CN1129218C - 半导体激光器及劈开方法 - Google Patents

Abstract

在具有一活性层和其间插入该活性层的一包层结构的半导体激光器中，该包层结构包括一可饱和吸收层，且该可饱和吸收层由In GaAs P形成。

Description

半导体激光器及劈开方法

技术领域

本发明涉及一种用作为光盘系统的光源或类似装置的低噪声半导体激光器。

背景技术

近年来，在光学通信、激光打印机、光盘及类似装置领域对半导体激光器的需求日益增加。并且对其的研究和开发已被主要积极地引导至GaAs和InP型半导体激光器。在光学信息处理领域，用于具体使用具有大约780nm波长的AlGaAs型半导体激光器的光来记录/再现信息的系统已被投入实际应用，并被广泛地用于紧致盘等。

当通过使用一半导体激光器作为光源来再现一光盘时，由于自一光盘表面反射的光的反馈或由于温度变化而会产生强烈噪声。这样的强烈噪声会引起信号读取误差。因此，具有低强度噪声的半导体激光器对作为光盘的光源来说是最重要的。

通常，在被用作为只读光盘的光源的具有低输出的一AlGaAS型半导体激光器中，已尝试通过采用在一屋脊条纹的各边上故意形成一可饱和吸收器的结构来降低噪声。通过采用这样一结构，实现了多纵向模。如果半导体激光器在以单一纵向模进行振荡时，由于光反馈、温度变化或类似而引入扰动。相邻的纵向模由于增益峰中的轻微变化而开始振荡。这些如上述开始振荡的模与该原始模相冲突，因此显现出产生噪声的原因。另一方面，当以上述方法实现这些多纵向模时，不同模之间的强度变化被平均，而由于扰动引起的强度变化将不会产生，从而可能获得稳定的低噪声特性。

而且，作为一种可替换的方法，在日本专利申请公开号为63-202083的申请中给出了一欲获得更加稳定的自持脉动特性的尝试。具体地，通过提供一可吸收输出光的层来实现一自持的脉动型半导体激光器。

再者，日本专利申请公开号为6-260716的申请告知通过使活性层的带隙与吸收层的带隙基本相同来提高半导体激光器的工作特性。该公开文本具体地是指一红半导体激光器作为例子。

图16为概略地表示在上述日本专利申请公开号为6-260716的申请中公开的自持脉动型半导体激光器结构的截面视图。

具体地，在一n-型GaAs基底1301上形成一n-型GaInP缓冲层1302和一n-型AlGaInP包层1303，及在包层1303中形成一GaInP胁变的量子阱(MQW)活性层1304。在包层1303中还形成有一胁变的量子阱可饱和吸收层1305。一包层1306和一p-型GaInP接触层1307被形成为在包层1303上的一屋脊形。在所形成的包层1306和接触层1307的屋脊的两侧埋置有n-型GaAs电流阻挡层1308，而且，在接触层1307和电流阻挡层1308上形成一p-型GaAs帽层1309，在该帽层1309上形成一p-电极1310，且另一方面，在基底1301的反表面上形成一n-电极1311。

上述日本专利申请公开号为6-260716试图通过以上结构获得良好的自持脉动特性。

发明内容

根据本发明的一个方面，一半导体激光器包括一活性层和一其间插入该活性层的包层结构，该包层结构包括一可饱和吸收层，且该可饱和吸收层由In_xGa_1-xAs_yP_1-y(0＜x＜1，0≤y≤1)形成。

最好该可饱和吸收层与该活性层之间的一间隔大约为200埃或更大。

在一实施例中，该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层相邻于该光导层。可替代地。该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层位于该光导层的附近。

在一实施例中，该可饱和吸收层具有一胁变的量子阱结构，且该可饱和吸收层的基态间的能隙小于该活性层的能隙约30mev至200mev。

最好，除去该可饱和吸收层外，该活性层和该包层结构由(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP形成。

根据本发明的另一方面，一半导体激光器包括一活性层和一其间插入该活性层的包层结构，该包层结构包括一可饱和吸收层，该可饱和吸收层由InGaAsP形成，且该可饱和吸收层具有一胁变的量子阱结构。

最好，该可饱和吸收层和该活性层之间的一间隔大约为200埃或更大。

在一实施例中，该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层相邻于该光导层。可替代地，该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层位于该光导层的附近。

在一实施例中，该可饱和吸收层的基态间的能隙小于该活性层的能隙约30mev至约200mev。

最好，除该可饱和吸收层外，该活性层和该包层结构由(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP形成。

根据本发明的再另一方面，一半导体激光器包括一活性层和一其间插入该活性层的包层结构，该包层结构包括一可饱和吸收层，且该可饱和吸收层由InGaAs形成。

最好，该可饱和吸收层与该活性层之间的间隔大约为200埃或更多。

在一实施例中，该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层相邻于该光导层。可替代地，该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层位于该光导层的附近。

在一实施例中，该可饱和吸收层的基态间的能隙小于该活性层的能隙约30mev至约200mev。

最好，除该可饱和吸收层之外，该活性层和该包层结构由Al_zGa_1-zAs形成。

根据本发明的另一方面，一半导体激光器包括一活性层和一其间插放该活性层的包层结构，该包层结构包括一可饱和吸收层，且该可饱和吸收层的厚度约为100埃或更小。

最好，该可饱和吸收层的厚度约为80埃或更小。

在一实施例中，包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层相邻于该光导层。可替代地，该包层结构还包括在一光导层，且该可饱和吸收层位于该光导层的附近。

在一实旋例中，该可饱和吸收层具有一胁变的量子阱结构，且该可饱和吸收层的基态间的一能隙小于该活性层的一能隙约30mev至约200mev。根据本发明的再另一方面，一半导体激光器包括：一活性层；一n-型包层和一其间插入该活性层的第一p-型包层；一形成在该p-型包层上的电流阻挡层，该电流阻挡层具有一开口；及一形成在该开口处的第二p-型包层，该第二p-型包层包括一可饱和吸收层。

在一实施例中，该可饱和吸收层由InGaAsP或InGaAs形成。

在一实施例中，在该电流阻挡层中形成一模控制层。

最好，该第一p-型包层由具有大于该n-型包层的能隙的一能隙的材料形成。例如，该第一p-型包层为一AlGaInPN层。

根据本发明的再另一方面，提供一种劈开方法。该劈开方法是一种劈开具有相对于一正确(just)表面的表面取向向一预定方向倾斜的表面取向的基底的方法，且该基底通过沿该基底的表面取向被倾斜的一方面施加一应力而被劈开。

本发明的另一种劈开方法是一种劈开具有从[100]方向倾向[0-1-1]方向的表面取向的晶体的方法，且该晶体通过沿[0-1-1]方向施加一应力而被劈开。

因此，本发明具有以下目的：(1)通过选择一特殊的材料作为该半导体激光器中包括的可饱和吸收层的组成材料，提供具有稳定自持脉动特性及高可靠性的一种半导体激光器；及(2)提供可在这样一半导体激光器的生产过程中被使用的一种劈开方法。

附图简述

图1A和1B分别为表示根据本发明的实施例1的半导体激光器结构的截面视图和透视图。

图2为表示图1A和1B中所示的半导体激光器的活性层中及其附近的Al组分的变化的示意图。

图3为表示GaInP和InGaAsP的增益特性曲线的示意图。

图4为表示图1A和1B中所示的半导体激光器中的光输出及载流子浓度的时间变化的示意图。

图5为表示图1A和1B中所示的半导体激光器中的光输出与电流间关系的示意图。

图6为表示图1A和1B中所示的半导体激光器中光输出的时间变化的实际测量波形的一示例的示意图。

图7为说明该基底的一倾斜取向与一较佳劈开方向间的关系的示意图。

图8为表示根据本发明的实施例2的半导体激光器的结构的截面视图。

图9为表示图8中所示的半导体激光器的一活性层中及其附近的Al组分的变化的示意图。

图10为表示图8中所示的半导体激光器的一光导层的光约束(confinement)率(光约束系数)与厚度之间的关系的示意图。

图11为表示根据本发明的实施例3的半导体激光器结构的截面视图。

图12为表示GaAs和InGaAs的增益特性曲线的示意图。

图13为表示根据本发明的实施例4的半导体激光器结构的截面视图。

图14为表示根据本发明的实施例5的半导体激光器结构的截面视图。

图15为表示GaAs和GaInP的增益特性曲线的示意图。

图16为表示根据常规技术的一自持脉动型半导体激光器结构的一示例的截面视图。

实施本发明的量佳方式

在描述本发明的具体实施例之前，将首先描述在实现本发明的过程中由本发明的发明人所取得的研究结果。

如上所述，在常规技术中，有各种考虑利用半导体激光器中的自持脉动现象的报告。然而，本发明的发明人的研究揭示出以AIGaInP型半导体激光器很难获得自持脉动特性。因为它在材料的增益特性曲线上明显不同于AlGaAs型。这将参照图15进行描述。

图15为表示GaAs和GaInP的增益特性的示意图。这些材料(GaAs和GaInP)分别在AlGaAs型半导体激光器和AlGaInP型半导体激光器主要用作为活性层的组成材料。

本发明的发明人的研究揭示出当相对于载流子浓度的增益特性的曲线陡度变得较大时更易于获得自持脉动特性。其原因与在可饱和吸收层内要求载流子的强烈振荡以获得自持脉动特性的事实相关联。当相对于载流子浓度的增益特性的曲线陡度较大时，载流子浓度可通过小量的光吸收而被改变，结果，更易于产生载流子的振荡。

然而，已经证明由于GaInP的增益特性曲线的陡度小于GaAs的增益特性曲线的陡度，在GaInP的情况下获得自持脉动特性相对较难。

本发明的发明人所做的实验结果揭示出，在红半导体激光器的情况中，通过象在常规技术中所做的那样简单地加上一可饱和吸收层是难以获得稳定的自持脉动特性。具体地，在高温下难以获得稳定的自持脉动特性。而且，在例如根据常规技术的结构中，在可饱和吸收层中消耗的光量较大。结果，有阈值电流增加的趋势。因此，可靠性可能在高温，例如约80℃时被损害。

这里，涉及在半导体激光器中产生自持脉动的其它参数包括可饱和吸收层中的载流子浓度。特别地，一种可能的方法是显著地减小可饱和吸收层的体积以相对增大其内的载流子浓度。鉴于此点，有一个可饱和吸收层的沉积(即厚度)的最佳值，这样通过简单地加上该可饱和吸收层可容易地获得稳定的自持脉动特性。

而且，为了获得稳定的自持脉动现象，需要确保足够的光约束进可饱和吸收层。尽管可简单地认为为了这样而提供一更接近于活性层的可饱和吸收层是足够的，当它们之间的距离太短时，由于少数载流子溢出活性层，会产生对工作特性的不利影响。因此，应确保活性层与可饱和吸收层之间的距离为约200埃或更多，最好约500埃或更多。这样，需要确保光约束同时也确定活性层与可饱和吸收层之间足够的距离。从而获得具有期望的自持脉动特性的半导体激光器是困难的。除非同时满足这些条件。

尽管上述的研究结果主要涉及主要通过使用AlGaInP型材料而形成的红半导体激光器。但通过常规技术不能充分地认识到可在阈值电流相对于具有在红外区中具有一振荡波长的AlGaAs型材料为低的条件下确保稳定的自持脉动。特别在期望一较高输出时这些问题变得更加明显。

以下将参照附图对根据上述的研究结果所实现的本发明的各实施例进行描述。(实施例1)

图1A和1B分别为表示根据本发明的实施例1的具有自持脉动特性的一半导体激光器100结构的截面视图和透视图。

在半导体激光器100中，在一n-型GaAs基底101上形成半导体材料的分层结构。具体地，基底101被从(100)表面向着(0-1-1)方向倾斜8度。在本申请说明书中，在表面取向的表示中所包括的表达符“-1”的含义与在数字“1”的顶上添加一杠(-)所得到的“1”相同。例如上述表示的“(0-1-1)方向”是指“(011)方向”。

顺序地在基底101上形成n-型GaAs缓冲层102、n-型AlGaInP包层103、GaInP活性层104、AlGaInP的第一P-型包层105a和InGaAsP可饱和吸收层106。在可饱和吸收层106上形成AlGaInP的第二P-型包层105b和P-型GaInP接触层110。第二P-型包层105b和P-型接触层110被形成为屋脊状形状，且一n-型GaAs电流阻挡层111形成在该屋脊的两侧上。还有，在该p-型接触层110和n-型电流阻挡层111上形成P-型GaAs帽层112。进而，在帽层112上形成一P-电极113及在另一方面，在基底101的反表面上形成一n-电极114。

上述各层的典型厚度如下：

名称                  参考数字          厚度

帽层                     112            3μm

接触层                   110            500埃

第二P-型包层             105b           0.9μm

可饱和吸收层             106            60埃

第一P-型包层             105a           0.2μm

活性层                   104            500埃

N-型包层                 103            1.0μm

缓冲层                   102            0.3μm

图2示出了半导体激光器100的活性层中及其附近的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P的Al组分x的变化。如图所示，在半导体激光器100中，n-型包层103、第一和第二P-型包层105a和105b中的Al组分x被设置为0.7。

而且，如上表所示，在半导体激光器100中，可饱和吸收层106的厚度被设置成约60埃。当可饱和吸收层106较厚时，其体积变得太大，而难以使载流子浓度较大。因此，变得在可饱和吸收层106中难以产生载流子浓度的变化，即载流子的强烈振荡，结果，变得难以获得自持脉动特性。因此，期望可饱和吸收层为较薄。

该InGaAsP可饱和吸收层106的组成例如为In_0.5Ga_0.5As_0.1P_0.9。具有这一组成的InGaAsP的点阵常数大于形成基底101的GaAs的点阵常数。结果，一挤压的应力被施加给可饱和吸收层106。这样，半导体激光器100的可饱和吸收层106具有胁变的量子阱结构。

图3示出了GaInP和InGaAsP的增益特性(载流子浓度和增益之间的关系)。可以看出InGaAsP具有较大的增益特性曲线的陡度。

本发明的发明人的研究揭示出在具有可饱和吸收层的半导体激光器中，当用于可饱和吸收层的材料的增益特性的陡度(增益变化相对于载流子浓度变化的比例)变得较大时，更易于获得自持脉动特性。换句话说，当增益特性曲线的陡度变大时，更有助于自持脉动。这可被解释如下。为了获得自持脉动特性，要求在可饱和吸收层内的载流子的强烈振荡。这里，当增益特性曲线的陡度变大时，载流子浓度可通过一较小的光吸收量而被改变。结果，当增益特性曲线的陡度变大时，更易于产生载流子的振荡，且更易于产生自持脉动现象。

在此，相对于与基底点阵匹配的InGaAsP获得图3示出的数据。当加压的应力被施加于InGaAsP时(例如在形成在GaAs基底上的In_0.5Ga_0.5As_0.1P_0.9的情况下)，增益特性曲线的陡度变得比图3中所示的更大，且更有助于实现自持脉动。

图4示出了在光输出约为5mw的情况下，光输出波形的时间变化的模拟结果。在图中还示出了活性层及可饱和吸收层中载流子浓度的变化。从其可看出。光输出的振荡现象明显是连续的。

图5为对根据本实施例的自持脉动型半导体激光器100中电流-光输出特性的测量的示例，且可以看到在此情况下阈值电流约为60mA。如图5中所示，自持脉动型半导体激光器的电流-光输出特性与普通的半导体激光器的特性的不同之处在于在阈值电流附近的特性曲线中可观察到一尖锐上升。这是因为光输出未被向外释放直至达到一定程度的载流子注入，由于在自持脉动型半导体激光器中有一可饱和吸收层。当载流子注入量超过一定值的，激光器振荡产生，且光输出与电流注入量成比例地增加。

图6为对根据本实施例的半导体激光器100中的光输出波形的测量的一示例。如图4中所示的模拟结果，光输出超时地剧烈振荡，并可以确定自持脉动产生。在该半导体激光器中，在较宽的从约20℃到约80℃的温度范围内获得了约-135dB/Hz或更小的稳定的相对强度噪声(RIN)特性。

如上所述，根据本发明的发明人所做的实验，在红半导体激光器中，难以通过象在常规技术中所做得那样简单地加上一可饱和吸收层而获得稳定的自持脉动特性。例如，即使当具有普通掺杂水平的Ga_0.5In_0.5P层被用作为可饱和吸收层时，也难以获得稳定的自持脉动特性。特别地，难以获得高温时自持脉动特性。

而且，根据常规技术的结构具有可饱和吸收层中消耗的光量为较大，从而增大了阈值电流的趋势。结果，高温时(例如80℃)的可靠性可能被损害。

反之，当通过使用具有如本发明中的大陡度的增益特性曲线的材料(例如InGaAsP)形成可饱和吸收层时，可能获得具有低阈值电流的半导体激光器，提供了在高达约80℃的温度时的稳定的工作特性。

使用由InGaAsP层形成的可饱和吸收层106还提供了在生产半导体激光器中的一大优点。即在例如图1所示的半导体激光器100的结构中的InGaAsP层除了起可饱和吸收层106的作用外，还在形成屋脊的蚀刻过程中起蚀刻阻止层的作用。特别地，当通过使用例如硫酸的蚀刻剂将AlGaInP的第二P一型包层105b处理成屋脊形时，可能在该InGaAsP层处阻止蚀刻。

反之，当具有普通结构的GaInP被用作为蚀刻阻止层时，只有约10这么小的值可获得作为第二p-型包层105b与该GaInP层之间的蚀刻选择比，虽然它依据于蚀刻条件。因此，蚀刻肯定不能在GaInP层处被阻止，而可能会产生过度蚀刻，从而使激光器的工作特性可能会产生一些变化。还有，当蚀刻接近于活性层时，可靠性可能被损害。反之，当使用InGaAsP层时，其既起蚀刻阻止层的作用也起可饱和吸收层的作用，可获得约20这么大的值作为第二P-型包层与InGaAsP层之间的蚀刻选择比。因此，易于执行半导体激光器的生产过程。

如上所述，使用InGaAsP层作为可饱和吸收层提供了对半导体激光器的工作特性和对其生产过程的很大影响。

这里，在半导体激光器的生产中，在通过在一基底上生成一分层结构来形成一激光器结构后，通过劈开形成一空腔端面。在此点，由于一倾斜的基底被用作为本实施例中的基底，需要注意劈开过程中施加应力的方向。以下将对其进行描述。

图7为概略地表示在半导体激光器的空腔端面上观察的晶体结构，即GaAs基底的(0-1-1)表面的示意图。在此图中，表示为“A-B”的虚线为该基底的表面，且在该表面上长成一晶体。当以对应于原子阶的原子级观察时，该基底的表面呈现出台阶的样子。

这里，如上所述。该基底自(100)表面的表面取向向(0-1-1)方向倾斜过大约8度。鉴于此，当劈开该晶体(基底)以获得半导体激光器的芯片时，从图7中的B向A施加一应力。这是因为，如果以与上述方向相反的方向(即从A向B)施加应力，在劈开过程期间应从A至B裂开的该晶体的裂纹沿着(100)表面的方向形成。从而不能实现可靠的劈开。这样的情况导致了劈开的缺陷并降低了产量。因此在图中是从B向A执行劈开。

这样一特性涉及劈开不仅施加于GaAs基底，面且只要是一被倾斜的基底，也可施加于由其它材料形成的任何基底的取向。更一般地说，通过从一方向(图7的示例中为B)向倾斜的方向施加一应力来劈开该基底，其中获得一较小的角度作为该正确表面(图7的示例中为(100)表面)与该倾斜的基底之间的角度。

在通过劈开该基底形成端面后，在所获得的端面(空腔端面)上形成一涂覆处理。具体地，例如，通过从更接近于该端面的一侧采用ECR溅射方法沉积预定数量的SiO2膜和SiN膜对。这里，设定各SiO2膜和SiN膜的厚度以使相应于λ/4(这里λ为振荡波长)。(实例2)

图8为表示根据本发明的实施例2的具有自持脉动特性的半导体激光器200的结构的截面视图。

在半导体激光器200中，在一n-型GaAs基底701上顺序地形成缓冲层702，n-型InGaInP包层703、包括一GaInP阱层的多量子阱活性层704，InGaInP的第一p-型包层705a、P-型光导层707、AlGaInP的第二P-型包层705b和InGaAsP量子阱可饱和吸收层706。在该可饱和吸收层706上形成AIGaInP的第三P型包层705c和P-型GaInP接触层710。该第三P-型包层705C和该P-型接触层710被形成为屋脊形状，且该屋脊的两侧被埋置有n-型GaAs电流阻挡层711。而且，在该P-型接触层710和n-型电流阻挡层711上形成一P-型GaAs帽层712。在该帽层712上形成一P-电极713，而另一方面，在该基底的反表面上形成一n-电极714。

图9示出了该半导体激光器200的活性层704内及其附近的(Al_xGa_1-x)_0.5In_0.5P的Al组分x的变化。如图所示，在半导体激光器200中，n-型包层703及和第一、第二和第P-型包层705a、705b和705c中的Al组分x被设置为0.7。

在本实施例的半导体激光器中，该多量子阱活性层704被用作为活性层704，一量子阱层还被用作为可饱和吸收层706。这里，该可饱和吸收层706的组成材料为InGaAsP。

而且，在半导体激光器200中，光导层707被设置在可饱和吸收层706的附近。这里，设置该光导层707的原因如下。

当可饱和吸收层706为一量子阱层时，由于该层的总厚度被减小，可饱和吸收层706中的光约束率(光约束系数)被大大地降低。结果，光在可饱和吸收层706中未被充足地吸收，从而没有充分地产生增益的饱和。因此，按现实情况来说，自持脉动不会发生。反之，当设置了上述的光导层707时，可能提高可饱和吸收层中的光约束率(光约束系数)。具体地，如果通过设置光导层707而将可饱和吸收层706中的光约束率(光约束系数)设置为至少约1.2％或更大的值，就变成可能引起自持脉动。

当可饱和吸收层706为一量子阱层时，其厚度较薄。因此，仅通过可饱和吸收层706而不设置光导层707是不可能将可饱和吸收层706中的光约束率(光约束系数)设置成实现自持脉动所需的幅值。另一方面，当为提高光约束率(光约束系数)的目的而增加形成可饱和吸收层706的量子阱层的数量时，可饱和吸收层706的总体显著增大，而载流子浓度降低，从而自持脉动不会发生。

如本发明的发明人所揭示的，既使在通过增加可饱和吸收层706的层数而提高可饱和吸收层706中的光约束率(光约束系数)时，也不能获得自持脉动。反之，根据本发明，通过组合以下两种条件而首先实现自持脉动：(1)不增加可饱和吸收层706的体积；及(2)提供光导层707。

在根据本实施例的半导体激光器200中，该多量子阱活性层704具有一量子阱结构，该量子阱结构具有总共约50埃的厚度，且其中的层数为3。而且，具有Al组分x＝0.5的AlGaInP被用作为该量子阱结构中所包括的阻挡层。

另一方面，具有Al组分x＝0.5的AlGaInP被用于与量子阱可饱和吸收层706相关联的光导层707，且其厚度约为1000埃。为了实现对光导层707期望的目的，只要该厚度约为200埃或更大，该厚度可以是任意值。

这里，图10示出了光导层707的厚度与活性层704和可饱和吸收层706中的光约束率(光约束系数)之间的关系。以其可以看出，如果光导层707的厚度约为300埃或更大，则可饱和吸收层706中的光约束率(光约束系数)可被设置成约1.2％或更大。如上所述，这使可肯定引起自持脉动。另一方面，当光导层707太厚时，活性层704中的光约束率(光约束系数)下降，从而阈值电流可能被升高。活性层704中的光约束率(光约束系数)希望为5％或更大。鉴于此，从图10中可以看出，光导层707的厚度希望为约1200埃或更小。

因此，光导层707的厚度希望为约300埃或更大但为约1200埃或更小。

作为实际生产的半导体激光器200的一示例，自持脉动发生约10℃至80℃的宽的温度范围内，在上述温度范围中，可获得约-135db/Hz或更小的稳定的相对强度噪声(RIN)特性。

如上所述，在本实施例中，通过将量子阱结构引入半导体激光器200的活性层704而将最大光输出增加了约20％。而且，由于实现了阈值电流的减小及输出的增大，使在高温时的工作成为可能。如上所述，通过使用InGaAsP作为可饱和吸收层706的组成材料及通过采用设置光导层707的新结构而实现这些性能。

还有，不用说既使在为进一步改善工作特性而将胁变的量子阱结构用于激活层704的情况下，根据本发明可获得具有自持脉动特性的半导体激光器。(实施例3)

图11为表示根据本发明的实施例3的具有自持脉动特性的半导体激光器300的结构的截面视图。

在半导体激光器300中，在n-型GaAs基底1001上顺序形成n-型AlGaAs包层1002。包括一GaAs阱层的多量子阱活性层1003、AlGaInP的第一P-型包层1004和InGaAs量子阱可饱和吸收层1005。在该可饱和吸收层1005上形成具有一条形开口的n-型AlGaAs电流阻挡层1006。而且，在该可饱和吸收层1005和电流阻挡层1006上形成AlGaAs的第二P-型包层1007，及在其上形成一P-型GaAs帽层1008，而另一方面，在基底1001的反表面上形成一n-电极1010。

上述各层的典型厚度如下；

                   表2

名称             参考数字     厚度

帽层              1008        3μm

第二P-型包层      1007        0.9μm

电流阻挡层        1006        0.6μm

可饱和吸收层      1005        50埃

第一P-型包层      1004        0.15μm

多量子阱活性层    1003        300埃

N-型包层          1002        1.0μm

在上述中，对于多量子阱活性层1003，示出了其总厚度。

如表2中所示，在半导体激光器300中，可饱和吸收层1005的厚度被设置成约50埃。当可饱和吸收层1005较厚时，其体积变得太大，从而难以使载流子浓度较大。因此，难以在可饱和吸收层1005中产生载流子浓度的变化、即载流子的强烈振荡，以而难以获得自持脉动特性。因此，期望可饱和吸收层1005为较薄。

例如，该InGaAs可饱和吸收层1005的组成为In_0.2Ga_0.8As。具有这一组成的InGaAs的点阵常数大于形成基底1001的GaAs的点阵常数，结果，一挤压的应力被施加于可饱和吸收层1005。这样，半导体激光器300的可饱和吸收层1005具有胁变的量子阱结构。

图12示出了GaAs和InGaAs的增益特性(载流子浓度和增益之间的关系)。以其可以看出，InGaAs具有更大陡度的增益特性曲线。

如上所述，本发明的发明人的研究揭示出，在具有一可饱和吸收层的半导体激光器中，随着用于可饱和吸收层的材料的增益特性的陡度(增益变化相对于载流子浓度变化的比例)可更易于获得自持脉动特性。换句话说，当增益特性曲线的陡度较大时，更有助于自持脉动。这可被解释如下。为了获得自持脉动特性，要求可饱和吸收层内的载流子的强烈振荡。这里，当增益特性曲线的陡度变大时，可通过较小的光吸收量改变载流子浓度。结果，当增益特性曲线的陡度为较大时，更易于产生载流子的振荡且更易于产生自持脉动现象。

作为实际生产的半导体激光器300的一示例，在约10℃至约100℃的宽的温度范围内产生自持脉动。在上述温度范围内，获得一约-135dB/HZ或更小的稳定的相对强度噪声(RIN)特性。

如上所述，在本实施例中，通过使用新的材料InGaAs作为可饱和吸收层1005的组成材料，相对于可饱和吸收层由例如GaAs的其它材料形成的情况，阈值电流被减小且在高温时工作变得可实现。在此，尽管描述了在上述中作为一示例的InGaAs的可饱和吸收层，也可通过使用InGaAsP形成可饱和吸收层获得与上类似的效果。(实施例4)

图13为表示根据本发明的实施例4的具有自持脉动特性的半导体激光器400的结构的截面视图。

半导体激光器400的结构类似于已参照图11进行叙述的半导体激光器300的结构。相同的参考数字表示相应的元件，在此省去对其的描述。

半导体激光器400的结构与半导体激光器300的结构的不同之处在于在第二P-型包层1007中设有一可饱和吸收层1000；在电流阻挡层1006中设有模控制层1012；及为了控制形成一开口的蚀刻的目的而在电流阻挡层1006中设有一蚀刻阻止层1011。

该蚀刻阻止层1011为一薄层，且通过该层1011有很少的光吸收。因此，活性层1003中生成的光扩展入第二P-型包层1007，并由该第二P-型包层1007形成的可饱和吸收层1000吸收，其很少部分由蚀刻阻止层1011吸收。通过可饱和和吸收层1000的光吸收被饱和，其后提供一增益。结果，产生载流子的振荡，并得到自持脉动特性。

在上述半导体激光器400的结构中，例如，形成电流阻挡层1006的AlGaAs的Al组分被设成0.6，同时形成第一包层1004和第二包层1007的AlGaAs的Al组分设成0.4，以而电流阻挡层1006的开口下面的活性层1003的区域(即被覆盖有电流阻挡层1006的活性层1003的区域)的有效折射率高于其两侧区域的有效折射率。因此，可能获得一实折射率引导的激光器结构，从而可实行具有高输出及低阈值电流特性的半导体激光器。

而且，在本实施例的半导体激光器400中，在电流阻挡层1006中设有模控制层1012。设置该模控制层1012是为了当由可饱和吸收层1000吸收的光量较大时，防止光的电场仅存在于电流阻挡层1006之下而不存在于该开口之下。当设置该模控制层1012时，光也被层1012吸收。因此，光电可存在于电流阻挡层1006的开口之下，从而实现横模振荡。

如上所述，在本实施例中，通过采用实折射率引导的激光器结构而减少了该半导体激光器的阈值电流。而且，在低输出条件下，在取得输出的增大的同时可获取自持脉动特性。还有，通过在电流阻挡层1006中设有模控制层1012，可防止光的模在电流阻挡层1006的开口之下被直接分离。(实施例5)

图14为表示作为本发明的实施例5的AlGaInP型红半导体激光器500的结构的截面视图。

半导体激光器500的结构和功能与参照图13进行叙述的半导体激光器300的结构和功能大略相同。之间的不同在于AlGaInP在本实施例的半导体激光器500中被用作为组成材料。在半导体激光器500的结构中(图14)，其对应半导体激光器400结构中包括的组分(基底和各层)的各组分被设有一通过对半导体激光器400(图13)的参考数字加上“400”所得到的一参考数字。例如，图14中所示的半导体激光器500中包括一基底1401对应于图13中所示的半导体激光器400中包括的基底1001。因此省去对半导体激光器500结构的详细描述。

在半导体激光器500的活性层1403的多量子阱结构中，该阱层的组成为Ga_0.5In_0.5P，且阻挡层的组成为(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P。而且，各n-型包层1402，第一P-型包层1404和第二P-型包层1407的组成为(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P。进而，各电流阻挡层1406、可饱和吸收层1400和模控制层1412的组成为(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P。这里，可饱和吸收层1400和模控制层1412可为In_0.2Ga_0.8As。

具有这样结构的本实施例的半导体激光器500有与实施例4的半导体激光器400相似的效果。这里，在红区域中的振荡波长大约为660nm。

尽管在上述中，第一P-型包层1404的组成为(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P，为了防止在高温工作期间电子溢出，具有大于以上(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P层的带隙的带隙的(AlGa)InPN层也可被使用。该(AlGa)InPN层可通过在约900℃的温度时流过NH3气体来生成。而且，当生成该(AlGa)InPN层时，通过将具有较大原子半径的In(铟)元素量增加具有较小原子半径的掺入的N(氮)元素量而可生成该层为一具有与CaAs基底的点阵常数相同的点阵常数的层。例如，其具体组成为(Al_0.7Ga_0.3)_0.4In_0.6P_0.9N_0.1。这样，通过使用该(AlGa)InPN层作为第一P-型包层1404，可以防止既使在高温工作期间的电子溢出，因此改变了半导体激光器的温度特性。

而且，当使用该(AlGa)InPN层时，可能实现在AlGaInPN层与(AlGa)InPN层之间的选择性的蚀刻，从而不需要附加地提供蚀刻阻止层，因此简化了生产过程。

如上所述，在本发明的半导体激光器中，通过提供一InGaAsP的可饱和吸收层(其组成可被表达为In_xGa_1-xAs_yP_1-y(o＜x＜1，o≤y≤1))，可使相比较于使用GaInP的可饱和吸收层的情况，取得更大陡度的增益特性曲线(增益的变化相对于载流子浓度的比例)。这使得可通过较小的光吸收量来改变载流子的浓度，从而更易于产生载流子的振荡。在同一时间，变得可能减少该可饱和吸收层的能源以小于活性层的能隙约30mev至约200mev。结果，变得可能易于获得一稳定的自持脉动特性，同时可减小相对噪声。

而且，在本发明的半导体激光器中，通过将可饱和吸收层的厚度设成100埃或更小。经光吸收而易于增大载流子浓度。因此，能更易于产生载流子的振荡，从而可能易于获得一稳定的自持脉冲动特性。

再者，在本发明的半导体激光器中，通过在位于电流阻挡层的开口上方的包层中设有一可饱和吸收层而提供一实折射率引导型的激光器结构，可能提供一具有低输出区中的自持脉动特性同时可在同一时间实现一较高输出的半导体激光器。而且，通过在电流阻挡层中设有一模控制层而可防止在电流阻挡层的开口处的激光器光的模分离。

Claims (23)

1.一种半导体激光器，包括一活性层和其间插入该活性层的一包层结构，

其中该包层结构包括一可饱和吸收层，且该可饱和吸收层由In_xGa_1-xAs_yP_1-y(o＜x＜1，o≤y≤1)形成。

2.根据权利要求1的一种半导体激光器，其中该可饱和吸收层和该活性层之间的一间隔为200埃或更大。

3.根据权利要求1的一种半导体激光器，其中该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层邻于该光导层。

4.根据权利要求1的一种半导体激光器，其中该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层位于该光导层的附近。

5.根据权利要求1的一种半导体激光器，其中该可饱和吸收层具有一胁变的量子阱结构，且该可饱和吸收层的基态间一能隙比该活性层的一能隙小30mev至200mev。

6.根据权利要求1的一种半导体激光器，其中除该可饱和吸收层外，该激活层和该包层结构由(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP形成。

7.一种半导体激光器，包括一活性层和在其间插入该活性层的一包层结构，其中：

该包层结构包括一可饱和吸收层；该可饱和吸收层由InGaAsP形成；且该可饱和吸收层具有一胁变的量子阱结构。

8.根据权利要求7的一种半导体激光器，其中该可饱和吸收层与该活性层之间的一间隔为200埃或更大。

9.根据权利要求7的一种半导体激光器，其中该包层结构还包括一光导层，且该可饱和和吸收层相邻于该光导层。

10.根据权利要求7的一种半导体激光器，其中该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层位于该光导层的附近。

11.根据权利要求7的一种半导体激光器，其中该可饱和吸收层的基态之间的一能隙比该活性层的一能隙小30mev至200mev。

12.根据权利要求7的一种半导体激光器，其中除该可饱和吸收层外，该活性层和该包层结构由(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP形成。

13.一种半导体激光器，包括一活性层和其间插入该活性层的一包层结构，

其中该包层结构包括一可饱和吸收层，且该可饱和吸收层由InGaAs形成。

14.根据权利要求13的一种半导体激光器，其中该可饱和吸收层和该活性层之间的一间隔为200埃或更大。

15.根据权利要求13的一种半导体激光器，其中该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层相邻于该光导层。

16.根据权利要求13的一种半导体激光器，其中该包层结构还包括一光导层，且该可饱和吸收层位于该光导层的附近。

17.根据权利要求13的一种半导体激光器，其中该可饱和吸收层具有一胁变的量子阱结构，且该可饱和吸收层的基态之间的一能隙比该活性层的一能隙小30mev至200mev。

18.根据权利要求1的一种半导体激光器，其中除该可饱和吸收层外，该活性层和该包层结构由Al_zGa_1-zAs形成。

19.一种半导体激光器，包括一活性层和其间插入该活性层的一包层结构，该包层结构包括一可饱和吸收层，且该可饱和吸收层的厚度为100埃或更小；其中：

该可饱和吸收层具有一胁变的量子阱结构，且该可饱和吸收层的基态之间的一能隙比该活性层的一能隙小30mev至200mev。

20.一种半导体激光器包括：

一活性层；

一n-型包层和其间插入该活性层的第一P-型包层，该第一P-型包层的带隙大于该n-型包层的带隙；

形成在该第一P-型包层上的一电流阻挡层，该电流阻挡层具有一开口；且

形成在该开口处的第二P-型包层，

其中该第二P-型包层包括一可饱和吸收层。

21.根据权利要求20的一种半导体激光器，其中该可饱和吸收层由InGaAsP或InGaAs形成。

22.根据权利要求20的一种半导体激光器，其中在该电流阻挡层中形成一模控制层。

23.根据权利要求20的一种半导体激光器，其中该第一P-型包层为一AlGaInPN层。

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