CN1677777A - 半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器1，电流阻挡层19在发光端和发光端的相对一端覆盖在光学谐振器的纵向上延伸的p－型第二覆层17和p－型覆盖层18，在光波导中形成无电流注入区。发光端上的电流阻挡层19被制作得足够大，使得从电流注入区流入的载流子不会到达发光端面，分布在发光端面的近场内的光强度被高度集中，能够扩大发出的激光束的水平发散角度。这种结构有可能优化覆层厚度和电流注入区尺寸之后，独立地扩大水平发散角度。

Description

半导体激光器
技术领域
本发明涉及到半导体激光器，具体涉及到与增大激光束输出无关地扩展水平发散角度的技术。
背景技术
诸如CD(压缩光盘)和DVD(数字化通用光盘)等光盘近来已得到广泛的应用。对可记录光盘设备的需求迅速扩大，因为消费者普遍采用光盘作为合适的介质来记录以AV(视听)内容为代表的大量数字信息。
光盘设备的记录速度随着光学激光头(pick-up)中使用的半导体激光器的光输出功率增大而得以改善。写入速度的改善为用户提供了进一步的便利并已成为产品的主要卖点。
由此导致对装备需求的是增大光输出，例如是用于CD-R(可记录)和CD-RW(可擦写)的光学激光头中使用的780-nm AlGaAs半导体激光器，以及用于DVD-R，DVD-RW和DVD-RAM(随机存储器)的光学激光头中使用的650-nmInGaAlP半导体激光器。
对于在光学激光头中使用的半导体激光器，在增大光输出的同时，要求发射的激光束具有尽可能大的水平发散角度θ||，最好是7.5度以上。
这是因为激光束在小水平发散角度θ||下难以聚光，因而在与光盘介质上的地址坑光学耦合时不能获得理想的耦合系数，导致噪声和抖动。
目前已经出现了能满足这些需求的半导体激光器(例如可参见日本专利申请公开2003-78208号；以下称为“参考文献1”)。
参考文献1披露了一种脊形半导体激光器，它具有第一传导型覆层，设置在第一传导型覆层上的有源层，设在有源层上并具有与谐振器的纵向平行延伸的一个脊的第二传导型覆层，以及设在脊的任一侧面的电流阻挡(currentblocking)层。该发明的特征包括用电流阻挡层限制通过脊的上表面注入有源层的电流，第一传导型覆层的厚度要大于包括脊的第二传导型覆层的厚度。
按照普遍公知的脊的一般形状，在与谐振器的纵向垂直的截面上是梯形，该梯形上底比下底要短，而且，缩短下底宽度能获得具有较大水平发散角度θ||的激光束，而因为注入电流的区域缩小，并且缩短下底宽度会使器件电阻增大，光输出功率的增大受到影响。
换句话说，对于给定厚度的脊，增大光输出功率是与激光束的水平发散角度θ||扩大相冲突的。
参考文献1中所述的半导体激光器采用一种激光器件，通过缩小脊的厚度，使其脊截面的上底保留足够的宽度以确保高光输出功率，而下底充分缩小以获得理想的水平发散角度θ||，同时严格遵循上述这一反比关系。
然而，在这种常规半导体激光器中，随着脊的厚度缩小，由于要平衡理想水平发散角度θ||和器件电阻，随脊的厚度而变的特性难以保持优化。
具体地说，一方面，如果为了获得理想的水平发散角度θ||保持脊的下底宽度固定而缩小脊的厚度，器件电阻就会下降且工作电压下降，另一方面，波导损失会增大(参见参考文献1，图6)。
波导损失之所以会增大是因为脊的厚度缩小，激光束会从第二传导型覆层泄漏进入接触层并且被吸收。
因此，常规半导体激光器的问题在于，由脊的厚度所决定的水平发散角度θ||和器件电阻及其特性不能彼此独立地控制。这一问题会使优化结构的半导体激光器的加工工艺复杂化，并且会影响半导体激光器设计的合理性。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种半导体激光器，在这些特性得到优化之后，能够扩展水平发散角度θ||，与脊的厚度所决定的特性无关。
为了解决上述问题，本发明的半导体激光器具有：用光波导任意一端作为部分反射面而形成的一个光学谐振器，光波导是由第一传导型覆层，有源层和第二传导型覆层依次层叠形成的；以及在光学谐振器的第一和第二区上形成的一个电流阻挡层，第一区从光学谐振器的发光端面延伸出第一长度，而第二区从光学谐振器的相对端面延伸出第二长度。另外，所形成的从发光端面延伸出预定长度的一部分有源层和从相对端面延伸出的一部分有源层具有的能带隙比其剩余段要大，将第一长度设置在大于电流经过的距离，从光学谐振器的第一和第二区之外的第三区流入第一区的电流因扩散通过该距离下降到1/e，从而控制从发光端面发出的光的水平发散角度，其中e是自然对数的底。
典型的，第一长度至少是第三区长度的4％。
将第一区(电流直接注入被阻止)的长度增大到足以使经第三区流出的电流在到达发光端面之前充分下降，发光端面上近场的光强度分布被高度集中，按照这种结构就能扩大发射激光束的水平发散角度。
这样就能简化为半导体激光器加工优化结构的工艺，并使半导体激光器的设计合理化，在覆层厚度和电流注入区尺寸得到优化之后，还能单独扩展水平发散角度。
从发光端面延伸出的一段在第一长度的±20μm范围内长度的有源层可以具有较大的能带隙。
按照这种结构，在具有较大能带隙的段远小于第一区的情况下有可能避免门限电流增大，并在具有较大能带隙的段远大于第一区的情况下避免COD(灾难性光学损伤)电平发生下降。
附图说明
从以下结合附图所做的说明就能理解本发明的所述及其他目的，优点和特征，附图中表示本发明的具体实施例。
在附图中：
图1的透视图表示本实施例的一种半导体激光器；
图2是半导体激光器的X1-X1’截面图；
图3的示意图表示流入半导体激光器的Z-Z’截面的载流子；
图4的示意图表示流入半导体激光器的X1-X1’截面的载流子，以及有源层的折射率和光强度；
图5的示意图表示流入半导体激光器的X2-X2’截面的载流子，以及有源层的折射率和光强度；
图6的示意图表示流入半导体激光器的X3-X3’截面的载流子，以及有源层的折射率和光强度；
图7的曲线表示距增益区的距离分别与电流，折射率，和光束成形区内的近场水平发散角度之间的关系；
图8的曲线表示电流扩散距离与增益区长度之间的一例典型关系；
图9的曲线表示半导体激光器的门限电流和COD电平相对于一个值的倾向，该值是从光束成形区的长度中减去一个窗口区长度而获得的；
图10的曲线表示相对于半导体激光器的光束成形区长度的COD/扭曲(kink)电平特性；
图11的曲线表示在740-μm增益区长度的情况下相对于半导体激光器的光束成形区长度的水平发散角度特性；
图12的曲线表示在1030-μm增益区长度的情况下相对于半导体激光器的光束成形区长度的水平发散角度特性；
图13的曲线表示相对于半导体激光器的光束成形区长度的像散(astigmatism)特性；
图14的透视图表示采用本发明的一种双波长半导体激光器；
图15的透视图表示采用本发明的一种沟槽型半导体激光器；以及
图16的透视图表示采用本发明的一种蓝-紫色半导体激光器。
具体实施方式
以下要参照附图来描述体现本发明最佳实施例的一种半导体激光器。
结构
图1的透视图表示半导体激光器1。
半导体激光器1是由依次层叠的n-型半导体衬底11，n-型缓冲层12，n-型覆层13，量子阱有源层14，p-型第一覆层15，蚀刻阻挡层16，p-型第二覆层17，p-型复盖层(cap layer)18，电流阻挡层19，和p-型接触层20形成的。为了便于观察，p-型接触层20被表示成透明的。
从n-型覆层13到p-型第二覆层17的层叠构成一个光波导，并在发光端面(图1中的近端)和发光端面的相对端面上涂覆一个反射膜(未表示)，由此构成一个光学谐振器。
在发光端面上形成的反射膜的反射比小于相对端面上的反射膜的反射比。这样就能从发光端面上发出强激光束，并从相对端面上发出弱激光束。前者起主要作用，而后者被一个光电二极管接收并用作对前者输出强度的监视器。
通过扩散杂质(例如是Zn)来扰乱从光波导的各端按预定长度延伸的区域，所形成的窗口区21和22所具有的能带隙要大于光波导的内部区域。
p-型第二覆层17和p-型复盖层18被设置成在光学谐振器的纵向上延伸的脊形。
电流阻挡层19被形成在脊的两侧，并且覆盖包含窗口区21的第一区和包含窗口区22的第二区。
图2表示量子阱有源层14的具体结构，它是表示半导体激光器1的X1-X1’截面的一个截面图。
量子阱有源层14是由依次层叠的未掺杂导向层141，未掺杂阱层(welllayer)142，未掺杂势垒层(barrier layer)143，未掺杂阱层144，未掺杂势垒层145，未掺杂阱层146，和未掺杂导向层147构成的。
在表1(单页)中表示了本实施例中各层采用的薄膜厚度，成分和载流子浓度。
表1
    编号     层  厚度(μm)  构成 垫垒密度(cm-2)
    20     p-型GaAs接触层  4  p-GaAs 2×1018
    19     n-型AlInP电流阻挡层  0.4  n-Al0.51In0.49P 2×1018
    18     p-型GaInP覆盖层  0.05  p-Ga0.51In0.49P 2×1018
17 p-型AlGaInP第二覆层 1 p-(Al0.1Ga0.9)0.51In0.49P 1×1018
    16     p-型GaInP蚀刻阻挡层  0.01  p-Ga0.56In0.44P 2×1018
    15     p-型AlGaInP第一覆层  0.2  p-(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P 5×1017
    147     导向层  0.025  un-(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P
    146     阱层  0.005  un-Ga0.46In0.54P
    145     垫垒层  0.005  un-(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P
    144     阱层  0.005  un-Ga0.46In0.54P
    143     垫垒层  0.005  un-(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P
142 阱层 0.005 un-Ga0.46In0.54P
141 导向层 0.025 un-(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P
13 n-型AlGaInP覆层 2 n-(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P 1×1018
    12     n-型GaAs缓冲层  0.5  n-GaAs 1×1018
    11     n-型GaAs衬底  120  n-GaAs 2×1018
窗口区域21/22和电流阻挡层19的形状特性
据现有技术中所知，窗口区域和覆盖窗口区域的电流阻挡层的作用是防止光波导端面上的COD(灾难性光学损伤)。防止COD的公知技术包括从半导体激光器的任意一端提供窗口区和覆盖各个窗口区的电流阻挡层，使两端的窗口区和电流阻挡层尺寸大致相同。
半导体激光器1的特征在于额外控制发出激光束的水平发散角度，通过以缩短到1/e(e是自然对数的底)的载流子扩散距离作为参数决定覆盖波导的发光端上窗口区的电流阻挡层的长度。
电流阻挡层的典型长度被设置在至少为光学谐振器没有被电流阻挡层覆盖的那一区域(即增益区)长度的4％。
经本发明的发明人确认，这种结构的半导体激光器能够使激光束获得比现有技术更大的水平发散角度θ||。以下还要说明有关半导体激光器1的机制和特征数据。
半导体激光器1的制造方法
可以用常规方法来制作形状与普通脊形半导体激光器相似的半导体激光器1。例如可以如下制作半导体激光器1。
在n-型半导体衬底11上生长出n-形缓冲层12到p-型复盖层18之后，可以在两端扩散一种杂质(例如是Zn)形成窗口区。接着在整个表面上形成SiO2等等制成的一层介电绝缘膜，并且首先用照相平板印刷术(photolithography)蚀刻SiO2，仅仅留下要构成脊的上表面的一个带状区域，然后蚀刻带状区域的任意一侧上的p-型第二覆层17和p-型复盖层18。随后在带状区域的发光端上去掉比相对一端更多的介电薄膜，并且用剩下的SiO2作为掩膜选择生长电流阻挡层19。最后，在去掉剩余的介电薄膜之后生长p-型接触层20。
光束成形区及其机制
由于上述形状，所述机制的半导体激光器1发射的激光束比现有技术具有较大的水平发散角度θ||。
图3的示意图表示流入半导体激光器的Z-Z’截面的载流子(空穴)，并且表示了Z-Z’截面上的主要段。图3中的发光端面在左边。
光波导上因为被电流阻挡层19覆盖没有被来自p-型接触层20的电流直接注入的那些区域在此处被称为“无电流注入区”。以下按照其工作机制将发光端上的无电流注入区称为“光束成形区”。
如图3所示，光波导被划分成从发光端面延伸出35μm的光束形成区25(权利要求书中的第一区)，从相对端面延伸出25μm的无电流注入区26(权利要求书中的第二区)，以及覆盖剩余区域的一个增益区27(权利要求书中的第三区)，增益区的长度是740μm。在本例中，窗口区21被包括在光束成形区25内，而窗口区22被包括在无电流注入区26内。
如果窗口区21比光束成形区25短，就会增大吸收并提高门限电流，而延长窗口区21会使电流直接注入窗口区21，有益于降低COD电平。为此将窗口区21的长度设置在光束成形区25长度的±20μm范围内，最好是±10μm范围内。
在图3中，垂直于光学谐振器的纵向施加一个外部电场。增益区27内的载流子按电场方向(箭头24)流动。从增益区27的任一端注入的载流子由于窗口区21的电阻已经因杂质的扩散而降低，因而增加并流入光束成形区25和窗口区21。
在光学谐振器的纵向上运动的载流子(即流入光束成形区25的箭头23所指的载流子)由于扩散而不是外部电场的作用而移动。光束成形区25内载流子的浓度随着其远离增益区27成指数关系下降。
图4的示意图表示流入半导体激光器的X1-X1’截面的载流子，以及有源层的折射率和相应位置上的近场内的光强度。
由于X1-X1’截面上的p-型和n-型覆层的电阻没有降低(即尚未因无序形成窗口区)，载流子扩散在脊的宽度附近围绕一个中心的狭窄范围内集中。尽管都知道有源层14的折射率会因载流子注入时的等离子效应而下降，从而使折射率下降区域内的聚光弱化，这种截面显示出聚光弱化的区域仅限于脊的宽度方向上中心的附近，而近场的光强度相对集中在脊的宽度的中心。
图5的示意图表示流入半导体激光器的X2-X2’截面的载流子，以及有源层的折射率和相应位置上的近场内的光强度。
由于X2-X2’截面上的p-型和n-型覆层的电阻已经降低(即由无序化形成了窗口区)，从增益区的一端流入的载流子扩散到整个脊的宽度上。该区域上的聚光因折射率下降而被减弱，从而延伸到整个脊的宽度上，并且近场中的光强度在一个宽范围内扩散。
图6的示意图表示流入半导体激光器的X3-X3’截面的载流子，以及有源层的折射率和相应位置上的近场内的光强度。
尽管X3-X3’截面图中的p-型和n-型覆层的电阻被降低了(即由无序化形成了窗口区)，从增益区一端流入的载流子不会到达这一截面中显示的位置。该截面中的聚光因此不会减弱，并且近场中的光强度高度集中在脊的宽度中心。
图7的曲线表示距增益区的距离分别与电流，折射率，和光束成形区内的近场水平发散角度之间的关系。曲线随着增益区的延伸朝箭头方向偏移。
如上所述，光束成形区25内的电流随着距增益区27的距离增大按指数下降，其结果是折射率和近场水平发散角度显示图7所示的特性。
此时，如果以缩短到1/e(e是自然对数的底)的载流子运动距离作为电流扩散距离l0，到达发光端面的载流子浓度就会因光束成形区的长度延长到超过电流扩散距离l0而下降，这样就能防止因有效折射率下降而造成聚光有任何下降。这样，发光端面上的近场内的光强度就会高度集中在脊的宽度的中心，从发光端面上发出具有大水平发散角度θ||的激光束。
此时，用增益区长度L，脊的宽度W和覆层电阻率ρ确定的电流扩散距离l0给定如下，
l0＝2W/(βρI0)
其中β被称为连接参数，在室温下是19.3C/J，I0是由以下公式给定的。
I 0 = Wβρ ( ( 1 + WβρI / ( 2 L ) ) - 1 ) / ( 2 L )
其中的I是总注入电流。
图8的曲线表示电流扩散距离l0与增益区长度L之间的关系，其中的W＝3μm，ρ＝5Ω，I＝100mA。在L＝740μm，l0＝大约29μm(增益区长度的3.9％)时，以及在L＝1030μm，l0＝40μm(增益区长度的3.9％)时，电流扩散距离l0随着增益区长度L的增大而增大。
为了获得具有大水平发散角度θ||的激光束，典型的光束成形区长度被设置在至少等于增益区长度的4％。由于在覆盖端面和相对端面上的窗口区的长度不会影响发光的水平发散角度θ||，为了防止COD的需要可以设置为任意长度(10μm以上)。
图9的曲线表示门限电流和COD电平相对于一个值的倾向，该值是从光束成形区的长度中减去窗口区长度而获得的，并且表示了一个例子，在其中改变了图3中所示半导体激光器中窗口区21与光束成形区25的长度关系。窗口区21的长度被设置在光束成形区25的长度的±10μm范围内，假定吸收是随着窗口区21的长度相对于光束成形区25的长度缩短而增大，门限电流上升，并且流入窗口区的电流随着窗口区21的长度增大而增大，导致COD电平下降。
特性
本发明提供了多种半导体激光器，各自具有图3和表1中所示的截面结构，而发光端面和相对端面上的无电流注入区的长度有所不同。用这些半导体激光器进行实验所获得的各种特性如下所示。
图10的曲线表示相对于光束成形区长度的COD和扭曲电平特性，条件是800-μm芯片谐振器长度和740-μm增益区长度。
如图10所示，经实验确认在发光端的光束成形区长度几乎不影响COD电平或扭曲电平。
图11的曲线表示在800-μm芯片谐振器长度和740-μm增益区长度的情况下相对于光束成形区长度的水平发散角度特性。
如图11所示，经实验确认，如果发光端上的光束成形区长度在35μm以上，(1)水平发散角度在光输出为30mW和5mW时被展宽大约1度，(2)由光输出变化，水平发散角度的变动受到抑制。
图12的曲线表示在1030-μm增益区长度的情况下相对于光束成形区长度的水平发散角度特性。
如图12所示，经实验确认，如果发光端上的光束成形区长度在50μm以上，(1)水平发散角度在光输出为70mW和5mW时被展宽大约0.6度，(2)水平发散角度受光输出变化的影响受到抑制。
图13的曲线表示相对于光束成形区长度的像散特性。
如图13所示，经实验确认光束成形区长度几乎不在光输出被改变时影响像散的变动。
以具有800-μm芯片谐振器的激光器为例，如果在发光端上的光束成形区长度被独立设置在至少为30μm，只要适当设计半导体激光器的截面结构和增益区的长度，元件的特性数据显示所获得的激光束的水平发散角度比现有技术要大，对COD和扭曲电平没有不利影响，由此获得优异的COD和扭曲电平。
特性数据同时显示出，如果发光端上光束成形区的长度在35μm以上，水平发散角度因光输出受到的影响被抑制，这样就能缩小关于光学和光输出最大值的设计极限。
由于能够与取决于截面结构和增益区长度的各种特性保持独立地控制激光器的水平发散角度，只需要控制发光端上光束成形区的长度，并且能抑制光输出对水平发散角度的影响，半导体激光器设计被合理化，其结果是有可能简化半导体激光器的设计，比现有技术具有更加优异的特性。
双波长半导体激光器的应用实例
图14的透视图表示采用本发明的一种双波长半导体激光器3。
利用双波长半导体激光器3形成一个AlGaAs红外半导体激光器31和一个InGaAlP红光半导体激光器32，采用单片电路集成在一个n-GaAs衬底上。
双波长半导体激光器3的特征是发光端上设置的光束成形区大于电流扩散距离。
例如是在日本专利申请公开2001-217504号中公开了采用单片集成的双波长半导体激光器的一种制作方法。
沟槽型半导体激光器的应用实例
图15的透视图表示采用本发明的一种沟槽型半导体激光器4。
沟槽型半导体激光器4是由依次层叠的GaAs衬底41，缓冲层42，n-型第一覆层43，n-型第二覆层44，量子阱有源层45，p-型第一覆层46，p-型第二覆层47，电流阻挡层48，p-型第三覆层49和一个接触层50形成的。为了便于观察，p-型第三覆层49和接触层50被表示成透明的。
从n-型第一覆层43到p-型第三覆层49的层叠构成一个光波导，并在光波导的发光端面(图15中的近端)和发光端面的相对端面上涂覆一个反射膜(未表示)，由此构成一个光学谐振器。
通过无序化利用从光波导的各个端面延伸出预定长度的区域51和52形成窗口区。
电流阻挡层48被固化在p-型第二覆层47和p-型第三覆层49之间的，排除延伸到光学谐振器全长的一个带状区域的中心段的区域内。
如图15所示，增益区长度是740μm。电流阻挡层48被固化在从光学谐振器的发光端面延伸出35μm以及从相对端面延伸出的25μm的区域内，在发光端上的无电流注入区内产生光束形成效应。
蓝-紫光半导体激光器的应用实例
图16的透视图表示采用本发明的一种蓝-紫光半导体激光器6。
蓝-紫光半导体激光器6是由依次层叠的n-型GaN衬底61，n-型AlGaN覆层62，量子阱有源层63，p-型AlGaN覆层64，电流阻挡层65，和一个p-型GaN接触层66形成的。为了便于观察，p-型GaN接触层66被表示成透明的。
从n-型AlGaN覆层62到p-型AlGaN覆层64的层叠构成一个光波导，并在光波导的发光端面(图15中的近端)和发光端面的相对端面上涂覆一个反射膜(未表示)，由此构成一个光学谐振器。
通过无序化利用从光波导的各个端面延伸出预定长度的区域67和68形成窗口区。
如图16所示，蓝-紫光半导体激光器6的增益区长度是730μm。电流阻挡层65覆盖从光学谐振器的发光端面延伸出40μm以及从相对端面延伸出30μm的区域，并在发光端上的无电流注入区内产生光束形成效应。
尽管本发明是参照附图借助实施例来充分描述的，应该注意到本领域技术人员可以实现各种各样的修改和变更。因此，除非这种修改和变更超出了本发明的范围，都应该被认为是属于本发明。

Claims (3)

1.一种半导体激光器包括：
用光波导两端作为部分反射面而形成的一个光学谐振器，光波导是由第一传导型覆层，有源层和第二传导型覆层依次层叠形成的；以及
在光学谐振器的第一和第二区上形成的一个电流阻挡层，第一区从光学谐振器的发光端面延伸出第一长度，而第二区从光学谐振器的相对端面延伸出第二长度，
其中，
所形成的从发光端面延伸出预定长度的一段有源层和从相对端面延伸出的一段有源层具有的能带隙比其剩余段要大，并且
将第一长度设置在大于电流从光学谐振器的第一和第二区之外的第三区流入第一区经过的距离，从而控制从发光端面发出的光的水平发散角度，电流经过所述距离通过扩散下降到1/e，其中e是自然对数的底。
2.按照权利要求1的半导体激光器，其特征是第一长度至少是第三区长度的4％。
3.按照权利要求1的半导体激光器，其特征是从发光端面延伸出的一段有源层在属于第一长度的±20μm范围内的长度具有较大的能带隙。
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