CN1204666C - 半导体激光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体激光元件，该元件具有小的脊部外侧电容和高的响应速度，并能够实现具有所需脉冲波形的脉冲振荡。在GaAs衬底(101)上，设置n-型缓冲层(102)、n-型第一包层(103)、MQW有源层(104)、p-型第二包层(105)、其能带隙小于第二包层(105)的能带隙的p-型蚀刻终止层(106)、构成脊形部分的p-型第三包层(107)、以及p-型保护层(108)。在脊部宽度方向上在两侧层叠p-型间隔层(109)、n-型光电限制层(110)、n-型电流限制层(111)和p-型平坦层(112)。在这些层上层叠p-型接触层(113)。当施以偏压时，耗尽层扩展到间隔层(109)中。因此，降低了间隔层(109)和光电限制层(110)之间的电容，并加快了半导体激光元件脉冲振荡时的响应速度。

Description

半导体激光元件
技术领域
本发明涉及一种半导体激光元件。
背景技术
传统的半导体激光元件如图10所示(参照日本专利特许公报第平9-199790号)。该半导体激光元件是一个有效折射率波导型的半导体激光元件。在n-型GaAs衬底501上，设有一个n-型GaAs缓冲层502，一个n-型AlGaAs第一包层503，一个量子阱有源层504，一个p-型AlGaAs第二包层505，一个p-型GaAs蚀刻终止层506，一个p-型AlGaAs第三包层507和一个p-型GaAs帽盖层508。所述p-型AlGaAs第三包层507和所述p-型GaAs帽盖层508形成脊形，从而构成脊部513。一个n-型AlGaAs光电限制层(current light confining layer)509，一个n-型GaAs电流限制层(currentconfining layer)510和一个p-型GaAs平坦层511层叠在脊部513宽度方向的两侧，并层叠在蚀刻终止层506上。在帽盖层508，光电限制层509和电流限制层510的端面、及平坦层511上形成一个p-型GaAs接触层512。p-型电极514设置在p-型接触层上，一个n-型电极515设置在n-型GaAs衬底的下表面上。该半导体激光元件装配在一个组件上并且用作光盘装置的光源。
上述半导体激光元件的制作如下。即，如图11A所示，通过第一次金属有机化学汽相沉积方法(下面称作MOCVD)在n-型GaAs衬底501上顺次外延生长n-型GaAs缓冲层502，n-型第一包层503，无掺杂多量子阱(MQW)有源层504，p-型第二包层505，p-型GaAs蚀刻终止层506，p-型第三包层507和p-型GaAs帽盖层508。
接着，在帽盖层508上形成[011]方向取向的条形抗蚀剂掩膜。帽盖508的一部分和第三包层507的一部分被蚀刻到蚀刻终止层506，形成脊部513，该脊部2.5μm宽并且沿[011]方向延伸(图11B)。
除去帽盖层508上的抗蚀剂掩膜后，通过第二次MOCVD方法(图11C)把n-型AlGaAs光电限制层509，n-型GaAs电流限制层510和p-型GaAs平坦层511顺次层叠在脊部513和蚀刻终止层506上。
抗蚀剂掩膜设置在平坦层511宽度方向上的两侧，并且通过蚀刻去除一部分(图11D)，该部分属于光电限制层509、电流限制层510和GaAs平坦层511，并位于脊部513上。
平坦层511上的掩膜被除去。通过第三次MOCVD方法，在帽盖层508、光电限制层509和电流限制层510的端面、以及平坦层511上形成一个p-型GaAs接触层512(图11E)。
在接触层512表面上设置p-型电极514、并在衬底501的下表面上设置n-型电极515后，进行切割，使图11E图面的垂直方向成为预设的谐振腔长度方向，从而制作成一个半导体激光元件。
如果在上述半导体激光元件上施加一个正向偏压，那么电流通入脊部513，并且载流子在与脊部513相应的量子阱有源层504的宽度方向上被注入到中心部分，产生激光振荡。这时，在脊部513外的光电限制层509和蚀刻终止层506之间的界面上施加一个反向偏压，因此，几乎没有电流通向脊部513外。
根据上述半导体激光元件，通过在p-型GaAs的p-型GaAs第二包层505上形成蚀刻终止层506，该蚀刻终止层506几乎不被氧化，该p-型GaAs的Al组份的比率小于第二包层505的。光电限制层509通过在该蚀刻终止层506上生长高质量AlGaAs晶体而形成。通过这种布置，光电限制层509中的光吸收和漏电流被抑制，以使半导体激光元件的激光振荡特性令人满意。如上所述，该半导体激光元件实现了高输出脉冲振荡，以使其被用作具有高记录速度的光盘装置的光源。
但是，上述半导体激光元件在脉冲振荡实现高输出时，存在输出的上升时间和下降时间较长和脉冲波形钝化的问题。这种脉冲波形的钝化使写入光盘中的信号质量变坏，引起读取光盘中所记录信号时的读取错误。这归因于下面的因素。
就是，在如图10所示的半导体激光元件的脉冲振荡期间，输出的上升和下降速度，即脉冲响应速度，是由脊部513的内电阻和脊部513的外电容确定的。如果电阻值和电容值的乘积降低，那么上述响应速度增加。脊部513的内电阻可由在第三包层507中增加载流子的浓度来降低。而且，当施加偏压时，通过扩展光电限制层509和蚀刻终止层506之间的界面上产生的耗尽层的宽度，可降低脊部513的外电容。
图12A和12B是脊部513外侧的光电限制层509，蚀刻终止层506和第二包层505的能带图。图12A显示当没有施加偏压时的能带图，而图12B显示当施加了偏压时的能带图。蚀刻终止层506的能带隙比第二包层505的能带隙小。因此，当如图12A所示，偏压是零时，载流子(空穴)聚集在蚀刻终止层506中。另一方面，如果施加偏压，自蚀刻终止层506和光电限制层509之间的界面形成耗尽层。但是，如图12B所示，因为在p-型蚀刻终止层506中聚集的空穴不能被排出，所以耗尽层几乎没有扩展到p-型第二包层505中，且耗尽层的宽度变窄。结果，脊部513外侧的电容增加，使响应速度慢。因此，在脉冲振荡期间输出的上升和下降要花费较长时间，且脉冲波形钝化。这样降低了利用该半导体激光元件的光盘装置记录信号的质量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种半导体激光元件，该元件具有低的脊部外侧电容和高的响应速度，并能够实现具有所需脉冲波形的脉冲振荡。
为了达到本发明的上述目的，本发明提供一种半导体激光元件，其中在半导体衬底上至少设置一第一导电类型的第一包层，一个有源层，一个第二导电类型的第二包层，一个其能带隙小于第二包层的第二导电类型的蚀刻终止层，一个脊形第二导电类型第三包层和一个第一导电类型光电限制层，所述的光电限制层设置在第三包层宽度方向上的两侧上，并具有比第二包层的折射率小的折射率，该半导体激光元件包括：
一个第二导电类型或本征间隔层，该间隔层设置在蚀刻终止层和光电限制层之间，与蚀刻终止层相接，其中间隔层的折射率等于或小于第二包层的折射率。
根据上述结构，当给半导体激光元件施加偏压时，在第二导电类型或本征间隔层和第一导电类型光电限制层之间的界面上产生耗尽层，并且该耗尽层扩展到此间隔层中。因此，形成耗尽层的区域比现有半导体激光元件的宽，在该现有半导体激光元件中，耗尽层形成区由于蚀刻终止层的载流子而变窄。由于本发明的布置，间隔层和光电限制层之间的电容减小，半导体激光元件的脉冲振荡期间的响应速度增加。因此，半导体激光元件输出的上升时间和下降时间变短，脉冲波形令人满意。结果，可提供一半导体激光元件，其记录速度快并且适合用于高速光盘装置的光源。
根据上述实施例，其中间隔层的折射率等于或小于第二包层的折射率，来自有源层的激光光束因此被有效地限制在预定的区域中，从而提供一令人满意的光限制作用。因此，改善了半导体激光元件的发光效率。
在半导体激光元件的一实施例中，间隔层具有一个低于第二包层载流子浓度的载流子浓度。
根据上述实施例，其中间隔层的载流子浓度小于第二包层的载流子浓度，因此当施加偏压时，有效地形成耗尽层。因此，降低了该间隔层和光电限制层之间的电容，且这能够提供脉冲振荡期间响应速度快的半导体激光元件。
在半导体激光元件的一实施例中，间隔层的载流子浓度不高于1×1018cm-3。
根据上述实施例，其中间隔层的载流子浓度不高于1×1018cm-3，当施加偏压时，在该间隔层中因此适当地形成耗尽层。由于这种布置，降低了间隔层和光电限制层之间的电容，并增加了脉冲振荡过程中的响应速度。如果载流子浓度大于1×1018cm-3，那么，当偏压施加时耗尽层形成区域变小，并且间隔层和光电限制层之间的电容增加，脉冲振荡期间的响应速度降低。
在半导体激光元件的一实施例中，光电限制层在其相对于间隔层的界面部分，具有比其它部分的载流子浓度低的载流子浓度。
根据上述实施例，其中光电限制层在其相对于间隔层的界面部分，具有比其它部分的载流子浓度低的载流子浓度，当施加偏压时在光电限制层的界面部分因此也形成耗尽层。因此，间隔层和光电限制层之间的结电容被有效地降低，这使得半导体激光元件的脉冲响应速度增加。
在半导体激光元件的一实施例中，光电限制层界面部分的载流子浓度相对于间隔层不高于1×1018cm-3。
根据上述实施例，其中光电限制层界面部分的载流子浓度相对于间隔层不高于1×1018cm-3，当施加偏压时在该界面部分因此适当地形成耗尽层。由于这种布置，降低了间隔层和光电限制层之间的电容，增加了脉冲振荡的响应速度。如果载流子浓度大于1×1018cm-3，那么，当偏压施加时耗尽层形成区变小，并且间隔层和光电限制层之间的电容增加，脉冲振荡期间的响应速度降低。
在半导体激光元件的一实施例中，间隔层的厚度不小于0.05μm且不大于0.5μm。
根据上述实施例，其中间隔层的厚度不小于0.05μm且不大于0.5μm，因此当施加偏压时在适当区域形成耗尽层，并且有效降低了间隔层和光电限制层之间的电容，增加了脉冲振荡过程中的响应速度。如果间隔层的厚度小于0.05μm，那么，来自蚀刻终止层的载流子的影响相对增加，且当偏压施加时形成耗尽层的区域减小。如果间隔层的厚度大于0.5μm，那么，第二包层和间隔层的总厚度变大。从而，引起电流在该第二包层和间隔层中的扩展，且电流注入区域向有源层扩展，不利地降低了发光效率。
在半导体激光元件的一实施例中，间隔层的厚度不小于0.1μm且不大于0.3μm。
根据上述实施例，其中间隔层的厚度不小于0.1μm且不大于0.3μm，因此当施加偏压时在更适当的区域内形成耗尽层，并且可靠地降低了间隔层和光电限制层之间的电容，增加了脉冲振荡过程中的响应速度。例如，如果间隔层的载流子浓度不高于1×1018cmu-3，那么耗尽层形成区的厚度变得大于0.1μm。因此，通过设置大于0.1μm厚度的间隔层，耗尽层能够在间隔层中形成。另外，通过设置小于0.3μm厚度的间隔层，有效地防止了电流在第二包层和间隔层中的扩展，且避免电流注入区扩展到有源层，以允许半导体激光元件的发光效率令人满意。
在半导体激光元件的一实施例中，光电限制层相对于间隔层的界面部分的厚度不小于0.05μm且不大于0.5μm。
根据上述实施例，光电限制层相对间隔层的界面部分的厚度不小于0.05μm且不大于0.5μm。因此当施加偏压时，除在间隔层中外，还在光电限制层的界面部分有效地形成施加偏压时产生的耗尽层。间隔层和光电限制层之间的结电容可靠地得以降低，并且脉冲振荡期间的响应速度增加。如果光电限制层相对于间隔层的界面部分的厚度小于0.05μm，那么施加偏压时形成的耗尽层几乎不形成在光电限制层中，因此结电容降低量减小。如果光电限制层的界面部分的厚度大于0.5μm，当杂质从间隔层扩散到光电限制层一侧时，则杂质扩散到上述界面部分，并且光电限制层的电流限制作用被不利地降低，所述界面部分的载流子浓度相当低。
在半导体激光元件的一实施例中，间隔层被掺入主要含碳的杂质。
根据上述实施例，间隔层被掺入主要包含碳的杂质。碳几乎不热扩散，因此，即使在间隔层和其它层中的晶体生长期间温度升高，碳也几乎不从间隔层扩散到其它层中。因此，间隔层可以获得所需的载流子浓度。而且，与间隔层接触的其它层几乎没有受到杂质扩散的影响，因此，可稳定地获得能够实现具有快速响应的脉冲振荡的半导体激光元件。
在半导体激光元件的一实施例中，与间隔层接触的蚀刻终止层被掺入主要含有碳的杂质。
根据上述实施例，与间隔层接触的蚀刻终止层被掺入碳。碳几乎不热扩散，并因此，即使在晶体生长期间温度升高，碳也几乎不扩散到间隔层中。因此，间隔层可以获得所需的载流子浓度，这使能够实现具有快速响应的脉冲振荡的半导体激光元件能得以稳定地获得。
在半导体激光元件的一实施例中，第二包层至少在间隔层一侧被掺入主要含有碳的杂质。
根据上述实施例，第二包层至少在间隔层一侧被掺入主要含有碳的杂质。碳几乎不热扩散，并因此，即使在晶体生长期间温度升高，碳也几乎不扩散到间隔层中。因此，间隔层可以获得所需的载流子浓度，这使能够实现具有快速响应的脉冲振荡的半导体激光元件能稳定地获得。
在半导体激光元件的一实施例中，第二包层在其与有源层接触的部分主要掺入与碳不同的杂质。
因为碳几乎不被激活，所以难以保证载流子浓度。因此，根据上述实施例，通过在部分区域中主要掺入不同于碳的杂质，可增加载流子浓度，并防止高温下从有源层中泄漏载流子，获得高可靠性，该部分属于第二包层并与有源层接触。
在半导体激光元件的一实施例中，第二包层在其与有源层接触的部分具有比其与间隔层接触的部分的载流子浓度高的载流子浓度。
根据上述实施例，通过在属于第二包层且与有源层接触的部分增加载流子浓度，防止在高温下从有源层泄漏载流子，获得高可靠性。同时，属于第二包层并且与间隔层接触部分的载流子浓度低，并因此，第二包层的掺杂物几乎不扩散到间隔中。因此，间隔层能够获得所需的载流子浓度，且这使能够实现具有快速响应的脉冲振荡的半导体激光元件能得以稳定地获得。
在半导体激光元件的一实施例中，光电限制层掺入主要含有硅的杂质。
根据上述实施例，光电限制层掺入主要含有硅的杂质。硅几乎不热扩散，并因此，即使在光电限制层和其它层中的晶体生长期间温度升高，主要包括硅的杂质几乎不从光电限制层扩散到其它层中。因此，光电限制层可以获得所需的载流子浓度。而且，与光电限制层接触的其它层几乎没有受到杂质扩散的影响，并因此，能稳定地获得能够实现具有快速响应速度的脉冲振荡的半导体激光元件。
在半导体激光元件的一实施例中，蚀刻终止层不含Al。
根据上述实施例，其中蚀刻终止层不包含Al，作为晶体生长在该蚀刻终止层上的间隔层和作为晶体生长在此间隔层上的光电限制层因而具有少量晶体缺陷。因此，在间隔层和光电限制层之间的界面上也具有少量晶体缺陷。据此，当施加偏压时载流子的迁移速度不会因晶体缺陷而降低，并且这使得能提供脉冲振荡期间响应迅速的半导体激光元件。
在半导体激光元件的一实施例中，蚀刻终止层具有不小于10且不大于200的厚度。
根据上述实施例，其中蚀刻终止层具有不小于10且不大于200的厚度。因此，该蚀刻终止层具有量子尺寸效应，且蚀刻终止层中载流子的能级增加。因此，当施加偏压时，蚀刻终止层对载流子的运动只稍有阻碍。因此，载流子能够高速运动，且在半导体激光元件的脉冲振荡期间其响应速度快。
附图说明
本发明将从下面给出的详细描述和只是通过示意的方式表示的附图，得以更充分地理解，这不作为对本发明的限定，其中：
图1是根据本发明第一实施例的半导体激光元件的视图；
图2A、2B、2C、2D和2E是第一实施例的半导体激光元件制造工艺的连续视图；
图3A是当第一实施例的半导体激光元件实现脉冲振荡时输出波形的曲线图；
图3B是当传统半导体激光元件实现脉冲振荡时输出波形的曲线图；
图4A是当给半导体激光元件施加偏压是零时脊部外侧的能级的示意图；
图4B是当施加预定偏压时脊部外侧的能级的示意图；
图5是根据本发明第二实施例的半导体激光元件的视图；
图6是根据本发明第三实施例的半导体激光元件的视图；
图7A、7B、7C、和7D是第三实施例的半导体激光元件制造工艺的连续视图；
图8是根据本发明第四实施例的半导体激光元件的视图；
图9A、9B和9C是第四实施例的半导体激光元件制造工艺的连续视图；
图10是传统半导体激光元件的视图；
图11A、11B、11C、11D和11E是传统半导体激光元件制造工艺的连续视图；
图12A是当施加的偏压是零时脊部外侧光电限制层、蚀刻终止层和第二包层的能级示意图；以及
图12B是当施加偏压时的能级示意图。
附图中的附图标记说明如下：
101  n-型GaAs衬底               102  n-型GaAs缓冲层
103  n-型Al0.5 Ga 0.5As第一包层   104  MQW有源层
105  p-型Al0.5Ga0.5As第二包层  106  p-型GaAs蚀刻终止层
107  p-型Al0.5Ga0.5As第三包层  108  p-型GaAs保护层
109  p-型Al0.7Ga0.3As间隔层    110  n-型Al0.7Ga0.3As光电限制层
111  n-型GaAs电流限制层         112  p-型GaAs平坦层
113  p-型GaAs接触层             114  脊部
115  p-型电极                     116  n-型电极
具体实施方式
在实施例的基础上详细描述本发明。
(第一实施例)
图1是根据本发明第一实施例的半导体激光元件的视图。在该半导体激光元件中，在n-型GaAs衬底101上依次层叠一个n-型GaAs缓冲层102，一个n-型Al0.5Ga0.5As第一包层103，一个MQW有源层104，一个p-型Al0.5Ga0.5As第二包层105，和一个p-型GaAs蚀刻终止层106。一个脊形p-型Al0.5Ga0.5As第三包层107和一个p-型GaAs保护层108设置在所述蚀刻终止层106上。所述脊形p-型Al0.5Ga0.5As第三包层107和所述p-型GaAs保护层108构成沿谐振腔方向延伸的脊部114。一个p-型Al0.7Ga0.3As间隔层109设置在脊部114宽度方向上的两侧上。一个n-型Al0.7Ga0.3As光电限制层110，一个n-型GaAs电流限制层111和一个p-型GaAs平坦层112层叠在该间隔层109上。在保护层108上，间隔层109、光电限制层110和电流限制层111的端面上，及在平坦层112上形成一个p-型GaAs接触层113。在p-型GaAs接触层113上设置一个p-型电极115，和在n-型GaAs衬底101的下表面上设置一个n-型电极116。
n-型GaAs衬底101掺入Si掺杂剂并且载流子的浓度是2×1018cm-3。n-型GaAs缓冲层102的厚度是0.5μm，Si掺杂剂和载流子浓度是1×1018cm-3。n-型Al0.5Ga0.5As第一包层103的厚度是2μm，Si掺杂剂和载流子浓度是5×1017cm-3。MQW有源层104通过插入无掺杂多层量子阱结构形成，其中在光导层之间一层势垒层和两层阱层交替层叠。阱层由Al0.1Ga0.9As制成并且层厚为0.008μm。势垒层由Al0.3Ga0.7As制成并且层厚为0.005μm。光导层由Al0.3Ga0.7As制成并且层厚为0.03μm。p-型Al0.5Ga0.5As第二包层105的厚度是0.2μm。与有源层104接触且其厚度为0.1μm的部分具有Zn掺杂剂且载流子浓度为1×1018cm-3。一个部分具有C掺杂剂且载流子浓度为3×1017cm-3，该部分不同于与p-型第二包层105的有源层104接触的部分，并且其厚度是0.1μm。p-型GaAs蚀刻终止层106的厚度是0.003μm，具有C掺杂剂且载流子浓度为3×1017cm-3。p-型Al0.5Ga0.5As第三包层107的厚度是1.3μm，具有Zn掺杂剂且载流子浓度为2×1018cm-3。p-型GaAs保护层108的厚度是0.7μm，具有Zn掺杂剂且载流子浓度为3×1018cm-3。p-型Al0.7Ga0.3As间隔层109的厚度是0.2μm，具有C掺杂剂且载流子浓度为3×1017cm-3。n-型Al0.7Ga0.3As光电限制层110具有Si掺杂剂和1.0μm的厚度。在该光电限制层110中，界面部分是一个位于与间隔层109接触的界面和一个位于与上述界面相距0.2μm的表面之间的部分，该界面部分所形成的载流子浓度为3×1017cm-3。一个属于光电限制层110且不同于上述界面部分的部分其载流子浓度为1×1018cm-3，该部分即位于所述界面部分的上表面和光电限制层110的上表面之间，且厚度是0.8μm的部分。n-型GaAs电流限制层111具有Si掺杂剂和0.3μm的厚度及载流子浓度为2×1018cm-3。p-型GaAs平坦层112具有Zn掺杂剂，0.5μm的层厚度及载流子浓度为2×1018cm-3。p-型GaAs接触层113具有Zn掺杂剂，5μm的层厚度及载流子浓度为5×1018cm-3。
上述半导体激光元件的制作过程如下。即，如图2A所示，通过第一次MOCVD方法在衬底101上顺次外延生长缓冲层102，第一包层103，MQW有源层104，第二包层105，蚀刻终止层106，第三包层107和保护层108。
接着，在保护层108上形成在[011]方向延伸的条形抗蚀剂掩膜。保护层108和第三包层107被蚀刻直到蚀刻终止层106，形成条形脊部114，该部分宽2.5μm并且沿[011]方向延伸(图2B)。
其后，除去保护层108上的抗蚀剂掩膜，间隔层109、光电限制层110、电流限制层111和平坦层112通过第二次MOCVD方法(图2C)在蚀刻终止层106和脊部114上生长。
在这种情况下，当通过MOCVD方法生长高Al晶体混合比的晶体时，当分解金属有机时碳被混合到所生长的晶体中。因此，即使无杂质添加，碳也被混合在无掺杂GaAs蚀刻终止层106和AlGaAs第二包层105中，并且形成具有载流子浓度为3×1017cm-3的p-型半导体。另外，即使无杂质添加，碳也被混合在无掺杂AlGaAs间隔层109中，并且形成具有载流子浓度约为3×1017cm-3的p-型半导体。
其后，通过光刻法，抗蚀剂掩膜设置在平坦层112的宽度方向上的两侧上，此后位于脊部114上且属于间隔层109、光电限制层110、电流限制层111和GaAs平坦层112的一部分被选择性地蚀刻除去(图2D)。
除去平坦层112上的抗蚀剂掩膜，并通过第三次MOCVD方法，在保护层108、间隔层109的端面、光电限制层110的端面、电流限制层111的端面、以及平坦层112上形成一个接触层113(图2E)。
此后，通过在接触层113的上表面上设置p-电极115和在半导体衬底101的下表面上设置n-型电极116，完成一个层状结构(图1)。
该层状结构被切割使其谐振腔长度是800μm，且垂直于图2E纸平面的方向作为谐振腔方向。其后通过电子束沉积技术在所切割的端面上覆盖一层Al2O3膜，使该切割端面的反射率约为12％。另一切割端面覆盖一个多膜层，该多膜层中一层Al2O3膜和一层非晶Si膜交替地叠置，使该切割端面的反射率约为95％。这样就制成了一个端部发射型半导体激光元件。
如上所述方法制作的半导体激光元件的起动电流为33mA，I-L倾斜率为1W/A，驱动温度为70℃，并通过150-mw脉冲驱动稳定地实现激光振荡。
图3A表示的是当由脉冲电流驱动该半导体激光元件以实现脉冲振荡时的输出波形，该脉冲电流具有100ns的脉冲宽度，50％的占空比，180mA的峰值电流和33mA的峰谷电流。如图3A所示，脉冲上升时间是1.8ns，且脉冲下降时间是1.9ns。为利于比较，图3B所示是一个当如图10所示的传统半导体激光元件由相同条件下的脉冲驱动时的输出波形。该传统半导体激光元件具有3.6ns的脉冲上升时间和3.8ns的脉冲下降时间。如上所述，本发明的半导体激光元件比传统半导体激光元件具有更短的脉冲上升时间和脉冲下降时间，并因此具有令人满意的脉冲波形。因此，当该半导体激光元件用于光盘装置的光源时，信号可以以高质量记录在光盘上。
该半导体激光元件的脉冲振荡期间的响应特性得到改善可能是归因于下述原因。图4A和4B是半导体激光元件脊部114外侧的能级示意图，表示n-型光电限制层110，p-型间隔层109，p-型蚀刻终止层106和p-型第二包层105的能级图。图4A是当施加给半导体激光元件的偏压是零时的能级图，而图4B是当施加一个预设偏压时的能级图。当偏置电流是零时，载流子聚集在位于第二包层105和间隔层109之间的蚀刻终止层106的内侧。此后，如果给半导体激光元件施加一个正向偏压，则给p-n结面施加一个反向偏压，该p-n结面是p-型间隔层109和n-型光电限制层110之间的界面，形成一个耗尽层。同时，p-n结面由间隔层109而与蚀刻终止层106分离。因此，如图4B所示，耗尽层没有受到在蚀刻终止层106中存在的载流子的影响而充分地扩展到间隔层109中。通过这种操作，降低脊部114外侧的电容。半导体激光元件的电容是50pF，而图10中传统半导体激光元件的电容是100pF。即，本实施例的半导体激光元件的电容能够被降低到传统半导体激光元件的一半，本半导体激光元件的响应速度变快。其结果是，可缩短脉冲上升时间和脉冲下降时间，以形成所需的脉冲波形。
在本实施例的半导体激光元件中，间隔层109的折射率小于第二包层105的折射率。因此，该间隔层109具有光限制的作用，有效地限制来自有源层104的光进入第二包层105中。因此，可有效改善半导体激光元件的发光效率。
而且，本半导体激光元件被配置成其间隔层109的载流子浓度是1×1018cm-3，它低于第二包层105的载流子浓度。而且，间隔层109的厚度是0.2μm。因此，当施加偏压时，耗尽层能够有效地扩展到间隔层109侧，因此，有效地降低了脊部114外p-型间隔层109和n-型光电限制层110的结电容，并且进一步增加了振荡脉冲期间的响应速度。
而且，上述半导体激光元件被配置成界面部分的载流子浓度是1×1018cm-3，其中该界面属于光电限制层110并与间隔层109接触，其载流子浓度低于光电限制层110其它部分的载流子浓度低。从而，施加偏压时所形成的耗尽层能够扩展到光电限制层110侧。结果，有效地降低了p-型间隔层109和n-型光电限制层110的结电容，并且进一步提高响应速度。
而且，上述半导体激光元件含有通过MOCVD方法在晶体生长期间由有机金属的分解而产生的碳，如在间隔层109中那样。即使在高温度下，碳也几乎不扩散到其它半导体层中。因此，间隔层109的碳浓度大约是预设浓度，这可使得快速响应的半导体激光元件稳定且易于制作。
而且，上述半导体激光元件在蚀刻终止层106和一部分中主要含有碳，其中该部分的厚度是0.1μm，属于第二包层105并位于间隔层109一侧。即使在高温度下，碳也几乎不扩散到其它半导体层中。因此，间隔层109的碳浓度大约是预设浓度，且这可使快速响应的半导体激光元件稳定且易于制作。
另外，第二包层105在其与有源层104接触的部分中主要掺入不同于碳的杂质。因为碳几乎不被激活，所以难于保证载流子的浓度。通过该部分的掺杂，可增加载流子的浓度，该部分属于第二包层105并与有源层104接触，主要掺入不同于碳的杂质，并且由于避免了高温时载流子从有源层104中泄漏而获得高可靠性。
另外，属于第二包层105并与有源层104接触的部分的载流子浓度比与间隔层109接触的部分的载流子浓度高。通过增加属于第二包层105并与有源层104接触的部分的载流子浓度，由于避免了高温时载流子从有源层104中泄漏而获得高可靠性。同时，属于第二包层105并与间隔层109接触的部分的载流子浓度较低，因此，第二包层105中的掺杂剂难于扩散到间隔层109中。因此，间隔层109能够获得所需的载流子浓度，因此，这使得能稳定地获得能实现快响应脉冲振荡的半导体激光元件。
而且，在半导体激光元件中，蚀刻终止层106不包含Al(铝)，因此，作为晶体生长在该蚀刻终止层106上的间隔层109和光电限制层110能够降低晶体缺陷的量。因此，当施加偏压时，载流子迁移速度保持高速，这使得可提供脉冲振荡期间响应速度高的半导体激光元件。
而且，在前述半导体激光元件中，蚀刻终止层106的厚度是30。因此，该蚀刻终止层具有量子尺寸效应，以使蚀刻终止层中的载流子的能级增加。因此，当施加偏压时，蚀刻终止层106对载流子的运动有少许阻碍。因此，载流子能够高速运动，且半导体激光元件的脉冲振荡期间其响应速度可提高。
在本实施例中，半导体激光元件通过用AlGaAs基化合物半导体形成，可是，除上述外，还可用AlGaInP基化合物半导体或者用InGaAsP基化合物半导体。
(第二实施例)
图5是表示本发明半导体激光元件的第二实施例的视图。该半导体激光元件与第一实施例的半导体激光元件只在衬底的载流子浓度，第二包层的厚度，所述第二包层中所含主要杂质，所述蚀刻终止层中所含主要杂质，间隔层的掺杂剂，层厚和载流子浓度，光电限制层的载流子浓度和电流限制层的层厚方面不同。与第一实施例的半导体激光元件的相同的部分用相同的附图标记表示，不再对其详细说明。
在本实施例的半导体激光元件中，n-型GaAs衬底201载流子的浓度是1×1018cm-3。p-型Al0.5Ga0.5As第二包层205的厚度是0.1μm。p-型间隔层209由Al0.5Ga0.5As构成并具有Zn掺杂剂，层厚度是0.1μm和载流子浓度为5×1017cm-3。n-型Al0.7Ga0.3As光电限制层210含有Si掺杂剂。光电限制层210的界面部分的载流子浓度为5×1017cm-3，该部分自面对间隔层209的界面起具有0.1μm的厚度。除界面部分外的部分具有0.9μm的层厚且载流子浓度是1×1018cm-3。n-型GaAs电流限制层211的层厚度是0.4μm。
本半导体激光元件有一个29mA的振荡起动电流，为1W/A的I-L倾斜率和一个70℃的驱动温度，并用150-mw脉冲驱动稳定地实现激光振荡。当本半导体激光元件通过一个具有100ns的脉冲宽度，50％的占空比，180mA的峰值电流和33mA的峰谷电流的脉冲电流驱动时，获得具有1.8ns的脉冲上升时间和1.9ns的脉冲下降时间的令人满意的输出波形。
在本半导体激光元件中，p-型间隔层209的折射率等于p-型第二包层205的折射率。因此，通过设置p-型间隔层209和p-型第二包层205的总的层厚度约等于传统半导体激光元件第二包层的层厚，能够防止电流通过p-型间隔层209和p-型第二包层205的扩展，并且有效防止振荡阈值电流的增加。
而且，间隔层209和第二包层205由相同的p-型Al0.5Ga0.5As形成，且制成具有相同的能带隙，这些层分别位于所插入的蚀刻终止层106的上侧和下侧。在这种安排下，当施加偏压时，几乎没有能垒阻止载流子穿过蚀刻终止层106的运动。结果，能够高速向有源层移动载流子，并进一步增加半导体激光元件的响应速度。
在本实施例中，半导体激光元件通过用AlGaAs基化合物半导体形成。可是，除上述化合物半导体之外，可用AlGaInP基化合物半导体或者InGaAsP基化合物半导体。
(第三实施例)
图6是表示本发明半导体激光元件第三实施例的视图。在本半导体激光元件中，在n-型GaAs衬底301上依次层叠一个n-型GaAs缓冲层302，一个n-型(Al0.7Ga0.3)InP第一包层303，一个MQW有源层304，一个p-型(Al0.7Ga0.3)InP第二包层305。在该p-型第二包层305上形成一个p-型GaInP蚀刻终止层306，该层在宽度方向上在中心处具有预定宽度。一个脊形p-型(Al0.7Ga0.3)InP第三包层307和一个p-型GaAs保护层308设置在所述蚀刻终止层306上。蚀刻终止层306，第三包层307和所述保护层308构成沿谐振腔方向延伸的脊部314。一p-型AlInP间隔层309在脊部314的宽度方向上设置在两侧。一n-型AlInP光电限制层310，一n-型GaAs电流限制层311和一p-型GaAs平坦层312层叠在所述间隔层309上。在保护层308上，在间隔层309、光电限制层310和电流限制层311的端面上，以及平坦层312上形成一p-型GaAs接触层313。在p-型接触层313上设置一个p-型电极315，和在n-型GaAs衬底301的下表面上设置一个n-型电极316。
n-型GaAs衬底301掺入Si掺杂剂并且载流子的浓度是2×1018cm-3。n-型GaAs缓冲层302具有0.5μm的厚度，Si掺杂剂和1×1018cm-3的载流子浓度。n-型(Al0.7Ga0.3)InP第一包层303的厚度是1.5μm，掺杂剂为Si和载流子浓度是5×1017cm-3。MQW有源层304通过在光导层之间插入无掺杂多量子阱结构形成，在该结构中，一层势垒层和两层阱层交替层叠。阱层由GaInP制成并且层厚为0.005μm。缓冲层由(Al0.5Ga0.5)InP制成并且层厚为0.005μm。光导层由(Al0.5Ga0.5)InP制成并且层厚为0.05μm。p-型(Al0.7Ga0.3)InP第二包层305的总层厚度是0.2μm.且Be是掺杂剂。第二包层305的一部分其载流子浓度为1×1018cm-3，该部分与有源层304接触并具有0.1μm厚度。第二包层305的一部分其载流子浓度为2×1017cm-3，该部分与间隔层309接触并具有0.1μm厚度。p-型GaInP蚀刻终止层306的厚度是0.008μm，具有Be掺杂剂且载流子浓度为1×1018cm-3。p-型(Al0.7Ga0.3)InP第三包层307的厚度是1.3μm，具有Be掺杂剂且载流子浓度为2×1018cm-3。p-型GaAs保护层308的厚度是0.7μm，具有Be掺杂剂且载流子浓度为3×1018cm-3。p-型AlInP间隔层309的厚度是0.2μm，具有Be掺杂剂且载流子浓度为2×1017cm-3。n-型AlInP光电限制层310具有Si掺杂剂，并且其在图6中的横向上延伸的部分的层厚是1.05μm。在该光电限制层310中，其界面部分是一个位于与间隔层309接触的界面和一个与上述界面相距0.2μm的表面之间的部分，该界面部分形成得具有2×1017cm-3的载流子浓度。属于光电限制层310、厚度是0.85μm、且与上述界面部分不同的一部分其载流子浓度为7×1017cm-3。n-型GaAs电流限制层311具有Si掺杂剂和0.35μm的厚度及载流子浓度为2×1018cm-3。p-型GaAs平坦层312具有Zn掺杂剂，0.5μm的层厚度及载流子浓度为2×1018cm-3。p-型GaAs接触层313具有Zn掺杂剂，5μm的层厚度及载流子浓度为5×1018cm-3。
上述半导体激光元件的制作过程如下。即，如图7A所示，通过第一次分子束外延生长(下面称MBE方法)在衬底301上顺次外延生长缓冲层302，第一包层303，MQW有源层304，第二包层305，蚀刻终止层306，第三包层307和保护层308。
接着，在保护层308上形成在[011]方向延伸并构成条形电介质如Al2O3的掩膜317。保护层308和第三包层307被蚀刻到蚀刻终止层306，以暴露蚀刻终止层306的宽度方向上的两侧。在该步骤中，一属于保护层308并且位于掩膜317的宽度方向上的两侧下方的部分被侧面蚀刻，其结果是，在掩膜317宽度方向上的两侧上的该部分具有屋檐形形状。因此，所暴露的蚀刻终止层306被有选择地除去，以使第二包层305宽度方向上的两侧暴露。这样，形成具有2.5μm宽并且沿[011]方向延伸的条形脊部314(图7B)。
随后，通过第二次MBE方法，顺次在第二包层305和脊部314上生长间隔层309，光电限制层310，电流限制层311和平坦层312。在该步骤中，间隔层309，光电限制层310和电流限制层311的端部充满掩膜317屋檐部分的下侧(图7C)。
除去保护层308上的掩膜317。通过第三次MBE方法，在保护层308上，在间隔层309的端面上，在光电限制层310的端面上，在电流限制层311的端面上，以及在平坦层312上形成一个接触层313(图7D)。
此后，在接触层313上形成p-电极315，和在半导体衬底301的下表面上形成n-型电极316，完成一个层状结构(图6)。
该层状结构被切割使其谐振腔的长度是800μm，该谐振腔的方向垂直指向图7D的纸面。其后，通过电子束沉积技术在所切割的一个端面上覆盖一层Al2O3膜，使该切割端面的反射率约为7％。另一切割端面覆盖多膜层，在该多膜层中，一层Al2O3膜和一层非晶Si膜交替叠置，使该切割端面的反射率约为95％。从而制成了一个端部发射型半导体激光元件。
如上所述方法制作的半导体激光元件有一个40mA的起动电流，一个为1.2W/A的I-L倾斜率和一个70℃的驱动温度，并通过80-mw的脉冲驱动稳定地实施激光振荡。
在本实施例的半导体激光元件中，蚀刻终止层306只设置在脊部314的正下方，因此，只是蚀刻终止层306宽度方向上的两侧端部分与间隔层309接触。因此，当施加偏压时，在间隔层309中能够产生耗尽层，且几乎不受蚀刻终止层306中载流子聚集的影响。结果，半导体激光元件的电容可有效地降低，且激光振荡期间的响应速度能够有效地增加。
而且，能够增加第二包层305的与有源层304接触的部分的载流子浓度，并通过防止高温下载流子从有源层304泄漏，而提供高可靠性的半导体激光元件。
在本实施例中，半导体激光元件通过用AlGaInP基化合物半导体形成。可是，除上述化合物半导体之外，可用AlGaAsP基化合物半导体或者InGaAsP基化合物半导体形成是也可以接受的。
(第四实施例)
图8是表示本发明第四实施例半导体激光元件的视图。在本半导体激光元件中，在n-型GaAs衬底401上依次层叠一个n-型GaAs缓冲层402，一个n-型Al0.5Ga0.5As第一包层403，一个MQW有源层404，一个p-型Al0.5Ga0.5As第二包层405和一个p-型GaInP蚀刻终止层406。在该蚀刻终止层406上在宽度方向上的两侧上设置一个无掺杂Al0.7Ga0.3As间隔层407，一个n-型Al0.7Ga0.3As光电限制层408和一个n-型GaAs保护层409。在间隔层407、光电限制层408和保护层409之间形成一个p-型Al0.5Ga0.5As第三包层411，并且设置在蚀刻终止层406和保护层409上，层407、408和409设置在此宽度方向上的两侧上。一个p-型GaAs接触层412层叠在所述第三包层411上。在p-型接触层412上设置一个p-型电极413，在n-型GaAs衬底401的下表面上设置一个n-型电极414。
n-型GaAs衬底401掺入Si掺杂剂并且载流子的浓度是2×1018cm-3。n-型GaAs缓冲层402具有0.5μm厚度，Si掺杂剂，且载流子浓度是1×1018cm-3。n-型Al0.5Ga0.5As第一包层403的厚度是2μm，掺杂剂为Si和载流子浓度是5×1017cm-3。MQW有源层404通过在光导层之间插入无掺杂多量子阱结构形成，在该结构中，一层势垒层和两层阱层交替层叠。阱层由Al0.1Ga0.9As制成并且层厚为0.008μm。势垒层由Al0.3Ga0.7As制成并且层厚为0.005μm。光导层由Al0.3Ga0.7As制成并且层厚为0.03μm。p-型Al0.5Ga0.5As第二包层405的厚度是0.2μm.，具有Zn掺杂剂且载流子浓度为0.5×1018cm-3。p-型GaInP蚀刻终止层406的厚度是0.01μm，具有Zn掺杂剂且载流子浓度为5×1017cm-3。无掺杂Al0.7Ga0.3As间隔层407的厚度是0.4μm。n-型Al0.7Ga0.3As光电限制层408具有0.3μm厚度，Si掺杂剂和1×1018cm-3的载流子浓度。n-型GaAs保护层409具有Si掺杂剂，0.1μm的层厚和2×1018cm-3的载流子浓度。p-型Al0.5Ga0.5As第三包层411具有Zn掺杂剂，厚度是2.5μm和载流子浓度为2×1018cm-3。p-型GaAs接触层412具有Zn掺杂剂，厚度是3μm和载流子浓度为3×1018cm-3。
上述半导体激光元件的制作如下。即，如图9A所示，通过第一次MOCVD方法在GaAs衬底401上顺次外延生长缓冲层402，第一包层403，MQW有源层404，第二包层405，蚀刻终止层406，间隔层407，光电限制层408和保护层409。
接着，在保护层409上形成具有在[011]方向上延伸的条形窗口的抗蚀剂掩膜。相对于窗口部分的保护层409，光电限制层408和间隔层407被蚀刻到蚀刻终止层406，形成条形凹槽410(图9B)
其后，通过第二次MOCVD方法，第三包层411层叠在凹槽410中和保护层409上。然后，层叠接触层412(图9C)。
此后，在接触层412的上表面上设置p-电极413，在半导体衬底401的下表面上设置n-型电极414，完成一个层状结构。
该层状结构被切割，使其谐振腔的长度是600μm，且谐振腔的方向垂直于图8的纸面。其后，通过电子束沉积技术在所切割的一个端面上覆盖一层Al2O3膜，使该所切割的端面的反射率约为12％。另一切割端面覆盖一多膜层，该多膜层中，一层Al2O3膜和一层非晶Si膜交替层叠，使该切割端面的反射率约为95％。从而制成一个端部发射型半导体激光元件。
如上所述方法制作的半导体激光元件有一个27mA的起动电流，I-L倾斜率为1.1W/A，并在70℃的温度下，通过150-mw脉冲驱动稳定地实施激光振荡。当所述半导体激光元件由具有100ns的脉冲宽度，50％的占空比，180mA的峰值电流和33mA的峰谷电流的脉冲电流驱动时，光输出脉冲具有1.8ns的上升时间和1.9ns的下降时间。简而言之，可获得所需形状的脉冲波形，其输出脉冲的上升时间和下降时间短。
而且，在本实施例的半导体激光元件中，第二包层405，蚀刻终止层406，间隔层407，光电限制层408和保护层409通过第一次MOCVD方法连续形成。因此，在p-n结界面上几乎不产生晶体缺陷，并且没有由于杂质的扩散导致的能级改变。因此，在施加偏压时，几乎不发生晶体缺陷中的电子俘获、因能级改变而导致的电子迁移率的降低等等。这使得可提供响应速度快的半导体激光元件。
而且，在本实施例的半导体激光元件中，间隔层407未掺杂且具有高电阻。这能够使在与第三包层411的凹槽部分410相应的部分中有效地实现电流限制。
在本实施例中，半导体激光元件通过用AlGaAs基化合物半导体形成。可是，除上述半导体外，可用AlGaInP基化合物半导体或者InGaAsP基化合物半导体。
第一，第二和第四实施例的半导体激光元件由MOCVD方法制成。第三实施例的半导体激光元件由MBE方法制成。但是，第一到第四实施例的半导体激光元件可通过其它方法制成，例如ALE(原子层外延生长)方法或者LPE(液相外延生长)方法。
而且，在第一到第四实施例的半导体激光元件中，AlGaAs基化合物半导体和InGaAlP基化合物半导体层叠在GaAs的衬底上。但是，InAlGaAsPN基化合物半导体和InAlGaN基化合物半导体除了层叠在GaAs衬底上以外，也可层叠在InP衬底、蓝宝石衬底、或SiC衬底上。
而且在上述实施例中，第一导电类型是p-型，第二导电类型是n-型。但是也可以是第一导电类型是n-型，第二导电类型是p-型。
如同从上述描述看出的那样，根据本发明的半导体激光元件，第二导电类型或者本征的间隔层在蚀刻终止层和光电限制层之间，与蚀刻终止层接触，该半导体激光元件中，在半导体衬底上至少设置第一导电类型的第一包层，有源层，第二导电类型的第二包层，其能带隙小于第二包层的第二导电类型的蚀刻终止层，脊形第二导电类型第三包层和第一导电类型光电限制层，该光电限制层设置在第三包层宽度方向上的两侧上并具有比第二包层的折射率小的折射率。在这种布置下，当施加偏压给所述半导体激光元件时，在间隔层和光电限制层之间的界面上产生的耗尽层能够扩展到间隔层。因此，能够增加所述半导体激光元件在脉冲振荡期间的响应速度，同时降低间隔层和光电限制层之间的电容。结果，可提供半导体激光元件，它具有所需的脉冲波形并适合用于记录速度快的光盘装置的光源。
如此描述的本发明，显然可按多种方式对其进行改变。这种变化不被认为是脱离了本发明的精髓和范围，且对本领域技术人员来说是显而易见的所有这种改变将包括在所附的权利要求的范围中。

Claims (16)

1.一种半导体激光元件，其中在半导体衬底(101，201，301，401)上至少设置一第一导电类型的第一包层(103，303，403)、一个有源层(104，304，404)、一个第二导电类型的第二包层(105，205，305，405)、一个其能带隙小于第二包层(105，205，305，405)的第二导电类型的蚀刻终止层(106，306，406)、一个脊形第二导电类型的第三包层(107，307，411)以及一个第一导电类型的光电限制层(110，210，310，408)，该光电限制层设置在第三包层(107，307，411)的宽度方向上的两侧并具有比第二包层(105，205，305，405)的折射率小的折射率，该半导体激光元件包括：
一个第二导电类型或者本征间隔层(109，209，309，407)，该间隔层设置在蚀刻终止层(106，306，406)和光电限制层(110，210，310，408)之间，与蚀刻终止层(106，306，406)接触，
其中间隔层(109，209，309，407)的折射率等于或小于第二包层(105，205，305，405)的折射率。
2.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中间隔层(109，209，309)具有一个低于第二包层(105，205，305)的载流子浓度的载流子浓度。
3.如权利要求2所述的半导体激光元件，其中间隔层(109，209，309)的载流子浓度不高于1×1018cm-3。
4.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中光电限制层(110，310)的一个设置成与间隔层(109，309)接触的界面部分具有比其它部分的载流子浓度低的载流子浓度。
5.如权利要求4所述的半导体激光元件，其中光电限制层(110，210，310)的设置成与间隔层(109，209，309)相接触的界面部分的载流子浓度不高于1×1018cm-3。
6.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中间隔层(109，209，309，407)的厚度不小于0.05μm且不大于0.5μm。
7.如权利要求6所述的半导体激光元件，其中间隔层(109，209，309)的厚度不小于0.1μm且不大于0.3μm。
8.如权利要求4所述的半导体激光元件，其中光电限制层(110，310)的设置成与间隔层(109，309)相接触的界面部分的厚度不小于0.05μm且不大于0.5μm。
9.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中间隔层(109)被掺入主要包括碳的杂质。
10.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中设置成与间隔层(109)接触的蚀刻终止层(106)被掺入主要包括碳的杂质。
11.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中第二包层(105)至少在间隔层(109)侧被掺入主要包括碳的杂质。
12.如权利要求11所述的半导体激光元件，其中第二包层(105，305，405)在其被设置成与有源层(104，304，404)接触的部分主要掺入不同于碳的杂质。
13.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中第二包层(305)在其设置成与有源层(304)相接触的部分具有比其设置成与间隔层(309)相接触的部分的载流子浓度高的载流子浓度。
14.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中光电限制层(110，210，310，408)掺入主要包括硅的杂质。
15.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中蚀刻终止层(106，306，406)不含铝。
16.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中蚀刻终止层(106，306，406)具有不小于10且不大于200的厚度。
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