CN1463480A - 光抽运的表面发射半导体激光器件及其制造方法 - Google Patents

光抽运的表面发射半导体激光器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光抽运的表面发射半导体激光器件，该器件具有至少一个产生辐射源，该抽运辐射源具有一个边缘发射的半导体结构(30)，而且这个边缘发射的半导体结构(30)和量子阱结构(11)外延生长在一个共同的衬底(1)上。其中该抽运辐射源的边缘发射的半导体结构(30)做成一个半导体环形激光器的形状。

Description

光抽运的表面发射半导体 激光器件及其制造方法
本发明涉及权利要求1前序部分所述的一种光抽运的半导体激光器件及其制造方法。
本发明涉及一种光抽运的表面发射半导体激光器件，这种器件具有至少一个产生辐射的量子阱结构和至少一个用于该量子阱结构的光抽运的抽运辐射源，该抽运辐射源具有一个边缘发射的半导体结构。产生辐射的量子阱结构和边缘发射的半导体结构在一个共同的衬底上外延生长。
该抽运辐射源可含有一个或多个半导体激光器。这种激光器的谐振器一般相当于一个(线性的)法布里-珀罗谐振器并最好由两个高反射的反射层界定。这种半导体激光器的抽运效率主要受反射镜的质量影响。例如由于老化或辐射损伤引起这种反射镜的反射性的降低首先会减小提供的光抽运功率并由此导致量子阱结构的一个明显小的粒子反转密度或辐射效率。
本发明的目的在于，提出一种具有改进的抽运辐射源的上述光抽运半导体激光器件。此外，本发明的目的是提出这种器件的一种制造方法。
这些目的是通过权利要求1所述的一种半导体激光器件以及通过权利要求8或9所述的一种制造方法来实现的。本发明的有利改进可从从属权利要求2至7和10中得知。
根据本发明，在具有至少一个产生辐射的量子阱结构和至少一个用于该量子阱结构抽运的抽运辐射源的光抽运的表面发射光导体激光器件中，该抽运辐射源具有一个边缘发射的半导体结构，而这个半导体结构则含有至少一个环形激光器。这里的环形激光器理解为一种在运行中可构成环形模的激光器结构。此时激光谐振器的结构最好呈环形，但也不必一定为环形，这个问题尚待下面进行说明。
这种环形激光器的谐振器可用全反射界面构成，因而具有不需要高反射镜的优点，而且也减少了由于反射镜损坏所引起的小辐射效率的危险。此外，环形激光器具有大的模容量和高的模稳定性的优点。
该量子阱结构最好布置在环形谐振器以内，这样整个谐振器内部的辐射场都可用来抽运量子阱结构。在这种情况下，边缘发射的半导体结构的有源层和量子阱结构布置在衬底上方的相同高度内，是特别有利的，这样在量子阱结构的要抽运的容量和边缘辐射的半导体结构的辐射场之间达到一个大的重叠并由此获得高的抽运效率。
在本发明的一种有利改进结构中，环形激光器的谐振器由一个环形闭合的波导构成。这时抽运辐射场的导引通过波导界面上的全反射来实现，所以在这里也有利地不需要高反射镜。此外，通过环形的闭合波导的造型可使抽运辐射场很好地匹配量子阱结构的要抽运的容量。
在本发明的一种优选结构中，边缘发射的半导体结构被一种介质包围，其折射率小于半导体结构的折射率。从而在从半导体到透光的较薄的周围介质的过滤区产生一个全反射的面，这个面作为激光谐振器的界面用。为了形成环形闭合的波导，可在边缘发射的半导体结构内设置一个用来填充一种透光的较薄介质的凹槽。
由于很小的折射率，特别是空气或别的气态介质适合作周围介质。另一种解决办法是，边缘发射的半导体结构也可用另一种材料例如半导体材料、半导体氧化物或具有更小折射率的电介质包围。
半导体结构最好设计成圆形或环形的半导体圆柱层叠。这样形成的圆柱形半导体同时表示环形激光谐振器，辐射场全辐射地被导引到它的表面上。
另一种办法是，半导体结构也可设计成多角形或多角环形的棱形半导体层叠。通过这种造型可在量子阱结构中达到相当均匀的辐射分布和相当均匀的抽运密度。
上述形状的半导体层叠可相当简便地例如通过先前外延生长的半导体层序的腐蚀而成。最好边缘发射的半导体结构的激光谐振器也同时构成，而不需要附加的镜面化。
在本发明的制造方法中，首先在一个衬底上设置一个具有至少一个量子阱结构的表面发射半导体层序，然后把所设置的激光区以外的这个层序去掉，并在由此露出的区域上设置边缘发射的半导体结构。
然后去掉边缘发射半导体结构的外部区域，以形成激光谐振器。此时最好也把半导体结构内部的中央部分区域去掉，以形成环形谐振器。这些部分区域的去掉例如可用干腐蚀法来实现。其优点是，腐蚀面不需要昂贵的后处理。
本发明了制造方法的另一种选择方案是，工艺步骤也可按另一种顺序进行。例如可在该衬底上首先设置一个边缘发射的半导体结构，然后将该半导体结构在(尚待形成的)量子阱结构的预定激光区内去掉。下一步在露出的区域上设置具有最少一个量子阱结构的表面发射半导体序列。接着又去掉边缘发射的半导体结构的外部区域，以形成激光谐振器。在这个方法的一种变型方案中，也可在设置表面发射的半导体层序之前形成激光谐振器。
本发明其他特征、优点和适用性在下面结合图1至4的四个实施例来进行说明。附图表示：
图1a和1b本发明半导体激光器件的第一实施例一个示意断面图和示意俯视图；
图2本发明半导体激光器件的第二实施例的示意俯视图；
图3本发明半导体激光器件的第三实施例的示意俯视图；
图4本发明制造方法的示意图。
在各个实施例的附图中，凡是相同的或相同作用的部件都用相同的附图标记表示。
图1a表示具有1030纳米激光发射的光抽运的表面发射半导体激光器芯片的一个断面。在一个衬底1上，设置了一个缓冲层6。衬底1例如用GaAs制成，而缓冲层6则用不掺杂的GaAs制成。
在该断面图中，在缓冲层6上，在衬底1上方的中央设置了一个具有量子阱结构11的表面发射半导体激光器结构10，它确定表面发射的激光区2。半导体激光器结构10由一个直接位于该缓冲层上的第一封闭层12、一个布置在该封闭层上的量子阱结构11和一个设置在量子阱结构11上的第二封闭层13组成。封闭层12、13例如用未掺杂的GaAs制成，量子阱结构11具有例如多个(≥3)量子阱(quantum wells)，这些量子阱用未掺杂的InGaAs制成，其厚度调节到发射1030纳米。在这些量子阱之间有GaAs阻挡层。
在表面发射半导体激光器结构上方，淀积了一个具有例如28至30个周期的和一个GaAlAs(10％Al)层和一个GaAlAs(90％Al)层的布拉格反射镜3，该反射镜表示一个高反射的谐振腔反射镜。
在所示的实施例中，表面发射半导体激光器结构10在激光器运行时所需的第二个反射镜没有集成在该半导体本体内，而是作为外部反射镜设置。另一种解决办法是，这第二个反射镜也可按类似方式象反射镜3那样以未示出的方式集成在该半导体本体内。在这种情况中，该第二反射镜例如布置在缓冲层6和量子阱结构11之间设置的激光区2以内。
在激光区2的周围内，在缓冲层6上淀积一个环形激光器形式的边缘发射半导体激光器结构30。这个环形激光器的发射波长大约为1微米。
该环形激光器结构由第一包层28(例如n-GaAl0.65As)、第一波导层14(例如n-GaAl0.1As)、一个有源层16(例如用未掺杂的InGaAs制成的单量子阱)、第二波导层15(例如p-GaAl0.1As)和第二包层29(例如p-GaAl0.65As)组成。
在第二包层29上，例如可设置一个p+掺杂的GaAs层作为覆盖层17。在布拉格反射镜3的区域内，在覆盖层17上设置了一个电绝缘的掩模层7，例如一个氮化硅层、氧化铝层或氧化硅层，借助于该层确定电流注入边缘发射的半导体结构30中。在与衬底1相对的一侧上，这个激光器件被一个共同的p接触层18覆盖。
背离半导体结构的衬底1的主面除了量子阱结构11产生的辐射5的射出窗口8外都设置了一层n接触层9。
全部半导体层例如都用金属有机汽相外延(MOVPE)法制成。
图1b表示一个本发明半导体激光器件的第一实施例的俯视图。图1a断面图相当于沿剖面线A-A剖开的垂直断面。
在这个俯视图中，边缘发射的半导体结构30呈八角形，具有四个旋转对称部分和一个方形的中心孔19。要抽运的、在俯视图中呈圆形的量子阱结构11完全布置在这样构成的八角环内。这个八角环构成一个全反射的、闭合的波导形式的环形谐振器。
在这个波导中，例如用模20a、b、c表示的环状环绕的环形模在运行中起振，它们光抽运量子阱结构11。由于在外表面上的全反射，这个实施例的输出损耗是极小的，所以具有这样的优点，整个谐振器内部的辐射场都用于量子阱结构11的抽运。
由于八角环的图示造型，环形模20a、20b和20c基本上具有相同的工作状态和均匀的传播。所以在径向内(沿剖面线B-B)获得了相当均匀的辐射场并在要抽运的量子阱结构11内达到了相当均匀的抽运密度。
图2表示本发明半导体激光器件的另一实施例的俯视图。与上例的区别是，这里的全反射波导设计为圆环。要抽运的量子阱结构11完全布置在环形区以内。
在圆环形谐振器的内部可有多个环形模起振。示出的模21只表示一个可能的例子。此外，量子阱结构11被许多其他的模以高效率进行抽运。
如图2所示，为了简化，也可不要中间的孔19，这样，该谐振器就具有一个实心圆面积作为横截面。从而具有减少制造费用的优点。当然这些通过谐振器中心的模只可起振到一定的程度。这些模在谐振器边界上不是全反射，所以具有相当高的最终导致抽运效率降低的输出损耗。
图3a表示本发明的另一个实施例，其中量子阱结构11由两个相互独立的环形激光器进行抽运。这两个环形激光器原则上与第一实施例的环形激光器在结构上是相同的。
相应的波导22、23在两个区域31a、b内交叉，要抽运的量子阱结构11布置在其中的区域31a内。借助于这种带两个环形激光器的布置可进一步提高量子阱结构11的抽运密度。主要的抽运模又是例如用模20a、b、c、d、e、f来表示。象在第一实施例时所述的优点那样，这里也获得了相当均匀的抽运密度。
图3b表示图3a所示的布置的一个有利方案，它的特点是，简化了相互交叉的环形波导22和23的造型。为此，中心孔24和25的模截面被简化成三角形，而图3a中所示的中心孔26和边上的孔32则被取消。通过这种简化既具有降低制造费用的优点，而又不明显损害激光器功能。
此外，如图3b所示，还可在两个环形激光器的第二交叉区31b内构成第二个量子阱结构27。
图4表示本发明半导体激光器件的制造方法的示意图。首先例如用金属有机汽相外延法(MOVPE)在衬底1上生长缓冲层6、第一封闭层12、量子阱结构11、第二封闭层13和布拉格反射镜层3(图4a)。
然后在这个层序的表面发射的激光区2上设置一个腐蚀模4。接着例如用腐蚀去掉预定的表面发射激光区2以外的布拉格反射层3、封闭层12和13、量子阱结构11和部分缓冲层6(图4b)。
然后，在该缓冲层的露出区域上例如又是用金属有机汽相外延法依次生长第一包层28、第一波导层14、有源层16、第二波导层15、第二包层29和覆盖层17(图4c)。
紧接着去掉该半导体结构的外部区域和中间区域(未示出)，以形成全反射的闭合的波导。这可例如通过反应离子腐蚀在用合适的公知的掩模技术的情况下来实现(图4d)。
这样制成的边缘发射半导体结构的侧面不需要光补偿并构成几乎无损耗的环形激光谐振器。
最后去掉腐蚀掩模4，在布拉格反射镜3上设置电绝缘掩模层7并用p接触层18覆盖表面。衬底设置n接触面9(图4e)。
当然，结合上述实施例进行的本发明的说明不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.光抽运的表面发射半导体激光器，具有至少一个产生辐射的量子阱结构(11)和至少一个用于量子阱结构(11)的光抽运的抽运辐射源，其中该抽运辐射源具有至少一个边缘发射的半导体结构(30)，而且该至少一个边缘发射的半导体结构(30)和量子结构(11)在一个共同的衬底(1)上外延生长，
其特征为，
至少一个边缘发射的半导体结构(30)含有至少一个环形激光器。
2.按权利要求1的半导体激光器件，
其特征为，量子阱结构(11)布置在该环形激光器的谐振器的内部。
3.按权利要求1或2的半导体激光器件，
其特征为，
该环形激光器的谐振器由一个闭合的环形波导构成。
4.按权利要求1至3任一项的半导体激光器件，其特征为，
边缘发射的半导体结构(30)被一种介质包围，其折射率小于边缘发射的半导体结构(30)的折射率。
5.按权利要求1至4任一项的半导体激光器件，其特征为，边缘发射的半导体结构(30)被空气、一种别的气态介质或一种电介质包围。
6.按权利要求1至5任一项的半导体激光器件，其特征为，
边缘发射的半导体结构(30)作为具有圆形或圆环横截面的圆柱体构成。
7.按权利要求1至5任一项的半导体激光器件，其特征为，
边缘发射的半导体结构(30)作为具有多角形或多个环形状的横截面的棱柱体构成。
8.按权利要求1至7任一项的半导体激光器件的制造方法，具有如下的步骤：
-在一个衬底(1)上设置一个具有至少一个量子阱结构(11)的表面发射半导体层序；
-去掉预定的激光器区域(2)以外的表面发射半导体层序；
-在衬底(1)上方露出的区域上设置一个边缘发射半导体结构(30)；
-去掉边缘发射的半导体结构(30)的部分区域，以形成环形激光谐振器。
9.按权利要求1至7任一项的半导体激光器件的制造方法，具有如下的步骤：
-在一个衬底(1)上设置一个边缘发射的半导体结构(30)；
-在露出的该激光区以内，在衬底(1)上设置一个具有至少一个量子阱结构(11)的表面发射半导体层序；
-去掉边缘发射的半导体层序(30)的部分区域。
10.按权利要求8或9的方法，
其特征为，用干腐蚀法去掉边缘发射的半导体结构(30)的部分区域。
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