CN101106255A - 低光反馈噪声的自脉冲半导体激光器 - Google Patents

低光反馈噪声的自脉冲半导体激光器 Download PDF

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Abstract

一种自脉冲半导体激光器，包括：形成在半导体衬底(101)上的下包层(103)，形成在下包层上的有源层(105)，形成在有源层上的第一上包层(107)，形成在第一上包层上的第二上包层(109)和阻挡层(BLK)。第二上包层(109)具有台地结构(MS)。阻挡层(BLK)形成在第二上包层(109)的两侧上并包括其带隙大于有源层(105)的带隙的层。当执行自脉冲时，可饱和吸收器区(115)形成在增益区(114)的两侧上。第一上包层(107)的厚度d满足220nm≤d≤450nm的关系。可以在宽的温度范围内实现稳定的自脉冲。

Description

低光反馈噪声的自脉冲半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器及其制造方法。更具体地，本发明涉及在抑制光反馈噪声方面良好的自脉冲半导体激光器及其制造方法。
背景技术
半导体激光器用于光盘装置、光纤通信、光学算术运算等中的光源。在诸如DVD装置的光盘装置的情况下，可能存在从光盘反射的光再次返回入射在半导体激光器元件上的情况。再次返回入射在元件上的光被称作反馈光，由于反馈光而在发射光的输出中产生的噪声被称作光反馈噪声。光反馈噪声会造成信号读出错误等。因此，半导体激光器领域的关键问题之一是抑制光反馈噪声。
为了降低光反馈噪声，需要通过使激光的纵模变成多模并通过使有源层的折射率波动而施加波长线性调频脉冲(wavelength chirping)来减弱激光束的相干性。因此作为所使用的方法，已知一种将几百MHz到几GHz的高频电流叠加到激光器驱动电流(其为直流)上的方法。在这种情况下，额外需要高频振荡器，由此增大了成本。而且，由于使用高频电流而产生了不需要的辐射(EMI：电磁干扰)。为了处理EMI而安装用于测量的部件使成本进一步增大。
因此，“自脉冲半导体激光器”作为抑制光反馈噪声的可选技术引起了关注。在自脉冲半导体激光器中，在有源层附近提供被称作“可饱和吸收器(saturable absorber)”的区域。可饱和吸收器具有转换激光束的吸收/透射的功能，且激光束的强度通过可饱和吸收器在几百MHz到几GHz频率之间的范围内自动改变。也就是说，由此实现了自脉冲，仅通过元件自身就可以获得与叠加高频电流相同的效果。
下面阐述与自脉冲半导体激光器相关的一些技术。
在日本特开专利申请(JP-A-Heisei 4-154184)中所描述的自脉冲半导体激光器中，双异质结构形成在第一导电类型的GaAs衬底上。双异质结构由夹有GaInP有源层的GaInP有源层和AlGaInP包层构成。有源层上的第二导电类型的包层具有达到有源层顶面的台地结构。也就是说，具有台地结构的包层仅形成在有源层上方。第二导电类型的(AlxGa1-x)0.5In0.5P层形成在台地结构的侧面和台地结构的两侧上的有源层的表面上。
日本特开专利申请(JP-A-Heisei 11-220210)中所述的自脉冲半导体激光器包括第一导电类型的第一包层、形成在第一包层上的有源层和形成在有源层上的第二导电类型的第二包层。该第二包层具有台地部分，电流限定结构被提供在台地部分的两侧上。电流限定结构由第一导电类型的GaAs构成。横向上的折射率差Δn在0.001至0.003的范围内。而且，横向波导外侧上的第二包层的厚度为400nm或更小。在这种情况下，在常温(25℃)或高温(60℃)下通过台地部分注入到有源层中的电流的横向扩展可以被抑制到大约台地部分底部的宽度。
发明内容
本申请的发明人已经认识到，为了在半导体激光器中实现稳定的自脉冲，控制“自脉冲的温度依赖性”很重要。自脉冲的强度取决于可饱和吸收器区的体积，该体积取决于增益和损失之间的平衡。也就是说，根据自脉冲激活时增益电流(J-G曲线)上的工作点来确定。增益/损失的平衡是根据有源层的结构、光波导的分布与注入到有源层的注入电流的分布之间的重叠以及光波导路径损失的程度来确定的。
在低温条件下，基于有源层结构确定的增益相对大，且注入的电流的横向扩展(扩散)相对小。因此，由于大的增益和与增益平衡的损失引发自脉冲工作，因此可饱和吸收器区的体积趋于变大。然而，当根据有源层结构确定的增益太小或电流的横向扩展太窄时，损失变得过度。由此，可饱和吸收器区的体积变大，因而减弱了自脉冲的强度。
在高温条件下，基于有源层结构确定的增益相对小，且注入的电流的横向扩展相对大。因此，由小的增益和与增益平衡的损失引发自脉冲工作，因此可饱和吸收器区的体积趋于变小。然而，当根据有源层结构确定的增益太小以致于损失变得过度时，或者当电流的横向扩展太大以致于增益变得过度时，可饱和吸收器区的体积变小。因而减弱了自脉冲的强度。
如上所述，自脉冲的强度取决于工作温度和工作电流。然而，上述现有技术中并未充分考虑自脉冲的这种温度依赖性。因此，即使通过在特定温度范围内的最优增益获得了强的自脉冲，自脉冲在其他温度下也可能减弱或停止。这导致由光反馈噪声引起的信号再现错误，考虑到产品的可靠性这不是优选的。特别地，需要用于光盘装置中的半导体激光器在约-10℃至75℃的宽温度范围上执行稳定的自脉冲。通过上述现有技术难以在这种宽温度范围上实现稳定的自脉冲。
在一个实施例中，自脉冲半导体激光器包括：形成在半导体衬底上的下包层；形成在下包层上的有源层；形成在有源层上的第一上包层，其中第一包层的厚度d满足220nm≤d≤450nm的关系；形成在第一上包层上并具有台地结构的第二上包层；以及阻挡层，其包括形成在台地结构两侧上的各层，其中这些层的带隙大于有源层的带隙。
在另一实施例中，自脉冲半导体激光器的制造方法包括：(a)在半导体衬底上形成下包层；(b)在下包层上形成有源层；(c)在有源层上形成具有厚度在220nm至450nm范围内的第一上包层；(d)在第一上包层上形成第二上包层；(e)蚀刻第二上包层以形成台地结构；以及(f)在台地结构的两侧上形成各阻挡层，其中这些层的带隙大于有源层的带隙。
在自脉冲半导体激光器的制造方法的又一实施例中，(f)的形成包括：在有源层的两侧上形成(AlxGa1-x)0.5In0.5P层。
在自脉冲半导体激光器的制造方法的再一实施例中，(f)的形成包括：(f1)在有源层的两侧上形成(AlxGa1-x)0.5In0.5P层；(f2)在每个(AlxGa1-x)0.5In0.5P层上形成GaAs层。
在又一实施例中，自脉冲半导体激光器的制造方法包括：(A)在半导体衬底的第一区域上形成第一半导体叠层结构；以及(B)在半导体衬底的第二区域上形成第二半导体叠层结构。(A)的形成包括：(A1)在半导体衬底上形成下包层；(A2)在下包层上形成有源层；(A3)在有源层上形成具有厚度在220nm至450nm范围内的第一上包层；(A4)在第一上包层上形成第二上包层；以及(A5)蚀刻位于第一区域外侧上的第二上包层、第一上包层、有源层和下包层，以生成第一半导体叠层结构。(B)的形成包括：(B1)形成另一下包层以覆盖半导体衬底和第一半导体叠层结构；(B2)在另一下包层上形成另一有源层；(B3)在另一有源层上形成具有厚度在220nm至450nm范围内的另一第一上包层；(B4)在另一第一上包层上形成另一第二上包层；以及(B5)蚀刻位于第二区域外侧上的另一第二上包层、另一第一上包层、另一有源层和另一下包层，以生成第二半导体叠层结构。该制造方法还包括：(C)蚀刻第二上包层和另一第二上包层的每一个，以形成台地结构；以及(D)将各阻挡层形成到第二上包层和另一第二上包层的每个台地结构的两侧，其中这些阻挡层的每一个的带隙大于有源层的带隙。
在自脉冲半导体激光器的制造方法的再一实施例中，有源层的材料和另一有源层的材料彼此不同。
在自脉冲半导体激光器的制造方法的再一实施例中，半导体衬底和有源层之间的距离基本与半导体衬底和另一有源层之间的距离相同。
在自脉冲半导体激光器的制造方法的再一实施例中，第二上包层和另一第二上包层由相同材料制成。
在自脉冲半导体激光器的制造方法的再一实施例中，(D)的形成包括：(D1)在第一区域和第二区域的每一个中的台地结构的两侧上形成(AlxGa1-x)0.5In0.5P层。
在自脉冲半导体激光器的制造方法的再一实施例中，(D)的形成包括：(D1)在第一区域和第二区域的每一个中的台地结构的两侧上形成(AlxGa1-x)0.5In0.5P层；以及(D2)在形成在第一和第二区域中的(AlxGa1-x)0.5In0.5P层的每一个上形成GaAs层。
在上述自脉冲半导体激光器中，可以充分考虑自脉冲的温度依赖性。结果，可以在宽的温度范围上保持稳定的自脉冲。由于可以在工作温度的整个范围上良好地抑制光反馈噪声，因此可以提高工作可靠性。而且，减小了工作电流，因此也可以提高长期的可靠性。
附图说明
本发明的上述和其他目的、优点和特征将通过以下参考附图的一些优选实施例的描述而更加明显，其中：
图1是示出根据第一实施例的自脉冲半导体激光器的结构的截面图；
图2是示出工作电流的温度依赖性的曲线图；
图3是示出干扰指数γ和相对强度噪声RIN的温度依赖性的曲线图；
图4A是示出干扰指数γ关于参数d的各个值的温度依赖性的曲线图；
图4B是示出相对强度噪声RIN关于参数d的各个值的温度依赖性的曲线图；
图5A是示出干扰指数γ关于参数Δn的各个值的温度依赖性的曲线图；
图5B是示出相对强度噪声RIN关于参数Δn的各个值的温度依赖性的曲线图；
图6A是示出干扰指数γ关于载流子密度的各个值的温度依赖性的曲线图；
图6B是示出相对强度噪声RIN关于载流子密度的各个值的温度依赖性的曲线图；
图7A是示出干扰指数γ关于参数W的各个值的温度依赖性的曲线图；
图7B是示出相对强度噪声RIN关于参数W的各个值的温度依赖性的曲线图；
图8A是示出根据第一实施例的自脉冲半导体激光器的制造步骤的截面图；
图8B是示出根据第一实施例的自脉冲半导体激光器的制造步骤的截面图；
图8C是示出根据第一实施例的自脉冲半导体激光器的制造步骤的截面图；
图8D是示出根据第一实施例的自脉冲半导体激光器的制造步骤的截面图；
图9是示出根据第二实施例的自脉冲半导体激光器结构的截面图；
图10是示出根据第三实施例的自脉冲半导体激光器结构的截面图；
图11A是示出根据第四实施例的自脉冲半导体激光器的制造步骤的截面图；
图11B是示出根据第四实施例的自脉冲半导体激光器的制造步骤的截面图；
图11C是示出根据第四实施例的自脉冲半导体激光器的制造步骤的截面图；
图11D是示出根据第四实施例的自脉冲半导体激光器的制造步骤的截面图；
图12是示出根据第五实施例的自脉冲半导体激光器的制造步骤的截面图。
具体实施方式
现在将在此参考说明性实施例描述本发明。本领域技术人员将认识到，利用本发明的教导可以完成许多可选实施例并且本发明不限于用于解释性目的而示出的实施例。
参考附图，例如，以下实施例的自脉冲半导体激光器用作诸如DVD装置的光盘装置的光源。
1.第一实施例
1-1.结构
图1是示出根据本发明第一实施例的自脉冲半导体激光器的结构的截面图。在图1中，Z-方向是一空腔的轴向，X-方向(水平方向)是正交于该空腔的轴向且平行于p-n结面的方向。Y-方向是正交于该空腔的轴向且垂直于pn结面的方向。出现在X、Y和Z方向上的驻波分别被称作水平横模、垂直横模和纵模。
在图1中，用于提高结晶性能的第一导电类型的缓冲层102形成在第一导电类型的半导体衬底101上。“双异质结构(DH)”形成在缓冲层102上。具体地，有源层105经下波导层104形成在第一导电类型的下包层103上。第二导电类型的第一上包层107经上波导层106形成在有源层105上。此外，第二导电类型的第二上包层109经蚀刻停止层108形成在第一上包层107上。第二上包层109具有沿Z-方向以条形形成的“台地结构MS(隆起结构)”。
此外，阻挡层BLK形成在第二上包层109的台地结构的两侧上。也就是说，形成阻挡层BLK以覆盖台地结构MS的侧面和蚀刻停止层108未形成台地结构MS的区域。如后所述，阻挡层BLK用于将注入到有源层105中的注入电流限定到台地结构。而且，阻挡层BLK还用于在X-方向上提供光波导(水平横模)。在本实施例中，阻挡层BLK包括一个层，该层具有比有源层105更大的带隙并具有比第二上包层109更小的折射率。
而且，第二上包层109(台地结构MS)的顶面由第二导电类型的盖层110覆盖。第二导电类型的接触层113形成在盖层110和阻挡层BLK上。
根据本发明实施例的半导体激光器由上述半导体叠层结构构成。例如，发射波长约为650nm。下面将描述构成这种半导体激光器元件的每个层的例子。在下面的解释中，第一导电类型是n型，第二导电类型是p型。当然，n型和p型可以相反。而且，将(AlxGa1-x)0.5In0.5P简写成AlGaInP。在这种情况下，Al的组分率x被写在括号里。
半导体衬底101：n型GaAs
缓冲层102：n型GaAs；厚度＝650nm；杂质浓度＝5×1017cm-3
下包层103：n型AlGaInP(x＝0.7)；厚度＝1200nm；杂质浓度＝5×1017cm-3
下波导层104：AiGaInP(x＝0.45)；厚度＝30nm
有源层105的带隙小于在周围区域中三个设置的波导层和包层的带隙。有源层105的折射率大于在周围区域中设置的波导层和包层的折射率。在本实施例中，有源层105具有多量子阱结构，其中层叠了多个量子阱。每个阱由各阻挡层隔离。每个阱由GaInP形成，且其厚度为5.0nm。每个阻挡层由AlGaInP(x＝0.45)形成，且其厚度为5.0nm。调整施加到阱的压缩变形以便在约650nm处实现期望的振荡波长。
上波导层106：AlGaInP(x＝0.45)；厚度＝30nm
第一上包层107：p型AlGaInP(x＝0.7)；厚度d＝300nm；杂质浓度＝6×1017cm-3
蚀刻停止层108：p型AlGaInP(x＝0.2)；厚度＝10nm；杂质浓度＝6×1017cm-3
第二上包层109：p型AlGaInP(x＝0.7)；厚度＝1000nm；杂质浓度＝6×1017cm-3；台地结构MS的底部宽度W＝4.0μm
盖层110：p型GaAs；厚度＝300nm；杂质浓度＝1.5×1018cm-3
接触层113：p型GaAs；厚度＝3000nm；杂质浓度＝2×1018cm-3
阻挡层BLK包括n型或未掺杂的(AlxGa1-x)0.5In0.5P层111和形成于其上的n型GaAs层112。Al的组分x也可以为1。在这种情况下，阻挡层BLK包括n型或未掺杂的AlInP层111。AlInP层111(或AlGaInP层111)的厚度例如为150nm。N型GaAs层112的厚度例如为850nm，且其杂质密度例如为3×1018cm-3。AlInP层111的带隙(或AlGaInP层111)大于有源层105发光部分的带隙，且其折射率小于第二上包层109(台地结构MS)的折射率。也就是说，形成了具有小的光吸收系数的阻挡层BLK。
在上述结构中，由于形成在第二上包层109上及其两侧上的阻挡层BLK而在X方向上的折射率上产生了差。也就是说，在对应于条状的台地结构MS的部分和台地结构MS以外的部分之间存在产生的折射率的差。这一差被称为有效折射率的差Δn。与X方向上的光波导相关的有效折射率的差Δn还取决于第一上包层107的厚度。在上述示例所示的结构中，与X方向上的光波导相关的有效折射率的差Δn大约为2.0×10-3。
1-2.工作和工作特性
参考图1，假设将正向偏压施加到上述双异质结构。此时，反向偏压被施加在阻挡层BLK(n-GaAs层112/n或i-AlInP层111)和在其下面限定的p型层(p-AlGaInP层108/p-AlGaInP层107)之间。结果，电流仅从第二上包层109(台地结构MS)流到第一上包层107和有源层105中。也就是说，电流由阻挡层BLK阻挡那个茄惫限定到台地结构MS。在这种情况下，认为阻挡层BLK用作“电流限定机制”。
形成台地结构，以便使其边缘位于有源层105的附近，且将电流注入到有源层105的宽度几乎等于台地结构MS底面的宽度W。结果，在有源层105中，仅在对当于台地结构MS的区域中产生了增益(反向分布)。在图1中，将这种区域示为增益区(有源区)114。
而且，考虑到光波导，通过上述双异质结构实现了Y方向上的光限制(垂直横模)。同时，通过上述有效折射率差Δn实现了X方向上的光限制(水平横模)。更具体地，不是将光限制在有源层105内侧，而是由于隧道效应而略微泄漏到在其周围设置的包层。泄漏的光感应形成在有源层105附近的具有相对低折射率的阻挡层BLK。结果，上述有效折射率差Δn产生在X方向上，并限制了光。在这种情况下，还认为阻挡层用作了“X方向的光波导机制”。
在有源层105中，光波导区的宽度大于增益区114的宽度。光波导区和增益区114之间的差，即，增益区114外侧上的光波导区，用作“可饱和吸收器区115”。自脉冲通过可饱和吸收器区115而实现。然而，自脉冲的范围取决于可饱和吸收器区115的体积。可饱和吸收器区115的体积根据光波导区的尺寸和增益区114的尺寸来确定。光波导区的尺寸几乎根据上述有效折射率差Δn来确定。同时，增益区114的尺寸对应于注入到有源区105的注入的电流的分布宽度，并且注入的电流的分布宽度不仅取决于台地结构MS底部的宽度W，还取决于温度。
在高温条件下，注入的电流的分布宽度变得相对大，因为恰好在台地结构MS下面的第一上包层107和有源层105中空穴载流子在X方向上的扩展(下文中在相同情况下称作“横向扩展”)变大了。因此，增益区114变得相对大，以致于可以用作可饱和吸收器区115的损失区域(loss region)变得相对小。相反地，在低温条件下，注入的电流的横向扩展变小，且增益区114也变得相对小。因此，可以用作可饱和吸收器115的损失区域变得相对大。
如所述，可以用作可饱和吸收器区115的损失区域的体积根据温度而改变。因此，自脉冲还显示出温度依赖性。例如，当可以用作可饱和吸收器115的损失区域的体积在低温条件下变得过大时，自脉冲由于过分损失而减弱。然而，当有源层自身的增益相对于损失过大时，相反地增益变得过度。在这种情况下，自脉冲减弱。同时，在高温条件下，当可以用作可饱和吸收器区115的损失区域的体积变得过小时，自脉冲由于过分增益而减弱。然而，当有源层自身的增益相对于损失过小时，相反地损失变得过度。在这种情况下，自脉冲减弱。当自脉冲减弱时，光反馈噪声变得显著。为了提高半导体激光器的工作可靠性，重要的是考虑温度依赖性来设计激光器，以便可以在宽的温度范围(至少-10℃至75℃)内保持稳定的自脉冲。
为了实现稳定的自脉冲，需要使振荡自身稳定。当感应的辐射的增益超过损失(传输、吸收、散射，等等)时，产生振荡。由此，优选的是尽可能大得减小损失。根据本实施例的阻挡层BLK包括AlInP层111(或AlGaInP层111)，其在振荡波长区域中的光吸收系数小。与前述现有技术不同，阻挡层BLK不仅由具有光吸收特性的GaAs层形成。结果，光路损失减小，且振荡增大。也就是说，阈值电流(振荡开始时的电流值)减小。虽然阈值电流根据温度的增大倾向于增大，但在本实施例中阈值电流的绝对值小，因此即使在高温条件下，可以抑制由增益不足而引起的振荡减弱。
而且，由于可以减小波导路径损失和阈值电流，因此通过仍然较小的工作电流可以获得期望的光输出功率。图2示出了关于根据现有技术和本发明的每个半导体激光器元件的4mW的光输出功率所需的工作电流值。本实施例的元件具有上述示例中所示的结构。同时，现有技术的元件包括仅由n型GaAs层构成的阻挡层。如图2可以看到的，根据本实施例的元件的工作电流在任何温度条件下都小于现有技术的元件的工作电流。这是因为本实施例的元件中波导路径损失以及阈值电流减小了。由于其仅需要较小的工作电流，因此提高了斜度效率(slope efficiency)并且延长了元件的寿命。也就是说，本发明能够提高元件性能和长期稳定性。由于载流子过流的差别在高温条件下变得显著，因此工作电流之间的差别随着温度变得更高而变得更加显著。因此效果在高温条件下变得更加显著。
接下来，本申请的发明人研究了自脉冲的温度依赖性。具体地，本申请的发明人针对光反馈噪声研究了主要干扰指数γ和相对强度噪声RIN的温度依赖性。当获得强自脉冲时，纵模的波长线性调频脉冲变大，且γ和RIN的值小。相反，当自脉冲减弱时，γ和RIN的值大。因此可以通过测量γ和RIN来检查所获得的自脉冲是否稳定。作为指示稳定自脉冲的参考，需要使γ为60％或更小且RIN为110dB/Hz或更小。
图3示出了在上述示例的情况下(第一上包层107的厚度d＝300nm)干扰指数γ和相对强度噪声RIN的温度依赖性。在本测量实验中，半导体激光器的光输出功率为4mW。光路长度(光盘和激光器元件之间的距离)为34mm。反馈光量为1％。如图3可以看到的，干扰指数γ和相对强度噪声RIN在-10℃至75℃的宽温度范围内都保持在低水平上。几乎没有由温度引起的γ和RIN的可观察变化。这意味着自脉冲在宽温度范围内保持稳定而没有减弱。也就是说，通过本发明可以在所需温度的整个范围上保持稳定的自脉冲。
此外，本申请的发明人进行了实验，其中测试了具有各个厚度d的第一上包层的每个样品并对样品获得了相同的性质或结果。厚度d影响确定光波导区尺寸的上述有效折射率差Δn。当厚度d变小时，有效折射率差Δn变大，由此减小了光波导区的尺寸。同时，当厚度d变大时，有效折射率差Δn变小，由此增大了光波导区的尺寸。
图4A示出了干扰指数γ关于厚度d的各个值的温度依赖性。图4B示出了相对强度噪声RIN关于厚度d的各个值的温度依赖性。如图4A和4B可以看到的，当厚度d为220nm、300nm或450nm时，在-10℃至75℃的宽温度范围内，γ和RIN分别被抑制到60％或更小和-110dB/Hz或更小。也就是说，在所需温度的宽范围内保持了稳定的自脉冲。
然而，在厚度d为180nm的情况下，γ和RIN的值在高温条件(75℃)下再次增大。这意味着自脉冲变弱且光反馈噪声增大。在厚度d为180nm的情况下，光波导区的尺寸相比其他情况减小了。此外，注入的电流的横向扩展在高温条件下变大，且增益区114变得相对大。这导致了过度的增益。因此，可饱和吸收器区115的体积变得过小，以致于自脉冲变弱或停止。
而且，在厚度d为480nm的情况下，γ和RIN的值在低温条件(-10℃)和高温条件(75℃)下增大。这也意味着自脉冲变弱且光反馈噪声增大。在厚度d为480nm的情况下，光波导区的尺寸相比其他情况增大了。此外，注入的电流的横向扩展在低温条件下变小，且增益区114变得相对小。这导致了过度的损失。因此，可饱和吸收器区115的体积变得过小，以致于自脉冲变弱或停止。此外，在高温条件下，有源层105自身的增益由于载流子过流的影响而减小。因此，自脉冲也由于过度的损失减弱或停止。
如上所述，考虑到可饱和吸收器区115的体积的温度依赖性，第一上包层107的厚度d优选地被设置为在220nm至450nm范围内的值。
此外，本申请的发明人通过不同地改变样品的其他参数进行了实验，并获得了相同的性质或结果。
图5A和5B分别示出了干扰指数γ和相对强度噪声RIN关于有效折射率差Δn的各个值的温度依赖性。如图5A和5B可以看到的，在有效折射率的差Δn在5.0×10-4至4.0×10-3范围内的情况下，在-10℃至75℃的宽温度范围内，γ和RIN的值分别被抑制到60％或更小和-110dB/Hz或更小。也就是说，在所需温度的宽范围内保持了稳定的自脉冲。同时，当有效折射率差Δn为该范围之外的值时，自脉冲变弱。
此后，研究了第一上包层107的载流子浓度(p-浓度)的影响。图6A和6B分别示出了干扰指数γ和相对强度噪声RIN关于载流子浓度的各个值的温度依赖性。如图6A和6B可以看到的，在第一上包层107的载流子浓度在5×1017cm-3至2×1018cm-3的范围内时，在-10℃至75℃的宽温度范围内，γ和RIN分别被抑制到60％或更小和-110dB/Hz或更小。也就是说，在所需温度的宽范围内保持了稳定的自脉冲。同时，当载流子浓度为该范围之外的值时，自脉冲变弱。
然后，研究了X方向上台地结构底部的宽度W，其是确定注入的电流分布的参数之一。图7A和7B分别示出了干扰指数γ和相对强度噪声RIN关于宽度W的各个值的温度依赖性。如图7A和7B可以看到的，在台地结构底部的宽度W在3.5μm至5.0μm的范围内时，在-10℃至75℃的宽温度范围内，γ和RIN分别被抑制到60％或更小和-110dB/Hz或更小。也就是说，在所需温度的宽范围内保持了稳定的自脉冲。同时，当宽度W取该范围之外的值时，自脉冲变弱。
1-3.制造方法
接下来，将描述用于制造上述半导体激光器元件的方法示例。
首先，如图8A所示，通过外延生长在半导体衬底101上形成半导体层叠结构。半导体层叠结构由缓冲层102、下包层103、下波导层104、有源层105、上波导层106、第一上包层107、蚀刻停止层108、第二包层109和盖层110构成。
经缓冲层102(n型GaAs，厚度＝650nm，杂质浓度＝5×1017cm-3)在半导体衬底101(n型GaAs)上形成下包层103(n型AlGaInP(x＝0.7)，厚度＝1200nm，杂质浓度＝5×1017cm-3)。通过下波导层104(AlGaInP(x＝0.45)，厚度＝30nm)在下包层103上形成多量子阱有源层105(阱层：GaInP，厚度5.0nm；阻挡层：AlGaInP(x＝0.45)，厚度＝5.0nm)。调整施加到阱层的压缩变形以具有大约650nm的期望振荡波长。
此外，经上波导层106(AlGaInP(x＝0.45)，厚度＝30nm)在多量子阱有源层105上形成第一上包层107(p型AlGaInP(x＝0.7))。第一上包层107的厚度d在220nm至450nm的范围内，且载流子浓度在5×1017cm-3至2×1018cm-3的范围内。在第一上包层107上，通过蚀刻停止层108(p型AlGaInP(x＝0.2)，厚度＝10nm，杂质浓度＝6×1017cm-3)形成第二上包层109(n型AlGaInP(x＝0.7)，厚度＝1000nm，杂质浓度＝6×1017cm-3)。而且，在第二上包层109上形成盖层110(p型GaAs，厚度＝300nm，杂质浓度＝1.5×1018cm-3)。
然后在盖层110上的预定区域中通过热CVD、光刻和氢氟酸蚀刻形成SiO2掩模200。随后，如图8B所示，通过利用SiO2掩模200进行湿法蚀刻，直到露出蚀刻停止层108为止。结果，处理第二上包层109使其具有台地结构MS。设置X方向上台地结构MS底部的宽度W使其具有3.5μm至5.0μm范围内的值。该台地结构MS可以是通过干法蚀刻和湿法蚀刻的组合来形成的。
然后，如图8C所示，通过利用SiO2掩模200的选择性外延生长在台地结构MS的两侧上形成阻挡层BLK。具体地，形成n型或未掺杂的AlGaInP层111(厚度＝150nm)以覆盖台地结构MS的侧面和蚀刻停止层108的暴露面。然后，在AlGaInP层111上形成n型GaAs层112(厚度＝850nm，杂质浓度＝3×1018cm-3)。
接着，在去除SiO2掩模200之后，通过外延生长形成接触层113(p型GaAs，厚度＝3000nm，杂质浓度＝2×1018cm-3)，如图8D所示。此后，在两侧上分别形成由Ti/Pt/Au制成的p侧电极和n侧电极，并在450℃的温度下进行电极的合金化。最后，切割元件使其具有350μm的长度和250μm的宽度，并应用涂覆以使前端面(发光面)的反射率变成约20％且后端面的反射率变成约70％。
通过上述方式，可以制造根据本实施例的半导体激光器元件。通过上述步骤，多量子阱有源层105的表面未曝露于空气。结果，可以防止在多量子阱有源层105的表面上形成非发光中心(暗缺陷)。由此，可以抑制由于多量子阱有源层105自身的增益不足而引起的自脉冲减弱。此外，由于可以减小工作电流，因此可以延长元件的寿命。
1-4.效果
在阻挡层仅由光吸收GaAs层构成时，波导路径损失变得显著而导致难以具有激光振荡。结果，阈值电流增大，工作电流也变高。具体地说，由于载流子过流的影响在高温下变得显著，因此这种问题在包括由GaInP/AlGaInP型材料制成的有源层的半导体激光器的情况下很显著。
根据本实施例的阻挡层BLK包括AlGaInP层，其具有比有源层105更大的带隙。也就是说，所形成的阻挡层BLK在振荡波长区域中的光吸收系数小。由于这种阻挡层BLK，波导路径损失减小，且容易产生振荡。结果，阈值电流减小，以致于斜度效率提高且工作电流减小。阈值电流倾向于根据温度的增大而增大。然而，阈值电流的绝对值减小，以致于即使在高温条件下也可以抑制由于增益不足引起的自脉冲减弱。而且，由于可以减小阈值电流且提高了斜度效率，因此可以通过更小的工作电流获得期望的光输出功率(参见图2)。此外，由于工作电流减小，因此可以延长元件的寿命。也就是说，通过本实施例可以提高元件性能和长期可靠性。
此外，在本实施例中，第一上包层107的厚度d被设计以具有220nm至450nm范围内的值。在这种情况下，可以在宽的温度范围内(-10℃至75℃)将干扰指数γ和相对强度噪声RIN抑制到足够低的值，如图4A和4B所示。这意味着在宽的温度范围上稳定地保持自脉冲而没有减弱。如所述，通过本实施例可以在作为光盘装置的光源时所需的整个温度范围(-10℃至75℃)上实现良好的信号再现。可以显著抑制光反馈噪声，以致于可以提高半导体激光器的可靠性。
通过上述结构，可以在宽的温度范围上适当地平衡会根据温度而改变的“可饱和吸收器层的损失”和“有源层自身的增益”。由此，可以在宽的工作温度范围上实现适合于自脉冲的增益特性。这种振荡特性可以以低的阈值电流和高的斜度效率来实现，以致于可以获得具有良好长期可靠性的元件。此外，通过上述结构可以降低自脉冲强度的温度依赖性的面内改变并获得了高的再现性。这能够使制造产量保持高且稳定，由此提高了生产力。
2.第二实施例
图9是示出根据本发明第二实施例的自脉冲半导体激光器结构的截面图。在图9中，相同的参考数字应用于与图1相同的结构元件，并适当省略多余的解释。
根据本实施例的阻挡层BLK仅由第一导电类型的(AlxGa1-x)0.5In0.5P层120构成而没有GaAs层。例如，阻挡层BLK包括n型AlInP层120(x＝1)。n型AlInP层120的厚度例如为1000nm，且杂质密度例如为3×1018cm-3。通过这种结构，可以获得与第一实施例相同的效果。根据本实施例的半导体激光器的制造方法与第一实施例相同。
3.第三实施例
在第一实施例所示的情况下，通过GaInP/AlGaInP型材料形成半导体衬底101上的半导体叠层结构，且发射波长大约为650nm。本发明对以下自脉冲半导体激光器也是有效的，其中半导体叠层结构通过GaAs/AlGaAs型材料构成，且发射波长为大约780nm。图10示出了这种自脉冲半导体激光器的结构。适当省略与上述实施例重叠的解释。下面将阐述图10所示的各个层的示例。
半导体衬底301：n型GaAs
缓冲层302：n型GaAs；厚度＝650nm；杂质浓度＝5×1017cm-3
下包层303：n型AlGaAs(x＝0.5)；厚度＝1200nm；杂质浓度＝1×1018cm-3
下波导层304：AlGaAs(x＝0.34)；厚度＝80nm
多量子阱有源层305：阱层(AlGaAs(x＝0.05)，厚度＝4.8nm)；阻挡层(AlGaAs(x＝0.34)，厚度＝5.0nm)
上波导层306：AlGaAs(x＝0.34)；厚度＝80nm
第一上包层307：p型AlGaAs(x＝0.5)；厚度d＝250nm；杂质浓度＝5×1017cm-3
蚀刻停止层308：p型AlGaAs(x＝0.2)；厚度＝10nm；杂质浓度＝5×1017cm-3
第二上包层309：p型AlGaAs(x＝0.5)；厚度＝1000nm；杂质浓度＝5×1017cm-3；台地结构MS底部宽度W＝4.5μm
盖层310：p型GaAs；厚度＝300nm；杂质浓度＝1.5×1018cm-3
接触层313：p型GaAs；厚度＝3000nm；杂质浓度＝2×1018cm-3
与第一实施例类似，阻挡层BLK包括n型或未掺杂的AlInP层311(或AlGaInP层311)和形成其上的n型GaAs层312。AlInP层311(或AlGaInP层311)的厚度例如为150nm。N型GaAs层312的厚度例如为850nm，且其杂质密度例如为3×1018cm-3。可选地，阻挡层BLK可以与第二实施例中一样仅由n型AlGaInP层构成。通过上述结构，X方向上的有效折射率差Δn变成约2.5×10-3。
通过根据本实施例的结构，也可以获得与第一实施例相同的效果。也就是说，通过适当设置参数d可以在宽的温度范围上获得稳定的自脉冲。而且，根据本实施例的半导体激光器元件可以通过与第一实施例相同的方法制造。
4.第四实施例
在根据本发明的自脉冲半导体激光器中，具有不同发射波长的多个光源可以单片地集成。例如，第一实施例所示的第一光源(其发射波长约为650nm)和第三实施例所示的第二光源(其发射波长约为280nm)可以单片地形成在半导体衬底上。在这种情况下，图1所示的结构和图10所示的结构形成为单个芯片上的单片结构。下面将描述形成这种单片结构的方法示例。适当省略与上述实施例重叠的解释。
首先，如图11A所示，依次在半导体衬底101上形成上述半导体层102-110的每一层。然后，通过光刻技术在其中形成具有650nm发射波长的第一光源的第一区域中形成SiO2掩模401。随后，通过利用SiO2掩模401通过湿法蚀刻或干法蚀刻去除第一区域以外区域中的半导体层102-110。结果，在第一区域中的半导体衬底101上形成了作为第一光源原型的第一半导体叠层结构。
然后，在去除SiO2掩模401之后，如图11B所示依次形成每个上述半导体层302-310。也就是说，在整个表面上形成每个半导体层302-310的每个层以覆盖半导体衬底101和第一半导体叠层结构。对此，适当调整缓冲层302和下包层303的厚度以使两个光源的发光点高度相同。结果，半导体衬底101和第一光源的有源层105之间的距离变得基本上等于半导体衬底101和第二光源的有源层305之间的距离。
然后，如图11C所示，通过光刻技术在其中形成具有780nm发射长度的第二光源的第二区域中形成SiO2掩模402。随后，通过利用SiO2掩模402通过湿法蚀刻或干法蚀刻去除第二区域以外的区域中的半导体层302-310。结果，在第二区域中的半导体衬底101上形成了作为第二光源原型的第二半导体叠层结构。第一半导体叠层结构和第二半导体叠层结构可以以相反的顺序形成。
然后，如图11D所示，分别在盖层110和310的预定区域中形成SiO2掩模403和404。随后，通过利用SiO2掩模403和404进行湿法蚀刻，直到蚀刻停止层108和308的每一个露出为止。结果，在第一和第二区域的每一个中形成了台地结构MS1和MS2一次。台地结构MS1和MS2的底部宽度W1和W2分别为4.0μm和4.5μm。可以通过干法蚀刻和湿法蚀刻的组合来形成台地结构MS1和MS2。
此后，在第一和第二区域的每一个中在每个台地结构MS1和台地结构MS2的两侧上形成阻挡层BLK。用于形成每个阻挡层BLK的方法与上述实施例中相同。以上述这种方式，在半导体衬底101上单片地形成具有不同发射波长的第一光源和第二光源。有效折射率差Δn对第一光源(发射波长＝650nm)来说约为2.0×10-3，对第二光源(发射波长＝780nm)来说约为2.5×10-3。
通过本实施例的结构，也可以获得与上述实施例相同的效果。也就是说，对于第一和第二光源的每一个来说可以在宽的温度范围上保持稳定的自脉冲。而且，对第一和第二光源的每一个来说可以减小工作电流。
5.第五实施例
在第四实施例中，第二上包层109的材料为p型AlGaInP(x＝0.7)，且第二上包层309的材料是p型AlGaAs(x＝0.5)。虽然用于这些层的材料不同，但可以通过适当的蚀刻工艺一次形成台地结构MS1和MS2。在不能采用适当蚀刻工艺的情况下，优选地对所有光源以相同材料形成第二上包层。
例如，将与第一区域相同材料的p型AlGaInP(x＝0.7)用于第二区域中的第二上包层。对应于这种情况的部分制造步骤的截面图在图12中示出。图12对应于用于描述第四实施例的图11B所示的步骤。如图12所示，形成半导体层502-510而不是形成半导体层302-310。下面将提供图12所示结构中每个层的示例。
缓冲层502：n型GaAs；厚度＝650nm；杂质浓度＝5×1017cm-3
下包层503：n型AlGaAs(x＝0.65)；厚度＝1200nm；杂质浓度＝1×1018cm-3
下波导层504：AlGaAs(x＝0.4)；厚度＝5nm
多量子阱有源层505：阱层(AlGaAs(x＝0.04)，厚度＝4.5nm)；阻挡层(AlGaAs(x＝0.4)，厚度＝5.0nm)
上波导层506：AlGaAs(x＝0.4)；厚度＝5nm
第一上包层507：p型AlGaAs(x＝0.65)；厚度d＝250nm；杂质浓度＝5×1017cm-3
蚀刻停止层508：p型AlGaAs(x＝0.2)；厚度＝10nm；杂质浓度＝6×1017cm-3
第二上包层509：p型AlGaInP(x＝0.7)；厚度＝1000nm；杂质浓度＝6×1017cm-3；
盖层510：p型GaAs；厚度＝300nm；杂质浓度＝1.5×1018cm-3
如上所述，与第一区域相同的材料p型AlGaInP(x＝0.7)用于第二区域中的第二上包层509。结果，通过同时蚀刻第一和第二区域形成台地结构MS1和MS2。其他制造步骤与第四实施例中所述的相同。通过本实施例也可以获得与第四实施例相同的效果。
6.结论
如上所述，在本发明的实施例中可以全面考虑自脉冲半导体激光器中自脉冲的温度依赖性。结果，可以在宽的温度范围内保持稳定的自脉冲。由于可以在所需温度的整个范围内良好地抑制光反馈噪声，因此可以提高工作可靠性。而且，可以减小工作电流，从而可以提高长期可靠性。本发明不仅应用于GaInP/AlGaInP、GaAs/AlGaAs型的自脉冲半导体激光器，而且应用于诸如InGaAsP/InP、GaN、ZnSe型的其他类型的自脉冲半导体激光器。
显然本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明保护范围和精神的情况下可以修改和改变。

Claims (19)

1.一种自脉冲半导体激光器，包括：
形成在半导体衬底上的下包层；
形成在下包层上的有源层；
形成在有源层上的第一上包层，其中该第一包层的厚度d满足220nm≤d≤450nm的关系；
形成在第一上包层上并具有台地结构的第二上包层；以及
阻挡层，其包括形成在台地结构两侧上的各层，其中这些层的带隙大于有源层的带隙。
2.根据权利要求1的自脉冲半导体激光器，其中，可饱和吸收器区域形成在有源层中和有源层中的增益区外侧。
3.根据权利要求1或2的自脉冲半导体激光器，其中，该阻挡层包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P层。
4.根据权利要求1或2的自脉冲半导体激光器，其中，该阻挡层包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P和GaAs层。
5.根据权利要求4的自脉冲半导体激光器，其中，该GaAs层形成在(AlxGa1-x)0.5In0.5P层上。
6.根据权利要求1或2的自脉冲半导体激光器，其中，在沿正交于一空腔的轴且平行于pn结表面的方向上对应于台地结构的区域与在该方向上对应于台地结构外侧位置的区域之间的有效折射率的差Δ n满足关系：5×10-4cm-3≤Δn≤4×10-3cm-3。
7.根据权利要求1或2的自脉冲半导体激光器，其中，该第一上包层的载流子浓度在5×1017cm-3至2×1018cm-3的范围之间。
8.根据权利要求1或2的自脉冲半导体激光器，其中，沿正交于自脉冲激光器的一空腔的轴且平行于自脉冲激光器的pn结表面的方向上台地结构底部的宽度处于3.5μm至5.0μm的范围内。
9.根据权利要求1或2的自脉冲半导体激光器，其中，将波长彼此不同的第一光源和第二光源单片地形成在半导体衬底上，并且
第一光源和第二光源的每一个都具有下包层、有源层、第一上包层、第二上包层和阻挡层。
10.根据权利要求9的自脉冲半导体激光器，其中，该第一光源的第二上包层和第二光源的第二上包层由相同材料制成。
11.一种自脉冲半导体激光器的制造方法，包括
(a)在半导体衬底上形成下包层；
(b)在下包层上形成有源层；
(c)在有源层上形成具有厚度在220nm至450nm范围内的第一上包层；
(d)在第一上包层上形成第二上包层；
(e)蚀刻第二上包层以形成台地结构；以及
(f)在台地结构的两侧上形成阻挡层，其中这些层的带隙大于有源层的带隙。
12.根据权利要求11的自脉冲半导体激光器的制造方法，其中(f)的形成步骤包括：在有源层的两侧上形成(AlxGa1-x)0.5In0.5P层。
13.根据权利要求11的自脉冲半导体激光器的制造方法，其中(f)的形成步骤包括：
(f1)在有源层的两侧上形成(AlxGa1-x)0.5In0.5P层；
(f2)在每个(AlxGa1-x)0.5In0.5P层上形成GaAs层。
14.一种自脉冲半导体激光器的制造方法，包括：
(A)在半导体衬底的第一区域上形成第一半导体叠层结构；以及
(B)在半导体衬底的第二区域上形成第二半导体叠层结构，
其中(A)的形成步骤包括：
(A1)在半导体衬底上形成下包层；
(A2)在下包层上形成有源层；
(A3)在有源层上形成具有厚度在220nm至450nm范围内的第一上包层；
(A4)在第一上包层上形成第二上包层；以及
(A5)蚀刻位于第一区域外侧上的第二上包层、第一上包层、有源层和下包层，以生成该第一半导体叠层结构，以及
(B)的形成步骤包括：
(B1)形成另一下包层以覆盖半导体衬底和第一半导体叠层结构；
(B2)在该另一下包层上形成另一有源层；
(B3)在该另一有源层上形成具有厚度在220nm至450nm范围内的另一第一上包层；
(B4)在该另一第一上包层上形成另一第二上包层；以及
(B5)蚀刻位于第二区域外侧上的该另一第二上包层、该另一第一上包层、该另一有源层和该另一下包层，以生成第二半导体叠层结构，并且
该制造方法进一步包括：
(C)蚀刻第二上包层和该另一第二上包层的每一个，以形成台地结构；以及
(D)在第二上包层和该另一第二上包层的每个台地结构的两侧形成各阻挡层，其中这些阻挡层的每一个的带隙都大于有源层的带隙。
15.根据权利要求14的自脉冲半导体激光器的制造方法，其中，该有源层的材料和该另一有源层的材料彼此不同。
16.根据权利要求14或15的自脉冲半导体激光器的制造方法，其中，该半导体衬底和该有源层之间的距离基本与该半导体衬底和该另一有源层之间的距离相同。
17.根据权利要求14或15的自脉冲半导体激光器的制造方法，其中，该第二上包层和该另一第二上包层由相同材料制成。
18.根据权利要求14或15的自脉冲半导体激光器的制造方法，其中(D)的形成包括：
(D1)在第一区域和第二区域的每一个中的台地结构的两侧上形成的(AlxGa1-x)0.5In0.5P层。
19.根据权利要求14或15的自脉冲半导体激光器的制造方法，其中(D)的形成包括：
(D1)在第一区域和第二区域的每一个中的台地结构的两侧上形成的(AlxGa1-x)0.5In0.5P层；以及
(D2)在形成在第一和第二区域中的(AlxGa1-x)0.5In0.5P层的每一个上形成GaAs层。
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