CN1404191A - 半导体激光器装置及其制作方法 - Google Patents

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田中�明
伊藤义行
渡边实
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Abstract

本发明提供的半导体激光器装置，具有：第1导电型覆盖层(103)、设置在其上的活性层(107)、设置在其上面，在其上部对激光谐振方向平行延设脊的第2导电型覆盖层(108、110)和设置在上述脊两肋的电流抑制层(113)；由上述电流抑制层限制的电流，通过上述脊的上面，注入上述活性层，上述第1导电型及第2导电型的覆盖层，由组成大致相同的半导体构成，上述第1导电型的覆盖层的层厚比上述第2导电型覆盖层包含了上述脊的层厚要大。

Description

半导体激光器装置及其制作方法
技术领域
本发明是关于半导体激光器及其制作方法，尤其是关于用于光盘驱动的拾音器而具有合适高的光输出功率的半导体激光器及其制作方法的发明。
背景技术
近几年来，广泛使用了以DVD和CD为首的各种光盘。尤其对可写入光盘的需求激增。这些当中，使用波长780nm段的AlGaAs(砷化镓铝)系半导体激光器的CD-R(可记录)/RW(可擦写)、使用波长650nm段的InGaAlP(铟镓铝磷)系半导体激光器的DVD-R(可记录)/RW(可擦写)、DVD-RAM(随机存储器)，用于这些盘的光拾取器，为了加快写入速度，需要光输出功率较高的半导体激光器，加大激光器光输出功率的需求日益在增高。
图11是表示以往InGaAlP系的脊形有效折射率波导型半导体激光器的模式图。也就是说，该图表示的是在平行于激光器光射出端面方向进行截面的截面结构。以下，按照制作顺序，说明其构成。
首先，在第1导电型n型GaAs衬底402上叠加n型InGaAlP覆盖层403、InGaAlP系MQW(多量子阱)活性层407、第2导电型P型InGaAlP覆盖层408。
其次，将P覆盖层408的局部条状以外的部分，只留下厚度h，其余腐蚀去掉，形成凸状的脊形形状。然后在P覆盖层脊的两肋和厚度h的平坦部分上面，选择生长第1导电型n型InAlP层409，作为电流抑制层。而且形成第2导电型P型GaAs层410，使之覆盖电流抑制层409和脊上部，构成脊形波导结构。
在这种n型脊形结构的半导体激光器里，由于将用于制作产生激光束的活性层407和覆盖层403、408的晶体生长，在平坦的状态下进行，然后形成脊，因此可以得到良好的结晶性，其在特性再现、可靠性方面具有非常突出的优点。
而且组成电流抑制层409的InAlP，比构成活性层407的InGaP/InGaAlP系MQW层，带隙大，因此相对激光器的振荡波长，是透明的，而且是比构成覆盖层403、408的InAlP折射率小的半导体化合物材料。为此，不仅限制了流入活性层的电流，且与使用了GaAs的电流抑制层也不同，不必吸收透过活性层的激光渗入到覆盖层的光，根据有效折射率差，在脊下的活性层部，在接触面水平方向上封闭光，就可以得到所谓的“有效折射率波导型结构”的半导体激光器。
在有效折射率型的半导体激光器中，可以得到低阈值、高效率的电流一光输出功率特性，以较小的电流赢得较高的光输出功率。但是作为电流抑制层使用了n型GaAs的“复合折射率波导型”脊形激光器的情况下，由于高功率时流入大电流，产生基于焦耳热光输出功率下降的所谓热饱和现象，防碍了光输出功率的提高。
与此相比，在有效折射率波导型激光器里，很难产生热饱和现象，与复合折射率波导型激光器相比，所能得到的最大光输出功率大幅上升。而且，在得到相同光输出功率时，自发热很小，可以在较高温度工作，高温工作特性显著提高。这种有效折射率波导型结构，适用于工作在较小光输出功率5mW～20mW的半导体激光器，应用在低电流的省电型光拾取器上，另外可以提高设计余量、生产性。
但是，这种脊形有效折射率波导型激光器有如下问题。
即，有效折射率波导型激光器，和复合折射率波导型激光器不同，不能由电流抑制层409吸收光。为此，透过活性层407的激光，在电流抑制层409下部的p型覆盖层408和电流抑制层409的“渗入”比复合折射率波导型激光器要大。这意味着，采用与复合折射率波导型激光器尺寸相同的脊制作有效折射率波导型激光器时，接触面水平方向上的发散角θ‖变小。
图12是总结了有效折射率波导型激光器和复合折射率波导型激光器中，发散角数据的一览表。在这里，构成n型覆盖层403、p型覆盖层408的InGaAlP层的Al组成，即组成式In0.5(Ga1-xAlx)0.5P中有关的Al组成x设为x＝0.7，覆盖层厚度设为1.4～1.0μm，脊底宽WL设为4.0μm或者4.5μm，P覆盖层平坦部分厚度h设为h＝0.2μm。之后，对于其设定值，模拟计算了接触面垂直方向上的发散角θ⊥和水平方向上的发散角θ‖。
看图12，可以了解到，如果覆盖层厚度相同，则垂直方向的发散角θ⊥和激光器结构无关都取相同值(23度)。另外，水平方向的发散角，把覆盖层厚度设为1.4μm、WL＝4.5μm时，在复合折射率波导型激光器的情况下，其角度为8.2度，而有效折射率波导型激光器下的角度是7.5度，不足8度。
用于DVD-R/RW/RAM、CD-R/RW的半导体激光器里，为了得到一定值以上的光盘写入坑光学结合系数，θ‖最好在8度以上。而缩小WL，设为4.0μm时，θ‖为8.1度，可以达到要求的水平。但是由于脊顶宽Wu变小，器件电阻增大，成为自发热的原因，高温特性恶化了。而且为了读取光盘，根据高频叠加进行调制，但由于器件电阻增大，很难进行良好的调制，在光拾取器的应用上产生障碍。
如图12所示，当P型覆盖层的厚度是1.0μm、脊底宽是4.0μm时，激光器器件的工作电压Vop是2.61V，与此相对，当以相同的脊宽，将覆盖层的厚度设为1.4μm时，其工作电压Vop上升到3.17V。这样，器件的工作电压升高，尤其是如果超过3V，就要大幅加大高频叠加电路输出的高频振幅，这样就招致电路电源容量的增大，实际上，将高频叠加电路集成化(IC)实现单片化变得很困难。为此，就带来了市场应用上的问题，无法实施市场需求的缩小光拾取器尺寸，减小电气电路的发热，塑料涂覆等的对策。
在这里，缩小WL，脊顶宽Wu也跟着缩小是因为，如后面详述的，作为脊的形成方法使用了湿式腐蚀方法。也就是说，用规定的腐蚀方法使之出现所特定的面方位，进行台面刻蚀形成脊。为此，脊侧面的角度决定依赖于晶体方位。结果，Wu跟着WL连动产生变化。
另一方面，如果弄薄覆盖层厚度Tp、Tn，由于脊高度变小，就可以加大基于得到相同WL的Wu。但是，如表1中覆盖层厚度设为1.0μm计算出来的θ⊥值(26度)所了解的那样，弄薄覆盖层厚度时，θ⊥显著增加。用于写入光盘驱动器的半导体激光器的垂直方向的发散角最好是25度以下，如果超过25度，与光盘的光学结合效率就会下降，这在应用上成为很大的问题。
而且，过分弄薄覆盖层厚度，透过活性层的激光，其渗透在上下覆盖层的一部分光也会渗入到n型GaAs衬底以及P型GaAs接触层，并被吸收，如表1所示，活性层的光路损耗α显著增加(5.6cm-1)。这样，有效折射率波导型激光器的优点大打折扣。
以高的光输出功率使光拾取器稳定工作时，在使用的光输出功率范围内，工作电流和光输出功率之间的关系上不能出现“弯曲”。
图13是例示工作电流和光输出功率之间的关系上产生弯曲情况的坐标图。如该图所示，弯曲在表示工作电流Iop和光输出功率Po之间关系的图表上表现为很大的折弯，在弯曲点的前后光拾取器不能稳定工作。如果也考虑长期可靠性，产生弯曲的光输出功率(统称为“弯曲电平”)，最好在所使用的光输出功率范围外，尽量是高电平。
图14是说明产生弯曲原因的概念图。即如该图(a)所示，激光器的活性层407注入电流形成发光部。然后，如图14(b)所示，横模即对活性层407的接触面平行方向的光强分布，在基模(0阶模)变化为1阶模时，产生弯曲。
拥有MQW活性层的脊形半导体激光器里，在光输出功率低的工作条件中，中央部分强度变得最大的单峰性光强分布的基模增益系数，比1阶模或者其以上模式的增益系数要高，稳定而且容易谐振。为此，到一定的光输出功率为止，可以在基模稳定工作。
但是，在光输出功率是数十mw以上的高功率条件、或者电流100mA以上的高注入电流条件中，尤其产生了多数电子—空穴对的粒子数反转分布的脊中央部分里，由于存在高强度的光电场，相反电子—空穴对的粒子数反转分布反而难以存在。这称之为“空间性烧孔效应”。而且，受多数载流子的注入折射率下降的“等离子效应”影响，伴有折射率下降，比起基模，以1阶模为首的较高阶的模会拥有最大增益，产生模式变化。
为减少这种横模变化，即使在高光输出功率、高电流注入的条件中，也要维持基模和高阶模之间的增益差。作为一种对策，可以考虑缩小有效折射率差Δneff。有效折射率差Δneff＝n1eff-n2eff越小，基模和高阶模之间的增益差就越大，其中n1eff是针对透过脊内活性层的激光的有效折射率，n2eff是针对透过脊外活性层的激光的有效折射率。
鸣原基于这种考虑，在特开平11-233883号公报中展示的AlGaAs系半导体激光器，对于活性层具有非对称的覆盖层结构，即拥有的折射率分布是P型覆盖层和n型覆盖层的折射率随着离开活性层逐渐减小，并且，要么n型覆盖层的折射率比P型覆盖层的折射率高，要么n型覆盖层的厚度比P型覆盖层的厚度大。由于这种结构，对于接触面，将垂直方向的光强分布从活性层移向n覆盖层，以此缩小Δneff，提高弯曲电平。但是，这种结构在实用上有很大问题。
例如，InGaAlP系的覆盖层In0.5(Ga1-xAlx)0.5P的折射率，取决于Al组成x。为改变折射率，必须改变制作激光器晶体的MOCVD(金属有机化学汽相沉积：Metal-Organic Chemical Vapor Deposishin)晶体生长时的Al组成。InGaAlP中的Al组成取决于，用于晶体生长的有机金属TMA(三甲基铝：Tri-Methyl Alumihum)TMG(三甲基镓：Tri-Methyl Gallium)、TMI(三三甲基铟：Tri-Methyl Indium)、磷化氢(PH3)及它们各自的处理气体流量比。半导体激光器批量生产时，为进行有再现性的晶体生长，在MOCVD晶体生长装置里，每当改变气体流量时，都要对作为控制处理气体流量的批量流量表的设定值进行校正。要实现特开平11-233883号公报中展示的结构，需要的校正时间和费用都很大，应用上很难实现批量生产。
而且，特开平11-233883号公报中展示的结构是，将P覆盖层形成为脊形后，除了注入电流的部分，用绝缘膜覆盖的所谓称之为“裸脊型”的结构，是将脊形P覆盖层的两肋用n型GaAs覆盖的复合折射率型结构。裸脊型结构，由于P覆盖层只用薄薄的绝缘膜绝缘，因此，物理上很脆弱，容易产生无效的漏泄电流。而且复合折射率型结构，作为输出较高光输出功率的激光器不是很合适。
另外，作为又一种减小横模变化的对策，可以考虑缩小脊底宽WL。当缩小脊宽时，Δneff并不变，但是高阶模的光强分布为峰值的，穿过脊周边活性层的激光，向覆盖层外漏泄光而消失，接近所谓的“波导开缝模式”，因此，高阶模的损失系数与基模的损失系数相比，高阶模的损失系数显著增大。而且，由于电流限幅减少，因此很难得到高阶模谐振所需要的脊周围部分的增益。这些效果抑制了高阶模。但是，在以往的结构里，很难进行脊的窄幅化。
用于光盘光拾取器的脊形半导体激光器里使用的GaAs衬底，要么主要以(100)作为主衬，要么以从(100)到[110]等晶体轴方向偏几度到15度之间的面，作为主衬。为了形成，脊形成后的电流抑制层，如果要进行具有良好结晶性的生长，脊两肋的侧面也要具有良好的结晶性，为除去脊两肋的蚀刻，使用(111)A面露出的反应速率快的湿式刻蚀的情况比较多。在这种蚀刻里，脊的截面，变成图11或图14所示的台形，如果缩小底部宽WL，会产生连锁反应，脊上部的宽Wu也变小。例如，WL设为4μm时，Wu就变成2μm左右。如先前说明那样，这种Wu的减小，会招致器件电阻的显著增加，会增加工作所需的偏置电压，在光盘的应有上带来障碍。
基于这些情况的考虑，野村和宫下在报告中指出，他们所制作的高光输出功率激光器，在脊形成时使用了干式刻蚀，形成具有接近矩形截面形状的脊(第47次应用物理学关系联合讲演会  讲演预稿29a-N-8、29a-N-7、2000年3月)。但是，化合物半导体里的干式刻蚀，其在衬里的蚀刻速度参差不齐。
在湿式刻蚀的情况，设置一种与脊部相比蚀刻速度明显缓慢的半导体晶体的蚀刻阻挡层，据此可以减小蚀刻深度的差异。这种蚀刻阻挡层，在脊的直接下部设置形成，由与脊部化合物半导体晶体组成不同的化合物半导体晶体构成。对此，在干式刻蚀里，很难进行反应速率快的蚀刻，因此，设置蚀刻阻挡层本身很困难。因此，精确控制对发散角和弯曲电平影响很大的脊尺寸很困难，并缺乏生产性。
发明的内容
一种半导体激光器，其特征在于具有：
第1导电型覆盖层；
设置在上述第1导电型覆盖层上面的活性层；
第2导电型覆盖层，其设置在上述活性层的上面，并带有在其上部平行于激光谐振的方向上延设的脊；
设置在上述脊的两肋上的电流抑制层；
上述第1导电型及第2导电型的覆盖层由具有大致相同组成的半导体构成，
上述第1导电型覆盖层的层厚，比上述第2导电型覆盖层包含了上述脊的层厚还要厚。
与本发明一个实施例有关的半导体激光器装置，具有：第1导电型覆盖层、设置在上述第1导电型覆盖层上方的活性层、拥有脊的第2导电型覆盖层，其设置在所述活性层的上方，在其上部，在激光器谐振方向上平行延设脊、设置在上述脊两肋的电流抑制层；这种半导体激光器的特征在于，由上述电流抑制层所限制的电流，通过上述脊的上面，注入上述活性层，上述第1导电型及第2导电型的覆盖层，由组成大致相同的半导体构成，上述第1导电型的覆盖层的层厚，比含有上述脊的第2导电型的覆盖层的层厚要大。
图示的简单说明
图1是表示本发明有关的半导体激光器装置主要部分的一剖面侧视图；
图2是图1的半导体激光器装置的光射出端面附近的剖面图；
图3是图1半导体激光器装置的谐振腔中央附近的剖面图；
图4是表示半导体激光器装置折射率分布和光强分布的模式图，该图(a)表示的是本发明的半导体激光器装置，该图(b)表示的是作为比较例子，将上下覆盖层厚度设为一致的时候，半导体激光器装置的折射率分布和光强分布；
图5是表示半导体激光器装置脊剖面形状的模式图，该图(a)表示的是本发明的半导体激光器装置，该图(b)表示的是作为比较例子，将上下覆盖层厚度设为一致的时候，半导体激光器装置的脊的形状；
图6是总结了本发明有效折射率波导型激光器的光发散角数据的一览表；
图7是表示不使用端面窗结构而形成InGaAlP系半导体激光器装置的一剖面侧视图；
图8是表示本发明第3实施例半导体激光器装置的一剖面侧视图；
图9是表示依据本发明的高功率型半导体激光器装置的剖面图；
图10是依据本发明第5实施例的半导体激光器装置的模式图；
图11是表示以往InGaAlP系脊形有效折射率波导型半导体激光器的模式图；
图12是总结了有效折射率波导型激光器和复合折射率波导型激光器发散角数据的一览表；
图13是表示工作电流和光输出功率之间的关系上产生了弯曲情况的坐标图；
图14是说明产生弯曲原因的概念图。
本发明的具体实施例
以下参考图示，说明本发明的实施例。
(第1实施例)
图1是表示本发明有关的半导体激光器装置主要部分的一剖面侧视图。
而图2是其光射出端面附近的剖面图，图3是其谐振腔中央附近的剖面图。即这些剖面图，表示的是平行于激光器光射出端面方向上进行截面的剖面结构
首先说明本实施例半导体激光器装置的主要结构，在第1导电型晶体衬底102上依次叠加着第1导电型的第1覆盖层103、MQW活性层107、第2导电型的第2覆盖层108、第2导电型的蚀刻阻挡层109，在这上面，设置着脊形的第2导电型的第3覆盖层110和第2导电型的通电容易层111。然后，在这个脊的两侧，设置第1导电型的电流抑制层113，设置第2导电型接触层114，使之覆盖这些层。然后在衬底102的里面，设置为第1导电型服务的电极101，接触层114的上面，则设置为第2导电型服务的电极115。
本发明里，略为统一第1覆盖层103、第2覆盖层108、第3覆盖层110的Al组成，在层内均一，而且第1覆盖层103的厚度Tn比第2覆盖层108和第3覆盖层110的厚度加起来的Tp要大。
这样，调好垂直方向和水平方向的光发散角的角度，可以抑制发生弯曲，也可以降低器件电阻。这些效果将在后面详述。
而且，同时统一各个覆盖层的Al组成，并且，在层内使组成一定，由此，可以不需要校正曾经是以往技术问题的批量流量表的频繁调整，具有很高的生产性。
下面，进一步详细说明关于本实施例半导体激光器装置的各个部分的构成。
首先，作为第1导电型的晶体衬底102，可以使用n型GaAs基板，作为设置在其上方的第1覆盖层103，可以使用In0.5(Ga1-xAlx)0.5P层(Al组成x＝0.7)。
作为活性层107，可以使用具有以下结构的MQW，即在一对不掺杂的In0.5(Ga1-yAly)0.5P层光导入层104之间，交替叠加不掺杂的InGaP井层105和不掺杂的In0.5(Ga1-yAly)0.5P阻挡层106。在这个MQW结构里，加上例如0～2％的压缩失真。由于引入这种压缩失真，活性层的微分增益增大，谐振阈值Ith减小，发光效率SE(SlopeEfficiency)增加，因此，可以得到较高光输出功率的同时，使作为目的的谐振模式TE模的增益比TM模增益大，稳定谐振模式。
图2及图3中，表示了将井层105做成2层的DQW(双量子阱：Double Quantum Well)结构。如果要制作高效率的数10mW以上的高功率InGaAlP系激光器，最好设定井层数为2～5个，井层的厚度为4nm～7nm的范围，井层数乘以井层厚度的总膜厚最好设定在100nm～300nm范围内。
而且，将阻挡层106及光导入层104的Al组成y设为y＝0.4～0.6，由此维持覆盖层103、108之间的带隙差，减小高功率·高温工作时的载流子过分溢出引起的漏泄电流，实现高温·高功率工作的同时，可以防止产生以下现象，即由于过于加大与覆盖层的带隙，带隙不连续引起的不能很好地注入载流子的现象。
设置在MQW活性层107上面的第2覆盖层108，可以使用P型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P。第2覆盖层与在其上形成的蚀刻阻挡层一起形成，脊结构肋的覆盖层平坦部分，提高对发散角和Δneff有很大影响的脊平坦高度h的控制精度，由此，可以提供再现性特性很突出的激光器器件。第2覆盖层108的Al组成x也设为0.7。
设置在第2覆盖层108上的蚀刻阻挡层109，可以使用P型Inq(Ga1-zAlz)1-qP，其上面的第3覆盖层110，可以使用P型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P。第3覆盖层110的Al组成也设为和第1、第2覆盖层一样的x＝0.7。
又，设在脊上部的通电容易层111，可以使用具有第3覆盖层110和接触层114中间带隙的InGaP。另外，设在脊两侧的电流抑制层113，可以使用对发光波长透明的n型InAlP，接触层114，可以使用带隙窄的P型GaAs。
而且，在射出激光的发射侧的端面上，设置对激光具有15％以下反射率的低反射膜120，与发射侧端面相反的端面上，设置对激光具有90％以上反射率的高反射膜121。这样，就可以从发射侧端面发出高效率的激光。
在以上说明的结构中，将第1覆盖层103的厚度Tn设成，比第2覆盖层108和第3覆盖层覆盖层110的厚度加起来的厚度Tp还大。以下说明这种Tn＞Tp的非对称结构的效果。
图4是表示半导体激光器装置中折射率分布和光强分布的模式图，该图(a)表示的是本发明的半导体激光器装置，该图(b)表示的是作为比较例子，将上下覆盖层厚度设为一致的时候，半导体激光器装置的折射率分布和光强分布。
又，图5是表示半导体激光器装置脊剖面形状的模式图，该图(a)表示的是本发明的半导体激光器装置，该图(b)表示的是作为比较例子，将上下覆盖层厚度设为一致的时候，半导体激光器装置的脊的形状。
首先，如图4(b)所表示，如果上下覆盖层403、408的厚度设成同一值，垂直接触面方向的光强分布，则成为以活性层407为中心轴的上下对称的分布。
与此相对，如图4(a)所示，在本发明中，将上下覆盖层的层厚设为非对称。这样，光强分布在活性层107的附近变得最大，在p型覆盖层108、110里则急剧下降，在n型覆盖层103里缓慢下降，光强分布呈现一种非对称分布。也就是说，可以减小上侧覆盖层108、110中，光分布的比例。为此，即使弄薄p型覆盖层108、110的厚度，也不会出现成为应用问题的发散角θ⊥增大等特性变化，而且，也不会招致光路损耗α的增大。也就是说，依据本发明，由形成如图图4(a)所示的上下非对称分布，可以激活有效折射率波导型激光器的优点，还可以弄薄上侧覆盖层108、110的层厚。
这样，当弄薄上侧覆盖层108、110的层厚，可以不增大元件阻抗，并使脊宽WL变细。
例如，设置如图5(b)例示的上下对称的覆盖层时，如上述图12所述，如果覆盖层403、408的层厚设为，1.1μm以下时，满足不了光发散角等激光特性的情况比较多。还有，作为脊形成方法，使用合适的湿式刻蚀时，脊侧面的倾斜角度，应晶体方位而被固定，因此，对脊宽WL2，脊顶宽Wu2的关系也被固定。其结果，为了得到适当范围内的器件电阻，脊宽WL2的下限是4.0μm～4.5μm，很难达到这个值以下。
与此相对，依据本发明，如图4(a)所示，可以激活有效折射率波导型激光器的优点，还可以弄薄覆盖层108、110的层厚。其结果，不必缩小脊顶宽Wu1，就可以缩小脊底宽WL1。也就是说，不必增大成为应用问题的器件电阻，就可以得到规定的底部脊宽WL1，激活有效折射率波导型半导体激光器的优点，可以实现高效率的，能良好地高温工作的高功率半导体激光器。
又，另一方面，要得到相同脊宽WL1时，可以比以往(Wu2)大幅加大脊顶宽Wu2。结果，可以减小器件电阻，可以改善高温工作特性和高功率特性。
而且，特开平11-233883号公报中并没有明确，在非对称覆盖层结构中，光强分布也变为非对称分布，可以看到FFP(远场模式：Far Field Pattern)的峰值略微倾向于n侧的现象。但是，依据本发明者的试制·研究的结果，采用了实用的器件参数时，倾斜角Δθ⊥是0.5度以内，如果考虑测量误差和组装误差，可以确认是没有问题的角度水平。
图6是总结了有效折射率波导型激光器光发散角数据的一览表。在这里表示的是，脊底宽WL＝4.0μm、覆盖层的层厚合计(Tp+Tn)＝一定(2.8μm)值时，改变P型覆盖层的层厚合计Tp、n型覆盖层的层厚Tn时的发散角θ⊥和θ‖，光(波导)路损耗α。
如图6所示，采用本发明的非对称覆盖层结构，n型覆盖层的层厚设为1.8μm、P型覆盖层的层厚设为1.0μm，脊底宽设为4.0μm时，工作电压Vop是2.62V。与此相比，在以往对称覆盖层结构中，覆盖层层厚设为1.4μm时的工作电压是3.17V。也就是说，采用本发明的非对称覆盖层结构时，可以降低0.55V的工作电压。为此，具有充分余量的高频叠加IC设计成为可能，可以实现用于光盘光拾取器应用上的合适的高功率半导体激光器。
当进一步缩小设置脊宽WL时，本发明就更加有效。在WL＝2.5μm～3.5μm的范围里，例如即使WL设为WL＝3.0μm，Vop是2.8V，不会超过3V。如先前讨论所明确的那样，如果可以缩小设置WL，则可以进一步提高弯曲电平，并且可以加大发散角θ‖，这时，发散角θ‖＝9度左右。由此，可以得到较高的光输出功率，并且可以实现光学结合效率较高的光盘用高功率半导体激光器装置。
如果WL小于2.5μm，在室温情况下弯曲电平会升高，但是在70℃以上的高温工作条件中，由于脊部产生自发热，温度特性会恶化。而且，使用反应速率快的蚀刻液体的处理也很困难。为此，脊宽WL最好在2.5μm～3.5μm的范围内。
又，看图6，Tp＝1.0μm～1.4μm的范围里，发散角θ⊥＝23～24度，θ‖＝8.1度，能看出是作为光盘写入用光源很合适的值。而且，即使Tp＝1.0，光路损耗α也是α＝3.4cm-1。这个值是复合折射率波导型半导体激光器的光路损耗7cm-1的一半以下，因此可以得到，使用低阈值、高效率的有效折射率型半导体激光器的优点。而且，按照本发明者做的其他评价，在Tp+Tn＝2.5μm～3.5μm的范围里，可以确认发散角θ⊥＝21～24度，对这些，本发明是适用的。
又，在本发明的半导体激光器装置中，如图2、图3所示，具有凸条结构的第3覆盖层110的脊两肋，比由InGaAlP组成的覆盖层110带隙大，并且被折射率低的化合物半导体InAlP电流抑制层113覆盖着。由此，注入的电流被限制在脊部，并且依据折射率差，透过活性层107的激光，在与接触面平行的方向上被关闭，这样就形成了透过活性层107的激光不被电流抑制层113吸收的有效折射率波导型结构。由此，可以实现高效率的高功率的光盘用半导体激光器。
而且，在本实施例的半导体激光器里，如图2所示，进行锌(Zn)扩散，在芯片(チツプ)端面附近形成作为窗区域的Zn扩散区域112。由于这个Zn扩散，在端面附近，使MQW活性层107的井层105和阻挡层106无序化到某种程度，与芯片内部的活性层107相比，可以增加带隙。为此，可以防止在芯片端面附近活性层带隙减少的所谓“带隙收缩”，可以减小端面附近活性层的光吸收。结果可以防止不可逆的端面损伤(COD：Catastrophic Optical Damage)，这个不可逆端面损伤是由端面附近的光吸收和光吸收引起的电子·空穴对进行非发光再结合产生的热引起的，而且不会产生弯曲电平以上的光输出功率引起的芯片破坏，可以实现具有高可靠性的高功率激光器。
不过，在上述的具体例子中，示出的是P型覆盖层108、110的脊以外部分厚度h设为h＝0.2μm的情况。但是为了得到良好的特性，厚度h的设置也有上下限。如果厚度h设置得比较大，脊高(＝Tp-h)就减小，而且Δneff变小，弯曲电平会上升，然而h过大，发散角θ‖会变成7度以下，不符合所需要的发散角。要具有良好的高功率特性，得到所需要的发散角，则要求h在h＝0.2μm～0.3μm的范围内。
根据这些设置，在波长650nm～660nm的短波段里，实现了CW(连续波)功率50Mw、脉冲功率70mW、可以工作在70℃以内的适于DVD-R/RW/RAM的InGaAlP系半导体激光器。
具有以上结构的半导体激光器，按照以下顺序制作。
首先，作为n型GaAs衬底102，使用以(100)为主衬，在『011』方向倾斜5度至15度方向进行光学研磨的基板，防止晶体生长时的自然超晶格的发生，使其可以在670nm以下的短波里激光振荡。在这种衬底102上，形成n型覆盖层103，n型覆盖层103由真空MO-CVD法，进行晶体生长。以后，化合物半导体层的形成上，使用相同的MOCVD晶体生长装置。由于使用减压(真空)MO-CVD，再现性很强的，良好的晶体生长成为可能。而且在衬底102和覆盖层103之间，设置n型GaAs或者n型InGaP的缓冲层，在覆盖层103及在其上形成的晶体层上，引入结晶性良好的结构也可以。
在覆盖层103上，生长光导入层104、井层105、阻挡层106，多次交替生长井层105和阻挡层106，而且由生长光导入层104，形成活性层MQW107。InGaP活性层调整以下参数，以便加上0～2％的压缩失真，调整的参数是，比起GaAs的匹配组成，稍微减少In的组成，使InGaP晶体的晶粒间隔比衬底102的晶粒间隔大0～2％。
在MQW活性层107的上面，形成第2导电型化合物半导体的P型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P第2覆盖层108。
在第2覆盖层108的上面形成第2导电型化合物半导体P型Inq(Ga1-zAlz)1-qP蚀刻阻挡层109。蚀刻阻挡层109里，q＝0＜q＜1，0z＜y，比覆盖层108要降低Al的组成，而且具有比MQW活性层107的带隙要大的组成。由于比覆盖层108降低Al的组成，使用在形成脊的反应速率快的湿式蚀刻液体的反应变为迟缓状态，形成脊的刻蚀在蚀刻阻挡层109自动停止，使之形成精确度较高的脊形。
又，由于比活性层107要加大带隙，穿过活性层107的激光的光强分布渗透到蚀刻阻挡层109时，可以防止激光被蚀刻阻挡层109吸收，可以维持良好的激光特性。
在蚀刻阻挡层109的上面，形成第2导电型P型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P第3覆盖层110。由后续进行说明的刻蚀，形成凸条状，是为形成脊形覆盖层结构的产物。这个Al组成与第2覆盖层相同略取x＝0.7。
在第3覆盖层110的上面设置InGaP通电容易层111，缓和第3覆盖层110和P型GaAs接触层114之间的带隙不连续情况，可以使激光在低电压下振荡，良好地在高温工作。
在以上的叠层结构上形成GaAs隙层后，从MOCVD晶体生长装置取出晶体基板，只在器件的端面附近选择扩散Zn。作为选择扩散Zn的一种方法，有以下方法，即在生长的整个晶体表面形成SiO2等介质膜后，只对想扩散的部分，使用光学平版印刷术去除，在去除的部分，晶体生长含有高浓度Zn的GaAs层，实施退火，进行固相扩散。
或者，也有以下方法，即ZnO2等，形成含有高浓度Zn的介质膜，依据光学平版印刷术，只留下想扩散的部分，其余部分去除，依据退火进行固相扩散。针对谐振腔长度方向的Zn扩散区域的长度(也叫窗长)，对于他们各自的端面，10μm～40μm是合适的。如果窗长不足10μm，裂开形成芯片端面时，不能确保位置精确度，很难体现窗效果。另一方面，窗长如果超过40μm，窗区域的光吸收是60cm-1左右，因此招致损耗显著、发光效率低下、振荡阈值增加，显现为不适于光盘用途的特性。
形成Zn扩散区域112后，形成SiO2等介质绝缘膜，依据光学平版印刷术，进行留有条状纹路的形成。将这个条以外部分的第3覆盖层110，使用反应速率快的蚀刻液体去除，形成凸条状的脊结构。根据蚀刻阻挡层109，决定刻蚀的始末点，形成再现性好的脊。蚀刻阻挡层109，可以就这样保留下来，但是担心经由脊肋部分的漏泄电流时，在脊形成后，可以用扩散速率快的蚀刻液体去除。
形成第3覆盖层110的脊后，对脊上部表面的介质绝缘膜，再一次用光学平版印刷术，只去除进行Zn扩散部分的上部，用MOCVD晶体装置，对脊肋进行蚀刻的区域和脊上部去除了介质绝缘膜的部分上，进行InAlP的选择性晶体生长，形成电流抑制层113。如果InAlP电流抑制层113过厚，选择生长很困难，如果过薄，电流抑制效果消失，因此，其厚度最后控制在0.2μm～0.8μm的范围内。
电流抑制层113生长后，再一次取出晶体基板，刻蚀去除介质绝缘膜。而且，在MOCVD晶体装置里，形成第2导电型化合物半导体P型GaAs接触层114，使其可以得到与P侧电极115的电阻接触。
在进行以上的晶体生长后，由蒸镀等，在P侧形成AnZn/Au等的P侧电极115，而且把n型GaAs基板研磨成60μm～150μm的厚度，在其里侧形成n侧电极101。这样，如果形成了晶片，就裂开端面，用ECR溅镀等方式，在激光射出侧的端面上形成具有20％以下反射率的低反射膜，在相反侧的端面上形成多层膜，形成具有90％以上反射率的高反射膜，进行芯片化，成为半导体激光器芯片。由以上的工序，可以实现高效率的、可以很好地高温工作的、高功率半导体激光器。
第2实施例
下面，作为本发明的第2实施例，说明端面上没有形成窗结构的半导体激光器装置。
也就是说，可以用于DVD-ROM等的光输出功率是7mW以上，20mW以下的光盘用激光器里，端面窗不是必需的东西。因此，可以不实施第1实施例所述的Zn扩散工序，可以减少处理过程数，可以提供便宜的激光器。
图7是表示这样不使用端面窗结构而形成InGaAlP系半导体激光器装置的一剖面侧视图。关于该图，对于和图1至图6所述的元素相同时，标以相同的符号，略去详细的说明。
在本实施例中，与第1实施例一样，使用有效折射率波导型结构和非对称覆盖层结构，提高产生弯曲电平的光输出功率，因此拥有高效率、低阈值等的高性能，可以抑制驱动电路的发热，并且可以实现成品率好的、生产性突出的半导体激光器。
而且，作为DVD-ROM(只读)用的光源，最好把构成覆盖层103、108的InGaAlP的Al组成设为0.7左右。而且，因为要求光发散角θ⊥＝25～32度，配合它，覆盖层的层厚合计Tp+Tn最好在Tp+Tn＝1.0～2.5μm内，尤其希望Tp+Tn在Tp+Tn＝1.5～2.5μm范围内。
又，组成活性层107的MQW结构的层厚合计最好设在100nm～300nm，井层的层厚在4～7nm，其层数最好在3～5层。而且，p型覆盖层108的脊以外部分的层厚h，最好设在0.08～0.2μm。
第3实施例
下面，作为本发明的第3实施例，说明对用于CD-R/RW等写入型光驱的780nm段的AlGaAs系半导体激光器，适用了本发明的半导体激光器装置。
图8是表示本实施例半导体激光器装置的一剖面侧视图。关于该图，对于和图1至图7所述的元素相同时，标以相同的符号，略去详细的说明。
在本实施例中，覆盖层103、108、110由AlxGa1-xAs形成，其Al组成x设为x＝0.4～0.5。而且，电流抑制层113也由AlyGa1-yAs形成，其Al组成y设为y＝0.51～0.6。又，MQW活性层107，由AluGa1-uAs井层和AlvGa1-vAs阻挡层形成，AluGa1-uAs井层的Al组成u设为u＝0.1～0.2，AlvGa1-vAs阻挡层的Al组成v设为v＝0.2～0.35。由这些参数设定，可以进行良好的闭光，可以实现低阈值·高效率的780nm段有效折射率波导型半导体激光器。
在CD-R/RW用途里，要求发散角θ⊥＝13度～19度、θ‖＝7～9度。为了得到适合于写入用光盘的发散角，将合计的覆盖层层厚Tp+Tn设在Tp+Tn＝4μm～6μm的范围内。按照模拟计算，达到非对称覆盖层结构所需要的发散角θ⊥、并且具有良好的效果的Tp范围是Tp＝2～3μm。
第4实施例
下面，作为本发明的第4实施例，对按照本发明得到的高功率型的半导体激光器进行说明。
即，16倍速以上的CD-R/RW要求的光源的光输出功率是脉冲驱动是160mW，要求这个值以上的光输出功率弯曲电平。满足所要求的发散角θ‖，并且满足这种弯曲电平时，要求脊底宽WL＝1～3μm，最好是2μm，或者这个值以下。
图9是表示满足这种要求的本发明半导体激光器装置的截面图。也就是说，该图，表示从激光器的光射出端面观察到的截面结构。关于该图，对于和图1至图8所述的元素相同时，标以相同的符号，略去详细的说明。
在本实施例中，形成脊宽WL＝1～3μm的极为狭窄的脊。形成这种窄而且高度很高的脊形状时，需要脊侧面的倾斜角度是80度以上。但是，这种急速倾斜的脊，由反应速率快的蚀刻液体形成是很困难的。于是，用使用扩散速率快的蚀刻液体的湿式蚀刻或者RIE(反应离子腐蚀：Reactive Ion Etching)等腐蚀方法，形成脊。这些腐蚀方法，在通常的覆盖层结构里，蚀刻速度的面内差异很大，特性差异亦很大，因此具有成品率很低的缺点，但由于和非对称覆盖层结构组合，减小了差异，就可以提供生产性很高的高功率半导体激光器结构。
且，图9表示的只是芯片内部结构，在端面附近进行Zn扩散，设置无序化的窗结构，由此抑制COD，这点和第1实施例相同。
而且，本实施例，同样适用于InGaAlP系的高功率激光器是不言而喻的。
第5实施例
下面，作为第5实施例，说明适用了所谓“嵌入式覆盖层结构”的本发明半导体激光器装置的具体例子。
图10是表示本实施例半导体激光器装置的模式图。也就是说，该图表示的是从激光射出端面观察到的截面结构。对于该图也是，对于和图1至图8所述的元素相同时，标以相同的符号，略去详细的说明。
嵌入式覆盖层结构是以下这种结构，即将第3覆盖层110的厚度控制在0.5μm以上，1μm以下比较的薄的厚度，进行脊的形成，被电流抑制层113埋进去后，将第2导电型化合物半导体且具有与第3覆盖层110相同组成的第4覆盖层117形成在第3覆盖层110和电流抑制层113的上面，设定第3覆盖层110和第4覆盖层117的层厚加起来的层厚，使之达到所要求的厚度Tp。
按照这种构成，使用反应速率快的湿式蚀刻形成脊成为可能，制作再现性好的高性能、高功率半导体激光器成为可能。只是，MOCVD生长次数会增加，因此考虑生产性，要么选择上述的第4实施例，要么选择本实施例。
而且，在图10表示的只是芯片内部结构，在端面附近进行Zn扩散，设置无序化的窗结构，来抑制COD这点和第1实施例相同。又本实施例也适用于InGaAlP系的高功率激光器是不言而喻的。
以上，参考具体例子，对本发明的实施例进行了说明。但是本发明，并不局限于这些具体例子。
例如，各具体例子中的半导体激光器装置的结构，不过是一个例子，即使从业者进行适当变更形成的半导体激光器，只要包含本发明的要旨，就包括在本发明范围内。
具体讲，例如在覆盖层和活性层之间设置导光的光导入层也可以。而且，象其他，半导体激光器装置的各要素的材料、导电型、杂质浓度、制作方法等，如果从业者从大家所知的范围进行适当选择，得到和本发明相同的作用效果时，也属于本发明范围内。
发明效果
如上所详述，依据本发明，可以抑制器件电阻的增加，可以提供满足适于光盘等各种用途的光输出功率、光发散角、弯曲电平、温度特性的生产性也高的半导体激光器，产业上的优点很多。

Claims (21)

1、一种半导体激光器，其特征在于具有：
第1导电型覆盖层；
设置在上述第1导电型覆盖层上面的活性层；
第2导电型覆盖层，其设置在上述活性层的上面，并带有在其上部平行于激光谐振的方向上延设的脊；
设置在上述脊的两肋上的电流抑制层；
上述第1导电型及第2导电型的覆盖层由具有大致相同组成的半导体构成，
上述第1导电型覆盖层的层厚，比上述第2导电型覆盖层包含了上述脊的层厚还要厚。
2、如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述电流抑制层，比上述覆盖层带隙宽，而且由比上述覆盖层折射率小的半导体构成。
3、如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述第2导电型覆盖层，由设置在上述脊下面的第2覆盖层和构成上述脊的第3覆盖层组成，在上述第2覆盖层和上述第3覆盖层之间，可以插入具有与这些覆盖层不同组成的半导体层。
4、如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于还具有：设置成可以覆盖上述电流抑制层和上述脊上面的第2导电型嵌入式覆盖层，上述嵌入式覆盖层，由与上述第1导电型覆盖层大致相同组成的半导体构成。
5、如权利要求4所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述第1导电型的覆盖层层厚，比包含了上述嵌入式覆盖层的上述第2导电型覆盖层层厚要大。
6、如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述活性层，具有至少叠加了2种以上半导体层的叠层结构，在激光射出端面附近，有选择地导入锌(Zn)，上述活性层的上述叠层结构在上述端面附近处于无序化状态。
7、如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述脊由反应速率快的刻蚀形成。
8、如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述
第1导电型及第2导电型的覆盖层分别由InGaAlP构成，上述第1导电型覆盖层层厚和上述第2导电型覆盖层包含了脊的层厚的合计，是2.5μm以上、3.5μm以下，
不包含上述脊的第2导电型覆盖层的层厚是0.2μm以上、0.3μm以下。
9、如权利要求8所述的半导体激光器装置，其特征在于，对上述激光谐振方向垂直的方向看到的上述脊底部宽是2.5μm以上、3.5μm以下。
10、如权利要求8所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述活性层，具有将井层和阻挡层交替叠加的多量子井结构，上述多量子井结构中，上述井层的的层数是3个以上5个以下，上述井层的层厚分别是4nm以上、7nm以下，都加上了0％以上2％以下的压缩失真。
11、如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述第1导电型及第2导电型的覆盖层分别由InGaAs构成，上述第1导电型覆盖层的层厚，和包含了上述脊的上述第2导电型覆盖层层厚的合计是4μm以上，6μm以下，上述脊的侧面倾斜角是80度以上，对上述激光谐振方向垂直的方向看到的上述脊底宽是2μm以上、3μm以下。
12、权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，在激光射出侧端面设置对上述激光具有15％以下反射率的反射膜，在上述射出侧端面相反侧的端面上，设置对上述激光具有90％以上反射率的反射膜。
13、一种半导体激光器装置，其特征在于，具有：
第1覆盖层；
设置在上述第1覆盖层上面的活性层；
第2覆盖层，其设置在上述活性层的上面，具有在平行于激光谐振的方向上延设的脊；
上述第1及第2覆盖层由具有大致相同组成的半导体构成，上述第1覆盖层的层厚，比上述第2覆盖层包含了脊的层厚还要厚，发散到上述第1及第2覆盖层的光强分布，作为上述活性层的峰值，向上述第1覆盖层缓缓下降，而向上述第2覆盖层急速下降。
14、如权利要求13所述的半导体激光器装置，其特征在于，还具有设置在上述脊的两侧的电流抑制层。
15、如权利要求14所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述电流抑制层由比上述覆盖层带隙宽、且比上述覆盖层折射率小的半导体构成。
16、如权利要求13所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述活性层具有至少叠加了2种以上半导体层的叠层结构，在激光射出端面附近，有选择地导入锌(Zn)，上述活性层的上述叠层结构在上述端面附近处于无序化状态。
17、如权利要求13所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述脊由反应速率快的蚀刻形成。
18、一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，具有：
形成第1导电型的第1覆盖层的工序、
在上述第1导电型的覆盖层上形成上述活性层的工序、
在上述活性层上形成第2覆盖层的工序，该第2覆盖层由和上述第1覆盖层组成大致相同的半导体构成、
在上述第2覆盖层上，形成蚀刻阻挡层的工序，该蚀刻阻挡层由和第2覆盖层组成不同的半导体构成、
形成第3覆盖层的工序，第3覆盖层形成如下，即，形成在上述蚀刻阻挡层的上面，由在层厚方向上具有一定折射率，且具有与上述第2覆盖层大致相同组成的第2导电型半导体构成，其层厚和上述第2覆盖层的层厚加起来的层厚，比上述第1覆盖层的层厚要小、
在上述第3覆盖层的上面形成条状掩模的工序、
将上述条状掩模没有被覆的上述第3覆盖层，用反应速率快的蚀刻液刻蚀，形成脊的工序、
在上述脊的两肋形成电流抑制层的工序。
19、如权利要求18所述的半导体激光器装置的制作方法，其特征在于还具有，上述活性层带有至少叠加了2种以上半导体层的叠层结构，通过有选择地导入锌(Zn)，在激光射出端面附近，使上述活性层的上述叠层结构成无序化状态的工序。
20、如权利要求18所述的半导体激光器装置的制作方法，其特征在于，形成上述脊后，由扩散速率快的湿式蚀刻液，刻蚀去除露在脊两侧的上述蚀刻阻挡层。
21、如权利要求1或13所述的半导体激光器装置，其特征在于，上述第1覆盖层及第2覆盖层，分别在层厚方向上具有一定的折射率。
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