專利名稱：半導體激光器的制作方法
本申請是申請號為97190228.3的中國專利申請的分案申請，該原申請案的申請日是1997年2月28日，發明名稱為“半導體激光器及劈開方法”，申請人為松下電器產業株式會社。
當通過使用一半導體激光器作為光源來再現一光盤時，由于自一光盤表面反射的光的反饋或由于溫度變化而會產生強烈噪聲。這樣的強烈噪聲會引起信號讀取誤差。因此，具有低強度噪聲的半導體激光器對作為光盤的光源來說是最重要的。
通常，在被用作為只讀光盤的光源的具有低輸出的一AlGaAs型半導體激光器中，已嘗試通過采用在一屋脊條紋的各邊上故意形成一可飽和吸收器的結構來降低噪聲。通過采用這樣一結構，實現了多縱向模。如果半導體激光器在以單一縱向模進行振蕩時，由于光反饋、溫度變化或類似而引入擾動。相鄰的縱向模由于增益峰中的輕微變化而開始振蕩。這些如上述開始振蕩的模與該原始模相沖突，因此顯現出產生噪聲的原因。另一方面，當以上述方法實現這些多縱向模時，不同模之間的強度變化被平均，而由于擾動引起的強度變化將不會產生，從而可能獲得穩定的低噪聲特性。
而且，作為一種可替換的方法，在日本專利申請公開號為63-202083的申請中給出了一欲獲得更加穩定的自持脈動特性的嘗試。具體地，通過提供一可吸收輸出光的層來實現一自持的脈動型半導體激光器。
再者，日本專利申請公開號為6-260716的申請告知通過使活性層的帶隙與吸收層的帶隙基本相同來提高半導體激光器的工作特性。該公開文本具體地是指一紅半導體激光器作為例子。
圖16為概略地表示在上述日本專利申請公開號為6-260716的申請中公開的自持脈動型半導體激光器結構的截面視圖。
具體地，在一n-型GaAs基底1301上形成一n-型GaInP緩沖層1302和一n-型AlGaInP包層1303，及在包層1303中形成一GaInP脅變的量子阱(MQW)活性層1304。在包層1303中還形成有一脅變的量子阱可飽和吸收層1305。一包層1306和一P-型GaInP接觸層1307被形成為在包層1303上的一屋脊形。在所形成的包層1306和接觸層1307的屋脊的兩側埋置有n-型GaAs電流阻擋層1308，而且，在接觸層1307和電流阻擋層1308上形成一P-型GaAs帽層1309，在該帽層1309上形成一P-電極1310，且另一方面，在基底1301的反表面上形成一n-電極1311。
上述日本專利申請公開號為6-260716試圖通過以上結構獲得良好的自持脈動特性。
最好該可飽和吸收層與該活性層之間的一間隔大約為200埃或更大。
在一實施例中，該包層結構還包括一光導層，且該可飽和吸收層相鄰于該光導層。可替代地。該包層結構還包括一光導層，且該可飽和吸收層位于該光導層的附近。
在一實施例中，該可飽和吸收層具有一脅變的量子阱結構，且該可飽和吸收層的基態間的能隙小于該活性層的能隙約30mev至200mev。
最好，除去該可飽和吸收層外，該活性層和該包層結構由(AlxGa1-x)yIn1-yP形成。
根據本發明的另一方面，一半導體激光器包括一活性層和一其間插入該活性層的包層結構，該包層結構包括一可飽和吸收層，該可飽和吸收層由InGaAsP形成，且該可飽和吸收層具有一脅變的量子阱結構。
最好，該可飽和吸收層和該活性層之間的一間隔大約為200埃或更大。
在一實施例中，該包層結構還包括一光導層，且該可飽和吸收層相鄰于該光導層。可替代地，該包層結構還包括一光導層，且該可飽和吸收層位于該光導層的附近。
在一實施例中，該可飽和吸收層的基態間的能隙小于該活性層的能隙約30mev至約200mev。
最好，除該可飽和吸收層外，該活性層和該包層結構由(AlxGa1-x)yIn1-yP形成。
根據本發明的再另一方面，一半導體激光器包括一活性層和一其間插入該活性層的包層結構，該包層結構包括一可飽和吸收層，且該可飽和吸收層由InGaAs形成。
最好，該可飽和吸收層與該活性層之間的間隔大約為200埃或更多。
在一實施例中，該包層結構還包括一光導層，且該可飽和吸收層相鄰于該光導層。可替代地，該包層結構還包括一光導層，且該可飽和吸收層位于該光導層的附近。
在一實施例中，該可飽和吸收層的基態間的能隙小于該活性層的能隙約30mev至約200mev。
最好，除該可飽和吸收層之外，該活性層和該包層結構由AlzGa1-zAs形成。
根據本發明的另一方面，一半導體激光器包括一活性層和一其間插放該活性層的包層結構，該包層結構包括一可飽和吸收層，且該可飽和吸收層的厚度約為100埃或更小。
最好，該可飽和吸收層的厚度約為80埃或更小。
在一實施例中，包層結構還包括一光導層，且該可飽和吸收層相鄰于該光導層。可替代地，該包層結構還包括在一光導層，且該可飽和吸收層位于該光導層的附近。
在一實旋例中，該可飽和吸收層具有一脅變的量子阱結構，且該可飽和吸收層的基態間的一能隙小于該活性層的一能隙約30mev至約200mev。根據本發明的再另一方面，一半導體激光器包括一活性層；一n-型包層和一其間插入該活性層的第一P-型包層；一形成在該P-型包層上的電流阻擋層，該電流阻擋層具有一開口；及一形成在該開口處的第二P-型包層，該第二P-型包層包括一可飽和吸收層。
在一實施例中，該可飽和吸收層由InGaAsP或InGaAs形成。
在一實施例中，在該電流阻擋層中形成一模控制層。
最好，該第一P-型包層由具有大于該n-型包層的能隙的一能隙的材料形成。例如，該第一P-型包層為一AlGaInPN層。
根據本發明的再另一方面，提供一種劈開方法。該劈開方法是一種劈開具有相對于一正確(just)表面的表面取向向一預定方向傾斜的表面取向的基底的方法，且該基底通過沿該基底的表面取向被傾斜的一方面施加一應力而被劈開。
本發明的另一種劈開方法是一種劈開具有從[100]方向傾向
方向的表面取向的晶體的方法，且該晶體通過沿
方向施加一應力而被劈開。
因此，本發明具有以下目的(1)通過選擇一特殊的材料作為該半導體激光器中包括的可飽和吸收層的組成材料，提供具有穩定自持脈動特性及高可靠性的一種半導體激光器；及(2)提供可在這樣一半導體激光器的生產過程中被使用的一種劈開方法。
圖2為表示圖1A和1B中所示的半導體激光器的活性層中及其附近的A1組分的變化的示意圖。
圖3為表示GaInP和InGaAsP的增益特性曲線的示意圖。
圖4為表示圖1A和1B中所示的半導體激光器中的光輸出及載流子濃度的時間變化的示意圖。
圖5為表示圖1A和1B中所示的半導體激光器中的光輸出與電流間關系的示意圖。
圖6為表示圖1A和1B中所示的半導體激光器中光輸出的時間變化的實際測量波形的一示例的示意圖。
圖7為說明該基底的一傾斜取向與一較佳劈開方向間的關系的示意圖。
圖8為表示根據本發明的實施例2的半導體激光器的結構的截面視圖。
圖9為表示圖8中所示的半導體激光器的一活性層中及其附近的Al組分的變化的示意圖。
圖10為表示圖8中所示的半導體激光器的一光導層的光約束(confinement)率(光約束系數)與厚度之間的關系的示意圖。
圖11為表示根據本發明的實施例3的半導體激光器結構的截面視圖。
圖12為表示GaAs和InGaAs的增益特性曲線的示意圖。
圖13為表示根據本發明的實施例4的半導體激光器結構的截面視圖。
圖14為表示根據本發明的實施例5的半導體激光器結構的截面視圖。
圖15為表示GaAs和GaInP的增益特性曲線的示意圖。
圖16為表示根據常規技術的一自持脈動型半導體激光器結構的一示例的截面視圖。
實施本發明的最佳方式在描述本發明的具體實施例之前，將首先描述在實現本發明的過程中由本發明的發明人所取得的研究結果。
如上所述，在常規技術中，有各種考慮利用半導體激光器中的自持脈動現象的報告。然而，本發明的發明人的研究揭示出以AlGaInP型半導體激光器很難獲得自持脈動特性。因為它在材料的增益特性曲線上明顯不同于AlGaAs型。這將參照圖15進行描述。
圖15為表示GaAs和GaInP的增益特性的示意圖。這些材料(GaAs和GaInP)分別在AlGaAs型半導體激光器和AlGaInP型半導體激光器主要用作為活性層的組成材料。
本發明的發明人的研究揭示出當相對于載流子濃度的增益特性的曲線陡度變得較大時更易于獲得自持脈動特性。其原因與在可飽和吸收層內要求載流子的強烈振蕩以獲得自持脈動特性的事實相關聯。當相對于載流子濃度的增益特性的曲線陡度較大時，載流子濃度可通過小量的光吸收而被改變，結果，更易于產生載流子的振蕩。
然而，已經證明由于GaInP的增益特性曲線的陡度小于GaAs的增益特性曲線的陡度，在GaInP的情況下獲得自持脈動特性相對較難。
本發明的發明人所做的實驗結果揭示出，在紅半導體激光器的情況中，通過象在常規技術中所做的那樣簡單地加上一可飽和吸收層是難以獲得穩定的自持脈動特性。具體地，在高溫下難以獲得穩定的自持脈動特性。而且，在例如根據常規技術的結構中，在可飽和吸收層中消耗的光量較大。結果，有閾值電流增加的趨勢。因此，可靠性可能在高溫，例如約80℃時被損害。
這里，涉及在半導體激光器中產生自持脈動的其它參數包括可飽和吸收層中的載流子濃度。特別地，一種可能的方法是顯著地減小可飽和吸收層的體積以相對增大其內的載流子濃度。鑒于此點，有一個可飽和吸收層的沉積(即厚度)的最佳值，這樣通過簡單地加上該可飽和吸收層可容易地獲得穩定的自持脈動特性。
而且，為了獲得穩定的自持脈動現象，需要確保足夠的光約束進可飽和吸收層。盡管可簡單地認為為了這樣而提供一更接近于活性層的可飽和吸收層是足夠的，當它們之間的距離太短時，由于少數載流子溢出活性層，會產生對工作特性的不利影響。因此，應確保活性層與可飽和吸收層之間的距離為約200埃或更多，最好約500埃或更多。這樣，需要確保光約束同時也確定活性層與可飽和吸收層之間足夠的距離。從而獲得具有期望的自持脈動特性的半導體激光器是困難的。除非同時滿足這些條件。
盡管上述的研究結果主要涉及主要通過使用AlGaInP型材料而形成的紅半導體激光器。但通過常規技術不能充分地認識到可在閾值電流相對于具有在紅外區中具有一振蕩波長的AlGaAs型材料為低的條件下確保穩定的自持脈動。特別在期望一較高輸出時這些問題變得更加明顯。
以下將參照附圖對根據上述的研究結果所實現的本發明的各實施例進行描述。(實施例1)圖1A和1B分別為表示根據本發明的實施例1的具有自持脈動特性的一半導體激光器100結構的截面視圖和透視圖。
在半導體激光器100中，在一n-型GaAs基底101上形成半導體材料的分層結構。具體地，基底101被從(100)表面向著(0-1-1)方向傾斜8度。在本申請說明書中，在表面取向的表示中所包括的表達符“-1”的含義與在數字“1”的頂上添加一杠(-)所得到的“1”相同。例如上述表示的“(0-1-1)方向”是指“(011)方向”。
順序地在基底101上形成n-型GaAs緩沖層102、n-型AlGaInP包層103、GaInP活性層104、AlGaInP的第一P-型包層105a和InGaAsP可飽和吸收層106。在可飽和吸收層106上形成AlGaInP的第二P-型包層105b和P-型GaInP接觸層110。第二P-型包層105b和P-型接觸層110被形成為屋脊狀形狀，且一n-型GaAs電流阻擋層111形成在該屋脊的兩側上。還有，在該P-型接觸層110和n-型電流阻擋層111上形成P-型GaAs帽層112。進而，在帽層112上形成一P-電極113及在另一方面，在基底101的反表面上形成一n-電極114。
上述各層的典型厚度如下表1名稱 參考數字厚度帽層 112 3μm接觸層110 500埃第二P-型包層 105b0.9μm可飽和吸收層 106 60埃第一P-型包層105a 0.2μm活性層 104 500埃N-型包層103 1.0μm緩沖層 102 0.3μm圖2示出了半導體激光器100的活性層中及其附近的(AlxGa1-x)0.5In0.5P的Al組分x的變化。如圖所示，在半導體激光器100中，n-型包層103、第一和第二P-型包層105a和105b中的Al組分x被設置為0.7。
而且，如上表所示，在半導體激光器100中，可飽和吸收層106的厚度被設置成約60埃。當可飽和吸收層106較厚時，其體積變得太大，而難以使載流子濃度較大。因此，變得在可飽和吸收層106中難以產生載流子濃度的變化，即載流子的強烈振蕩，結果，變得難以獲得自持脈動特性。因此，期望可飽和吸收層為較薄。
該InGaAsP可飽和吸收層106的組成例如為In0.5Ga0.5As0.1P0.9。具有這一組成的InGaAsP的點陣常數大于形成基底101的GaAs的點陣常數。結果，一擠壓的應力被施加給可飽和吸收層106。這樣，半導體激光器100的可飽和吸收層106具有脅變的量子阱結構。
圖3示出了GaInP和InGaAsP的增益特性(載流子濃度和增益之間的關系)。可以看出InGaAsP具有較大的增益特性曲線的陡度。
本發明的發明人的研究揭示出在具有可飽和吸收層的半導體激光器中，當用于可飽和吸收層的材料的增益特性的陡度(增益變化相對于載流子濃度變化的比例)變得較大時，更易于獲得自持脈動特性。換句話說，當增益特性曲線的陡度變大時，更有助于自持脈動。這可被解釋如下。為了獲得自持脈動特性，要求在可飽和吸收層內的載流子的強烈振蕩。這里，當增益特性曲線的陡度變大時，載流子濃度可通過一較小的光吸收量而被改變。結果，當增益特性曲線的陡度變大時，更易于產生載流子的振蕩，且更易于產生自持脈動現象。
在此，相對于與基底點陣匹配的InGaAsP獲得圖3示出的數據。當加壓的應力被施加于InGaAsP時(例如在形成在GaAs基底上的In0.5Ga0.5As0.1P0.9的情況下)，增益特性曲線的陡度變得比圖3中所示的更大，且更有助于實現自持脈動。
圖4示出了在光輸出約為5mw的情況下，光輸出波形的時間變化的模擬結果。在圖中還示出了活性層及可飽和吸收層中載流子濃度的變化。從其可看出。光輸出的振蕩現象明顯是連續的。
圖5為對根據本實施例的自持脈動型半導體激光器100中電流-光輸出特性的測量的示例，且可以看到在此情況下閾值電流約為60mA。如圖5中所示，自持脈動型半導體激光器的電流-光輸出特性與普通的半導體激光器的特性的不同之處在于在閾值電流附近的特性曲線中可觀察到一尖銳上升。這是因為光輸出未被向外釋放直至達到一定程度的載流子注入，由于在自持脈動型半導體激光器中有一可飽和吸收層。當載流子注入量超過一定值的，激光器振蕩產生，且光輸出與電流注入量成比例地增加。
圖6為對根據本實施例的半導體激光器100中的光輸出波形的測量的一示例。如圖4中所示的模擬結果，光輸出超時地劇烈振蕩，并可以確定自持脈動產生。在該半導體激光器中，在較寬的從約20℃到約80℃的溫度范圍內獲得了約-135dB/Hz或更小的穩定的相對強度噪聲(RIN)特性。.
如上所述，根據本發明的發明人所做的實驗，在紅半導體激光器中，難以通過象在常規技術中所做得那樣簡單地加上一可飽和吸收層而獲得穩定的自持脈動特性。例如，即使當具有普通摻雜水平的Ga0.5In0.5P層被用作為可飽和吸收層時，也難以獲得穩定的自持脈動特性。特別地，難以獲得高溫時自持脈動特性。
而且，根據常規技術的結構具有可飽和吸收層中消耗的光量為較大，從而增大了閾值電流的趨勢。結果，高溫時(例如80℃)的可靠性可能被損害。
反之，當通過使用具有如本發明中的大陡度的增益特性曲線的材料(例如InGaAsP)形成可飽和吸收層時，可能獲得具有低閾值電流的半導體激光器，提供了在高達約80℃的溫度時的穩定的工作特性。
使用由InGaAsP層形成的可飽和吸收層106還提供了在生產半導體激光器中的一大優點。即在例如圖1所示的半導體激光器100的結構中的InGaAsP層除了起可飽和吸收層106的作用外，還在形成屋脊的蝕刻過程中起蝕刻阻止層的作用。特別地，當通過使用例如硫酸的蝕刻劑將AlGaInP的第二P一型包層105b處理成屋脊形時，可能在該InGaAsP層處阻止蝕刻。
反之，當具有普通結構的GaInP被用作為蝕刻阻止層時，只有約10這么小的值可獲得作為第二P-型包層105b與該GaInP層之間的蝕刻選擇比，雖然它依據于蝕刻條件。因此，蝕刻肯定不能在GaInP層處被阻止，而可能會產生過度蝕刻，從而使激光器的工作特性可能會產生一些變化。還有，當蝕刻接近于活性層時，可靠性可能被損害。反之，當使用InGaAsP層時，其既起蝕刻阻止層的作用也起可飽和吸收層的作用，可獲得約20這么大的值作為第二P-型包層與InGaAsP層之間的蝕刻選擇比。因此，易于執行半導體激光器的生產過程。
如上所述，使用InGaAsP層作為可飽和吸收層提供了對半導體激光器的工作特性和對其生產過程的很大影響。
這里，在半導體激光器的生產中，在通過在一基底上生成一分層結構來形成一激光器結構后，通過劈開形成一空腔端面。在此點，由于一傾斜的基底被用作為本實施例中的基底，需要注意劈開過程中施加應力的方向。以下將對其進行描述。
圖7為概略地表示在半導體激光器的空腔端面上觀察的晶體結構，即GaAs基底的(0-1-1)表面的示意圖。在此圖中，表示為“A-B”的虛線為該基底的表面，且在該表面上長成一晶體。當以對應于原子階的原子級觀察時，該基底的表面呈現出臺階的樣子。
這里，如上所述。該基底自(100)表面的表面取向向(0-1-1)方向傾斜過大約8度。鑒于此，當劈開該晶體(基底)以獲得半導體激光器的芯片時，從圖7中的B向A施加一應力。這是因為，如果以與上述方向相反的方向(即從A向B)施加應力，在劈開過程期間應從A至B裂開的該晶體的裂紋沿著(100)表面的方向形成。從而不能實現可靠的劈開。這樣的情況導致了劈開的缺陷并降低了產量。因此在圖中是從B向A執行劈開。
這樣一特性涉及劈開不僅施加于GaAs基底，面且只要是一被傾斜的基底，也可施加于由其它材料形成的任何基底的取向。更一般地說，通過從一方向(圖7的示例中為B)向傾斜的方向施加一應力來劈開該基底，其中獲得一較小的角度作為該正確表面(圖7的示例中為(100)表面)與該傾斜的基底之間的角度。
在通過劈開該基底形成端面后，在所獲得的端面(空腔端面)上形成一涂覆處理。具體地，例如，通過從更接近于該端面的一側采用ECR濺射方法沉積預定數量的SiO2膜和SIn膜對。這里，設定各SiO2膜和SIn膜的厚度以使相應于λ/4(這里λ為振蕩波長)。(實例2)圖8為表示根據本發明的實施例2的具有自持脈動特性的半導體激光器200的結構的截面視圖。
在半導體激光器200中，在一n-型GaAs基底701上順序地形成緩沖層702，n-型InGaInP包層703、包括一GaInP阱層的多量子阱活性層704，InGaInP的第一P-型包層705 a、P-型光導層707、AlGaInP的第二P-型包層705b和InGaAsP量子阱可飽和吸收層706。在該可飽和吸收層706上形成A I GaInP的第三P型包層705c和P-型GaInP接觸層710。該第三P-型包層705C和該P-型接觸層710被形成為屋脊形狀，且該屋脊的兩側被埋置有n-型GaAs電流阻擋層711。而且，在該P-型接觸層710和n-型電流阻擋層711上形成一P-型GaAs帽層712。在該帽層712上形成一P-電極713，而另一方面，在該基底的反表面上形成一n-電極714。
圖9示出了該半導體激光器200的活性層704內及其附近的(AlxGa1-x)0.5In0.5P的Al組分x的變化。如圖所示，在半導體激光器200中，n-型包層703及和第一、第二和第P-型包層705a、705b和705c中的Al組分x被設置為0.7。
在本實施例的半導體激光器中，該多量子阱活性層704被用作為活性層704，一量子阱層還被用作為可飽和吸收層706。這里，該可飽和吸收層706的組成材料為InGaAsP。
而且，在半導體激光器200中，光導層707被設置在可飽和吸收層706的附近。這里，設置該光導層707的原因如下。
當可飽和吸收層706為一量子阱層時，由于該層的總厚度被減小，可飽和吸收層706中的光約束率(光約束系數)被大大地降低。結果，光在可飽和吸收層706中未被充足地吸收，從而沒有充分地產生增益的飽和。因此，按現實情況來說，自持脈動不會發生。反之，當設置了上述的光導層707時，可能提高可飽和吸收層中的光約束率(光約束系數)。具體地，如果通過設置光導層707而將可飽和吸收層706中的光約束率(光約束系數)設置為至少約1.2％或更大的值，就變成可能引起自持脈動。
當可飽和吸收層706為一量子阱層時，其厚度較薄。因此，僅通過可飽和吸收層706而不設置光導層707是不可能將可飽和吸收層706中的光約束率(光約束系數)設置成實現自持脈動所需的幅值。另一方面，當為提高光約束率(光約束系數)的目的而增加形成可飽和吸收層706的量子阱層的數量時，可飽和吸收層706的總體顯著增大，而載流子濃度降低，從而自持脈動不會發生。
如本發明的發明人所揭示的，既使在通過增加可飽和吸收層706的層數而提高可飽和吸收層706中的光約束率(光約束系數)時，也不能獲得自持脈動。反之，根據本發明，通過組合以下兩種條件而首先實現自持脈動(1)不增加可飽和吸收層706的體積；及(2)提供光導層707。
在根據本實施例的半導體激光器200中，該多量子阱活性層704具有一量子阱結構，該量子阱結構具有總共約50埃的厚度，且其中的層數為3。而且，具有Al組分x＝0.5的AlGaInP被用作為該量子阱結構中所包括的阻擋層。
另一方面，具有Al組分x＝0.5的AlGaInP被用于與量子阱可飽和吸收層706相關聯的光導層707，且其厚度約為1000埃。為了實現對光導層707期望的目的，只要該厚度約為200埃或更大，該厚度可以是任意值。
這里，圖10示出了光導層707的厚度與活性層704和可飽和吸收層706中的光約束率(光約束系數)之間的關系。以其可以看出，如果光導層707的厚度約為300埃或更大，則可飽和吸收層706中的光約束率(光約束系數)可被設置成約1.2％或更大。如上所述，這使可肯定引起自持脈動。另一方面，當光導層707太厚時，活性層704中的光約束率(光約束系數)下降，從而閾值電流可能被升高。活性層704中的光約束率(光約束系數)希望為5％或更大。鑒于此，從圖10中可以看出，光導層707的厚度希望為約1200埃或更小。
因此，光導層707的厚度希望為約300埃或更大但為約1200埃或更小。
作為實際生產的半導體激光器200的一示例，自持脈動發生約10℃至80℃的寬的溫度范圍內，在上述溫度范圍中，可獲得約-135db/Hz或更小的穩定的相對強度噪聲(RIN)特性。
如上所述，在本實施例中，通過將量子阱結構引入半導體激光器200的活性層704而將最大光輸出增加了約20％。而且，由于實現了閾值電流的減小及輸出的增大，使在高溫時的工作成為可能。如上所述，通過使用InGaAsP作為可飽和吸收層706的組成材料及通過采用設置光導層707的新結構而實現這些性能。
還有，不用說既使在為進一步改善工作特性而將脅變的量子阱結構用于激活層704的情況下，根據本發明可獲得具有自持脈動特性的半導體激光器。(實施例3)圖11為表示根據本發明的實施例3的具有自持脈動特性的半導體激光器300的結構的截面視圖。
在半導體激光器300中，在n-型GaAs基底1001上順序形成n-型AlGaAs包層1002。包括一GaAs阱層的多量子阱活性層1003、AlGaInP的第一P-型包層1004和InGaAs量子阱可飽和吸收層1005。在該可飽和吸收層1005上形成具有一條形開口的n-型AlGaAs電流阻擋層1006。而且，在該可飽和吸收層1005和電流阻擋層1006上形成AlGaAs的第二P-型包層1007，及在其上形成一P-型GaAs帽層1008，而另一方面，在基底1001的反表面上形成一n-電極1010。
上述各層的典型厚度如下，表2名稱 參考數字 厚度帽層 1008 3μm第二P-型包層 1007 0.9μm電流阻擋層 1006 0.6μm可飽和吸收層 1005 50埃第一P-型包層 1004 0.15μm多量子阱活性層 1003 300埃
N-型包層10021.0μm在上述中，對于多量子阱活性層1003，示出了其總厚度。
如表2中所示，在半導體激光器300中，可飽和吸收層1005的厚度被設置成約50埃。當可飽和吸收層1005較厚時，其體積變得太大，從而難以使載流子濃度較大。因此，難以在可飽和吸收層1005中產生載流子濃度的變化、即載流子的強烈振蕩，以而難以獲得自持脈動特性。因此，期望可飽和吸收層1005為較薄。
例如，該InGaAs可飽和吸收層1005的組成為In0.2Ga0.8As。具有這一組成的InGaAs的點陣常數大于形成基底1001的GaAs的點陣常數，結果，一擠壓的應力被施加于可飽和吸收層1005。這樣，半導體激光器300的可飽和吸收層1005具有脅變的量子阱結構。
圖12示出了GaAs和InGaAs的增益特性(載流子濃度和增益之間的關系)。以其可以看出，InGaAs具有更大陡度的增益特性曲線。
如上所述，本發明的發明人的研究揭示出，在具有一可飽和吸收層的半導體激光器中，隨著用于可飽和吸收層的材料的增益特性的陡度(增益變化相對于載流子濃度變化的比例)可更易于獲得自持脈動特性。換句話說，當增益特性曲線的陡度較大時，更有助于自持脈動。這可被解釋如下。為了獲得自持脈動特性，要求可飽和吸收層內的載流子的強烈振蕩。這里，當增益特性曲線的陡度變大時，可通過較小的光吸收量改變載流子濃度。結果，當增益特性曲線的陡度為較大時，更易于產生載流子的振蕩且更易于產生自持脈動現象。
作為實際生產的半導體激光器300的一示例，在約10℃至約100℃的寬的溫度范圍內產生自持脈動。在上述溫度范圍內，獲得一約-135d B/HZ或更小的穩定的相對強度噪聲(RIN)特性。
如上所述，在本實施例中，通過使用新的材料InGaAs作為可飽和吸收層1005的組成材料，相對于可飽和吸收層由例如GaAs的其它材料形成的情況，閾值電流被減小且在高溫時工作變得可實現。在此，盡管描述了在上述中作為一示例的InGaAs的可飽和吸收層，也可通過使用InGaAsP形成可飽和吸收層獲得與上類似的效果。(實施例4)圖13為表示根據本發明的實施例4的具有自持脈動特性的半導體激光器400的結構的截面視圖。
半導體激光器400的結構類似于已參照圖11進行敘述的半導體激光器300的結構。相同的參考數字表示相應的元件，在此省去對其的描述。
半導體激光器400的結構與半導體激光器300的結構的不同之處在于在第二P-型包層1007中設有一可飽和吸收層1000；在電流阻擋層1006中設有模控制層1012；及為了控制形成一開口的蝕刻的目的而在電流阻擋層1006中設有一蝕刻阻止層1011。
該蝕刻阻止層1011為一薄層，且通過該層1011有很少的光吸收。因此，活性層1003中生成的光擴展入第二P-型包層1007，并由該第二P-型包層1007形成的可飽和吸收層1000吸收，其很少部分由蝕刻阻止層1011吸收。通過可飽和和吸收層1000的光吸收被飽和，其后提供一增益。結果，產生載流子的振蕩，并得到自持脈動特性。
在上述半導體激光器400的結構中，例如，形成電流阻擋層1006的AlGaAs的Al組分被設成0.6，同時形成第一包層1004和第二包層1007的AlGaAs的Al組分設成0.4，以而電流阻擋層1006的開口下面的活性層1003的區域(即被覆蓋有電流阻擋層1006的活性層1003的區域)的有效折射率高于其兩側區域的有效折射率。因此，可能獲得一實折射率引導的激光器結構，從而可實行具有高輸出及低閾值電流特性的半導體激光器。
而且，在本實施例的半導體激光器400中，在電流阻擋層1006中設有模控制層1012。設置該模控制層1012是為了當由可飽和吸收層1000吸收的光量較大時，防止光的電場僅存在于電流阻擋層1006之下而不存在于該開口之下。當設置該模控制層1012時，光也被層1012吸收。因此，光電可存在于電流阻擋層1006的開口之下，從而實現橫模振蕩。
如上所述，在本實施例中，通過采用實折射率引導的激光器結構而減少了該半導體激光器的閾值電流。而且，在低輸出條件下，在取得輸出的增大的同時可獲取自持脈動特性。還有，通過在電流阻擋層1006中設有模控制層1012，可防止光的模在電流阻擋層1006的開口之下被直接分離。(實施例5)圖14為表示作為本發明的實施例5的AlGaInP型紅半導體激光器500的結構的截面視圖。
半導體激光器500的結構和功能與參照圖13進行敘述的半導體激光器300的結構和功能大略相同。之間的不同在于AlGaInP在本實施例的半導體激光器500中被用作為組成材料。在半導體激光器500的結構中(圖14)，其對應半導體激光器400結構中包括的組分(基底和各層)的各組分被設有一通過對半導體激光器400(圖13)的參考數字加上“400”所得到的一參考數字。例如，圖14中所示的半導體激光器500中包括一基底1401對應于圖13中所示的半導體激光器400中包括的基底1001。因此省去對半導體激光器500結構的詳細描述。
在半導體激光器500的活性層1403的多量子阱結構中，該阱層的組成為Ga0.5In0.5P，且阻擋層的組成為(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P。而且，各n-型包層1402，第一P-型包層1404和第二P-型包層1407的組成為(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P。進而，各電流阻擋層1406、可飽和吸收層1400和模控制層1412的組成為(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P。這里，可飽和吸收層1400和模控制層1412可為In0.2Ga0.8As。
具有這樣結構的本實施例的半導體激光器500有與實施例4的半導體激光器400相似的效果。這里，在紅區域中的振蕩波長大約為660nm。
盡管在上述中，第一P-型包層1404的組成為(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P，為了防止在高溫工作期間電子溢出，具有大于以上(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P層的帶隙的帶隙的(AlGa)InPN層也可被使用。該(AlGa)InPN層可通過在約900℃的溫度時流過NH3氣體來生成。而且，當生成該(AlGa)InPN層時，通過將具有較大原子半徑的In(銦)元素量增加具有較小原子半徑的摻入的N(氮)元素量而可生成該層為一具有與GaAs基底的點陣常數相同的點陣常數的層。例如，其具體組成為(Al0.7Ga0.3)0.4In0.6P0.9N0.1。這樣，通過使用該(AlGa)InPN層作為第一P-型包層1404，可以防止既使在高溫工作期間的電子溢出，因此改變了半導體激光器的溫度特性。
而且，當使用該(AlGa)InPN層時，可能實現在AlGaInPN層與(AlGa)InPN層之間的選擇性的蝕刻，從而不需要附加地提供蝕刻阻止層，因此簡化了生產過程。
如上所述，在本發明的半導體激光器中，通過提供一InGaAsP的可飽和吸收層(其組成可被表達為InxGa1-xAsyP1-y(o＜x＜1，o≤y≤1))，可使相比較于使用GaInP的可飽和吸收層的情況，取得更大陡度的增益特性曲線(增益的變化相對于載流子濃度的比例)。這使得可通過較小的光吸收量來改變載流子的濃度，從而更易于產生載流子的振蕩。在同一時間，變得可能減少該可飽和吸收層的能源以小于活性層的能隙約30mev至約200mev。結果，變得可能易于獲得一穩定的自持脈動特性，同時可減小相對噪聲。
而且，在本發明的半導體激光器中，通過將可飽和吸收層的厚度設成100埃或更小。經光吸收而易于增大載流子濃度。因此，能更易于產生載流子的振蕩，從而可能易于獲得一穩定的自持脈沖動特性。
再者，在本發明的半導體激光器中，通過在位于電流阻擋層的開口上方的包層中設有一可飽和吸收層而提供一實折射率引導型的激光器結構，可能提供一具有低輸出區中的自持脈動特性同時可在同一時間實現一較高輸出的半導體激光器。而且，通過在電流阻擋層中設有一模控制層而可防止在電流阻擋層的開口處的激光器光的模分離。
權利要求
1.一種半導體激光器，包括一活性層和其間插入該活性層的一包層結構，其中該包層結構包括一可飽和吸收層，且該可飽和吸收層的厚度是60至100埃。
2.根據權利要求1的半導體激光器，其中，該包層結構還包括一光導層，且該可飽和吸收層與該光導層相鄰。
3.根據權利要求1的半導體激光器，其中，該包層結構還包括一光導層，且該可飽和吸收層位于該光導層的附近。
全文摘要
在具有一活性層和其間插入該活性層的一包層結構的半導體激光器中，該包層結構包括一可飽和吸收層，且該可飽和吸收層的厚度是60至100埃。
文檔編號H01S5/223GK1426139SQ02148189
公開日2003年6月25日 申請日期2002年10月31日 優先權日1996年3月1日
發明者木戶口勲, 足立秀人, 熊渕康仁 申請人:松下電器產業株式會社