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)明涉及一種能夠以高效率以及高輸出功率工作的半導(dǎo)體激光器，這種半導(dǎo)體激光器適于在通信、印刷、激光醫(yī)學(xué)治療、激光束加工削等領(lǐng)域中使用。
為了增大半導(dǎo)體激光器的輸出功率，本申請的申請人建議了一種帶有載流子阻擋層的半導(dǎo)體激光器，所述載流子阻擋層在有源層的兩側(cè)上具有較寬的帶隙，并且厚度較薄，由此增加了設(shè)計形成在載流子阻擋層的外面的包層帶隙的自由度(參見WO93/16513)。
在這種結(jié)構(gòu)下，載流子阻擋層具有有效地將注入的載流子限制在有源層之內(nèi)，并且載流子阻擋層形成為較薄的形狀的功能，從而有源層中產(chǎn)生的光可以穿過載流子阻擋層，并容易地泄漏到設(shè)置在外面的光導(dǎo)層。因此，可避免由于激光在半導(dǎo)體激光器中的發(fā)射小平面上的定位而產(chǎn)生的災(zāi)難性的光學(xué)損害，并提升小平面斷裂值，結(jié)果是可以實現(xiàn)以高輸出功率工作。
為了制造更高效率的半導(dǎo)體激光器，減小損耗很重要，這些損耗中，內(nèi)部損耗在很大程度上依賴于自由載流子吸收。在這個自由載流子吸收中，P型層比n型層關(guān)系更大在使用GaAs的情況下，例如，自由載流子吸收系數(shù)αfc(cm-1)表示為如下所示公式(1)(見Ryoichi ITO和Michiharu NAKAMURA編的《半導(dǎo)體激光器基礎(chǔ)及應(yīng)用》，第85頁)，αfc=3×10-18·n+7×10-18·p(1)其中n指n型載流子的濃度，而P指P型載流子的濃度。從公式(1)顯見，自由載流子吸收系數(shù)αfc和載流子的濃度成正比，并且p型層在自由載流子吸收中是n型層的兩倍或更多。
為了制造具有更高效率和更高輸出功率的半導(dǎo)體激光器，將器件的電阻和熱阻限制在較低的值是重要的。當(dāng)電阻較高時，能量轉(zhuǎn)換效率因為產(chǎn)生焦耳熱等原因而降低。另外，由于器件的溫度升高，因此閾電流增加，而輸出功率因為熱飽和而減小。
本發(fā)明的一個目的是通過減小自由載流子吸收，從而將內(nèi)部損耗限制在較低的值而提供一種半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明的另一個目的是通過減小器件的電阻和熱阻，提供一種具有高效率和高輸出高輸出功率的半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明提供了一種包括多個順序形成的層的半導(dǎo)體激光器，包括第一包層，第一光導(dǎo)層，第一載流子阻擋層，有源層，第二載流子阻擋層，第二光導(dǎo)層，第二包層，第一和第二光導(dǎo)層的帶隙比有源層的帶隙寬，第一和第二包層的帶隙比第一和第二光導(dǎo)層的帶隙寬，第一和第二載流子阻擋層的帶隙比第一和第二光導(dǎo)層的帶隙寬，第一和第二包含層之為P型，另一個為n型，其中p型包層的折射率比n型包層的折射率低。
根據(jù)本發(fā)明，p型包層如此制作，從而它具有比n型包層更低的反射率，由此，波導(dǎo)模式被推出至具有較高折射率的n型包層一側(cè)。因此，可能減小光在p型包層以及與其相鄰的光導(dǎo)層(它們在自由載流子吸收方面比n型層更有關(guān)系)處的分布量。
另外，在本發(fā)明中，P型包層的厚度最好小于n型包層的厚度。
根據(jù)本發(fā)明，p型包層較薄，由此p型包層本身的電阻減小。通常，p型包層的電阻高于n型層的電阻，而包層可能是所有構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的層中最厚的，從而p型包層的電阻構(gòu)成總電阻中最大的部分。由此，通過減小p型包層的電阻可以大大地減小總電阻。另外，由于焦耳熱的產(chǎn)生量也減少了，故防止了整個器件中溫度的升高，并提高了能量的轉(zhuǎn)換效率。另外，還增加了受熱飽和限制的最大輸出功率。相應(yīng)地，可以實現(xiàn)具有高效率和高輸出功率的半導(dǎo)體激光器。
另外，p型包層較薄，由此，p型包層本身的熱阻也減小。通常，在半導(dǎo)體激光器中，各層形成在n型襯底上，并為了提高熱輻射效率而通過接點附著，從而形成在p型層一側(cè)的層附著在管座上。在p型層附著在管座上的情況下，有源層中產(chǎn)生的熱量通過具有低熱阻的p型層流出到管座上，結(jié)果熱量被平緩地輻射，而可以防止整個器件的溫度升高。
還有，p型包層形成為較薄的形狀，由此縮短了頂面和有源層之間的距離。因此，在窗口或條紋結(jié)構(gòu)通過離子注入等方式埋入的情形下，降低了離子注入的加速電壓，并可以減小對激光器的損害。結(jié)果，提高了半導(dǎo)體激光器的可靠性和輸出功率。
通過下面參照附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它及進(jìn)一步的目的、特點和優(yōu)點將更為明白，這些附圖是

圖1是示出本發(fā)明的一個實施例的圖；圖2是示出該實施例和參考例的波導(dǎo)模式的曲線圖；圖3是示出實施例和參考例的電阻的曲線圖；圖4是示出實施例和參考例的熱阻的曲線圖。
現(xiàn)在參照附圖，描述本發(fā)明的較佳實施例。
圖1是示出本發(fā)明的一個實施例的圖。在該半導(dǎo)體激光器中，通過使用MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積)等方法，在由n-GaAs襯底1上依次形成由n-GaAs制成的緩沖層2(厚度t=0.5μm)、由n-AlGaAs(Al的組分比x=0.38，折射率Nn=3.354,t=1.1μm)制成的n-型包層3、由n-AlGaAs(x=0.2,t=0.5μm)制成的光導(dǎo)層、由n-AlGaAs5(x=0.5,t=0.02μm)制成的載流子阻擋層、由不摻雜的InGaAs 1阱層(In的組分比y=0.2,t=0.008μm)/不摻雜的AlGaAs阻擋層(Al的組分比x=0.2,t=0.006μm)構(gòu)成的雙量子阱有源層6、由p-AlGaAs(x=0.5,t=0.02μm)制成的載體阻擋層7、由p-AlGaAs8(x=0.2,t=0.5μm)制成的光導(dǎo)層、由p-AlGaAs(x=0.7，折射率Np=3.166,t=0.5μm)制成的p型包層、由n-GaAs制成的電流阻擋層10(t=0.3μm)，該阻擋層具有條狀的窗口、和由p-GaAs制成的接觸層11(t=1μm)。在襯底1的底面和接觸層11的頂面上分別形成電極13、12。
AlGaAs型的材料具有隨Al組分增加帶隙變寬的傾向。在這個實施例中，光導(dǎo)層4、8的帶隙比有源層6的帶隙寬，包層3、9的帶隙比光導(dǎo)層4、8的帶隙寬，而載流子阻擋層5、7的帶隙比光導(dǎo)層4、8的帶隙寬。
下面，將描述半導(dǎo)體激光器的工作。當(dāng)將正偏置電壓施加給接觸層11的電極12，并將負(fù)偏置電壓施加給襯底1的電極13時，電流從接觸層11流到襯底1，并只穿過未形成電流阻擋層10的區(qū)域，即穿過條狀窗口，由此增加了電流密度。
電流作為載流子注入有源層6，然后，載流子復(fù)合以發(fā)射光。另外，當(dāng)電流的注入量增加時，開始有感應(yīng)(induced)發(fā)射，最后在沿圖1紙面的豎直方向構(gòu)成光諧振器的小平面之間發(fā)生激光振蕩。激光分布在設(shè)置在有源層6的兩面上的光導(dǎo)層4、8和包層3、9上，然后被引導(dǎo)。另一方面，有源層6中的載流子由于載流子阻擋層5、7的存在而被限制在有源層中，從而提高了復(fù)合效率。
下面，將為比較的目的描述參考例。參考例的半導(dǎo)體激光器根據(jù)圖1的實施例形成，而n型包層3的折射率和厚度和p型的包層9的一致，其中折射率為3.354，而厚度t為1.1μm。
圖2是示出實施例和參考例的波導(dǎo)的模式的曲線圖。橫軸表示相對于有源層6的沿層厚方向的位置(單位μm)，豎軸表示光的強(qiáng)度(任意單位，線性)。從該曲線圖中雖然看出，在實施例中(用實線示出)，形成p型包層，從而其折射率低于n型包層的折射率，因此當(dāng)和參考例(用虛線示出)比較時，實施例的波導(dǎo)模式被整個地推出至n型層的一側(cè)(負(fù)側(cè))。這種結(jié)構(gòu)減小了波導(dǎo)模式在p型光導(dǎo)層和p型包層處的分布量，因此可以減小因自由載流子吸收而導(dǎo)致的內(nèi)部損耗。
這里的實施例示出了當(dāng)n型包層3的折射率和厚度都不同于p型包層9時的情況。但是，即使當(dāng)包層具有相同的厚度和相互不同的折射率，波導(dǎo)模式將由圖2的同一實線示出，并且p型光導(dǎo)層和p型包層處的自由載流子吸收能夠以同樣的方式減小。
圖3是示出實施例和參考例的電阻的曲線圖，其中豎軸表示電阻(Ω)，而圖1中所示的層的順序被顛倒過來。從該曲線圖中顯然可以看到，在構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的各層之中，p型包層具有最高的電阻。另外，可以看到，在這個實施例中，p型包層如此制作，從而其厚度比n型包層薄，因此，和參考例相比，p型包層的電阻可以減小至大約60％，因而也能在很大程度上減小整個電阻。
圖4是示出實施例和參考例的熱阻的曲線圖，其中豎軸表示熱阻(K/W)的值，而圖1所示的層的順序被顛倒過來。從該曲線圖中顯然可以看到，在構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的各層之中，p型包層和n型包層具有非常高的熱阻。另外，可以看到，在實施例中，p型包層如此制作，從而其厚度比n型包層的厚度小，因此和參考例相比，p型包層的熱阻可以減小至大約40％，因而也能在很大程度上減小整個熱阻。尤其，在通過結(jié)合安裝半導(dǎo)體激光器的情況下，因為有源層的p型層一側(cè)的熱阻減小，故實施例將是有利的。
本發(fā)明可以以其它具體的形式實施，而不背離本發(fā)明的主旨或主要特征。故要從各個方面考慮本實施例為說明性的而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求限定，而不由上述的描述限定，并且打算把在權(quán)利要求的等價物的含意和范圍內(nèi)所有變化包含在這里。
權(quán)利要求
1．一種包括多個依次形成的層的半導(dǎo)體激光器，其特征在于包括第一包層，第一光導(dǎo)層，第一載流子阻擋層，有源層第二載流子阻擋層，第二光導(dǎo)層，第二包層，所述第一和第二光導(dǎo)層的帶隙比所述有源層的帶隙寬，所述第一和第二包層的帶隙比所述第一和第二光導(dǎo)層的帶隙寬，所述第一和第二載流子阻擋層的帶隙比所述第一和第二光導(dǎo)層的帶隙寬，所述第一和第二包層之一為是p型，另一包層為n型，其中p型包層的折射率比n型包層的折射率低。
2．如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述p型包層的厚度比所述n型包層的厚度小。
全文摘要
光導(dǎo)層形分別形成在有源層的兩個表面上,其光導(dǎo)層具有比有源層的帶隙寬的帶隙,分別形成n型包層和p型包層,從而將有源層和光導(dǎo)層夾在它們之間,包層的帶隙比光導(dǎo)層的帶隙寬,載流子阻擋層分別形成在有源層和光導(dǎo)層之間,載流子阻擋層的帶隙比有源層和光導(dǎo)層的帶隙寬。p型包層的折射率比n型包層的折射率低。采用這種結(jié)構(gòu),由于自由載流子吸收減小,以及半導(dǎo)體激光器的電阻和熱阻減小,使得內(nèi)部損耗限制到較低的值,結(jié)果提高了激光器的效率和輸出功率。
文檔編號H01S5/32GK1218319SQ9812237
公開日1999年6月2日 申請日期1998年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月26日
發(fā)明者內(nèi)藤由美, 大枝靖雄, 藤本毅 申請人:三井化學(xué)株式會社