CN1301578C - 半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体激光器，包括按照该顺序形成在半导体基底上的一下包层，一具有至少一个量子阱层的有源层，以及一上包层，所述半导体激光器具有一窗口区域，该区域包括一所述有源层中量子阱层和与有源层相邻的层在垂直于半导体基底表面的发光端面附近被混合的部分，其中下包层具有一比上包层高的折射率，并且在垂直于半导体基底表面的方向上，窗口区域中的光强分布要比在增益区域中的光强分布扩展得更宽，同时还提供了制造该半导体激光器的方法。

Description

半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器及其制造方法，特别是涉及一种用于从光盘上读出数据或向光盘上写入数据(以后称为“用于光盘”)的半导体激光器以及制造这种半导体激光器的方法。
背景技术
传统上，作为用于光盘的半导体激光器，一种端面发射类型的半导体激光器已经使用。这种端面发射类型的半导体激光器被要求操作在大约70℃的高温下。作为实现这一点的方法，增加限制在半导体激光器中有源层里的光的强度从而增强发射的激光和电子/孔穴之间相互作用的方法是有效的。
但是，如果为了增加限制在半导体激光器有源层中的光的强度将光限制在有源层中，那么激射激光趋于以垂直于有源层的方向发散。因此，随着普遍应用端面发射类型的半导体激光器，激射激光垂直于有源层方向的发散(后面称为“垂直辐射角度”)会大于以水平于有源层方向的发散(后面称为“水平辐射角度”)。例如，激射激光的远视野影像具有24度的垂直辐射角以及8度的水平辐射角，因此，该激射激光成为椭圆形状。
但是，在用于光盘的使用中，需要该激光具有完整的圆形。因此，存在一种通过激光成形装置将椭圆形激光成形为完整圆形的方法，或者存在一种将椭圆形激光周长的一部分移除从而形成完整圆形激光的方法。但是，前者方法具有的问题在于，激光成形装置的引入增加了半导体激光器的成本。同样地，后者方法具有的问题在于，激光的利用效率减少，从而阻碍了高能激光的产生。
另外，存在的一个问题在于，当激射激光的能量为了实现向光盘高速写入数据而被增加时，半导体激光器端面所发射的光会降级。为了压抑半导体激光器端面发射的光的降级，使用一种方法在半导体激光器中端面发光处和端面周围形成窗口区域。
传统上，窗口区域的形成是通过在量子阱层中形成部分而获得，构成半导体激光器中有源层的引导层和屏蔽层被混合结晶。通过形成窗口区域，增加窗口区域中有源层里的量子阱层的能带间隙，因此，减少量子阱层中光的吸收，由此减少半导体激光器端面发射光的降级。
同样，存在另一种形成窗口区域的方法。图12A是示出2002年2月三菱电子技术报告(129-132页)所公开的一种传统半导体激光器的示意性透视图。这种传统的半导体激光器包括n-类型AlxGa1-xAs(x＝xlow)的下包层2，不掺杂AlGaAs引导层3，不掺杂GaAs引导层4，不掺杂InGaAs量子阱层5，不掺杂GaAs屏蔽层6，不掺杂InGaAs量子阱层7，不掺杂GaAs引导层8，不掺杂AlGaAs引导层9，p型AlxGa1-xAs上包层(x＝xup)10以及p型GaAs传导层11，它们顺序沉积在n型的GaAs基底1上。另外，这种传统的半导体激光器具有形成在n型GaAs基底1上的脊状条形部分12，以及形成在端面发射光处及其附近的窗口区域13，用于压抑半导体激光器的端面发射光的下降。
正如在图12B中折射率分布所示的那样，为了减少激射激光的椭圆比率(垂直辐射角/水平辐射角)并且同时基本上提升折弯程度，n型AlGaAs下包层2的折射率nc 1被设定为高于p型AlGaAs上包层10的折射率nc u。因此，这些层的Al成分比变为xlow＜xup。
通过这种配置，光强分布朝向基底散布，并因此较少受到脊部条形部分12折射率的影响，其提升折弯程度。另外，由于光强分布朝向基底散布，激射激光的椭圆比率可能减少。即，当保持xlow＜xup时，激射激光具有31.5度的垂直辐射角，8.6度的水平辐射角以及3.7的椭圆比率。在另一方面，当保持nc 1-nc u＝0.029时，激射激光具有23.9度的垂直辐射角，10.1度的水平辐射角以及2.4的椭圆比率(例如，见2002年2月三菱电子技术报告130页所示图形)。
在没有使用激光成形装置的情况下，作为用于光盘的半导体激光器，必须使用能够发出具有低椭圆比率激光的半导体激光器。
但是，在2002年2月三菱电子技术报告中(129-132页)说明的传统半导体激光器发射出具有2.4椭圆比率的激光。因此，在没有使用激光成形装置的情况下，对光盘来说这种传统的半导体激光器不足以进行应用。
而且，存在着一个问题在于，当发射于这种传统半导体激光器的激光的椭圆比率减少时，限制在有源层中的光比率随减少，极限电流上升和特性温度(代表极限电流的增加相对于温度的比率的参数)下降，这就防止这种传统的半导体激光器在大约70℃的高温下进行操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即使在高温操作环境下能够发出具有低椭圆比率激光的半导体激光器，以及制备这种半导体激光器的方法。
本发明提供一种半导体激光器，其包括按照该顺序在半导体基底上形成的下包层，至少具有一个量子阱层的有源层和上包层，并且具有一窗口区域，该区域包括有源层中的量子阱层和与有源层相邻的层在垂直于半导体基底表面的发光端面附近被混合的部分，其中下包层具有高于上包层的折射率，并且在垂直于半导体基底表面的方向上，窗口区域中的光强分布要比在增益区域中的光强分布扩展得更宽。通过使用这种配置，下包层具有的折射率要高于上包层的折射率，因此在增益区域中的光强分布朝向半导体基底扩展，并且光强分布进一步在窗口区域中扩展，没有改变限制在有源层中的光的比率。这就可以进一步地实现减少激射激光的椭圆比率，不降低极限电流和特性温度。
在本应用中，“包括至少一个量子阱层的有源层”是指组成有至少一个量子阱层和其它层的有源层，同时也指仅包括至少一个量子阱层的有源层。
本发明还提供一种半导体激光器，其包括按照该顺序形成在半导体基底上的下包层，包括至少一个量子阱层的有源层以及上包层，并且具有一窗口区域，该区域包括有源层中的量子阱层和相邻有源层的各层在发光端面附近被混合结晶的部分，该发光端面垂直于半导体基底的表面，其中下包层具有折射率高于上包层的层，并且在垂直于半导体基底表面的方向上，窗口区域中的光强分布要比在增益区域中的光强分布扩展得更宽。通过使用这种配置，相似的是，下包层具有的折射率要高于上包层的折射率，由此在增益区域中的光强分布朝向半导体基底扩展，并且光强分布进一步在窗口区域中扩展，没有改变限制在有源层中的光的比率。这就可以进一步地实现减少激射激光的椭圆比率，不降低极限电流和特性温度。
在根据本发明的半导体激光器中，优选地，所述下包层包括靠近半导体基底的第一下包层和靠近有源层的第二下包层，并且第一下包层具有高于第二下包层的折射率。通过使用这种配置，极限电流在没有改变限制在有源层中的光的光比的情况下可以被降低，并且光强分布朝向半导体基底扩展，这样就实现了激光以减小的垂直辐射角发射，因此椭圆比率减少。
在根据本发明的半导体激光器中，优选地，第一下包层具有高于第二下包层大于或等于0.003至小于或等于0.02的折射率。如果各层之间折射率的差异大于0.02，那么半导体激光器在大约70℃的高温环境下将难以操作。如果各层之间折射率的差异小于0.003，那么激射激光的垂直折射角将不会趋于减少。当各层之间折射率差异大于或等于0.003至小于或等于0.02的话，就可能让半导体激光器发出具有低椭圆比率的激光，并且具有低的极限电流以及高的特性温度(因温度变化所引发的极限电流的变化是小的)。
在根据本发明的半导体激光器中，优选地，第二下包层具有大于或等于0.05微米至小于或等于0.9微米的厚度。当第二下包层具有大于或等于0.05微米至小于或等于0.9微米的厚度时，可以容易地获得由两层所构成的下包层的效果，并因此有可能让半导体激光器实现发出具有低椭圆比率的激光并且适用于光盘。
在根据本发明的半导体激光器中，优选地是，窗口区域、光强分布扩展发生变化的过渡区域以及增益区域从发光端面被按照该顺序设置，以及窗口区域中有源层里的光致发光(PL)波长要短于增益区域中有源层里的PL波长15纳米或更多。当窗口区域中有源层里的PL波长比增益区域中有源层里的PL波长短15纳米或更多时，窗口区域中以垂直方向的光强分布的扩展会被增加，减少激射激光的椭圆比率。
在根据本发明的半导体激光器中，优选地是，窗口区域、光强分布扩展发生变化的过渡区域以及增益区域从发光端面被按照该顺序设置，以及窗口区域中有源层里的光致发光(PL)波长要短于增益区域中有源层里的PL波长40纳米或更多。当窗口区域中有源层里的PL波长比增益区域中有源层里的PL波长短40纳米或更多时，相对于在这些区域里的各有源层之间的PL波长差异的变化激射激光的垂直辐射角度的变化变小，并且这就有可能实现让半导体激光器发出具有低椭圆比率以及垂直辐射角度变化小的激光。
在根据本发明的半导体激光器中，优选地是，窗口区域、光强分布扩展发生变化的过渡区域以及增益区域从发光端面被按照该顺序安排，以及过渡区域在垂直于发光端面的方向上具有大于或等于16微米的宽度。当过渡区域的宽度是16微米或更多时，光强分布逐渐在过渡区域中扩展，减少光损。
优选地是，根据本发明的半导体激光器还包括具有价带能量高于上包层价带能量的帽层，在上包层以上，其中混合结晶是通过从帽层上的某一部分注入杂质并导致杂质发生扩散而获得的。在使用窗口区域成形方法的情况下，该方法通常称为IILD(引发层扰的杂质)，杂质广泛地扩散在帽层中，并因此容易地形成光强分布的扩散发生变化的过渡区域。
在根据本发明的半导体激光器中，优选地是，下包层、有源层和上包层是通过由(AlxGa1-x)yIn1-yP(其中0≤x≤1)或GazIn1-zP(其中0≤z≤1)的通用配方所代表的半导体层形成的。当下包层、有源层和上包层由这些材料形成时，可以通过IILD成功地获得窗口区域的形成。
在根据本发明的半导体激光器中，优选地是，下包层、有源层和上包层是通过由AlrGa1-rAs(其中0≤r≤1)或GaAs的通用配方所代表的半导体层形成的。当下包层、有源层和上包层由这些材料形成时，可以通过IILD成功地获得窗口区域的形成。
本发明还提供一种用于制造半导体激光器的方法，该激光器具有在半导体基底上按照该顺序形成的下包层、包括至少一个量子阱层的有源层以及上包层，其中下包层具有高于上包层的折射率。该方法包括形成具有价带能量高于上包层价带能量的帽层，在上包层以上；从在帽层以上的某一部分注入杂质从而在垂直于半导体基底的发光端面的周围形成有源层中量子阱层和相邻有源层的各层混合结晶的部分。通过这种方法，就可能容易地制成具有在垂直于半导体基底表面的方向上用于逐渐扩展光强分布的过渡区域的半导体激光器。
本发明还提供一种用于制造半导体激光器的方法，该激光器具有在半导体基底上按照该顺序形成的下包层、包括至少一个量子阱层的有源层以及上包层，在其中下包层具有高于上包层折射率的层。该方法包括形成具有价带能量高于上包层价带能量的帽层，在上包层以上；从在帽层以上的某一部分注入杂质从而在垂直于半导体基底的发光端面的周围形成有源层中量子阱层和相邻有源层的各层混合结晶的部分。通过这种方法，就可能容易地制成具有在垂直于半导体基底表面的方向上用于逐渐扩展光强分布的过渡区域的半导体激光器。
在根据本发明的半导体激光器制造方法中，优选地是，上包层包括铍(Be)。由于铍是不倾向于发散的p型掺杂剂，所以即使当上包层在窗口区域的形成过程中被加热，铍也会不倾向于从上包层向其它层发散。
在根据本发明的半导体激光器制造方法中，优选地是，上包层是由分子束外延(MBE)方法沉积而成的。在使用铍作为p型掺杂剂的情况下，为了使用有机金属化学蒸气沉积方法(MOCVD)来沉积上包层，必须使用一种有害的有机成分。但是，在使用MBE方法沉积上包层的情况下，铍元素可以被加热和蒸发，因此铍的使用相对安全。
在根据本发明的半导体激光器制造方法中，优选地是，上包层包括镁或锌。由于镁是不倾向于发散的p型掺杂剂，所以即使当上包层在窗口区域的形成过程中被加热，镁也不倾向于从上包层向其它层发散。在MOCVD方法中锌是易于处理的掺杂剂，并且通过限制窗口区域的处理温度等，就可以容易地制成具有有利特性的半导体激光器。
根据本发明，可提供一种即使在高温操作环境中能够发出具有低椭圆比率激光的半导体激光器，而且提供一种制造这种激光器的方法。
通过结合附图以及对本发明所作的详细说明会使本发明的上述和其它
目的、特点、方面和优势变得更为显而易见。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的半导体激光器的示意性透视图；
图2是沿图1所示半导体激光器的脊部条方向的示意性剖视图；
图3示出激射激光的垂直辐射角和根据本发明的半导体激光器增益区域内有源层中的PL波长与半导体激光器窗口区域内有源层中的PL波长之间的PL波长差异间的关系；
图4A示出在没有形成窗口区域的情况下半导体激光器中的折射率分布，图4B示出仅在量子阱层和屏蔽层被混合结晶的情况下半导体激光器中的折射率分布，以及图4C示出在量子阱层的情况下MQW结构的平均折射率的变化，紧邻着有源层的n型第二下包层以及p型第一上包层被混合结晶。
图5A是用于说明在光强分布进一步发散在根据本发明的半导体激光器内的窗口区域中的示意性平面图，图5B是示出因在根据本发明的半导体激光器中的1/γ的值变化所导致的光强分布发散的平面图，以及图5C是示意性平面图，在紧邻着有源层的n型和p型包层具有低折射率的两种情况下，其示出包层折射率与窗口区域和增益区域中有源层的有效折射率之间的关系。
图6A示出激射激光的垂直辐射角和n型第一下包层与n型第二下包层之间的折射率差异之间的关系，以及图6B示出极限电流和n型第一下包层与n型第二下包层之间的折射率差异之间的关系。
图7示出n型第二下包层厚度变化与激射激光的垂直辐射角之间的关系。
图8示出距发光端面的距离和根据本发明的半导体激光器增益区域内有源层中的PL波长与窗口区域内有源层中的PL波长之间的PL波长差异间的关系。
图9是引用来自于一篇文献的平面图(1970年10月8日，D.Marcuse，B.S.T.J.卷49)。
图10A是示意性平面图，用于说明通过IILD形成窗口区域，以及图10B是示意性平面图，用于说明通过注入硅离子形成窗口区域。
图11是根据本发明另一优选实施例的半导体激光器的示意性透视图，以及
图12A是传统半导体激光器的示意性透视图，以及图12B示出在图12A中所示的半导体激光器中的折射率分布。
具体实施方式
下面将本发明的具体实施例进行说明。在本说明的附图中，相同的附图标记指示相同或相应的部分。另外，在本说明中，(AlxGa1-x)yIn1-yP(其中0≤x≤1)、GazIn1-zP(其中0≤z≤1)以及AlrGa1-rAs(其中0≤r≤1)会被分别缩写为AlGaInP、GaInP以及AlGaAs。
第一实施例
图1是根据本发明优选实施例的半导体激光器的示意性透视图。正如图1所示，本发明的半导体激光器包括n型GaAs缓冲层101，n型GaInP缓冲层102，n型(Al0.65Ga0.35)0.5In0.5P第一下包层103(厚度：2.0微米)，n型(Al0.665Ga0.335)0.5In0.5P第二下包层104(厚度：0.2微米)，包括量子阱层的不掺杂有源层105，p型(Al0.68Ga0.32)0.5In0.5P第一上包层106(厚度：0.1微米)，以及p型GaInP蚀刻中止层107，它们顺序形成在n型GaAs基底100上。
另外，作为脊状条形部分，形成一种从p型蚀刻中止层107表面部分向上突出的p型(Al0.68Ga0.32)0.5In0.5P第二上包层108(厚度：1.5微米)。p型GaInP中间波段间隔层109(厚度：0.05微米)以及p型GaAs帽层110(厚度：0.5微米)顺序形成在p型第二上包层108上。
另外，在没有形成p型第二上包层108的p型GaInP蚀刻中止层107的区域上，形成n型AlInP电流中止层120。p型GaAs接触层121和p侧电极123顺序形成在n型电流中止层120上。另外，在相对于该侧的n型基底100的表面上沉积有上面所述的半导体层，n侧电极122形成。
另外，前表面折射薄膜126和后表面折射薄膜127分别形成在垂直于n型基底100表面的发光端面124，125上。
这里，有源层105通过从n型第二下包层104一侧按照该顺序沉积以下所述的层而形成，这些层顺序是：具有50纳米厚度的(Al0.56Ga0.44)0.5In0.5P引导层；具有5纳米厚度的Ga0.5In0.5P量子阱层；具有5纳米厚度的(Al0.56Ga0.44)0.5In0.5P屏蔽层；具有5纳米厚度的Ga0.5In0.5P量子阱层；具有5纳米厚度的(Al0.56Ga0.44)0.5In0.5P屏蔽层；具有5纳米厚度的Ga0.5In0.5P量子阱层；以及具有50纳米厚度的(Al0.56Ga0.44)0.5In0.5P引导层。
n侧电极122是通过按照该顺序在n型基底100上沉积AuGe层，Ni层，Mo层以及Au层形成的。p侧电极123是通过按照该顺序在p型接触层121上沉积AuZn层，Mo层以及Au层形成的。
发光端面124上的前表面折射膜126(折射率：8％)是从Al2O3层形成的，以及发光端面125上的后表面折射膜127(折射率：90％)是通过按照该顺序在发光端面125上沉积Al2O3层，Si层，Al2O3层，Si层以及Al2O3层形成的。该半导体激光器具有900微米的共振器波长。
上述半导体层是通过MBE方法形成的，其中n型掺杂剂是Si，以及p型掺杂剂是Be。
在这种半导体激光器中，在从发光端面124，125的恒定宽度上延伸的区域(窗口区域C)被局部地混合结晶，并且窗口区域C中的有源层具有的能量波段间隙大于增益区域A中有源层的能量波段间隙。因此在窗口区域C中，半导体激光器中的光不易被吸收，这样可以防止半导体激光器端面124，125发射光的退化。这里，增益区域A指的是光被放大的区域。
通过在半导体基底100上顺序淀积从在半导体基底100的整个表面上的n型GaAs缓冲层101到p型GaAs帽层110的各个层，然后在p型GaAs帽层110上表面的两个端部上顺序形成具有35nm厚度的ZnO薄膜(未示出)以及具有200nm厚度的SiO2薄膜(未示出)，并且在510℃下对ZnO薄膜进行两个小时热处理从而消除Zn，而形成窗口区域C。在形成窗口区域C的过程中也形成过渡区域B。过渡区域B是指光强分布扩展发生变化的区域。SiO2薄膜的形成防止Zn蒸发到外界去。ZnO和SiO2薄膜在热处理后移走。如图1所示，p型GaInP中间波段间隔层109和p型GaAs帽层110的相对端部(从发光端面大约延伸出30微米的部分)被移除。
在半导体激光器中n型基底100一侧里的n型第一下包层103和n型第二下包层104具有的Al成分要低于不存在于n型基底100一侧中的p型第一上包层106和p型第二上包层108。因此，n型第一下包层103和n型第二下包层104具有的折射率大于p型第一上包层106和p型第二上包层108的折射率。因此，在半导体激光器中的增益区域A里，光强分布朝向n型基底100扩展，类似于图12A中所示的传统半导体激光器。
另外，在根据本发明的半导体激光器中，如图2中示意性剖视图所示，半导体激光器中增益区域A里的光强分布140A进一步地以垂直于n型基底100表面的方向在窗口区域C中(光强分布140C)朝向n型基底100扩散。
这一现象发生的原因会在下面进行说明。图3示出激射激光的垂直辐射角和半导体激光器增益区域内有源层中的PL波长与窗口区域内有源层中的PL波长之间的PL波长差异之间的关系。这是通过半导体激光器被形成为由在不同条件下形成窗口区域使窗口区域中的有源层具有不同PL波长而获得的。如图3所示，在PL波长差异大于或等于15纳米处(窗口区域中有源层里的PL波长短于增益区域中有源层里的PL波长15纳米或更多的地方)，激射激光的垂直辐射角随PL波长差异的增加而减少。另外，在PL波长差异大于或等于40纳米处(窗口区域中有源层里的PL波长短于增益区域中有源层里的PL波长40纳米或更多的地方)，激射激光的垂直辐射角变成小于16度，并且还通过PL波长差异的减少数量，激射激光的垂直辐射角产生变化，从而因PL波长差异的变化导致垂直辐射角变化的减少。
图4A至4C示意性地示出在不同形成条件下形成的窗口区域中有源层里的折射率分布。图4A示出在窗口区域没有形成情况下的折射率分布。图4B示出仅在量子阱层与有源层105中的屏蔽层被混合结晶的情况下折射率的分布。在这种情况中，构成有量子阱层的多量子阱(MQW)结构和有源层105中屏蔽层里的平均折射率没有改变，因此激射激光的垂直辐射角没有改变。因此，这种情况被认为是对应于图3中PL波长差异小于15纳米的情况。但.是，如图4C所示，量子阱层、n型第二下包层104和与有源层105相邻的p型第一上包层106被混合结晶，MQW结构中的平均折射率被改变，激射激光的垂直辐射角并因此改变。因此，这种情况被认为是对应于图3中窗口区域中的PL波长差异等于或大于15纳米的情况。
图5A是一平面图，其用于说明光强分布在根据本发明的半导体激光器中窗口区域里的扩展。水平轴代表相对于0微米(朝向半导体基底的距离由负值代表)有源层105厚度中心的厚度距离，以及垂直轴代表折射率。这至，将注意力引向n型第一下包层103的折射率和窗口区域和增益区域中有源层里的有效折射率之间的关系。
这里，在包层中光强分布的扩展正比于exp[-γ|x|]的数值(其中x是到MQW中心的距离)，以及该数值是扩展的指标1/γ(也就是，1/γ越大，光强分布扩展就越宽)。另外，下面的公式保持着：γ2＝(Neff 2-n2)k0 2(其中，Neff是有源层的有效折射率，n是每个包层的折射率，k0是2π/λ，以及λ是光波长)。
增益区域中n型第一下包层103的1/γ是0.488微米，窗口区域中n型第一下包层103的1/γ是0.827微米。这是因为窗口区域中有源层的有效折射率会接近于n型第一下包层103的折射率，并因此使得公式γ2＝(Neff 2-n2)k0 2中的(Neff 2-n2)数值变小，并且γ的数值也变小。
图5B示出在n型第一下包层103中因1/γ的变化所产生的光强分布扩展。水平轴代表相对于0微米有源层105厚度中心的厚度距离(朝向半导体基底的距离由负值代表)，以及垂直轴代表光强(其是相对数值，相对于n型第一下包层103和n型第二下包层104之间接口处为1的光强)。如图5B所示，虽然在1/γ为0.488微米的情况下，光强在距离朝向半导体基底有源层105厚度中心大约2.7微米处变为0，在1/γ为0.827微米的情况下，光强在距离朝向半导体基底有源层105厚度中心大约2.7微米处不会为0。这一结果表示，根据本实施例，在窗口区域中光强以垂直于半导体基底表面方向的分布要宽于其在增益区域中的分布。
同样，当增益区域中p型第二上包层108的1/γ是0.295微米时，窗口区域中p型第二上包层108的1/γ是0.338微米。因此，光强分布在窗口区域中p型第二上包层108里扩展，但是其扩展不会宽于在窗口区域中n型第一下包层103里的光强分布。
图5C示出在紧邻有源层的n型和p型包层具有低折射率的情况下，窗口区域和增益区域中有源层折射率和有效折射率之间的关系。在这种情况中，即使窗口区域中有源层的有效折射率降低，该有效折射率不会显著地接近这些包层的折射率，这是因为这些包层的折射率也具有低的折射率。因此，公式γ2＝(Neff 2-n2)k0 2中的(Neff 2-n2)数值不会变小。因此，在这种情况中，窗口区域中的光强不会有宽的扩展。
在具有不同折射率的n型和p型包层的情况下，当窗口区域中有源层的有效折射率降低时，光强分布的扩展进一步在具有高折射率的包层中增加。在本实施例中，n型包层被配制成包括具有两个不同折射率的层，并且接近有源层105的n型第二下包层104具有低于接近半导体基底100的n型第一下包层103的折射率。同样，虽然单个n型包层可以被应用于本实施例中，可由两个具有不同折射率的层所构成的n型包层是优选的，这是因为激射激光的垂直辐射角会被更大的减少。
图6A示出激射激光的垂直辐射角和n型第一下包层103与n型第二下包层104之间的折射率差异之间的关系。图6B示出极限电流和n型第一下包层103与n型第二下包层104之间的折射率差异之间的关系。当折射率差异被增加到0.003或更高时，激射激光的垂直辐射角会如图6A中所示减少，但极限电流如图6B中所示增加。为了减少激射激光的垂直辐射角，各层之间的折射率差异最好是0.003或更多，正如从图6A所示关系中可以看到的那样。同样的是，为了将极限电流设定成65mA或更小，这会在70℃的高温环境中提供高的可靠性，各层之间折射率的差异最好是0.02或更少，正如从图6B所示关系中可以看到的那样。
图7示出n型第二下包层104的厚度变化与激射激光的垂直辐射角变化之间的关系(作为“窗口区域”说明的线代表着根据本实施例的真正激射激光的垂直辐射角)。如图7中所示，激射激光的垂直辐射角首先趋于减少，然后随着增加n型第二下包层104的厚度而增加。为了使激射激光的垂直辐射角为17度或更小以适用于光盘，就希望n型第二下包层104的厚度处于大于等于0.05微米或小于等于0.9微米的范围内。在这个n型第二下包层104的厚度范围内，极限电流处于40至41mA的范围内并因此难于改变。另外，在图7中，为了进行比较而示出的增益区域中的垂直辐射角是对单独制成的半导体激光器进行测量所获得的。这种半导体激光器是通过从具有与本实施例相同结构的半导体激光器中移除窗口区域，从而在窗口区域被移除的端面处曝露出该增益区域所制成的。正如从图7中可以看到的那样，在窗口区域形成的情况下，激射激光的垂直辐射角相比于没有形成窗口区域的情况减少了。
图8示出距发光端面的距离和增益区域A中有源层里的PL波长与窗口区域中有源层里的PL波长之间的PL波长差异间的关系。即半导体激光器将会在图8水平轴上0微米点被劈开，并且劈开平面会成为半导体激光器的发光端面。在图8中，PL波长差异在窗口区域C中基本上是恒定的，但是在过渡区域B中PL波长差异逐渐地减少超过大约25微米。这里，过渡区域B的宽度被定义成将增益区域A中有源层里PL波长和窗口区域C中有源层里PL波长之间的PL波长差异从PL波长差异最大值的10％减少到90％的宽度。
图9是引用来自于一篇文献的平面图(1970年10月，D.Marcuse，B.S.T.J.卷49，No.8)，其涉及具有核心半径逐渐减少到一半的锥形光学纤维，该图对用于说明根据本发明的半导体激光器的优选过渡区域宽度。在图9中，水平轴代表变化区域的宽度(核心半径逐渐减少的区域)对核心半径没有减少的区域核心半径的比值(即变化区域宽度/核心半径没有减少的区域的核心半径)。纵轴代表着与模式转换相关的光损比率。图9中实线代表在变化区域和普通区域之间存在光滑指数锥形接口情况下的比值(核心半径没有减少的区域)。图9中虚线代表在变化区域和普通区域之间存在有角形线性接口情况下的比值。
正如图9中所示的那样，当变化区域宽度等于或小于核心半径没有减少的区域的核心半径时，光损比率超过20％(即其位于图9中D点左方的区域中)。当变化区域宽度等于或多于10倍于核心半径没有减少的区域的核心半径时，光损比率减少到10％或更少(即其位于图9中E点右方的区域中)。
在上述的说明中，核心的折射率是1.432并且包层的折射率是1。因此，在核心和包层之间有大的折射率差异，因此相信光被基本上被限制在该核心中。因此，在上述说明中核心半径没有减少的区域的核心半径被认为是对应于从有源层105的厚度中心到示出在图2中本发明的半导体激光器的p型第二上包层108上表面的距离(大约1.6微米)。
因此，以减少光损的观点来看，当本发明半导体激光器的过渡区域宽度被设定成等于或大于从有源层105厚度中心到p型第二包层108上表面的距离10倍时(大约1.6微米)，即16微米或更多，即使在从有源层105厚度中心到p型第二包层108上表面的距离逐渐朝向发光端面124减少并且在发光端面124处成为一半，光损比率的减少也是可以预期到的。
过渡区域宽度可以通过改变p型GaAs包层110的厚度来改变。为了将过渡区域的宽度设定为16微米或更多，p型GaAs包层110的厚度最好是设定成0.05微米或更多。
图10A是用来说明通过IILD形成窗口区域的平面图。为了便于进行说明，本说明相对于由MQW层、具有1.5微米厚度的铍掺杂p型AlGaInP包层以及具有0.5微米厚度的铍掺杂p型GaAs帽层三层所组成的设备进行描述，这些层按照上述顺序沉积。
在图10A中，通过对形成在p型GaAs帽层上的ZnO进行热处理，锌从ZnO薄膜被注入到p型GaAs帽层并且散播到设备中，在设备中产生诸如锌的填隙原子(镓由锌所替代，产生填隙镓原子，并且铍由锌所替代，产生填隙铍原子)。这些原子具有优选停留在p型GaAs包层的特性，这种p型GaAs包层具有比p型AlGaInP包层高的价带能量，因此在散播过程中，这些原子在p型GaAs包层和p型AlGaInP包层之间的接口处反射(参考文献；P.N.Grillot el al.，(AlxGa1-x)0.5In0.5P杂结构中接受器散播及分离，应用物理，卷91，号8，页码4891-4899，2002)。因此，即使当从ZnO薄膜的底部表面到MQW层的距离大约是2微米时，锌和类似物也会逐渐通过超过2微米的足够距离而消散，例如，在设备的宽度方向上大约25微米。因此，过渡区域可以被容易地形成在窗口区域和增益区域之间。
图10B是示意性平面图，其用于说明通过硅离子注入形成窗口区域。在这种情况下，掩膜层仅被用来屏蔽硅离子的注入并且没有特定的机构用于在设备的宽度方向产生扩散，这会在窗口区域和增益区域之间导致不合理的分界面。因此，在这种情况下，过渡区域不容易形成在窗口区域和增益区域之间。
根据本发明的典型的半导体激光器具有656纳米的激光波长，38毫安的极限电流，110K的特性温度以及1.1W/A的差值量子效率，并且能够在70℃产生140mW(负载：50％)的光输出并且可运行3000小时或更长时间。该半导体激光器具有15度的垂直辐射角，12度的水平辐射角以及1.25的椭圆比率，该椭圆比率是垂直辐射角对水平辐射角的比值。因此，在用于光盘的使用中，该半导体激光器可提供接近圆形的光点而不用成形激光。
为了进行比较，对于作为根据本发明的半导体激光器的具有相同配置的半导体激光器来说，除了没有窗口区域形成以外，执行对垂直辐射角、水平辐射角以及椭圆比率的测量。该测量示出该半导体激光器具有21度的垂直辐射角，12度的水平辐射角以及1.75的椭圆比率。
因此，根据本发明，不用改变限制在有源层中的光的数量，椭圆比率就可以从1.75改善到1.25。而且，由于限制在有源层中的光的数量没有改变，可获得如上所述有利的特性温度。
(第二实施例)
图11是根据本发明另一优选实施例的半导体激光器的示意性透视图。如图11所示，该半导体激光器包括n型GaAs缓冲层201，n型GaInP缓冲层202，n型(Al0.65Ga0.35)0.5In0.5P第一下包层203(厚度：2.0微米)，n型(Al0.68Ga0.32)0.5In0.5P第二下包层204(厚度：0.2微米)，包括量子阱层的不掺杂有源层205，p型(Al0.68Ga0.32)0.5In0.5P第一上包层206(厚度：0.1微米)，以及p型GaInP蚀刻中止层207，它们顺序形成在n型GaAs基底200上。
另外，作为脊状条形部分，形成的一种p型(Al0.68Ga0.32)0.5In0.5P第二上包层208(厚度：1.5微米)从p型蚀刻中止层207向上突出。p型GaInP中间波段间隔层209(厚度：0.05微米)以及p型GaAs帽层210(厚度：0.5微米)顺序形成在p型第二上包层208上。
另外，在没有形成p型第二上包层208的p型GaInP蚀刻中止层207的区域上，形成一种n型AlInP电流中止层220。p型GaAs接触层221和p侧电极223顺序形成在p型第二上包层208、n型电流中止层220以及p型GaAs包层210上。另外，在相对于沉积有上面所述半导体层的一侧的n型基底200的表面上，形成n侧电极222。
另外，发光端面224，225，前表面折射薄膜226和后表面折射薄膜127分别形成。
这种半导体激光器的特征在于，n型第一下下包层203具有的Al成分要低于n型第二下包层204，并且n型第二下包层204具有的Al成分等于p型第一上包层206，因此，n型第一下包层203具有的折射率大于n型第二下包层204以及p型第一上包层206，并且n型第二下包层204具有的折射率等于p型第一上包层206的折射率。
相似的是，通过使用这种半导体激光器，窗口区域C中的光强分布朝向n型基底200的扩展要比在增益区域中的光强分布要宽广，而没有减少限制在有源层中的光的数量。因此，激射激光的椭圆比率会被减少，而没有降低极限电流和特性温度。
(其它)
在上述的实施例中，具有低折射率的各层可以形成在n型第一下包层和GaInP缓冲层之间以及p型第二上包层和p型GaInP中间波段帽层之间，从而进一步减少光损。
另外，虽然在上述实施例中有源层包括多个量子阱层，但是有源层可以包括单个量子阱层。
另外，虽然引导层的混合结晶比率和屏蔽层的混合结晶比率在上述的实施例中是相等的，可引导层和屏蔽层的混合结晶比率也可以是不同的。
另外，在上述的实施例中，镁或锌，还有铍可以被作为p型的掺杂剂。在使用镁或锌作为p型的掺杂剂的情况下，希望是通过MOCVD方法来沉积半导体层。
另外，在上述的实施例中，诸如n型电流中止层的n型层可以形成在设置在窗口之上的脊状条形部分上，从而防止电流注入到该窗口区域中。
另外，在上述的实施例中，诸如硅氧薄膜或硅氮薄膜的绝缘薄膜可以替代n型电流中止层形成，从而简化半导体层的结构。
另外，在上述的实施例中，例如，原子空穴扩散方法也可以作为窗口形成的方法。
另外，虽然在上述的实施例中，下包层、有源层以及上包层是由通用配方AlGaInP或GaInP所代表的半导体层而形成，这些层可由通用配方AlGaAs或GaAs所代表的半导体层而形成。
根据本发明，提供一种即使在高温操作环境下能够发出具有低椭圆比率激光的半导体激光器，以及制备这种半导体激光器的方法。因此，可以在不降低激光利用效率的情况下使用具有简单结构的光盘拾取器，这对减少光学拾取器的尺寸和重量，或高速存取操作有贡献。
尽管已经对本发明详细进行了说明和描述，应清楚认识到的是，这些说明和例子不是对本发明的限制，本发明的精神和范围仅由所属的权利要求进行限制。

Claims (16)

1、一种半导体激光器，包括按照顺序形成于半导体基底上的一下包层，一具有至少一个量子阱层的有源层，以及一上包层，所述半导体激光器具有一窗口区域，该窗口区域包括在所述有源层中的量子阱层和与所述有源层相邻的层在垂直于所述半导体基底的表面的发光端面附近被混合结晶的部分，其中
所述下包层具有比所述上包层高的折射率，并且
在垂直于所述半导体基底表面的方向上，所述窗口区域中的光强分布比在增益区域中的光强分布扩展得更宽。
2、一种半导体激光器，包括按照顺序形成于半导体基底上的一下包层，一具有至少一个量子阱层的有源层，以及一上包层，所述半导体激光器具有一窗口区域，该窗口区域包括在所述有源层中的量子阱层和与所述有源层相邻的层在垂直于所述半导体基底的表面的发光端面附近被混合结晶的部分，其中
所述下包层包括具有比所述上包层高的折射率的层，以及
在垂直于所述半导体基底表面的方向上，所述窗口区域中的光强分布比在增益区域中的光强分布扩展得更宽。
3、根据权利要求2所述的半导体激光器，其中
所述下包层包括靠近所述半导体基底的一第一下包层以及靠近所述有源层的一第二下包层，以及
所述第一下包层具有比所述第二下包层高的折射率。
4、根据权利要求3所述的半导体激光器，其中
所述第一下包层具有比所述第二下包层高大于或等于0.003至小于或等于0.02的折射率。
5、根据权利要求3所述的半导体激光器，其中
所述第二下包层具有一大于或等于0.05微米至小于或等于0.9微米的厚度。
6、根据权利要求2所述的半导体激光器，其中
从所述发光端面按照顺序设置所述窗口区域，光强分布的扩展发生变化的过渡区域和所述增益区域，以及
在所述窗口区域中的所述有源层里的光致发光波长比在所述增益区域中的所述有源层里的光致发光波长短15纳米或更多。
7、根据权利要求2所述的半导体激光器，其中
从所述发光端面按照顺序设置所述窗口区域，光强分布的扩展发生变化的过渡区域和所述增益区域，以及
在所述窗口区域中的所述有源层里的光致发光波长比在所述增益区域中的所述有源层里的光致发光波长短40纳米或更多。
8、根据权利要求2所述的半导体激光器，其中
从所述发光端面按照顺序设置所述窗口区域，光强分布的扩展发生变化的过渡区域和所述增益区域，以及
所述过渡区域在垂直于所述发光端面的方向上具有16微米或更大的宽度。
9、根据权利要求2所述的半导体激光器，还包括：
在所述上包层上面的具有比所述上包层的价带能量高的帽层，其中
所述混合结晶是通过从所述帽层上面的一部分注入杂质并导致杂质发生扩散而获得的。
10、根据权利要求2所述的半导体激光器，其中
所述下包层、所述有源层和所述上包层是通过被通式(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中0≤x≤1，0≤y≤1或GazIn1-zP，其中0≤z≤1代表的半导体层形成的。
11、根据权利要求2所述的半导体激光器，其中
所述下包层、所述有源层和所述上包层是通过被通式AlrGa1-rAs，其中0≤r≤1，或GaAs代表的半导体层形成的。
12、一种用于制造半导体激光器的方法，该激光器具有在半导体基底上按照该顺序形成的一下包层、一具有至少一个量子阱层的有源层以及一上包层，其中所述下包层具有高于所述上包层的折射率，所述方法包括的步骤：
在上包层的上面形成一具有一比上包层价带能量高的帽层；
从在所述帽层上面的一部分注入杂质，从而形成一所述有源层中量子阱层和与所述有源层相邻的层在垂直于所述半导体基底的表面的发光端面的附近被混合结晶的部分。
13、一种用于制造半导体激光器的方法，该激光器具有在半导体基底上按照顺序形成的一下包层、一具有至少一个量子阱层的有源层以及一上包层，其中所述下包层包括具有比所述上包层高的折射率的层，所述方法包括的步骤：
在上包层的上面形成具有比上包层价带能量高的帽层；
从在所述帽层上面的一部分注入杂质，从而形成在所述有源层中的量子阱层和与所述有源层相邻的层在垂直于所述半导体基底的表面的发光端面的附近被混合结晶的部分。
14、根据权利要求13所述的方法，其中
所述上包层包含铍。
15、根据权利要求13所述的方法，其中
所述上包层是通过分子束外延法沉积的。
16、根据权利要求13所述的方法，其中
所述上包层包含镁或锌。
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