CN1271760C - 半导体激光器件和光盘装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种即使在高功率操作中仍高度可靠并具有长寿命的半导体激光器件，以及一种使用该半导体激光器件的光盘装置。一种具有大于760nm且小于800nm振荡波长的半导体激光器件，其中：在n型GaAs衬底(101)上，依次叠置有n型第一和第二下包层(103、104)，下波导层(105)、量子阱有源层(107)、上波导层(109)和p型上包层(110)。该量子阱有源层由按如下方式交替排列的两层InGaAsP压缩应变量子阱层和三层InGaAsP势垒层构成，该交替排列方式使n-侧势垒层存在于下波导层的一侧，且p-侧势垒层存在于上波导层的一侧。该n-侧势垒层具有130的厚度，以使空穴难以隧穿。该p-侧势垒层具有50的厚度，以促进空穴的隧穿。

Description

半导体激光器件和光盘装置
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器件和光盘装置，特别是涉及一种能够实现高输出和高可靠性的半导体激光器件，以及使用该半导体激光器件的光盘装置。
背景技术
半导体激光器件应用于光学通讯器件、光学记录器件等中。最近，对这种器件的高速度和大容量的需求不断增长。为了达到这种要求，提高半导体激光器件各种特性的研究和开发已经有所进展。
其中，用于诸如常规CD或CD-R/RW光盘装置的780nm波带的半导体激光器件通常由AlGaAs材料构成。由于在CD-R/RW中对高速度写入的要求也不断提高，因此为满足这些要求，需要高输出半导体激光器件。
作为常规AlGaAs半导体激光器件，如图11所示(参见，例如JP11-274644A)。将简要描述该AlGaAs半导体激光器件的结构。如图11所示，在一n型GaAs衬底501上，依次叠置有一n型GaAs缓冲层502、一n型Al0.5Ga0.5As下包层503、一Al0.35Ga0.65As下波导层504、由两层Al0.12Ga0.88As阱层(每层具有80的厚度)和三层Al0.35Ga0.65As势垒层(每层具有50的厚度)交替排列构成的一多量子阱有源层505、一Al0.35Ga0.65As上波导层506、一p型Al0.5Ga0.5As第一上包层507和一p型GaAs蚀刻停止层508。随后在蚀刻停止层508表面上形成一台式条状p型Al0.5Ga0.5As第二上包层509和一檐状p型GaAs覆盖层510。一n型Al0.7Ga0.3As第一电流阻挡层511和一n型GaAs第二电流阻挡层512叠置在第二上包层509的两侧，从而将除台式条部分外的区域限定为电流收敛部分(current constrictionportion)。一p型GaAs平坦化层513形成在第二电流阻挡层512上，并且一p型GaAs接触层514位于整个表面上。
该半导体激光器件具有一35mA的阈值电流和一约160mW的COD(严重光学损伤)级别。
然而，在采用AlGaAs材料的半导体激光器件中，在高功率操作期间，由于活泼的Al(铝)原子的影响，易在激光器发光端面上产生由COD引起的“端面损伤”。结果，这种半导体激光器件仅具有约160mW的最大光输出。一般认为由COD引起的端面损伤是由以下机制产生的。在谐振腔的端面中，由于Al容易被氧化，从而在该处形成一表面能级。注入到有源层中的载流子在穿过该能级时被衰减，同时发出热量。因此，温度局部升高。温度的升高减小了端面附近有源层的带隙。结果，端面附近激光的吸收增大，并且穿过表面能级时被衰减的载流子数量增加，从而造成热量的进一步产生。通过重复这样的正反馈，端面最终被熔化，从而停止振荡。由于常规半导体激光器件的一有源区中包含Al，因此基于上述原理的端面损伤成为一个大问题。
本发明人进行了有关有源区中采用不包含Al(无Al材料)的InGaAsP材料的高输出半导体激光器件的研究。结果，获得了最大光输出高达约250mW的一半导体激光器件，但未获得足够的可靠性和温度特性。通过检查该半导体激光器件，本发明人发现如下可能，与常规激光器件相比，注入到有源区中的载流子在高温环境中或在高功率操作时易于泄露到有源区外侧。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种半导体激光器件，该半导体激光器件即使在高功率操作时仍高度稳定，并具有长寿命，同时提供一种使用该半导体激光器件的光盘装置。
为了达到上述目的，提供一半导体激光器件，其中：在一n型GaAs衬底上至少叠置有一n型下包层、一下波导层、由一个或多个阱层与多个势垒层交替排列构成的一InGaAsP量子阱有源层、一上波导层和一p型上包层，其中：
量子阱有源层以如下方式堆叠，使一n-侧势垒层存在于下波导层的一侧且一p-侧势垒层存在于上波导层的一侧。
所述半导体激光器件具有大于760nm且小于800nm的振荡波长，并且n-侧势垒层具有70或更大的厚度。其中该p-侧势垒层具有小于该n-侧势垒层的厚度。根据本发明，可以制造出具有比AlGaAs半导体激光器件更高COD级别的上述半导体激光器件。而且，与AlGaAs半导体激光器件相比，可以减少载流子(特别是空穴)从有源层的泄露。因此，可以获得使用GaAs衬底的高输出半导体激光器件(特别是，用于CD-R/RW的780nm波带的高输出半导体激光器件)，该半导体激光器件在高输出操作中具有良好的温度特性。n-侧势垒层的厚度优选在能够发挥量子效应的厚度内。
由于p-侧势垒层具有小于n-侧势垒层的厚度，促进了空穴穿过p-侧势垒层的隧穿，使得空穴容易注入到有源区中。从而能够获得在高输出操作中具有良好的温度特性、可靠性和长寿命的半导体激光器件。当p-侧势垒层具有小于70的厚度时，适宜达到类似效果。
同样，提供一种半导体激光器件，其中：在一p型GaAs衬底上，至少叠置有一p型下包层、一下波导层、由一个或多个阱层与多个势垒层交替排列构成的一InGaAsP量子阱有源层、一上波导层和一n型上包层，其中：
量子阱有源层以如下方式堆叠，使一p-侧势垒层存在于下波导层的一侧且一n-侧势垒层存在于上波导层的一侧。
所述半导体激光器件具有大于760nm且小于800nm的振荡波长，并且n-侧势垒层具有70或更大的厚度。p-侧势垒层具有小于n-侧势垒层的厚度。根据本发明，可以制造出具有比AlGaAs半导体激光器件更高COD级别的半导体激光器件。而且，减少了载流子(特别是空穴)从有源层的泄露。因此，可以获得在高功率操作中具有良好温度特性的高输出半导体激光器件。n-侧势垒层的厚度优选在能够发挥量子效应的厚度内。
由于p-侧势垒层具有小于n-侧势垒层的厚度，促进了空穴穿过p-侧势垒层的隧穿，从而使空穴容易注入到有源区中。由此，能够获得在高功率操作中具有良好的温度特性、可靠性和寿命的半导体激光器件。当p-侧势垒层具有小于70的厚度时，适宜达到类似效果。
在本发明的一个实施例中，上波导层和下波导层由AlGaAs构成。根据该实施例，AlGaAs以在辐射复合发生处不直接邻接阱层的方式排列。从而能够确保可靠性，并同时充分抑制载流子(特别是电子)通过AlGaAs的导带底能级(EC)溢出。从而获得具有高可靠性和长寿命的半导体激光器件。
在本发明的一个实施例中，上波导层和下波导层的Al摩尔分数大于0.2。根据该实施例，更好地达到上述效果。
在本发明的一个实施例中，阱层具有压缩应变。根据该实施例，由具有压缩应变的InGaAsP构成的阱层形成在GaAs衬底上。因此，降低了振荡阈值电流，并获得了高输出半导体激光器件，该半导体激光器件在780nm波带内高度可靠且具有长寿命。
在本发明的一个实施例中，压缩应变量的绝对值不大于3.5％。根据该实施例，能很好地达到上述效果。
在本发明的一个实施例中，势垒层具有拉伸应变。根据该实施例，势垒层的应变量补偿了阱层的压缩应变，由此制备出具有更稳定结晶性的应变量子阱有源层。从而获得具有高可靠性的半导体激光器件。
在本发明的一个实施例中，拉伸应变量的绝对值不大于3.5％。根据该实施例，能很好地达到上述效果。
并且，提供一种其中使用上述半导体激光器件的光盘装置。根据本发明，该光盘装置以比常规装置更高的光功率运作。因此，即使光盘的旋转速度高于常规速度，也能执行数据的读出和写入操作。而且，至今，特别是在写入操作中已成为问题的到光盘的存取时间，比使用常规半导体激光器件的系统大大缩短。从而能够提供一种更适宜操作的光盘装置。
附图说明
通过以下给出的详细描述和仅以图解方式给出的、但并不限于本发明的附图将使本发明变得更加易懂，其中：
图1是根据本发明第一实施例半导体激光器件沿垂直于该器件条方向的平面的截面图；
图2是第一晶体生长和掩模工艺完成后，该半导体激光器件沿垂直于该条方向的平面的截面图；
图3是用于形成台式条的蚀刻工艺完成后，该半导体激光器件沿垂直于该条方向的平面的截面图；
图4是用于埋置电流阻挡层的晶体生长工艺完成后，该半导体激光器件沿垂直于该条方向的平面的截面图；
图5是该半导体激光器件能带轮廓的简图；
图6是表示依赖于其势垒层结构的该半导体激光器件可靠性的曲线图；
图7是表示依赖于其阱层压缩应变量的该半导体激光器件可靠性的曲线图；
图8是表示该半导体激光器件的波导层中Al摩尔分数与温度特性(T0)之间关系的曲线图；
图9是表示温度特性和注入效应与n-侧和p-侧势垒层的各自厚度的关系的示意图；
图10是根据本发明第二实施例的光盘装置的示意图；
图11是常规半导体激光器件沿垂直于该器件条方向的平面的截面图。
具体实施方式
在下文中将通过用图说明的实施例描述本发明的半导体激光器件、制造该器件的方法以及光盘装置。
(第一实施例)
图1示出了第一实施例的半导体激光器件。如图1所示，在该半导体激光器件中，在一n型GaAs衬底101上依次叠置有一n型GaAs缓冲层102、一n型Al0.453Ga0.547As第一下包层103、一n型Al0.5Ga0.5As第二下包层104、一Al0.4278Ga0.5722As下波导层105、一应变多量子阱有源层107、一Al0.4278Ga0.5722As上波导层109、一p型Al0.4885Ga0.5115As第一上包层110和一p型GaAs蚀刻停止层111。另外，在蚀刻停止层111上提供一台式条状p型Al0.4885Ga0.5115As第二上包层112和一GaAs覆盖层113，并在台式条状p型Al0.4885Ga0.5115As第二上包层112和GaAs覆盖层113的两侧填充一n型Al0.7Ga0.3As第一电流阻挡层115、一n型GaAs第二电流阻挡层116和一p型GaAs平坦化层117，这些层限定出光/电流收敛区。此外，在整个表面上提供一p型GaAs覆盖层119。半导体激光器件具有台式条部分121a和在台式条部分121a的两个横向侧面上设置的横向部分121b。
接下来，将参照图2-4描述该半导体激光结构的制造过程。如图2所示，在具有(100)平面的一n型GaAs衬底101上通过金属有机化学气相沉积结晶生长依次叠置一n型GaAs缓冲层102(厚度为0.5μm)、一n型Al0.453Ga0.547As第一下包层103(厚度为3.0μm)、一n型Al0.5Ga0.5As第二下包层104(厚度为0.24μm)、一Al0.4278Ga0.5722As下波导层105(厚度为1850)、由两层In0.1863Ga0.8137As0.6965P0.3035压缩应变量子阱层(应变为0.39％，每层具有60的厚度)和三层In0.0717Ga0.9283As0.6238P0.3762势垒层(应变为-1.32％，从衬底侧开始各层分别具有130、50、50的厚度，最接近衬底的层作为n-侧势垒层，离衬底最远的层作为p-侧势垒层)交替排列构成的一多量子阱有源层107、一Al0.4278Ga0.5722As上波导层109(厚度为950)、一p型Al0.4885Ga0.5115As第一上包层110(厚度为0.165μm)、一p型GaAs蚀刻停止层111(厚度为30)、一p型Al0.4885Ga0.5115As第二上包层112(厚度为1.28μm)和一GaAs覆盖层113(厚度为0.75μm)。
此外，参照图2，通过光刻工艺在将形成台式条部分的部分上形成抗蚀剂掩模114(掩模宽度为5.5μm)，以便使台式条部分在(011)方向上延伸。
然后，如图3所示，对除抗蚀剂掩模114(如图2所示)外的部分进行蚀刻，从而形成台式条部分121a。蚀刻采用硫酸与过氧化氢的混合水溶液和氢氟酸分两步进行，直到蚀刻停止层111为止。氢氟酸对GaAs蚀刻率低的情况使蚀刻过的表面平坦化并能控制台式条部分的宽度。蚀刻深度为1.95μm，且台式条在其最低的部分具有约2.5μm的宽度。蚀刻后，除去抗蚀剂掩模114。
随后，如图4所示，通过金属有机化学气相沉积势垒层依次结晶生长一n型Al0.7Ga0.3As第一电流阻挡层115(厚度为1.0μm)、一n型GaAs第二电流阻挡层116(厚度为0.3μm)和一p型GaAs平坦化层117(厚度为0.65μm)，以形成光/电流收敛区。
之后，如图4所示，通过光刻工艺仅在两个横向部分121b上形成抗蚀剂掩模118。随后，通过蚀刻除去台式条部分121a上的电流阻挡层。蚀刻采用氨水与过氧化氢混合水溶液和硫酸与过氧化氢混合水溶液分两步进行。
此后，除去抗蚀剂掩模118，并形成如图1所示的p型GaAs覆盖层119(厚度为2.0μm)。通过这种方法，制备出具有图1所示结构的半导体激光器件。
在第一实施例中，多量子阱有源层107的三层势垒层的厚度自衬底侧起分别设为130、50和50，由此如图6所示，证实在以下条件的可靠性测试中稳定地运行5000小时或更多：780nm的振荡波长、70℃的温度和260mW脉冲。到此为止，本发明人研究了在GaAs衬底上采用InGaAsP量子阱有源层的半导体激光器件。这次，制造出了与采用AlGaAs的半导体激光器件相比具有更高COD级别的半导体激光器件。在图6中，Iop表示半导体激光器件的输出为260mW时的电流值。而且，作为比较例，多量子阱有源层107的三层势垒层的厚度自衬底侧起分别设为90、50和90，并在相同的条件下进行了可靠性测试。结果，如图6的上部所示，在短时间内就产生了端面损伤。
为了进一步提高半导体激光器件在高输出操作中的温度特性，将n-侧势垒层的厚度设为130，从而使特征温度T0提高到210K。考虑到提供如本实施例中的具有130厚度的n-侧势垒层减小了载流子(特别是空穴)从有源区的泄露，从而在特性上得以提高。
图5示意性地示出了本实施例半导体激光器件的能带曲线。在位于GaAs衬底上的780nm波带的InGaAsP量子阱有源层中，势垒层的价带顶能级(EV)低于下波导层的能级(EV)。也就是说，形成一种结构，在这种结构中，空穴易于通过隧道效应在下波导层和势垒层之间的界面处从有源区泄露。这种结构被认为导致特性恶化。为此，将n-侧势垒层的厚度设得厚达130以便使空穴难以隧穿，从而达到降低空穴泄露的效果。只要n-侧势垒层的厚度为70或更厚就足够了，并且如果其厚度为100或更厚，能最佳地达到以上效果。此处的n-侧势垒层是指多个势垒层中离衬底最近的势垒层(在图5的左侧)。
在本实施例中，将p-侧势垒层的厚度设为50，以便能够制造在高功率操作中具有良好可靠性的半导体激光器件。相似的是，如在本实施例中，在位于GaAs衬底上的780nm波带的InGaAsP量子阱有源层中，由于势垒层的价带顶能级(EV)低于上部波导层的能级(EV)，因此形成一种对空穴的高阻挡结构。结果，进入有源层的注入效应降低，从而可能引起特征温度、可靠性和寿命的劣化。为此，p-侧势垒层的厚度设得薄至50，以便使空穴容易隧穿，从而制造出如图6所示的在高功率操作中具有良好可靠性的半导体激光器件。只要p-侧势垒层的厚度不大于70就可以了，并且如果其厚度不大于50，能最佳地达到以上效果。此处的p-侧势垒层是指多个势垒层中离衬底最远的势垒层(在图5的右侧)。温度特性和注入效应与n-侧和p-侧势垒层各厚度的关系表示在图9中。如图9所示，在n-侧势垒层具有70或更厚的厚度并且p-侧势垒层具有比n-侧势垒层薄的厚度的区域内，能够达到以上效果。特别是，在上述区域内，在p-侧势垒层具有不大于70的厚度的区域内，能最佳地达到以上效果。
在本实施例中，上波导层由AlGaAs形成。由此，AlGaAs以在辐射复合发生处不直接邻接阱层的方式排列。从而能够确保可靠性，并同时充分抑制载流子(特别是电子)通过AlGaAs的导带底能级(EC)溢出。在制备无Al半导体激光器件时，为了获得高可靠性，包括波导层和包层在内的所有层通常使用InGaP等以使其无Al。然而，在第一实施例中，由于采用Al摩尔分数大于0.2的AlGaAs作为波导层，而获得了与阱层的阱-平衡导带能量差(ΔEC)，该阱层由具有780nm振荡波长的InGaAsP构成。
图8是表示Al摩尔分数与特征温度(T0)之间关系的曲线图。如图8所示，证实了在AlGaAs波导层中的Al摩尔分数大于0.2的情况下，温度特性提高，从而了获得足够高的可靠性。
由于本实施例中使用了位于GaAs衬底上由InGaAsP构成的压缩应变阱层，降低了振荡阈值电流，从而实现了在高功率操作中，特别是在780nm波带中具有高可靠性并具有长寿命的半导体激光器件。而且，只要压缩应变阱层的压缩应变量不大于3.5％，就能最佳地获得上述效果。应变量在此表示为：
                 (a1-aGaAs)/aGaAs
其中，aGaAs为GaAs衬底的晶格常数，a1为阱层的晶格常数。如果应变量的数值为正，则该应变称为压缩应变；如果数值为负，则称为拉伸应变。
图7是表示依赖于其阱层压缩应变量的半导体激光器件的可靠性(70℃，260mW)曲线图。由此可以看出，如果压缩应变量超过3.5％，可靠性就劣化。一般认为这归因于，阱层的过大的压缩应变量而引起的结晶性劣化。
由于第一实施例中使用了由InGaAsP构成的各势垒层，并且势垒层具有拉伸应变，它们补偿了具有压缩应变的阱层的应变量，从而能够构成具有更稳定结晶的应变量子阱有源层。因此，能够获得具有高可靠性的半导体激光器件。而且，不大于3.5％的拉伸应变量有利于获得上述效果。
虽然第一实施例具有埋置的脊(buried ridge)结构，但是本发明不限于此。在包含脊结构、内部条结构和埋置异质结构的任何结构中都可以达到相同的效果。
虽然在本实施例中使用n型衬底，但是，通过使用p型衬底并互相置换上述实施例中的n型和p型层，也可以达到相同的效果。也就是说，如果在空穴注入到量子阱有源层一侧的势垒层的厚度设置得更小，并且在电子注入到量子阱有源层一侧的势垒层的厚度设置得更大，可以达到相同的效果。
虽然使用780nm的波长，但并不限于此。如果波长大于760nm并小于800nm，即，在所说的780nm波带内，也可以达到相同的效果。在由不同材料构成的半导体层之间的界面处，即在上波导层和势垒层的界面处和下波导层和势垒层的界面处，可以提供界面保护层，例如由GaAs构成。而且，虽然p型GaAs覆盖层119的厚度设为约2.0μm，但是可以形成约50μm的更大的厚度。
(第二实施例)
图10示出了光盘装置的结构的一个实例，该光盘装置使用了根据本发明的半导体激光器件。该光盘装置用于在光盘401上写入数据或再现已写在光盘上的数据。在该光盘装置中，包括作为用于以上操作的光发射器件的第一实施例的半导体激光器件402。
下面将更详细地描述该光盘装置。在该光盘装置中，用于写入操作时，半导体激光器件402发射的信号光经过准直透镜403，变成平行光，并通过电子束分裂器404传输。然后，经λ/4偏振器405调整成偏振状态后，通过辐射物镜406将信号光会聚起来，从而照射光盘401。用于读出操作时，叠加到激光束上的不具有数据信号的激光束沿着与写入操作中相同的路径传输，照射光盘401。然后，经光盘401表面反射的、其上已记录数据的激光束经过激光束辐射物镜406和λ/4偏振器405，然后被电子束分裂器404反射，使其传输方向改变90°。随后，激光束由再现光物镜407聚焦并施加到信号-检测光检测器件408上。然后，在信号-检测光检测器件408中，根据入射激光束的强度将从光盘401读出的数据信号转换成电信号，并通过信号-光再现电路409再现成最初的信息。
本实施例的光盘装置采用上述半导体激光器件，该半导体激光器件能在高于常规的光功率下运作。因此，即使光盘的旋转速度提高到高于常规的速度，仍然能够执行数据的读出和写入操作。此外，迄今为止，特别是在写入操作中已成为问题的、到光盘的存取时间，能够缩短很大程度。这使得提供一种更易操作的光盘装置成为可能。
已经描述了将本发明的半导体激光器件应用到记录和重放型光盘装置中的实施例。然而，不用说，本发明的半导体激光器件也能应用到光盘记录装置或使用780nm波长带的光盘重放装置中。
本发明的半导体激光器件和光盘装置不应解释为受限于以上举例的实施例。理所当然的，在不脱离本发明的精神下，能够进行各种改变，例如阱层/势垒层的数目和这些层的厚度。
很明显，如此描述的本发明同样可以通过很多方法改变。不能认为这些改变是脱离本发明精神和范围的，并且对本领域技术人员显而易见的所有改变都包含在以下权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种半导体激光器件，其中：在一n型GaAs衬底上至少叠置有一n型下包层、一下波导层、由一个或多个阱层与多个势垒层交替排列构成的一InGaAsP量子阱有源层、一上波导层和一p型上包层，其中：
该量子阱有源层以如下方式堆叠，使一n-侧势垒层存在于该下波导层的一侧且一p-侧势垒层存在于该上波导层的一侧，
所述半导体激光器件具有大于760nm且小于800nm的振荡波长，并且该n-侧势垒层具有70或更大的厚度，其中该p-侧势垒层具有小于该n-侧势垒层的厚度。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中
该p-侧势垒层具有小于70的厚度。
3.一种半导体激光器件，其中：在一p型GaAs衬底上，至少叠置有一p型下包层、一下波导层、由一个或多个阱层与多个势垒层交替排列构成的一InGaAsP量子阱有源层、一上波导层和一n型上包层，其中：
该量子阱有源层以如下方式堆叠，使一p-侧势垒层存在于该下波导层的一侧且一n-侧势垒层存在于该上波导层的一侧，
所述半导体激光器件具有大于760nm且小于800nm的振荡波长，并且该n-侧势垒层具有70或更大的厚度，其中该p-侧势垒层具有小于该n-侧势垒层的厚度。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器件，其中
该p-侧势垒层具有小于70的厚度。
5.根据权利要求1或3所述的半导体激光器件，其中
该上波导层和该下波导层由AlGaAs构成。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器件，其中
该上波导层和该下波导层的Al摩尔分数大于0.2。
7.根据权利要求1或3所述的半导体激光器件，其中该阱层具有压缩应变。
8.根据权利要求7所述的半导体激光器件，其中该压缩应变的绝对值的量不大于3.5％。
9.根据权利要求1或3所述的半导体激光器件，其中该势垒层具有拉伸应变。
10.根据权利要求9所述的半导体激光器件，其中该拉伸应变量不大于3.5％。
11.一种光盘装置，其中使用权利要求1所述的半导体激光器件。
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