CN101232151A - 半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器(10)包括在半导体发光部形成的用于调整反射率的涂布膜(31),其中涂布膜(31)具有设定为满足R(d,n)>R(d,n+0.01)和d>λ/n的厚度,其中n表示涂布膜(31)对于激光发射波长λ的折射率,R(d,n)表示依据厚度d和折射率n的、所述发光部处的反射率。

Description

半导体激光器
本非临时申请基于2007年1月26日向日本专利局提供的日本专利申请No.2007-016529,其全部内容合并在此作为参考。
技术领域
本发明涉及半导体激光器,具体涉及能够对长时间驱动期间的电流的上升进行抑制的半导体激光器。
背景技术
半导体激光器用作从和/或在诸如压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)或蓝光盘之类的光学存储介质上读取和/或写入信号的光源。针对半导体激光器所必需的可靠性,要考虑器件的寿命,该寿命由恒定光输出的条件下器件的驱动电流的上升来确定。
相比于用于发射针对CD或DVD的红外光或红光的传统半导体激光器件,近年来投放市场的由氮化物制成蓝紫色半导体激光器具有较短的寿命,因此,将来延长其寿命是必要的。此外,也希望在增加输出的同时进一步延长用于发射红外光或红光的半导体激光器的寿命。
为了延长半导体激光器的寿命,一般有必要减少半导体中的晶体缺陷,过去随着晶体生长技术的进步,器件的寿命已得到改善(例如,参照日本专利公报No.2002-237659)。
但是,晶体生长技术的进步日趋饱和,现在不再期待通过晶体缺陷的减少来改善器件的寿命。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种半导体激光器,其寿命是通过晶体生长技术之外的其他技术改善的。
根据本发明,一种半导体激光器包括在半导体的发光部用于调整反射率的涂布膜,其中所述涂布膜具有设定为满足R(d,n)>R(d,n+0.01)和d>λ/n的厚度,其中n表示所述涂布膜对于激光发射波长λ的折射率,R(d,n)表示依据厚度d和折射率n的、在发光部的反射率。
所述涂布膜可以由氧化物、氮化物和氧氮化物之一形成。具体而言,所述涂布膜可以由SiO2,Al2O3和AlOxNy之一形成。此外,可以在所述涂布膜和半导体之间插入附加AlOxNy层。可以使用氮化物半导体形成该半导体激光器,并且可以将激光发射波长λ设定在390nm到470nm的范围内。
结合附图,根据下面对本发明的详细描述,本发明的前述和其他目的、特征、方面和优点更加明显。
附图说明
图1是本发明实施例中半导体激光器的多层结构的示意性截面图。
图2是图1的半导体激光器沿其腔长方向的示意性侧面图。
图3是示出了老化测试期间半导体激光器的斜率效率(SE)变化的曲线图。
图4是示出了用作半导体激光器发光端面上的涂布膜的各个Al2O3膜中的反射率和厚度之间的关系的曲线图。
图5是示出了老化测试期间半导体激光器驱动电流的变化的曲线图。
具体实施方式
本发明人利用透射电子显微镜(TEM),通过观察认识到,当驱动激光发射波长为405nm的氮化物半导体激光器时,该激光器件中的腔的发光端面上沉积的涂布膜的性质随时间而改变。过去考虑到涂布膜的这种改变可能是由激光导致的光化学反应或热改变而引起。
本发明人考虑到涂布膜的改变造成其材料的折射率改变这一可能性。本发明人还考虑到如下可能性:具有适当设定的厚度的涂布膜随着时间减小腔端面处的反射率,从而提高SE,并且能够抑制激光器件的驱动电流的上升。注意,SE是斜率效率的缩写,意思是相对于激光器件的注入电流的递增,发光强度的增加率。换言之,SE对应于曲线图中I-L特性曲线的斜率,该曲线图具有表示电流I的横轴和表示光输出L的纵轴。
为了确认本发明人的上述发现和考虑是否正确,对多个氮化物半导体激光器(样品(1)和(2))进行老化测试,这些半导体激光器仅在发光侧涂布膜的厚度上是彼此不同的。老化测试是在脉冲驱动(30ns的宽度,50%的占空比)和产生恒定光输出210mW的条件下执行的。发光侧涂布膜由Al2O3形成,并且具有对于激光发射波长405nm的初始折射率1.680。此外,样品(1)和(2)的发光侧涂布膜的厚度分别为80.3nm和281.3nm,并均具有5.6%的反射率。
图3示出了老化测试期间SE的变化,其中横轴表示老化时间(以小时为单位),纵轴表示SE(mW/mA)。在该曲线图中,样品(1)的SE逐渐减小,而样品(2)的SE逐渐增加。这里,因为两个样品均显示了其阈值电流的大致相同的增加,所以认为不是其半导体的有源层中改变而主要是其端面涂布膜中的改变引起SE的变化。
图4是示出了在上述老化测试中用作发光侧涂布膜的各个Al2O3膜中的反射率和厚度之间的关系的曲线图。在该曲线图中,横轴表示膜厚度(nm),纵轴表示反射率(%)。此外,在该曲线图中,粗实线表示折射率n为1.68的Al2O3膜,细实线表示折射率n为1.75的Al2O3膜。
从图4曲线图中可以看出,当Al2O3膜的厚度或折射率变化时,Al2O3膜的反射率发生变化,SE也将相应变化。因为不可能认为Al2O3膜的厚度在老化测试期间增加或减小,所以认为图3中SE的变化(即,反射率的变化)是由折射率的变化引起的。因此,如果假设Al2O3膜的折射率在老化过程中增加,则如从图4可见,膜厚度为80.3nm的样品(1)的反射率将增加,而相反的是,膜厚度为281.3nm的样品(2)的反射率将减小。这可以解释图3所示的SE的变化。
这里,折射率增加的原因并不清楚。但是,如前所述,TEM观察揭示了老化测试之后的端面涂布膜的性质相比于测试之前发生了变化。因此,认为老化测试期间端面涂布膜的折射率增加不是绝不会发生的现象。
图5是示出了老化测试期间半导体激光期间的驱动电流的变化的曲线图。在该曲线图中,横轴表示老化时间(小时),纵轴表示驱动电流(mA)。此外,在该曲线图中,细曲线表示样品(1),粗曲线表示样品(2)。
在图5曲线图中可见,样品(2)的驱动电流的增加比样品(1)的驱动电流的增加小。这里,根据从时间点10小时到100小时之间的老化时间上的驱动电流的变化率,估计预期时间段(预期寿命),在该预期时间段之后,驱动电流增加到初始驱动电流的1.3倍。结果,样品(1)的预期寿命是1,362小时,而样品(2)的预期寿命是4,334小时,是样品(1)的预期寿命的3.18倍。如前所述,这也认为是从发光侧涂布膜的反射率变化所引起的SE变化而得到的。
具体而言,虽然激光器件的阈值电流随着发光侧涂布膜反射率的减小而增加,但是在光输出更高的情况下,驱动电流受到SE的影响比阈值电流的影响多。从该原因推断出,与图5中样品(2)的情况一样,抑制了驱动电流的增加而改善了寿命。
为了验证这一点,执行如下计算。具体而言,假设内部损耗αi=15cm-1(每单位腔长的导波损耗),内量子效率ηi=0.81,并使用在老化测试之前实际测量的样品(1)和(2)各自的前面反射率5.6%和后面反射率95.0%,腔长L=600μm,激光发射波长λ=405nm,计算SE。计算的SE值是1.52,这与图3中实际测量的值匹配得很好。
在图3中,在100小时的老化之后,样品(1)具有大致1.49的SE,样品(2)具有大致1.56的SE。因此,认为在老化之后,样品(1)和样品(2)的前面反射率分别是6.3%和4.5%。通过对Al2O3端面涂布膜使用1.680(实际测量的)的初始折射率n,可以从老化测试之前的前面反射率5.6%得到样品(1)和样品(2)的膜厚度分别为80.3nm和281.3nm。因为可以假设这些厚度值即使在老化之后也保持不变,所以可以得到,在100小时的老化之后,样品(1)和样品(2)的折射率n分别是1.705和1.710。
接着,将这些值用于确定激光器件的阈值电流的变化。通过假设15cm/kA的增益参数,并使用每个激光器件的1.5μm(实际测量的)的脊形条宽W,可以得到样品(1)和样品(2)的阈值电流的变化ΔIth分别是-0.59mA和+1.09mA。当将这些结果和SE变化的影响相组合时,可以最终得到,对于210mW的光输出,样品(1)和样品(2)的驱动电流的变化ΔIop分别是+1.73mA和-2.75mA。
从图5确定的实际ΔIop对于样品(1)和样品(2)分别是+3.61mA和+1.18mA,这与计算值不同。这可能是因为该计算没有考虑实际样品的有源层受到老化测试而退化。但是,实际值和计算值具有相同的趋势,即样品(2)中的ΔIop比样品(1)中的小,这可以说明,考虑到老化期间发光侧涂布膜的折射率的增加,通过选择该膜的适当厚度,可以改善器件寿命。
现在对根据本发明的半导体激光器中的发光侧涂布膜的预期厚度进行说明。如果R(d,n)表示发光部处的反射率,其中d表示涂布膜的厚度,n表示对于激光发射波长λ的折射率,则在满足R(d,n)>R(d,n+α)的条件下,随着老化期间SE的增加而改善了器件寿命,α表示折射率的递增。在上述老化测试中,对于样品(1)和样品(2),α分别是0.025和0.030,在这种情况下,识别出了寿命的改善。事实上,如果在发光侧涂布膜的折射率增加时,只有反射率增加,则半导体激光器的SE增加。因此,假设α=0.01,d只需要满足R(d,n)>R(d,n+0.01)。
但是,在厚度d较小的情况下,从图4可见,当折射率增加时,反射率的递减较小,从而无法预期对器件寿命的充分改善。因此,希望将厚度d设定得较大。具体而言,如果d>λ/n,则反射率的变化率较大,从而可以获得器件寿命的充分改善。从上述内容可见,在本发明中要求发光侧涂布膜的厚度满足条件:R(d,n)>R(d,n+0.01)和d>λ/n。
发光侧涂布膜的材料可以是氧化物、氮化物和氧氮化物之一。具体而言,虽然以上描述了Al2O3涂布膜的折射率发生增加,但是实验证实,不仅Al2O3还有SiO2和AlON也表现出类似现象。此外,甚至在半导体与Al2O3涂布膜之间插入AIOxNy层的情况下,也可以发生类似现象,从而改善器件的寿命。换言之,甚至在发光侧涂布膜与半导体之间插入AlOxNy层的情况下,也可以实现本发明的效果。因为本发明利用发光侧涂布膜的折射率在驱动发光器件期间变化这一现象,所以只要该现象发生,则本发明基本上不受到涂布膜材料、结构等的限制。
对于发光波长,能够在最短波长390nm到最长波长470nm的范围的氮化物半导体激光器中证实本发明的效果。换言之,因为本发明利用发光侧涂布膜的折射率在驱动发光器件期间变化这一现象,所以只要该现象发生,本发明基本上不受到激光发生波长方面的限制,也可以应用于在包括红外、红、紫外光等波长范围中的半导体激光器。
以下,具体描述本发明的实施例。在附图中,相同附图标记表示相同部分或对应部分。但是,应该注意,在附图中,为使附图清楚和简单而适当地改变了长度、厚度和其他之间的尺寸关系,从而并不对应于实际尺寸关系。
图1是根据本发明实施例的半导体激光器的示意性截面图。在该半导体激光器10中,依次堆叠在n型GaN半导体衬底11上的是0.2μm厚的n型GaN缓冲层21、2.3μm厚的n型Al0.06Ga0.94N包覆层22、0.02μm厚的n型GaN波导(guide)层23、包括各自厚度为5.5nm的InGaN阱层和各自厚度为8nm的GaN势垒层的多量子阱有源层24、70nm厚的GaN保护层25、20nm厚的p型Al0.3Ga0.7N阻流(currentblock)层26、0.5μm厚的p型Al0.05Ga0.95N包覆层27、以及0.1μm厚的p型GaN接触层28。
注意,这些化合物半导体层的厚度和混合晶体比率可以适当调整,这与本发明的实质无关。此外,可以适当调整从氮化物半导体激光器10发出的激光的波长,例如,通过调整多量子阱有源层24的混合晶体比率使得激射波长在370nm-470nm的范围中。调整本实施例,以发出波长为405nm的激光。此外,多量子阱有源层24可以包含至少一种第5族元素,例如As或P,浓度至少为0.01原子%,最多为10原子%。
对半导体激光器10中的包覆层27和p型接触层28进行处理,以形成沿腔长方向延伸的条形的脊条部13。这里,脊条部13的条宽大致为1.2到2.4μm,例如典型的是大致1.5μm。本发明也可应用于条宽为几十μm并用于照明用途的类型广泛的半导体激光器。在p型接触层28的顶表面上形成p电极14,p电极14包括顺序堆叠的Mo层和Al层。在脊条部13的各侧上和p电极14下面设置绝缘膜12,绝缘膜12包括顺序堆叠的SiO2层和TiO2层。此外,半导体衬底11的底表面具有n电极15,n电极15包括顺序沉积的Hf层和Al层。
图2示意性地示出了图1半导体激光器沿其腔长方向的侧表面。例如,通过用金刚石尖刻划并接着将包括上至上述形成的p电极14和n电极15的这些元件的晶片解理的方法,解理形成半导体激光器10的反光端面17和发光端面16。解理表面用作图2所示的相互平行的端面16和17。
在发光端面16上形成281.3nm厚的氧化铝(Al2O3)膜31,其反射率是5.6%。Al2O3膜具有1.680的折射率,如果该值增加0.01而变成1.690,则反射率下降到4.9%。此外,281.3nm的厚度大于λ/n=405/1.680=241nm。换言之,当厚度由d表示,对于激光发射波长λ的折射率由n表示,并且Al2O3膜的相关反射率由R(d,n)表示时,厚度d满足条件R(d,n)>R(d,n+0.01)和d>λ/n。另一方面,为了比较目的,也检查了具有传统厚度80.3nm的涂布膜。对于该厚度,如果折射率增加0.01,则反射率从5.6%增加到5.9%。
换言之,包括281.3nm厚的涂布膜的激光器件对应于上述样品(2),而包括80.3nm厚的涂布膜的激光器件对应于上述样品(1)。以下,也将本发明实施例的激光器件称为样品(2),而作为比较示例的激光器件称为样品(1)。
在反光端面17上形成反射率至少为95%的高反射膜32。高反射膜32包括四对堆叠的71nm厚的氧化硅(SiO2)膜和46nm厚的氧化钛(TiO2)膜、以及沉积在最外表面的142nm厚的SiO2膜。
例如,可以通过电子回旋共振(ECR)溅射形成Al2O3膜31和高反射膜32。备选地,也可以通过其他多种溅射技术、电子束(EB)蒸发方法、化学气相沉积(CVD)方法等中的任何方法来形成这些膜。
在形成上述用于反射的涂布膜31和32之后,将晶片分割成芯片,得到半导体激光器。
在80℃的环境温度下,在脉冲驱动(30ns的宽度,50%的占空比)和产生恒定光输出210mW的条件下对由此得到的氮化物半导体激光器执行老化测试。上述图5的曲线图中示出了测试结果。如曲线图所示,相比于示例性的传统半导体激光器(样品(1)),本发明实施例中的半导体激光器(样品(2))能够抑制其驱动电流的增加。
因此,根据本发明,可以通过调整发光部的涂布膜厚度来抑制半导体激光器驱动期间的电流增加,从而可以提供寿命得到改善的半导体激光器。
虽然详细描述并示出了本发明,但是要清楚理解,这些描述和图只是示例,而不应该视为是限制性的,本发明的范围由所附权利要求来解释。

Claims (5)

1.一种半导体激光器,包括在半导体发光部形成的用于调整反射率的涂布膜,其中所述涂布膜具有设定为满足R(d,n)>R(d,n+0.01)和d>λ/n的厚度,其中n表示所述涂布膜对于激光发射波长λ的折射率,R(d,n)表示依据所述厚度d和所述折射率n的、所述发光部处的反射率。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器,其中所述涂布膜由氧化物、氮化物和氧氮化物之一形成。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器,其中所述涂布膜由SiO2、Al2O3和AlOxNy之一形成。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器,其中在所述涂布膜和所述半导体之间插入附加AlOxNy层。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器,其中使用氮化物半导体形成所述半导体激光器,所述激光发射波长λ在390nm到470nm的范围内。
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