CN1302589C - 半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包含一个衬底(101)和至少两个有源层(103、106)的半导体激光器，其中分别包含所述有源层(103、106)的两个谐振器(201、204)相互平行布置，并且其中在所述谐振器(201、204)中，所述有源层(103、106)的注入电流区具有不同的长度。这样，在本发明所述的双波长激光器中，通过克服由解理确定的对所述谐振器(201、204)的长度限制，能够独立地设计和制造不同特性的诸如红色激光器和红外激光器等多个激光器的有效谐振器长度，采用适于各个理想特性的谐振器长度，并且提供具有改善的激光特性的半导体。

Description

半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于DVD-RAM(数字多功能光盘随机存储器)、DVD-R(可录数字多功能光盘)、DVD-RW(可重复擦写数字多功能光盘)、DVD+R、DVD+RW、CD-R(可录光盘)、CD-RW、DVD-ROM(数字多功能光盘只读存储器)、CD-ROM、DVD-视频、CD-DA和其它光盘设备或者用于象光学信息处理、光通讯或者光学测量等的半导体激光器及其制造方法。
发明背景
使用波长在650nm区的基于AlGaInP的红色激光器作为例如DVD-RAM的读写检波器(pickup)光源。另一方面，使用波长在780nm区的基于AlGaAs的红外激光器作为例如CD-R的读和写检波器光源。为了处理两种盘片，需要在单个驱动器中提供红色和红外两种激光器。因此，现在广泛使用配置有两种集成光学单元的用于DVD和CD的驱动器。
然而，由于近年来对于小型化、更低成本和更简单的光学系统装配工艺的需求，有一个正在增长的双波长激光器的商业应用的趋势，从而提出了在单个衬底上集成两个激光器的单片集成光学单元的这些需求。JP2000-11417A是这种双波长激光器的一个常规例子。这提出了一种单片电路激光器，其中650nm波长区的基于AlGaInP的红色激光器和780nm波长区的基于AlGaAs的红外激光器整体式地集成在GaAs衬底上，其中在单片集成光学单元上设置配置有用于CD和DVD两者的激光器的光学检波器。
以与常规激光器类似的方式，对于双波长激光器来说，通过解理(cleaving)形成所述谐振器。由于所述谐振器的长度由在两端解理的位置来确定，因此所述红色激光器和所述红外激光器自然具有相同的谐振器长度。所述谐振器的长度是影响例如最大光输出、阈值震荡电流和效率等激光器特性的参数之一。然而，在双波长激光器的情况下，存在不能独立地优化所述红色激光器和所述红外激光器的限制。
例如，在整体集成高功率红色激光器和高功率红外激光器的激光器中，如果要实现所述红色激光器的200mW的高功率，那么实际上所述谐振器的长度必须至少为900μm。然而，当所述红外激光器的谐振器长度至少为900μm时，工作电流增加到比常规激光器的工作电流大，存在功耗增加，从而存在例如元件的加速热退化等有害影响的问题。因此，由于这种情况，可能难以增加双波长激光器的输出。
发明内容
本发明所述的一种半导体激光器设置有一块衬底和至少两个有源层，其中分别包含所述有源层的两个谐振器相互并行布置，并且其中在所述谐振器中，所述有源层的注入电流区具有不同的长度。
通过下列步骤提供一种本发明所述的制造半导体激光器的方法：在衬底上依次层叠第一导电型的第一型覆盖层、第一有源层和第二导电型的第一覆盖层以形成第一层叠结构；从所述衬底的一个预定区域去除所述第一层叠结构；在包含所述第一层叠结构的所述衬底之上依次层叠第一导电型的第二覆盖层、第二有源层和第二导电型的第二覆盖层以便形成第二层叠结构；除去所述第一层叠结构之上形成的所述第二层叠结构；在所述第一层叠结构和所述第二层叠结构之上的一个预定区中形成由一个杂质扩散源构成的层；以及加热所述衬底并且将杂质从由一个杂质扩散源构成的所述层扩散到直接位于其下面的所述第一层叠结构和所述第二层叠结构中，以便至少使所述第一有源层或者所述第二有源层的一部分无序(disorder)，其中所述第一层叠结构的杂质扩散区的所述谐振器方向的宽度和所述第二层叠结构的杂质扩散区的所述谐振器方向的宽度相互不同。
附图简述
图1A是本发明实施例1的双波长激光器的截面图，图1B是沿图1A的I-I线的截面图，并且图1C是沿图1A的II-II线的截面图；
图2是本发明实施例1的双波长激光器的透视图；
图3A至3D是本发明实施例1的双波长激光器的制造工艺的截面图；
图4A至4B是本发明实施例1的双波长激光器的制造工艺的截面图，并且图4A’至4B’是其平面图；
图5A至5D是本发明实施例1的双波长激光器的制造工艺的截面图；
图6是谐振器长度为700μm的双波长激光器的电流与光输出特性的关系曲线图；
图7是谐振器长度为1000μm的双波长激光器的电流与光输出特征的关系曲线图；
图8是本发明实施例1的双波长激光器的电流与光输出之间特性的关系曲线图；
图9A是本发明实施例2的高功率和低功率红色激光器单片集成芯片的平面图，图9B是沿图9A的III-III线的截面图，并且图9C是沿图9A的IV-IV线的截面图；
图10A至10E是本发明实施例2的高功率和低功率红色激光器单片集成芯片的制造工艺的截面图；
图11是本发明实施例2的双波长激光器的电流与光输出之间特性的关系曲线图。
本发明的详细描述
对于根据本发明的双波长激光器来说，通过采用一种结构，阻止电流从所述激光器的任意一个刻面(facet)或者两个刻面向着所述谐振器的中央注入到一部分区域的有源层中，能够独立地控制有效谐振器长度的各个长度，也就是，贡献于激光器振荡的所述有源层在所述谐振器方向的长度。由此，实现了所述红色和红外激光器的谐振器长度的最佳设置，并且能够提高所述激光器特性。
在本发明中，如果其中将电流提供给所述有源层的区域中的所述谐振器的长度对于所述红色激光器来说为1000μm，对于所述红外激光器来说为700μm，那么能够实现一种设备，其中每个激光器都具有理想的工作电流、光输出和温度特性。
在本发明中，优选“相互平行布置的两个谐振器”之间的平行度可以允许离平行有不超过±1度的偏差。
优选所述有源层中的至少一层是有量子阱构成。通过提供量子阱，除了具有与常规激光器相同的效果，即关于注入载流子由于发光效率增加而导致工作电流密度降低之外，如果利用量子阱结构进行Zn扩散，因为由于晶体无序将发生带隙的增加，如果将这种情况应用到有效谐振器长度短的元件的非增益区(不注入电流的区)，那么能够防止诸如像由光吸收引起的工作电流增加等所述特性的退化。
优选在从一个或者两个刻面向着至少一个谐振器的中央延伸的一部分区域中，形成其中电流不注入所述有源层的区，并且优选通过使所述两个谐振器之间不注入电流的所述区域的长度互不相同，来使向其注入电流的所述区域在所述有源层的谐振器方向的长度不同。这是因为，由于红色激光器比红外激光器的载流子限制较弱和热阻较大，并因此，由于热饱和而对光输出的限制低，由于通过增加所述谐振器的长度，刻面反射损耗和热耗散增加，因而必须实现改善的温度特性和高功率。另一方面，当将所述红外激光器的所述谐振器长度增加到与所述红色激光器的所述谐振器相同的长度时，由于发光面积的增加，所述工作电流比常规的单波长激光器显著增加。
优选，其中传播光的区域的半导体层的带隙能量比在所述有源层发射的所述光波长的能量高，其中在该区域中电流不注入到所述有源层中。这是因为当该带隙区小于由所述有源层发射的所述光波长的能量时，将发生光吸收，并且这将引起诸如象所述阈值电流和工作电流以及光输出损耗的增加等特性的恶化。
优选，分别通过包含(AlxGa1-x)yIn1-yP(其中0≤x≤1且0≤y≤1)和AlzGa1-zAs(其中0≤z≤1)的层构成所述两个有源层，并且优选由所述两个有源层得到的波长分别为至少630nm且至多690nm以及至少760nm且至多810nm。这是由于对于从DVD型光盘和CD型光盘读取和向其写入来说需要这些波段的激光。
优选，从所述两个有源层得到的从单面发射的最大光输出至少为80mW。这是以至少两倍速将数据写到所述光盘上所需的光输出。
优选，在从一个或者两个刻面向着所述谐振器中央的方向上，通过杂质扩散或者杂质注入引起的无序将至少一个谐振器的所述量子阱有源层的至少一部分的带隙展宽；优选设置一个电流阻挡层，或者除去与一条电流注入通路对应的半导体层或者电极的一部分，从而所述电流不被注入，并且从刻面向着所述谐振器的中央进行该工艺的长度在所述两个谐振器之间相互不同。通过采用这样的制造方法，可以精确地控制发光刻面之间的间隔，并且能够形成其中每个都具有最佳谐振器长度的元件。
优选，通过包含(AlxGa1-x)yIn1-yP(其中0≤x≤1且0≤y≤1)的层构成至少两个所述有源层，并且在所述两个有源层中，在至少2mW的光功率下，具有较高的最大光输出的所述元件的光输出至少为50mW，具有较低输出的所述元件的工作电流至多为35mA。通过将一个元件设置为能够写盘的高功率激光器，将另一个元件设置为能够在低工作电流下读盘的低功率激光器，由于读数据时的功耗能够降低到比使用单个高功率激光器来读写光盘的常规光盘装置低的水平，因此便于例如便携式DVD等产品的开发。
在根据本发明所述的双波长激光器中，通过克服由所述解理确定的所述谐振器长度的限制，能够独立地设计和制造不同特性的多个激光器例如红色激光器和红外激光器的有效谐振器长度，并因此通过采用适于各个理想特性的谐振器长度，能够提高所述激光器的特性。
下面介绍本发明的实施例。
实施例1
图1A至1C和图2示出了本发明实施例1的一个200mW级光输出双波长高功率激光器。图1A是其平面图，图1B是沿图1A的I-I线的截面图，图1C是沿图1A的II-II线的截面图，且图2是其透视图。相同的符号表示相同的材料或者部件。
图3A至3D、图4A至4B’和图5A至5D是示出本发明实施例1的半导体激光器的制造工艺的截面图(然而，图4A’和4B’是平面图)。结合图3至图5来介绍所述制造工艺。
(1)如图3A所示，在n型GaAs衬底101上依次层叠红外激光器n型覆盖层102、红外激光器有源层103和红外激光器p型覆盖层104。通过量子阱结构构成所述红外激光器有源层103。
(2)如图3B所示，从包含红色激光器区的一部分区域除去所述红外激光器n型覆盖层102、所述红外激光器有源层103和所述红外激光器p型覆盖层104。
(3)如图3C所示，依次层叠红色激光器n型覆盖层105、红色激光器有源层106和红色激光器p型覆盖层107。通过量子阱结构构成所述红色激光器有源层106。
(4)如图3D所示，从包含红外激光器区的部分区域除去所述红色激光器n型覆盖层105、所述红色激光器有源层106和所述红色激光器p型覆盖层107。
(5)如图4A和4A’所示，在离所述红色激光器p型覆盖层107的两个端面的距离直到10μm的区中以及分别离所述红外激光器p型覆盖层104的端面的距离直到10μm和310μm的区中形成氧化锌膜301。
(6)如图4B和4B’所示，通过将由所述氧化锌膜形成的区202、203、205和206加热，Zn扩散到直接在每一个所述区下面的所述有源层中。通过该工艺，通过将形成所述有源层的量子阱层和与其相邻的所述阻挡层的异质结无序化来拓宽所述带隙。该区对于从所述有源层发射的光波长来说是透明的。加热之后除去所述氧化锌膜。所述区域201和204的长度分别为680μm和980μm。
(7)如图5A所示，蚀刻所述红外激光器p型覆盖层104和所述红色激光器p型覆盖层107的一部分，以便分别在它们上面形成一个条形台面结构。所述台面上部的宽度为1μm，下部的宽度为3μm。
(8)选择性再生长电流阻挡层108，如图5B所示。
(9)进行接触层109的再生长，如图5C所示。
(10)如图5D所示，将所述红外激光器和所述红色激光器之间的边界附近区域向下蚀刻到所述衬底101以分离所述元件。在除区域202和203之外的区域中的所述红外激光器上和除所述区域205和206之外的区域中的所述红色激光器上形成p侧电极110和111。此外，将n侧电极112汽相淀积到所述衬底的下部，形成一个元件。
应该注意到，表1中给出了每一层的材料、导电类型、膜厚度和载流子浓度。
                                         表1
层 材料 导电类型 膜厚 载流子浓度
  衬底101   GaAs:Si   N   1×1018cm-3
  红外激光器n型覆盖层102 (Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P:Si N 1.0μm 1×1018cm-3
  红外激光器有源层103 GaAs/Al0.4Ga0.6As量子阱
  红外激光器p型覆盖层104 (Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P:Zn P #1) 5×1017cm-3
  红色激光器n型覆盖层105 (Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P:Si N 1.0μm 1×1018cm-3
  红色激光器有源层106 Ga0.45In0.55P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P量子阱
  红色激光器p型覆盖层107 (Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P:Zn P #1) 3×1017cm-3
  电流阻挡层108 Al0.5In0.5P:Si N   0.35μm#2) 1×1018cm-3
  接触层109   GaAs:Zn   P   2.5μm   1×1019cm-3
(备注)
#1)所述高台之内的部分为1.4μm，所述高台之外的部分为0.2μm。
#2)这是在垂直于所述衬底的方向生长在该区域中的膜厚。
本发明提供了所述红外激光器的所述电流注入区201和所述红色激光器的所述电流注入区204在谐振器方向的长度差。
在常规的双波长激光器的情况下，所述红外激光器和红色激光器的所述谐振器的长度是相同的。图6示出了当两个谐振器的长度都为700μm时，双波长激光器的红色激光器和红外激光器的电流/光输出之间的特性。由于180mW附近的热饱和，不能得到所述红色激光器的所期望的光输出。为了得到大于200mW的光输出，需要增加所述红色光激光器的所述谐振器的长度。
另一方面，图7示出了当两个谐振器长度都为1000μm时，所述双波长激光器的红色激光器和红外激光器的电流和光输出之间的特性。所述红外激光器和所述红色激光器都实现了大于200mW的光输出，然而，由于所述有源层体积增加，所述红外激光器的工作电流大于其谐振器长度为700μm的激光器的工作电流。这样，当安装在电池驱动的便携设备中时，由于增加的电功耗，因此其中电池能够工作的时间短于电池在使用分离激光器的设备中能够工作的时间。
在本实施例中，所述红外激光器和所述红色激光器的有效谐振器长度分别为680μm和980μm。所述红外激光器的谐振器的实际长度为1000μm，然而其中不注入电流的区设置成从一个刻面直到310μm的范围，且从另一个刻面直到10μm的范围，这样由于这些区不贡献于光发射，因此也不存在由光吸收引起的导波损耗，并且由于使所述量子阱有源层无序，因此所述带隙展宽了。结果，如图8所示，虽然所述红色激光器实现了200mW的光输出，但是所述红外激光器的工作电流表现出与具有700μm谐振器长度的元件的工作电流相当的值。应该注意到，无电流注入区和无序有源层区设置在所述红色激光器的两个面的10μm范围内的区中。然而，设置这些区是为了避免由所述刻面处的光吸收引起的光学击穿。
实施例2
图9A是本发明实施例2的高功率/低功率单片红色激光器的平面图，图9B是沿图9A的III-III线的截面图，图9C是沿图9A的IV-IV线的截面图。
图10A至E是示出本发明实施例2的半导体激光器的制造工艺的截面结构图，这里介绍图10A-E中的所述制造工艺。
(1)如图10A所示，低功率激光器n型覆盖层402、有源层403和p型覆盖层404依次层叠在n型GaAs衬底401上。通过量子阱结构构成所述有源层403。应该注意到，本实施例的所述高功率激光器的n型覆盖层405、有源层406和p型覆盖层407分别类似于前面介绍的所述层。
(2)如图10B所示，蚀刻所述p型覆盖层404和407的一部分，以形成一条脊型波导通路。
(3)如图10C所示，进一步将所述p型覆盖层404和407的一部分蚀刻到所述衬底401，以分离所述低功率激光器和所述高输出激光器的元件。在本实施例中，所述低功率激光器的谐振器宽度小于所述高输出激光器的谐振器宽度，以便减小所述低功率激光器的工作电流。
(4)如图10D所示，将Zn扩散到直接位于由图9中的编号502、503、505和506表示的区下面的所述有源层中。图9的所述区501和504的长度分别为480μm和980μm。
(5)如图10E所示形成一个p侧电极408和一个n侧电极409。
图11示出了该元件的电流/光输出之间特性的关系曲线图。一方面，所述高输出激光器实现了大于200mW的光输出，另一方面，所述低功率激光器通过20mW量级的电流实现了10mW光输出，这样的光输出是在低工作电流下进行读取所必需的。
用于重写DVD的常规的高功率红色激光器具有长的谐振器长度，因此当工作在低功率下读取数据时，所述工作电流高于其谐振器长度短的低功率、只读红色激光器的工作电流。但是，如本实施例所示，通过将有效谐振器长度不同的两个红色激光器单片集成，并且使用谐振器长度长的所述高功率激光器来写数据和谐振器长度短的所述低功率激光器来读取数据，能够利用比常规功耗低的光学检波器来读取数据，而不损失数据写入能力。
以这种方式，本发明并不限于双波长激光器，还可以应用到类似波长的激光器的单片集成当中。
在不离开本发明的精神和本质特征的情况下，可以以其它方式实施本发明。本申请公开的所述实施例在所有方面都应认为是示意性的而非限制性的。本发明的范围由附加的权利要求书表示，而不是由前面的介绍表示，并且在所述权利要求书的等效含义和范围内的所有改变都应被包括在其中。

Claims (15)

1、一种半导体激光器，包括：
一个衬底；以及
至少两个有源层，
其中分别包括所述有源层的两个谐振器相互平行布置；以及
其中在所述谐振器中，所述有源层的电流注入区具有不同的长度，在从至少一个谐振器的一个或两个端面向谐振器中央的一部分区域，形成电流不注入到有源层的区域；
在电流不注入到所述有源层的区域中，传播光存在的区域的半导体层的带隙能量大于有源层的发射光的波长的能量。
2、根据权利要求1所述的半导体激光器，
其中分别从所述至少两个有源层得到的发射光的波长不同。
3、根据权利要求2所述的半导体激光器，
其中至少一个所述有源层由量子阱构成。
4、根据权利要求1所述的半导体激光器，
其中所述两个谐振器在所述谐振器长度方向的端部具有刻面，
其中在从一个或者两个刻面向着至少一个谐振器的中央延伸的一部分区域中，形成一个区域，其中电流不注入所述有源层，以及
其中通过使所述两个谐振器中的不注入电流的区域的长度互不相同，从而使向其注入电流的所述有源层的区域在所述谐振器方向的长度互不相同。
5、根据权利要求1所述的半导体激光器，
其中通过包含(AlxGa1-x)yIn1-yP和AlzGa1-zAs的层分别构成所述两个有源层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，以及
其中由所述两个有源层得到的波长分别至少为630nm且至多690nm以及至少760nm且至多810nm。
6、根据权利要求5所述的半导体激光器，
其中从所述两个有源层得到的、来自位于谐振器长度方向的端部的单个刻面的最大光输出都至少为80mW。
7、根据权利要求4所述的半导体激光器，
其中通过杂质扩散或者杂质注入而导致的无序在从一个或者两个刻面向着所述谐振器中央的方向拓宽了至少一个谐振器的至少一部分所述量子阱有源层的带隙，
其中提供一个电流阻挡层，或者除去与一条电流注入通路对应的半导体层或者电极的一部分，使得电流不被注入；以及
其中在所述两个谐振器之间，分别从刻面向着谐振器中央方向的长度是不同的。
8、根据权利要求1所述的半导体激光器，
其中分别从所述有源层得到的最大光输出是不同的。
9、一种制造半导体激光器的方法，所述方法包括：
在衬底上依次层叠第一导电型的第一覆盖层、第一有源层和第二导电型的第一覆盖层以形成第一层叠结构的步骤；
从所述衬底的一个预定区域除去所述第一层叠结构的步骤；
在包括所述第一层叠结构的所述衬底上依次层叠第一导电型的第二覆盖层、第二有源层和第二导电型的第二覆盖层以形成第二层叠结构的步骤；
将形成在所述第一层叠结构上的所述第二层叠结构除去的步骤；
在所述第一层叠结构和所述第二层叠结构上的一个预定区域中形成由一个杂质扩散源构成的层的步骤；以及
加热所述衬底，并且将杂质从由一个杂质扩散源构成的层扩散到直接位于其下面的所述第一层叠结构和所述第二层叠结构中，以使至少所述第一有源层或者所述第二有源层的一部分无序的步骤，
其中所述第一层叠结构的杂质扩散区的沿所述谐振器方向的宽度和所述第二层叠结构的杂质扩散区的沿所述谐振器方向的宽度彼此不同。
10、根据权利要求9所述的制造半导体激光器的方法，
其中在所述第一层叠结构上面由一个杂质扩散源构成的层在所述谐振器方向的宽度与所述第二层叠结构上面的所述层的宽度相互不同。
11、据权利要求9所述的制造半导体激光器的方法，
其中在所述谐振器中，所述第一有源层的电流注入区具有与所述第二有源层的电流注入区不同的长度。
12、根据权利要求9所述的制造半导体激光器的方法，
其中所述第一有源层和所述第二有源层中的至少一个具有量子阱结构。
13、根据权利要求9所述的制造半导体激光器的方法，
其中从所述第一有源层发射的光的波长与从所述第二有源层发射的光的波长相互不同。
14、一种制造半导体激光器的方法，所述方法包括：
将一个第一导电型的覆盖层、一个有源层和一个第二导电型的覆盖层依次层叠到一个衬底上以形成一个层叠结构的步骤；
处理所述第二导电型的覆盖层以形成平行布置的至少两个脊条状结构的步骤；以及
从包括所述至少两个脊条状结构的所述层叠结构的上面扩散杂质以使直接位于至少一个所述脊条状结构下面的所述有源层的一个部分无序的步骤；
其中直接位于所述脊条状结构的一个脊条状结构下面的所述杂质扩散区的沿所述谐振器方向的宽度与直接位于另一个脊条状结构下面的所述杂质扩散区的所述谐振器方向的宽度相互不同。
15、根据权利要求14所述的制造半导体激光器的方法，其中直接位于所述一个脊条状结构下面的所述有源层的增益区在所述谐振器方向的长度与直接位于所述另一个脊条状结构下面的所述有源层的增益区在所述谐振器方向的长度相互不同。
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