專利名稱：半導(dǎo)體二極管激光器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及折射率導(dǎo)引型(index-guided)半導(dǎo)體二極管激光器，以下通常簡(jiǎn)稱為激光器，該激光器包括一塊半導(dǎo)體本體，它具有第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，上面有按順序至少由第一導(dǎo)電型的第一鍍層、有源層、以及與第一導(dǎo)電型相反的第二導(dǎo)電型的第二鍍層組成的一半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，還包括能夠提供足夠強(qiáng)度的正向電流的一個(gè)pn結(jié)，在位于諧振腔內(nèi)的條形有源區(qū)產(chǎn)生相干電磁輻射，諧振腔由基本垂直于有源區(qū)的表面限定，同時(shí)半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)在有源區(qū)的每一側(cè)具有用以形成有效折射率等級(jí)的部件，而第一和第二鍍層還有用以形成電連接的部件。本發(fā)明還涉及制造這種激光器的方法。
這種激光器具有作為輻射源的各種用途，如用于光盤系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、條形碼讀出器和激光打印機(jī)。折射率導(dǎo)引型激光器是非常吸引人的，其原因主要在于出射光束是衍射受限的并且與所施加的光功率相比，進(jìn)而與通過(guò)激光器的電流相比，遠(yuǎn)場(chǎng)及波前變化相對(duì)較小，這與增益導(dǎo)引型激光器形成鮮明的對(duì)比。此外，弱折射率激導(dǎo)引型光器比較易于制造。在上述許多應(yīng)用領(lǐng)域，還需要激光器能夠提供最大的光功率，即最大可能的電磁輻射強(qiáng)度。
這種幾何形狀為條形的激光器見于H.C.Casey和M.B.Panish的“Heterostructure Lasers，Part BMaterials and Operating Characteristics”，該文登載在Academic Press 1978，Ch.7.6，pp.207-217。這里所提供的二極管，例如如圖7-6-5(a)所示，包括一個(gè)n-GaAs襯底，該襯底的上面有一層放在n型和p型AlGaAs鍍層之間的GaAs有源層。電連接部件包括襯底一側(cè)的金屬層和p-GaAs接觸層，還包括上鍍層一側(cè)的金屬層。進(jìn)一步的部件包括有源區(qū)上的臺(tái)面，它占第二鍍層的主要部分，因此激光器是(弱)折射率導(dǎo)引型激光器。
已知的激光器的一個(gè)缺點(diǎn)是不能提供非常大的有用功率。所謂的P(光功率)相對(duì)于I(電流)的特性不象所希望的那樣在閾值電流之上基本是線性變化的，實(shí)際上在比較小的光功率下所述P-I特性經(jīng)常存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在該轉(zhuǎn)折點(diǎn)，光功率對(duì)電流強(qiáng)度的導(dǎo)數(shù)發(fā)生了變化同時(shí)出射束不再是衍射受限的。很清楚，當(dāng)光功率小到出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的程度時(shí)，這一結(jié)果將限制激光器的應(yīng)用。上述結(jié)果以下被稱之為轉(zhuǎn)折。觀察到轉(zhuǎn)折時(shí)的光功率被稱為轉(zhuǎn)折功率(Pkink)。
本發(fā)明尤其為實(shí)現(xiàn)一種沒(méi)有所述缺點(diǎn)，或至少將此缺陷降低到小得多的程度的在閥值電流以上直到極高的光功率時(shí)具有基本線性(無(wú)一轉(zhuǎn)折)P-I特性的半導(dǎo)體二極管激光器，作為其目的。本發(fā)明還為提供一種制造這種激光器的方法作為其目的。
為達(dá)此目的根據(jù)本發(fā)明的在本文開始段中所提到的那種半導(dǎo)體二極管激光器的特征在于諧抗振腔具有的至少長(zhǎng)度使對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)的電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率是一個(gè)最大值。人們驚奇地，發(fā)現(xiàn)P-I特性的轉(zhuǎn)折取決于激光器諧振腔的長(zhǎng)度。此外還驚人地發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于諧振腔長(zhǎng)度的某一值，轉(zhuǎn)折功率為最大值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，可以為在一個(gè)以及相同的襯底上制造的激光器確定轉(zhuǎn)折功率為最大值時(shí)的長(zhǎng)度值，在這一過(guò)程中制造了帶各種諧振腔長(zhǎng)度，而所有其它的特性都相同的許多激光器。當(dāng)諧振腔取任意長(zhǎng)度時(shí)，最大轉(zhuǎn)折功率顯著大于(最大為兩倍)平均轉(zhuǎn)折功率。因此，根據(jù)本發(fā)明的激光器非常適用于上述場(chǎng)合，因?yàn)樵谥钡椒浅４蟮墓夤β实姆秶鷥?nèi)都有基本線性的P-I特性。
值得注意的是，R.T.Lynch等人在“Effect of cavity lengthson stripe-geometry DH laser output linearity”(Appl.Phys.Lett.34(4)，1979年2月15日，第297頁(yè))中指出縮短激光器長(zhǎng)度將導(dǎo)致更高的轉(zhuǎn)折功率。上述文章中的結(jié)論與增益型激光器有關(guān)，它與本發(fā)明的折射率導(dǎo)引型激光器是根本不同的。所觀察到的效果的起因在于波導(dǎo)最低次橫模之增益差，它隨激光器的長(zhǎng)度而單調(diào)遞減。在本發(fā)明的折射率導(dǎo)引型激光器中這種效果是微不足道的，其原因是達(dá)到非常大的光功率之前這種效果將不起作用。此外，在上述文章論及的激光器中，即使在那種情況下，作為激光器長(zhǎng)度的函數(shù)的轉(zhuǎn)折功率也不會(huì)有最大值。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的激光器特征在于諧振腔的長(zhǎng)度構(gòu)成一組長(zhǎng)度的一部分，這一組長(zhǎng)度相互間的距離基本相等，而對(duì)構(gòu)成那組部分長(zhǎng)度的每一長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值。進(jìn)一步令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)折功率還具有許多最大值，基本上這些值都相等，并作為諧振腔長(zhǎng)度的函數(shù)，這些最大值對(duì)應(yīng)于相互間的距離基本相等的諧振腔的不同長(zhǎng)度。作為諧振腔長(zhǎng)度的函數(shù)的轉(zhuǎn)折功率的梯度變化曲線(大約)為鋸齒形，具有基本固定的幅度和周期。諧振腔的長(zhǎng)度位置構(gòu)成對(duì)應(yīng)于一個(gè)最大轉(zhuǎn)折功率的一組長(zhǎng)度的部分，使得本發(fā)明的激光器更適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。確實(shí)，以這種方式最大轉(zhuǎn)折功率可以與一個(gè)較長(zhǎng)的長(zhǎng)度結(jié)合起來(lái)。長(zhǎng)度較長(zhǎng)可以使得起始電流密度較小，同時(shí)使得起始電流引起的溫度較低。其結(jié)果，這種激光器的功率較大而壽命較長(zhǎng)。
最好根據(jù)本發(fā)明激光器的諧振腔的長(zhǎng)度介于第一長(zhǎng)度和第二長(zhǎng)度之間，對(duì)第一長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值，第二長(zhǎng)度大于第一長(zhǎng)度，對(duì)第二長(zhǎng)度而言，轉(zhuǎn)折功率大約等于其最大值的50%。在位于轉(zhuǎn)折功率的每個(gè)最大值后面的這一區(qū)域，激光器的轉(zhuǎn)折功率大于所有可能長(zhǎng)度下的平均轉(zhuǎn)折功率。該結(jié)論與這樣的事實(shí)有關(guān)，即(下一個(gè))最大值之前的鋸齒形曲線的每一齒面基本垂直于縱軸。當(dāng)諧振腔的長(zhǎng)度介于第一長(zhǎng)度和第二長(zhǎng)度之間，對(duì)第一長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值，第二長(zhǎng)度大于第一長(zhǎng)度，對(duì)第二長(zhǎng)度而言，轉(zhuǎn)折功率大約等于其最大值的80%，這時(shí)甚至可以得到性能更好的激光器。在實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)諧振腔的長(zhǎng)度介于第一長(zhǎng)度和第二長(zhǎng)度之間，對(duì)第一長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值，第二長(zhǎng)度比第一長(zhǎng)度約長(zhǎng)20μm，這時(shí)可以得到最好的結(jié)果。加工諧振腔時(shí)的分割工藝(cleaving process)誤差大約為+/-10μm。當(dāng)諧振腔的長(zhǎng)度比對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)折功率的長(zhǎng)度平均約長(zhǎng)10μm時(shí)，能夠充分避免在長(zhǎng)度較短情況下該最大值區(qū)域中轉(zhuǎn)折功率的非常陡的塌陷。
形成所述長(zhǎng)度組部分的一個(gè)長(zhǎng)度最好等于最短長(zhǎng)度，對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值，將有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級(jí)橫模之間的振蕩周期的一半乘以一個(gè)整數(shù)，加到該長(zhǎng)度上。當(dāng)有源區(qū)的大小和有源區(qū)周圍折射率的值知道時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算估算出振蕩周期。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，上述鋸齒波的周期恰好等于振蕩周期的一半。通過(guò)將該振蕩周期的一半乘以一個(gè)整數(shù)，加到可以觀察到轉(zhuǎn)折功率的第一最大值對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度上，能夠得到對(duì)長(zhǎng)度的一個(gè)滿意的估算值，對(duì)這些長(zhǎng)度而言，轉(zhuǎn)折功率將進(jìn)一步顯示出最大值。通過(guò)對(duì)接近這一估算長(zhǎng)度的各種諧振腔進(jìn)行試驗(yàn)，可以用一種很簡(jiǎn)單的方式找到還會(huì)出現(xiàn)最大值的準(zhǔn)確的長(zhǎng)度。
通過(guò)計(jì)算可以將振蕩周期p估算出來(lái)，這是因?yàn)樗扔?π/(β0-β1)和λ/2＊△n01，其中β0和β1分別是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級(jí)橫模的傳播常數(shù)，λ是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的波長(zhǎng)，△n01是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級(jí)橫模的有效折射率之差。
這是基于下述意整不到的認(rèn)識(shí)折射率導(dǎo)引型激光器中一級(jí)橫模的波長(zhǎng)λ1大于基橫模的波長(zhǎng)λ0，因?yàn)榍罢叩挠行д凵渎时群笳叩牡汀＜俣ㄦi相一級(jí)橫模在工作于上述轉(zhuǎn)折功率的激光器中傳播。這意味著在激光器的諧振腔中基橫模和一級(jí)橫模都形成了駐波。于是在諧振腔內(nèi)基橫模和一級(jí)橫模之間產(chǎn)生了振蕩，它與L-I特性中轉(zhuǎn)折的出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)。對(duì)振蕩周期為L(zhǎng)b適用(1)Lb＝k＊λ1＝(k+1)＊λ0，｛k∈N+｝從中得到(2)Lb＝λ0＊λ1/(λ1-λ0)＝1/(1/λ0-1/λ1)或(3)1/Lb＝1/λ0-1/λ1在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的諧振腔中的駐波的相位條件為(4)L＝m＊λ/2如果基橫模和一級(jí)橫模都支持這一條件，則得到(5)L＝m0＊λ0/2 和(6)L＝m1＊λ1/2，｛(m0，m1)∈N+∩m0＜m1｝從(5)和(6)得到(7)1/λ0＝m0/2＊L 和(8)1/λ1＝m1/2＊L.
將(7)和(8)代入(3)中得到(9)1/Lb＝(m1-m0)/2＊L＝m3/2＊L，｛m3∈N+｝將(9)進(jìn)行整理，得到(10)L＝m3＊Lb/2，｛m3∈N+｝根據(jù)本發(fā)明的激光器最好有弱折射率導(dǎo)引型的結(jié)構(gòu)，并且其V參數(shù)位于大約π/2和大約π之間，V＝(2＊π＊w/λ)＊√(n22-n21)，其中w是有源區(qū)的寬度，λ是激光器的發(fā)射波長(zhǎng)，n2是有源區(qū)區(qū)域中的有效折射率，n1是有源區(qū)任一側(cè)的有效折射率。上述激光器已比較易于生產(chǎn)，但仍非常適用于大約1μm以下波長(zhǎng)范圍的發(fā)射。不同類型的掩蔽式激光器雖然本身都是很需要的，但實(shí)際上在所述波長(zhǎng)范圍內(nèi)卻很難制造，或者說(shuō)不可能可靠地制造。這與這些激光器經(jīng)常由包含鋁的層組成有關(guān)。y參數(shù)的上述范圍意味著，在這種激光器中，對(duì)有源區(qū)的通常寬度W(大約為1至7μm)而言，不僅會(huì)出現(xiàn)基橫模，而且也會(huì)出現(xiàn)一級(jí)橫模。n2-n1之差值通常大約為1至15＊10-3。
對(duì)本發(fā)明的激光器的一種有利的改進(jìn)是使其具有隆起的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。最好是掩蔽式的，掩蔽隆起部分的層具有這樣的帶隙，它基本不吸收產(chǎn)生的輻射。這樣的激光器具有特別低的損耗。
界定諧振腔的表面最好鍍膜。這將大大提高最大轉(zhuǎn)折功率，因此激光器可以用于大大提高光功率。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體二極管激光器用于脈沖模式，這也將引起最大轉(zhuǎn)折功率的極大提高。
一種制造折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體二極管激光器的方法，通過(guò)該方法在半導(dǎo)體襯底上形成一塊半導(dǎo)體本體，該半導(dǎo)體襯底是第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，按順序至少由第一導(dǎo)電型的第一鍍層、有源層、以及與第一導(dǎo)電型相反的第二導(dǎo)電型的第二鍍層組成，其中還形成有pn結(jié)、條形有源區(qū)、和由基本垂直于有源區(qū)的表面限定的環(huán)繞的諧振腔，該半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)在有源區(qū)的每一側(cè)具有用以形成有效折射率等級(jí)的部件，而第一和第二鍍層還有用以形成電連接的部件，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于為諧振腔選擇一種至少的長(zhǎng)度，對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值。根據(jù)本發(fā)明的這種方法制造的激光器具有特別大的轉(zhuǎn)折功率，因此適用于許多場(chǎng)合。
下面參照實(shí)施例和附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。附圖中

圖1用立體圖的方式簡(jiǎn)要表示本發(fā)明的半導(dǎo)體二極管激光器的第一最佳實(shí)施例;
圖2表示作為圖1的激光器諧振腔長(zhǎng)度(L)函數(shù)的激光器的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)，其中有源層包括一個(gè)(曲線21)或兩個(gè)(曲線23)量子阱層;
圖3表示具有兩個(gè)量子阱層并具有如圖2所示的長(zhǎng)度L1的諧振腔的圖1的激光器的光功率(P)，它是流過(guò)激光器的電流(I)的函數(shù);
圖4用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導(dǎo)體二極管激光器的第二最佳實(shí)施例;
圖5表示作為圖4的激光器的諧振腔長(zhǎng)度(L)函數(shù)的激光器的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)，激光器的鏡面未鍍膜(曲線53)或用覆蓋層鍍膜(曲線55);
圖6表示具有鍍膜鏡面并具有如圖5所示的長(zhǎng)度L2的圖4的激光器的光功率(P)，它是流過(guò)激光器的電流(I)的函數(shù);
圖7表示脈沖方式工作期間作為脈寬(t)的函數(shù)的有鍍膜鏡而的圖4激光器的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)，諧振腔的長(zhǎng)度為圖5所示的L2(曲線70)，以及圖5所示的L2';
圖8用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導(dǎo)體二極管激光器的第三最佳實(shí)施例;
圖9表示作為圖8的激光器諧振腔長(zhǎng)度(L)函數(shù)的激光器的轉(zhuǎn)折功率(Pkink);以及圖10表示具有如圖9所示的長(zhǎng)度L3的圖8的激光器的光功率(P)，它是流過(guò)激光器的電流(I)的函數(shù)。
附圖是示意性的，沒(méi)有按比例畫，為了更清楚起見，夸大了厚度方向的尺寸。在各例中，相應(yīng)的部分一般標(biāo)以相同的參考號(hào)。相同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)一般用相同方向的斜線表示。
圖1用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導(dǎo)體二極管激光器的第一最佳實(shí)施例。激光器100包括具有襯底1的半導(dǎo)體本體，襯底1是第一導(dǎo)電型的，此處為n導(dǎo)電型，在本例中由單晶砷化鎵組成，并提供有連接導(dǎo)體8。在該本體上有一半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，主要包括n導(dǎo)電型的緩沖層11，也是n導(dǎo)電型的第一鍍層2'，第一隔離鍍層2''，有源層3，有源層3在這里由兩層量子阱層3'組成，兩層量子阱層3'相互間由勢(shì)壘層3''隔開，還包括第二隔離鍍層4''，以及此處為p導(dǎo)電型的第二鍍層4'，4°，在第二鍍層4'，4°之間是蝕刻阻擋層5。不僅是第二鍍層4'，4°的部分4°，而且還有中間層9和第一接觸層10，都是p導(dǎo)電型，它們都處于半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的臺(tái)面形部分12之中。臺(tái)面12的兩側(cè)是n型電流阻擋層13。在本例的激光器100的橫向形成有效折射率等級(jí)的部件包括臺(tái)面12和位于該臺(tái)面之下的第二鍍層4'，4°的較薄部分4'。于是激光器100是折射率導(dǎo)引型，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是弱折射率導(dǎo)引型，并具有所謂隆起波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。形成鍍層2，4電連接的另一部件除了包括帶有連接導(dǎo)體8的所述襯底1以外，還包括第一接觸層10，第二接觸層6，第二接觸層6也是p導(dǎo)電型的，并在臺(tái)面12和阻擋層13上方延伸，上面是連接導(dǎo)體7。兩層鍍層2，4之間形成的pn結(jié)能夠在位于臺(tái)面12下的有源層3的條形有源區(qū)和諧振腔中產(chǎn)生相干電磁輻射，諧振腔由基本垂直于有源區(qū)的表面50，51構(gòu)成，并給出足夠強(qiáng)的正向電流。
上述實(shí)例的激光器100的(半導(dǎo)體)層的厚度、材料和其它特性列于下表半導(dǎo)體號(hào)類型參雜濃度厚度(原子/cm3)(μm)1 GaAs(襯底) N 2×1018350
11 Al0,2Ga0,8As N 2×10180,12' In0,5Al0,35Ga0,15P N 2×10181,32'' In0,5Al0,2Ga0,3P N 2×10180,0453' In0,62Ga0,38P - - 0,00853'' In0,5Al0,2Ga0,3P - - 0,0064'' In0,5Al0,2Ga0,3P P 4×10170,0454' In0,5Al0,35Ga0,15P P 4×10170,540In0,5Al0,35Ga0,15P P 4×10170,85 In0,4Ga0,6P P 1×10180,016 GaAs P 2×10180,59 In0,5Ga0,5P P 1×10180,110 GaAs P 2×10180,513 GaAs N 2×10181,4以上數(shù)據(jù)表明，本例中的激光器100是(弱)折射率導(dǎo)引型，并具有所謂的隆起波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。此處阻擋層13包括(輻射)吸收材料。臺(tái)面形條12的寬度大約為4.2μm。本例中襯底1上的導(dǎo)電層8是金-鍺-鎳層，其厚度約為1000 。本例中的導(dǎo)電層7包括鉑層、鉭層和金層，它們的厚度分別為大約1000、500和2500 。
根據(jù)本發(fā)明，本例中的激光器100具有長(zhǎng)度L1大約為450μm的條形有源區(qū)，對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流(I)的函數(shù)的光功率(P)的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率約為最大值。這意味著，在非常大的光功率之前，即激光器100的基本最大光功率之前，所謂P-I特性不顯示轉(zhuǎn)折，因此根據(jù)本發(fā)明的激光器特別適用于需要在非常大的光功率之前都有線性P-I特性的場(chǎng)合。
圖2表示作為圖1的激光器100的諧振腔長(zhǎng)度(L)函數(shù)的激光器100的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)(曲線23)。其中有源層僅包括一層量子阱層3'的激光器100的相應(yīng)曲線也示于圖中(曲線21)。曲線21、23都表示轉(zhuǎn)折功率(Pkink)是長(zhǎng)度L的函數(shù)，并且在相應(yīng)的曲線中都出現(xiàn)了最大值。符號(hào)20、22分別對(duì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際激光器100、以曲線21、23為基礎(chǔ)的測(cè)量結(jié)果。在本例的激光器100中，對(duì)大約440μm的長(zhǎng)度L1(曲線23)而言，轉(zhuǎn)折功率(Pkink)具有最大值，即大約45mW。圖2還表示對(duì)大約640μm的諧振腔的第二長(zhǎng)度而言，轉(zhuǎn)折功率(Pkink)還有另一最大值，它與長(zhǎng)度為440μm時(shí)基本一樣。激光器100的長(zhǎng)度最好介于兩個(gè)長(zhǎng)度之間，此處第一長(zhǎng)度大約為440μm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)折功率(Pkink)的最大值，第二長(zhǎng)度比第一長(zhǎng)度要長(zhǎng)，此處大約為540μm，對(duì)該長(zhǎng)度而言，轉(zhuǎn)折功率(Pkink)約為其最大值的50%。根據(jù)本發(fā)明的激光器100比任意選擇諧振腔長(zhǎng)度L的激光器100具有更大的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)。當(dāng)?shù)诙L(zhǎng)度L在此處為大約435μm，則對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折功率約為其最大值的80%，仍可得到較好的激光器100。實(shí)際上，本例的激光器100的長(zhǎng)度最好在440μm和再長(zhǎng)20μm即460μm之間。這種激光器100具有基本最大的轉(zhuǎn)折功率，并可大批量生產(chǎn)，因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)切開(cleaving)半導(dǎo)體本體，形成鏡面50、51時(shí)縱向誤差大約為+/-10μm。最大值附近曲線23斜率的不對(duì)稱性也予以考慮。鋸齒波21的周期p約為400μm，振蕩周期的估算值約為500μm。對(duì)曲線23而言，這兩個(gè)值分別為200μm和240μm。
圖3表示具有兩個(gè)量子阱層并具有如圖2所示的長(zhǎng)度L1的諧振腔的圖1的激光器的光功率(P)，它是流過(guò)激光器的電流(I)的函數(shù)。圖3證實(shí)，根據(jù)本發(fā)明的本實(shí)施例的激光器100在很寬的范圍內(nèi)、即直到點(diǎn)31，都有基本線性的P-I特性，這是非常理想的。本例中激光器100的起始電流約為35mA，在大約675nm的波長(zhǎng)下發(fā)射，非常適用于條形碼讀出器或激光打印機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明，本例的激光器100的制造方法如下。制造過(guò)程從(001)襯底1開始，它是單晶n型砷化鎵，參雜濃度為每cm3有2×1018個(gè)原子，厚度例如為350μm。對(duì)具有(001)取向的表面拋光和蝕刻以后，在該表面例如通過(guò)OMVPE(有機(jī)金屬氣相取向附生)從氣相連續(xù)生長(zhǎng)以下各層緩沖層11，第一鍍層2'，第一隔離鍍層2''，有源層3，有源層3包括第一量子阱層3'、勢(shì)壘層3''和第二量子阱層3'，第二隔離鍍層4''，第二鍍層4'，4°的第一部分4'，蝕刻阻擋層5，第二鍍層4'，4°的第二部分4°，中間層9，以及第一接觸層10，這些都是在大約760℃的溫度下淀積的。從生長(zhǎng)裝置移去該結(jié)構(gòu)后，通過(guò)濺射和光刻在上面形成二氧化硅掩膜層，該掩膜層為條形，其縱軸垂直于圖1的平面。然后將垂直于圖的平面的臺(tái)面形條12蝕刻成半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，常規(guī)的(有選擇的)蝕刻裝置用于蝕刻阻擋層5上面的各層。清潔該結(jié)構(gòu)后，再次通過(guò)OMVPE在臺(tái)面12的兩側(cè)淀積阻擋層13。移去二氧化硅掩模和清潔該結(jié)構(gòu)后，在最后的OMVPE生長(zhǎng)工藝中形成第二接觸層6。為半導(dǎo)體層選擇的材料、化合物、厚度、導(dǎo)電類型和參雜濃度如以上給出的表所示。然后通過(guò)例如濺射的方法，在襯底1上形成大約1000 的金-鍺-鎳層組成的導(dǎo)電層8，例如采用同樣的技術(shù)，再在該結(jié)構(gòu)的上側(cè)形成導(dǎo)電層7，導(dǎo)電層7包括鉑層、鉭層和金層，它們的厚度分別為大約1000、500和2500 。將激光器切成所要求的長(zhǎng)度L以后，這里是450μm，可供最終安裝的單個(gè)激光器便形成了。
用本發(fā)明的方法，在本例中是在切割過(guò)程中，為諧振腔選擇一個(gè)長(zhǎng)度，因此作為流經(jīng)激光器電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光能量為最大值。采用上述方法，以簡(jiǎn)單的方式得到了本發(fā)明的激光器。
圖4用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導(dǎo)體二極管激光器100的第二最佳實(shí)施例。激光器100具有與第一實(shí)施例類似的結(jié)構(gòu)，只是這里沒(méi)有半導(dǎo)體層6、9和13。這里通過(guò)陽(yáng)極氧化得到絕緣層15，以代替阻擋層13，絕緣層15在臺(tái)面12的兩邊，并靠著臺(tái)面12的外側(cè)。連接導(dǎo)體7與臺(tái)面12上的第一接觸層10接觸。此外，這里有源層3包括所謂塊狀層，并且激光器100再次具有弱折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)，但不是掩蔽型的。在臺(tái)面12的兩側(cè)不吸收激光器100發(fā)射的輻射，該輻射的波長(zhǎng)此處大約為785nm。臺(tái)面12兩側(cè)的第二鍍層4的厚度是0.29μm。臺(tái)面形條12的寬度大約為3.6μm。連接導(dǎo)體7、8與前一個(gè)實(shí)施例相同。激光器100的鏡面50、51分別用強(qiáng)反射和弱反射涂層鍍膜(圖中未示出)。上述實(shí)施例的激光器100的(半導(dǎo)體)層的厚度、材料和其它特性列于下表半導(dǎo)體號(hào)類型參雜濃度厚度(原子/cm3)(μm)1 GaAs N 2×101815011 GaAs N 2×101812 Al0,5Ga0,5As N 2×10181,73 Al0,13Ga0,87As - - 0,044 Al0,5Ga0,5As P 5×10171,710 GaAs P 5×10180,5本發(fā)明的這一實(shí)施例的激光器100具有長(zhǎng)度L2此外大約為400μm的條形有源區(qū)，對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流(I)的函數(shù)的光功率(P)的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值。這意味著，在非常大的光功率之前，即激光器100的最大光功率之前，這里大約為55mW，所謂P-I特性不顯示轉(zhuǎn)折，這使得根據(jù)本發(fā)明的激光器特別適用于需要在非常大的光功率之前都有線性P-I特性的場(chǎng)合。
圖5表示作為圖4的激光器100的諧振腔長(zhǎng)度(L)函數(shù)的激光器的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)，鏡面50、51未鍍膜(曲線53)或用覆蓋層鍍膜(曲線55)。在本例中也能觀察到激光器100的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)的鋸齒形梯度變化。齒頂形成了諧振腔不同長(zhǎng)度下對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)折功率的范圍。符號(hào)52、54分別對(duì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際激光器100、以曲線53、55為基礎(chǔ)的測(cè)量結(jié)果。在本例(曲線55)中，激光器100的長(zhǎng)度L2為400μm。在本例的激光器100中，對(duì)應(yīng)該長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)折功率(Pkink)近似具有最大值即55mW。圖5還表示(曲線53)本例的激光器100當(dāng)鏡面未用覆蓋層鍍膜時(shí)，轉(zhuǎn)折功率也呈現(xiàn)基本具有相同周期p的鋸齒形梯度變化，然而在這種情況下，最大轉(zhuǎn)折功率(Pkink)的幅度、特別是所有的值都要小許多。圖5的其余方面可參照?qǐng)D2。曲線53、55的周期p約為110μm，估算值約為130μm。
圖6表示具有鍍膜鏡面并具有如圖5所示的諧振腔長(zhǎng)度L2的圖4的激光器的光功率(P)，它是流過(guò)激光器的電流(I)的函數(shù)。圖6證實(shí)，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的激光器100在很寬的范圍內(nèi)、即到點(diǎn)61，都有基本線性的P-I特性，這是非常希望的。本例中激光器100的起始電流約為35mA，在大約785nm的波長(zhǎng)下發(fā)射，非常適合于作為光記錄系統(tǒng)中的讀或?qū)懠す馄鳌?br> 圖7表示脈沖方式工作期間作為脈寬(t)的函數(shù)的圖4激光器的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)，諧振腔的長(zhǎng)度為圖5所示的L2(曲線70)，以及圖5所示的L2'(曲線71)。采用脈沖方式主要對(duì)本發(fā)明的激光器的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)方面進(jìn)行了改善，特別是脈寬小于約200納秒。事實(shí)上，對(duì)諧振腔的長(zhǎng)度L2約為400μm而言，轉(zhuǎn)折功率從大約60mW升高到200mW以上(大于三倍)，而對(duì)非最佳的約350μm的長(zhǎng)度L2'而言，該功率從大約35mW升高到75mW(只有兩倍)。因此，本發(fā)明的激光器采用脈沖方式特別具有吸引力。應(yīng)注意的是，采用脈沖方式的最佳長(zhǎng)度略大于采用CW(連續(xù)工作)方式(約長(zhǎng)20μm)。這是因?yàn)樵谇耙环N情況下的激光器溫度比后一種情況低，更多的熱量散去了。
本實(shí)例的激光器100的制造方式與本發(fā)明的第一實(shí)施例的制造方式類似。在襯底1上形成層11、2、3、4和10之后，通過(guò)蝕刻形成臺(tái)面12。在去除用于此的掩模之前，這里通過(guò)陽(yáng)極氧化得到絕緣層15，絕緣層15在臺(tái)面12的兩邊，并靠著臺(tái)面12的外側(cè)。去除該掩模之后，形成連接導(dǎo)體7、8，并通過(guò)切割形成激光器100。通過(guò)濺射或蒸汽淀積法形成鏡面50、51上的鍍層。
圖8用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導(dǎo)體二極管激光器的第三最佳實(shí)施例。激光器100的結(jié)構(gòu)類似于第一實(shí)施例的激光器，只是沒(méi)有中間層9，并且半導(dǎo)體層(部分地)包括不同的材料或化合物。本例中激光器100的發(fā)射波長(zhǎng)大約為980nm。臺(tái)面形條12的寬度大約為3μm。連接導(dǎo)體7、8與前一個(gè)實(shí)施例相同。上述實(shí)施例的激光器100的(半導(dǎo)體)層的厚度、材料和其它特性列于下表半導(dǎo)體號(hào)類型參雜濃度厚度(原子/cm3)(μm)1 GaAs(襯底) N 2×10183502' Al0,4Ga0,6As N 2×10181,32" Al0,2Ga0,8As N 2×10180,042"' GaAs N 2×10180,023' In0,2Ga0,8As - 0,0053"GaAs-0,0054"' GaAs P 5×10170,024" Al0,2Ga0,8As P 5×10170,044' Al0,4Ga0,6As P 5×10170,1540Al0,4Ga0,6As P 5×10171,2
5 GaAs P 5×10170,016 GaAs P 5×10180,510 GaAs P 5×10180,513 GaAs N 1×10181,7本發(fā)明的這一實(shí)施例的激光器100具有長(zhǎng)度L3，此處大約為600μm的條形有源區(qū)，對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流(I)的函數(shù)的光功率(P)的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率大致為最大值。這意味著，在非常大的光功率之前，即激光器100的最大光功率之前，這里大約為85mW，所謂P-I特性不顯示轉(zhuǎn)折，這使得根據(jù)本發(fā)明本實(shí)施例的激光器100特別適用于需要在非常大的光功率之前都有線性P-I特性的場(chǎng)合。
圖9表示作為圖8的激光器100的諧振腔長(zhǎng)度(L)函數(shù)的激光器的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)。符號(hào)90對(duì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際激光器100、以曲線91為基礎(chǔ)的測(cè)量結(jié)果，該結(jié)果對(duì)應(yīng)于前面的實(shí)施例的結(jié)果。在本例中，激光器100的長(zhǎng)度L3約為600μm(參見圖9)，由此得到大約85mW的轉(zhuǎn)折功率(Pkink)。
圖10表示具有如圖9所示的諧振腔長(zhǎng)度L3(大約600μm)的圖8的激光器的光功率(P)，它是流過(guò)激光器的電流(I)的函數(shù)。遲至點(diǎn)101才觀測(cè)到一個(gè)轉(zhuǎn)折。本例中激光器100的起始電流約為15mA，在大約980nm的波長(zhǎng)下發(fā)射，非常適合于作為光通信系統(tǒng)中的光纖放大器用的泵激激光器。
根據(jù)本發(fā)明的這一實(shí)施例的激光器100的制造方式基本與第一實(shí)施例的類似。不同之處可從如上所述結(jié)構(gòu)方面的不同推定。
本發(fā)明不局限于所給的實(shí)施例，因?yàn)閷?duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不背離本發(fā)明的精神的前提下可作許多修改和變更?？刹捎门c上述實(shí)施例不同成份的半導(dǎo)體材料、不同層厚度和不同尺寸。也可以用相反的導(dǎo)電類型來(lái)全部(同時(shí))替換原有的導(dǎo)電類型。此外，還可以采用其它(折射率導(dǎo)引型)結(jié)構(gòu)，比如CSP(溝道襯底平面)、SAS(自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))或VSIS(V形槽襯底內(nèi)條)。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，在這里有源區(qū)不需要象所給的實(shí)施例那樣，在縱向與諧振腔一致。因此，例如可以采用NAM(非吸收鏡面)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步需要注意的是，本發(fā)明也復(fù)蓋了帶有光柵的激光器，如DFB(分布式反饋)或DBR(分布式布拉格反射器)，只要光柵的波長(zhǎng)選擇性足夠低。最后還要指出的是，用于形成實(shí)施例中的半導(dǎo)體層的方法可以與OMVPE技術(shù)不同。因此，可以另外采用MOMBE(金屬有機(jī)分子束取向附生)、MBE(分子束取向附生)、VPE(氣相取向附生)或LPE(液相取向附生)。
權(quán)利要求
1.一種折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體二極管激光器，以下通常簡(jiǎn)稱為激光器，該激光器包括一塊半導(dǎo)體本體，它具有第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底，上面有按順序至少由第一導(dǎo)電型的第一鍍層、有源層、以及與第一導(dǎo)電型相反的第二導(dǎo)電型的第二鍍層組成的一半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，還包括能夠提供足夠強(qiáng)度的正向電流的一個(gè)pn結(jié)，在位于諧振腔內(nèi)的條形有源區(qū)產(chǎn)生相干電磁輻射，諧振腔由基本垂直于有源區(qū)的表面限定，同時(shí)半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)在有源區(qū)的每一側(cè)具有用以形成有效折射率等級(jí)的部件，而第一和第二鍍層還有用以形成電連接的部件，其特征在于諧振腔至少具有一種長(zhǎng)度，對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于諧振腔的長(zhǎng)度構(gòu)成一組長(zhǎng)度的一部分，這一組長(zhǎng)度相互間的距離基本相等，而對(duì)構(gòu)成長(zhǎng)度組部分的每一長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于諧振腔的長(zhǎng)度介于第一長(zhǎng)度和第二長(zhǎng)度之間，對(duì)第一長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值，第二長(zhǎng)度大于第一長(zhǎng)度，對(duì)第二長(zhǎng)度而言，所述功率大約等于其最大值的50%。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于諧振腔的長(zhǎng)度介于第一長(zhǎng)度和第二長(zhǎng)度之間，對(duì)第一長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值，第二長(zhǎng)度大于第一長(zhǎng)度，對(duì)第二長(zhǎng)度而言，所述功率大約等于其最大值的80%。
5.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于諧振腔的長(zhǎng)度介于第一長(zhǎng)度和第二長(zhǎng)度之間，對(duì)第一長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值，第二長(zhǎng)度比所述第一長(zhǎng)度約長(zhǎng)20μm。
6.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于形成所述長(zhǎng)度組部分的一個(gè)長(zhǎng)度最好等于最短長(zhǎng)度，對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值，將有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級(jí)橫模之間的振蕩周期的一半乘以一個(gè)整數(shù)，加到該長(zhǎng)度上。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于振蕩周期等于2π/(β0-β1)和λ/2＊△n01，其中β0和β1分別是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級(jí)橫模的傳播常數(shù)，λ是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的波長(zhǎng)，△n01是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級(jí)橫模的有效折射率之差。
8.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于激光器是弱折射率導(dǎo)引型的，并且其V參數(shù)位于大約π/2和大約π之間，V＝(2＊π＊w/λ)＊√(n22-n21)，其中w是有源區(qū)的寬度，λ是激光器的發(fā)射波長(zhǎng)，n2是有源區(qū)區(qū)域中的有效折射率，n1是有源區(qū)任一側(cè)的有效折射率。
9.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于所述部件包括這樣的事實(shí)，即半導(dǎo)體二極管激光器具有隆起的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于所述部件包括這樣的事實(shí)，即隆起的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是掩蔽式的，并且掩蔽隆起波導(dǎo)的層具有這樣的帶隙以致基本不吸收產(chǎn)生的電磁輻射。
11.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體二極管激光器，其特征在于限定諧振腔的表面涂敷有鍍膜。
12.如上述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體二極管激光器用于脈沖模式。
13.一種制造折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體二極管激光器的方法，通過(guò)該方法在半導(dǎo)體襯底上形成一塊半導(dǎo)體本體，該半導(dǎo)體襯底是第一導(dǎo)電型的，上面有一半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)，按順序至少由第一導(dǎo)電型的第一鍍層、有源層、以及與第一導(dǎo)電型相反的第二導(dǎo)電型的第二鍍層組成，其中還形成有pn結(jié)、條形有源區(qū)、和由基本垂直于有源區(qū)的表面限定的環(huán)繞的諧振腔，半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)在有源區(qū)的每一側(cè)具有用以形成有效折射率等級(jí)的部件，而第一和第二鍍層還有用以形成電連接的部件，其該方法的特征在于為諧振腔至少選擇一種長(zhǎng)度，對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值。
全文摘要
本發(fā)明涉及折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體二極管激光器及其制造方法。P-I(光功率-電流)特性曲線的轉(zhuǎn)折取決于激光器諧振腔的長(zhǎng)度。根據(jù)本發(fā)明為該激光器諧振腔選擇一種長(zhǎng)度，對(duì)該長(zhǎng)度而言，作為流經(jīng)pn結(jié)電流的函數(shù)的光功率的導(dǎo)數(shù)變化時(shí)，光功率為最大值。結(jié)果，激光器的長(zhǎng)度是最佳的，它不僅與P-I曲線中轉(zhuǎn)折的出現(xiàn)有關(guān)，而且與其它特性有關(guān)。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1113354SQ95103500
公開日1995年12月13日 申請(qǐng)日期1995年3月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月22日
發(fā)明者C·J·范德波爾, G·A·阿凱特, M·F·C·森曼 申請(qǐng)人:菲利浦電子有限公司