CN1248379C - 半导体激光器件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器件具有n型GaAs衬底1支撑的依次形成的n型AlGaAs第一盖层2，多重量子阱有源层3和p型AlGaAs第二盖层4。多重量子阱有源层3具有两个量子阱层3a和设置在每一量子阱层3a两侧的垒层3b。每一量子阱层3a由In1-V1GaV1As1-W1PW1构成，每一垒层3b由In1-V2GaV2As1-W2PW2构成。这里，V1和V2满足V1＜V2，W1和W2满足W1＜W2。垒层相对于GaAs衬底具有张应变，阱层相对于GaAs衬底具有压应变。

Description

半导体激光器件
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器件。
背景技术
通常，作为连续输出发射波长780nm的等于或高于150mW功率的半导体激光器件具有如图7所示的结构。图7是半导体激光器件的端面图，显示了半导体激光器件的晶体层结构，其中层结构在与图纸表面垂直的方向上延伸。
在图7中，显示了n型GaAs衬底1，n型AlXGa1-XAs第一盖层2，有源层43，p型AlXGa1-XAs第二盖层4，p型GaAs蚀刻停止层5，带状p型AlXGa1-XAs第三盖层6，形成带状凹槽部分的n型GaAs电流阻挡层7，P型GaAs接触层8，n侧电极11和p侧电极12。
形成p型GaAs接触层8以致覆盖p型AlXGa1-XAs第三盖层6和n型GaAs电流阻挡层7。p型AlXGa1-XAs第三盖层6填充n型GaAs电流阻挡层7的带状凹槽部分。电流阻挡层7由形成在蚀刻停止层5上的n型AlXGa1-XAs第一掩埋层7a和形成在第一掩埋层7a上n型GaAs第二掩埋层7b构成。术语“带状”指在图纸表面的垂直方向上延伸的窄结构。注意，x值的范围是0＜x＜1。
作为有源层43，采用具有所谓的多重量子阱结构的层。图8显示了多重量子阱结构的详图。在图8中纵轴表示随Al的组分比x而变的每层的Eg(带隙能量)，横轴表示从衬底1到层的距离。有源层43具有称作量子阱的阱层43a。对于阱层43a，采用具有Al的比率小于垒层43b和两侧的导向层43c、43d的晶体。因此阱层43a的Eg小于垒层43b和导向层43c、43d的Eg，这使得阱层43a的Eg看起来像阱。而且，阱层43a的厚度是约200埃或更小，其等于或足够小于电子的德布罗意波长，因此阱层43a被称作量子阱。而且，术语“多重”表示采用了由垒层43b分隔的多个阱层43a。
导向层43c、43d是用于在图8横轴方向上调整激光限制水平的层。为了简化制造工艺，经常采用具有与垒层43b相同组成的导向层。
按照上述结构的半导体激光器件，从电极11、12注入的载流子(电子和空穴)被限制在Eg很小的阱层43a中，以使载流子有效地复合。而且在阱层43a中，由于量子效应获得了高发光效率。这提供了例如降低振荡阈值电流Ith和提高外部量子效率η的优点。这里，发射波长λ与阱层43a的Eg具有λ是约等于1.4/Eg的关系。注意，发射波长λ的单位是μm，Eg的单位是eV。
如果振荡阈值电流Ith低并且外部量子效率η高，那么光输出PO等于(Id-Ith)×η，其中Id是驱动电流，以使不用明显地提高驱动电流Id也可以提供大的光输出PO。因此，在相同的驱动电流可以获得较大的光输出P0。
但是，存在一个问题，即常规半导体激光器件的发光层由GaAlAs构成，使得如果氧气和/或湿汽存在半导体激光器件的周围，由于激光的光能量，构成阱层43a的Al原子与氧气和/或湿汽发生光化学反应并被氧化，因此破坏了阱层43a的晶体结构，这往往会使激光器件的性能恶化。
对这一问题的一个解决办法可以在阱层43a中采用不含Al的晶体。在采用半导体激光器件作为用于光盘系统例如CD-R(可记录光盘)和CD-RW(可改写光盘)的光源的情况下，半导体激光器件的激光发射波长应该是大约780nm。图3是显示包括III族和V族元素的四元混合晶体In1-VGaVAs1-WPW(0＜v＜1，0＜w＜1)的组成的图，这种组成被认定为上述半导体激光器件的未来材料。
在图3中，纵轴表示混合晶体中V族元素的P的比例，横轴表示混合晶体中III族元素的Ga的比例。从右上角沿顺时针方向所示四边形的四角代表GaP，GaAs，InAs，和InP，其中每一个都是二元混合晶体。而且，从右手边沿顺时针方向四边形的四边代表GaAsWP1-W，In1-VGaVAs，InAs1-WPW，和In1-VGaVP，其中每一个都是三元混合晶体。四边形的内部代表In1-VGaVAs1-WPW四元混合晶体。
图3中的实线A是晶体中的一条连接具有相同晶格常数a的组成的线，即实线A是晶格常数线。因为实线A通过右下角GaAs点，它表示与GaAs衬底晶格匹配的一组组合物。图3中的虚线B1和B2是连接晶体中的具有相同Eg的组合物的线，即虚线B1和B2是Eg线。这些线表示例如如果采用其组成在B1线上的晶体作为阱层，半导体激光器的发射波长约是780nm。
在图3中，在与实线A大致垂直的方向上晶体的晶格常数a越往右上侧越小，越往线A的左下侧越大。在虚线B1或B2垂直的方向上晶体的Eg越往右上侧越大，越往左下侧越小。因此，发射光的波长越往右上侧越短，越往左下侧越长。
作为用于半导体激光器件的有源层，在高激光密度部分中的层优选不包含Al。特别是，不仅阱层而且垒层优选不包含Al。因此，对于制造具有780nm发射波长的半导体激光器，其组成在图3的虚线B1上的In1-V1GaV1As1-W1PW1(0＜V1＜1，0＜W1＜1)晶体可以用作阱层，其组成在图3的虚线B2上的其带隙大于阱层的In1-V2GaV2As1-W2PW2(0＜V2＜1，0＜W2＜1)晶体用作垒层。
但是，因为还没有明确的V1，V2，W1，W2组分的指导原则，因此这种半导体激光器至今还没有投入实践。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种即使在有源层中不包含A1对于实际上充足的时间也能够产生较高的光输出的半导体激光器件。
为了实现上述目的，按照本发明，提供了一种半导体激光器件，其具有依次形成的第一导电类型的第一盖层，有源层，和由第一导电类型的GaAs衬底支撑的第二导电类型的盖层，所述每层均由包括III族和V族元素的化合物半导体构成，具有至少一个阱层和垒层的有源层，垒层具有大于阱层的能量带隙，阱层被置于垒层之间，其中
阱层和垒层每层都包含作为V族元素的P(磷)和As(砷)并包含作为III族元素的Ga(镓)和In(铟)；
垒层中的V族元素中P的比例大于阱层中的V族元素中P的比例；
垒层中的III族元素中In的比例小于阱层中的III族元素中In的比例；
垒层相对于GaAs衬底具有张应变；
阱层相对于GaAs衬底具有压应变；以及
半导体激光器件具有大约780nm的发射波长。
按照上述结构的半导体激光器件，垒层中的V族元素中P的比例(在下文中也称作“P比率”)大于阱层中的V族元素中P的比例，垒层中的III族元素中In(在下文中也称作“In比率”)的比例小于阱层中的III族元素中In的比例。在这种情况下，因为垒层相对于GaAs衬底具有张应变，阱层相对于GaAs衬底具有压应变，即使有源层中不包含Al(铝)，也能够产生持续足够长工作时间的较高的光输出。因此，本发明的半导体激光器件可以用作例如CD-R和CD-RW等光盘的光盘系统的光源。
在一个实施例中，垒层中的III族元素中In的比率是0.15或更小，但是大于0。
在一个实施例中，垒层相对于GaAs衬底张应变的绝对值大于阱层相对于GaAs衬底压应变的绝对值。
在一个实施例中，提供两个或更多的阱层，并相邻的阱层之间存在一个垒层。
按照上述实施例中的半导体激光器件，因为提供了两个或更多的阱层，在相邻的阱层之间插入垒层，就能够将输出激光的远场的图案形成为适合于光盘系统的形状。
在一个实施例中，半导体激光器件还包括A1GaAs导向层，每层分别形成在由阱层和垒层构成的有源区域与第一和第二盖层之间，在AlGaAs导向层中Al的比例是0.3或更高，但是等于或小于0.5。
在上述实施例中，因为在有源区域和第一和第二覆盖的每一层之间提供了具有Al的比率是0.3或更高的A1GaAs导向层，器件即使在70℃或更高的高温下也能够进行高输出的稳定工作。
在一个实施例中，半导体激光器件还包括形成在一A1GaAs导向层与第二盖层之间的AlGaAs载流子阻挡层。在A1GaAs载流子阻挡层中Al的比率是0.6或高于0.6并低于0.85。而且，第一导电类型是n型，第二导电类型是p型。
在这种情况下，即使在70℃或更高的高温下也可以实现高输出的稳定工作。
在一个实施例中，第二盖层具有0.5或更高但等于或小于0.7的Al的比率。
按照上述实施例中的半导体激光器件，因为第二盖层中Al的比率为0.5或更高但等于或小于0.7，即使在70℃或更高的高温下也可以实现器件的高输出的稳定工作。
在一个实施例中，半导体激光器件还具有形成在第二盖层上的第二导电类型的GaAs蚀刻停止层，形成在GaAs蚀刻停止层上并限定了带状凹槽部分的第一导电类型的电流阻挡层，填充带状凹槽部分的第二导电类型的第三盖层和覆盖第三盖层和电流阻挡层而形成的接触层。
在上述实施例中的半导体激光器件，具有在第二盖层上依次层叠的在第二盖层上的第二导电类型的GaAs蚀刻停止层，第一导电类型的电流阻挡层，第二导电类型的第三盖层和接触层，该半导体激光器件可以用作激光光源，该激光光源能够使提供了例如CD-R和CD-RW光盘的光盘系统更快地工作。
在一个实施例中，有源层进一步具有靠近器件两端面中的至少一个端面的、具有该阱层的能隙和该垒层的能隙之间的能隙的部分。
在这个实施例中，这种在至少一个阱层和有源层的邻近至少一个端面的一部分中的垒层之间的混合使得半导体激光器件连续地产生较高的光输出。
附图说明
本发明通过以下给出的详细的说明及仅作为例证给出的附图将更为清楚，但这些不欲作为对本发明的限制，其中：
图1是显示从端面侧观察本发明的第一实施例中半导体激光器件的层结构图；
图2是显示第一实施例中组成半导体激光器件有源层的每一层的厚度和带隙能量以及层之间的位置关系图；
图3是显示包括III族和V族元素的四元混合晶体In1-VGaVAs1-WPW(0＜v＜1，0＜w＜1)的组分图；
图4是显示从端面侧观察本发明的第二实施例中半导体激光器件的层结构图；
图5(a)是显示从端面侧观察本发明的第三实施例中半导体激光器件的层结构图，图5(b)是沿图5(a)的b-b线的截面图；
图6是显示第三实施例中组成半导体激光器件有源层的每一层的厚度和带隙能量以及层之间的位置关系图；
图7是显示从端面侧观察常规半导体激光器件的层结构图；
图8是显示组成常规半导体激光器件有源层的每一层的厚度和带隙能量以及层之间的位置关系图；以及
图9是显示从端面侧观察本发明的第四实施例中半导体激光器件的层结构图。
具体实施方式
(第一实施例)
图1是显示从端面侧观察本发明的第一实施例中半导体激光器件的层结构图。在图1中与图7中所示的相同或相似的元件用与图7相同的附图标记标示。
图2是显示第一实施例中半导体激光器件的多重量子阱有源层3的详图。在图2中，纵轴表示组成每一层的晶体的Eg，横轴表示距衬底的距离。
多重量子阱有源层3具有两个量子阱层3a和设置在每一量子阱层3a两侧的垒层3b。量子阱层3a由In1-V1GaV1As1-W1PW1构成，垒层3b由In1-V2GaV2As1-W2PW2构成。这里，V1和V2满足V1＜V2，W1和W2满足W1＜W2。
下文将详细说明量子阱层3a的组成中比率V1和W1之间的关系，及垒层3b的组成中比率V2和W2之间的关系。
例如，在量子阱层3a和垒层3b的组成与虚线段D1的两端点处的组成相一致的情况下，优选量子阱层3a的组成设置在点Za，垒层3b的组成设置在点Zb。在这种情况下，例如，在量子阱层3a和垒层3b的组成与虚线段D2的两端点组成相一致时，优选量子阱层3a的组成设置在点Zc，垒层3b的组成设置在点Zd。
下文将详细描述点Za和点Zb之间的关系，以及点Zc和点Zd之间的关系。
如上文所述，垒层3b的带隙能量Eg应大于量子阱层3a的带隙能量Eg。在衬底是GaAs衬底的情况下，实线A示出具有与衬底的晶格尺寸相等的晶格尺寸的晶体组成。具有位于实线A上的组成的晶体与衬底晶格匹配以致处于无形变状态。在具有图3所示范围内的组成的晶体中，已知那些位于图的中心区域的晶体是最难制造的。这一区域通常被称作混溶裂隙区(miscibilitygap region)。为了使用无应变晶体作为量子阱层3a和垒层3b，本发明的发明人实验地制造了一种半导体激光器件，其量子阱层3a的晶体组成在点Ze，垒层3b的晶体组成在点Zf，其结果是阈值电流达到70mA或更高，也就是说没有获得好的器件。点Zf不在混溶裂隙区，因此从晶体生长的观点来看获得了认为是好的表面。但是，可以确定实际上不能获得好的器件特性。这是一种违反晶体生长常规理解框架中的解释的现象。
可以采用具有应变的组成作为垒层3b。当衬底的晶格常数是a1，晶体的晶格常数是a2，且Δa＝a2-al，晶体中的应变Dis被定义为Dis＝Δa/a1，典型地是用％表示。选择具有大绝对值应变Dis的组成等于选择与图中实线A在垂直方向上尽可能远的点相应的组成。已知如果应变Dis的绝对值太大，晶体会被内部应力损伤，这引起了一个问题，在制造例如半导体激光器和LED的光器件的过程中，通过由晶体损伤产生的缺陷吸收光，载流子被缺陷捕获而不能参与发光，发光器件的性能退化。实线A的右上侧是具有较大Eg的方向，其中应变Dis的大小具有负值，以致产生张应变。相反，实线A的左下侧是具有较小Eg的方向，应变Dis的大小具有正值，以致产生压应变。
为了使得半导体激光器件能够稳定地产生用于高速CD-R的150mW到200mW的高功率激光，不仅结晶度而且温度特性都是非常重要的。提高温度特性有多种方法，其中最重要的参数或因素是量子阱层3a和垒层3b之间能量间隙差。但是在常规780nm频带激光器中，即在GaAs衬底上的InGaAsP施用于量子阱层和垒层两者的激光器，关于能够同时满足上述结晶度和温度特性即大能量间隙差的InGaAsP组成的组合还没有明确的指导原则。
由本发明的发明人常规环境下敏锐检测的结果，已经发现通过满足以下条件，可以降低将要生长的晶体缺陷，并且量子阱层3a和垒层3b之间能量间隙差也可以尽可能大的提高，该条件为：垒层3b中的V族元素中P的比例大于量子阱层3a中的V族元素中P的比例；垒层3b中的III族元素中In的比例小于量子阱层3a中的III族元素中In的比例；垒层3b相对于GaAs衬底1具有张应变；量子阱层3a相对于GaAs衬底1具有压应变。
更优选地是垒层3b中的III族元素中In的比例即In比率可以设置为0.15或更小，但是大于0。本发明的发明人确定这种设置明显地提高了器件的特性。
已经发现优选满足条件：垒层3b相对于GaAs衬底1张应变的绝对值大于阱层相对于GaAs衬底压应变的绝对值。
例如，如果量子阱层3a的组成设置在点Za，垒层3b的组成可以设置在点Zb，如果量子阱层3a的组成设置在点Zc，垒层3b的组成可以设置在点Zd。哪个点更好，随晶体生长的设备而定。通常，在晶体生长时较高的衬底温度产生其组成接近图的中心的好的晶体生长。相反，在晶体生长时较低的衬底温度，产生晶体缺陷的晶体组成将转变到图中的右下角。虽然衬底的温度不可能无限制地升高，但优选尽可能高的温度。在这种条件下，垒层3b晶体中的III族元素中In的比例优选设置为15％或更低，但是大于0。其原因至今还不是很清楚，虽然考虑到这种现象对于780nm频带的半导体激光器是特殊的。
在第一实施例的半导体激光器件中，由于下述原因具有能隙大于垒层的AlGaAs导向层3c、3d设置在垒层3b之外。
已知引起晶体损伤的应变大小的绝对值与晶体的厚度成反比。为了通过像导向层3c、3d这样层控制对激光的限制，层厚度应增加到大约0.01μm到0.1μm，因此相对于衬底1应变优选应很小。如上所述降低应变并提高带隙能量Eg是为了产生具有位于虚线B2上的左上点的组成的晶体。但是如上所述，不可能生长具有这种组成的无缺陷晶体。需要执行高功率工作的用于CD-R的半导体激光器的载流子注入数量明显大于常规数量。最终，对于即使在高温仍运作良好的半导体激光器，必须提高量子阱层与垒层之间的能量间隙差，并提高量子阱层之外的层的Eg以致防止来自量子阱层的载流子扩散到盖层之外。因此，引入导向层，并采用具有大Eg且晶格常数与GaAs衬底相等的AlGaAs晶体作为导向层的材料。在GaAs衬底上的InGaAsP层中，与通常用于780nm频带的AlGaAs晶体不同，不能获得量子阱层和垒层之间大的能量间隙差。而且，因为在InGaAsP晶体中，由于载流子泄漏而具有紧密关系的量子阱层中最低能级和较高能级的分布，与其在AlGaAs晶体中不同，由于在高光输出和大电流注入状态下振荡阈值电流Ith和载流子泄漏水平，温度特性也与AlGaAs晶体的不同。但是尚未采用最优的手段阻止泄漏。
因此，在上面提到的780nm频带InGaAsP激光器结构中，通过改变AlGaAs导向层3c、3d组成检测器件的特性。结果表明Al比率小于0.3的器件，在25℃到85℃下表示温度特性的TO值是70k或更小，而Al比率是0.3或大于0.3的器件，温度特性得到改善。尤其当AlGaAs导向层3c、3d的组成中的Al比率是0.4或更大时，可以确定TO值好至130k或更高。当p型AlXGa1-XAs第二盖层4中Al的比例X被设置为0.48时获得了这些TO值。当部分AlGaAs导向层3c，3d中Al的比例提高到大约0.5时，获得了类似的效果。
甚至当增加AlGaAs导向层3c、3d以外的其它层的Eg时，证明了相对于上述数据的改善温度特性的类似效果。为了获得适合于提高具有780nm频带InGaAsP量子阱有源层的半导体激光器的温度特性的层条件，如下所述依据第一实施例结构制造的器件其中除了导向层以外的其它层例如盖层(p侧)和载流子阻挡层具有不同设置的组成比率。检测这些器件的结果证明了在特定条件下类似于增加导向层Al比率的情况下温度特性值TO的增加。
首先，给出了在盖层中组成改变的情况下的实验结果的说明。制造一种器件，其AlGaAs导向层3c、3d中的Al比例(Al比率)设置为0.4而且改变p型AlXGa1-XAs第二盖层4中Al比率，并检测它们的特性。结果证明在p型AlXGa1-XAs第二盖层4中Al比率设置到0.5或更高一步提高了TO值。例如，如果Al比率设置到0.6，TO值将提高到150k，如果Al比率设置到0.7，TO值将提高到200k。
接着，将给出引入载流子阻挡层的效果的说明。p型AlXGa1-XAs第二盖层4的组成中Al比率设置到0.5，并在p型AlXGa1-XAs第二盖层4与GaAlAs导向层3d之间插入7nm厚的p型GaAlAs(它的Al比率是0.7)载流子阻挡层，结果TO值提高到180k。对于具有其它A1比率的载流子阻挡层，当Al比率是从大约0.6到0.85时，可获得与在p型GaAlAs载流子阻挡层中Al比率是0.7的情况下一样的温度特性提高的效果。而且，进一步证明在GRIN(梯度指数Graded Index)结构中和包含组成物相变的结构中温度特性得到了提高，在GRIN结构中GaAlAs导向层3c，3d的组成是连续变化的，使得Al比率从阻挡层向盖层逐渐增加。
上述结果已经证实，在本发明的有源层不具有Al的780nm频带的半导体激光器件中，为了确保良好的温度特性，采用AlGaAs作为p侧导向层和盖层的材料并且如上所述合适地设置Al比率是非常重要的。
而且，虽然为了提高器件的温度特性，获得足够大的确定了在量子阱层中光增益的光限制系数是非常重要的，但是已发现因为具有780nm频带的InGaAsP量子阱层的半导体激光器在带结构上与如前述的具有AlGaAs阱层的半导体激光器不同，以致费米能级和限制系数的最优值也很大地不同。实验地制造器件并检测其特性的结果发现，把光学系统设计成在总光密度分布中，在量子阱层中出现4％或更多的光，可获得良好的温度特性和阈值电流特性。在实际器件中，通过增加每一个量子阱层的层厚度和/或增加量子阱层的数量并改变光自身的形态，实现了最优的边界系数。
如上所述，第一实施例中的半导体激光器件，能够作为用于高速CD-R的150mW到200mW级780nm频带的InGaAsP半导体激光器件稳定地工作，其中，施用了量子阱层和垒层中的InGaAsP材料的化合物和用于提高除去量子阱层和垒层以外的其它层的温度特性的实验地获得的手段。
以下说明参照图1和2描述了第一实施例的实际层结构的一个实例。
在图1中，显示了n型GaAs衬底1，n型Al0.45Ga0.55As第一盖层2(厚度3.0μm)，多重量子阱有源层3(发射波长0.78μm)，P型Al0.49Ga0.51As第二盖层4(厚度0.1967μm)，p型GaAs蚀刻停止层5(厚度3nm)，和p型Al0.49Ga0.51As第三盖层6(厚度1.28μm)。第三盖层6具有隆起带结构。第三盖层6具有大约2μm的高度，最大宽度大约2.5μm。特别是，第三盖层6的与蚀刻停止层5接触的部分具有大约2.5μm的宽度。在第三盖层6的两侧设置了电流阻挡层7，其填充了第三盖层6横侧上的间隙。电流阻挡层7由n型Al0.7Ga0.3As第一掩埋层7a(厚度0.7μm)和n型GaAs第二掩埋层7b(厚度0.3μm)依次层叠构成，其主要形成了电流限制结构，其中电流只能直接在第三盖层6之下流动。而且，在第三盖层6和电流阻挡层7的整个上表面上设置了p型GaAs接触层8(厚度2.0μm)。
如图2所示，多重量子阱有源层3由i型Al0.35Ga0.65As导向层3c(厚度68.5nm)，两个In0.17Ga0.83As0.717P0.283量子阱层3a(厚度8nm)，三个In0.09Ga0.91As0.42P0.58垒层3b和i型Al0.35Ga0.65As导向层3d(厚度68.5nm)构成。垒层3b相对于GaAs衬底1具有0.86％的张应变。在三个垒层3b中，由GaAs衬底1起的第一和第三层具有10nm的厚度，第二层具有5nm的厚度。设置在垒层3b之间的量子阱层3a相对于GaAs衬底1具有0.07％的压应变。这里量子阱层3a与垒层3b之间的能带能量差是大约0.4eV。
虽然未说明，但在导向层3d与第二盖层4之间设置AlGaAs载流子阻挡层的情况中，可以在导向层3d与第二盖层4之间设置例如Al0.7Ga0.3As载流子阻挡层。优选地，第二盖层4的组成中Al比率设置为0.5或更高。
第一实施例的半导体激光器件是一种具有所谓隆起导向结构的器件。设置蚀刻停止层5以使当通过常见的光刻方法形成具有一个称为隆起的梯形剖面的带状第三盖层6时第二盖层4不会被蚀刻。蚀刻停止层5设置为0.01μm那样薄或更薄的足够小的厚度，使其不会吸收在量子阱层3a中产生的激光。
而且，因为电流阻挡层7是0.3μm厚或更厚，优选地其由没有光吸收的AlGaAs形成。但是，为了在电流阻挡层上生长接触层，优选地电流阻挡层用不易被氧化的GaAs覆盖。这就是为什么电流阻挡层7由n型Al0.7Ga0.3As第一掩埋层7a和n型GaAs第二掩埋层7b构成。
而且，第一掩埋层7a被制成Al比率大于第三盖层6的Al比率的晶体，使得激光被相对于平行于GaAs衬底1的方向限制在隆起部分中。在这种结构中，电流阻挡层7中没有光吸收，这增加了外部量子效率。这在使用高光输出器件的情况中降低了驱动电流。
设置具有以高浓度掺杂的p型杂质接触层8以与p侧电极12形成欧姆接触。为了扩宽p侧电极12的电极区域，接触层8被设置成不但覆盖带状隆起部分6的顶端而且覆盖电流阻挡层7，这使得当p侧电极12被管芯焊接到底座(stem)(未示出)上时，在多重量子阱有源层3中产生的热很快散失掉。
第一实施例中的半导体激光器件在发射波长780nm的连续发光中产生150mW或更高的光输出达到足够长的工作时间，其在实际应用中无需对底座或焊接方法进行任何特殊的改进。
而且，使用具有安装在底座上的半导体激光器件作为光源的半导体激光设备使得能够高速写到例如CD-R和CD-RW标准的光盘上。特别是常规写速最大是标准写速的12倍，而上述设备的写速已经达到了标准写速的16倍。
(第二实施例)
图4是显示从端面侧观察本发明的第二实施例中半导体激光器件的晶体层结构图。在图4中，与第一实施例图1中所示的相同元件用与图1相同的附图标记标示。
在图4中，显示了n型GaAs衬底1，n型Al0.45Ga0.55As第一盖层2(厚度3.0μm)，多重量子阱有源层23(发射波长0.78μm)，P型Al0.49Ga0.51As第二盖层4(厚度0.1967μm)，p型GaAs蚀刻停止层5(厚度3nm)，p型Al0.49Ga0.51As第三盖层26(厚度1.28μm)，n型Al0.7Ga0.3As电流阻挡层27(厚度0.7μm)，和p型GaAs接触层28(厚度2.0μm)。电流阻挡层27具有带状开口部分，其主要形成了电流限制结构，其中电流只能直接在带状开口部分之下流动。而且形成第三盖层26以使覆盖部分蚀刻停止层5和电流阻挡层27。
虽未示出，多重量子阱有源层23由i型Al0.4Ga0.6As导向层(厚度35nm)，两个In0.20Ga0.80As0.71P0.29量子阱层(厚度15nm)，三个In0.07Ga0.93As0.52P0.48垒层和i型Al0.4Ga0.6As导向层(厚度35nm)构成。垒层相对于GaAs衬底1具有0.86％的张应变。在三个垒层中，由GaAs衬底1起的第一和第三层具有10nm的层厚度，第二层具有5nm的层厚度。其中的每一个都设置在垒层之间的阱层相对于GaAs衬底1具有0.16％的压应变。量子阱层和垒层之间的能带能量差是大约0.3eV。
在第二实施例的上述结构半导体激光器件中，与第一实施例相似，按照图3，合适地设置量子阱层和垒层的组成。亦即如前所述，在量子阱结构之外采用了温度特性改进结构。特别是在第一实施例中为了温度特性的改进引入了载流子阻挡层，在第二实施例中，没有采用载流子阻挡层，而是赋予量子阱有源层23较大的层厚度同时导向层具有较大的Al比率。结果，第二实施例中的半导体激光器件实现了满足了用于与第一实施例一样的CD-R半导体激光器的特性的高功率工作。
在第二实施例中，利用内部带结构代替隆起带结构把激光限制在平行于GaAs衬底1的方向上。特别是形成第三盖层26以覆盖具有带状凹槽部分的整个电流阻挡层27。
在第一实施例中生产半导体激光器件的过程中，在隆起形成步骤与电流阻挡层形成步骤之间必须插入光刻步骤，使得必须把器件从晶体生长设备中取出。与此相反，在第二实施例半导体激光器件中，在内部带形成步骤中同时形成电流阻挡层，器件的制造被简化，尽管难于增加电流阻挡层27的厚度使得难于增加获得高输出功率的驱动电压。
(第三实施例)
图5(a)是显示从端面侧观察本发明的第三实施例中半导体激光器件的晶体层结构图，图5(b)是沿图5(a)的b-b线的截面图。在图5(a)和5(b)中与第一实施例图1中所示的相同元件用与图1相同的附图标记标示。
在图5(a)中，显示了n型GaAs衬底1，n型Al0.43Ga0.57As第一盖层2(厚度3.0μm)，多重量子阱有源层33(发射波长0.78μm)，P型Al0.6Ga0.4As第二盖层4(厚度0.1967μm)，p型GaAs蚀刻停止层5(厚度3nm)，和p型Al0.49Ga0.51As第三盖层6(厚度1.28μm)。第三盖层6具有隆起带结构。第三盖层6具有大约2.5μm的高度，最大宽度大约4.0μm。特别是，第三盖层6与蚀刻停止层5接触的部分具有大约4.0μm的宽度。在第三盖层6的两侧设置了电流阻挡层7，其填充了第三盖层6横侧上的间隙。电流阻挡层7由n型Al0.7Ga0.3As第一掩埋层7a(厚度0.7μm)和n型GaAs第二掩埋层7b(厚度0.3μm)依次层叠构成，其主要形成了电流限制结构，其中电流只能直接流到第三盖层6之下。而且，在第三盖层6和电流阻挡层7的整个上表面上设置了p型GaAs接触层8(厚度2.0μm)。
在第三实施例的上述结构半导体激光器件中，与第一和第二实施例相似，按照图3合适地设置量子阱层和垒层的组成。而且，在量子阱结构之外采用了温度特性改进结构。特别是在第三实施例中增加了量子阱层的数量，设置了i型AlGaAs导向层并增加了p型第二盖层4的组成中Al的比率。结果，第三实施例中的半导体激光器件实现了满足了用于与第一和第二实施例中一样的CD-R半导体激光器的特性的高功率工作。
而且，如图5(b)所示，第三实施例中的半导体激光器件的端面9、10用作部分反射体，其把内部产生的部分激光又返送回内部以产生激光振荡。在端面9、10上中断了晶体结构，使得减小了每一层的能量带隙。因此，自内部产生的光，其部分地穿过端面9、10，被多重量子阱有源层33晶体本身吸收，并且部分吸收的光变成热以增加端面9、10的温度。这样的光吸收和温度升高在多重量子阱有源层33的端面上是非常明显的，尽管随着光传播到第一和第二盖层2、4时在第一和第二盖层2、4中也发生温度升高。在第一实施例的半导体激光器件中，在导向层3c、3d和第一、第二盖层2、4中包含大量的易于氧化的Al，使得要进一步增加光输出需要进一步降低端面上的光吸收。
图6是显示在第三实施例中为了提取半导体激光器件的光在端面9的附近组成有源层33e的层厚度和带隙能量图。
如图6所示，多重量子阱有源层33由i型Al0.35Ga0.65As导向层33c(厚度45nm)三个In0.32Ga0.68As0.50P0.50量子阱层33a(厚度10nm)，四个In0.13Ga0.87As0.37P0.63垒层33b和i型Al0.35Ga0.65As导向层33d(厚度35nm)构成。垒层33b相对于GaAs衬底1具有1.0％的张应变。在四个垒层33b中，由GaAs衬底1侧起的第一和第四层具有10nm的厚度，第二和第三层具有5nm的厚度。设置在垒层33b之间的量子阱层33a相对于GaAs衬底1具有0.14％的压应变。在这个实施例中，量子阱层33a和垒层33b之间的能带能量差是大约0.4eV。
如上所述，第三实施例中的半导体激光器件具有三个量子阱层33a。在多重量子阱有源层33的端面9的附近的部分33e中，有一混合结构其中量子阱层33a和垒层33b的周期消失，而且量子阱层33a与垒层33b之间带隙能量呈现平均值。可以通过把锌(Zn)从蚀刻停止层5的表面扩散到沿着端面9的部分形成这种混合结构。扩散的Zn损坏了量子阱33a和垒层33b的周期性结构，并使它们变为整体上具有均匀组成的晶体。换句话说，量子阱结构被损坏，使得端面9的附近的带隙能量变成如图6中所示。
而且，尽管半导体激光器件具有L＝600μm的谐振腔长度L，量子阱结构被破坏的部分33e具有距端面9大约20μm的长度。这是因为量子阱结构被破坏的部分没有用于激光振荡的增益，使得过长的该部分不利地增加了振荡阈值Ith。
如果量子阱层33a的组成被设置在图3中的点Zc，垒层33b的组成被设置在图3中的点Zd，多重量子阱有源层33的端面9的附近中部分33e具有平均组成，即，在邻近不呈现应变的点Zg的点的组成。因此，即使端面9的附近中的部分33e具有例如0.05μm的厚度，也不会发生晶体损坏并产生缺陷。这就可以获得所谓的窗口结构，其通过多重量子阱有源层33的端面9附近的未破坏晶体的部分33e消除了光吸收，这样就能够实现具有较高光输出的半导体激光器件。
在第三实施例中，量子阱层33a与垒层33b之间的周期性结构仅仅在多重量子阱有源层33的端面9附近的部分33e中消失。但是，在多重量子阱有源层33的端面9附近的部分33e和多重量子阱有源层33的另一端面10附近的的部分中，量子阱层33a与垒层33b之间的周期性结构可能消失。进而，如第一实施例中所述可以在导向层33d与第二盖层4之间设置载流子阻挡层。
第三实施例中的半导体激光器件应用于光盘系统，使得可以实现具有较高写速的CD-R和CD-RW系统。
(第四实施例)
图9是显示从端面侧观察本发明的第四实施例中半导体激光器件的晶体层结构图。在这一半导体激光器件中，在n型GaAs衬底101上，依次层叠了n型GaAs缓冲层102(层厚0.5μm)，n型Al0.452Ga0.548As第一下盖层103(层厚3.0μm)，n型Al0.532Ga0.468As第二下盖层104(层厚0.12μm)，多重量子阱有源层107，p型Al0.4885Ga0.5115As第一上盖层110(层厚0.13μm)，和p型GaAs蚀刻停止层111(层厚30)。n型第一下盖层103和第二下盖层104组成第一导电类型第一盖层，p型第一上盖层110组成第二导电类型第二盖层。而且，在蚀刻停止层111上，设置了台面带状p型Al0.4885Ga0.5115As第二上盖层112(层厚1.28μm)和屋檐状GaAs帽层113(层厚0.75μm)，后者用作第二导电类型第三盖层，第二上盖层112和GaAs帽层11 3的两侧用n型Al0.7Ga0.3As第一电流阻挡层115(层厚1.0μm)，n型GaAs第二电流阻挡层116(层厚0.3μm)和p型GaAs平面化层117(层厚0.65μm)填充，这些层限定了光和电流的限制区域。进而，在整个表面上设置p型GaAs接触层119。而且，虽未示出，在接触层119上设置p型电极，在衬底101的背面上设置n型电极。半导体激光器件具有台面带部分121a和在台面带部分121a的两横侧设置的横向部分121b，台面带部分121a的最低部分具有大约2.5μm的宽度。
虽未示出，多重量子阱有源层107具有层结构，包括距衬底侧的：Al0.4278Ga0.5722As下导向层(层厚2200)，由两个In0.2655Ga0.7345As0.5914P0.4086压应变量子阱层(应变0.466％，每层厚50)和三个In0.1260Ga0.8740As0.4071P0.5929垒层(应变-1.20％，层厚分别为90，50，90)交替设置构成的压应变多重量子阱有源区，和Al0.4278Ga0.5722As上导向层(层厚1500)。
在本实施例中，证实了如下条件下的可靠性实验中5000小时或更长时间的稳定工作：发射波长780nm；温度70℃；脉冲230mW。这一结果利于按照图3的组分图的量子阱层和垒层组成的适当的组合，如第一、第二、第三实施例所做。因此，第四实施例中的半导体激光器件实现了满足了用于与第一、第二和第三实施例一样的CD-R半导体激光器的特性的高功率工作，而且第四实施例中的半导体激光器件应用于光盘系统，能实现具有较高写速的CD-R和CD-RW系统。
虽然第四实施例具有掩埋隆起结构，本发明不局限于此。包括隆起结构，内部带结构，和掩埋异质结构的任一结构都可以达到相同的效果。
而且，可以在有源层107与第一上盖层110之间设置载流子阻挡层。
虽然在本实施例中使用n型衬底，但是通过使用p型衬底并在上述实施例中替换层的n型和p型可以达到相同的效果。
上述第一到第四实施例中的半导体激光器件可以几乎没有退化地连续地产生发射波长780nm的150mW高或更高的输出，因此它们适合用作能够高速写或重写的光盘系统的光源，这种系统用于例如CD-R和CD-RW的光盘。
应该理解本发明的半导体激光器件不限于上文所描述的和附图所说明的，当然，在不脱离本发明的精神下可以作出许多变形，例如阱层和垒层的层厚及它们的层数。
从上文描述显而易见，在本发明的半导体激光器件中，垒层中的V族元素中P的比例大于阱层中的V族元素中P的比例，垒层中的III族元素中In的比例小于阱层中的III族元素中In的比例，使得垒层相对于GaAs衬底具有张应变，阱层相对于GaAs衬底具有压应变。这使得即使在有源层中不包含Al，也可产生较高的光输出持续实际上足够的工作时间。
本发明如这里所述，明显地本发明还可以通过多种方法改变。认为这些改变不脱离本发明的精神和范围，对于本领域技术人员，所有的这些改变是显而易见的，应将这些变化包括在所附权利要求的范围之内。

Claims (9)

1.一种半导体激光器件，其具有由第一导电类型的GaAs衬底支撑并依次形成的第一导电类型的第一盖层、有源层和第二导电类型的第二盖层，所述层中的每一层均由包括III族和V族元素的化合物半导体构成，该有源层具有至少一个阱层和一些垒层，该垒层具有大于该阱层的能隙，该阱层被置于该垒层之间，其中
该阱层和垒层每层都包含作为V族元素的P和As及作为III族元素的Ga和In；
该垒层中的V族元素中P的比例大于阱层中的V族元素中P的比例；
该垒层中的III族元素中In的比例小于阱层中的III族元素中In的比例；
该垒层具有相对于GaAs衬底的张应变；
该阱层具有相对于GaAs衬底的压应变；以及
该半导体激光器件具有约780nm的发射波长。
2.如权利要求1限定的半导体激光器件，其中
该垒层中的III族元素中In的比率是0.15或更小，但是大于0。
3.如权利要求1限定的半导体激光器件，其中
该垒层相对于GaAs衬底的张应变的绝对值大于阱层相对于GaAs衬底的压应变的绝对值。
4.如权利要求1限定的半导体激光器件，其中
提供两个或更多的阱层，并相邻的该阱层之间存在一个垒层。
5.如权利要求1限定的半导体激光器件，还包括AlGaAs导向层，其每层分别形成在由阱层和垒层构成的有源区域与第一和第二盖层之间，其中在AlGaAs导向层中的III族元素中Al的比例是0.3或更高，但是小于或等于0.5。
6.如权利要求5限定的半导体激光器件，还包括形成在一个AlGaAs导向层与该第二盖层之间的AlGaAs载流子阻挡层，其中
该AlGaAs载流子阻挡层中Al的比例是0.6或高于0.6并低于0.85；以及
该第一导电类型是n型，该第二导电类型是p型。
7.如权利要求6限定的半导体激光器件，其中
该第二盖层中的III族元素中Al的比例是0.5或更高，但是等于或小于0.7。
8.如权利要求1限定的半导体激光器件，还包括：
形成在该第二盖层上的第二导电类型的GaAs蚀刻停止层；
形成在该GsAs蚀刻停止层上并限定了带状凹槽部分的第一导电类型的电流阻挡层；
填充该带状凹槽部分的第二导电类型第三盖层；以及
覆盖该第三盖层和该电流阻挡层而形成的接触层。
9.如权利要求1限定的半导体激光器件，其中
有源层进一步具有靠近器件两端面中的至少一个端面的、具有该阱层的能隙和该垒层的能隙之间的能隙的部分。
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