CN101588020B - 半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体激光器。在脊宽度朝向射出端面扩大的扩张脊型双沟道结构的半导体激光器中，随着光输出的变化，水平方向的远场图形的强度中心以及形状发生变动，不能得到稳定的成品率。本发明提供一种半导体激光器，其通过使脊宽度最窄的地方的两侧的沟道部的宽度比光射出端面部的沟道宽度变宽，能够抑制随着光输出变化的水平方向的远场图形的强度中心的变动，射出远场图形的形状稳定的激光光束。

Description

半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器，特别是涉及具备脊波导的半导体激光器。
背景技术
本发明涉及光盘系统或光通信等使用的半导体激光器，特别涉及双沟道型脊结构型的分立型以及单块型半导体激光器。所谓双沟道型脊结构是以等效折射率小的沟道(槽)部夹着脊，进而用等效折射率大的层夹着沟道部的结构(例如，参照专利文献1，图13)。
另外，伴随着激光的高功率化，采用使脊宽度在激光谐振腔内变化，脊宽度朝向光射出端面而变宽的扩张型(flare type)脊结构激光器。该结构的优点是，能够在实现高功率化的同时降低器件电阻、工作电压、工作电流。现有的扩张脊型双沟道结构激光器的沟道宽度是与脊宽度的变化无关地以固定的值而被设计的(例如，专利文献2～4)。
专利文献1日本专利3857294
专利文献2日本专利申请公开2006-303267
专利文献3日本专利2695440
专利文献4日本专利公表2005-524234
在现有的扩张脊型双沟道结构的半导体激光器中，存在如下问题，水平方向的远场图形的强度中心以及形状随着光输出的变化而发生变动，不能得到稳定的成品率。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而完成的，本发明的目的在于提供一种半导体激光器，其能抑制伴随光输出变化的水平方向的远场图形的强度中心的变动，而且，能射出远场图形的形状稳定的激光。
本发明的半导体激光器，是一种双沟道型脊结构的半导体激光器，其具有：脊；位于上述脊的两侧，夹着上述脊，与上述脊相比等效折射率较小的沟道部；以及在上述沟道部的外侧，具有比上述沟道部的等效折射率大的等效折射率的层，该半导体激光器的特征在于，上述脊具有朝向光射出端面而宽度变宽的扩张脊结构，上述脊宽度最窄的地方的两侧位置的沟道部的宽度，比上述光射出端面部的沟道宽度变得宽。
在本发明的半导体激光器中，通过以具有扩张脊结构的双沟道型脊结构，使脊宽度最窄的地方的两侧的沟道部的宽度比光射出端面部的沟道宽度宽，从而能够改善水平方向的远场图形的形状，并且使远场图形的中心稳定。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的结构的立体图。
图2是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的结构的一部分剖面图。
图3是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的结构的上表面外观图。
图4是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的剖面的电场分布的图。
图5是表示现有技术的半导体激光器的水平方向的远场图形的实际测量值的图。
图6是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的水平方向的远场图形的实际测量值的图。
图7是表示现有技术的半导体激光器的水平方向远场图形的中心角的差分分布的图。
图8是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的水平方向远场图形的中心角的差分分布的图。
图9是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的结构的上表面外观图。
图10是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的结构的上表面外观图。
图11是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的结构的上表面外观图。
图12是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的结构的一部分剖面图。
图13是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器的结构的上表面外观图。
附图标记说明
121 脊
125 槽部
具体实施方式
实施方式1
实施方式1是具有双沟道型脊结构的半导体激光器，其脊形状由脊宽度固定不变化的区域1和朝向光射出端面而脊宽度变宽的扩张形状的区域2构成。振荡波长是660nm附近。图1是表示本实施方式1的激光器的结构的立体图。图2是图1的A-A线的剖面图。本实施方式1的半导体激光器是用两条槽部(沟道)125夹着脊121形成的双沟道型脊结构的半导体激光器。脊宽度和沟道宽度在图2中分别用T、Wc表示。
在图3中表示了从上方观察本实施方式1的包含沟道的脊附近的图形的外观。在图中设上述区域1的长度为L1，区域2的长度为L2，与每个对应的脊宽度记为T1，T2，沟道宽度记为Wc1，Wc2。
在该双沟道型扩张脊结构的半导体激光器中，光射出端面部的沟道宽度与脊宽度最窄的地方的沟道部相比变窄。通过采用这种结构，抑制伴随光输出变化的水平方向的远场图形的强度中心的变动。
另外，在脊宽度最窄的地方，沟道部的宽度被最优化，以使激光器的脊中心的电场强度和沟道外侧的端的电场强度满足以下条件：
E＝Acos(ux)    (x≤T/2)…(1)
E＝Acos(uT/2)exp(-w(|x|-T/2))(x≥T/2)
…(2)
u2+w2＝(n1 2-n2 2)(2π/λ)2T2…(3)
w＝u·tan(u)               …(4)
其中，在假设E为电场、A为规定的系数、x为距上述脊中心的距离、T为上述脊宽度、n1为上述脊的等效折射率、n2为上述沟道部的等效折射率、λ为上述半导体激光器的振荡波长、Wc为上述沟道部的宽度的情况下，进行设定，以使根据(1)到(4)计算的x＝0的电场E1与x＝T/2+Wc的电场E2的比E2/E1满足
0.0001≤E2/E1≤0.01…(5)
将上述参数和脊附近的折射率分布和电场分布表示于图4。这样，通过设定脊宽度最窄的地方的沟道部的宽度，能够进一步改善水平方向的远场图形的形状，而且使远场图形的中心稳定。
另外，在本实施方式1中，假设从脊部的中心到沟道的外侧的端的距离固定。通过采用这种结构，使制造时的加工变得容易，能提高大规模生产性。
下面，简单叙述实施方式1的双沟道型扩张脊半导体激光器的结构和制造方法。
在图1中，在n型(n-)GaAs衬底101的上方，形成n-AlGaInP下包覆层103。在n-AlGaInP下包覆层103上，形成以GaInP为阱层、以AlGaInP为阻挡层的多量子阱结构的活性层105(以下称为MQW活性层)。
在活性层105上依次形成p型(p-)AlGaInP第一上包覆层107、蚀刻终止层109。在蚀刻终止层109上，线状地形成有脊121。而且，隔开被形成于脊121的两侧的两条槽部125，沿着脊121线状地形成有p-AlGaInP第二上包覆层111。
而且，在脊121以及p-AlGaInP第二上包覆层111的上表面上形成p-GaAs接触层113，在其上部形成有绝缘膜115。在绝缘膜115上形成有由金属薄膜和镀金构成的p电极117。而且脊121上的绝缘膜115被开口，p电极117和p-GaAs接触层113电连接。
在半导体激光器129的端面附近设置有窗口区域123。而且，在n-GaAs衬底101的背面上形成有n电极119。另外，127表示激光光束。
在上述例中，AlGaInp的组成，通过(AlxGa1-x)0.5In0.5P正确地表示。而且，n-AlGaInP下包覆层103的组成比x是0.5～0.7，p-AlGaInp第一上包覆层107的组成比x是0.5～0.7，p-AlGaInP第二上包覆层111的组成比x是0.5～0.7。
各层的厚度是，n-AlGaInP下包覆层103为1.5～4μm，p-AlGaInP第一上包覆层107为0.1～1μm，p-AlGaInP第二上包覆层111为0.5～2μm。而且，各层的载流子浓度是，n-AlGaInP下包覆层103为0.3～2.0×1018cm-3，p-AlGaInP第一上包覆层107为0.3～2.0×1018cm-3，p-AlGaInP第二上包覆层111为0.3～2.0×1018cm-3。
在现有的双沟道型脊结构中，即使脊宽度在谐振腔内变化，沟道宽度在谐振腔内也不发生变化而保持固定。
与此相对，在实施方式1中，脊宽度在最窄的地方(T1)是1.5μm，在最宽的前端面(T2)是3μm。沟道宽度在最宽的地方(Wc1)是6μm，在最窄的地方(Wc2)约为5.3μm。以L1与L2的比变成1∶1的方式进行设计。
在本实施方式1中，设定了T1＝1.5μm，T2＝3.0μm，在工作电压的上升没有问题的范围内能缩小宽度，在纽结水平(kink level)的下降所允许的范围内能扩大宽度。通常，在T1为1.0μm～3.0μm，T2为1.5μm～5.0μm的范围内，能够以满足T1＜T2的关系的方式进行设计。Wc1是根据式(5)由T1决定的值，Wc2的值由T2和Wc1决定。另外，L1和L2的比能任意设定。因为L1/L2变大时工作电压上升，变小时纽结水平降低，所以设定L1/L2以使满足需要的性能。
下面，说明本实施方式的半导体激光器的制造方法。首先，根据MOCVD法等晶体生长法，在n-GaAs衬底101上依次形成n-AlGaInP下包覆层103、MQW活性层105、p-AlGaInP第一上包覆层107、蚀刻终止层109、p-AlGaInP第二上包覆层111、p-GaAs接触层113。其次，在端面附近，通过Zn扩散等使MQW活性层105无序化，由此，形成窗口区域123。接着，将抗蚀剂或绝缘膜作为掩膜，通过干法刻蚀，和使用硫酸或盐酸类蚀刻液有选择地蚀刻p-AlGaInP第二上包覆层111，从而形成脊121和槽部125。此时，通过使用硫酸等合适的蚀刻液，蚀刻在蚀刻终止层109自动地停止。
接着，通过在整个面形成氮化膜等绝缘膜115，通过光刻法在脊121的上表面形成开口部，形成由金属薄膜和镀金构成的p电极117。
在图5和图6中比较实际制造的半导体激光器的水平方向的远场图形。现有结构的远场图形是图5，实施方式1的远场图形是图6。另外，在图7和图8中以现有结构和实施方式1比较光输出5mW时和120mW时的水平方向远场图形的中心角的差分的分布。现有结构的分布是图7，实施方式1的分布是图8。通过比较二者，可知通过在本实施方式1中所示的范围内设计沟道部125的宽度，与现有技术的情况相比能明显改善水平方向的远场图形的形状，而且，可知远场图形的中心非常稳定。
另外，代替双沟道结构，即使通过Zn扩散和质子注入形成具有和双沟道结构同样的激光光束吸收效果的区域，也对伴随光输出增加引起的水平方向的远场图形的变动有抑制效果。
实施方式2
图9、图10表示从上方观察本发明的其他实施方式的、包含沟道的脊附近的图形的外观图。在本实施方式中，和实施方式1相同，光射出端面部的沟道宽度与脊宽度最窄的地方的沟道部相比变窄。另外，在脊宽度最窄的地方，沟道部的宽度被最优化，以使激光器的脊中心的电场强度和沟道外侧的端的电场强度满足实施方式1的式(5)。但是，在谐振腔内从脊部的中心到沟道外侧的端的距离不固定。即使这种半导体激光器，也能得到和实施方式1相同的效果。
实施方式3
图11表示从上方观察本发明的另一个实施方式的、包含沟道的脊附近的图形的外观图。这是以如下方式设计的：为了后端面方向的脊宽度最终和光射出端面的最宽的宽度一致，朝向后端面方向扩大脊宽度，在制造时的晶片上，脊的前端面与邻接的芯片的后端面连接。通过这样设计，能改善生产性。
实施方式4
本发明，以AlGaInP类半导体激光器为例，对振荡波长为660nm附近的半导体激光器进行了说明，但关于振荡波长在601nm以上、700nm以下的范围的半导体激光器，可以说是相同的。除此之外，也能适应于振荡波长为330nm以上，600nm以下的范围的半导体激光器，和振荡波长为701nm以上，900nm以下的范围的半导体激光器。而且，也可以将具有上述的不同的振荡波长的半导体激光器集成在一个芯片。图12是表示本发明的另一个实施方式的半导体激光器的结构的一部分剖面图。另外图12表示从上方观察本实施方式的包含沟道的脊附近的图形的外观图。本实施方式是以与实施方式1所示的半导体激光器同样的构图，将具有不同的振荡波长的2个半导体激光器集成于一个芯片的情况。即使在这样的半导体激光器中，在各激光器中，在各个振荡波长能改善水平方向的远场图形的形状，能使远场图形的中心稳定。
再有，在附图和说明书中公开了本发明的典型性的优选实施方式，使用了特定的术语，这些仅一般地且记述地使用，不用说其目的不是用于限定本说明书中记述的专利申请的范围的。
如上述，本发明涉及的半导体激光器适于具有脊波导的半导体激光器。

Claims (6)

1.一种半导体激光器，是双沟道型脊结构的半导体激光器，具有：
脊；
位于上述脊的两侧，夹着上述脊，与上述脊相比等效折射率小的沟道部；以及
在上述沟道部的外侧，具有比上述沟道部的等效折射率大的等效折射率的层，该半导体激光器的特征在于，
上述脊具有朝向光射出端面而宽度变宽的扩张脊结构，上述脊的宽度最窄的地方的两侧位置的沟道部的宽度，与上述光射出端面部的沟道部的宽度相比变宽，
从上述脊的宽度最窄的地方的上述脊的中心到上述沟道的外端的距离比从上述光射出端面的上述脊的中心到上述沟道的外端的距离大。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，是双沟道型脊结构的半导体激光器，上述脊的宽度为T，等效折射率为n1，上述沟道部的等效折射率为n2，振荡波长为λ，用基模振荡，该半导体激光器的特征在于，
在以
E＝Acos(ux)(x≤T/2)...(1)
E＝Acos(uT/2)exp(-w(|x|-T/2))(x≥T/2)
...(2)
u2+w2＝(n1 2-n2 2)(2π/λ)2T2...(3)
w＝u·tan(u)...(4)
表示距上述脊的中心的距离x的电场E的情况下，其中，A是规定的系数，
上述脊的宽度最窄的地方的沟道部的宽度Wc被设定，以使X＝0的电场E1与X＝T/2+Wc的电场E2的比E2/E1满足
0.0001≤E2/E1≤0.01···(5)。
3.根据权利要求1或2的任一项所述的半导体激光器，其特征在于，振荡波长在601nm以上、700nm以下的范围内。
4.根据权利要求1或2的任一项所述的半导体激光器，其特征在于，振荡波长在701nm以上、900nm以下的范围内。
5.根据权利要求1或2的任一项所述的半导体激光器，其特征在于，振荡波长在330nm以上、600nm以下的范围内。
6.一种半导体激光器，其特征在于，包含多个具有不同振荡波长的权利要求1所述的半导体激光器，将上述多个半导体激光器集成在一个芯片上。
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