半導體激光裝置和采用它的光盤設備的制作方法

專利名稱：半導體激光裝置和采用它的光盤設備的制作方法
技術領域：
本發明是關于用于光盤系統等作為光源的低噪聲自持(self-sustained)脈動式半導體激光裝置。
近年來，半導體激光裝置(激光二極管)在諸如光通信、激光打印機、和光盤等的領域需求日益增大。在這種環境下，對各種半導體激光裝置、特別是著重于那些GaAS型和InP型的已進行了卓有成效的研究和開發。在光信息處理領域中，采用780nm波段AlGaAS型光二極管作為光源進行記錄和再現信息的系統已進入實用階段。這樣的系統已推廣應用于記錄和再現激光盤。
但是近來出現增加這些光盤的存貯容量的強烈要求。與此同時，開始要求獲得能以更短波長發射激光的半導體激光裝置。
AlGaInP型半導體激光裝置能使得激光振蕩在紅色區域中的630nm至690nm的波長實現。在本說明書中，將(AlxGa1-x)0.5In0.5P(0≤x＜1)簡化為“AlGaInP”。當前，在許多實用的半導體激光裝置中，AlGaInP型半導體激光裝置能以最短的波長發射激光，從而它們保持有作為用于光信息記錄的下一代大容量光源的巨大希望，以替代以往廣泛應用的AlGaAs型半導體激光裝置。
評價半導體激光裝置，除激光波長外強度噪聲和溫度特性均為重要因素。特別是，在應用半導體激光裝置作為再現光盤的光源時，小強度噪聲非常重要。這是因為在讀取記錄在光盤上的信號時強度噪聲會帶來誤差。半導體激光裝置的強度噪聲不僅是由溫度變化、而且還是由部分地以光盤表面反射到半導體激光裝置的光線引起的。因此，不可避免的要求以即使在該反射的光被反饋給該裝置時仍具有很小強度噪聲的半導體激光裝置作為再現光盤的光源。
一般，在采用AlGaAs型半導體激光裝置作為專用于再現光盤的低輸出光源時，有意地在裝置的脊狀條紋的兩側形成可飽和的吸收器來降低噪聲。采用這樣一種結構使得激光振蕩的縱模為多重的。當激光反饋到裝置時，在單一的縱模中實現激光振蕩時引起裝置溫度等的變化，增益峰值中的細微變化就使激光振蕩能在接近一已實現激光振蕩的縱模的另一縱模中啟動。這造成新的縱模與原先縱模之間模的重復而引起噪聲。這樣，在多重的縱模的情況下，各模強度中的變化被加以平均且各模的強度不會因激光的反饋到裝置及裝置溫度變化等而改變。這使得能獲得穩定的低噪聲特性。
日本專利申請公開No.63-202083揭示了能得到穩定的自持脈動特性的半導體激光裝置。根據這一公開，通過設置一能吸受活性層中產生的光的層來實現自持脈動式激光二極管。
再者，日本專利申請公開No.260716揭示了通過提供幾乎與一吸收層的帶隙相等的活性層的帶隙來改善紅光半導體激光裝置的特性。

圖1為日本專利公開No.6-260716中所揭示的通常的自持脈動式半導體激光裝置的示意斷面圖。此后將參照圖1來說明這一半導體激光裝置。
參看圖1，在一由n-型GaAs制成的基底1601上依次形成有一由n-型GaInP制成的緩沖層1602，由n-型AlGaInP制成的包覆層1603a，應變的量子阱可飽和吸受層1605a，由n-型AlGaInP制成的包覆層1603b，由GaInP制成的應變的量子阱活性層1604，由n-型AlGaInP制成的包覆層1603c，和一應變的量子阱可飽和吸受層1605b。在應變的量子阱可飽和吸收層1605b上分別呈脊狀形成有一包覆層1606和由P-型GaInP制成的接觸層1607。包覆層1606和接觸層1607的兩邊以由n-型GaAS制成的隔流層1608埋蓋。而且，在接觸層1607和隔離層1608上還形成有由p-型GaAS制成的帽蓋層1609。在帽蓋層1609上形成有P-型電極1610且在基底1601的反面形成有n-型電極1611。
圖2示出應變的量子阱可飽和吸收層1605a和160b的能帶。在應變的量子阱可飽和吸收層1605a和1605b中，由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P制成的阻擋層1701和由GaxIn1-xP(膜厚100A，應變+0.5％至1.0％)制成的阱層1702交替層疊。在此例中，疊置有三個阱層1702。其中，應變的量子阱活性層1604的帶隙被規定為幾乎等于應變的量子阱可飽和吸收層1605a和1605b的帶隙。在此常規例中，目的是要通過采用這種結構來取得滿意的自持脈動特性。
與AlGaAS型半導體裝置相比，AlGaInP型半導體裝置不大可能實現自持脈動。這可能在它的之間的增益特性上帶來巨大差異。圖3表示相對于主要分別用于AlGaAs型半導體裝置和AlGaInP型半導體裝置的活性層的GaInP和GaAs的增益對流子密度的依賴性。
為了取得自持脈動，增益相對于載流子密度的增長速率(即增益曲線的斜度)要大。但已看到在采用GaInP時要得到自持脈動相對地要困難。因為其增益曲線的斜度要小于GaAs增益曲線的斜度。
而且，根據本發明的發明人的試驗結果看到下列情況在紅光半導體激光裝置(AlGaInP型半導體激光裝置)的情況下，由于增益特性僅僅依靠提供活性層的帶隙等于可飽和吸收層的帶隙仍然難以得到穩定的自持脈動，如在此常規例中這樣。
本發明就是鑒于上述論點提出的，其目的是提供具有穩定的自持脈動特性的高度可靠的半導體激光裝置，具體說，是借助于適當地規定構成半導體激光器的可飽和吸收層和隔離層的摻雜度和厚度。
按照本發明的第一方面，提供包括一活性層和夾住此活性層的包覆結構的自持脈動式半導體激光裝置，該包覆結構包含一以1×1018cm-3或較多的濃度摻雜有雜質的可飽和吸收層，該可飽和吸收層被設置在離開活性層的位置。
在本發明的一實施例中，可飽和吸收層與活性層的間隙為200A或稍大。
在本發明另一實施例中，此包覆結構還包含在活性層與可飽和吸收層之間的一具有大于活性層和可飽和層的帶隙的帶隙的隔離層。
在本發明的另一實施例中，此隔離層具有200A或更大的厚度。
在本發明的另一實施例中，與活性層鄰接的隔離層的厚度至少為200A的區域的雜質濃度為0.7×1018cm-3或更小。
本發明的另一實施例中，此隔離層幾乎是均勻地以0.7×1018cm-3或更小的濃度摻雜以雜質。
本發明的另一實施例中，可飽和吸收層具有局部地高于鄰接此可飽和吸收層的包覆結構一部分的雜質濃度的雜質濃度。
本發明的另一實施例中，可飽和吸收層所摻雜的雜質為P-型。
本發明的另一實施例中，包覆結構還包含具有帶隙小于活性層和可飽和吸收層之間的隔離層的帶隙的光導層。
本發明的另一實施例中，包覆結構還包含一光導層，而可飽和吸收層被設置為鄰接到此光導層。
本發明的另一實施例中，包覆結構還包括一光導層，而可飽和吸收層設置在光導層中。
本發明的另一實施例中，包覆結構還包含一光導層，而可飽和吸收層被設置在此光導層的附近。
本發明的另一實施例中，上述的自持脈動式半導體激光裝置包括有限流層，摻雜以n-型雜質和P-型雜質。
本發明的另一實施例中，上述自持脈動式半導體激光裝置包含活性層與可飽和吸收層之間的由具有大于活性層的帶隙的帶隙的材料制成的隔離層；由具有小于隔離層的帶隙的帶隙的材料制成的至少二量子阱層；和一被設置在量子阱層間的由具有大于量子阱層的帶隙的帶隙的材料制成的量子阻擋層。
本發明的另一實施例中，具有與包覆層的電導性不同的的電導性的阻流層被設置為鄰接到包覆層，而注入包覆層的電流所通過的區域的寬度為7μm或稍小。
本發明的另一實施例中，在鄰接可飽和吸收層的區域內設置一阻擋載流子擴散進可飽和吸收層的結構。
另一方面，提供一種自持脈動式半導體激光裝置，它包含一活性層和夾住此活性層的包覆結構，其中，此包覆結構包含以1×1018cm-3或更大的濃度摻雜以雜質的可飽和吸收層和設置在此可飽和吸收層的附近的光導層；此可飽和吸收層被設置在離開活性層的位置處。
本發明的一實施例中，活性層具有量子阱結構，和可飽和吸收層被形成為一量子阱層的。
本發明的另一實施例中，包覆層包括一P-型包覆層和一n-型包覆層，而可飽和吸收層為P-型并被設置在P-型包覆層中。
本發明的另一實施例中，此包覆結構還包含在活性層與可飽和吸收層之間的具有帶隙大于活性層和可飽和吸收層帶隙的隔離層。
本發明的另一實施例中，此隔離層其有200或更大的厚度。
本發明另一實施例中，此隔離層的雜質濃度為1×1018cm-3或更小。
另一方面，提供一種包含有一活性層和夾住此活性層的包覆結構的自持脈動式半導體激光裝置，其中，此活性層的一部分用作為一可飽和吸收區域，而此可飽和吸收區域被摻雜以1×1018cm-3或更大濃度的雜質。
本發明另一實施例中，可飽和吸收層的雜質為P-型。
本發明另一實施例中，此可飽和吸收區域被設置在鄰接到活性層的注流區域的位置。
另一方面，提供一包括活性層和可飽和吸收層的自持脈動式半導體激光裝置，其中，可飽和吸收層中的載流子壽命為6nsec或更小。
本發明的一實施例中，可飽和吸收層被摻雜以P-型雜質。
本發明的另一實施例中，可飽和吸收層被摻雜以P-型雜質和n-型雜質。
按照本發明的另一個方面，提供一種用于產生一自持脈動式半導體激光裝置的方法，它包括步驟形成包含可飽和吸收層的包覆結構；通過部分去除此包覆結構來暴露可飽和吸收層的一部分；利用具有蝕刻作用的氣體選擇地去除此可飽和吸收層的被暴露部分；和利用此氣體作為一材料形成載流子擴散阻擋層。
另一方面，提供一用于產生包含活性層和夾住此活性層的包覆結構的自持脈動式半導體激光裝置的方法。包覆結構包含以1×1018cm-3或更高的濃度摻雜以P-型雜質的可飽和吸收層。此可飽和吸收層被設在離開活性層的位置，而此裝置具有在激光振蕩開始之后隨時間變化的特性，和在大約過去一分種之后變為幾乎恒定的特性。此方法包含一穩定化步驟使裝置的特性能在激光振蕩開始后立即改變以使得到幾乎恒定的特性。
本發明的一實施例中，此特性為電流-光輸出特性。
本發明的另一實施例中，穩定化步驟包含以退火處理來降低閥值電流的步驟。
本發明的另一實施例中，在穩定化步驟期間激光振蕩開始之后閥值電流從一值被立即降低25mA或更多。
按照本發明的另一方面提供一光盤設備，它包含一半導體激光裝置；一光會聚系統，將由此半導體激光裝置發射的激光會聚入記錄媒體；和光檢測器，檢測自此記錄媒體反射的激光。此半導體激光裝置為一自持脈動式半導體激光裝置，包含一活性層和一夾住活性層的包覆結構，此包覆結構包含以1×1018cm-3或更大的濃度摻雜了雜質的可飽和吸收層，此可飽和和吸收層被置于離開活性層處。
在本發明的一實施例中，此半導體激光裝置在記錄信息到記錄媒體中時以單模式實現激光振蕩，并在再現記錄在記錄媒體中的信息時以自持脈動模式工作。
在本發明另一實施例中，光檢測器被設置在半導體激光裝置的附近。
在本發明的另一實施例中，此光檢測器在一硅基底上形成有多個光二極管，而半導體激光裝置被設置在此硅基底上。
在本發明另一實施例中，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側上形成的一微型鏡面。半導體激光裝置被設置在硅基底的凹形部分中，而由該微型鏡面與此主平面形成的角度被設定為使得由半導體激光裝置發射的激光在由微型鏡面反射后能以接近垂直于硅基底的主平面的方向前進。
在本發明的另一實施例中，在此微型鏡面的表面上形成有金屬膜。
在本發明的另一實施例中，活性層和包覆結構由AlxGayIn1-x-yP(0≤x≤1，0≤y≤1，其中x與y不同時為零)材料制造。
在本發明另一實施例中，可飽和吸收層僅被設置在隔離層的選定區域上。
對所列附圖的簡要說明圖1為一常規示例中的半導體激光裝置的斷面圖；圖2為表示此常規示例中可飽和吸收層的Al克分子分率的圖形；圖3為表示有關GaAs和GaInP的增益對載流子密度的依從關系(增益特性)的圖形；圖4為表示可飽和吸收層中載流子壽命對摻雜水平的依從關系的圖形；圖5為按照本發明的第一示例中AlGaInP式半導體激光器的斷面圖；圖6為按照本發明的第一示例中活性層附近的Al克分子分率的圖形；圖7為表示按照本發明的第一示例中的電流一光輸出特性的圖形；圖8為表示按照本發明的第一示例中光輸出和載流子密度隨時間變化的圖形；圖9為表示按照本發明的第一示例中光輸出和載流子密度的實際測量的時間的波形圖；圖10為表示最大自持脈動輸出(Pmax)對可飽和吸收層的摻雜水平的依從關系的圖形；圖11A和11B為表示按照本發明的第一例中的能帶和電子密度分布的圖形；圖12為表示按照本發明第一示例中相對于隔離層厚度的可飽和吸收層中的電子密度的圖形；圖13為表示按照本發明的第一示例中相對于隔離層厚度的光輸出的自持脈動的存在的圖形；圖14A和14B表示按照本發明的第一示例與常規示例之間的噪聲特性的比較；圖15A和15B表示按照本發明的第一示例中在隔離層以5×1017cm-3及2×1018cm-3的濃度進行摻雜時的可靠性測試結果；圖16為表示最大自持脈動輸出(Pmax)對隔離層的摻雜水平與可飽和吸收層的摻雜水平間之差(ΔP)的依從關系的圖形；圖17-20為表示可飽和吸收層中及其附近的雜質濃度分布的圖形；圖21為按照本發明的第二示例中的AlGaInP式半導體激光裝置的斷面圖；圖22為表示按照本發明第二示例中活性層附近的Al克分子分率的圖形；圖23為按照本發明和第三示例中的AlGaInP式半導體激光裝置的斷面圖；圖24為表示按照本發明第四示例中活性層附近的分率結構的圖形；圖25A-25E為按照本發明第五示例中產生一半導體激光裝置的步驟的斷面圖；圖26為按照本發明第六示例中的AlGaInP式半導體激光裝置的斷面圖；圖27為按照本發明第七示例中的AlGaInP式半導體激光裝置的斷面圖；圖28為表示按照本發明的光盤設備示例的結構的示意圖；圖29為按照本發明的光盤設備中所采用的激光單元的投影圖；圖30表示按照本發明的光盤設備的另一示例的結構的示意圖；圖31為表示按照本發明的光盤設備的示例中所采用的全息照相裝置的功能的圖形；和圖32為按照本發明的光盤設備的示例中所采用的光檢測器的平面視圖。
在本發明的半導體激光裝置中，可飽和吸收層中載流子壽命通過調節此可飽和吸收層的摻雜水平使之降低到6nsec或更小。結果，自發發射的作用相對于載流子密度隨時間的變化比而增加，由此而能容易地實現自持脈動和降低相對的噪聲。
在一般的半導體激光裝置中，活性層附近的摻雜水平低于1×1018cm-3，所以可飽和吸收層中載流子量壽命很長，使得難于自持脈動。根據本發明的發明人的研究，其原因如下在載流子量壽命很長的情況下，自發發射的作用相對于載流子密度隨時間的變化比而減少，而使得其載流子密度很難被振動。下面對此將較詳細地說明。
設置有可飽和吸收層的半導體激光裝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為總的光子數；n為電子密度；Γ為光限制因子；P為空穴密度；βsp為自發發射參數；V為體積；τ為載流子壽命；g為增益；和I為注入電流密度。下標1和2分別對應對于活性層和可飽和吸收層。
在電流注入活性層前，等式(1)至(3)的每項均為零。一旦電流開始被注入活性層，等式中有關電流的項成為很大，所以dn1/dt成為正數。這就是說活性層中的電子密度n1增加。
電子密度n1上的增加導致通過自發發射而使光子數增加和通過增益而使光子數的增加。因此，ds/dt減少而使得總光子數S增加。總光子數S的增加增大了等式(2)的第一項的絕對值，以使dn/dt降低，從而使電子密度n中的減少。
等式(3)第一項中的增益gz起始具有負值。因此，等式(3)的右側成為正的，而可飽和吸收層中的電子密度n2增加。當可飽和吸收層吸收到一定量的光時，增益gz成為正值。當增益gz成為正值時，dn2/dt開始減少并成為負值。
為了實現自持脈動，需要大規模地振動全部光子數S和電子密度n1和n2。為了促成這樣的振動，可增加光限制因子Γ或者可降小體積V1和V2。但是，根據本發明人的試驗，即使在增加光限制因子Γ或減少各層的體積V1和V2時也未實現自持脈動。
本發明人集中注意于可飽和吸收層中的載流子量壽命τ2，通常是被作為常數對待的。通過各種分析和試驗本發明人看到當可飽和吸收層中載流子壽命τ2具有適當值(6nsec或更少)時會實現自持脈動。本發明人還發現通過將可飽和吸收層的摻雜水平設定為一適當值(即1×1018cm-3或較大)可將可飽和吸收層中載流子壽命τ2設置到上述的適當值。
圖4為表示載流子壽命τ2相對于摻雜雜質的可飽和吸收層的摻雜的水平的變化的圖形。由此圖可以了解到載流子壽命τ2的變化很大程度上取決于摻雜水平。這一圖形中曲線的形狀與P-型雜質的種類無關。
如上述，活性層附近的雜質摻雜水平被設置為很低的低于1×1018cm-3的值。這樣作的原因是為防止激光裝置的可靠性因雜質散播到活性層中而降低。但是，載流子壽命τ2在雜質摻雜水平低于1×1018cm-3時太長，所以不能實現自持脈動。
如上所述，按照本發明人的試驗發現，載流子壽命τ2最好大約為6nsec或較小。在圖4所示圖形中，載流子壽命τ2為6nsec或較小的區域被加以陰影線標明。如由圖4中可明顯看到時，載流子壽命τ2在低摻雜水平時成為很長。在摻雜水平低于1×1018cm-3時載流子壽命τ2超過6nsec。相反，增加摻雜水平到1×1018cm-3或更多，例如約2×1018cm-3，載流子壽命τ2可減少到約3nsec。
上述的日本專利公開No.6-260716沒有說明摻雜。日本專利公開No.6-260716說明自持脈動的實現僅僅是通過將具有帶隙等于活性層帶隙的可飽和吸收層引入進被設置在活性層兩側的包覆層來達到的。但是，本發明的發明人看到僅通過將這樣一種可飽和吸收層引入包覆層很難實現自持脈動式激光裝置。
如上所述，由本發明人的試驗已發現，光輸出的自持脈動在普通的1×1017cm-3到1×1018cm-3范圍內的摻雜水平上不大可能實現。
為了在普通的摻雜水平上實現自持脈動，考慮采用一種用于顯著地降低可飽和吸收層的體積V和相對增加載流子濃度作為其他參數的方法。但是為減小可飽和吸收層的體積必須將此層作得較薄。可飽和吸收層中光的制約性隨同該層的體積的減小而減少。因這種原因，光吸收比降低而使得難以獲得具有所希望的自持脈動特性的半導體激光器。
從而，為得到穩定的自持脈動，通過將可飽和吸收層的摻雜水平設置為一適當值來將可飽和吸收層中的載流子壽命τ2規定在一適當的值(6nsec或更小)是非常有效的。
在增加可飽和吸收層的摻雜水平的情況中有幾點應予指出。
通常，大家都知道，采用其主平面由(100)平面傾斜到-(011)的方向(離開基底)的基底能增加在AlGaInP中例如P-型雜質的摻雜水平。但由本發明的發明人的試驗發現，將一高度摻雜的層置于靠近活性層時會降低半導體激光裝置的可靠性。這是因P-型摻雜物Zn的擴散所引起的。這樣，就可靠性而言，僅僅增加可飽和吸收層的摻雜水平就不一定會令人滿意。由高度摻雜的可飽和和吸收所帶來的問題通過插入一相對低的摻雜水平，例如約5×1017cm-3的隔離層來解決。將借助于圖示的示例對此作更詳細的敘述。
在本發明的半導體激光裝置中，為了補償當可飽和吸收層被用作為一量子阱時光制約系數中的減少，將一光導層設置在鄰接到可飽和吸收層的位置上，或在近可飽和吸收層的附近，由此來充分發揮可飽和吸收層所起的光吸收作用。結果就可能獲得穩定的自持脈動特性。
下面將參照附圖通過圖示示例來說明本發明的半導體激光裝置。<示例1>
圖5表示按照本發明的第一示例的半導體激光裝置的斷面結構。
此半導體激光裝置包含一n-型GaAs基底201和在此GaAs基底201上形成的半導體多層結構。此半導體層結構包含一n-型GaAs緩沖層202，一n-型AlGaInP包覆層203，由AlGaInP和GaInP制成的多量子阱活性層204，一P-型AlGaInP隔離層205，一P-型GaInP高度摻雜的可飽和吸收層206，第一P-型AlGaInP包覆層207，P-型GaInP蝕刻停止層208，和第二P-型AlGaInP包覆層209。
第二P-型AlGaInP包覆層209具有沿空腔長度方向延伸的條狀(寬度約2.0至7.0μm)。
第二P-型包覆層209的上表面上形成有一接觸層210。在第二P-型包覆層209和接觸層210的兩側形成有n-型GaAs電流阻擋層211。在接觸層210和電流阻擋層211上形成有P-型GaAs帽蓋層212。帽蓋層212的上表面上形成有P-型電極213，而在基底201的反面上形成有n-型電極214。活性層204具有由3個阱層和3個阻擋層構成的多量子阱結構。
在本說明書中，半導體層結構的其余部分，除去半導體層結構中的緩沖層，活性層，接觸層，帽蓋層，和阻擋電流層，被稱之為“包覆結構”，在本示例中，n-型AlGaInP包覆層203，高度摻雜的可飽和吸收層206、P-型GaInP蝕刻停止層208，第一P-型AlGaInP包覆層207，和第二P-型AlGaInP包覆層209組成該包覆結構。
當將電壓加到P-型電極213和n-型電極214上使電流(驅動電流)由P-型電極213流向n-型電極214以便實現激光振蕩時，電流受電流阻擋層211的阻擋以流過接觸層210和第二P-型包覆層209。這使得電流能流過第二P-型包覆層209緊下方的活性層204的區域(電流注入區)而不能流過電流阻擋層211緊下方的區域。在活性層204的電流注入區中產生光并在一定程度上擴散到電流注入區之外。這一光線部分地與可飽和吸收層206交互作用，由此實現自持脈動。
構成本發明的層結構的各半導體層的摻雜水平和厚度如下(表1)名稱 No. 摻雜水平 厚度帽蓋層 ...212 5×1018(cm-3) 3μm接觸層 ...210 1×1018(cm-3) 500A第二P-型包覆層 ...209 1×1018(cm-3) 0.9μm蝕刻停止層 ...208 5×1017(cm-3) 100A第一P-型包覆層 ...207 5×1017(cm-3) 1350A高度摻雜的可飽和吸收層 ...206 2×1018(cm-3) 150A隔離層 ...205 5×1017(cm-3) 900A活性層 ...204 未摻雜 500An-型包覆層 ...203 5×1017(cm-3) 1.0μm緩沖層 ...202 1×1018(cm-3) 0.3μm
圖6表示本示例的活性層附近的(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-型包覆層203、隔離層205、第一P-型包覆層207、和第二P-型包覆層209的Al克分子分率x為0.7。但這些層的Al克分子分率x并不限于0.7。n-型包覆層203、隔離層205、第一P-型包覆層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在各自的層中可分級地或連續地改變。
如圖6中所示，本示例的可飽和吸收層206在包覆結構的P-型部分中被插在離開活性層204的位置中。在本說明書中，包覆結構中位于活性層204與可飽和吸收層206之間的部分被稱之為隔離層205。
本示例的隔離層205的厚度為900。此隔離層205防止可飽和吸收層206被以高濃度摻雜的雜質擴散進活性層204以降低裝置的可靠性。后面將說明隔離層205的理想厚度和雜質濃度。
本示例的可飽和吸收層206的厚度為150。帶有等于或大于150的厚度的可飽和吸收層不具有量子阱結構，所以在可飽和吸收層中不形成量子能級。當可飽和和吸收層206很厚時，換句話說，可飽和吸收層206有很大體積時，其中的載流子密度變得很小。因此，載流子壽命不會縮短，而使得很難實現自持脈動。考慮到這一點，可飽和吸收層的厚度最好小于150。后面將較詳細地說明通過將可飽和吸收層260的厚度作得較薄，例如150或更小，來形成量子阱結構的一示例。
可飽和吸收層206的Al克分子分率被選擇得使可飽和吸收層106充分吸收活性層放射的光。
通常，(AlxGa1-x)0.5In0.5P的帶隙隨Al克分子分率x增加而增加。這樣，圖6也可表示本示例中活性層附近的帶隙的分布。如由圖6可理解的，隔離層205的帶隙大于活性層204和可飽和吸收層206的帶隙。這防止活性層204溢出的少數載流子進入可飽和吸收層206。
隔離層205的帶隙并不需要等于第一P-型包覆層207等的帶隙。為增強對活性層204溢出的載流子的阻擋效果，可將隔離層205的帶隙設定為大于第一P-型包覆層207等的帶隙(隔離層205的Al克分子分率可被設定為大于0.7)。而且，為了調節活性層204和/或可飽和吸收層206的光限制因子，可將隔離層205的帶隙設定為小于包覆結構的其它部分的帶隙(隔離層205的Al克分子分率可被設定為小于0.7)。
在本示例中，可飽和吸收層206的光限制因子大約為4.5％。已發現在可飽和吸收層206的光限制因子為3％時不能得到穩定的自持脈動特性。
圖7表示圖2中所示的半導體激光裝置的電流-光輸出特性。閥值電流約為50mA。在自持脈動式半導體激光裝置的特性中，在閥值電流附近發現光輸出的急劇升高，與普通的半導體激光裝置不同。這是因為由于可飽和吸收層的存在使載流子注入量超過一定閥值之前光不向外釋放。當載流子注入量超過此閥值時，實現激光振蕩，而光輸出開始與注入電流成比例增加。
圖8表示在對應于圖7的圖形中的一點P1的電流通過半導體激光裝置的情況下光輸出對時間的依從關系。由模擬得到圖5中所示的振動波形。由圖8可看到連續地實現光輸出的波動(自持脈動)現象。
圖9表示通過操作一實際生產的自持脈動式半導體激光裝置所得到的光輸出的振動波形。已確認光輸出隨時間作很強的振動并實現自持脈動。
參看圖7，當在到達對應于圖7的點P1的值之后注入電流進一步增加時，自持脈動停止而實現普通的激光振蕩。自持脈動停止時的光輸出假定稱作為最大自持脈動輸出(Pmax)。
圖10表示最大自持脈動輸出(Pmax)對可飽和吸收層的摻雜水平的依從關系。由圖10很顯見，在可飽和吸收層的摻雜水平低于1×1018cm-3(例如0.8×1018cm-3)時，不實現自持脈動。相反，當可飽和吸收層的摻雜水平為1×1018cm-3時，最大的自持脈動輸出(Pmax)為5.1mw；當可飽和吸收層的摻雜水平為1.5×1018cm-3時，最大自持脈動輸出(Pmax)為8.2mw；和當可飽和吸收層的摻雜水平為2.0×1018cm-3時，最大自持脈動輸出(Pmax)為14.3mw。這樣，當摻雜水平為1×1018cm-3或更多時，最大自持脈動輸出(Pmax)迅速升高。
下面將參照圖6說明隔離層的功能。
將說明設置在活性層204與可飽和吸收層206之間的隔離層205的研究結果。在隔離層205變得更薄時可飽和吸收層206更接近添活性層204，因此可飽和吸收層206的光限制因子增加。但當將隔離層205作得太薄時，少數載流子(電子)被從活性層204注入到可飽和吸收層206。
圖11A和11B分別為表示在半導體激光裝置的作用電壓為1.9伏時的能帶(實線)和電子密度分布(虛線)的圖形。圖11A表示在隔離層205的厚度為100A時的特性，而圖11B表示隔離層205的厚度為500A時的情況在隔離層205為500A的情況下，與包覆結構的其他部分的電子密度相比，可飽吸收層206的電子密度稍許增加。但是，在隔離層205為100的情況下，可飽和吸收層206的電子密度超過活性層204的電子密度。這就意味著大量的電子被注入可飽和吸收層206。
在當由于載流子的注入具有很高的電子密度時，可飽和吸收層具有增益并不再吸收激光。因此就變成不可能再實現自持脈動。由試驗已發現，隔離層205的厚度需要大于100。
圖12是表示隔離層的厚度與可飽和吸收層的電子密度之間的關系的圖形。由此圖可看到，當隔離層變厚時，可飽和吸收層的電子密度可被降低。為了實現自持脈動，需要將電子密度壓縮成3×1018cm-3或更小。如由圖21可看到的，為了指令電子密度成為3×1018cm-3或更小，隔離層的厚度要求為200或更大。圖13示出了考慮到隔離層的厚度及自持脈動現象的一實驗結果。由圖12和13可看到，為了實現穩定的自持脈動，要求隔離層的厚度為約200可更大。
圖14A和14B表示半導體激光裝置的相對強度噪聲(RIN)特性。圖14A表示無可飽和吸收層的半導體激光裝置的特性，而圖14B則表示本發明的半導體激光裝置的特性。
本發明的半導體激光裝置示出在一很寬的溫度范圍內的穩定的低噪聲特性。特別是，得到一-140dB的值，所以意識到本發明的半導體激光器是能實際適用的。
下面說明隔離層的雜質濃度。
當可飽和吸收層中載流子壽命通過對隔離層和可飽和吸收層均勻地以雜質摻雜而被縮短時，雜質擴散進活性層以降低激光裝置的特性，而導致裝置的可靠性降低。圖15A表示在隔離層的摻雜水平為5×1017cm-3情況下的可靠性試驗的結果，而圖15B表示在隔離層的摻雜水平為2×1018cm-3的情況下可靠性試驗的結果。如由圖15A和圖15B可看到的，當隔離層以2×1018cm-3的濃度的摻雜物摻雜時，摻雜物擴散到活性層。然后激光裝置的工作電流隨時間迅速變化，使得裝置不實用。已看到，在這樣的高摻雜水平的情況下，激光裝置顯著惡化。
如上述，當活性層附近區域以高濃度雜質摻雜時，激光裝置的特性惡化。因而，為獲得能實現穩定自持脈動的高靠性的半導體激光裝置就要求活性層附近區域如通常的慣例中那樣以相對低的濃度摻雜以雜質，而可飽和吸收層則如本發明中這樣以高濃度摻雜以雜質。
后面將較詳細的說明可飽和吸收層及其附近的雜質濃度的分布。
其中，假定隔離層的摻雜水平與飽和吸收層的摻雜電平之間的差為ΔP。圖16表示Pmax對ΔP的依從關系。如圖中可明顯看到的，ΔP最好為0.3×1018cm-3或更多。隔離層無需以雜質作均勻摻雜，而可將隔離層形成以包括以較高濃度的雜質摻雜的一部分以低濃度雜質摻雜的一部分。
圖17到20表示可飽和吸收層及其附近的雜質濃度分布。
參看圖17，隔離層205和可飽和吸收層206一部分的摻雜水平為1.0×1018cm-3，而鄰接于活性層204的隔離層205的一部分低于1.0×1018cm-3。在此例中，在鄰接活性層204的隔離層205的該部分的摻雜水平與可飽和吸收層206的摻雜水平之差為0.3×1018cm-3或較高，所以能實現穩定的自持脈動。
參看圖18，隔離層205主要以幾乎與可飽和吸收層206同樣的摻雜水平摻雜以雜質，在活性層204附近的隔離層205的一部分以幾乎與活性層204相同的摻雜水平摻雜以雜質，在此例中，活性層204附近的隔離層205的部分的摻雜水平與可飽和吸收層206的摻雜水平間之差也是0.3×1018cm-3或更多，所以能實現穩定的自持脈動。
參看圖19，隔離層205被均勻地摻雜以雜質，在此情況下，隔離層205的摻雜水平與可飽和吸收層206摻雜水平間之差也為0.3×1018cm-3，以使能實現穩定的自持脈動。
在可飽和吸收層206被以高濃度雜質摻雜的情況下，雜質的一部分可能從可飽和吸收層206擴散到與其鄰接的層，如圖20中所示。
在本例中，如圖6中所示，雖然可飽和吸收層206被設置在第一P-型包覆層207中，它也可被設置在n-型包覆層203中。如本例中所述，當可飽和吸收層206位于極其接近活性層204或者當活性層204與可飽和吸收層206間的隔離層205的摻雜水平被規定得太高時，在實際應用中該裝置將喪失其可靠性。當將可飽和吸收層206置于n-型包覆層203中適當的位置時，可飽和吸收層206中載流子壽命可被縮短以與可飽和吸收層206被設置在P-型包覆層207中的情況同樣方式實現穩定的自持脈動。<示例2>
現在說明按照本發明的半導體激光裝置的第二示例，此半導體激光裝置具有包含量子阱結構的恬性層，以使得能獲得高于第一例的光輸出。
如圖21中所示，半導體激光裝置包含一n-型GaAs基底1201和此GaAs基底1201上形成的半導體層結構。此半導體層結構包含有n-型GaAs緩沖層1202，n-型AlGaInP包覆層1203，由AlGaInP和GaInP制成的多量子阱活性層1204，P-型AlGaInP隔離層1205，P-型GaInP高度摻雜的量子阱可飽和吸收層1206，光導層1207，第一P-型AlGaInP包覆層1208，P-型GaInP蝕刻停止層1209，和第二P-型AlGaInP包覆層1210。
第二P-型AlGaInP包覆層1210具有在空腔長度方向延伸的條狀(寬約2.0～7.0μm)。
第二P-型包覆層1210的上表面上形成有接觸層1211。第二P-型包覆層1210和接觸層1211的兩側形成一n-型GaAs電流阻擋層1212，在接觸層1211和電流阻擋層1212上形成P-型GaAs帽蓋層1213。帽蓋層1213的上表面上形成P-型電極1214，而在基底1201的反面形成n-型電極1215。活性層1204具有由3個阱層和3個阻擋層構成的多量子阱結構。
形成這一半導體激光裝置的各半導體層的種類、厚度、雜質濃度等均與第一示例中的相同。本示例半導體激光裝置的特性如下1)量子阱可飽和吸收層1206(厚度30～105)被用作為可飽和吸收層；2)多量子阱活性層1204被用作為活性層；3)可飽和吸收層1206被以高濃度(1.0×1018cm-3或更大)摻雜；和4)由(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P制成的光導層1207(厚度300至1500)被設置在可飽和吸收層1206的鄰近。
后面將參照圖22較詳細地說明本示例的半導體激光裝置。
如由圖22很顯見，本示例中，光導層1207被設置在可飽和吸收層1206的附近。光導層1207具有小于可飽和吸收層1206的并大于隔離層1205及第一P-型包覆層1208的折射率。
在將可飽和吸收層1206作得很薄以便有一量子阱結構的情況下，其光限制因子大大減少。另外，以高濃度摻雜的可飽和吸收層1206不能被設置得這樣靠緊活性層1204。結果，在這種狀態下才能實現自持脈動。
在本例中，通過在可飽和吸收層1206附近配置由(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P制成的其折射率大于包覆結構的其他部分的光導層1207來提高可飽和吸收層1206的光限制因子。當插入光導層1207而將可飽和吸收層1206的光限制因子設定為至少約1.5％或更大時，就能實現穩定的自持脈動。
在提供可飽和吸收層1206一量子阱的情況下，因為可飽和吸收層1206的厚度很小，如沒有光導層1207就不能將其光限制因子設定得很大以足以實現自持脈動。當增加可飽和吸收層1206的層數來增加其光限制因子時，可飽和吸收層1206的體積增大而降低其載流子密度，結果不實現自持脈動。這樣就通過在可飽和吸收層1206附近設置光導層1207來實現自持脈動。
光導層1207的帶隙最好大于可飽和吸收層1206的并小于隔離層1205的帶隙。但是，當光導層1207的帶隙太接近可飽和吸收層1206的帶隙時，可飽和吸收層1206中所被限制的光太多。結果不出現光吸收的飽和特性。
多量子阱活性層1204包括3個量子阱層，并且各量子阱層的厚度為50A。量子阱可飽和吸收層1206的附近的光導層1207被作成為具有1500A厚度的層(克分子分率X＝0.5)。看到光導層1207為200A或更大時其厚度變為有效。
量子阱可飽和吸收層1206可被設置得更接近多量子阱活性層1204，只要少數載流子不注入量子阱可飽和吸收層1206。當量子阱可飽吸收層1206被設置得太接近活性層1204時，已由活性層1204溢出的少數載流子被注入進可飽和吸收層1206。這樣，將可飽和吸收層1206設置在活性層1204附近以盡可能地防止少數載流子被注入進可飽和吸收層1206是恰當的。為了抑制少數載流子由活性層1204注入可飽吸收層1206，最好將隔離層1205的帶隙規定為大于包覆結構的其他部分的帶隙。也可將例1中所述的隔離層1205的厚度和雜質濃度應用到本示例。
與采用體活性層的半導體激光裝置的最大光輸出相比，通過將量子阱結構引入多量子阱活性層1204中使本示例中的半導體激光裝置的最大光輸出(Pmax)增加約20％。此外，閥值電流減小使半導體激光裝置能在高溫下運行。
本示例半導體激光裝置中，已證實圖9中所示的自持脈動現象并獲得-130dB/Hz或更低的相對強度噪聲(RIN)。如上所述，本例的半導體激光裝置的特性可通過采用包含有量子阱活性層，低濃度隔離層，高度摻雜的可飽和吸收層，和光導層的新穎結構來實現。<示例3>
現參照圖23說明本發明半導體激光裝置的第三示例。
在一n-型GaAs基底1401上按順序形成有緩沖層1402，由AAlGaInP制成的n-型包覆層1403，活性層1404，由AlGaInP制成的第一P-型包覆層1405，和由P-型GaInP制成的蝕刻停止層1406。在蝕刻停止層1406上形成由AlGaInP制成的脊狀的第二P-型包覆層1407和由P-型GaInP制成的接觸層1408。脊狀的第二P-型包覆層1407和接觸層1408的兩側被覆蓋以由n-型GaAs層構成的電流阻擋層1409。再有，在接觸層1408和電流阻擋層1409上形成由P-型GaAs制成的帽蓋層1410。而在帽蓋層1410和基底1401的反面上分別形成有P-型電極1411和n-型電極1412。
另外，鋅(Zn)作為P-型雜質擴散到脊狀條紋之外(即鄰接電流注入區的區域)。這使得能在活性層1404的電注注入區外面的區域中形成高度摻雜的可飽和吸收區域1413。
本示例的半導體激光裝置與上述的不同之處在于活性層1404的一部分起作為可飽和吸收區域的作用。活性層1404的電流注入區中產生的光的一部分漫射到位于電流注入區兩側的可飽和吸收區域1413并被其所吸收，由此實現自持脈動現象。
隨著可飽和吸收區域1413的載流子壽命更短，更易與實現自持脈動。較具體說，需要將壽命規定為6nsec或更少，并希望將可飽和吸收區域1413的載流子濃度規定為1×1018cm-3或更大。
另外，由試驗結果了解到，分布在可飽和吸收區域1413中的光量要求為總光量的1％或更多。
在圖23中所示的半導體激光裝置中，實現了自持脈動現象并得到-130dB/Hz或更小的RIN。
在此示例中，形成有以高濃度摻雜以擴散的Zn的可飽和吸收區域。但是起一可飽和吸收區域作用的活性層的1404的區域可通過采用另外的摻雜方法例如離子注入方法來進行高濃度的雜質摻雜。<示例4>
現參照圖24說明第四示例半導體激光裝置。圖24表示包含n-型包覆層1804至第一p-型包覆層1806在內的各層的能帶。這一能帶類似于圖12的能帶。
在此例中，活性層與可飽和吸收層間的區域(隔離層)由三部分(1800，1805a，和1805b)組成。第一隔離層1805a由(Al0.7G0.3)0.5In0.5p層構成，厚度60。多量子阻擋(MQB)層1800由厚度為14的Ga0.5In0.5p量子阱層和厚度為14的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P量子阻擋層構成。第二隔離層1805b由厚度60的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P層構成。
多量子阻擋(MQB)層1800用于形成阻止注入電子的實際阻擋層的目的。第一隔離層1805a、多量子阻擋(MQB)層1800、和第二隔離層1805b的總厚度為260A。第一隔離層1805a和第二隔離層1805b被設置來防止因隧道效應引起的電子流通穿過多量子阻擋(MQB)層1800。
上述的結構使導帶中阻止注入電子的勢壘增加100mv，從而能防止電子由活性層1802流到可飽和吸收層1801。由于多量子阻擋層1800的存在，與沒有多量子阻擋層的厚度為260A的隔離層相比較，可飽和吸收層1801的光限制因子增加1％。
如上所述，可飽和吸收層1801中的光分配的比(光限制因子)隨著可飽和吸收層1801與活性層1802間的隔離層變薄而增加，換句話說，即隨可飽和吸收層1801與活性層1802間的間隔變小時而增加。但是當此間隔太小時，可飽和吸收層1801的電子密度因由活性層1802注入的電子而增加，使得不可能實現自持脈動。
如上所述，本示使中多量子阻擋層(MQB)被插在隔離層與可飽和吸收層之間，多量子阻擋層由于活性層溢出的電子的波動所產生的干擾作用而使得其在活性層與隔離層間的有效阻擋層高度增加。因而注入進可飽和吸收層的電子減少。
一個優點是，通過在可飽和吸收層的附近設置超晶格，例如多量子阻擋層，而使可飽和吸收層的光限制因子增加。這樣，按照本示例的結構，通過將隔離層作得較薄而增加可飽和吸收層的光限制因子并由于多量子阻擋層而防止電子注入可飽和吸收層。這使得能易于實現自持脈動。<示例5>
當含有活性層的電流注入區的電流通路之外存在有可飽和吸收層時，被注入可飽和吸收層的載流子以平行于基底的方向在可飽和吸收層中擴散。這增長可飽和吸收層的載流子壽命，使其難以實現自持脈動。這樣，最好是有選擇地去除位于電流通路以外的可飽和吸收層的部分。
后面通過說明在可飽和吸收層由GaInp混合晶體制成和包覆層和隔離層由AlGaInP混合晶體制成的情況來描述有選擇地去除可飽收層的一部分的方法。
作為去除位于電流通路之外的可飽和吸收層的一部分的方法的示例，在一電流注入區上方形成由SiO2等制成的蝕刻掩膜，而未被遮掩的包覆層和設置在包覆層之下的可飽和吸收層的區域則通過以硫酸型溶液作濕法蝕刻或以氯氣型氣體作干式蝕刻而被去除。但是，可飽和吸收層和活性層間的間隙很小，即為數百A的數量級。因此就有可能，在蝕該可飽和吸收層的步驟期間造成過度蝕刻或在蝕刻步驟之后在水洗或在空氣中運輸期間活性層遭到損壞，明顯地命名裝置特性惡化。為了避免這樣的麻煩，在一金屬有機汽相生長方法，金屬有機分子束生長方法等中以一相對于形成可飽和吸收層的混合晶體具有蝕刻作用的氣體，例如砷化氫，蝕刻反應室中的裝置的可飽和吸收層1，然后在反應室中生長擴散阻擋層。
下向參照圖25A至25E說明適用于本發明的蝕刻可飽和吸收層1906的方法。
參看圖25A，在一n-型GaAS基底1901上依次形成Si摻雜的n-型GaAS緩沖層1902，Si摻雜的n-型ALGaInP包覆層1903，應變的多量子阱活性層1904，Zn摻雜的P-型AlGaInP隔離層1905，P-型GaInP可飽和吸收層1906，和Zn摻雜的p-型AlGaInP包覆層1907。然后，在這一層結構的電流注入區上選擇形成SiO2掩膜。
接著，如圖25B中所示，未被此SiO2掩膜遮蓋的p-型AlGaInP包覆層1907的區域被以硫酸溶液選擇地蝕刻，而使p-型AlGaInP包覆層1907被形成為條狀。
在其上面形成此層結構的基底1901被置于金屬有機氣相生長設備的反應管中。然后，在壓力為76Torr下的氫氣環境中將砷化氫以每分鐘1000cc的量導入反應管中，并將基底1901加熱至600℃。如圖25c中所示，可飽和吸收層1906被蝕刻。在此條件下GaInP可飽和吸收層1906的蝕刻速率為5μm/小時。這樣，為去除5nm的可飽和吸收層1906需要3.6秒的蝕刻時間。
接著，如圖25D中所示，砷化氫、三乙基鎵(TMGa)、和硅烷氣(SiH4)被作為n-型摻雜物導引進反應管，由此選擇性地外延生長成作為一載流子擴散阻擋層和一電流阻擋層工作的n-型GaAa層1908。
按照此方法，可飽和吸收層的一部分被選擇去除并能形成擴散阻擋層，而不會損傷活性層。
此后，如圖25E中所示，順序形成p-型GaAS接觸層和p-型電極。
如上所述，按照本示例，可去除可飽和吸收層的一部分不會損壞活性層，并可將n-型GaAS層用作為電流阻擋層。因此，能實現具有小形態比和被壓縮的電流擴散的半導體激光裝置。<示例6>
當將作高濃度摻雜的可飽和吸收層設置在一半導體激光裝置的活性層附近時，高濃度中的摻雜物在半導體多層薄膜外延生長期間以固相擴散達到活性層。這造成可能擴散的故障，而對激光裝置的可靠性起不利影響。如上所述，按照本發明，不可避免地要以高濃度雜質來對可飽和吸收層進行摻雜。因此對由于雜質從可飽和吸收層擴散而引起的生產量的降低和裝置特性的惡化進行了研究。
已發現，同時將n-型摻雜物Si和p-型摻雜物Zn加到GaInP可飽和吸收層，可抑制Zn的擴散，而能形成具有良好還原性而不會擾亂所希望的載流子濃度分布的半導體多層膜(見日本專利申請No.4-156522)。
為了利用上述效果，以如下結構產生半導體激光裝置，其中可飽和吸收層同時摻雜以p-型和n-型摻雜物。將描述本發明的第六示例。
參看圖26，下面說明本發明半導體激光裝置的第六示例。
基底2001為一其主平面從(100)平面以〔011〕方向傾斜9℃的n-型GaAs基底。在此基底2001上依次形成由Si摻雜的n-型GSAS制成的緩沖層2002，由Si摻雜的n-型AlGaInP制成的包覆層2003，應變的多量子阱活性層2004，由Zn摻雜p-型AlGaInP制成的隔離層2005，由Zn和Si摻雜p-型GaInP制成的應變的量子阱可飽和吸收層2006，由Zn摻雜p-型AlGaInP制成的光導層2007，由Zn摻雜P-型AlGaInP制成的第一p-型包覆層2008，和由Zn摻雜的p-型GaInP制成的蝕刻停止層2009。
在蝕刻停止層2009上形成有由Zn摻雜的p-型AlGaInP制成的脊形第二p-型包覆層2010和由Zn摻雜的p-型GaInP制成的接觸層2011，脊形第二P-型包覆層2010和接觸層2011的二側被覆蓋以由Si摻雜的n-型GaAS制成的電流阻擋層2012。而且，在接觸層2011和電流阻擋層2012上形成有由Zn摻雜的p-型GaAS制成的一帽蓋層2013，在帽蓋層2013和基底2001的反面上分別形成一P型電極2014和n-型電極2015。
本示例的半導體激光裝置的結構圖與圖12中的相同。應變的多量子阱活性層2004包含三個厚度為5nm的應變的量子阱。應變的量子阱可飽和吸收層2006的光導層2007具有0.5克分子分率和150nm的厚度。
本示例與上述示例的差別在于通過將p-型摻雜物和n-型摻雜物同時加到應變的量子阱可飽和吸收層2006來將應變的量子阱可飽和吸收層2006的載流子濃度設定到所希望的水平。在這種情況下，所加的Zn和Si的量被精確地調整到使應變的量子阱可飽和吸收層2006的載流子濃度為2×1018cm-3。
由本示例的方法產生的半導體激光裝置中，實現的自持脈動現象類似于未同時摻雜以二種摻雜物的方法得到的自持脈動現象，并得到-130B/Hz或更小的RIN。而且，實現自持脈動的半導體激光裝置的生產率基本上由5％提高到50％，而假定的壽命由5000小時提高到20000小時。因而得到實用中沒有任何問題的半導體激光裝置。
在本示例中，通過同時將p-型摻雜物和n-型摻雜物摻雜到可飽和吸收層來抑制以高濃度摻雜的Zn的擴散。這使得裝置的生產和操作過程中載流子濃度分布不能作偏離所希望值的較大變化。因此能提高半導體激光裝置的各種特性和生產率。
在本示例中，Zn和Si被用作為摻雜物。但是，所用摻雜物并不限于此。也可利用Mg或類似物作為p-型摻雜物，利用Se或類似物作為n-型摻雜物。<示例7>
在示例六中說明了適用于防止摻雜物從可飽和吸收層擴散的結構。此示例七中將說明具有還能防止摻雜物從電流阻擋層擴散的結構的半導體激光裝置。
在生產半導體激光裝置的過程中生長半導體層的情況中，當在附近存在有再生長界面時，雜質的擴散將通過界面上的缺陷而被加速。因此，Zn被認為在形成掩蓋結構，例如在形成GaInP可飽和吸收層后設置電流限制層期間會引起問是。然后發現，將Si作為n-型摻雜物和Zn作為p-型摻雜物同時加到GaAS電流阻擋層，可防止Zn從GaInP可飽和吸收層擴散并能以良好的再現性而不擾亂所希望的載流子濃度分布地形成多層半導體多層膜。為利用上述效果以下列結構產生半導體激光裝置，其中可飽和吸收層同時摻雜以p-型和n-型摻雜物。
參照圖27來說明本發明的半導體激光裝置的第七示例。
基底2101為具有一從(100)平面以〔011〕方向傾斜9℃的平面的n-型GaAS基底，在其上依次形成由Si摻雜的n-型GaAS制成的緩沖層2102，由Si摻雜的n-型AlGaInp制成的包覆層2103，應變的多量子阱活性層2104，由Zn摻雜的p-型AlGaInP制成的隔離層2105，由Zn和Si摻雜的p-型GaInP制成的應變的量子阱可飽和吸收層2106，由Zn摻雜的p-型AlGaInP制成的光導層2107，由Zn摻雜的p-型p-型AlGaInP制成的第一p-型包覆層2108，和由Zn摻雜的p-型GaInP制成的蝕刻停止層2109。
在蝕刻停止層2109上形成有由Zn摻雜的p-型AlGaInP制成的脊形第二p-型包覆層2110和由Zn摻雜的p-型GaInP制成的接觸層2111。脊形第二p-型包覆層2110和接觸層2111的兩側被覆蓋以由Si和Zn摻雜的n-型GaAS制成的電流阻擋層2112。
另外，在接觸層2111和電流阻擋層2112上還形成有由Zn摻雜的p-型GaAS制成的帽蓋層Zn3。在頂蓋層2113和基底2101的反面分別形成P型電極2114和n-型電極2115。
本例的半導體激光裝置的結構圖與圖12的相同。應變的多量子阱活性層2104包含厚度為5nm的三個應變的量子阱。此應變的量子阱可飽和吸收層2106的光導層2107具有0.5的克分子分率和150nm厚度。
本示例與上述示例的不同點在于通過對其同時加入n-型和p-型摻雜物來將電流阻擋層2112的載流子濃度設置到所希望的水平。在這種情況下，將所加入的Si和Zn量精確地調整為電流阻擋層2112的載流子濃度成為3×1018cm-3。
由此示例方法所生成的半導體激光裝置中，實現了類似于由不同時摻雜以兩種摻雜物的方法所得到自持脈動現象，并獲得-130dB/Hz或更少的RIN。另外，實現自持脈動的半導體激光裝置的生產率基本上由5％提高到60％，所假定壽命由5000小時改善到40000小時。因而得到實用中不存在問題的半導體激光裝置。
本例中通過同時加入n-型和p-型摻雜物到電流限制層來抑制應變的量子阱可飽和吸收層以高濃度摻雜的Zn的擴散。這使得載流子濃度分布不能改變，從而有效地增強了半導體激光裝置的各種特性和生產率。
在此例中，應變的量子阱可飽和吸改層和電流阻擋層同時以兩種雜質摻雜。但是在僅有電流阻檔層同時以兩種雜質摻雜也能取得相同的效果。
此例中采用Zn和Si作為摻雜物。但所用的摻雜物并不限于此。也可以采用Mg等作為p-型摻雜物，和Se等作為n-型摻雜物。<示例8>
后面將說明按照本發明的芯片檢驗步驟。
總的說，多個半導體激光激光裝置由一半導體晶片形成。較具體說，在一半導體晶片上形成p-型電極n-型電極之后半導體晶片基底被進行分割以便得到多個條。然后各條的切口表面被涂覆以反射膜。
在芯片檢驗步驟中被確定具有預定范圍之外的特性的半導體激光裝置被作為有缺陷產品而加以排除。例如，條形的半導體激光裝置即被作缺陷產品加以排除，當在室溫下以脈沖驅動時其閥值電流不在100至200mA范圍內時。
接著，從在芯片檢驗步驟中未被排除的條得到激光芯片，這些激光芯片被密封進外殼中用于進行裝配步驟。
然后進行老化步驟。本發明人發現在半導體激光裝置具有以p-型雜質摻雜的可飽和吸收層的情況下，激光振動開始時激光裝置的特性在經過一分鐘或較長之后發生變化。還發現在緊接激光振動開始經過數分鐘之后此特性趨向于穩定化。較具體說，緊隨激光振動開始經過約10分鐘后的此特性成為保持幾乎恒定的狀態。例如，在一半導體激光裝置在獲得予定光輸出的條件下被加以驅動的情況下，盡管在緊接著激光振動開始之后激光裝置即以約100mA驅動電流工作，在過去1至10分鐘之后激光裝置有時會成為以約70mA的驅動電流工作。
上述特性中的變化在激光振動開始后相當短的時間期間內所引起的，但在經過此時間期間后不會被引起。鑒于這一原因，這樣的特性變化將被稱之為“特性中的初始變化”。
在應用包含半導體激光裝置的裝置和系統作為光源的情況中，最好此半導體激光裝置的驅動電流不改變。因此本發明的半導體激光裝置在交貨前最好經受特性例如閥值電流的穩定化步驟(老化步驟)。在此老化步驟中，使芯片形式的半導體激光裝置能在室溫下連續作激光振動1到120分鐘，或者使之能在50℃下實現脈沖振蕩1至120分鐘。這些步驟需要在芯片裝配前進行。
還發現，可通過在將晶片分割成多個條之前使晶片經受300℃至800℃的退火處理約10至60分鐘來使激光裝置的特性穩定化，代替進行老化步驟。半導體激光裝置的特性可通過在裝配前在晶片狀態下作退火處理來進行穩定化。這使得能通過裝配前的檢驗來剔除缺陷產品，以避免裝配缺陷裝置造成浪費。而且無需分開地處理半導體激光裝置，因此能同時處理多個半導體激光裝置。用于穩定化特性進行的退火處理可在晶片被分成激光條之后進行。
上述的老化步驟和退火處理在可飽和吸收層被以高濃度p-型雜質(特別Zn)作摻雜的情況下發揮最好的效果。
在上述任一例中，已說明了AlGaInP型半導體激光裝置。但是本發明并不局限于此。例如本發明可被應用到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。不管應用何種型式材料，只要可飽和吸收層以1×1018cm-3或更大的濃度摻雜雜質總能實現穩定的自持脈動。
在AlxGa1-xAS(0≤x≤1)型半導體激光裝置的情況下，例如，活性層由AL0.1Ga0.9AS制成，可飽和吸收層由GaAS制成，和包覆層由AlGaAS制成。
在AlxGayIn1-x-yN(0≤X≤1，0≤y≤1)型半導體激光裝置的情況下，例如，活性層由In0.05Ga0.9N制成，可飽和吸收層由In0.2Ga0.5N制成，和包覆層由Al0.1Ga0.9N制成。
在MgxZn1-xSySe1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)型半導體激光裝置的情況下，例如，活性層由Cd0.2Zn0.8Se制成，可飽和吸收層由Cd0.3Zn0.7Se制成，和包覆層由Mg0.1Zn0.9S0.1S0.9制成。<示例9>
下面將參照圖28說明本發明的光盤設備。
此光盤設備包括有本發明的半導體激光裝置801，對由半導體激光裝置801發射的激光(波長650nm)進行準直的準直儀透鏡803，將平行光分開成三個激光束(圖中僅表示出一激光束)的衍射光柵804，發送/反射激光特定分量的半棱鏡805，和將來自半棱鏡805的激光聚焦到光盤807上的會聚透鏡806。具有例如約1μm直徑的激光束斑形成在光盤807上。作為光盤807，可采用可重寫的以及只讀的光盤。
由光盤807反射的激光在被半棱鏡805反射后通過光接收透鏡808和柱面透鏡809并投射到光感受器810上。此光感受器810具有被分多個片段的光二極管，并根據由光盤807反射的激光產生信息再生信號、跟蹤信號、和聚焦誤差信號。驅動系統811根據跟蹤信號和聚焦誤差信號驅動光學系統，以此來調整光盤807上的激光束斑的位置。
在此光盤設備中，作為除半導體激光裝置801外的組成部件，均可采用公知的裝置。如上述，本示例的半導體激光裝置801具有以高濃度摻雜的可飽和接收層。因此，即使在由光盤807反射的激光一部分經過半棱鏡805和衍射光柵804返回到半導體激光裝置801，相對強度噪聲也能維持為低電平。
在圖22中所示的半導體激光裝置中，在光輸出達到約10mw時實現自持脈動。但是，當光輸出增加到以超過這一水平時，振蕩狀態逐漸從自持振蕩變到單模振蕩。例如，在光輸出約15mw時不實現自持脈動。在再現記錄在光盤中的信息時，半導體激光裝置應當不會因自持脈動造成返回光噪聲。但在光盤上記錄信息時，無需實現自持脈動。例如，當信息在光輸出約15mw時被記錄并在光輸出約為5mw時被再現，就能進行信息的低噪聲記錄以及低噪聲再現。
如上所述，在本發明的光盤設備中，在波長為630到680nm時能得到低噪聲再現而無需利用進行高頻疊加的電路元件。
相反，工作在波長630至680nm的通常的AIGaInP型半導體激光裝置不能實現穩定的自持脈動。因此，在光盤設備中采用通常的AlGaInP型半導體激光裝置的情況下，需要通過對驅動電流作高頻疊加來抑制返回光噪聲，這就要求一大規模高頻疊加電路，而這不利于光盤設備的小型化。<示例10>
下面將說明按照本發明的光盤設備的另一示例。
此光盤設備采用包含上述本發明的半導體激光裝置的激光單元。此激光單元包含一其上形成有光二極管的硅基底和其上安裝的半導體激光裝置。另外，在硅基底上還形成有用于反射由半導體激光裝置發射的激光的微型鏡面。
現在參照圖29說明激光單元。如圖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的底面上設置一半導體激光裝置3。凹形部分2的一個側面形成有角度以便起微型鏡面4的功用。在硅基底1的主平面1a為(100)平面的情況下，(111)平面通過非均勻蝕刻而被暴露以便被用作為微型鏡面4。(111)平面從(100)平面傾斜54°。因此，當應用一離基底其主平面1a在<110>方向上從(100)平面傾斜9°時，就能得到相對主平面1a傾斜45°的(111)平面。被設置在(111)平面相對位置上的(111)平面相對主平面傾斜63°。微型鏡面4不形成在這一平面上，而一用于監視光輸出的光二極管5(見后述)形成在它上面。由非均勻蝕刻形成的(111)平面為一光滑鏡面平面，以便能起突出的微型鏡面4的功能。但為了增強微型鏡面4的反射效率，最好在硅基底1的傾斜面上汽相淀積不大可能吸收激光的金屬膜。
除了用于監視半導體激光裝置3的光輸出的光二極管5之外，硅基底1上還形有用于檢測光信號的被分為5路的光二極管6a和6b。
參照圖30說明本例的光盤設備。由具有上述結構的激光單元10的半導體激光裝置(圖30中未表示)發射的激光被從微型鏡面反射(圖30中未表示)并被全息部件11下面上形成的光柵分割成三個光束(此圖中為了簡單僅表示出一個光束)。此后，激光通過四分之一波片(1/4λ片)12和物鏡13并聚焦到光盤14上。從光盤14反射的激光通過物鏡13和1/4λ片12并由全息部件11的上面上形成光柵進行衍射。這種衍射使得能形成負一級光和正一級光，如圖31中所示。例如，負一級光被輻射到位于圖左側的光接收區15a而正一級光被輻射位于圖右側的光接收區15b。全息部件11上表面上形成的光柵的圖形被調節成使得負一級光的焦距與正一極光的不同。
如圖32中所示，在激光被聚焦在光盤上時，激光單元10的光接收區15a上形成的反射激光束斑的形狀成為與光接收區15b上而形成的一樣。當激光未聚焦到光盤上時，激光單元10的光接收區15a上形成的反射激光束斑的形狀成為與光接收區15b上所形成的不一樣。
左右光接收區上所形成的光束斑的大小被作為聚焦誤差信號(FES)檢測如下FES＝(S1+S3+S5)-(S2+S4+S6)式中S1至S3指示形成光接收區15a的5個光二極管中的中央3個光二極管輸出的信號的強度，而S4至S6指示形成光接怍區15b的5個光二極管中的中央3個光二極管輸出的信號強度。當聚焦誤差信號(FES)為零時，激光聚焦在光盤上。圖30中所示的致動器13驅動物鏡13以使聚焦誤差信號(FES)成為零。
跟蹤誤差信號(TES)被得到如下TES＝(T1-T2)+(T3-T4)式中，T1和T2指示形成光接收區15a的5個光二極管兩側的2個光二極管輸出的信號強度，而T3和T4指示形成光接收區15b的5個光二極管的兩側的2光二極管輸出的信號強度。
信息信號(RES)被得到如下RES＝(S1+S3+S5)+(S2+S4+S6)在本示例中采用其中半導體激光裝置與光二極管相結合的激光單元。但半導體激光設備也可與光二極管分開。
如上述，通過利用將半導體激光裝置與光二極管相結合的激光單元而使得光盤設備小型化。而且由于予先在硅基底上形成有光二極管和微型鏡面，光準直的進行僅需以硅基底準直半導體激光裝置。以這種方式，易于進行光學準直而使得增強了裝配精度和簡化了制造過程。
如上述，按照本發明，所提出的光導體激光裝置通過增加可飽和吸收層的摻雜水平而被得到，其中控制了載流子壽命并實現了穩定的自持脈動特性。
再者，本發明的半導體激光裝置通過將量子阱應用到活性層并采用設置有光導層的量子阱可飽和吸收層，使得能實現較高輸出的自持脈動特性。
另外，本發明的半導體激光裝置通過提供鄰接活性層的電流注入區的高摻雜可飽和吸收區來使得能易于實現自持脈動。
而且，按照本發明，通過在隔離層中設置多量子阻擋層來抑制電子的注入進可飽和吸收層和增加可飽和吸收層的光限制因子。由此而易于實現自持脈動。
再者，按照本發明，通過同時將n-型摻雜物和p-型摻雜物加到可飽和吸收層和電流限制層來抑制摻雜物的擴散以保證載流子濃度分布不改變。因此本發明對半導體激光裝置的各種特性和生產率的提高極為有效。
權利要求
1.自持脈動式半導體激光裝置，包括活性層和夾住此活性層的包覆結構，其中包覆結構包含以1×1018cm-3或較高的濃度的摻雜以雜質的可飽和吸收層；和此可飽和吸收層被設置在離開活性層的位置上。
2.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中可飽和吸怍層與活性層間的間隔為200或較大。
3.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中是包覆結構還包含在活性層與可飽和吸收層之間的具有帶隙大于活性層和可飽和吸收層的帶隙的隔離層。
4.按照權利要求3的自持脈動式半導體激光裝置，其中隔離層具有200或更大的厚度。
5.按照權利要求4的自持脈動式半導體激光裝置，其中鄰接到活性層的隔離層至少200厚度的區域的雜質濃度為0.7×1018cm-3或更小。
6.按照權利要求5的自持脈動式半導體激光裝置，其中隔離層以0.7×1018cm-3或較小的濃度被均勻地摻雜雜質。
7.按照權利要求6的自持脈動式半導體激光裝置，其中可飽和吸收層具有局部地高于鄰接此可飽和吸收層的包覆結構的一部分的雜質濃度的雜質濃度。
8.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中可飽和吸收層所摻雜質為p-型。
9.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中包覆結構還包含具有小于活性層與可飽和吸收層之間的隔離層的帶隙的帶隙的光導層。
10.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中包覆結構還包含光導層，及可飽和吸收層被設置鄰接于光導層。
11.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置， 其中包覆結構還包含光導層，及可飽和吸收層被設置在光導層中。
12.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中包覆結構還包含光導層，及可飽和吸收層被設置在此光導層的附近。
13.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中包括摻雜以n-型和p-型雜質的電流限制層。
14.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，包括在活性層與可飽和吸收層之間的由帶隙大于活性層帶隙的材料制成的隔離層；至少兩個由帶隙小于隔離層帶隙的材料制成的量子阱層；和設置在量子阱層之間的由帶隙大于量子阱層的帶隙的材料制成的量子阻擋層。
15.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中具有與包覆層導電性不同的導電性的電流阻擋層被設置鄰近于包覆層，且被注入包覆層的電流所通過區域的寬度為7μm或較少。
16.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中在鄰接可飽和吸收層的區域內設置有阻擋載流子擴散進可飽和吸收層的結構。
17.自持脈動式半導體激光裝置，包括活性層和夾住此活性層的包覆結構，其中包覆結構包含以1×1018cm-3或更大的濃度摻雜以雜質的可飽和吸收層和設置在此可飽和吸收層附近的光導層；和該可飽和吸收層被設置在離開活性層的位置。
18.按照權利要求17的自持脈動式半導體激光裝置，其中活性層具有量子阱結構，而可飽和吸收層被形成為一量子阱層。
19.按照權利要求17的自持脈動式半導體激光裝置，其中包覆結構包含p-型包覆層和n-型包覆層；和可飽和吸收層為p-型并被設置在p-型包覆層中。
20.按照權利要求17的自持脈動式半導體激光裝置，其中包覆結構還包含在活性層與可飽和吸收層之間的具有大于活性層和可飽和吸收層的帶隙的帶隙的隔離層。
21.按照權利要求20的自持脈動式半導體激光裝置，其特征是隔離層具有厚度200或更大。
22.按照權利要求21的自持激脈動式半導體激光裝置，其中隔離層的雜質濃度為1×1018cm-3或較小。
23.自持脈動式半導體激光裝置，包括活性層和夾住活性層的包覆結構，其中活性層的一部分起可飽和吸收區的作用；和此可飽和吸收區以1×1018cm-3或更大的濃度摻雜以雜質。
24.按照權利要求23的自持脈動式半導體激光裝置，其中可飽和吸收層的雜質為p-型。
25.按照權利要求23的自持脈動式半導體激光裝置，其中可飽和吸收層被設置在鄰接活性層的電流注入區的位置。
26.自持脈動式半導體激光裝置，包括活性層和可飽和吸收層，其中可飽和吸收層中載流子壽命為6nsec或更少。
27.按照權利要求26的自持脈動式半導體激光裝置，其中可飽和吸收層被摻雜以p-型雜質。
28.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中可飽和吸收層被摻雜以p-型雜質和n-型雜質。
29.用于產生自持脈動式半導體激光裝置的方法，包括步驟形成包含可飽和吸收層的包覆結構；通過部分地去除包覆結構來暴露可飽和吸收層的一部分；以具有蝕刻功能的氣體選擇去除可飽和吸收層的暴露部分；和利用此氣體作為材料形成載流子擴散阻擋層。
30.用于產生包括活性層和夾住此活性層的包覆結構的自持脈動式半導休激光裝置的方法，其中包覆結構包含被以1×1018cm-3或更多的濃度摻雜以p-型雜質的可飽和吸收層，此可飽和吸收層被設置在離開活性層的位置處，此裝置具有在開始激光振蕩之后隨時間改變并在經過約一分鐘之后變為幾乎恒定的特性，所述方法包括一穩定化步驟使得裝置的特性能在激光振蕩開始后立即被改變以便獲得幾乎恒定的特性。
31.按照權利要求30的產生自持脈動式半導體激光裝置的方法，其中此特性為電流一光輸出特性。
32.按照權利要求31的產生自持脈動式半導體激光裝置的方法，其中此穩定化步驟包含通過老化處理來降低閥值電流的步驟。
33.按照權利要求31的產生自持脈動式半導體激光裝置的方法，其中穩定化步驟包含通過退火處理來降低閥值電流的步驟。
34.按照權利要求31的產生自持脈動式半導體激光裝置的方法，其中在穩定化步驟期間閥值電流在激光振蕩開始之后立即從一值被降低25mA或更多。
35.一光盤設備，包括半導體激光裝置，將此半導體激光裝置所發射的激光會聚進記錄媒體的會聚光學系統，和檢測由記錄媒體反射的激光的光檢測器，其中此半導體激光裝置為一包含活性層和夾住此活性層的包覆結構的自持脈動式半導體激光裝置，此包覆結構包含以1×1018cm-3或更高濃度被摻雜以雜質的可飽和吸收層，此可飽和吸收層被置于離開活性層處。
36.按照權利要求35的光盤設備，其中半導體激光裝置在記錄信息進記錄媒體中時以單一模式實現激光振蕩，而在再現記錄媒體中記錄的信息時以自持脈動模式工作。
37.按照權利要求35的光盤設備，其中光檢測器被設置在半導體激光裝置的附近。
38.按照權利要求37的光盤設備，其中光檢測器具有形成在硅基底上的多個光二極管，且半導體激光裝置被設置在硅基底上。
39.按照權利要求38的光盤設備，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側上形成的微型鏡面；其中半導體激光裝置被設置在硅基底的凹形部分中，而由此微型鏡面與主平面形成的角度被設定得使從半導體激光裝置發射的激光在被微型鏡面反射之后以基本上垂直于硅基底主平面的方向前進。
40.按照權利要求39的光盤設備，其中在微型鏡面的表面上形成金屬薄膜。
41.按照權利要求1的自持脈動式半導體激光裝置，其中活性層和包覆層由AlxGayIn1-x-yP(0≤x≤1，0≤y≤1，其中x和y不同時為零)材料制成。
42.按照權利要求3的自持脈動式半導體激光裝置，其中可飽和吸收層僅設置在隔離層的被選擇的區域上。
全文摘要
本發明的半導體激光裝置包含有由n－型GaAS制成的基底(201),活性層(204),和一對夾住活性層(204)的包覆層。此裝置還包含鄰接活性層(204)的隔離層(205)和高度摻雜的可飽和吸收層(206)。通過對可飽和吸收層(206)作高度摻雜來縮短載流子壽命,借此即能獲得穩定的自持脈動。結果,能得到在很寬的溫度范圍內具有很低相對噪聲強度的半導體激光裝置。
文檔編號H01S5/20GK1179860SQ96192893
公開日1998年4月22日 申請日期1996年3月27日 優先權日1995年3月31日
發明者足立秀人, 上山智, 木戶口勛, 上野山雄, 萬濃正也, 福久敏哉 申請人:松下電器產業株式會社