專利名稱：半導體發(fā)光元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體激光器元件，具體涉及600nm帶的窗口結構的高光輸出功率的半導體激光器元件。
背景技術：
近年來，采用InGaAlP系半導體的波長為600nm～700nm的半導體激光器元件開始在DVD(數(shù)字多用途光盤digital versatile disk)等中實用化，作為DVD-RAM/R/RW等的寫入用激光器正在高光輸出功率化。在達到高光輸出功率化時，由于出現(xiàn)不可逆的端面破壞(COD災難性光學損傷Catastrophic Optical Damage)問題，多在激光的出射端面設置窗口區(qū)(window region)。設置這種窗口區(qū)的結構被稱作窗口結構(window structure)。
圖5是具有該窗口結構的半導體激光器元件的現(xiàn)有例的剖面圖。該激光器元件在n型GaAs襯底201上，依次形成由In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P構成的n型覆蓋層(clad)202、由In0.5(Ga0.4Al0.6)0.5P構成的波導層203、由In0.5Ga0.5P/In0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P構成的多重量子勢阱(MQWMultiple Quantum Well)結構的有源層(活性層active layer)204、由In0.5(Ga0.4Al0.6)0.5P構成的波導層205、由In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P構成的p型覆蓋層206、由GaAs構成的p型接觸層207。上述有源層204通過來自p側電極291和n側電極292的電流注入，從發(fā)光區(qū)232向圖中左側的前面?zhèn)榷嗣?10和圖中右側的背面?zhèn)榷嗣?20放射光。通過從上部擴散鋅，在該前面?zhèn)榷嗣?10和該背面?zhèn)榷嗣?20的附近，如圖中斜線所示，形成前面?zhèn)却翱趨^(qū)212和背面?zhèn)却翱趨^(qū)222。在這兩個側窗口區(qū)212、222上，有源層204的勢阱層和勢壘層合金化。此外，在前面?zhèn)榷嗣?10上形成低反射膜211，在背面?zhèn)榷嗣?20上形成高反射膜221。為了取得增益，圖5的高光輸出功率半導體激光器元件的諧振器長度稍長，為700～900μm，各窗口區(qū)212、222的圖中橫方向的長度在有源層204附近大約在30～40μm。此外，有源層204的勢阱層及勢壘層的厚度分別在5nm左右，勢阱層的數(shù)量大約是3。
在圖5的元件中，通過在窗口區(qū)212、222的In0.5Ga0.5P勢阱層中從In0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P勢壘層摻入Al，可擴展窗口區(qū)212、222的勢阱層的帶隙(band gap)。如果擴展該帶隙，則帶隙波長變短。而且，一般，半導體不吸收波長不小于帶隙波長的光。因此，通過擴展帶隙來縮短帶隙波長，可使窗口區(qū)212、222的有源層204的勢阱層不易吸收來自發(fā)光區(qū)的有源層204的勢阱層的光。結果就不易引起端面破壞。
以往認為，在不妨礙工作的范圍內，盡量擴展上述的窗口區(qū)212、222的帶隙，則激光的特性越好。這是因為，認為窗口區(qū)212、222的帶隙越擴展，就越不易引起對窗口區(qū)212、222的有源層204的光吸收，不易引起端面破壞，從而提高可靠性。此外，同時也認為能夠提高光輸出功率。

發(fā)明內容
本發(fā)明人根據(jù)仿真的結果，就有關光輸出功率對上述認為窗口區(qū)的帶隙越擴展激光特性越好的看法持有疑問。為此，本發(fā)明人為了進一步提高半導體激光器的光輸出功率，在各種條件下反復進行了仿真及實驗。其結果表明，在不妨礙工作的范圍內前面?zhèn)却翱趨^(qū)的帶隙越擴展越好，但是對于背面?zhèn)却翱趨^(qū)，通過將帶隙控制在某一范圍內可增加來自前面?zhèn)榷嗣娴募す獾墓廨敵龉β?。此外，如果在此范圍內，則背面?zhèn)榷嗣娴目苟嗣嫫茐男砸才c現(xiàn)有技術幾乎沒有變化。即，獨自得知，通過使背面?zhèn)却翱趨^(qū)的帶隙比前面?zhèn)却翱趨^(qū)狹窄而接近發(fā)光區(qū)，可繼續(xù)維持與現(xiàn)有技術同等程度的可靠性，并可得到光輸出功率比現(xiàn)有技術高的半導體激光器。
本發(fā)明是針對上述問題而提出的。也就是說，本方法是基于本發(fā)明人的不同于現(xiàn)有技術常識的獨自實驗結果而得出的，是基于本發(fā)明人的獨自技術的方法。
為達到上述目的，本發(fā)明提供一種半導體激光器，其特征在于，具有襯底；第1導電型覆蓋層，形成在上述襯底上；有源層，形成在上述第1導電型覆蓋層上，是交替多次疊層由InGaAlP系半導體構成的勢阱層和InGaAlP系半導體構成的勢壘層而成的多重量子勢阱結構，通過電流注入從發(fā)光區(qū)向相互相對的第1端面和第2端面放射光；第2導電型覆蓋層，形成在上述有源層上；第1窗口區(qū)，是形成在上述第1端面附近的區(qū)域，該區(qū)域的上述勢阱層的帶隙比上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙寬；及第2窗口區(qū)，是形成在上述第2端面的附近的區(qū)域，該區(qū)域的上述勢阱層的帶隙比上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙寬，比上述第1窗口區(qū)的上述勢阱層的帶隙窄，該上述第2窗口區(qū)的上述勢阱層的帶隙和上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙的差，以波長變化量表示為不小于10nm、不大于30nm。
為達到上述目的，本發(fā)明提供一種半導體激光器，其特征在于，具有第1導電型覆蓋層；有源層，形成在上述第1導電型覆蓋層上，通過電流注入從發(fā)光區(qū)向相互相對的第1端面和第2端面放射光；第2導電型覆蓋層，形成在上述有源層上；第1窗口區(qū)，是形成在上述第1端面附近的區(qū)域，該區(qū)域的上述勢阱層的帶隙比上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙寬；第2窗口區(qū)，是形成在上述第2端面的附近的區(qū)域，該區(qū)域的上述勢阱層的帶隙比上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙寬，比上述第1窗口區(qū)的上述勢阱層的帶隙窄；及反射膜，形成在上述第2端面上，反射來自上述有源層的上述光。


圖1是表示本發(fā)明第1實施例的半導體激光器元件的剖面圖。
圖2表示本發(fā)明第1實施例的半導體激光器元件的背面?zhèn)却翱趨^(qū)的帶隙波長變化與光輸出功率的關系。
圖3表示本發(fā)明第1實施例的半導體激光器元件的背面?zhèn)却翱趨^(qū)的長度與光輸出功率的關系。
圖4是表示本發(fā)明第2實施例的半導體激光器元件的剖面圖。
圖5是表示現(xiàn)有半導體激光器元件的剖面圖。
具體實施例方式
以下，參照

本發(fā)明的實施例。
第1實施例圖1是本發(fā)明第1實施例的半導體激光器元件的剖面圖。在n型GaAs襯底101上依次形成由In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P構成的n型覆蓋層102、由In0.5(Ga0.4Al0.6)0.5P構成的波導層103、有源層104、由In0.5(Ga0.4Al0.6)0.5P構成的波導層105、由In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P構成的p型覆蓋層106、由GaAs構成的p型接觸層107。上述有源層104是通過交替多次疊層由In0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P構成的勢阱層104A和In0.5Ga0.5P構成的勢壘層104B而成的多重量子勢阱(MQWMultiple QuantumWell)結構。向該有源層104注入來自圖中上部的p側電極191和圖中下部的n側電極192的電流。然后，通過該電流注入，從發(fā)光區(qū)132的勢阱層104A向圖中左側的前面?zhèn)榷嗣?第1端面)110和圖中右側的背面?zhèn)榷嗣?第2端面)120放射波長600nm～700nm的光。
通過在上述前面?zhèn)榷嗣?10和背面?zhèn)榷嗣?20的附近從圖中上部擴散鋅，形成前面?zhèn)却翱趨^(qū)(第1窗口區(qū))112和背面?zhèn)却翱趨^(qū)(第2窗口區(qū))122。在這兩個側窗口區(qū)112、122上使有源層104的In0.5Ga0.5P勢阱層104A和In0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P勢壘層104B合金化。為了易于引起該合金化，有源層104的勢阱層104A的厚度及勢壘層104B的厚度分別設為4nm，勢阱數(shù)設為3。通過該合金化，前面?zhèn)却翱趨^(qū)112及背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的勢阱層104A與發(fā)光區(qū)132的勢阱層104A相比，帶隙變寬，帶隙波長變短。這樣，就能夠抑制前面?zhèn)却翱趨^(qū)112及背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的光吸收，防止端面破壞。
在上述前面?zhèn)榷嗣?10和背面?zhèn)榷嗣?20的上面分別形成低反射膜111和高反射膜121。高反射膜121對來自有源層104的發(fā)光區(qū)132的光的反射率不小于60％，向前面?zhèn)榷嗣?10的方向反射上述光。在本實施例中，作為高反射膜121，采用反射率在90％～95％的膜。另一方面，為了提高激光的光輸出功率，在前面?zhèn)榷嗣?10貼附低反射膜111。在本實施例中，該低反射膜111的反射率大約在10％。通過上述高反射膜121和低反射膜111的反射使激光增益而形成激光，從前面?zhèn)榷嗣?10輸出。此外，低反射膜111配合散熱用散熱片的前方貼附。
圖1的半導體激光器元件的特征之一是，相對使前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的帶隙波長變化(減少)量增大到50nm，使背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量減小到20nm。即，使背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的勢阱層104A的帶隙比前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的勢阱層104A的帶隙窄。也就是說，發(fā)光區(qū)132的勢阱層104A的帶隙波長如設為(λ)μm，帶隙設為(1.24/λ)eV，則前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的勢阱層104A的帶隙波長為(λ-0.05)μm，帶隙波長變化(減少)量為50nm，帶隙為{1.24/(λ-0.05)}eV。與此相對，背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的勢阱層104A的帶隙波長為(λ-0.02)μm，帶隙波長變化量為20nm，帶隙為{1.24/(λ-0.02)}eV。此外，關于各窗口區(qū)的長度，在有源層104從背面?zhèn)榷嗣?20朝前面?zhèn)榷嗣?10的方向，相對于前面?zhèn)却翱趨^(qū)112長為30～40μm，背面?zhèn)却翱趨^(qū)122短至25μm。通過如在背面?zhèn)却翱趨^(qū)122進行一次鋅擴散，而在背面?zhèn)却翱趨^(qū)122進行兩次鋅擴散，能夠設置這種差異。
在以上說明的圖1的半導體激光器元件中，在具有帶隙比發(fā)光區(qū)132寬的窗口區(qū)112、122的窗口結構半導體激光器元件上，由于使背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙比前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的帶隙窄，可維持高可靠性，并能提高光輸出功率。換句話講，在具有帶隙波長比發(fā)光區(qū)132短的窗口區(qū)112、122的窗口結構半導體激光器元件中，由于使背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長比前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的帶隙波長還長，可得到特性高的元件。此外，通過縮短(25μm)背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的長度，能夠進一步提高光輸出功率。
具體來說，本發(fā)明人在測定以100mA工作的圖1激光器元件的光輸出功率(Power)時，光輸出功率約為150mW。與此相對，如現(xiàn)有的方法(圖5)所示，在將前面?zhèn)却翱趨^(qū)212和背面?zhèn)却翱趨^(qū)222都設定為帶隙波長變化量50nm、長度30～40nm時，光輸出功率約為125mW。即，圖1的激光器元件與現(xiàn)有相比，光輸出功率能夠提高大約20％。此外，也能夠維持與現(xiàn)有技術同等的抗端面破壞性及可靠性。
特別是，如圖1的激光器元件所示，減小背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙變化量對普通的技術人員來說是想象不到的。這是因為如果背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙變化量減小，則背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的光吸收應增加。但是，根據(jù)本發(fā)明人的仿真及實驗，得到了不同于現(xiàn)有技術常識的結果。本發(fā)明人認為其理由如下首先，關于光輸出功率上升的理由，認為理由如下。即，如果確實使來自發(fā)光區(qū)132的有源層104的勢阱層104A的發(fā)光不變化，則與把背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量設定為50nm相比較，設定為20nm會增加在背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的光吸收，會降低光輸出功率。但是，實際上，如使背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量變化，會使激光器元件內部的模增益分布及光輸出功率分布變化。因為，與增加在背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的光吸收所帶來的缺點相比，還是認為使波模增益分布及光輸出功率分布適當化所產生的好處大，能增加光輸出功率。
此外，關于不易引起端面破壞、不降低可靠性的理由如下。即，為了提高光輸出功率前面?zhèn)荣N附低反射膜111，并且，與散熱用散熱片的前方配合貼附。因此，前面?zhèn)扰c背面?zhèn)认啾葴囟纫咨?，容易引起端面破壞。這樣，如果不增大前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的帶隙波長變化量，則會降低可靠性。與此相反，背面?zhèn)却翱趨^(qū)122與前面?zhèn)却翱趨^(qū)112相比，溫度不易升高。因此，認為即使背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量不象前面?zhèn)却翱趨^(qū)112那樣增大，也能減小可靠性的降低。
這樣，圖1的激光器元件能夠維持高可靠性，并能提高光輸出功率。此外，在圖1的結構中，由于窗口區(qū)的p-n結通過擴散鋅偏離發(fā)光區(qū)132的有源層104，所以沒有因電流過渡流過窗口區(qū)112、122而引起工作異常。
下面，討論背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量及長度范圍。即，在圖1的半導體激光器元件中，雖然背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量設定為20nm、長度設定為25μm，但也能將其設定為其他值進行制造，所以就此范圍參照圖2、圖3進行討論。
圖2所示為在將背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量設定為50nm、長度設定為30～40μm的元件中，使背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化時的光輸出功率的變化。由圖2可知，背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量用減少量表示為10～30nm，優(yōu)選為20～30nm，則可最大程度地提高激光器元件的光輸出功率。而且，可以知道如本實施例，如果將帶隙波長變化量設定為20nm，則與將帶隙波長變化量設定為50nm的現(xiàn)有例相比，光輸出功率大約提高20％。達到這樣的結果是因為如前所述，如果將帶隙波長變化量設定在適當?shù)姆秶?，則與在背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的光吸收的缺點相比，還是認為使模增益分布及光輸出功率分布適當化所產生的好處大。
圖3所示為在將前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的帶隙波長變化量設定為50nm、長度設定為30～40μm的元件中，使背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的長度變化時光輸出功率的變化。背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量設定為30nm。由圖3可知，背面?zhèn)却翱趨^(qū)的長度是20～30μm為最合適。其理由也是認為是由于使模增益分布及光輸出功率分布適當化所產生的好處增大。
這樣，通過將背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙波長變化量設定為10～30nm、長度設定為20～30μm，可得到特性高的激光器元件。
此外，本發(fā)明人還參照圖2、圖3的結果，研究了前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的帶隙波長變化量的范圍。其結果表明，如果前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的帶隙波長變化量為40～80nm，則可得到如同圖1的元件的良好元件。相反，如果前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的帶隙波長變化量低于40nm，則光輸出功率下降，易引起端面破壞從而使可靠性降低。這可分析為是前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的光吸收增加之故。此外，如果帶隙波長變化量大于80nm，則有源層104的勢阱層104A和勢壘層104B的帶隙差過分減小，從而工作發(fā)生異常。
(第2實施例)圖4是表示本發(fā)明第2實施例的半導體激光器元件的剖面圖。圖4的元件的結構是，第1實施例的元件(圖1)在結晶生長到由In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P構成的p型覆蓋層106后，形成窗口區(qū)112、122，在上述窗口區(qū)112、122上形成由n型GaAs構成的電流阻擋層108，以使電流不易流動，再在全面設置由GaAs構成的p型接觸層107。其它部分的結構與第1實施例的元件(圖1)大致相同，詳細的說明省略。
在圖4的結構中，通過設置電流阻擋層108，可進一步減小向窗口區(qū)112、122的電流注入，能夠抑制溫度上升。
在以上說明的圖4的半導體激光器元件中，雖然設置了阻止向前面?zhèn)却翱趨^(qū)112注入電流的在圖中左側的電流阻擋層108、及阻止向背面?zhèn)却翱趨^(qū)122注入電流的在圖中右側的電流阻擋層108，但在只設置阻止向背面?zhèn)却翱趨^(qū)122注入電流的在圖中右側的電流阻擋層108時，也能得到抑制溫度上升的效果。
在以上說明的本實施例的半導體激光器元件中，雖然將有源層104的勢阱層104A和勢壘層104B的厚度分別設定為4nm，但也可以分別設定為不大于5nm。與此相反，如果厚度大于5nm，則在窗口區(qū)112、122不易引起合金化。
此外，在以上說明的本實施例的半導體激光器元件中，說明了采用InGaAlP系半導體的波長600nm～700nm的激光器元件，但只要在具有與發(fā)光區(qū)132相比帶隙變寬的窗口區(qū)112、122的窗口結構的半導體激光器元件中，背面?zhèn)却翱趨^(qū)122的帶隙比前面?zhèn)却翱趨^(qū)112的帶隙窄，則用其他材料系的激光器元件也能獲得同樣的效果。
從本發(fā)明還可以得到其它優(yōu)點和變化。因此，本發(fā)明不局限于上面所述的特定細節(jié)及所介紹的實施例，在不脫離本發(fā)明權利要求及其等效的發(fā)明總構思的精神或目標的前提下，可適當?shù)剡M行各種更改。
權利要求
1.一種半導體激光器，其特征在于，具有襯底；第1導電型覆蓋層，形成在上述襯底上；有源層，形成在上述第1導電型覆蓋層上，是交替多次疊層由InGaAlP系半導體構成的勢阱層和InGaAlP系半導體構成的勢壘層而成的多重量子勢阱結構，通過電流注入從發(fā)光區(qū)向相互相對的第1端面和第2端面放射光；第2導電型覆蓋層，形成在上述有源層上；第1窗口區(qū)，是形成在上述第1端面附近的區(qū)域，該區(qū)域的上述勢阱層的帶隙比上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙寬；及第2窗口區(qū)，是形成在上述第2端面的附近的區(qū)域，該區(qū)域的上述勢阱層的帶隙比上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙寬，比上述第1窗口區(qū)的上述勢阱層的帶隙窄，該上述第2窗口區(qū)的上述勢阱層的帶隙和上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙之差，以波長變化量表示為不小于10nm、不大于30nm。
2.如權利要求1記載的半導體激光器，其特征在于還具有高反射膜，形成在上述第2端面上，對來自上述有源層的上述光的反射率不小于60％。
3.如權利要求1記載的半導體激光器，其特征在于上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙和上述第1窗口區(qū)的上述勢阱層的帶隙之差，以波長變化量表示為不小于40nm、不大于80nm。
4.如權利要求1記載的半導體激光器，其特征在于在上述有源層，從上述第2端面朝上述第1端面的方向的、上述第2窗口區(qū)的長度不小于20μm、不大于30μm。
5.如權利要求1記載的半導體激光器，其特征在于還具備電流阻擋層，阻止向上述第2窗口區(qū)注入電流。
6.如權利要求1記載的半導體激光器，其特征在于在上述有源層，上述勢阱層和上述勢壘層的厚度分別不大于5nm。
7.一種半導體激光器，其特征在于，具有第1導電型覆蓋層；有源層，形成在上述第1導電型覆蓋層上，通過電流注入從發(fā)光區(qū)向相互相對的第1端面和第2端面放射光；第2導電型覆蓋層，形成在上述有源層上；第1窗口區(qū)，是形成在上述第1端面附近的區(qū)域，該區(qū)域的上述勢阱層的帶隙比上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙寬；第2窗口區(qū)，是形成在上述第2端面的附近的區(qū)域，該區(qū)域的上述勢阱層的帶隙比上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙寬，比上述第1窗口區(qū)的上述勢阱層的帶隙窄；及反射膜，形成在上述第2端面上，反射來自上述有源層的上述光。
8.如權利要求7記載的半導體激光器，其特征在于上述有源層由InGaAlP系半導體構成。
9.如權利要求8記載的半導體激光器，其特征在于上述有源層是交替多次疊層由InGaAlP系半導體構成的勢阱層和InGaAlP系半導體構成的勢壘層而成的多重量子勢阱結構。
10.如權利要求8記載的半導體激光器，其特征在于上述第2窗口區(qū)的上述勢阱層的帶隙和上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙之差，以波長變化量表示為不小于10nm、不大于30nm。
11.如權利要求8記載的半導體激光器，其特征在于還具有高反射膜，形成在上述第2端面上，對來自上述有源層的上述光的反射率不小于60％。
12.如權利要求8記載的半導體激光器，其特征在于上述發(fā)光區(qū)的上述勢阱層的帶隙和上述第1窗口區(qū)的上述勢阱層的帶隙之差，以波長變化量表示為不小于40nm、不大于80nm。
13.如權利要求8記載的半導體激光器，其特征在于在上述有源層，從上述第2端面朝上述第1端面的方向的、上述第2窗口區(qū)的長度不小于20μm、不大于30μm。
14.如權利要求7記載的半導體激光器，其特征在于還具備電流阻擋層，阻止向上述第2窗口區(qū)注入電流。
15.如權利要求9記載的半導體激光器，其特征在于在上述有源層，上述勢阱層和上述勢壘層的厚度分別不大于5nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不降低可靠性的高光輸出功率的半導體激光器元件。在具有帶隙比發(fā)光區(qū)寬的窗口區(qū)的窗口結構的半導體激光器元件中，背面?zhèn)却翱趨^(qū)的帶隙比前面?zhèn)却翱趨^(qū)的帶隙窄。
文檔編號H01S5/028GK1481055SQ0315469
公開日2004年3月10日 申請日期2003年8月22日 優(yōu)先權日2002年8月27日
發(fā)明者田中 明 申請人:株式會社東芝