專利名稱：半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器。本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器可應(yīng)用于振蕩波長(zhǎng)因電流/光輸出/溫度等而改變的所有類型的半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
最近光信息處理和光通訊領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)步。例如，為了通過光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速雙向通訊以用于諸如圖像信息的大量信息的傳輸，大容量光纖傳輸線以及適用于該傳輸線的信號(hào)放大器是必不可少的。作為該情況的一種典型示例，目前正在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行以諸如Er+3的稀土元素?fù)诫s的光纖放大器(EDFA)的研究。為此，期望開發(fā)出用于激發(fā)光源的優(yōu)良半導(dǎo)體激光器，其作為EDFA的部件是不可缺少的元件。
原理上，可用于EDFA的激發(fā)光源的振蕩波長(zhǎng)包括三種，800nm、980nm、以及1480nm。其中，公知的是，鑒于放大器的性能并考慮到其增益和/或噪聲系數(shù)，980nm下的激發(fā)是最期望的。具有該980nm振蕩波長(zhǎng)帶的激光器已經(jīng)通過在GaAs襯底上設(shè)置InGaAs有源層實(shí)現(xiàn)，且其必須滿足兩個(gè)相互矛盾的要求，即其輸出功率要高且其壽命要長(zhǎng)。另外，SHG光源及其它部件要求其附近的波長(zhǎng)，例如從890nm至1150nm，且在其它各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中期望具有出色性能的激光器的開發(fā)。
在信息處理技術(shù)領(lǐng)域，為獲得高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正在開發(fā)短波半導(dǎo)體激光器。特別地，近來藍(lán)光激光器的發(fā)展十分明顯，生長(zhǎng)在AlOx等襯底上的GaN材料的穩(wěn)定性提高，并對(duì)此正在進(jìn)行進(jìn)一步的研究。另外，半導(dǎo)體激光器被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及精細(xì)加工領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍在未來將進(jìn)一步增大。
一般而言，半導(dǎo)體激光器與固體激光器和氣體激光器相比尺寸小且重量輕，由于其這些優(yōu)點(diǎn)使得其具有多種應(yīng)用。然而，從其波長(zhǎng)穩(wěn)定性的角度來說，半導(dǎo)體激光器不總是優(yōu)于任何其它激光光源。例如，在其中小面反射(facetreflection)是其諧振器(cavity)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)的常規(guī)Fabry-Perot(法布里-泊羅)半導(dǎo)體激光器中，振蕩波長(zhǎng)隨著器件溫度的提高而逐漸增大。這是因?yàn)闃?gòu)成半導(dǎo)體激光器的材料的帶隙在高溫時(shí)減小，且可以認(rèn)為器件的特性基本上限制于其構(gòu)成材料。在為高輸出功率工作而驅(qū)動(dòng)器件時(shí)，或者即在器件的輸入電流增大時(shí)，半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(zhǎng)可以由于器件產(chǎn)生的熱量而逐漸增大。一般，期望半導(dǎo)體激光器中對(duì)應(yīng)于溫度/光輸出/輸入電流變化的波長(zhǎng)波動(dòng)盡可能小，并期望解決這一問題。
已經(jīng)為提供具有較小波長(zhǎng)變化的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了各種嘗試。例如，如H.C.Casey，Jr.，M.B.Panish，Hetero-structure Lasers(Academic Press，1978)，pp.90-106中介紹，已知具有穩(wěn)定的振蕩波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器(DFB激光器)可通過在器件有源層的周圍形成周期性光柵結(jié)構(gòu)并使用其作為分布式反射器來制造。波長(zhǎng)穩(wěn)定化的其它方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其包括形成用于半導(dǎo)體激光器的外諧振器結(jié)構(gòu)，其中從半導(dǎo)體激光器輸出的光中具有特定波長(zhǎng)的光被選擇性地反射并輸入到器件內(nèi)。然而，前者要求在器件內(nèi)形成周期性光柵結(jié)構(gòu)，由此具有工藝復(fù)雜和器件不適于高輸出驅(qū)動(dòng)工作的缺點(diǎn)。后者要求外諧振器結(jié)構(gòu)且由此光源整體尺寸變大，其問題在于喪失了小尺寸半導(dǎo)體激光器主體的優(yōu)點(diǎn)。
另一方面，在本發(fā)明人的報(bào)道-IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.36，No.12，December(2000)，pp.1454-1461-中，一種980nm波段半導(dǎo)體激光器形成在對(duì)于具有其振蕩波長(zhǎng)的光透明的襯底上。準(zhǔn)確而言，其中，在襯底的折射率與包層(clad layer)相比較大時(shí)，或者即在能夠起波導(dǎo)作用的襯底存在于有意形成在器件內(nèi)的半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)下方時(shí)，且在激光器波導(dǎo)與襯底波導(dǎo)耦合時(shí)，則(1)根據(jù)襯底的厚度，器件振蕩譜包括與由器件的諧振器長(zhǎng)度限定的Fabry-Perot模間隔無關(guān)的強(qiáng)度調(diào)制(該文獻(xiàn)中圖4)；(2)在襯底具有普通厚度(120μm左右)時(shí)，強(qiáng)度調(diào)制周期為2.5nm左右；(3)在該情況下，在器件振蕩譜中顯示出最大強(qiáng)度的縱模的電流相關(guān)性/溫度相關(guān)性具有階梯狀特殊特性(該文獻(xiàn)中的圖7和圖11)。如圖7所示，這些特性包括其中在其極小區(qū)域內(nèi)振蕩波長(zhǎng)的電流相關(guān)性極小的區(qū)域，且此特性為半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定提供了建議。
另外，在該文獻(xiàn)中，討論了波長(zhǎng)穩(wěn)定機(jī)制。一般，通過電流注入到內(nèi)建于半導(dǎo)體激光器內(nèi)的波導(dǎo)中產(chǎn)生的增益譜隨著輸入電流/光輸出/溫度的提高而朝長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)移動(dòng)。這正是普通半導(dǎo)體激光器中波長(zhǎng)改變的原因。然而，在半導(dǎo)體激光器形成在對(duì)于具有振蕩波長(zhǎng)的光透明的襯底上且襯底的折射率與包層相比相對(duì)較大時(shí)，襯底內(nèi)產(chǎn)生了抑制波長(zhǎng)改變的機(jī)制。在起波導(dǎo)作用的襯底中，沒有出現(xiàn)受激發(fā)射且因此輸入的載流子積累于其中。一般，半導(dǎo)體材料的折射率隨著其載流子密度的增大而減小。這種現(xiàn)象被稱為等離子現(xiàn)象。因此，在作為激光器波導(dǎo)和襯底波導(dǎo)耦合的結(jié)果產(chǎn)生的振蕩譜強(qiáng)度調(diào)制上，以及在根據(jù)該結(jié)果選擇的縱模上，波長(zhǎng)縮短機(jī)制將通過電流注入而作用。具體而言，可以理解上述文獻(xiàn)IEEE Journal中圖7所見的波長(zhǎng)穩(wěn)定區(qū)域是通過伴隨作為電流注入的結(jié)果波長(zhǎng)紅移的激光器波導(dǎo)的增益譜的效應(yīng)、以及從通過等離子效應(yīng)波長(zhǎng)縮短的襯底波導(dǎo)導(dǎo)致的效益的“平衡”實(shí)現(xiàn)的結(jié)果?？紤]溫度相關(guān)性，因?yàn)橐r底由于溫度升高導(dǎo)致的折射率增大產(chǎn)生的振蕩波長(zhǎng)紅移效應(yīng)與因?yàn)橛性磳佑捎跍囟壬邔?dǎo)致帶隙減小產(chǎn)生的振蕩波長(zhǎng)紅移效應(yīng)相比較小，可以抑制波長(zhǎng)由于溫度升高而紅移的激光器波導(dǎo)增益譜的效應(yīng)。
然而，在上述系統(tǒng)中，波長(zhǎng)對(duì)于電流改變穩(wěn)定的區(qū)域很窄，如圖7所示，且存在在穩(wěn)定區(qū)域之前和之后發(fā)生極大波長(zhǎng)改變的問題。然而，為解決此問題，難以控制襯底的波導(dǎo)機(jī)制。這是因?yàn)橐韵略蛟谛纬蒐D結(jié)構(gòu)過程中，襯底對(duì)于其上的外延晶體生長(zhǎng)起底層的作用，此外，襯底必須足夠厚從而確保其機(jī)械強(qiáng)度以保護(hù)晶片在生產(chǎn)半導(dǎo)體激光器的工藝期間免于折斷，相反其不得不減薄到可以解理從而形成半導(dǎo)體激光器小面的程度。因此，器件的總厚度將不得不最終限定在100μm至150μm左右的范圍。即使在襯底的光學(xué)優(yōu)化厚度為40μm時(shí)，實(shí)際無法操控該類型的襯底。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題。具體而言，本發(fā)明的目的在于提供一種以簡(jiǎn)化方式在相對(duì)寬的電流區(qū)/光輸出區(qū)或溫度區(qū)內(nèi)，降低半導(dǎo)體激光器振蕩波長(zhǎng)的電流相關(guān)性、光輸出相關(guān)性或溫度相關(guān)性的方法。
本發(fā)明人努力研究以解決該問題，結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這些問題可以通過本發(fā)明解決，其涉及一種半導(dǎo)體激光器，該激光器具有振蕩波長(zhǎng)λ(nm)，并包括至少襯底、平均折射率為N1cld的第一導(dǎo)電類型包層、平均折射率為NA的有源層結(jié)構(gòu)、平均折射率為N2cld的第二導(dǎo)電類型包層，其中平均折射率為N1SWG的第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層(subwaveguide layer)存在于襯底與第一導(dǎo)電類型包層之間，以及平均折射率為N1LIL的第一導(dǎo)電類型低折射率層存在于次波導(dǎo)層與襯底之間，以及這些折射率滿足所有以下公式
N1cld＜NA，N2cld＜NA，N1cld＜N1SWG，N2cld＜N1SWG，N1LIL＜N1SWG。
下面介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。優(yōu)選地，折射率滿足所有以下公式N1LIL≤N1cld，N1LIL≤N2cld。
還優(yōu)選地，本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的第一導(dǎo)電類型包層的厚度T1cld(nm)和其第二導(dǎo)電類型包層的厚度T2cld(nm)滿足以下公式0.5＜T1cld/λ＜3.0，T1cld＜T2cld。
還優(yōu)選，本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的厚度T1SWG(nm)滿足以下公式2000(nm)＜T1SWG＜40000(nm)。
還優(yōu)選，本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的第一導(dǎo)電類型低折射率層的厚度T1LIL(nm)滿足以下公式500(nm)＜T1LIL＜20000(nm)。
還優(yōu)選，本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的襯底的厚度Tsub(nm)滿足以下公式75000(nm)＜Tsub＜135000(nm)。
在本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，襯底對(duì)于具有振蕩波長(zhǎng)λ(nm)的光透明。優(yōu)選，該情況下襯底的折射率Nsub滿足以下公式N1LIL＜Nsub。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，襯底吸收具有振蕩波長(zhǎng)λ(nm)的光。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器的又一優(yōu)選實(shí)施例為具有小面反射型諧振器結(jié)構(gòu)的邊緣發(fā)射型器件。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器的又一優(yōu)選實(shí)施例包括第一導(dǎo)電類型包層與有源層結(jié)構(gòu)之間的具有折射率N1MWG的第一光導(dǎo)層、以及有源層結(jié)構(gòu)與第二導(dǎo)電類型包層之間的具有折射率N2MWG的第二光導(dǎo)層，其中這些折射率滿足所有以下公式N1cld＜N1MWG＜NA，
N2cld＜N1MWG＜NA，N1cld＜N2MWG＜NA，N2cld＜N2MWG＜NA。
優(yōu)選，上述類型半導(dǎo)體激光器滿足所有以下公式N1SWG≤N1MWG，N1SWG≤N2MWG。
還優(yōu)選，襯底在激光振蕩波長(zhǎng)λ(nm)下的折射率NSUB滿足以下公式中的至少一個(gè)NSUB＝N1SWG，NSUB＝N1MWG，NSUB＝N2MWG，N1SWG＝N1MWG，N1SWG＝N2MWG，N1MWG＝N2MWG。
本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的又一優(yōu)選實(shí)施例如下第二導(dǎo)電類型包層包括上第二導(dǎo)電類型包層和下第二導(dǎo)電類型包層，上第二導(dǎo)電類型包層和電流阻擋層形成電流注入?yún)^(qū)，且其還包括接觸層。
優(yōu)選，本發(fā)明半導(dǎo)體激光器用于單橫模工作。還優(yōu)選，在本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器中，第一導(dǎo)電類型為n型，第二導(dǎo)電類型為p型。


圖1在其中部示出了本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的基本層構(gòu)造的示例；在其左側(cè)示出了根據(jù)本發(fā)明的折射率分布的示例；在其右側(cè)示出了本發(fā)明中期望的光強(qiáng)度分布的示例；在其頂部示出了此說明中所提及的垂直方向/水平方向/諧振器方向的用語(yǔ)的含義；圖2為本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的一個(gè)示例的示意截面圖；圖3為示例的半導(dǎo)體激光器的振蕩譜；圖4為示出縱模波長(zhǎng)的電流相關(guān)性的曲線圖，其顯示了示例的半導(dǎo)體激光器的振蕩譜中的最大強(qiáng)度；圖5為比較例1的半導(dǎo)體激光器的振蕩譜；圖6為示出縱模波長(zhǎng)的電流相關(guān)性的曲線圖，其顯示了比較例1的半導(dǎo)體激光器的振蕩譜中的最大強(qiáng)度；圖7為比較例2的半導(dǎo)體激光器的振蕩譜；以及圖8為示出縱模波長(zhǎng)的電流相關(guān)性的曲線圖，其顯示了比較例2的半導(dǎo)體激光器的振蕩譜中的最大強(qiáng)度。
附圖中，1為襯底，2為第一導(dǎo)電類型低折射率層，3為第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層，4為第一導(dǎo)電類型包層，5為有源層結(jié)構(gòu)，6為第二導(dǎo)電類型包層，7為第二導(dǎo)電類型接觸層，11為第一導(dǎo)電類型襯底，12為第一導(dǎo)電類型緩沖層，13為第一導(dǎo)電類型低折射率層，14為第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層，15為第一導(dǎo)電類型包層，16為第一光導(dǎo)層，17為有源層結(jié)構(gòu)，18為第二光導(dǎo)層，19為下第二導(dǎo)電類型包層，20為第一導(dǎo)電類型電流阻擋層，21為帽層(caplayer)，22為上第二導(dǎo)電類型包層，23為第二導(dǎo)電類型接觸層，101為應(yīng)變量子阱層(strained quantum well layer)，102為勢(shì)壘層，103為應(yīng)變量子阱層，201為襯底側(cè)(第一導(dǎo)電類型側(cè))電極，202為外延層側(cè)(第二導(dǎo)電類型側(cè))電極。
具體實(shí)施例方式
以下，將詳細(xì)介紹本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器。只要滿足權(quán)利要求1的條件，本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器不特別限定于其結(jié)構(gòu)和其制造方法的細(xì)節(jié)。此介紹中，以用語(yǔ)“從A至B”表示的數(shù)值范圍表示包括A和B的范圍。
參照?qǐng)D1，介紹本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定機(jī)制。在其中部，圖1示出了疊置在襯底上且對(duì)本發(fā)明必須的襯底(1)/第一導(dǎo)電類型低折射率層(2)/第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層(3)/第一導(dǎo)電類型包層(4)/有源層結(jié)構(gòu)(5)/第二導(dǎo)電類型包層(6)的結(jié)構(gòu)，且這具有有利地用于構(gòu)造該半導(dǎo)體激光器的第二導(dǎo)電類型接觸層(7)。在以下的介紹中，襯底為第一導(dǎo)電類型襯底。在其左側(cè)，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的折射率分布的示例。高折射率半導(dǎo)體材料一般具有窄的帶隙，帶隙趨勢(shì)也在圖1中示出。在其右側(cè)，圖1示出了本發(fā)明中期望的光強(qiáng)度分布的示例。在其頂部，圖1示出了此介紹中所提及的用語(yǔ)垂直方向/水平方向/諧振器方向的含義。
基本上，半導(dǎo)體激光器的垂直方向上的光限制通過光聚焦于夾在第一導(dǎo)電類型包層與第二導(dǎo)電類型包層之間的有源層結(jié)構(gòu)周圍來獲得，兩包層都具有相對(duì)較低的折射率。此間，電子或空穴從具有不同導(dǎo)電類型的各包層注入，且在具有相對(duì)較高折射率且具有窄帶隙的有源層結(jié)構(gòu)周圍，光與載流子之間的相互作用被有效地獲得從而產(chǎn)生增益。在以下介紹中，為方便起見，包括第一導(dǎo)電類型包層/有源層結(jié)構(gòu)/第二導(dǎo)電類型包層并具有一般半導(dǎo)體激光器的功能的部分被稱作“激光器波導(dǎo)”。在本發(fā)明中，激光器波導(dǎo)部分基本與傳統(tǒng)器件中的相同。
另一方面，本發(fā)明的一個(gè)特征在于第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層有意地位于第一導(dǎo)電類型包層的第一導(dǎo)電類型襯底側(cè)。第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層夾在具有相對(duì)較低折射率的第一導(dǎo)電類型包層與第一導(dǎo)電類型低折射率層之間，由此其起波導(dǎo)層的作用。另外，由于第一導(dǎo)電類型低折射率層/第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層/第一導(dǎo)電類型包層都具有相同的導(dǎo)電類型，所以次波導(dǎo)層不用作如有源層那樣的增益產(chǎn)生波導(dǎo)，而是用作具有無源功能的波導(dǎo)。在以下介紹中，包括第一導(dǎo)電類型低折射率層/第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層/第一導(dǎo)電類型包層的無源波導(dǎo)部分為方便簡(jiǎn)單表達(dá)起見被稱作“次波導(dǎo)”。
可以理解，次波導(dǎo)層為獨(dú)立層結(jié)構(gòu)，其為了控制襯底波導(dǎo)的功能的目的而有意地被外延生長(zhǎng)，這一點(diǎn)本發(fā)明人已在上述文獻(xiàn)IEEE Journal中闡明。因此，本發(fā)明中半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定作用是為了控制電流注入導(dǎo)致的歸因于減小第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的折射率的等離子效應(yīng)的增益譜紅移。對(duì)于溫度相關(guān)性，由于因溫度提高導(dǎo)致的第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的折射率的增加產(chǎn)生的振蕩波長(zhǎng)紅移效應(yīng)小于因其溫度提高導(dǎo)致的有源層帶隙的減小而產(chǎn)生的振蕩波長(zhǎng)紅移效應(yīng)，所以可以抑制在激光器波導(dǎo)中產(chǎn)生的增益譜紅移。
另外，在本發(fā)明中，通過改變外延生長(zhǎng)的第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的厚度，可以改變其中波長(zhǎng)被穩(wěn)定的電流注入?yún)^(qū)域的范圍，如上述IEEE Journal中圖7所見。關(guān)于溫度相關(guān)性，可以放大溫度相關(guān)性相對(duì)較小的區(qū)域，如上述IEEEJournal中圖11所見。
具體而言，次波導(dǎo)層的厚度與器件振蕩譜中所見的強(qiáng)度調(diào)制周期彼此成反比。因此，例如，在第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的厚度為20μm時(shí)且根據(jù)本發(fā)明制造與上述報(bào)道相同的980nm波段半導(dǎo)體激光器時(shí)，強(qiáng)度調(diào)制周期可以為15nm左右。結(jié)果，作為振蕩譜中強(qiáng)度調(diào)制的結(jié)果而產(chǎn)生的一些縱模中表現(xiàn)出最高強(qiáng)度的縱模，如上述IEEE Journal中圖4所見，不會(huì)輕易移動(dòng)到相鄰的縱模，即使在半導(dǎo)體激光器的增益譜隨著電流注入器件中而移至長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)(紅移方向)時(shí)。因此，與由于厚度例如為120μm左右的厚襯底波導(dǎo)的作用產(chǎn)生穩(wěn)定的情況相比，器件的振蕩波長(zhǎng)可以在更寬的電流區(qū)域中被穩(wěn)定。另外，在適當(dāng)選擇第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的厚度時(shí)，其可以比半導(dǎo)體激光器的增益譜的范圍更寬地設(shè)置實(shí)質(zhì)強(qiáng)度調(diào)制周期。在此情況下，作為強(qiáng)度調(diào)制結(jié)果選擇的僅一個(gè)縱模出現(xiàn)在器件的振蕩譜中，強(qiáng)度調(diào)制周期無法輕易見到。這表示了制造極好單色性半導(dǎo)體激光器的可能性。
本發(fā)明的另一特征在于無源波導(dǎo)功能獨(dú)立于襯底，由此如上述IEEEJournal中圖7所見，可以在寬電流注入?yún)^(qū)域內(nèi)產(chǎn)生波長(zhǎng)穩(wěn)定區(qū)域，而不考慮襯底與振蕩波長(zhǎng)間的相對(duì)關(guān)系。為此，充分防止經(jīng)次波導(dǎo)層傳播的光泄露到第一導(dǎo)電類型襯底中十分重要。如圖1所示，設(shè)置在第一導(dǎo)電類型襯底與第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層之間的第一導(dǎo)電類型低折射率層起著重要作用，從而防止彼此耦合的激光器波導(dǎo)和次波導(dǎo)與襯底光耦合。
若非根據(jù)本發(fā)明，上述IEEE Journal中圖7或圖11所述的特性無法在襯底對(duì)具有振蕩波長(zhǎng)的光透明且襯底的折射率比包層的相對(duì)更高的情況不存在時(shí)，或者即在起波導(dǎo)作用的襯底存在于有意內(nèi)建的半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)下方且激光器波導(dǎo)與襯底波導(dǎo)耦合的特定情況不存在時(shí)表現(xiàn)出來。例如，具有形成在GaAs襯底上的較薄包層和InGaAs有源層的980nm波段半導(dǎo)體激光器為此情況的一個(gè)示例。然而，根據(jù)本發(fā)明，即使半導(dǎo)體激光器具有形成在GaAs襯底上的AlGaAs有源層，其中襯底的帶隙比器件的振蕩波長(zhǎng)小且襯底對(duì)于具有振蕩波長(zhǎng)的光用作吸收體，或者即使半導(dǎo)體激光器具有InP襯底上的InGaAsP有源層，其中襯底本身對(duì)于具有振蕩波長(zhǎng)的光透明且起包層作用，其也可以實(shí)現(xiàn)其中波長(zhǎng)的電流相關(guān)性/光輸出相關(guān)性/溫度相關(guān)性較小的器件。根據(jù)第一導(dǎo)電類型包層的厚度，以及激光器波導(dǎo)與次波導(dǎo)之間的相對(duì)折射率差異，激光器波導(dǎo)與次波導(dǎo)之間的耦合程度可被控制。在有意內(nèi)建的兩個(gè)波導(dǎo)彼此適合地耦合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)其中波長(zhǎng)的電流相關(guān)性/光輸出相關(guān)性/溫度相關(guān)性較小的器件。
本發(fā)明將參照?qǐng)D2更加詳細(xì)地介紹，其中示出了本發(fā)明半導(dǎo)體激光器的一個(gè)示例的示意截面圖。如圖2所示，具有折射率光導(dǎo)結(jié)構(gòu)(refractive-indexguided structure)且具有與襯底的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型的第二導(dǎo)電類型包層包括兩層，上第二導(dǎo)電類型包層和下第二導(dǎo)電類型包層，且上第二導(dǎo)電類型包層和電流阻擋層形成電流注入?yún)^(qū)域。這是一個(gè)單橫模工作器件，其額外具有一用于降低與電極的接觸電阻的接觸層。在下述的此示例中，第一導(dǎo)電類型稱作n型；第二導(dǎo)電類型稱作p型。每一層的極性不限制本發(fā)明。每一層可以部分地不摻雜，或者可以部分地為第一導(dǎo)電類型或第二導(dǎo)電類型。除非特別指出，每層的折射率是指器件振蕩波長(zhǎng)下的折射率，且在功能層包括多層或其具有超晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，該層的折射率通過將每層的折射率與厚度的乘積的總和除以每層的厚度的總和，接著再平均所得的數(shù)據(jù)來給出。具體地，在應(yīng)用于以單橫模工作的半導(dǎo)體激光器時(shí)，本發(fā)明明顯表現(xiàn)出其效果。這是因?yàn)橐詥螜M模工作的器件的振蕩譜的單色性與不具有橫模控制功能的器件相比明顯更加出色。
對(duì)于第一導(dǎo)電類型襯底(11)，從所需振蕩波長(zhǎng)、晶格匹配、將有意引入有源層的應(yīng)力、以及用作光導(dǎo)層的有源層的應(yīng)力補(bǔ)償?shù)鹊慕嵌瘸霭l(fā)，使用GaAs、InP或GaN的單晶襯底。
對(duì)于襯底，從改善外延生長(zhǎng)中的結(jié)晶度的角度出發(fā)，不僅可以使用正取向襯底(just-oriented substrate)還可以使用非取向襯底(miss-orientedsubstrate)。非取向襯底具有促進(jìn)階流模式(step-flow mode)晶體生長(zhǎng)的效果，并得到廣泛使用。本領(lǐng)域中廣泛使用的非取向襯底具有從0.5至2度左右的傾斜，且根據(jù)構(gòu)成量子阱結(jié)構(gòu)的材料系統(tǒng)，其傾斜可以在10度左右。襯底可以預(yù)先經(jīng)過化學(xué)蝕刻或熱處理，用于根據(jù)MBE或MOCVD的晶體生長(zhǎng)技術(shù)制造半導(dǎo)體激光器。
襯底可以吸收具有由有源層結(jié)構(gòu)限定的振蕩波長(zhǎng)的光，或者可以是透明的?？傊?，本發(fā)明可以以任何期望的方式應(yīng)用于任何該些襯底。這是因?yàn)橐r底的光學(xué)性質(zhì)可能由于將在下面介紹的第一導(dǎo)電類型低折射率層而被忽略。因此，襯底的最終厚度可以限制在在半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制造中足以確保襯底的機(jī)械強(qiáng)度且不降低其可解理性的范圍內(nèi)。優(yōu)選，其在75與135μm之間，更加優(yōu)選地在95與125μm之間。
在襯底為第一導(dǎo)電類型時(shí)，緩沖層(12)優(yōu)選為第一導(dǎo)電類型。期望為緩和體晶中的不完整性和為便于形成具有相同晶軸的薄外延膜而設(shè)置緩沖層。優(yōu)選，第一導(dǎo)電類型緩沖層由與用于第一導(dǎo)電類型襯底的化合物相同的化合物形成。在襯底為GaAs時(shí)，則通常GaAs用于緩沖層。在此情況下，緩沖層可選地可以按照與襯底相同的方式處理。然而，超晶格層也廣泛用作緩沖層。因此，緩沖層可以不由與襯底相同的化合物形成。在某些情況下，鑒于所需發(fā)射波長(zhǎng)和器件的總體結(jié)構(gòu)，可以選擇與襯底不同的材料用于緩沖層。這種就結(jié)構(gòu)和材料而言與襯底不同的緩沖層可以起到第一導(dǎo)電類型低折射率層的作用。在此情況下，在振蕩波長(zhǎng)下的緩沖層的折射率Nbuf可以等于第一導(dǎo)電類型低折射率層的折射率N1LIL。
第一導(dǎo)電類型低折射率層(13)設(shè)置在襯底與第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層之間，這實(shí)現(xiàn)了次波導(dǎo)層中的光限制，且其起到了重要作用，從而不將彼此光耦合的激光器波導(dǎo)(在此情況下，這由第一導(dǎo)電類型包層/第一光導(dǎo)層/有源層結(jié)構(gòu)/第二光導(dǎo)層/第二導(dǎo)電類型包層構(gòu)成)和次波導(dǎo)(這由第一導(dǎo)電類型低折射率層/第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層/第一導(dǎo)電類型包層構(gòu)成)與第一導(dǎo)電類型襯底光耦合。為此，第一導(dǎo)電類型低折射率層在振蕩波長(zhǎng)下的折射率N1LIL對(duì)于次波導(dǎo)的折射率N1SWG必須滿足以下條件N1LIL＜N1SWG。
另外，期望第一導(dǎo)電類型包層的折射率N1cld和第二導(dǎo)電類型包層的折射率N2cld滿足以下條件N1LIL≤N1cld，N1LIL≤N2cld。
特別地，以下條件N1LIL＝N1cld＝N2cld是最期望的，為了便于器件的制造。當(dāng)?shù)诙?dǎo)電類型包層如此處所示實(shí)施例中那樣包括下包層和上包層時(shí)，第二導(dǎo)電類型包層的折射率N2cld通過以每層的厚度的總和除每層的折射率與厚度的乘積的總和，再平均所得數(shù)據(jù)來給出。在第一導(dǎo)電類型襯底對(duì)于具有振蕩波長(zhǎng)的光是透明時(shí)，且在其折射率由Nsub表示時(shí)，則期望該構(gòu)造滿足以下條件N1LLI≤Nsub。
可以適當(dāng)選擇第一導(dǎo)電類型低折射率層的厚度，從而實(shí)現(xiàn)次波導(dǎo)層中的光限制，并從而不將彼此光耦合的激光器波導(dǎo)和次波導(dǎo)與第一導(dǎo)電類型襯底光耦合。然而，層的厚度T1LIL(nm)優(yōu)選滿足以下條件500(nm)＜T1LIL＜20000(nm)。若極薄，則低折射率層無法實(shí)現(xiàn)上述功能；但若不必要地厚，則由于器件中的串聯(lián)電阻會(huì)增大而是不利的。第一導(dǎo)電類型低折射率層可以是單層低折射率層，但可以具有通過重疊多個(gè)層構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，所述層與振蕩波長(zhǎng)相比足夠薄。
第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層(14)位于第一導(dǎo)電類型低折射率層與第一導(dǎo)電類型包層之間，且其具有引導(dǎo)從第一導(dǎo)電類型包層適當(dāng)泄漏的光的功能。為實(shí)現(xiàn)此功能，第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的折射率N1SWG相對(duì)于第一導(dǎo)電類型低折射率層的折射率N1LIL和第一導(dǎo)電類型包層的折射率N1cld必須滿足以下條件N1LIL＜N1SWG，N1cld＜N1SWG。
另外，相對(duì)于構(gòu)成激光器波導(dǎo)的第二導(dǎo)電類型包層的折射率N2cld，其必須滿足以下條件N2cld＜N1SWG。
第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的厚度可以根據(jù)其中的振蕩波長(zhǎng)需要被穩(wěn)定以抵御器件中電流改變的區(qū)域、根據(jù)器件的振蕩波長(zhǎng)并根據(jù)第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層本身的材料適當(dāng)選擇。一般，作為激光器波導(dǎo)與次波導(dǎo)耦合的結(jié)果，振蕩譜中所見的強(qiáng)度調(diào)制周期與第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的厚度成反比。因此，在具有普通Fabry-Perot諧振器的半導(dǎo)體激光器中，期望第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的厚度T1SWG(nm)滿足以下條件2000(nm)＜T1SWG＜40000(nm)。由上述顯見，考慮到器件的振蕩波長(zhǎng)，經(jīng)次波導(dǎo)層傳播的?？梢允瞧潆A在多數(shù)情況下相對(duì)較高的高階模。
第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的部分或全部可以由超晶格結(jié)構(gòu)等形成。另外，原則上，第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的部分或全部可以是非摻雜的。
第一導(dǎo)電類型包層(15)為構(gòu)成激光器波導(dǎo)和次波導(dǎo)的元件，另外，其對(duì)于控制兩波導(dǎo)的耦合起重要作用。為構(gòu)成激光器波導(dǎo)，第一導(dǎo)電類型包層的折射率N1cld相對(duì)于有源層結(jié)構(gòu)的平均折射率NA必須滿足以下條件N1cld＜NA。
另外，為構(gòu)成次波導(dǎo)，第一導(dǎo)電類型包層的折射率N1cld相對(duì)于第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的折射率N1SWG必須滿足以下條件N1cld＜N1SWG。
再者，關(guān)于與激光器波導(dǎo)與次波導(dǎo)之間的相對(duì)關(guān)系有關(guān)的第一導(dǎo)電類型包層的厚度T1cld(nm)，其厚度可以適當(dāng)選擇從而將兩波導(dǎo)彼此耦合，且該層可以薄從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的強(qiáng)耦合但可以厚從而實(shí)現(xiàn)其弱耦合。由此，如所述的該層的厚度相對(duì)于振蕩波長(zhǎng)λ(nm)，T1cld/λ優(yōu)選滿足以下條件
0.5＜T1cld/λ＜3.0。
第一導(dǎo)電類型包層的一部分可以是非摻雜的，且該層中的摻雜水平可以改變。第一導(dǎo)電類型包層和第二導(dǎo)電類型包層不總是必須具有單層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)激光器波導(dǎo)中的各種光限制，該些層可以具有多層結(jié)構(gòu)。第一導(dǎo)電類型包層可以部分地具有超晶格結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的有源層結(jié)構(gòu)意味著包括單層體有源層、單層量子阱有源層、包括由一個(gè)或更多個(gè)勢(shì)壘層分隔開的兩個(gè)量子阱有源層的雙量子阱結(jié)構(gòu)、以及包括由勢(shì)壘層分隔開的三個(gè)或更多個(gè)量子阱有源層的多量子阱結(jié)構(gòu)。一般而言，光導(dǎo)層用于具有量子阱層的有源層結(jié)構(gòu)。然而，在此說明中，有源層結(jié)構(gòu)的概念不包括光導(dǎo)層。
有源層結(jié)構(gòu)(17)必須與第一導(dǎo)電類型包層和第二導(dǎo)電類型包層一同構(gòu)成激光器波導(dǎo)，因此有源層結(jié)構(gòu)的平均折射率NA相對(duì)于第一導(dǎo)電類型包層的折射率N1cld和第二導(dǎo)電類型包層的折射率N2cld必須滿足以下關(guān)系N1cld＜NA，N2cld＜NA。
優(yōu)選，有源層結(jié)構(gòu)不是體有源層，而是包括量子阱有源層，因?yàn)槠溥m于增大器件的輸出功率。特別地，在襯底是GaAs時(shí)，則期望有源層結(jié)構(gòu)包括AlGaAs量子阱層，InGaP量子阱層，InGaAs應(yīng)變量子阱層，或InAlGaAs應(yīng)變量子阱。特別地，包括其中內(nèi)在地具有壓應(yīng)力的應(yīng)變量子阱層的有源層結(jié)構(gòu)，諸如InGaAs或InAlGaAs，是特別優(yōu)選的，因?yàn)槠淇梢杂行Ы档推骷拈撝惦娏?。圖2示出了一種情形，其中均由InGaAs形成的兩個(gè)應(yīng)變量子阱層(101、103)被勢(shì)壘層(102)分隔開。在襯底為InP時(shí)，則期望有源層結(jié)構(gòu)包括InGaAsP量子阱層或InAlGaAs量子阱層。
有源層結(jié)構(gòu)可以具有任何所需的導(dǎo)電類型。特別地，在該結(jié)構(gòu)包括量子阱有源層時(shí)，則期望量子阱層是非摻雜的，且勢(shì)壘層中存在第一導(dǎo)電類型的含Si部分。由于電子可以從勢(shì)壘層中摻的Si供給到量子阱層，且器件的增益譜可以是寬波段的，所以該類型的實(shí)施例是優(yōu)選的。
有源層結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的每層的厚度可以按任何期望的方式適當(dāng)限定。在有源層結(jié)構(gòu)中有量子阱層時(shí)，則期望第一光導(dǎo)層(16)和第二光導(dǎo)層(18)存在于該層的兩側(cè)。在此情況下，第一光導(dǎo)層和第二光導(dǎo)層與第一導(dǎo)電類型包層/有源層結(jié)構(gòu)/第二導(dǎo)電類型包層一同構(gòu)成激光器波導(dǎo)。因此，期望第一光導(dǎo)層的折射率N1MWG和第二光導(dǎo)層的折射率N2MWG滿足以下條件N1cld＜N1MWG＜NA，N2cld＜N1MWG＜NA，N1cld＜N2MWG＜NA，N2cld＜N2MWG＜NA。
優(yōu)選，第一光導(dǎo)層的折射率和第二光導(dǎo)層的折射率相對(duì)于第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的折射率滿足以下條件N1SWG≤N1MWG，N1SWG≤N2MWG。
還優(yōu)選，第一光導(dǎo)層的折射率與第二光導(dǎo)層的折射率相同，從而確保波導(dǎo)的對(duì)稱構(gòu)造。還期望這兩層的折射率也與第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的折射率相同。在襯底為GaAs且有源層結(jié)構(gòu)包括InGaAs應(yīng)變量子阱有源層時(shí)，還期望第一光導(dǎo)層和第二光導(dǎo)層都由GaAs形成。由此，期望本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器滿足以下條件中的至少一個(gè)NSUB＝N1SWG，NSUB＝N1MWG，NSUB＝N2MWG，N1SWG＝N1MWG，N1SWG＝N2MWG，N1MWG＝N2MWG。
更加優(yōu)選地，N1SWG＝N1MWG＝N2MWG。
最優(yōu)選地，NSUB＝N1SWG＝N1MWG＝N2MWG，以便于器件的制造。
第一光導(dǎo)層和第二光導(dǎo)層的厚度可按任何所需的方式限定?？梢钥紤]激光器波導(dǎo)中光限制的條件適當(dāng)確定之。光導(dǎo)層可以不是單層，而是可以具有超晶格結(jié)構(gòu)且可以具有多層結(jié)構(gòu)。光導(dǎo)層的折射率可以在適合的范圍內(nèi)在該層內(nèi)改變。另外，光導(dǎo)層的導(dǎo)電類型可以按任何所需方式限定。優(yōu)選，該層包括第一導(dǎo)電類型的含Si部分。由于電子可從第一光導(dǎo)層和/或第二光導(dǎo)層中摻的Si供給到量子阱層中且器件的增益譜可以是寬波段的，所以該類型的實(shí)施例是優(yōu)選的。
在制造需要橫?？刂频钠骷r(shí)或在器件中限定了到有源層結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流注入路徑時(shí)，如圖2所示，期望第二導(dǎo)電類型包層被構(gòu)造為具有下包層和上包層的兩層結(jié)構(gòu)，且上包層和電流阻擋層形成了電流注入?yún)^(qū)域。抵御電流和溫度的改變穩(wěn)定振蕩波長(zhǎng)的本發(fā)明的方法對(duì)于具有Fabry-Perot諧振器并給出單橫模振蕩的器件特別有效。
下第二導(dǎo)電類型包層(19)和上第二導(dǎo)電類型包層(22)與第一導(dǎo)電類型包層/第一光導(dǎo)層/有源層結(jié)構(gòu)/第二光導(dǎo)層一同構(gòu)成激光器波導(dǎo)。因此，第二導(dǎo)電類型包層的折射率N2cld和有源層結(jié)構(gòu)的平均折射率NA必須滿足以下條件N2cld＜NA。
如此處所述，當(dāng)?shù)诙?dǎo)電類型包層包括下包層和上包層時(shí)，則第二導(dǎo)電類型包層的折射率N2cld通過以每層的厚度的總和除每層的折射率與厚度的乘積的總和，再平均所得數(shù)據(jù)來給出。
第二導(dǎo)電類型包層的厚度，或者即下包層和上包層的總厚度，T2cld(nm)可以適當(dāng)選擇。然而，由于期望第二導(dǎo)電類型包層對(duì)于盡可能多地防止光泄露到將要形成在包層上的接觸層中有效，所以期望第二導(dǎo)電類型包層的厚度相對(duì)于第一導(dǎo)電類型層的厚度T1cld(nm)滿足以下條件T1cld≤T2cld。
從器件對(duì)稱構(gòu)造的角度出發(fā)，第一導(dǎo)電類型包層的折射率N1cld和第二導(dǎo)電類型包層的折射率N2cld優(yōu)選滿足以下條件N1cld＝N2cld。
第二導(dǎo)電類型包層的一部分可以是非摻雜的，或者該層的摻雜水平可以改變。
不總是需要第一導(dǎo)電類型包層和第二導(dǎo)電類型包層具有單層結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)激光器波導(dǎo)中的各種光限制，且該些層可以具有多層結(jié)構(gòu)。第二導(dǎo)電類型包層可以部分地具有超晶格結(jié)構(gòu)。
第一導(dǎo)電類型電流阻擋層(20)具有兩個(gè)功能。該層的一個(gè)功能字面上為阻擋電流，從而實(shí)質(zhì)地控制電流注入?yún)^(qū)域；另一個(gè)為對(duì)于第二導(dǎo)電類型包層適當(dāng)限制其相對(duì)折射率，由此實(shí)現(xiàn)該層中水平方向的光限制。
對(duì)于前者，期望該層的導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型包層的相同，或者該層是非摻雜的。
從后者的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)如圖2的器件結(jié)構(gòu)中的單橫模工作的一種方法包括使電流阻擋層的折射率比上第二導(dǎo)電類型包層的小，由此形成器件內(nèi)水平方向的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)上第二導(dǎo)電類型包層由AlxGa1-xAs形成且電流阻擋層由AlzGa1-zAs形成時(shí)，則x和y限定為x＜z，且器件中水平方向的光限制由此實(shí)現(xiàn)。在此情況下，期望主要由電流阻擋層和上第二導(dǎo)電類型包層之間的折射率差定義的水平方向的有效折射率差在約10-3。對(duì)于單橫模工作的方法，電流阻擋層可以由能夠吸收具有器件振蕩波長(zhǎng)的光的材料形成，器件可以是損失波導(dǎo)類型的。
另外，對(duì)于單橫模工作的一個(gè)要點(diǎn)在于適當(dāng)控制圖2的寬度W，該寬度對(duì)應(yīng)于電流注入?yún)^(qū)的寬度。在本發(fā)明應(yīng)用于單橫模工作的器件時(shí)，寬度W優(yōu)選從1.5μm至3.5μm左右。
優(yōu)選，帽層(21)形成在電流阻擋層上。對(duì)于帽層，選擇在制造器件期間保護(hù)電流阻擋層并促進(jìn)上第二導(dǎo)電類型包層/接觸層的生長(zhǎng)的材料?；旧?，帽層的導(dǎo)電類型可以是第一導(dǎo)電類型或第二導(dǎo)電類型。
優(yōu)選，第二導(dǎo)電類型接觸層(23)形成在上第二導(dǎo)電類型包層上，用于減小器件與電極的接觸電阻。接觸層一般由GaAs材料形成。一般而言，使得該層中的載流子濃度比其它層中的高，用于減小該層與電極的接觸電阻。接觸層的厚度可以適當(dāng)選擇。
構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的每層的厚度可以在能夠有效體現(xiàn)每層的功能的范圍內(nèi)適當(dāng)選擇。在所示結(jié)構(gòu)的制造中，還可以根據(jù)每個(gè)構(gòu)成層的厚度選擇適當(dāng)?shù)木w生長(zhǎng)方法。器件總體上可以根據(jù)MBE或MOCVD法制造。特別地，在層的適合厚度超過10μm時(shí)，例如，在形成次波導(dǎo)層時(shí)，則需要的層可以選擇性地根據(jù)LPE方法形成。
外延層側(cè)電極(202)進(jìn)一步形成在圖2的半導(dǎo)體激光器上。例如，這可以通過在第二導(dǎo)電類型接觸層的表面上以蒸鍍的方式順序沉積Ti/Pt/Au，接著合金化所沉積的金屬來形成。
一般而言，上述工藝使得能夠通過使用具有350μm左右厚度的襯底制造半導(dǎo)體激光器。在其上形成電極以前，襯底的未由半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)覆蓋的相反表面可以被拋光，從而去除襯底的不必要的厚度。在本發(fā)明中，器件的總厚度可以被構(gòu)造，從而其足以確保器件的機(jī)械強(qiáng)度而不損害其可解理性。
拋光后，在襯底的相反側(cè)形成電極(201)。當(dāng)這形成在第一導(dǎo)電類型襯底的表面上且這為n型電極時(shí)，則例如在襯底表面上以蒸鍍的方式順序沉積AuGe/Ni/Au，隨后將其合金化從而形成需要的電極。
用作光輸出面的小面在如此制造的半導(dǎo)體晶片中形成。在本發(fā)明中，光發(fā)射不限于邊緣發(fā)射。然而，本發(fā)明對(duì)于邊緣發(fā)射型器件是有利的。該小面用作反光鏡(mirror)，從而構(gòu)成半導(dǎo)體器件中的諧振器。該小面優(yōu)選通過解理形成。解理是本領(lǐng)域中廣泛采用的方法。將要通過解理形成的小面根據(jù)所用襯底的取向而不同。例如，當(dāng)具有晶體學(xué)上等效于本領(lǐng)域喜用的名為(100)的面的襯底用于制造邊緣發(fā)射型激光器件時(shí)，則(110)或晶體學(xué)上與之等效的面將是構(gòu)成諧振器的面。另一方面，在使用非取向襯底時(shí)，則根據(jù)傾斜方向與諧振器方向之間的關(guān)系，小面無法與諧振器方向呈90度。例如，當(dāng)使用從(100)面向[1-10]方向傾斜2度的襯底時(shí)，小面也將傾斜2度。
在本發(fā)明中，期望在器件的暴露的半導(dǎo)體小面上形成電介質(zhì)、或電介質(zhì)-半導(dǎo)體組合的涂層。涂層的形成主要為兩個(gè)目的，增大自半導(dǎo)體激光器的光引出效率和保護(hù)器件的小面。對(duì)于器件的高輸出運(yùn)行，期望不對(duì)稱的涂覆，其如下在器件的前小面上形成在振蕩波長(zhǎng)下具有低反射率(至多10％)的涂層，在其后小面上形成在振蕩波長(zhǎng)下具有高反射率(至少80％)的涂層。
各種材料可用于該涂層。例如，優(yōu)選使用從AlOx、TiOx、SiOx、SiNx、Si和ZnS構(gòu)成的組中選取的一種或多種。對(duì)于低反射率涂層，可用AlOx、TiOx、SiOx。對(duì)于高反射率涂層，可用AlOx/Si的多層膜、以及TiOx/SiOx的多層膜。所需反射率可以通過控制膜厚度來實(shí)現(xiàn)。然而，一般而言，低反射率涂層AlOx、TiOx或SiOx的厚度被控制在λ/4n左右，其中n表示該層在波長(zhǎng)λ下的折射率的實(shí)數(shù)部分。另外，高反射率多層膜一般被控制來使得構(gòu)成該膜的每一層的厚度可在λ/4n左右。
將參照以下示例更具體地介紹本發(fā)明。以下示例中所示的材料、濃度、厚度、操作規(guī)程及其它可適當(dāng)改變和調(diào)整而不超出本發(fā)明的范圍和要旨。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)限于下述示例。
(示例1)圖2的半導(dǎo)體激光器根據(jù)下述工藝制造。
在具有1×1018cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型GaAs襯底(11)(在980nm下具有3.5252的折射率，并具有350μm的厚度)的(100)面上，根據(jù)MBE方法按外延生長(zhǎng)的方式形成具有0.5μm厚度并具有1×1018cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型GaAs層(980nm下的折射率為3.5252)，作為第一導(dǎo)電類型緩沖層(12)；具有2.0μm厚度并具有1×1018cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型Al0.5Ga0.5As層(980nm下的折射率為3.2512)，作為第一導(dǎo)電類型低折射率層(13)；以及具有3.0μm厚度并具有1×1018cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型GaAs層(980nm下的折射率為3.5252)，作為第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層(14)的一部分。
接著，在襯底的外延生長(zhǎng)面上，以根據(jù)LPE方法的晶體生長(zhǎng)的方式形成具有約40μm厚度并具有5×1017cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型GaAs層(980nm下的折射率為3.5252)作為第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層(14)的一部分。
為確定第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層(14)的厚度并將其表面平整化，通過LPE形成的層的晶體生長(zhǎng)面在化學(xué)機(jī)械拋光模式下被去除，使得通過MBE生長(zhǎng)的第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層和通過LPE生長(zhǎng)的第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的總厚度可以是29μm。
接著，根據(jù)MBE方法在結(jié)構(gòu)的表面上外延生長(zhǎng)以下層。作為第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的也用作晶體生長(zhǎng)的緩沖層的一部分，具有1.0μm厚度和1×1018cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型GaAs層(980nm下的折射率為3.5252)按晶體生長(zhǎng)的方式形成，于是第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的最終厚度為30.0μm。
在此，按順序疊置以下層作為第一導(dǎo)電類型包層(15)，具有1.35μm厚度和1×1018cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型Al0.35Ga0.65As層(980nm下的折射率為3.3346)；作為第一光導(dǎo)層(16)，具有35nm厚度和8×1017cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型GaAs層(980nm下的折射率為3.5252)；作為有源層結(jié)構(gòu)(17)，具有6nm厚度的非摻雜In0.16Ga0.84As應(yīng)變量子阱層(101)、具有8nm厚度的Si摻雜n型GaAs勢(shì)壘層(102)、以及具有6nm厚度的非摻雜In0.16Ga0.84As應(yīng)變量子阱層(103)；作為第二光導(dǎo)層(18)，具有35nm厚度和8×1017cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型GaAs層(980nm下的折射率為3.5252)；作為下第二導(dǎo)電類型包層(19)，具有0.1μm厚度和1×1018cm-3的載流子濃度的Be摻雜p型Al0.35Ga0.65As層(980nm下的折射率為3.3346)；作為第一導(dǎo)電類型電流阻擋層(20)，具有0.5μm厚度和5×1017cm-3的載流子濃度的n型Al0.39Ga0.61As層(980nm下的折射率為3.3069)；以及作為帽層(21)，具有10nm厚度和1×1018cm-3的載流子濃度的Si摻雜n型GaAs層。
在最上層的除其電流注入?yún)^(qū)部分外的部分中形成氮化硅掩模。在此步驟中，氮化硅掩模開口的寬度為1.5μm。接著，使用體積比為1/1/5的硫酸(98重量％)、過氧化氫(30重量％的水溶液)和水的混合溶液，在25℃下蝕刻帽層(21)和第一導(dǎo)電類型電流阻擋層(20)27秒，直到蝕刻深度可以達(dá)到下第二導(dǎo)電類型包層(19)的程度。接著，將其浸入比例為1/6的HF(49％)和NH4F(40％)的混合溶液中2分30秒，從而去除氮化硅層。
接著，作為上第二導(dǎo)電類型包層(22)，根據(jù)MOCVD法按照埋入部分(電流注入?yún)^(qū)部分)的厚度可以是2.5μm的方式生長(zhǎng)具有1×1018cm-3的載流子濃度的Zn摻雜p型Al0.35Ga0.65As層(980nm下的折射率為3.3346)。另外，具有6×1018cm-3的載流子濃度的Zn摻雜p型GaAs層(980nm下的折射率為3.5252)被生長(zhǎng)至具有3.5μm的厚度，作為第二導(dǎo)電類型接觸層(23)，用于確保該結(jié)構(gòu)與電極的接觸。
電流注入?yún)^(qū)的寬度W(上第二導(dǎo)電類型包層的在與下第二導(dǎo)電類型包層的界面處的寬度)為2.2μm。第一導(dǎo)電類型電流阻擋層(20)與上第二導(dǎo)電類型包層(22)之間的折射率差和寬度W被設(shè)計(jì)來使得波導(dǎo)模式可以僅是基模。
接著，作為外延層側(cè)電極(202)的p側(cè)電極，Ti/Pt/Au被以蒸鍍的方式沉積，并在400℃下被合金化5分鐘，從而完成電極結(jié)構(gòu)。
接著，拋光第一導(dǎo)電類型襯底的未由外延層覆蓋的面，使得器件的總厚度可以是約120μm(其中，襯底的厚度可以是約80μm，不考慮第一光導(dǎo)層/有源層結(jié)構(gòu)/第二光導(dǎo)層/帽層等極薄的層)。
另外，作為襯底側(cè)電極(201)的n側(cè)電極，AuGeNi/Au被以蒸鍍的方式沉積，并在400℃下被合金化5分鐘，從而完成半導(dǎo)體晶片。
接著，其在空氣中被解理，從而獲得具有700μm共振波長(zhǎng)的激光棒，且其(110)面暴露出來。接著，具有165nm厚度的AlOx膜涂層在真空中形成，使得器件前小面的反射率在980nm振蕩波長(zhǎng)下可以為2.5％。
另外，為了加工其后小面?zhèn)?，激光棒從真空室中取出?70nm厚的AlOx層/60nm厚的非晶硅層/170nm厚的AlOx層/60nm厚的非晶硅層的四層涂層形成在后小面上，且如此覆蓋的后小面具有92％的反射率。
在25℃下且在82.3mA、148.3mA、221.2mA和301.3mA，針對(duì)其振蕩譜分析如此制造的半導(dǎo)體激光器。圖3示出了其中注入221.2mA電流的器件的振蕩譜，且其證實(shí)了器件的極穩(wěn)定的縱模振蕩。可以認(rèn)為，由強(qiáng)度調(diào)制周期和激光增益譜之間的關(guān)系，可選擇性地觀察到一個(gè)縱模，該周期作為激光器波導(dǎo)與具有30μm厚度的次波導(dǎo)的耦合的結(jié)果可被數(shù)學(xué)地估計(jì)為約10nm。圖4為曲線圖，其通過繪制上述電流注入內(nèi)具有振蕩譜中最大強(qiáng)度的縱模波長(zhǎng)的電流相關(guān)性而獲得。圖中，黑點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。振蕩波長(zhǎng)隨著電流從82.3mA到301.3mA增加而稍微變短。然而，波長(zhǎng)波動(dòng)為約1.5nm，是極小的。
(比較例1)除以下情況外，按照與示例1相同的方式制造半導(dǎo)體激光器。略去通過MBE形成的第一導(dǎo)電類型低折射率層(13)和通過MBE和LPE形成的第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層(14)；通過MBE在襯底上連續(xù)生長(zhǎng)直至帽層(21)的其它層；以及第一導(dǎo)電類型包層(15)和第二導(dǎo)電類型包層(22)的厚度為1.5μm。
在25℃下且在從82.5mA至302.5mA的范圍內(nèi)以2.5mA的電流間隔，針對(duì)其振蕩譜特征，詳細(xì)分析如此制造的半導(dǎo)體激光器。圖5示出了195mA電流注入其中的器件的振蕩譜，且其證實(shí)了以約2.9nm的間隔疊加在振蕩譜上的強(qiáng)度調(diào)制的影響。這可能是因?yàn)榧す馄鞑▽?dǎo)與起波導(dǎo)作用并具有約112μm厚度的襯底耦合的結(jié)果。圖6為通過繪制在上述電流注入內(nèi)具有振蕩譜中最大強(qiáng)度的縱模波長(zhǎng)的電流相關(guān)性獲得的曲線圖。圖中，空心三角形表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。振蕩波長(zhǎng)圖形隨著電流從82.5mA至302.5mA增加而顯示出特殊的臺(tái)階狀形狀。在該電流范圍內(nèi)，最大值(987.2nm)與最小值(980.9nm)之間的差距為6.3nm，該范圍內(nèi)的波長(zhǎng)波動(dòng)非常大。
(比較例2)除以下情況外，按照與示例1相同的方式制造半導(dǎo)體激光器。略去通過MBE形成的第一導(dǎo)電類型低折射率層(13)和通過MBE和LPE形成的第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層(14)；直到帽層(21)的其它層通過MBE連續(xù)生長(zhǎng)在襯底上；以及第一導(dǎo)電類型包層(15)和第二導(dǎo)電類型包層(22)的厚度為2.5μm。
在25℃下且在從82.5mA至302.5mA的范圍內(nèi)以2.5mA的電流間隔，針對(duì)其振蕩譜特性，詳細(xì)分析如此制造的半導(dǎo)體激光器。圖7示出了192.5mA電流注入其中的器件的振蕩譜，且其確認(rèn)了沒有強(qiáng)度調(diào)制對(duì)振蕩譜的影響。這可能因?yàn)?，第一?dǎo)電類型包層足夠厚，因此激光器波導(dǎo)無法與具有波導(dǎo)功能的襯底耦合。圖8為通過繪制在上述電流注入內(nèi)顯示振蕩譜最大強(qiáng)度的縱模波長(zhǎng)的電流相關(guān)性給出的曲線。圖中，空心圓表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。振蕩波長(zhǎng)總體上隨電流從82.5mA至302.5mA增加而簡(jiǎn)單增加。在該電流范圍內(nèi)，最大值(989.4nm)與最小值(982.9nm)之間的差為6.5nm，該范圍內(nèi)的波長(zhǎng)波動(dòng)非常大。
本發(fā)明使得能夠?qū)崿F(xiàn)一種半導(dǎo)體激光器，其可以以簡(jiǎn)單的方法制造，且具有抵御電流/光輸出/溫度的變化的穩(wěn)定振蕩波長(zhǎng)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器，其具有振蕩波長(zhǎng)λ(nm)，并包括至少襯底、具有平均折射率N1cld的第一導(dǎo)電類型包層、具有平均折射率NA的有源層結(jié)構(gòu)、以及具有平均折射率N2cld的第二導(dǎo)電類型包層，其中具有平均折射率N1SWG的第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層存在于該襯底與該第一導(dǎo)電類型包層之間，以及具有平均折射率N1LIL的第一導(dǎo)電類型低折射率層存在于該次波導(dǎo)層與該襯底之間，以及這些折射率滿足所有以下公式N1cld＜NA，N2cld＜NA，N1cld＜N1SWG，N2cld＜N1SWG，N1LIL＜N1SWG。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其中所述折射率滿足所有以下公式N1LIL≤N1cld，N1LIL≤N2cld。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體激光器，其中該第一導(dǎo)電類型包層的厚度T1cld(nm)滿足以下公式0.5＜T1cld/λ＜3.0。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該第一導(dǎo)電類型包層的厚度T1cld(nm)和該第二導(dǎo)電類型包層的厚度T2cld(nm)滿足以下公式T1cld＜T2cld。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層的厚度T1SWG(nm)滿足以下公式2000(nm)＜T1SWG＜40000(nm)。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該第一導(dǎo)電類型低折射率層的厚度T1LIL(nm)滿足以下公式500(nm)＜T1LIL＜20000(nm)。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該襯底對(duì)于具有該振蕩波長(zhǎng)λ(nm)的光是透明的。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體激光器，其中該襯底的折射率Nsub滿足以下公式N1LIL＜Nsub。
9.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該襯底吸收具有該振蕩波長(zhǎng)λ(nm)的光。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該襯底的厚度Tsub(nm)滿足以下公式75000(nm)＜Tsub＜135000(nm)。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其為具有小面反射型諧振器結(jié)構(gòu)的邊緣發(fā)射型器件。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該襯底、第一導(dǎo)電類型低折射率層、第一導(dǎo)電類型次波導(dǎo)層、第一導(dǎo)電類型包層或第二導(dǎo)電類型包層中的任何一個(gè)或全部包括含Ga和As的化合物。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該有源層結(jié)構(gòu)包括含In、Ga和As的應(yīng)變量子阱層。
14.如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該有源層結(jié)構(gòu)包括含Al、Ga和As的量子阱層。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其包括該第一導(dǎo)電類型包層與該有源層結(jié)構(gòu)之間的具有折射率N1MWG的第一光導(dǎo)層、以及該有源層結(jié)構(gòu)與該第二導(dǎo)電類型包層之間的具有折射率N2MWG的第二光導(dǎo)層，其中這些折射率滿足所有以下公式N1cld＜N1MWG＜NA，N2cld＜N1MWG＜NA，N1cld＜N2MWG＜NA，N2cld＜N2MWG＜NA。
16.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體激光器，其滿足所有以下公式N1SWG≤N1MWG，N1SWG≤N2MWG。
17.如權(quán)利要求15或16所述的半導(dǎo)體激光器，其中該襯底在該激光振蕩波長(zhǎng)λ(nm)下的折射率NSUB滿足以下公式中的至少一個(gè)NSUB＝N1SWG，NSUB＝N1MWG，NSUB＝N2MWG，N1SWG＝N1MWG，N1SWG＝N2MWG，N1MWG＝N2MWG。
18.如權(quán)利要求15至17中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該第一光導(dǎo)層和該第二光導(dǎo)層中的至少一個(gè)包括Ga和As。
19.如權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該第二導(dǎo)電類型包層包括上第二導(dǎo)電類型包層和下第二導(dǎo)電類型包層，該上第二導(dǎo)電類型包層和電流阻擋層形成電流注入?yún)^(qū)，且該半導(dǎo)體激光器還包括接觸層。
20.如權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其以單橫模工作。
21.如權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器，其中該第一導(dǎo)電類型為n型，該第二導(dǎo)電類型為p型。
全文摘要
一種具有振蕩波長(zhǎng)λ(nm)的半導(dǎo)體激光器，包括至少襯底、具有平均折射率N
文檔編號(hào)H01S5/00GK1701480SQ0382530
公開日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2003年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月20日
發(fā)明者堀江秀善 申請(qǐng)人:三菱化學(xué)株式會(huì)社