半导体激光器的制作方法

专利名称：半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体激光器，更具体地，涉及能用作如光盘装置的光源的半导体激光器。
有稳定横模的已知半导体激光器是埋脊条结构的半导体激光器。图10是具有平直条形结构的常规AlGaInP埋脊半导体激光器的透视图。
如图10所示，在GaAs衬底101上先后堆叠n型AlGaInP覆盖层102、GaInP有源层103、p型A1GaInP覆盖层104、p型GaInP中间层105和p型GaAs接触层106，以形成具有平直条形结构的AlGaInP埋脊半导体激光器。
p型AlGaInP覆盖层104的上层部分、p型GaInP中间层105和p型GaAs接触层106形成沿一个方向延伸的平直脊形条。数字107表示由p型AlGaInP覆盖层104的上层部分、p型GaInP中间层105和p型GaAs接触层106所形成的脊形条部分。平直脊形条部分107沿腔长方向有均匀的宽度W′。脊形条部分107的宽度W′是指脊形条部分107的底部宽度。N型GaAs电流限制层108掩埋在脊形条部分107的两侧，以形成电流限制结构。
该激光器包括p端电极109，如形成在p型GaAs接触层106和n型GaAs电流限制层108上的Ti/Pt/Au电极；和n端电极110，如形成在n型GaAs衬底101的底面上的AuGe/Ni/Au电极。
为了稳定横模，常规AlGaInP埋脊半导体激光器的脊形条部分107的宽度W′选择为5μm以下。
另外，半导体激光器根据脊形条部分107两侧的p型AlGaInP覆盖层104的厚度d′来控制其波导机制。更具体地，当p型AlGaInP覆盖层104的厚度d′为100到300nm时，埋脊半导体激光器的波导机制为实折射率波导(real index-guided)，当厚度d′为300到500nm时，介于实折射率波导性质与增益波导(gain-guided)性质之间，而当厚度d′为500nm以上时，则为增益波导机制。
当常规埋脊半导体激光器的波导机制为实折射率机制时，横模由在平行于结的方向的折射率台阶来限制。当为增益波导时，横模由注入载流子的分布引起的增益分布来限制。
众所周知，当波导机制在实折射率波导性质与增益波导性质之间时，出现自脉冲。此时，尽管横模由在平行结方向的折射率台阶来限制，但折射率台阶比实折射率波导结构中的台阶小，光沿平行于结的方向的延伸比实折射率波导结构中要大。由此，如图11所示，光限制区的宽度WP′变得比GaInP有源层103中增益区的宽度WG′要大。结果由于光限制区与增益区的差异，在脊形条部分107的两侧的GaInP有源层103中产生可饱和吸收体111。
但是，具有平直条形结构的常规埋脊半导体激光器有下面的问题。具体地，为了保持稳定的横模，具有平直条形的脊形条部分107的宽度W′必须在5μm以下。此时，由于p型GaAs接触层106和p端电极109的接触面积减少，电流通道变窄，且微分电阻增加，这将增加半导体激光器的驱动电压。
当常规埋脊半导体激光器用作如光盘装置的光源时，必须能有效减小端面发射激光的光斑，并将远场图形的水平发散角θ∥增加到约8°以上。为此，脊形条部分107的宽度W′必须很窄。但此时，GaInP有源层103中的增益区变窄，光在高吸收系数区的分布变大。因此波导损耗增加，半导体激光器的驱动电流增加。重要的是，当常规埋脊半导体激光器具有实折射率波导结构时，容易减小发散角θ∥。如果常规埋脊半导体激光器具有增益波导结构，激光的远场图形为双波瓣，这会在实际应用中产生问题。
当常规埋脊半导体激光器用作如光盘装置的光源时，为了降低噪声，必须对常规自脉冲埋脊半导体激光器进行有效结构设计。但是，此时，由于激光器结构参数(如脊形条部分107两侧的P型AlGaInP覆盖层104的厚度d′)的允许值的范围非常小，所以成品率很低，并很难实现自脉冲半导体层。另外，随着工作中温度和光输出的变化，由GaInP有源层103中的增益区和光限制区的差异所产生的可饱和吸收体111不稳定，所以自脉冲也不稳定。
因此本发明的目的是提供一种半导体激光器，该半导体激光器能降低驱动电压、增加远场图形的水平发散角并改善远场形状，且能容易地构成稳定自脉冲半导体激光器。
根据本发明，提供一种半导体激光器，该半导体激光器包括第一导电类型的第一覆盖层；第一覆盖层上的有源层；有源层上的第二导电类型的第二覆盖层；及对来自有源层的光有吸收作用的第一导电类型的电流限制层，该电流限制层掩埋在第二覆盖层的条形部分的两侧，以形成电流限制结构，其中条形部分在腔长方向的两端有锥形区，该锥形区的宽度从腔长方向的中间部分朝腔长方向的两端减小。
根据本发明的一个方案，半导体激光器为自脉冲型，条形部分两侧的第二覆盖层的厚度最好为300到800nm。
根据上述结构的本发明，由于条形部分在腔长方向的两端有锥形区，且该锥形区的宽度从腔长方向的中间部分朝腔长方向的两端逐渐减小，所以即使为了保持稳定的横模而使两端的条形部分的宽度很窄，在中间部分的条形部分也可以保持足够的宽度。因此，条形部分可以与电极有很大的接触面积，有望获得宽电流通道，并降低微分电阻，由此降低半导体激光器的驱动电压。
由于条形部分在腔长两端的锥形区导致的波面变形效应(wavesurface shaping effect)，远场图形的水平发散角可以增加到约8°以上。因此半导体激光器不需使条的宽度变窄来增加远场图形的水平发散角，它能容易地改变远场图形。另外，由于波面变形效应，在波导机制为增益波导时，远场图形为单波瓣。
由于改变了在腔长方向的剖面结构，当半导体激光器为自脉冲激光器时，沿条形部分的锥形区的部分有源层表现为可饱和吸收体。因此，与利用常规埋脊半导体激光器的自脉冲激光器相比，可饱和吸收体稳定，且自脉冲稳定。另外，由于条形部分两端的第二覆盖层的厚度的允许范围可以增至300至800nm，以实现自脉冲半导体激光器，所以自脉冲半导体激光器的成品率得到改善，并且可以容易地得到自脉冲半导体激光器。
图1是根据本发明第一实施例的AlGaInP埋脊半导体激光器的透视图；图2是根据本发明第一实施例的AlGaInP埋脊半导体激光器的平面图；图3是说明根据本发明第一实施例的AlGaInP埋脊半导体激光器的特性的剖面图；图4是说明根据本发明第一实施例的AlGaInP埋脊半导体激光器的特性的剖面图；图5是根据本发明第二实施例的AlGaAs埋脊半导体激光器的剖面图；图6是根据本发明第三实施例的H-VI族化合物半导体埋脊半导体激光器的剖面图；图7是根据本发明第三实施例的II-VI族化合物半导体埋脊半导体激光器的能带图；图8是根据本发明第四实施例的使用氮化物III-V族化合物半导体的埋脊半导体激光器的剖面图；图9是根据本发明第四实施例的使用氮化物III-V族化合物半导体的埋脊半导体激光器的能带图；图10是常规AlGaInP埋脊半导体激光器的透视图；图11是说明常规AlGaInP埋脊半导体激光器的特性的剖面图。
下面参照


本发明的实施例。在所有实施例的图中，用相同的参考数字表示相同或相似的部分。
图1和图2表示本发明第一实施例的AlGaInP埋脊半导体激光器。图1是透视图，图2为平面图。
如图1和图2所示，AlGalnP埋脊半导体激光器包括n型GaAs衬底1，其上依次叠置有n型AlGaInP覆盖层2，例如(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P，GaInP有源层3，例如Ga0.5In0.5P，p型AlGalnP覆盖层4，例如(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P，p型GaInP中间层5，例如Ga0.5In0.5P，和p型GaAs接触层6。
p型AlGaInP覆盖层4的上层部分、p型GaInP中间层5、和p型GaAs接触层6构成沿一个方向延伸的脊形条。数字7表示包括p型AlGaInP 4的上层部分的脊形条。p型GaInP中间层5和p型GaAs接触层6形成在AlGaInP 4的脊形上。在脊形条部分7的两侧掩埋N型GaAs电流限制层8，以形成电流限制结构。
该激光器包括p端电极9，如形成在p型GaAs接触层6和n型GaAs电流限制层8上的Ti/Pt/Au电极。形成在n型GaAs衬底1的底面上的是n端电极10，如AuGe/Ni/Au电极。
在AlGaInP埋脊半导体激光器中，脊形条部分7在腔长方向的两端部有锥形区7a。每个锥形区7a的宽度沿腔长方向从中间部分到端面部分连续减小。脊形条部分7还包括沿腔长方向的在中间部分的平直区7b，它具有恒定宽度。此时，脊形条部分7在腔长端部的锥形区7a有基本相同的长度L1，两个锥形区7a的总长度2L1不小于腔长L的十分之一，即2L1≥L/10。L2是平直区7b的长度。
W1是脊形条部分7在腔长方向两端面的宽度，W2是脊形条部分7在腔长中间部分的宽度。宽度W1和W2是指在腔长端面和腔长中间处脊形条部分7的底部的宽度。脊形条部分7在腔长端面的宽度W1和在腔长中间的宽度W2的确定应该满足W1＜W2，W1≤5μm且W2≤7μm。
埋脊半导体激光器的激光器结构参数的例子为腔长L＝400μm，脊形条部分7的每个锥形区7a的长度L1＝100μm，脊形条部分7的平直区7b的长度L2＝200μm，脊形条部分7在每个腔长端面的宽度W1＝4μm，脊形条部分7在腔长中间部分的宽度W2＝6μm。
在具有上述结构的埋脊半导体激光器中，当脊形条部分7在腔长各端面的宽度W1不大于约5μm(此处为4μm)时，可以有稳定的横模。
而且，在该埋脊半导体激光器中，根据脊形条部分7两侧的p型AlGaInP覆盖层4的厚度来控制光波导机制。具体地，当脊形条部分7两侧的p型AlGaInP覆盖层4的厚度d为100到300nm时，掩埋脊形条半导体激光器的波导机制为实折射率波导，当厚度d为300到800nm时，介于实折射率波导性质与增益波导性质之间，而当厚度d为800nm以上时，则为增益波导机制。众所周知，当激光器介于实折射率波导性质与增益波导性质之间时，可以得到自脉冲半导体激光器。因此通过改变脊形条部分7两侧的p型AlGaInP覆盖层4的厚度，埋脊半导体激光器可以实现实折射率波导半导体激光器、自脉冲半导体激光器、及增益波导半导体激光器。图3和图4是说明这种埋脊半导体激光器的特性的剖面图。图3表示的是波导机制为实折射率结构或增益结构的半导体激光器，而图4表示的是波导机制介于实折射率波导性质和增益波导性质之间的半导体激光器。
在埋脊半导体激光器的波导机制为实折射率波导时，横模由在平行于结的方向的折射率台阶来限制。当为增益波导时，横模由注入载流子的分布引起的增益分布来限制。在这两种情况下，如图3所示，光限制区的宽度WP小于GaInP有源层3中增益区的宽度WG。
当波导机制介于实折射率波导与增益波导结构之间时，横模由在平行于结的方向的折射率台阶来限制。但由于折射率台阶比实折射率波导结构中的台阶小，所以光沿平行于结的方向的延伸比实折射率波导结构中要大。此时，如图4所示，光限制区的宽度WP比GaInP有源层3中增益区的宽度WG要大。GaInP有源层3的增益区外的部分光限制区形成为可饱和吸收体11。表现为该可饱和吸收体11的部分对应于图2中虚线所包围的部分，即脊形条部分7的锥形区7a的外围部分。这是因为脊形条部分7的锥形区7a在腔长方向的剖面结构不同所致。此时，因为可饱和吸收体11为内建固定结构，所以很稳定。
埋脊半导体激光器有下面优点。即，由于脊形条部分7在腔长两端部有锥形区7a，且腔长中间部分的宽度W2大于腔长两端部分的宽度W1，所以腔长中间部分的宽度W2可以很大，以确保p型GaAs接触层6与p端电极9中间的接触面积很大，同时让腔长端面部分的宽度W1小到约5μm，以保持横模的稳定。因此，加大了电流通道，降低了微分电阻。因而，可以减小驱动电压。
而且，由于脊形条部分7的锥形区7a的波面变形效应，发射端面的激光斑点可以变小，激光远场图形的水平发散角θ∥可以增加到约8°以上。因此在该实施例中，不需过分减小腔长端面处脊形条部分7的宽度W1来增加发散角θ∥，可以防止其它情况下不可避免的波导损耗所致的驱动电流的增加。因而，可以容易地改变激光的远场图形。当埋脊半导体激光器的波导机制为实折射率波导结构时，其水平发散角θ∥容易减小，这种效应就更显著。
当埋脊半导体激光器的波导机制为增益波导时，由于脊形条部分7的锥形区7a的波面变形效应，沿腔长方向在半导体激光器中行进的光更接近平面波。从而导致了激光的远场图形改变为单波瓣的效果。因此当埋脊半导体激光器为增益波导时，可以防止实际应用中的问题。
当埋脊半导体激光器的波导机制介于实折射率波导与增益波导结构之间时，由于脊形条部分7的锥形区7a外的部分GaInP有源层3形成固定的可饱和吸收体111，所以，与常规埋脊半导体激光器中的可饱和吸收体111相比，该区在温度和光输出改变时仍工作稳定，而常规的可饱和吸收体111由GaInP有源层103中的增益区与光限制区的差异形成，因而不稳定。另外，由于脊形条部分7两侧的p型AlGaInP覆盖层4的厚度允许范围增加到300至800nm，所以可以容易地实现自脉冲半导体激光器。
因此，当具有锥形条形结构的AlGaInP埋脊半导体激光器用作如光盘装置的光源时，可以增加远场图形的水平发散角θ∥、改变远场形状并降低噪声，由此得到优良的性能。
下面说明本发明的第二实施例。图5是第二实施例的AlGaAs埋脊半导体激光器的剖面图。
如图5所示，在AlGaAs埋脊半导体激光器中，在如n型GaAs衬底(未示出)的半导体衬底上依次堆叠n型Al0.5Ga0.5As覆盖层21、Al0.12Ga0.88As有源层22、p型Al0.5Ga0.5As覆盖层23和p型GaAs接触层24。p型Al0.5Ga0.5As覆盖层23的上层部分和p型GaAs接触层24形成沿一个方向延伸的脊形条。数字25表示包括p型Al0.5Ga0.5As覆盖层23的上层部分的脊形条部分。p型GaAs层24形成在覆盖层23的脊形条上。脊形条部分25在腔长两端有锥形区，与图1和图2所示的第一实施例的埋脊半导体激光器中的脊形条部分7一样。在脊形条部分25两侧掩埋n型GaAs电流限制层26，以形成电流限制结构。此时该实施例的半导体激光器为自脉冲型，在条形部分两侧的p型Al0.5Ga0.5As覆盖层23的厚度为300到800nm。同样，AlGaAs埋脊半导体激光器可以实现与第一实施例一样的效果。
下面说明本发明的第三实施例。图6是第三实施例的II-VI族化合物半导体埋脊半导体激光器的剖面图。埋脊半导体激光器具有分别限制异质结构(SCH)。图7是该埋脊半导体激光器的能带图，具体示出了其导带。图7中，EC表示导带底部能量。
如图6和图7所示，在II-VI族化合物埋脊半导体激光器中，在如n型GaAs(未示出)的衬底上依次堆叠n型ZnMgSSe覆盖层31、n型ZnSSe光波导层32、具有包括ZnCdSe阱层33a和ZnSSe势垒层33b的多量子阱结构的有源层33、p型ZnSSe光波导层34和p型ZnMgSSe覆盖层35。p型ZnMgSSe覆盖层35的上层部分形成沿一个方向延伸的脊形条。数字36表示由p型ZnMgSSe覆盖层35的上层部分构成的脊形条部分。脊形条部分36在腔长两端有锥形区，与图1和图2所示的第一实施例的埋脊半导体激光器中的脊形条部分7一样。在脊形条部分36的两侧掩埋n型多晶硅(Si)电流限制层37，以形成电流限制结构。此时该实施例的半导体激光器为自脉冲型，在条形部分两侧的p型ZnMgSSe覆盖层35的厚度d为300到800nm，该厚度包括光波导层34的厚度。根据第三实施例的能发射兰光的II-VI族化合物半导体激光器可以实现与第一实施例一样的效果。
下面说明本发明的第四实施例。图8是根据本发明第四实施例的使用氮化物III-V族化合物半导体的埋脊半导体激光器的剖面图；该埋脊半导体激光器具有SCH结构。图9是该埋脊半导体激光器的能带图，具体示出了其导带。图9中，EC表示导带底的能量。
如图8和图9所示，在使用氮化物III-V族化合物半导体的埋脊半导体激光器中，在如兰宝石(未示出)的衬底上依次堆叠n型AlGaN覆盖层41、n型GaN光波导层42、具有包括GaInN阱层43a和GaN势垒层43b的多量子阱结构的有源层43、p型GaN光波导层44和p型AlGaN覆盖层45。p型AlGaN覆盖层45的上层部分形式为沿一个方向延伸的脊形条。数字46表示由p型AlGaN覆盖层45的上层部分构成的脊形条部分。脊形条部分46在腔长两端有锥形区，与图1和图2所示的第一实施例的埋脊半导体激光器中的脊形条部分7一样。在脊形条部分46的两侧掩埋N型多晶硅(Si)电流限制层47以形成电流限制结构。此时该实施例的半导体激光器为自脉冲型，在条形部分两侧的p型AlGaN覆盖层45的厚度d为300到800nm，该厚度包括光波导层的厚度。根据第四实施例的半导体激光器使用氮化物III-V族化合物半导体，该半导体激光器发射兰光，可以实现与第一实施例一样的效果。
尽管通过实施例说明了本发明，但本发明并不限于这些实施例，在本发明的精神实质和范围可以有很多变形和修改。例如，实施例中的数值、材料、结构等仅仅为一些例子，但并不限于这些例子。例如，在上述第一实施例中，脊形条部分7在腔长方向两端面处的锥形区7a长度不必相同，也可以有不同长度。另外，脊形条部分7在腔长中间的平直区7b的长度L2可以为0，这样脊形条部分7只包括锥形区7a。
如上所述，根据本发明，由于条形部分包括其宽度从腔长中间朝腔长端面逐渐减小的锥形区，所以可以降低驱动电压、增加其远场图形的水平发散角、改变远场图形形状。同时，本发明可以实现容易用作稳定自脉冲半导体激光器的半导体激光器。
可以对本发明进行大量细节上的变形、修改和改变。但整个说明书和附图仅仅是为了说明本发明。因此，本发明只限于所附属权利要求书所限定的精神和范围。
权利要求
1.一种半导体激光器，包括第一导电类型的第一覆盖层；在所述第一覆盖层上的有源层；在所述有源层上的第二导电类型的第二覆盖层；及第一导电类型的电流限制层，所述电流限制层邻近在所述第二覆盖层的条形部分两侧形成，所述条形部分包括在其腔长两端的锥形区，所述锥形区的宽度从腔长中间部分向所述腔长两端减小。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为所述条形部分在腔长方向的两端面的宽度不大于5μm，在腔长方向的中间部分的宽度不大于7μm。
3.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为在所述条形部分在两端的所述锥形区的总长度不小于腔长的1/10。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为所述半导体激光器为自脉冲半导体激光器。
5.如权利要求4所述的半导体激光器，其特征为在所述条形部分两侧，所述第二覆盖层的厚度为300nm到800nm。
6.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为所述半导体激光器为AlGaInP半导体激光器。
7.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为所述半导体激光器为AlGaAs半导体激光器。
8.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为所述半导体激光器由II-VI族化合物半导体制成。
9.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为所述半导体激光器为氮化物基III-V族化合物半导体制成。
10.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为所述半导体激光器为实折射率波导半导体激光器。
11.如权利要求10所述的半导体激光器，其特征为在所述条形部分两侧，所述第二覆盖层的厚度为100nm到300nm。
12.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为所述半导体激光器为增益波导半导体激光器。
13.如权利要求12所述的半导体激光器，其特征为在所述条形部分两侧，所述第二覆盖层的厚度为800nm以上。
14.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征为电流限制层对来自所述有源层的光有吸收作用。
全文摘要
AlGaInP埋脊半导体激光器包括掩埋在脊形条部分7两侧的n型GaAs电流限制层8,该脊形条部分由p型AlGaInP覆盖层4的上层部分、p型GaInP中间层5和p型GaAs接触层6构成。该脊形条部分7包括在脊形条部分7的腔长方向两端的、长度为L
文档编号H01S5/327GK1180257SQ97117998
公开日1998年4月29日 申请日期1997年8月29日 优先权日1996年8月30日
发明者平田照二, 内田史朗, 岩本浩治, 长崎洋树, 东条刚 申请人:索尼株式会社