CN1117419C - 半导体激光器及使用该激光器的光盘装置 - Google Patents

半导体激光器及使用该激光器的光盘装置 Download PDF

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Abstract

在-n型GaAS基底701上分别形成-n型GaAS缓冲层702，n型AlGaInP包层703，由AlGaInP和GaInP制成的多量子阱激活层704、第一P型AlGaInP包层705a、光导层707、第二P型包层705b、P型GaInP可饱和吸收层706和第三P型AlGaInP包层707。由于可饱和吸收层的体积被减小。并设置了光导层。实现了具有稳定的自激振荡特性，且具有相对低的噪声强度的半导体激光器。

Description

半导体激光器及使用该激光器的光盘装置
技术领域
本发明涉及一种用作为光盘系统的光源的自激振荡型半导体激光器及使用这样一半导体激光器的光盘装置。
背景技术
随着近来在光学通信、激光打印机、光盘装置等领域中对半导体激光器需求的增加，已主要对GaAs型和InP型半导体激光器进行了积极地研究和开发。在光学信息处理领域中，一种使用来自AIGaAs型半导体激光器的具有780nm波长的光来记录及再现信息的方法特别地已被商品化。这样一方法已被广泛地用于紧致盘等。
近年来，对带有较大存储器容量的光盘装置的需求增加。随着此需求，需要更短波长的激光器。ALGaInP型半导体激光器可在630至690nm波长的红区域中振荡，自半导体激光器获得的这些光中具有最短波长的发射光实际上在目前是可利用的。因此，这种类型的半导体激光器被很高地期望成为替代常规的AIGaAs型半导体激光器的用于光学信息记录的下一代大容量光源。通常，当再现一光盘的信息时，由于自一盘表面反射的光的返回及温度变化，半导体激光器会产生强度噪声，导致信号读取误差。因此，必需一种用于光盘光源的具有较低强度噪声的激光器。
通常，为了降低噪声，用于仅能再现的装置的低输出AIGaAs型半导体激光器具有这样一结构：有意地在一脊形条的各侧上形成可饱和吸收器。具有这一结构，可获得多个纵模。在当激光在单一纵模中被振荡时，产生例如返回光和温度变化的干扰的情况下，在一相邻纵模中的振荡由一增益峰中的微小变化而被启动，致使与原始振荡模中的振荡相冲突且因此导致噪声。当使用多个纵模时，各模强度中的变化被平均且不受干扰的影响。因此，可获稳定的低噪特性。
在日本专利申请(公开号为63-202083)中公开了一种获得进一步稳定的自激振荡特性的方法。在该申请中，通过形成一可吸收输出光的层而实现了一自激振荡型半导体激光器。
日本专利申请(公开号为6-260716)告知通过实质地均衡一激活层和一吸收层的能隙而改善了这些特性。特别是，一胁变的量子阱激活层和一胁变的量子阱可饱和吸收层的能隙实际地相互等同。在日本专利申请(公开号7-22695)中也公开了一类似的结构。
然而，本发明的发明人发现仅通过实际地均衡一可饱和吸收层和一激活层的能隙，不能获得良好的自激振荡特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体激光器，其具有通过检查一可饱和吸收层和一激活层之间的能隙差异而有效地减少噪声的稳定自激振荡特性，以及一种制造这样一半导体激光器的方法和使用这样一半导体激光器的光盘装置。
本发明的半导体激光器包括一具有一量子阱层的激光层和一夹住该激活层的包层机构，其中该包层机构包括多个包层、一可饱和吸收层和一用于增加该可饱和吸收层的约束因数的光导层，该可饱和吸收层和该光导层位于这些包层之间，该可饱和吸收层和该光导层被形成在这些包层之一和该激活层之间，且该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙30至200mev，从而可实际上述目的。
最好，该可饱和吸收层的厚度在约10至100埃的范围内。
可形成多个可饱和吸收层。
最好，该饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙500至100mev。
最好，该光导层具有一大于该可饱和吸收层的带隙且小于该包层机构的其它层的带隙的带隙。
最好，该光导层的厚度在300至1200埃的范围内。
该光导层可被分成该包层机构中的多个部分。
该光导层可相邻于该包层机构中的可饱和吸收层。
最好，该可饱和吸收层掺杂有至少1×1018cm-3的杂质。
最好，该激活层具有一多量子阱结构。
在根据本发明的制造一半导体激光器的方法中，该半导体激光器包括一具有一量子阱层的激活层和一夹住该激活层的包层机构，该包层机构包括一可饱和吸收层和一用于增加该可饱和吸收层的约束因数的光导层，该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙，该半导体激光器的特性在激光器振荡开始之后随时间而变化，但在过去约一分钟后被基本固定。该方法包括有稳定步骤，改变在激光器激荡开始之后迅即获得的这些特性以获得基本固定的特性，从而实现上述目的，该稳定步骤是在配置半导体激光器元件之前的一老化处理或是在将半导体晶片分离成多条之前或之后的一退火处理。
在一实施例中，这些特性为电流一光输出功率特性。
在一实施例中，该稳定步骤包括通过一老化过程而减少一阀值电流的步骤。
在一实施例中，该阈值电流通过该稳定步骤而被从在激光振荡开始之后迅即获得的值减少5mA或更多。
根据本发明的光盘装置包括：一半导体激光器；一会聚光学系统，用于将从该半导体激光器出射的一激光束会聚在一记录介质上；和一光学检测器，用于检测该自记录介质反射的激光束，其中该半导体激光器包括一具有一量子阱层的激活层和一夹住该激活层的包层机构，该包层机构包括多个包层、一可饱和吸收层和一用于增加该可饱和吸收层的约束因数的光导层，该可饱和吸收层和该光导层位于这些包层之间，该可饱和吸收层和该光导层被形成在这些包层之一和该激活层之间，且该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙30至200mev，从而实现上述目的。
在一实施例中，当信息被记录在该记录介质上时，该半导体激光器在单一模中振荡，并当记录在该记录介质上的信息被再现时，在一自激振荡模中工作。
在一实施例中，该光学检测器被配置在该半导体激光器附近。
在一实施例中，该光学检测器包括形成在一硅基底上的多个光电二极管，且该半导体激光器被配置在该硅基底上。
在一实施例中，该硅基底包括形成在其主表面上的一凹形部分和一形成在该凹形部分的一侧壁上的微反射镜，该半导体激光器被配置在该凹形部分中，且该微反射镜与该主表面之间形成的角度被设定成使从该半导体激光器发射的激光束在被从微反射镜反射后，以基本垂直于该硅基底的主表面的方向发出。
在一实施例中，在该微反射镜的一表面上形成一金属膜。
在一实施例中，该激活层和包层机构由AlxGayIn1-x-yP材料形成(0≤x≤1，0≤y≤1，其中x和y不同时为零)。
替代地，本发明的半导体激光器包括一包括一量子阱层的激活层和一可饱和吸收层，其中该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙30至200mev，从而实现上述目的。
替代地，本发明的半导体激光器包括一包括一量子阱层的激活层和一夹住该激活层的包层机构，其中该包层机构包括一可饱和吸收层，且该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙30至200mev，从而实现上述目的。最好，该可饱和吸收层的厚度在约10至100埃的范围内。
可形成多个可饱和吸收层。
最好，该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙50至100mev。
最好，该可饱和吸收层被掺杂至少1×1018cm-3的杂质。
最好，向该量子阱层和该可饱和吸收层施加胁变。
最好，该激活层具有一多量子阱结构。
附图简述
图1为说明能隙的概略性示意图。
图2为根据本发明的半导体激光器的第一示例的截面示意图。
图3为第一示例的带隙能量示意图。
图4A为指示Pmax的光输出能量特性示意图。图4B为说明当光输出能量高于Pmax时，光输出能量随时间变化的示意图。图4c为说明光输出能量低于Pmax时，光输出能量随时间变化的示意图。
图5为根据本发明的第一示例的Tmax和Pmax特性示意图。
图6为说明能隙与工作电流之间的关系的示意图。
图7为说明工作电流与寿命之间关系的示意图。
图8为根据本发明的第一示例的光输出能量特性的示意图。
图9为说明根据本发明的第一示例的光输出能量随时间变化的示意图。
图10为根据本发明的半导体激光器的第二示例的截面示意图。
图11为第二示例的带隙能量示意图。
图12A为当不形成光导层时获得的光强度分布示意图，及图12B为当形成光导层时获得的光强度分布示意图。
图13为说明第二示例的约束因数的特性示意图。
图14为根据本发明的半导体激光器的另一示例的带隙能量示意图。
图15为说明根据本发明的一可饱和吸收层和一光导层之间的位置关系的带隙能量示意图。
图16为当在光导层中形成可饱和吸收层时获得的带隙能量示意图。
图17为概略地说明根据本发明的光盘装置的一示例的示意图。
图18为根据本发明的被用于光盘装置的一激光器单元的透视图。
图19为概略地说明根据本发明的光盘装置的另一示例的示意图。
图20为说明根据本发明的被用于光盘装置的一全息元件的工作示意图。
图21为根据本发明的用于光盘装置的光学检测器的平面示意图。
具体实施方式
以下将通过示例详细描述本发明。
(示例1)
本发明的发明人分析了“一激活层和一可饱和吸收层之间的能隙差(ΔE)”与自激振荡间的关系。如这里所用的，在一激活层和一可饱和吸收层都为一量子阱结构时，一激活层和一可饱和吸收层之间的能隙差(ΔE)是指“在激光振荡之前从该激活层的一量子阱层的基态之间的一能隙(E’ga)中减去该可饱和吸收层的基态之间一能隙(E’gs)所得到的值(E’ga-E’gs)”。这些层的这些能隙与带隙(Ega，Egs)之间的关系被概略地示出在图1中。一般地，在量子阱结构的一半导体层中，基态间的能隙并不相应于一导带底与一价电子带底之间的能隙，而对应于这些带的量子级之间的一能量差(Eg’)。因此，该能隙大于正常的带隙(Eg)约70mev。
在该激活层为量子阱结构而该可饱和吸收层为体结构的情况下，该激活层与该可饱和吸收层之间的能隙差是指“在激光振荡之间从该激活层的基态之间的能隙(E’ga)中减去该可饱和吸收层的带隙(Egs)所获得的值”。
根据本发明，该可饱和吸收层可为量子阱结构或体结构。因此，为方便起见，如这里所用的“可饱和吸收层的能隙”被定义为如下。也就是说，当该可饱和吸收层为量子阱结构时，它是指“基态之间的能隙(E’gs)”，而当该可饱和吸收层为体结构时，它是指“该可饱和吸收层的带隙(Egs)”。通过使用被这样定义的“可饱和吸收层的能隙”，“该激活层和该可饱和吸收层之间的能隙差”可表达为“在激光振荡之前从该激活层的量子阱层的基态之间的能隙中减去该可饱和吸收层的能隙而获得的值”。
本发明的发明人已经研究并发现通过将激活层与可饱和吸收层之间的能隙差(ΔE)设定在30mev至200mev，可获得稳定的自激振荡。这是因为，在上述的能隙差范围中，该可饱和吸收层有效地吸收了激光同时光吸收被饱和。当激活层与可饱和吸收层之间的能隙差(ΔE)小于30mev时，不能获得自激振荡。这可能是因为，具有这么小的能隙差，该可饱和吸收层不吸收较多的激光。而且，当该能隙差(ΔE)超过200mev时，无自激振荡发生，由于该可饱和吸收层吸收太多的光以呈现出饱和特性。因此发现适当的能隙差(ΔE)位于30至200mev的范围内。
目前的晶体生长技术允许各半导体层的能隙和这些层中的能隙差(ΔE)被控制在几毫电子伏特或更小的精度。因此，如果激活层和可饱和吸收层之间的能隙差(ΔE)有10mev大，其被理解为在该激活层和可饱和吸收层之间有意地形成了该能隙差(ΔE)。因此，当激活层和可饱和吸收层之间的能隙差(ΔE)为10mev或更大，该激活层的量子阱层的基态之间的能隙与该可饱和吸收层的能隙不是“基本相同”。
当该能隙差(ΔE)位于50mev至100mev的范围中。特别是，该可饱和吸收层的饱和条件变成最佳时，允许即使在很高的工作温度下也能获得稳定的自激振荡。当能隙差(ΔE)超过100mev时，通过可饱和吸收层的光吸收逐渐增大，工作电流轻微增大。因此，能隙差最好为100mev或更小。这样，当能隙差位于50至100mev范围内中时，半导体激光器的工作电流不增大且可获得良好的自激振荡特性。具体地，最好在期望半导体激光器在相对较高的温度的环境下，例如有关汽车的应用中时，进行能隙差位于上述范围中的设定。
通过减少可饱和吸收层的体积，可容易地增大可饱和吸收层的载流子密度。自激活层输出的激光由可饱和吸收层吸收，生成各形成一电子和一穴的对。当可饱和吸收层的体积较小时，其每单位体积的光吸收量增大，容易地致使其载流子密度增大。具有较高载流子密度的可饱和吸收层可容易地被饱和，呈现出优良的可饱和吸收效果。因此，随着可饱和吸收层变得更薄，可获得更坚固和稳定的自激振荡特性。这已由本发明的发明人进行实验而得到证实。为了获得这样坚固和稳定的自激振荡，可饱和吸收层的厚度最好位于约10至100埃的范围内。只要能隙差被设定在较佳的范围内，可饱和吸收层具有大于100埃厚度的体结构也可获得这样坚固和稳定的自激振荡。
在本发明的半导体激光器中，光导层被形成为具有包层结构以克服以下缺陷。当为了减小可饱和吸收层的体积而使该可饱和吸收层与量子阱层一样薄时，该可饱和吸收层内的约束因数被大大地减小，因此，未获得稳定的自激振荡。如果例如通过使用光导层，该可饱和吸收层的约束因数增大至至少约1.2％同时该激活层的约束因数被维持在5.0％或更大，可获得稳定的自激振荡。
如上所述，本发明的光导层被形成以增大可饱和吸收层的约束因数。其被配置在离开激活层的一位置。因此，本发明的光导层与配置在相邻于激活层的常规的光导层有很大的不同以增大该激活层的约束因数。
可饱和吸收层与光导层之间的位置关系最好考虑该可饱和吸收层的体积和光约束而被确定。
现在，将参照附图通过示例对本发明进行描述。
(示例1)
图2为根据本发明的半导体激光器的一示例的截面示意图。该示例的半导体激光器包括一n型GaAs基底101和形成在该GaAs基底101上的一半导体多层机构。该半导体多层机构包括一n型GaAs缓冲层102、一n型AlGaInP包层103、一由AIGaInP和GaInP制成的多量子阱激活层104、一第一P型ALGaInP包层105a、一由P型GaInP制成的可饱和吸收层106和一第二P型AlGaInP包层105b。在第二P型包层105b的上部上形成一在空腔长度方向上伸展的条状屋脊(宽度：约2.0至7.0μm)。在第二P型包层105b的该屋脊的顶表面上形成一接触层110。在接触层110的侧边及第二P型包层105b上形成一n型GaAs电流阻挡层111。在接触层110和电流阻挡层111之上形成一P型GaAs帽层112。在帽层112的顶表面上形成一电极113，同时在基底101的底表面上形成一n电极114。该激活层104为一多量子阱结构，该多量子阱结构由三对阱层和阻挡层组成。
这里，除了缓冲层、激活层、接触层、帽层和电流阻挡层外的该半导体多层机构的部分被总体称为一“包层机构”。在该示例中，n型AlGaInP包层103、第一P型AlGaInP包层105a、可饱和吸收层106、和第二P型AlGaInP包层105构成该包层机构。
组成该半导体多层机构的各半导体层的掺杂水平和膜厚度被示出在下表1中。表1
  名称   参考数字 掺杂水平(cm-3)     厚度
  帽层     112     5×1018     3μm
  接触层     110     1×1018     500埃
  第二P型包层     105b     1×1018     0.9μm
  可饱和吸收层     106     2×1018     50埃
  第一P型包层     105a     5×1017     500埃
  激活层     104     未掺杂     500埃
  阻挡层     50埃
  阱层     50埃
  N型包层     103     5×1017     1.0μm
  缓冲层     102     1×1018     0.3μm
图3示出了覆盖激活层附近至可饱和吸收层附近的，本示例的半导体激光器的部分的(AlxGa1-x)0.5In0.5P的Al克分子分数x的分布。在该示例中，n型包层103、第一P型包层105a、和第二P型包层105b的Al克分子分数为0.7。由于激活层104和该可饱和吸收层的量子阱层分别由Ga0.45In0.55P和Ga0.40In0.60P制成，它们具有与周围层相比的较大的点阵常数，导致接收压缩应变。
激活层104和可饱和吸收层的量子阱层之间的能隙差在获得稳定的自激振荡中起着重要的作用。在示例1中，该能隙差为57mev，允许得到稳定的自激振荡。
本发明的发明人已经研究了该可饱和吸收层与能隙差的作用，其结果将在下面进行描述。
参照图4A至4C，如以图4A中可以看到的，当注入电流到达40mA时，激光振荡(自激振荡)被启始。随着注入电流进一步增大，自激振荡在图4A的点A处被终止并移至正常的激光振荡。通过自激振荡所获得的最大光输出功率被表示为Pmax。在图4A所示的示例中，Pmax为4.0mw。当注入电流小于在获得Pmax时的电流值时，光输出功率随时间有很大的起伏，如图4C所示，提供了具有一稳定幅度的自激振荡。然而，当该电流大于在获得Pmax时的电流值时，光输出功率随时间而大大地减小，并最后移至正常的激光振荡，如图4B所示。
当工作温度T超出一定水平时，自激振荡也趋于被终止，如在注入电流的情况中一样。观察到自激振荡的最大温度被表示为Tmax，它也是自激振荡被终止的温度。
图5为一说明作为X轴的能隙差(mev)、作为Y轴的Tmax(自激振荡被终止的温度)和Pmax(在室温下通过自激振荡的最大光输出功率)之间关系的实验结果的图形。该实验结果示出了当能隙差为10mev或20mev时观察不到自激振荡，而当该能隙差为30mev时可观察到自激振荡。在能隙差为30mev时，在温度高达51℃时，观察到自激振荡且通过自激振荡获得高达5mw的光输出功率。
当能隙差到达30mev时，自激振荡被启始，且自激振荡被证实会继续高达200mev。具体地说，当能隙差位于50至100mev范围内时，Tmax和Pmax都较高。因此该范围被证实为实际地较佳的范围。
当能隙差超过100mev时，由于激活层与可饱和吸收层之间较大的能隙差，由可饱和吸收层吸收的激光量变得较大，导致工作电流轻微增大。这将参照图6进行描述。
图6为说明作为X轴的能隙差(mev)与作为Y轴的工作电流(mA)之间的关系的图形。如可从图中看到的，当能隙差超过100mev时，该工作电流超过130mA。
图7为说明该示例的半导体激光器的工作电流与寿命之间的关系的图形。该图形是在该半导体激光器的光输出功率维持在5mw及工作温度为60℃的条件下，根据测量结果所获得的。从图7可看到工作电流应被设定在130mA或更小以获得5000小时或更多的寿命。
如从图6和7中看到的，考虑到半导体激光器的寿命，能隙差最好为100mev或更小。
激活层和可饱和吸收层的成分和厚度可被调整以将该激活层和可饱和吸收层之间的能隙差(ΔE)设定在一预定范围内。例如，假设激活层为量子阱结构且其各阱层由Ga0.45In0.45In0.55P构成具有50埃的厚度(Ega＝1.937ev，λ＝640nm)，通过调整可饱和吸收层的成分可获得30mev至200mev范围内的能隙差(ΔE)，如下表2中所示。
表2
                        (激活层：Ga0.45In0.55P)
    GaxIn-xP可饱和吸收层     能隙差(ΔE)
    Ga0.42In0.58P     30mev
    Ga0.40In0.60P     50mev
    Ga0.34In0.66P     100mev
    Ga0.24In0.76P     200mev
上表2示出了当可饱和吸收层的厚度为50埃时的所获得的值。随着可饱和吸收层厚度的增加，能隙差(ΔE)也增大，当可饱和吸收层的Ga克分子分数x增大时，能隙差(ΔE)减小。相反，当激活层的阱层的厚度减小时，能隙差(ΔE)减小。随着阱层的Ga克分子分数x增大，能隙差(ΔE)增大。
图8为一说明该示例的半导体激光器的电流—光输出功率特性的图形。该图形的X轴表示到半导体激光器的注入电流(mA)，而Y轴表示光输出功率(mw)。阈值电流约为50mA。自激振荡型半导体激光器与普通半导体激光器的区别在于在该阈值电流及其周围的光输出功率急剧增大，如从图8看到的。这是因为存在可饱和吸收层，光输出功率不被向外释放直至累积足够量的注入载流子。当注入电流超出一定值时，激光振荡开始，与注入电流成比例地增大光输出功率。
图9示出了在图8的点P1处的该示例的半导体激光器的输出波形。如从图9看到的，光输出功率在2ns的短周期期间剧烈地起伏，指示自激振荡。
在根据本发明的半导体激光器中，可饱和吸收层的掺杂水平被设定在2×1018(cm-3)以减少载流子的寿命。这增加了自发发射对载流子密度的时间变化率的影响，有助于自激振荡。1×1018(cm-3)或更大的掺杂水平在减少载流子的寿命中是有效的。
可饱和吸收层的厚度并不限于该示例中所用的50埃。该可饱和吸收层也可以是多量子阱结构或体结构。
(示例2)
将参照图10描述也根据本发明的半导体激光器的第二示例。该示例的半导体激光器包括一n-型GaAs基底701和形成在该GaAs基底701上的一半导体多层机构，该半导体多层机构包括一n-型GaAs缓冲层702，一n-型AlGaInP包层703，一由AlGaInP和GaInP制成的多量子阱激活层704，一第一P-型AlGaInP包层705a，一光导层707，一第二P-型AlGaInP包层705b，一由P-型GaInP制成的可饱和吸收层706，和一第三P-型AlGaInP包层705c。在第三P-型AlGaInP包层705c的上部中形成沿空腔长度方向伸展的一条状屋脊(宽度：2.0至7.0μm)。在第三P-型包层705c的顶表面上形成一接触层710。在第三P-型包层705c上和接触层710的侧面上形成一n-型GaAs电流阻挡层711。在接触层710和电流阻挡层711上形成一P-型GaAs帽层712。在帽层712的顶表面上形成一P-电极713，而在基底701的底表面上形成一n-电极714。激活层704是一由三对阱层和阻挡层组成的多量子阱结构。
在该示例中，该n-型AlGaInP包层703，第一P-型AlGaInP包层705a，光导层707，在第二P-型AlGaInP包层705b，可饱和吸收层706，和第三P-型AlGaInP包层705c构成该包层机构。该示例的半导体激光器与先前示例的半导体激光器的区别在于在该包层机构中形成光导层707。在后将予以描述。
图11示出了该示例的半导体激光器的覆盖n-型包层703至第三P-型包层705c的部分中的(AlxGa1-x)0.5In0.5P的Al克分子分数X的分布的示意图。在该示例中，n-型包层，第一P-型包层，第二P-型包层，第三P-型包层，和光导层的Al克分子分数为0.5。激活层704和可饱和吸收层的阱层分别由Ga0.45In0.55P和Ga0.40In0.60P制成。
在该示例中，该可饱和吸收层和这些阱层的基态之间的差(能隙差)被设定在57mev。为了以图10中所示的构成来获得该半导体激光器的稳定的自激振荡，该能隙差要求在30至200mev的范围内，最好在50至100mev的范围内。
该示例的半导体激光器的特征在于该光导层形成于该包层机构中，且可饱和吸收层的体积被减小。由于可饱和吸收层的体积较小，该层的载流子密度可被更易于增大。由于载流子密度较高，光吸收更易于被饱和，呈现更佳的可饱和吸收效果。因此，由于可饱和吸收层的体积较小，可获得更强的自激振荡。但是，由于可饱和吸收层的体积被减小，可饱和吸收层的约束因数降低。在此示例中，为了克服该问题，在激活层和可饱和吸收层之间形成该光导层以使激光的分布可从激活层扩展向可饱和吸收层，从而增大了可饱和吸收层的约束因数并增强了可饱和吸收层和光之间的相互作用。因此，在该示例中，光导层被提供以增强可饱和吸收层的约束因数，其与常规的被提供来增强激活层的约束因数的光导层在功能上有很大的不同。
接着，参见图12A，12B和13，将详细地描述该示例中光导层的功能。图12A和12B分别示出了当未提供光导层时及当提供光导层时所获得的光强度分布。如从图12B看到的，通过在离开激活层的一位置，以与包层机构的其它部分相比一相对较小的能隙(较高的折射率)形成一半导体层作为光导层而呈现光强度的两个波峰。换句话说，在激活层和光导层两者中取得该约束因数，允许光被有效地分布至饱和吸收层。
图13为表示约束因数与光导层厚度的相关性的图形。该图形的X轴表示光导层的厚度(埃)，而Y轴表示约束因数(％)。在此所用的一层的“约束因数”是指该层中出射的光占总光量的百分比。
从实验结果中可以发现，为了获得稳定的自激振荡特性，激活层和可饱和吸收层的约束因数分别要求为5％或更大及1.2％或更大。为了获得上述约束因数，光导层的厚度应在300至1200埃的范围内。因此，通过在包层机构中形成该光导层，可获得稳定的自激振荡特性，如在示例1的半导体激光器的情况中。
在此示例中，在离开光导层的一位置处形成可饱和吸收层。替代地，它可以形成在光导层内，如图4所示。在此情况下，通过在光导层内形成可饱和吸收层以使可饱和吸收层的约束因数为1.2％或最大，也能得到自激振荡。
在示例1和2中，激活层为多量子阱结构。使用单量子阱结构的激活层也能实现具有稳定的自激振荡特性的一半导体层。在此情况下，该量子阱层与可饱和吸收层的基态之间的能隙差应在30至200mev的范围中，特别在50至100mev的范围内。通过一包括一不具有量子阱的体型激活层的半导体激光器也可获得本发明的效果，只要能隙差被设定在上述范围内的一值上。
光导层和可饱和吸收层之间的位置关系并不限于例2中的情况(光导层被形成在可饱和吸收层和激活层之间)。参见图15，将描述光导层和可饱和吸收层之间的关系。在图15中，可饱和吸收层可形成在由虚线所示的位置SA1至SA5中的任一处。
位置SA1对应于示例2中采用的可饱和吸收层的位置。而位置SA1离开光导层，可饱和吸收层可相邻于光导层而形成。位置SA2至SA4表示形成在光导层内部的可饱和吸收层的位置。位置SA5表示形成在光导层与激活层之间的可饱和吸收层的位置。虽然位置SA5离开光导层，可饱和吸收层可相邻于光导层。
当可饱和吸收层形成在光导层内时，该可饱和吸收层的基态与在该可饱和吸收层形成在光导层外部的所得到的基态轻微地不同，因为如从可饱和吸收层中看到的，在各情况中的量子阱的阻挡层的高度相互不同。
在可饱和吸收层被掺杂有高密度的杂质时，如果可饱和吸收层形成在激活层附近，可饱和吸收层中的杂质可以反过来影响激活层。为避免这一问题，当形成具有1×1018cm-3或更大的杂质密度的可饱和吸收层时，可饱和吸收层最好形成离开激活层200埃或更大的距离。
可形成多个可饱和吸收层。例如，可在图15中所示的位置SA1至SA5中的两个或更多个形成可饱和吸收层。替代地，可饱和吸收层可为多量子阱结构。但是，在包层机构中形成多个可饱和吸收层的结果，这些可饱和吸收层的总体积增大，降低了这些可饱和吸收层的载流子密度。如果由具有相比较地较大的折射率的材料制成的多个可饱和吸收层被相互紧密地形成，光趋于被约束在紧密形成这些可饱和吸收层的部分中。这降低了形成一光导层的必要性。
替代地，可分别地形成多个光导层。例如，可形成一对光导层以夹住可饱和吸收层。如果该光导层被形成以接触可饱和吸收层，所得到的结构与在图15中的位置SA3处形成可饱和吸收层时所得到的结构是相同的。这也可被表示为可饱和吸收层被形成在光导层内的结构。顺便地，其中形成可饱和吸收层的光导层的厚度应为第一光导层部分厚度T1与第二光导层部分T2之和，如图16所示。
(示例3)
以下，将描述根据本发明的芯片检验过程。
一般地，多个半导体激光器元件是自一半导体晶片而形成的。更具体地，在一半导体晶片的两表面上形成一P-型电极和一n-型电极之后，各条的劈开的表面上被涂覆一反射膜。
在芯片检验过程中，具有不在预定容限内的特性的一半导体激光器由于具有缺陷而被报废。例如，当作为一芯片的一半导体激光器元件在室温下被脉冲驱动时，如果其阈值电流不在100至2.00mA的范围内，它由于具有缺陷而被报废。
然后，各通过芯片检验过程的激光器芯片被密封在一罐中并经过一装配过程。
然后进行老化处理。本发明的发明人已经发现，对于具有掺杂P-型杂质的可饱和吸收层的一半导体激光器元件，在振荡开始所获得的该半导体激光器元件的特性与在振荡开始之后一分钟或更长时间后所获得的特性不同。还发现这些特性在激光振荡开始之后被稳定几分钟。更具体地，这些特性在激光振荡开始之后保持在一基本固定的状态约十分钟。例如，假设该半导体激光器在输出一固定的光功率的条件下被驱动。在此时，尽管在振荡开始之后，它即以即约100mA的驱动电流工作，在某些情况下，在过去1至10分钟后，它变化至以约70mA的驱动电流工作。
以上特性的变化发生在激光振荡开始之后一相比较地短的时间段内，且在过去该时间段后很难发生。因此在此将该特性的变化称为“特性的初始变化”。
在包括一半导体激光器元件作为光源的装置或系统中，该半导体激光器元件工作电流最好不变化。因此，在本发明的半导体激光器元件的配置前，最好进行稳定这些特性(例如，阈值电流)的处理，即老化处理。该老化处理可以是该半导体激光器元件在室温下被连续地振荡1至120分钟，或是它在50℃下被脉冲振荡1至120分钟。该老化处理应在芯片检验过程之后进行。
已经发现该半导体激光器元件的这些特性可通过替代老化处理，在半导体晶片被分离成多个条之前在300至800℃下将该半导体晶片退火约10至60分钟。该退火处理使该半导体激光器元件的特性在它处于检验过程之前的晶片状态时被稳定。通过以这种方式在检验过程之前检测并报废具有缺陷的元件，检验一具有缺陷的元件的麻烦的处理被省略。而且，该处理可同时对多个半导体激光器元件进行，而不是对单个的半导体激光器元件。替代地，该用于稳定特性的退火处理可在将晶片分离成激光器条之后进行。
上述老化处理和退火处理对于掺杂有高密度P-型杂质(特别是Zn)的可饱和吸收层是特别有效的。
在上述示例中，AlGaInP型半导体激光器元件被具体地描述。本发明并不局限于该种类型的半导体激光器。例如，本发明也可采用AlxGa1-xAs(0≤X≤1)型，AlxGayIn1x-yN(0≤x≤1；0≤y≤1)型，和MgxZn1-xSySe1-y(0≤x≤1；0≤y≤1)型半导体激光器元件。使用任一这些类型的材料，通过形成一掺杂有1×1018cm-3或更多杂质的可饱和吸收层而能获得稳定的自激振荡。
例如在AlxGa1-xAs(0≤X≤1)型半导体激光器元件的情况，激活层由Al0.1Ga0.9As制成，可饱和吸收层由GaAs制成，包层由AlGaAs制成。
例如在AlxGayIn1-x-yN((0≤x≤1，0≤y≤1)型半导体激光器元件的情况中，激活层由In0.05Ga0.95N制成，可饱和吸收层由In0.2Ga0.8N制成，包层由Al0.1Ga0.91N制成。
例如在MgxZ1-xSySe1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)型半导体激光器元件的情况中，激活层由Cd0.2Zn0.8Se制成，可饱和吸收层由Cd0.3Zn0.7Se制成，包层由Mg0.1Zn0.9S0.1Se0.9制成。
(示例4)
将参照图17描述根据本发明的光盘装置。
该示例的光盘装置包括上述本发明的半导体激光器元件901，用于准直自半导体激光器元件901发射的一激光束902(波长：650nm)，用于将该平行光束分裂成三个激光束(在图17中仅示出了一激光束)的衍射光栅，用于允许该激光束的一特定分量通过其透射或自其被反射的半棱镜，和用于将自棱镜905输出的激光束会聚在光盘907上的聚光透镜906。例如，在光盘907上形成具有的1μm直径的激光束点。对于激光盘907，不仅可使用只读光盘，也可使用可重写光盘。
自光盘907反射的激光束被首先自半棱镜905反射，通过光接收透镜908和柱面透镜909，并被照射在光接收元件910上。光接收元件810包括一被分成多个部分的光电二极管，并根据自光盘907反射的激光束生成一信息再现信号，跟踪信号和聚焦误差信号。一驱动系统811根据该跟踪信号和聚焦误差信号驱动该光学系统，以调整激光束点在光盘907上的位置。
除了半导体激光器901处，可采用已知的元件作为该示例的光盘装置的上述组成部件。如上所述，该示例的半导体激光器元件901包括掺杂有高密度杂质的可饱和吸收层。带有这样一可饱和吸收层，即使自光盘907反射的激光束部分在通过半棱镜905和衍射光栅904后返回到半导体激光器元件901时，低水平的相对强度噪声可被保持较低。
图2中所示的半导体激光器元件呈现出自激振荡直至光输出功率到达约10mw能级。当光输出功率被提高超过该能级时，该振荡逐步地从自激振荡移至单模振荡。例如，当光输出功率约约为15mw时，不再发生自激振荡。当从光盘再现信息时，半导体激光器元件应处于自激振荡的状态中，无光噪声发生。但在光盘上记录信息时，自激振荡不需要。因此，例如，通过以约15mw的光输出功率记录信息及以约5mw的光输出功率再现信息，不仅信息的低畸变再现是可能的，而且记录也是可能的。
如上所述，在本发明的光盘装置中，不使用高频重叠的电路元件，可实现具有630至680nm范围中波长的低畸变再现。
相反，通过具有630至680nm波长的常规的AlGaInP型半导体激光器不能获得稳定的自激振荡。当这样一常规的AlGaInP型半导体激光器被用于光盘装置时，它被要求在驱动电流上重叠高频以抑制返向噪声。这就需要大尺寸的高频重叠电路，而这对于减小光盘装置的尺寸是不利的。
(示例5)
将描述根据本发明的另一光盘装置。
该示例的光盘装置使用一包括有上述根据本发明的半导体激光器元件的激光器单元。具体地，该激光器单元包括一具有光电二极管的硅基底和安装在该硅基底上的半导体激光器元件。在该硅基底上形成一用于反射自该半导体激光器元件出射的激光束的微反射镜。
参见图18，将描述该激光器单元。在硅基底1(7mm×3.5mm)的主表面1a的中心中形成一凹形部分2，且一半导体激光器元件3被配置在该凹形部分2的底表面上。凹形部分2的侧壁被倾斜以用作微反射镜4。如果硅基底1的主表面1a为(100)取向，(111)平面通过各向异性的蚀刻而被曝露出以用作为微反射镜4。由于(111)平面被从(100)平面倾斜过54°，通过使用以<110>方向从(100)平面倾斜过9°的一偏基底，可获得从主表面1a倾斜过45°的(111)平面。相对以上(111)平面形成的另一(111)平面以主表面1a倾斜过63°。没有微反射镜4形成在该平面中，但形成一用于监视光输出功率的光电二极管，如在后所描述的。通过各向异性的蚀刻而形成的(111)平面为一光滑的反射镜面，用作为极好的微反射镜4。为了增强微反射镜4的反射率，最好至少在硅基底1的倾斜的平面上形成一不可能吸收激光的金属膜。
除了用于监视来自半导体激光器3的光输出功率的光电二极管5处，用于光信号检测的被划分为五的光电二极管6a和6b也形成在硅基底1上。
现在，参见图19，将描述本示例的光盘装置。自具有上述结构的激光器单元10的半导体激光器元件(图19中未示出)发射的激光束被从微反射镜(图19中未示出)反射且然后通过形成在一全息元件11的底表面上的光栅而被分裂成三个光束(在图19中为简便起见只示出了一个光束)。然后，该激光束通过一四分之一波长片(1/4λ片)12和一目镜13被会聚在光盘14上。自光盘14反射的激光束通过目镜13和1/4λ片12，且然后由形成在全息元件11顶表面上的一光栅而被衍射。该衍射形成一负的初级光束的一正的初级光束，如图20所示。例如，该负的初级光束辐照位于图20中左侧的光接收表面15a，而正的初级光束辐照位于图20中右侧的光接收表面15b。形成在全息元件11的顶表面上的光栅的图形被调整以使该负的初级光束和正的初级光束具有不同的焦距。
如图21中所示，当激光束被聚焦在光盘上时，形成在激光器单元10的光接收表面15a上的反射的激光束的点形状与形成在光接收表面15b上的反射的激光束的点形状相同。但是，当激光束未被聚焦在光盘上时，形成在光接收表面15a上的反射的激光束的点形状与形成在接收表面15b上的反射的激光束的点形状不同。
这样，形成在右和左光接收表面上的光点的大小被检测作为通过以下表达式获得的聚焦误差信号FES：
FES＝(S1+S3+S5)-(S2+S4+S6)其中S1至S3表示从构成光接收表面15a的总共五个光电二极管的三个中央光电二极管输出的信号强度，而S4至S6表示从构成光接收表面15b的总共五个光电二极管的三个中央光电二极管输出的信号强度。当该聚焦误差信号FES为零时，激光束被聚焦在光盘上(在焦点上)。目镜13由图19中所示的致动器15适当地驱动以使聚焦误差信号FES变为零。
一跟踪误差信号TES通过以下表达式而被确定：
TES＝(T1-T2)+(T3-T4)其中T1和T2表示从构成光接收表面15a的总共五个光电二有管的两个最外边的光电二极管输出的信号强度，而T3和T4表示从构成光接收表面15b的总共五个光电二极管的两个最外边的光电二极管输出的信号强度。
一信息信号RES通过以下表达式而被确定：
RES＝(S1+S3+S5)+(S2+S4+S6)
在该示例中，集中地形成半导体激光器元件和光电二极管的激光器单元被使用。但是，这些元件可被单独地形成。
通过使用集中地形成半导体激光器元件和光电二极管的激光器单元，光盘装置的大小可被减小。而且，由于在硅基底中预形成光电二极管和微反射镜，只有半导体激光器元件被要求相对于该硅基底被光学地校直。由于该光学校直易于执行，装配精度提高有制做过程可被简化。
根据本发明，通过将能隙差设定在30至200mev的范围内，可饱和吸收层有效地吸收光且光吸收被饱和。这使得提供稳定的自激振荡成为可能，当能隙差片于50至100mev范围中时，可饱和吸收层的饱和条件是最佳的且工作电流不增大，提供了良好的自激振荡特性。而且，通过形成一光导层，即使其体积较小，可饱和吸收层的载流子密度可被易于增大，提供了较强且稳定的自激振荡特性。因此，可提供适用于下一代大容量光信息记录的光源。
包括这样一半导体激光器的光盘装置免除了由从光盘表面反射的光的返回和温度变化所导致的强度噪声，且因此减小了信号读取误差，提供了工业上的重大意义。

Claims (30)

1、一种半导体激光器，包括一具有一量子阱层的一激活层和一夹住该激活层的包层机构，
其中该包层机构包括多个包层、一可饱和吸收层和一用于提高该可饱和吸收层的约束因数的光导层，该可饱和吸收层和该光导层位于这些包层之间，该可饱和吸收层和该光导层被形成在这些包层之一和该激活层之间，及
该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙30至200mev。
2、根据权利要求1的半导体激光器，其中该可饱和吸收层的厚度在约10至100埃的范围内。
3、根据权利要求1的半导体激光器，其中形成多个可饱和吸收层。
4、根据权利要求1的半导体激光器，其中该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙50至100mev。
5、根据权利要求1的半导体激光器，其中该光导层具有一带隙，该带隙小于该包层机构的其它层的带隙并大于该可饱和吸收层的带隙。
6、根据权利要求5的半导体激光器，其中该光导层的厚度在300至1200埃的范围内。
7、根据权利要求6的半导体激光器，其中该光导层被划分成该包层机构中的多个部分。
8、根据权利要求5的半导体激光器，其中该光导层相邻于该包层机构中的可饱和吸收层。
9、根据权利要求1的半导体激光器，其中该可饱和吸收层掺杂有至少1×1018cm-3的杂质。
10、根据权利要求1的半导体激光器，其中该激活层具有一多量子阱结构。
11、根据权利要求1的半导体激光器，其中该激活层和该包层机构由AlxGayIn1-x-yP材料形成，其中0≤x≤1，0≤y≤1，x和y不同时为零。
12、根据权利要求1的半导体激光器，其中对该量子阱层和可饱和吸收层施加一应变。
13、一种用于制造半导体激光器的方法，该半导体激光器包括具有一量子阱层的一激活层和一夹住该激活层的包层机构，该包层机构包括一可饱和吸收层和一用于提高可饱和吸收层的约束因数的光导层，该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙30至200mev，该半导体激光器的特性随时间而变化但在过去一预定时间后基本不变，其中该方法包括有稳定步骤，用于改变在激光振荡开始后迅即得到的这些特性以获得基本不变的特性，该稳定步骤是在配置半导体激光器元件之前的一老化处理或是在将半导体晶片分离成多条之前或之后的一退火处理。
14、根据权利要求13的制造半导体激光器的方法，其中这些特性为由电流—光输出功率特性。
15、根据权利要求13的制造半导体激光器的方法，其中该稳定步骤包括用于通过一老化处理来稳定一阈值电流的步骤。
16、根据权利要求13的制造半导体激光器的方法，其中该稳定步骤包括用于通过退火来稳定一阈值电流的步骤。
17、根据权利要求13的制造半导体激光器的方法，其中该阈值电流是通过该稳定步骤，与激光振荡开始后迅即获得的一值相比较而被稳定的。
18、一种光盘装置，包括：一半导体激光器；一会聚光学系统，用于将自该半导体激光器发射的激光束会聚在一记录媒体上；和一光学检测器，用于检测自该记录媒体反射的激光束；
其中该半导体激光器包括一具有一量子阱层的激活层和一夹住该激活层的包导机构，该包层机构包括多个包层、一可饱和吸收层和一用于提高该可饱和吸收层的约束因数的光导层，该可饱和吸收层和该光导层位于这些包层之间，该可饱和吸收层和该光导层被形成在这些包层之一和该激活层之间，及
该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙30至200mev。
19、根据权利要求18的光盘装置，其中当在该记录媒体上记录信息时，该半导体激光器以单模振荡，当再现记录在该记录媒体上的信息时，以自激振荡模工作。
20、根据权利要求18的光盘装置，其中该光学检测器被配置在该半导体激光器的附近。
21、根据权利要求20的光盘装置，其中该光学检测器包括形成在一硅基底上的多个光电二极管，且半导体激光器被配置在该硅基底上。
22、根据权利要求21的光盘装置，其中该硅基底包括一形成在其主表面上的一凹口部分和一形成在该凹口部分的侧壁上的微反射器，
该半导体激光器被配置在该硅基底的该凹口部分中，且该微反射镜与该主表面之间形成的角度被设置成使从半导体激光器发射的激光束在从该微反射镜反射后以基本垂直于该硅基底的主表面的方向上运行。
23、根据权利要求22的光盘装置，其中在该微反射镜的一表面上形成一金属膜。
24、一种半导体激光器，包括一包括有一量子阱层的激活层和一夹住该激活层的一包层机构，
其中该包层机构包括多个包层、一可饱和吸收层和一用于提高该可饱和吸收层的约束因数的光导层，
其中该光导层被形成在该激活层和该可饱和吸收层之间，及
其中，该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙30至200mev。
25、根据权利要求24的半导体激光器，其中该可饱和吸收层的厚度在约10至约100埃的范围内。
26、根据权利要求24的半导体激光器，其中形成多个可饱和吸收层。
27、根据权利要求24的半导体激光器，其中该可饱和吸收层的能隙小于该激活层的量子阱层的基态之间的能隙50至100mev。
28、根据权利要求24的半导体激光器，其中该可饱和吸收层掺杂有至少1×1018cm-3的杂质。
29、根据权利要求24的半导体激光器，其中对该量子阱层和可饱和吸收层施加胁变。
30、根据权利要求24的半导体激光器，其中该激活层具有一多量子阱层。
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