CN1822458A - 半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有效参数型半导体激光器，其具有依次向上设置的下覆层、有源层和上覆层，所述上覆层形成为条形脊结构，其中形成所述条形脊结构的底部和斜坡的所述上覆层用由两层或更多层低折射率层形成的层结构的掩埋层覆盖，以防止激光的吸收，吸收振荡波长激光的光吸收层插入在它们之间。该半导体激光器防止由于高阶模式所导致的拐点，并因此而实现高的输出水平。

Description

半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，且更具体而言，涉及一种具有条形脊结构的有效参数型半导体激光器。
背景技术
图2是示出具有条形脊结构的有效参数型半导体激光器的实例的示意性截面图。此半导体激光器基于AlGaInP并设计为在DVD(数字视频光盘)上进行记录。
图2所示的半导体激光器包括依次向上设置的n型GaAs衬底101、n型AlGaInP下覆层102、GaInP有源层103、p型AlGaInP上覆层104、和p型GaAs接触层105。接触层105和上覆层104的上部形成条形脊结构a。上覆层104(在脊a的底部和斜坡上展开)被掩埋膜b覆盖，该掩埋膜b包括AlInP低折射率层106和GaAs抗氧化层107。接触层105被上电极108覆盖并与其连接，且衬底101设置有下电极109。包括低折射率层106和抗氧化层107的掩埋层b减少产生的激光束的内部损耗，这公开在日本特许公开案第2002-198614号中(第3、9和10段)(此后称为专利文件1)。
任何用作记录用光学拾取器的半导体激光器都要求具有高输出以提高记录速度。图3示出了上述基于AlGaInP的半导体激光器的L-I曲线(关于电流的光输出特性)。从图3中可以看出，半导体激光器在阈值以上通常几乎与电流成比例地线性增加光输出。不幸的是，增加的电流引起激光器的横模从零阶模(基模)移动到一阶模或更高阶模。结果，光输出不再线性增加。此现象称为“拐点(kink)”(特别是高阶模拐点)。发生此现象的光输出(在图3中由LK表示)称为拐点水平。此拐点水平LK通常决定半导体激光器的最大输出。
防止高阶模拐点的条件通常由下面的公式(1)表示。
W ≤ λ 0 2 n 1 2 - n 2 2 - - - ( 1 )
其中，
n1：脊a的有效折射率
n2：掩埋膜b的有效折射率
λ0：激光束的波长
W：脊的宽度
如图2所示。
上述公式(1)给出了通过减小W(脊的宽度)的值或者通过减小n1-n2(两个有效折射率之间的差)的值而防止高阶模的可能方法。为了实施上述实施例，提出了通过以具有3.4到3.55的折射率的AlGaAs半导体层取代AlINP低折射率层106而改进图2所示的半导体激光器的想法。这种改进引起n1-n2的值减小到0.001到0.005，因此使得容易获得基模。(见专利文件No.1。)
除了上述两者方法外，还有防止激光器横模从零阶模向高阶模变化的第三种可能方法。通过提高掩埋膜中的高阶模的吸收系数而实现此实施例。为此目的的实际结构在图2中示出，其中使低折射率层(AlInP)106薄，从而也充当激光吸收层的抗氧化层(GaAs)107靠近有源层103。
发明内容
然而，上述三种解决方法受到下面缺点的限制。
(1)缩窄脊的宽度(W)增加了半导体激光器脊处的电阻。这因此会在激光发射时产生热，因此增加了脊处的折射率(n1)。这对截止条件是不利的。
(2)减小有效折射率(n1-n2)之间的差减小了半导体激光器的pn结处水平方向的发射角(θ11)。这使得输出低于光学拾取器件所需。
(3)增加掩埋膜中的高阶模的吸收系数对于高阶模的吸收是有效的，但也导致与增加的系数成比例的零阶模的吸收。这在图4中示出，从该图中可以看出零阶模的吸收系数[α0]与一阶模的吸收系数[α0]成比例。因此，如果如图5所示通过减小低折射率层(AlInP)106的厚度而增加一阶模(或高阶模)的吸收，零阶模的吸收也增加。因此第三个解决方法类似于第一种方法的情况，也涉及在脊中产生热。
根据本发明的实施例，提供了一种防止生热和由于高阶模而导致的拐点，因此实现高输出。
本发明涉及一种有效参数型半导体激光器，其具有依次向上设置的下覆层、有源层和上覆层，所述上覆层形成为条形脊结构，其中形成所述条形脊结构的底部和斜坡的所述上覆层用有由两层或更多层低折射率层形成的层结构的掩埋层覆盖，以防止激光的吸收，吸收振荡波长激光的光吸收层插入在它们之间。
如上构造的半导体激光器胜过常规仅具有一个低折射率层的掩埋膜结构之处在于，掩埋膜具有小于一阶(高阶)模吸收系数的零阶模吸收系数。因此具有如上构造的掩埋膜的半导体激光器提供了在掩埋膜中减小零阶模的吸收并增加高阶膜的吸收的优点，因此抑制生热并防止由高阶模导致的拐点。
如上所述，根据本发明的半导体激光器防止了由于高阶模导致的拐点，并因此实现了高的水平输出。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的半导体激光器结构的截面图；
图2是示出常规半导体激光器结构的截面图；
图3是示出所述半导体激光器的L-I特性和拐点水平的图；
图4是示出零阶模吸收系数相对于一阶模吸收系数的图；
图5是示出一阶模吸收系数对于低折射率层厚度绘制的图。
具体实施方式
将参照附图更详细地描述本发明实施例的半导体激光器。
图1是示出根据该实施例的半导体激光器结构的截面图。此半导体激光器是用于在DVD(数字视频光盘)上记录的AlGaInP化合物半导体激光器。它是具有条形脊结构的有效参数型。
该半导体激光器包括依次向上设置的GaAs衬底1、下覆层2、下导层3、有源层4、上导层5、上覆层6、和接触层7。整个接触层7和上覆层6的上部(约1μm)形成条形脊结构a。
上覆层6(在脊a的底部和斜坡上展开)覆盖有掩埋膜b1，其包括依次向上设置的第一低折射率层11、光吸收层12、第二低折射率层13和抗氧化层14。叠层结构的掩埋膜b1构成本发明的中心特征。而且，掩埋膜b1以使得构成脊顶部的接触层7暴露的方式形成。
在掩埋层b1上是与接触层7的上部接触的上电极15。在GaAs衬底1的反面是下电极16。
下面将更详细地描述如上述设置的每一层。
下覆层2(设置在GaAs衬底1上)由n型AlGaInP形成，其具有(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P的组分。用于晶格匹配的缓冲层可以设置在GaAs衬底1与下覆层2之间，尽管在图1中未将其示出。该缓冲层可以由n型GaInP或其中Al组分小于下覆层2中的Al组分的n型AlGaInP形成。
下导层3由n型AlGaInP形成，其具有(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P的组分。
有源层4由GaInP形成。
上导层5由p型AlGaInP形成，其具有与下导层3相同的(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P的组分。
上覆层6由p型AlGaInP形成，其具有与下覆层2相同的(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P的组分。
接触层7由p型GaAs形成。用于晶格匹配的缓冲层可以设置在上覆层6与GaAs接触层7之间，尽管在图1中未将其示出。该缓冲层可以由p型GaInP或其中Al组分小于上覆层6中的Al组分的p型AlGaInP形成。
构成本发明特征的掩埋层b1包括下述层。
第一低折射率层11是非吸收层，其防止由半导体激光器的有源层4所产生的激光束的吸收。其由n型AlInP[AlxIn(1-x)P]形成。此材料应该具有Al0.5In0.5P的组分，从而其形成不吸收激光束的非吸收层。
第一低折射率层11也可以由其中Ga组分稍微减小的n型AlGaInP[AlxGa(1-x)InP]或者其中Ga组分稍微减小的n型AlGaAs[AlxGa(1-x)As]形成。如果这些材料具有适当控制的组分，它们也形成不吸收激光束的非吸收层。
第一低折射率层11应该具有尽量小的厚度t1，比如说不大于500nm，优选不大于100nm。小厚度允许光吸收层12设置得靠近有源层4。
光吸收层12吸收由半导体激光器的有源层4产生的激光束。其由n型GaAs形成。作为选择，其也可以由其中Al组分很小的n型AlGaAs[AlxGa(1-x)As]形成。光吸收层12应该极薄，比如说如果其由n型GaAs形成的话，1-20nm，优选1-10nm，典型地1.5nm。
第二低折射率层13可以由与用于第一低折射率层11相同的材料形成。其也可以由不同于用于第一低折射率层11的材料形成。第二低折射率层13的厚度应该约为200nm。
抗氧化层14由n型GaAs形成。由于GaAs是形成上述光吸收层12的材料，抗氧化层14也充当光吸收层。抗氧化层14的厚度应该约为200nm，此厚度足够防止氧化。
而且，可以在第一低折射率层11下设置GaAs层(未示出)。此GaAs层有助于提高在第一低折射率层11上再次生长的层的结晶度。其也充当光吸收层。
如上述构造的半导体激光器具有覆盖脊a的底部和斜坡的掩埋膜b1。该掩埋膜b1包括依次设置的第一低折射率层11、第二低折射率层13和光吸收层12。分层结构的掩埋膜优于常规仅具有一个低折射率层的单层结构掩埋膜。优点在于下面所述的零阶模吸收系数低于一阶模(或高阶模)吸收系数。
下面的表1示出了双层结构的掩埋膜b1(根据本发明实施例包括两个低折射率层)的零阶模和一阶模吸收系数如何不同于图2所示的单层结构的掩埋膜b(根据常规技术包括一个低折射率层)的零阶模和一阶模吸收系数。而且，双层结构的掩埋膜b1具有350nm的(t1+t2)总厚度。
表1
(根据本实施例的结构)
  第一低折射率膜厚度(nm)   零阶模吸收系数(cm-1)   一阶模吸收系数(cm-1)
  50   662   3557
  100   550   2884
低折射率模的总厚度(t1+t2)为350nm。
(根据常规技术的结构)
  低折射率膜厚度(nm)   零阶模吸收系数(cm-1)   一阶模吸收系数(cm-1)
  50   717   3563
  100   578   2872
表1所示的结果在图4中图示出。
从表1和图4可以看出，根据本发明实施例的结构对零阶模和一阶模具有低于根据常规技术的结构的吸收系数。
具有如上述构造的掩埋膜b1的半导体激光器具有保持零阶模吸收系数低于一阶模(高阶模)吸收系数的优点。换句话说，掩埋膜b1发挥保持零阶模吸收低的作用，因此提高对高阶模的吸收。结果是半导体激光器实现更高输出。
上述实施例采取的是掩埋膜b1包括第一和第二低折射率层11和13以及插入在所述两层11和13之间的光吸收层12。然而，本发明不限于这样的分层结构；其也可以包括三层或更多层低折射率层，光吸收层12插入在它们之间。此外，低折射率层和光吸收层可以由不同材料形成或者形成为不同结构。
此外，在上述实施例中设想本发明适用于具有AlGaInP覆层的半导体激光器。然而，本发明也可以用于任何具有条形脊结构的有效参数型半导体激光器。在这种情况下，如果低折射率层11和13与光吸收层12由适合期望波长的适当材料形成，将产生与上述相同的效果。例如，在本发明应用于具有AlGaAs覆层的半导体激光器的情况下，低折射率层11和13可以由具有适当控制组分以防止它们吸收激光束的AlInP、AlGaInP或AlGaAs形成，且光吸收层12可以由具有适当控制组分的GaAs或AlGaAs形成以允许它们吸收激光束。
本领域的技术人员应该理解，可以在权利要求及其等同物的范畴内根据设计需要和其他因素进行各种改进、组合、子组合和变化。
本发明包含2005年2月17日向日本专利局提交的日本专利申请JP2005-040462的主题，其整个内容引用在此处作为参考。

Claims (5)

1、一种有效参数型半导体激光器，其具有依次向上设置的下覆层、有源层和上覆层，所述上覆层形成为条形脊结构，其中形成所述条形脊结构的底部和斜坡的所述上覆层用由两层或更多层低折射率层形成的分层结构的掩埋层覆盖，以防止激光的吸收，吸收振荡波长激光的光吸收层插入在它们之间。
2、如权利要求1所述的半导体激光器，其中所述上覆层由AlGaInP形成，所述光吸收层由GaAs或AlGaAs形成，且所述低折射率层由AlInP、AlGaInP或AlGaAs形成。
3、如权利要求1所述的半导体激光器，其中所述上覆层由AlGaAs形成，所述光吸收层由GaAs或AlGaAs形成，且所述低折射率层由AlInP、AlGaInP或AlGaAs形成。
4、如权利要求1所述的半导体激光器，其中所述掩埋层具有所述光吸收层作为其最上层，所述光吸收层也充当抗氧化层。
5、如权利要求1所述的半导体激光器，其中所述掩埋层具有所述光吸收层作为其最下层，所述光吸收层也充当提高结晶度的层。
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