。
此外，可以在电流阻挡层上设置一吸收激光光线的第一导电型电流阻挡层。
最好在第一导电型半导体衬底上形成第一导电型敷层。在AlGaAs系半导体激光器件中，最好使用GaAs衬底。
有源层可以拥有一种由单量子阱层构成的单量子阱结构，可以拥有一种由交替堆迭量子阱层与阻挡层构成的多量子阱结构，或者可以是一种无量子效应的单层结构。
AlGaAs系半导体激光器件的多量子阱结构可以包括由AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0，1＞y＞q≥0)构成的量子阱层和由AlpGa1-pAs(x≥p＞q，y≥p＞q)构成的阻挡层。
半导体激光器件能以基本横向模激光获得不低于100mw光输出功率为较佳，而半导体激光器件能以基本横向模激光获得不低于150mw光输出功率则更佳。
根据本发明另一方面的半导体激光器件的设计方法是一种设计半导体激光器件的方法，该激光器件包括依次由AlxGa1-xAs构成的第一导电型敷层、由AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0)构成的有源层、由AlyGa1-yAs(y＞q)构成的第二导电型敷层及电流阻挡层，该电流阻挡层有一预定宽度的条形开口用来限制电流路径并形成该电流路径，并由AlzGa1-zAs(1≥z＞y)构成，它包括以下几个步骤设定有源层中对应于开口的区域内有效折射率与有源层中对应于开口两侧区域内的有效折射率之间的差值Δn以及开口宽度W，以便以基本横向模激光获得预定的光输出功率；以及选择电流阻挡层的Al的组分比z和开口两侧第二导电型敷层的厚度，以便得到有效折射率之间的差值Δn。
这样，所构成的半导体激光器件就以小的工作电流和基本横向模激光获取大的光输出功率。
设定步骤最好包括设定有效折射率之间的差值Δn以及开口宽度W[μm]的步骤，以满足下述关系
Δn≥2×10-3以及
W≤-1.6×103×Δn+9.3
这样，所构成的半导体激光器件就以基本横向模激光获取不小于100mw的光输出功率。
设定步骤更好的是包括设定有效折射率之间的差值Δn和开口宽度W[μm]以满足下述关系的步骤
W≤-1.5×103×Δn+8.55
这样，所构成的半导体激光器件就以基本横向模激光获取不小于150mw的光输出功率。
设定步骤最好包括把开口宽度W设定不小于3.0μm的步骤，这样就得到了高可靠性的半导体激光器件。
第二导电型敷层可以依次包括一平坦部分和在其上面的一条状脊形部分，脊形部分可以定位在电流阻挡层的开口内，而且如此形成电流阻挡层以覆盖住平坦部分的上表面和脊形部分的侧表面。这样，就提供了一种所谓的脊形波导型半导体激光器件。离有源层某一距离的脊形部分的宽度可随距离的增大而减小。
根据本发明还有一方面的半导体激光器件，包括第一导电型敷层、有源层、第二导电型敷层和电流阻挡层，电流阻挡层具有一预定宽度的条形开口用以限制电流路径并形成该电流路径，且其带隙大于第二导电型敷层的带隙，其折射率则小于第二导电型敷层的折射率，第二导电型敷层有一平坦部分和在其上面的一条状脊形部分，该脊形部分定位于电流阻挡层的开口内，如此形成电流阻挡层以覆盖住平坦部分的上表面和脊形部分的侧表面，而且，有源层中对应于开口的区域的有效折射率与有源层中对应于开口两侧区域的有效折射率之差Δn以及开口宽度W[μm]满足以下关系
2.4×10-3≤Δn≤3.5×10-3，
W≥2.5，
W≤-1.33×103×Δn+8.723，以及
W≤2.25×103×Δn-2.8
这样，就提供了一种所谓的脊形波导型半导体激光器件。在离有源层某一距离，脊形部分宽度可随距离增大而减小。
在根据本发明的半导体激光器件中，能以基本横向模激光获得大的最大光输出功率和大的水平光束发散角。例如，能以基本横向模激光把最大光输出功率增加到不小于70mw，又如可把水平光束发散角增大到不小于6.5°。
使有效折射率之间的差值Δn与开口宽度W[μm]满足下述关系则更好
W≤-1.33×103×Δn+7.923
这样，就以基本横向模激光获得不小于100mw的最大光输出功率。
更好的是这使有效折射率之间的差值Δn和开口宽度W[μm]满足以下关系
W≤2.25×103×Δn-3.175
这样，可把水平光束发散角增大到不小于7°。
第一导电型敷层可由AlxGa1-xAs构成，有源层可由AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0)构成，第二导电型敷层可由AlyGa1-yAs(y＞q)构成，而电流阻挡层可由AlzGa1-zAs构成。
这样，能以基本横向模激光获得不小70mw的最大光输出功率，且水平光束发散角可不小于6.5°。
可以通过选择电流阻挡层的Al的组分比z和开口两侧第二导电型敷层的厚度来设定有效折射率之间的差值Δn。
第一导电型敷层的Al的组分比x和第二导电型敷层的Al的组合比y，最好既不小于0.4也不大于0.6。
使电流阻挡层的Al的组分比z大于第二导电型敷层的Al的组分比y则较佳。更好的是使电流阻挡层的Al的组分比z与第二导电型敷层的Al的组分比y之差值不小于0.02。这样。能容易实现有效折射率之间的良好差值。
电流阻挡层的Al的组分比z最好不大于0.6，这样就提高了电流阻挡层的结晶性，由此也提高了电流阻挡层上形成的层的结晶性，因而能提供高可靠性的半导体激光器件。
电流阻挡层最好至少包括一第一导电型层，这样，电流阻挡层中的第一导电型层与第二导电型敷层的导电类型相反，据此能实现充分的电流阻挡作用。可以只用第一导电型层构成电流阻挡层。
电流阻挡层可以包括形成于有源层上的第一层和形成于第一层上的第二层，第二层可以是第一导电型层，而第一层的杂质浓度可以低于第二层的杂质浓度。这样，可防止杂质从电流阻挡层扩散入有源层。特别是，第一层最好是非掺杂层。
若电流阻挡层是用第一导电型层构成的，则在离有源层某一距离处，电流阻挡层的杂质浓度可随距离的减小而减小。
在第二导电型敷层内可以存在其厚度不大于300的诸如蚀刻阻止层之类的另外一层，因为这几乎不影响有效折射率之间的差值。
再者，可在电流阻挡层上设置吸收激光光线的第一导电型电流阻挡层。
最好在第一导电型半导体衬底上形成第一导电型敷层。在AlGaAs系半导体激光器件中，最好使用GaAs衬底。
有源层可以具有一种由单量子阱层构成的单量子阱结构，可以具有一种通过交替堆迭量子阱层与阻挡层构成的多量子阱结构，或可以是无量子效应的单层结构。
AlGaAs系半导体激光器件的多量子阱结构可以包括由AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0，1＞y＞q≥0)组成的量子阱层和由AlpGa1-pAs(x≥p＞q0，y≥p＞q)组成的阻挡层。
较好的是，半导体激光器件以基本横向模激光获取不小于70mw的最大光输出功率。更好的是，半导体激光器件以基本横向模激光获取不小于100mw的最大光输出功率。另一方面，较好的是，半导体激光器件获得不小于6.5°的水平光束发散角。更好的是，半导体激光器件获得不小7°的水平光束发散角。
由于光束近似为一个整圆，所以有利于光头中的光学设定工作。由于垂直光束发散角大于水平光束发散角，譬如大约15-30°，所以水平光束发散角可以大到像垂直光束发散角那样的程度。
此外，随着腔体长度的缩短，可把水平光束发散角做得稍大些。另一方面，如果腔体长度小于约300μm，则COD(突然光学损坏)的大小就会降低。因此，腔体长度最好保持在既不小于300μm又不大于600μm的范围内。
根据本发明又一方面的半导体激光器件设计方法是一种设计半导体激光器件的方法，该激光器件依次包括由AlxGa1-xAs构成的第一导电型敷层、由AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0)构成的有源层、由AlyGa1-yAs(y＞q)构成的第二导电型敷层以及电流阻挡层，该电流阻挡层有一预定宽度的条形开口用来限制电流路径并形成该电流路径，并由AlzGa1-zAs(1≥z＞y)组成，它包括以下步骤设定有源层中对应于开口的区域的有效折射率与有源层中对应于开口两侧区域的有效折射率之差值Δn以及开口宽度W，以便以基本横向模激光获取预定的最大光输出功率和预定的水平光束发散角；以及选择电流阻挡层的Al的组分比z和开口两侧第二导电型敷层的厚度，以得到有效折射率之间的差值Δn。
这样，就获得了一种以基本横向模激光取得大的最大光输出功率和大的水平光束发散角的半导体激光器件。
设定步骤最好包括设定有效折射率之差值Δn和开口宽度W[μm]的步骤，以满足下述关系
2.4×10-3≤Δn≤3.5×10-3，
W≥2.5，
W≤-1.33×103×Δn+8.723，以及
W≤2.25×103×Δn-2.8
这样，就获得一种以基本横向模激光得到不小于70mw的最大光输出功率和不小于6.5°水平光束发散角的半导体激光器件。
设定步骤更好包括设定有效折射率之差值Δn开口宽度W[μm]的步骤，以便满足下述关系
W≤-1.33×103×Δn+7.923
这样，就获得一种以基本横向模激光得到不小于100mw最大光输出功率的半导体激光器件。
设定步骤最好包括设定有效折射率之差值Δn和开口宽度W[μm]的步骤，以便满足以下关系
W≤2.25×103×Δn-3.175
这样，就获得一种水平光束发散角不小于7°的半导体激光器件。
第二导电型敷层可包括一平坦部分和在其上面的条状脊形部分。脊形部分可定位于电流阻挡层的开口内，而且如此形成电流阻挡层以覆盖住平坦部分的上表面和脊形部分的侧表面。这样，就可提供一种所谓的脊波导型半导体激光器件。在离有源层某一距离处，脊形部分宽度可随距离的增大而减小。
通过下面结合附图对本发明所作的详细介绍，本发明的上述目的和其它目的、特征、方面和优点就更清楚了。
图1是根据本发明第一实施例的半导体激光器件的剖面示意图2是表示有效折射率差值Δn与图1所示半导体激光器件中可实现基本横向模激光时获得的最大光输出功率Pk之间的关系曲线；
图3示出在图所示半导体激光器件中，有效折射率差值Δn、可实现基本横向模激光时获得的最大光输出功率Pk以及条宽W之间的关系曲线；
图4是根据本发明第二实施例的半导体激光器件的剖面示意图5表示图4所示半导体激光器件中有源层的示意的能带结构及附近状况的图6表示图4所示半导体激光器件中，有效折射率差值Δn、可实现基本横向模激光时获得的最大光输出功率Pk、条宽W及水平光束发散角θH之间的关系曲线；
图7表示图4所示半导体激光器件中条宽W与COD(突然光学损坏)之间的关系曲线；以及
图8表示图4所示半导体激光器件中有效折射率差值Δn与像散性之间的关系曲线。
运用图1说明根据本发明第一实施例的一种AlGaAs系半导体激光器件。
在图1中，在n型GAs衬底1上依次形成0.5μm厚Se掺杂n型GAs缓冲层2、0.1μm厚Se掺杂n型AlsGa1-sAs缓冲层3和2.3μm厚Se掺杂n型AlxGa1-xAs敷层4，其中x＞s＞0。在本发明实施例中，s＝0.18，x＝0.45。
在n型敷层4上依次形成410A厚非掺杂AlvGa1-vAs光波导层5、100A厚由AlqGa1-qAs组成的具有单量子阱结构的非掺杂有源层6以及410A厚非掺杂AlwGa1-wAs光波导层7，其中1＞x＞v，v＞q≥0，w＞q≥0，y1＞w，Y2＞w。在本发明实施例中，v＝0.35，q＝0.035，w＝0.35。
在光波导层7上形成tμm厚Zn掺杂p型Aly1Ga1-y1As敷层8。在本发明实施例中，y1＝0.45。
在p型敷层8的靠近中央部分上面，依次形成沿垂直方向(沿腔体长度方向)延伸厚为200A的条形Zn掺杂p型AluGa1-uAs蚀刻阻止层9、2μm厚条形Zn掺杂p型Aly2Ga1-y2As敷层10和0.4μm厚条形Zn掺杂p型GAs盖层(cap layer)11。p型蚀刻阻止层9的宽度为Wμm，宽度Wμm变为形成电流路径的开口宽度。这里，1≥u＞y1，1≥u＞y2。在本发明实施例中，u＝0.7，y2＝0.45。p型蚀刻阻止层9、p型敷层10和p型盖层11构成了条状脊形部分12。
在p型敷层8上面依次形成0.3μm厚非掺杂Alz1Ga1-z1As电流阻挡层13.02μm厚Se掺杂n型AlzGa1-z2As电流阻挡层14和0.3μm厚Se掺杂n型GaAs电流阻挡层15，使之覆盖住脊形部分12的侧表面，其中1≥z1＞y1，1≥z1＞y2，1≥z2＞y1，1≥z2＞y2。
6μm厚Zn掺杂p型GaAs接触层16形成在p型盖层11的上表面、非掺杂电流阻挡层13的端面、n型电流阻挡层14的端面以及n型电流阻挡层15的上表面与端面上。
在p型接触层16上形成由Cr/Au组成的p侧电极17，并在n型衬底1的下表面上形成由Cr/Sn/Au组成的n侧电极18。
现在举例说明制造上述半导体激光器件的方法。
首先，运用诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法之类的气相外延(VPE)方法，在n型GaAs衬底1上连续生长n型GaAs缓冲层2、n型AlGaAs缓冲层3、n型AlGaAs敷层4、非掺杂AlGaAs光波导层5、非掺杂有源层6、非掺杂AlGaAs光波导层7、p型AlGaAs敷层(平坦部分)8、p型AlGaAs或AlAs蚀刻阻止层9、p型敷层(对应于以后形成的脊形部分)10以及p型GaAs盖层11。p型盖层11是保护层，防止在制造过程中在p型敷层10上用暴露和氧化p型敷层10的办法作晶体生长的不可行性。
然后，在p型GaAs盖层11上形成条形SiO2膜，并用SiO2膜作为掩模有选择地蚀刻掉p型蚀刻阻止层9下面的层，之后，用SiO2膜作为掩模再蚀刻掉蚀刻阻止层9以形成脊形部分12。由于蚀刻阻止层9的Al的组分比很大，所以难以在蚀刻步骤之后在蚀刻阻止层9上生长出结晶性很好的晶体。因此，在本发明实施例中去除了蚀刻阻止层9。
接着，运用上述的气相外延法在敷层8上依次连续生长电流阻挡层13、14和15，使之覆盖住脊形部分12的侧表面，露出盖层11的上表面。此后，运用上述的气相外延法在电流阻挡层13、14与15以及盖层11的上表面上生长p型GaAs接触层16。
在半导体激光器件中，具有条形开口(条宽为W)以便限制电流路径并形成该电流路径的电流阻挡层13和14同p型敷层8和10相比，其带隙更大而折射率较小。因此，在发光区(图1中用虚线椭圆示意地表示的区域)中，对应于开口的区域a内的有效折射率可以做得比对应于开口两侧的区域b内的有效折射率更大。所以半导体激光器件可以像有效折射率导向型半导体装置那样地工作。有效折射率差值表示在区域a检测到的具有激光波长的光的折射率与在区域b检测到的光的折射率之差。
运用上述结构，电流阻挡层13和14就成了透明的电流阻挡层，它对激光光线呈透明。
通过选择电流阻挡层13和14各自的Al的组分比z1与z2或者敷层8的厚度t，来改变半导体激光器件不工作时的有效折射率的差值(对应于开口的区域a内的有效折射率减去对应于开口两侧的区域b内的有效折射率)，以测量基本横向模激光的最大光输出功率，其结果示于图2。在这种情况下，在半导体激光器件的前后面分别配上反射率为2％和95％的反射膜，腔体长度设定为1200μm，在25℃环境温度下进行测量。表1列出了电流阻挡层13和14各自的Al的组分比z1和z2以及图2所示各点的p型敷层8的厚度t。编号A1-A5的样品条宽为4.5μm。
表1
图2表示当有效折射率差值不大于3×10-3时可实现基本横向模激光所获得的最大光输出功率为不小于100mw，当有效折射率差值不大于2.6×10-3时为不小于150mw，而当有效折射率差值不大于2.3×10-3时为不小于200mw。
另外，当有效折射率差值不大于3×10-3，光输出功率为100mw的情况下，得到的激光阈值电流为43mA，工作电流为140mA，垂直光束发散角18°，水平光束发散角为7°；而当有效折射率差值不大于2.5×10-3，光输出功率为170mw的情况下，得到的激光阈值电流为45mA，工作电流为185mA，垂直光束发散角为18°，水平光束发散角为7°。
当有效折射率差值不大于2.3×10-3时，若光输出功率为200mw，则得到的激光阈值电流为47mA，工作电流为235mA，垂直光束发散角为18°，水平光束发散角为6.5°。
这样，当有效折射率差值不大于3×10-3时，就能以基本横向模激光在小的工作电流下得到大的光输出功率。
因此，在根据本发明实施例的半导体激光器件中，把有效折射率差值设定为不大于3×10-3，且最好不大于2.6×10-3。
通过选择电流阻挡层13和14各自的Al的组分比z1和z2、p型敷层8的厚度t和条宽W，改变在半导体激光器件不工作时的有效折射率差值Δn(对应于开口的区域a内的有效折射率减去对应于开口两侧区域的b内的有效折射率)，以测量基本横向模激光的最大光输出功率Pk，其结果列于表2。此时，在半导体激光器件的前后面分别配上射率为2％和95％的反射膜，腔体长度设定为1200μm，在25℃环境温度下进行测量。样品B4、B9、B14、B18和B21分别对应于样品A1、A2、A3、A4和A5。
表2
图3表示利用表2内编号B1-B21的样品获得的有效折射率差值Δn、可实现基本横向模激光时获得的最大光输出功率Pk以及条宽W之间的相互关系。在所有样品B1-B21中获得基本横向模激光。
图3表示，为使最大光输出功率Pk不小于100mW，必须选择满足直线L下面(包括直线L)某一区域的条宽W和有效折射率差值Δn；为使最大光输出功率Pk不小于150mW，则必须选择满足直线M下面(包括直线M)某一区域的条宽W和有效折射率差值Δn。
直线L用下式(A1)表示
W＝1.6×103×Δn[μm]+9.3[μm] (A1)
直线M用下式(A2)表示
W＝1.5×103×Δn[μm]+8.55[μm](A2)
在该半导体激光器件中，当半导体激光器件工作时，由于载流子注入区域a，使区域a中的有效折射率约减小10-3。因此，为了保持有效折射率导向型结构良好，有效折射率差值最好不小于2×10-3。
尤其是，就可靠性而言，条宽W最好不小于3.0μm。具体地说，为使半导体激光器件的稳定工作时间不少于1000小时，条宽W最好不小于3.0μm。
如上所述，为使基本横向模激光的最大光输出功率Pk不小于100mW，要如此选择条宽W和有效折射率差值Δn以满足下列关系
Δn≥2×10-3，
W≤1.6×103×Δn[μm]+9.3[μm]，
W≥3.0[μm]
为使基本横向模激光的最大光输出功率Pk不小于150mW，除了上述关系外，最好还要满足下述关系
W≤-1.5×103×Δn[μm]+8.55[μm]
带隙大的电流阻挡层(它的Al的组分比较大)的结晶性较差，结果，在再次生长电流阻挡层过程中，杂质会从该电流阻挡层扩散入有源层6。此外，为了把半导体激光器件做成一种有效折射率导向型半导体激光器件以减小无效电流，把p型敷层8的厚度设定为很小的值，最好不超过0.25μm。所以，为了防止上述的扩散现象，最好把激活层6侧面的电流阻挡层13做成像本发明实施例中的非掺杂层那样的低杂质层，更好是做成如上所述的非掺杂层。
在上述第一实施例中，虽然把AlqGa1-qAs(q≥0)构成的单量子阱结构层用作有源层6，但是也可以把由AlqGa1-qAs阱层与AlpGa1-pAs阻挡层(p＞q≥0)构成的多量子阱结构层用作为有源层6。另外，还可以把由AlqGa1-qAs(q≥0)构成的无量子效应层用作为有源层6。
下面用图4和5说明根据本发明第二实施例的AlGaAs系半导体激光器件。在图4所示的半导体激光器件中，对应于图1所示半导体激光器件部分的那些部分采用同样的标号。
在图4中，在n型GAs衬底1上依次形成0.5μm厚Se掺杂n型GAs缓冲层2、0.1μm厚Se掺杂n型AlsGa1-sAs缓冲层3以及2.2μm厚Se掺杂AlxGa1-xAs敷层4，其中的x＞s＞0。在本发明实施例中，s＝0.18，x＝0.45。
在n型敷层4上依次形成200A厚非掺杂的AlvGa1-vAs光波导层5、非掺杂的有源层6以及200A厚非掺杂的AlwGa1-wAs光波导层7，其中1＞x＞v。在本实施例中，v＝0.35。通过交替堆迭80A厚由AlqGa1-qAs构成的量子阱层6a和80A厚由AlpGa1-pAs构成的阻挡层6b，构成有源层6。这里，v≥p＞q≥0，w≥p＞q≥0。在本实施例中，q＝0.11，p＝0.3。此外，y1＞w，y2＞w。在本实施例中，w＝0.35。
在光波导层7上形成tμm厚Zn掺杂的p型Aly1Ga1-y1As敷层。在实施例中，y1＝0.45。
在p型敷层8近中央部分上依次形成沿垂直方向(沿腔体长度方向)延伸的200A厚条形Zn掺杂的p型AluGa1-uAs蚀刻阻止层9、1.8μm厚条形Zn掺杂的p型Aly2Ga1-y2As敷层10以及0.7μm厚条形Zn掺杂的p型GAs盖层11。p型蚀刻阻止层9的宽度为Wμm。宽度Wμm成为形成电流路径的开口的宽度。这里，1≥u＞y1，1≥u＞y2。在本实施例中，u＝0.7，y2＝0.45。p型蚀刻阻止层9、p型敷层10和p型盖层11构成了条状脊形部分12。
在p型敷层8上依次形成0.3μm厚非掺杂的Alz1Ga1-z1As电流阻挡层13、0.2μm厚Se掺杂的n型Alz2Ga1-z2As电流阻挡层14以及0.3μm厚Se掺杂的n型GAs电流阻挡层15，从而覆盖住脊形部分12的侧表面，其中1≥z1＞y1，1≥z1＞y2，1≥z2＞y1，1≥z2＞y2。
在p型盖层11的上表面、非掺杂电流阻挡层13的端面、n型电流阻挡层14的端面以及n型电流阻挡层15的上表面与端面上，形成6μm厚Zn掺杂的p型GAs接触层16。
在p型接触层16上形成由Cr/Au组成的P侧电极17，在n型衬底1的下表面上刷Cr/Sn/Au组成的N侧电极18。
除了有源层6的详细结构之外，图4和图1所示的半导体激光器件的制造方法是相同的。
在该半导体激光器件中，与p型敷层8和10相比，具有条形开口(条宽为W)以便限制电流路径并形成该电流路径的电流阻挡层13和14具有较大的带隙和较小的折射率。因此，在发光区(图4中以虚线椭圆表示的区域)内，可以把对应于开口的区域a内的有效折射率做得比对应于开口两侧区域b内的有效折射率更大，这样半导体激光器件就能像有效折射率导向型半导体激光器件那样工作了。
用上述结构，电流阻挡层13和14成了对激光光线呈透明的透明的电流阻挡层。
通过选择电流阻挡层13和14各自的Al的组分比z1和z2、p型敷层8的厚度t和条宽，来改变在半导体激光器件不工作情况下的有效折射率差值Δn(对应于开口区域a内的有效折射率no减去对应于开口两侧区域b内的有效折射率ns)，以测量可实现基本横向模激光时获得的最大光输出功率Pk，此时沿水平方向的水平光束发散角θH、COD(突然光学损坏)以及像散性。结果列于表3。在这种情况下，在半导体激光器件的前后面上分别配上反射率为12％和95％的反射膜，腔体长度设定为600μm，在25℃环境温度下作测量。
表3
图6表示有效折射率差Δn、可实现基本横向模激光时获得的最大光输出功率Pk、条宽W以及采用表3中编号C1-C18样品获得的水平光束发散角θH之间的关系。
图6表明，为使最大光输出功率Pk不小于70mW，必须选择满足虚线直线A与虚线直线x之间区域RA的条宽W与有效折射率差值Δn，而为使最大光输出功率Pk不小于100mW，则必须选择满足虚线直线B和上述直线x之间区域RB的条宽W与有效折射率差值Δn。
图6还说明，为使水平光束发散角θH不小于6.5°，必须选择满足实线直线C下面(包括直线C)区域RC的条宽W与有效折射率差值Δn，而为使水平光束发散角θH不小于7°，则必须选择满足实线直线D下面(包括直线D)区域RD的条宽W与有效折射率差值Δn。
直线A由下式(B1)表示
W＝-1.33×103[μm]×Δn+8.723[μm] (B1)
直线B由下式(B2)表示
W＝-1.33×103[μm]×Δn+7.923[μm] (B2)
直线X由下式(B3)表示
W＝2.5[μm] (B3)
直线C由下式(B4)表示
W＝2.25×103[μm]×Δn-2.8[μm] (B4)
直线D由下式(B5)表示
W＝2.25×103[μm]×Δn-3.175[μm] (B5)
图7表示上述表3中所列出编号为C9-C14样品的COD与条宽W之间的关系。
从图7和表3可看出，当条宽W小于2.5μm时，COD小于100mW，只是最大光输出功率Pk小于100mW，这样就不能延长半导体激光器件的工作寿命。
图8表示上述表3中所列出的编号为C1、C2、C5、C9和C18的样品的像散性与有效折射率差值Δn之间的关系。
从图8和表3可看出，当有效折射率差值Δn小于2.4×10-3时，像散性便迅速增大。这样，在像散性很大时，光头的光学设定操作就困难了。所以有效折射率差值Δn最好不小于2.4×10-3。
另外，如表3所示，当有效折射率差值Δn超过3.5×10-3时，横向模激光就不稳定，而难以得到基本横向模激光。因此，有效折射率差值Δn最好不小2.4×10-3，但不大于3.5×10-3。
对于用作可再写光盘的光源的半导体激光器件，希望最大光输出功率Pk不小于70mW，水平光束发散角θH不小于6.5°。所以在本发明中，这样来选择条宽W和有效折射率差值Δn，使之适合于区域RA与区域RC相互交迭的某个区域，且有效折射率差值Δn不小于2.4×10-3，也不大于3.5×10-3。
这就是说，条宽W与有效折射率差值Δn满足下列方程
2.4×103≤Δn≤3.5×10-3，
W≤-1.33×103[μm]×Δn+8.723[μm]
W≤2.25×103[μm]×Δn-2.8[μm]
W≥2.5[μm]
为使最大输出功率Pk不小于100mW，除了上述关系外，最好还要满足下述关系
W≤-1.33×103[μm]×Δn+7.923[μm]
为使水平光束发散角QH不小于7°，更要满足下述关系
W≤2.25×103[μm]×Δn-3.175[μm]
为使最大光输出功率Pk不小于100mW，且水平光束发散角θH不小于7°，最好还要满足下列关系
2.4×103≤Δn≤3.5×10-3
W≥2.5[μm]
W＜1.33×103[μm]×Δn-0.323[μm]
W≤2.25×103[μm]×Δn-3.175[μm]
此外，带隙大的电流阻挡层(其Al的组分比较大)的结晶性较差，结果在再次生长电流阻挡层的过程中，杂质会从电流阻挡层扩散入有源层6。再者，p型敷层8的厚度设成很小的值，最好不超过0.25μm，以把半导体激光器件做成有效折射率导向型半导体激光器件，以减小无效电流。所以，为防止出现上述的扩散现象，最好把有源层6侧边的电流阻挡层13做成本实施例中诸如非掺杂层那样的低杂质层，更好是像上述那样做成非掺杂层。
在上述第二实施例中，虽然用由AlqGa1-qAs量子阱层和AlpGa1-pAs阻挡层(p＞q≥0)构成的多量子阱结构层作为有源层6，但是也可使用由AlqGa1-qAs(q≥0)构成的单量子阱层。另外，还可使用由AlqGa1-qAs(q≥0)构成的无量子效应的层。
在上述第一与第二实施例中，虽然在p型敷层8与10之间即p型敷层中存在蚀刻阻止层9，但是只要成品率下降能允许的话，就不必设置蚀刻阻止层9。
在上述第一和第二实施例中，AlGaAs敷层4、8和10各自的Al的组分比x、y1和y2，可在不小于0.4和不大于0.6的范围内作适当选择；电流阻挡层13和14各自的Al的组分比z1与z2大于AlGaAs敷层8和10各自的Al组分比y1和y2，它们具有预定宽度的条形开口用于限制电流路径并形成该电流路径且相互邻近，被设定成至少比AlGaAs敷层8和10各自的Al的组分比y1和y2大0.02。
然而，实验证明，若AlGaAs的Al的组分比大于0.6，则其结晶性就差且易于氧化，在其上便难以进行晶体生长。所以，最好把电流阻挡层13和14各自的Al的组分比z1与z2设成不大于0.6。
再者，在上述第一和第二实施例中，虽然n型AlGaAs电流阻挡层14和非掺杂电流阻挡层13的Al的组分比相同，但是也可以有不同的Al的组分比。此外，半导体激光器件可以只包括电流阻挡层13和14中的一个电流阻挡层。
虽然已经详细说明和示例了本发明内容，但是显然应该理解，这些说明和示例只是作为举例而并非是限制，本发明的精神和范围只受限制于所附的权利要求的各条款。
权利要求
1.一种半导体激光器件，其特征在于，依次包括
第一导电型敷层；
有源层；
第二导电型敷层；以及
电流阻挡层，其预定宽度的条形开口用于限制并形成该电流路径，其带隙大于所述第二导电型敷层的带隙，其折射率小于所述第二导电型敷层的折射率，
所述第二导电型敷层具有一平坦部分和一在所述平坦部分上面的条状脊形部分，
所述脊形部分被定位于所述电流阻挡层的所述开口内，
如此形成所述电流阻挡层以覆盖住所述平坦部分的上表面和所述脊形部分的侧表面，以及
所述有源层中对应于所述开口的区域内的有效折射率与所述有源层中对应于所述开口两侧的区域内的有效折射率之差值Δn以及所述开口宽度W[vm]满足下列关系
Δn≥2×10-3，
W≤-1.6×10-3×Δn+9.3，以及
W≥3.0
2.如权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于，有效折射率之间的差值Δn与所述开口宽度W满足下述关系
W≤-1.5×10-3×Δn+8.55
3.如权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于，所述第一导电型敷层由AlxGa1-xAs组成，所述有源层由AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0)组成，所述第二导电型敷层由AlyGa1-yAs(y＞q)组成，而所述电流阻挡层由AlzGa1-zAs组成。
4.如权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于，所述电流阻挡层包括有Al，通过选择所述电流阻挡层的Al的组分比和开口两侧的所述第二导电型敷层的厚度，设定有效折射率之差值Δn。
5.如权利要求4所述的半导体激光器件，其特征在于，所述电流阻挡层的Al的组分比z大于所述第二导电型敷层的Al的组分比y。
6.如权利要求4所述的半导体激光器件，其特征在于，所述电流阻挡层的Al的组分比z不大于0.6。
7.如权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于，在所述有源层某一距离处，所述脊形部分的宽度随距离增大而减小。
8.如权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于，所述电流阻挡层至少包括一所述第一导电型层。
9.如权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于，所述电流阻挡层包括形成于所述有源层上的第一层和形成于所述第一层上的第二层，
所述第二层为所述第一导电型，
所述第一层的杂质浓度比所述第二层的低。
10.一种设计半导体激光器件的方法，该激光器件依次包括由AlxGa1-xAs构成的第一导电型敷层、由AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0)构成的有源层、由AlyGa1-yAs(y＞q)构成的第二导电型敷层以及由AlzGa1-zAs(1≥z＞y)构成的电流阻挡层，所述电流阻挡层有一预定宽度的条形开口用于限制电流路径并形成该电流路径，其特征在于，所述设计方法包括下列步骤
设定所述有源层中对应于所述开口的区域内实折射与所述有源层中对应于所述开口两侧的区域内有效折射率之差值Δn以及所述开口的宽度W，以便以基本横向模激光获得预定的光输出功率；以及；
选择所述电流阻挡层的Al的组分比z和开口两侧所述第二导电型敷层的厚度，以便获得所述有效折射率的差值Δn。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述设定步骤包括设定所述有效折射率之差值Δn和所述开口宽度W[μm]以满足下列关系的步骤
Δn≥2×10-3，以及
W≤-1.6×10-3×Δn+9.3。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述设定步骤包括设定所述有效折射率之差值Δn和所述开口宽度W[μm]以满足一列关系的步骤
W≤-1.5×10-3×Δn+8.55。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述设定步骤包括把所述开口宽度W设定成不小于3.0μm的步骤。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，
所述第二导电型敷层包括平坦部分和所述平坦部分上的条状脊形部分，
所述脊形部分被定位在所述电流阻挡层的所述开口内，
如此形成所述电流阻挡层以覆盖住所述平坦部分的上表面和所述脊形部分的侧表面。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，离所述有源层某一距离处，所述脊形部分的宽度随距离的增大而减小。
16.一种半导体激光器件，其特征在于，依次包括
第一导电型敷层；
有源层；
第二导电型敷层；以及
电流阻挡层，其具有预定宽度的条形开口用于限制电流路径并形成该电流路径，其带隙大于所述第二导电型敷层的带隙，其折射率小于所述第二导电型敷层的折射率，
所述第二导电型敷层有一平坦部分和在所述平坦部分上的条形脊形部分，
所述脊形部分被限定位于所述电流阻挡层的所述开口内，
如此形成所述电流阻挡层以覆盖住所述平坦部分的上表面和所述脊形部分的侧表面，
所述有源层中对应于所述开口的区域内的有效折射率与所述有源层中对应于所述开口两侧的区域内的有效折射率之差值Δn以及所述开口宽度W[μm]满足下列关系
2.4×10-3≤Δn≤3.5×10-3，
W≥2.5，
W≤-1.33×103×Δn+8.723，以及
W≤2.25×103×Δn-2.8。
17.如权利要求16所述的半导体激光器件，其特征在于，所述有效折射率之差值Δn和所述开口宽度W[μm]满足下述关系
W≤-1.33×103×Δn+7.923。
18.如权利要求16所述的半导体激光器件，其特征在于，有效折射率之差值Δn和所述开口宽度W[μm]满足下述关系
W≤2.25×103×Δn-3.175。
19.如权利要求16所述的半导体激光器件，其特征在于，
所述电流阻挡层包括Al，
通过选择所述电流阻挡层的Al的组分比和开口两侧所述第二导电型敷层的厚度，设定有效折射率之差值Δn。
20.如权利要求16所述的半导体激光器件，其特征在于，所述第一导电型敷层由AlxGa1-xAs构成，所述有源层由AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0)构成，所述第二导电型敷层由AlyGa1-yAs(y＞q)构成，而所述电流阻挡层由AlzGa1-zAs构成。
21.如权利要求20所述的半导体激光器件，其特征在于，所述电流阻挡层的Al的组分比z大于所述第二导电型敷层的Al的组分比y。
22.如权利要求20所述的半导体激光器件，其特征在于，所述电流阻挡层的Al的组分比z不大于0.6。
23.如权利要求16所述的半导体激光器件，其特征在于，离所述有源层某一距离处，所述脊形部分的宽度随距离增大而减小。
24.如权利要求16所述的半导体激光器件，其特征在于，所述电流阻挡层至少包括一所述第一导电型层。
25.如权利要求16所述的半导体激光器件，其特征在于，所述电流阻挡层包括形成于所述有源层上的第一层和形成于所述第一层上的第二层，
所述第二层为所述第一导电型，
所述第一层的杂质浓度比所述第二层的低。
26.一种设计半导体激光器件的方法，该激光器件依次包括由AlxGa1-xAs构成的第一导电型敷层、由AlqGa1-qAs(1＞x＞q≥0)构成的有源层、由AlyGa1-yAs(y＞q)构成的第二导电型敷层以及由AlzGa1-zAs(1≥z＞y)构成的电流阻挡层，所述电流阻挡层有一预定宽度的条形开口用于限制电流路径并形成该电流路径，其特征在于，所述设计方法包括下列步骤
设定所述有源层中对应于所述开口的区域内实折射与所述有源层中对应于所述开口两侧的区域内有效折射率之差值Δn以及所述开口的宽度W，以便以基本横向模激光获得预定的最大光输出功率和预定的水平光束发散角；以及
选择所述电流阻挡层的Al的组分比z和开口两侧所述第二导电型敷层的厚度，以获得有效折射率的所述差值Δn。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述设定步骤包括设定所述有效折射率之所述差值Δn和所述开口宽度W[μm]以满足下列关系的步骤
2.4×10-3≤Δn≤3.5×10-3，
W≥2.5，
W≤-1.33×103×Δn+8.723，以及
W≤2.25×103×Δn-2.8。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述设定步骤包括设定所述有效折射率之差值Δn和所述开口宽度W[μm]以满足下述关系的步骤
W≤-1.33×103×Δn+7.923。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述设定步骤包括设定所述有效折射率之差值Δn和所述开口宽度W[μm]以满足下述关系的步骤
W≤2.25×103×Δn-3.175。
30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，
所述第二导电型敷层包括一平坦部分和所述平坦部分上的条状脊形部分，
所述脊形部分被定位于所述电流阻挡层的所述开口内，
如此形成所述电流阻挡层以覆盖住所述平坦部分的上表面和所述脊形部分的侧表面。
31.如权利要求所述的方法，其特征在于，离所述有源层某一距离处，所述脊形部分宽度随距离增大而减小。
全文摘要
一种半导体激光器件包括第一导电型敷层、有源层、第二导电型敷层和电流阻挡层。设定有效折射率之差值Δn和开口宽度W[μm]，使之满足一预定关系。通过选择电流阻挡层的Al的组分比和开口两侧第二导电型敷层的厚度，可设定实折射率之差值Δn。
文档编号H01S5/20GK1169047SQ9710994
公开日1997年12月31日 申请日期1997年3月28日 优先权日1996年3月28日
发明者林伸彦, 井手大辅, 茨木晃 申请人:三洋电机株式会社