CN1905299B - 光抽运的表面发射半导体激光器件及其制造方法 - Google Patents

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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，这种器件具有至少一个产生辐射的量子阱结构(1)和至少一个用于量子阱结构(11)的光抽运的抽运辐射源(20)，而抽运辐射源(20)则具有一个边缘发射的半导体结构(21)。产生辐射的量子阱结构(11)和边缘发射的半导体结构(21)在一个共同的衬底(1)上外延生长。用这种单片制成的半导体激光器件有利于产生辐射的量子阱结构的很有效和均匀的光抽运。此外，本发明提出了这类半导体激光器件的制造方法。

Description

光抽运的表面发射半导体激光器件及其制造方法
本发明申请是申请日为2001年5月16日、申请号为01813668.0(PCT/DE01/01849)、发明名称为“光抽运的表面发射半导体激光器件及其制造方法”的专利申请的一个分案申请。
技术领域
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。
此外，本发明涉及制造这种半导体激光器件的一种方法。
背景技术
从文献US 5 991 318中已知一种这类半导体激光器件。该文献描述了一种具有一个单片的表面发射半导体层结构的光抽运垂直谐振半导体激光器，这种器件的光抽运辐射的波长小于所产生的激光辐射的波长，且其光抽运辐射是用一个边缘发射的半导体激光二极管来提供的。该边缘发射单体激光二极管这样设置在外部，使抽运辐射能倾斜地从前面射入表面发射的半导体层结构的放大区域。
这种已知的器件的一个特别的问题在于，抽运激光器必须朝表面发射的半导体层结构精确定位并需要一个附加的辐射聚焦光学装置，以便把抽运辐射精确地投射到表面发射半导体层结构的要求的区域。这些措施是与大量的技术费用联系在一起的。
此外，除了产生镜片损耗外，还产生耦合损耗，从而降低系统的总效率。
还有一个问题是，由于从前面进行抽运，所以只有少数量子阱可被抽运辐射激发。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有简便调节泵源和表面发射层结构以及具有高输出功率的上述半导体激光器件。此外，本发明还提出一个这种器件的简便的工艺制造方法。
第一个目的是通过一个光抽运的表面发射半导体激光器件来实现的，其具有至少一个产生辐射的量子阱结构和至少一个用于量子阱结构的光抽运的抽运辐射源，其中抽运辐射源具有一个边缘发射的半导体结构，其中，产生辐射的量子阱结构和边缘发射半导体结构分别具有一个半导体层序列，该层序列在一个共同的衬底上用外延法依次生长，并且所述半导体激光器件适用于一个外部的谐振器。
根据本发明，对上述的那类光抽运的表面发射半导体激光器而言，在一个共同的衬底上外延生长产生辐射的量子阱结构和边缘发射的半导体结构。在外延生长时，可很精确地调节各层半导体层的层厚，这样就以有利的方式达到了边缘发射的半导体结构相对于要产生辐射的量子阱结构的高定位精度。
此外，用本发明的器件可在基本模式中达到高输出功率的量子阱结构的均匀的光抽运。
在一种有利的结构型式中，表面发射的量子阱结构和抽运辐射源是这样相互布置在衬底上的，使抽运辐射源的辐射发射区和量子阱结构位于衬底的相同高度上，从而在半导体激光器件运行中实现抽运辐射侧向射入量子阱结构。这意味着抽运辐射的射束轴基本上平行于衬底表面延伸并由此基本上垂直于由表面发射半导体激光器件产生的激光束的射束轴延伸。
在这种器件运行中，量子阱结构从侧面首先进行辐射可穿透地“抽运”，直至最后它的总的侧面的横截面产生受激辐射为止。此外，通过这种侧面的光抽运可达到量子阱被载流子均匀充填。
量子阱结构最好被边缘发射的半导体包围。在这种半导体结构中，用半导体激光器结构表面上的至少一个电流注入路径构成至少一个增益导引的辐射有源区，该有源区用作为抽运辐射源。另一种解决办法是，作为抽运辐射源可用边缘发射半导体结构的至少一个折射率导引的辐射有源区。这个有源区例如借助于边缘发射半导体结构的表面上的至少一个电流注入路径结合沿该电流注入路径构成的、例如半导体结构腐蚀的沟道来界定。
面向产生辐射的量子阱结构的电流注入路径的端部到电流路径最好具有10微米～50微米、特别是最好大约30微米的距离。从而可减少边缘发射半导体结构和表面发射的层序列即抽运辐射的输入面之间的界面上的干扰泄漏电流和别的干扰影响。
上述的结构型式都可按有利的方式按常规的半导体处理技术进行制造。
如果在器件运行中通过注入路径流入抽运辐射源的有源层足够大的电流，则产生加强的自发发射(超辐射)，这种自发发射被导入表面发射的激光区并在该处被吸收。由此产生的电子空穴对被收集在量子阱中并导致在表面发射的激光器结构放大范围内的反向。
表面发射的激光器结构的激励可通过量子阱结构的抽运或通过与它邻接的封闭层的抽层来实现。在封闭层抽运的情况中，抽运效率最好通过其带隙朝量子阱结构方向减小来提高。这可例如通过材料组分的改变来实现。从而在封闭层中产生内电场，该内电场把光产生的载流子驱动到有源的量子阱区。
在一种特别优选的实施例中，多个抽运辐射源呈星形围绕量子阱结构布置，所以量子阱结构在短时间内并很均匀地在其整个侧向横截面进行辐射可穿透地“抽运”并变成受激辐射。
边缘发射的半导体结构和量子阱结构之间的界面最好至少是部分反射的。从而实现在到表面发射的激光区的边缘上产生一个到边缘发射半导体结构的逆反射，这样就导致泵源内激光辐射的形成，并由此导致抽运效率的提高。
产生激光辐射作为抽运辐射并由此提高抽运效率的另一种解决办法是，分别在量子阱结构的相对侧上设置两个抽运辐射源来一起构成一个激光器结构。为此，离开量子阱结构的边缘发射辐射源的相互平行的端部作为反射平面构成并作为谐振腔反射镜用。这种反射镜例如可通过裂解和/或腐蚀(例如干法腐蚀)来产生并设置一层钝化层和/或高反射镜面化。
在运行中，对应的抽运辐射源通过辐射可穿透的抽运量子阱结构耦合到一个唯一的相干振荡激光器。此时在最佳的端面镜面化的情况下，除了抽运激光器和表面发射激光器之间的损耗外，全部存储在抽运激光器中的光功率都可作为抽运功率提供。
边缘发射的半导体结构最好具有一个大光腔结构。在这种结构时，在第一和第二波导层之间埋入了一层有源层，而它们则埋在第一和第二包层之间。
根据本发明的一种有利的改进结构，边缘发射的半导体结构作为环形激光器构成。所谓环形激光器在这里是指在运行中可构成环形模的激光器结构。此时相应的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。
要抽运的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，所以在这里也以有利的方式不需要高反射镜。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渡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很小折射率的电介质包围。
半导体结构最好作为圆形或环形的半导体圆柱层叠构成。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，半导体结构也可作为多角形或多角环形的棱形半导体层叠构成。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列的腐蚀而成。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。
在半导体激光器件的一种特别优选的改进结构中，量子阱结构具有10个以上的量子阱。这样高的量子阱数是可能的，因为由于抽运辐射的侧向耦合，全部量子阱都可直接进行抽运。从而以有利的方式实现了表面发射的量子阱结构内的高的放大。
边缘发射的半导体结构最好是这样构成的，它产生一个泵源，其最高点位于衬底上方的量子阱的高度内，特别是量子阱结构中心的高度内。
为了获得特别高的输出功率，在一个有利的改进结构中，边缘发射的半导体结构作为具有多个受激发射的层序列的所谓多层叠或微层叠激光器(例如双异质结构)构成，这些层序列通过隧道结串联起来。此时量子阱结构最好具有多个量子阱群，它们分别位于量子阱的一个受激发射的层序列的高度内。
在上述结构形式的抽运表面发射半导体激光器件的一种优选制造方法中，首先在一个衬底上设置一个适合表面发射半导体激光器的具有至少一个量子阱结构的第一半导体层序列，然后去掉所设置的激光区以外的这个第一半导体层序列。紧接着在去掉这个第一半导体层序列以后在衬底上露出的区域淀积一个第二半导体层序列，这个第二半导体层序列适合产生抽运辐射并发射到量子阱结构。然后在这个边缘发射的半导体层序列中构成至少一个电流注入路径。
最好首先在衬底上设置一层缓冲层。在该缓冲层上淀积一个第一封闭层。然后在这个第一封闭层上设置一个适合于表面发射半导体激光器的量子阱结构，紧接其后的则是第二封闭层。然后在所设置的表面发射的激光区以外的封闭层和量子阱结构以及部分缓冲层去掉后，在该缓冲层的露出的区域上依次设置一个第一包层、一个第一波导层、一个有源层、一个第二波导层和一个第二包层。各层的厚度是这样设计的，使有源层内产生的抽运辐射可到达量子阱结构。
在本发明半导体激光器件的另一种结构形式中，发射辐射的量子阱结构和抽运辐射源是上下叠置在衬底上的。其中量子阱结构与边缘发射的半导体结构进行光耦合，所以在半导体激光器件运行中，抽运辐射以抽运辐射源导入量子结构。
边缘发射的半导体结构最好具有一个第一波导层和一个由衬底看去的置于其后的第二波导层，在这两个波导层之间设置一个有源层。在第二波导层上外延生长量子阱结构，该量子阱结构只覆盖边缘发射半导体结构的部分区域并与该半导体结构进行光耦合。
为了改善抽运辐射输入量子阱结构，第二波导层和邻接的包层之间的界面在表面发射的激光区附近朝量子阱结构方向弯曲或弯折。
为了改善抽运辐射输入量子阱结构，最好第二波导层的折射率大于第一波导层的折射率和/或有源层不对称地位于由这两个波导层构成的波导中。
在边缘发射的半导体结构中，作为抽运辐射源最好类似于上述的第一结构型式构成一个或多个增益导引的和/或折射率导引的辐射有源区。
根据上述第二种基本结构形式及其改进结构的光抽运表面发射半导体激光器件的一个优选制造方法，首先在一个衬底上设置一个边缘发射的半导体层序列，然后在其上设置一个具有至少一个量子阱结构的表面发射半导体激光层序列，并在该半导体层序列中构成至少一个电流注入路径之前，去掉所设置的激光区域以外的表面发射半导体激光器序列。
为此，最好在该衬底上首先设置一个缓冲层，然后在其上依次淀积一个第一波导层、一个有源层和一个第二波导层。紧接着在这样制成的边缘发射层序列上设置第一封闭层、一个具有一个量子阱结构的表面发射半导体激光层序列和第二封闭层。然后去掉所设置的表面发射激光区域以外的封闭层，表面发射半导体激光层序列和部分的第二波导层。
在用一个环形激光器作为抽运辐射源的光抽运的表面发射半导体激光器件的本发明制造方法中，首先按前述方式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的半导体层序列，然后去掉所设置的激光区域以外的层序列，并在由此露出的区域上设置抽运辐射源的边缘发射的半导体结构。
随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法腐蚀来实现。其优点是，腐蚀面不需要昂贵的后处理。
另一种选择是，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，然后去掉(尚待形成的)量子阱结构的所设置区域内的该半导体结构。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层序列。接着又是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。在这个方法的一种方案中，也可在设置表面发射的半导体层序列之前形成激光谐振器。
在上述两种结构形式的一种优选改进结构中，在量子阱结构的一侧上形成一个高反射的布拉格反射层序列，这个反射层序列表示表面发射的激光器结构的谐振腔反射镜。在量子阱结构的对应一侧上，设置了另一个布拉格反射镜层序列或一个外部反射镜作为第二个辐射能穿透的谐振腔反射镜。
衬底最好用这样一种材料制成，在半导体激光器件中产生的激光束可穿透这种材料，并在离衬底的量子阱结构一侧上设置了一个高反射的布拉格反射镜。这样就实现了半导体结构和散热器之间的短的连接，从而实现半导体结构的良好导热。
为了防止干扰横模(＝平行于衬底的模-耳语模)，在边缘区和/或在表面发射半导体激光器层序列的腐蚀结构内设置了吸收层。
本发明的半导体激光器件特别适合用在一种有一个频率选择元件和/或一个倍频器的外部谐振器中。
本发明的半导体激光器件可按有利的方式通过抽运激光器的调制、通过抽运电流的调制或通过表面发射半导体层序列的短路来进行调制。
本发明提出了光抽运的表面发射半导体激光器件的制造方法，该半导体激光器件适用于一个外部的谐振器，所述制造方法具有如下的工艺步骤：
a)在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列；
b)去掉所设置的激光器区域以外的表面发射半导体层序列；
c)在衬底上方通过去掉第一半导体层序列而露出的区域上设置一个边缘发射半导体层序列，该层序列适合于抽运辐射输入量子阱结构中。
d)在边缘发射半导体序列内构成至少一个电流注入路径。
按照本发明的一种优选方案是，其中的步骤a至c具有如下的单个步骤：
aa)在衬底上设置一个缓冲层；
ab)在缓冲层上设置第一封闭层；
ac)在第一封闭层上设置一个适合于表面发射半导体激光器的量子阱结构；
ad)在量子阱结构上设置第二封闭层；
ba)去掉所设置的表面发射激光器区域以外的封闭层、量子阱结构和部分缓冲层；
ca)在缓冲层的露出的区域依次设置第一包层、第一波导层、有源层、第二波导层和第二包层，其中相应层厚是这样设计的，使在有源层内产生的抽运辐射可到达量子阱结构。
本发明还提出了另一种用于光抽运的表面发射半导体激光器件的制造方法，该半导体激光器件适用于一个外部的谐振器，所述制造方法具有如下工艺步骤：
a)在衬底上设置一个边缘发射层序列；
b)在边缘发射半导体层序列上设置一个具有至少一个量子阱结构的表面发射半导体激光层序列；
c)去掉所设置的激光器区域以外的表面发射半导体层序列；
d)在边缘发射半导体层序列中构成至少一个电流注入路径。
其中优选的是，该方法的工艺步骤a)至c)具有下列单个步骤：
aa)在衬底上设置一个缓冲层；
ab)在缓冲层上依次设置第一波导层、一个有源区和第二波导层；
ba)在第二波导层上设置第一封闭层；
bb)在第一封闭层上设置一个适合于表面发射半导体激光器的量子阱结构；
bc)在量子阱结构上设置第二封闭层；
ca)去掉所设置的表面发射激光器区域以外的封闭层、量子阱结构和部分第二波导层。
附图说明
本发明器件的其他有利结构和改进结构及其制造方法可从下面结合图1至14所述的各个实施例中得知。
附图表示：
图1       第一实施例的一个断面示意图；
图2a至2e  图1实施例的制造工艺步骤示意图；
图3a      第二实施例一个断面的示意图；
图3b      图3a所示实施例的波导的一个有利结构的示意图；
图4a至4c  图3实施例的制造工艺步骤的示意图；
图5       在一个边缘发射半导体结构上的电流注入路径的第一种布置的示意俯视图；
图6       在一个边缘发射半导体结构上的电流注入路径的第二种布置的示意俯视图；
图7       在一个边缘发射半导体结构上的电流注入路径的第三种布置的示意俯视图；
图8a至b   具有吸收层的半导体激光器件的示意图；
图9a和b   用一个环形激光器作抽运辐射源的第一实施例的一个示意断面图和俯视图；
图10      用一个环形激光器作抽运辐射源的第二实施例的示意俯视图；
图11a和b  分别用两个环形激光器作抽运辐射源的第三和第四实施侧的示意俯视图；
图12a和b  图9实施例的制造工艺步骤示意图；
图13      带一个外部谐振器的本发明半导体激光器件的示意图；
图14      本发明的一个可调制的半导体激光器件的示意图。
图中凡是相同的或相同作用的部分都用相同的参考号表示。
具体实施方式
图1实施例例如是一个具有1030纳米激光发射的光抽运的表面发射半导体激光器芯片。在其衬底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。
在缓冲层6上，在衬底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，它表示表面发射的激光区15。半导体激光器结构10由一个直接位于缓冲层6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，这些量子阱用未掺杂的InGaAs制成，其厚度调节到发射1030纳米，且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GaAlAs(10％Al)/GaAlAs(90％Al)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。
在激光区15的邻域内，在缓冲层6上，淀积了一个边缘发射的半导体激光器结构21，例如一个大约发射1微米的公知的大光腔(LOC)(Large Optional Cavity)-单量子阱(SQW)-激光器结构。这种结构例如由第一包层28(例如n-GaAl0.65As)、第一波导层23(例如n-GaAl0.1As)、一个有源层25(例如未掺杂的InGaAs-SQW)、第二波导层24(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30。
大光腔区22布置在表面发射激光器结构10的量子阱区的相同高度内，有源层25最好位于衬底1上方与量子阱结构11相同的高度内。
在这个实施例的一个独特结构形式中，边缘发射的半导体结构21具有多个有源层25，这些有源层用隧道结串联起来。量子阱结构11具有相似的多个量子阱群，它们分别位于边缘发射半导体结构21的一个有源层25的高度内。
全部半导体层例如都用金属有机汽相外延(MOVPE)法制成。
在边缘发射的半导体激光器结构21的外边缘附近，设置了一个垂直于边缘发射半导体激光器结构21的各层延伸的端面反射镜31，该镜从覆盖层30至少一直伸入第一包层28，在该处一直伸入缓冲层6。它们例如在边缘反射的半导体激光器结构21生长后用腐蚀(例如反应离子腐蚀)制成相应沟道及其随后用高反射材料填充。在量子阱结构11的相对侧上，分别设置了两个相互平行的反射镜31(见图5和6)。
另一种解决办法是，可按公知的方式沿晶体平面裂解晶片来制作端面反射镜。此时端面反射镜不需要象图1所示那样布置在芯片内，而是通过层叠的芯片侧面形成(见图7)。
在覆盖层30和布拉格反射镜3的外露表面在激光区15内设置有一个电绝缘的掩模层7，例如氮化硅层、氧化铝层或氧化硅层，用边缘反射的半导体激光器结构21的电流注入路径26界定(见图5和6)。在掩模层7上，在其电流注入路径26的凹槽部位是在覆盖层30上，设置一个p接触层32，例如公知的接触金属化层。
在泵源中，例如围绕表面发射的激光区15选择6个对称星形布置的带15个条(4微米的条，10微米间距)和大约150微米有源宽度的条形列阵。
面对产生辐射的量子阱结构11的电流注入路径26的端部到该量子阱结构的距离最好为10微米～50微米，特别是最好大约30微米。这样就减少了在边缘发射半导体结构21和表面发射层序列10之间的界面上即抽运辐射2的输入面上的干扰泄漏电流和其他的干扰影响。
全部电流注入路径26可设置一个共同的p接触层32，从而可使边缘发射结构的发射区并联工作。在对这些单个发射区进行单独控制的情况下，设置了一个相应构图的p型第一接触层32。从而可在表面发射结构的整个横截面上产生最佳的抽运光分布(例如类似于高斯分布)。
为了在边缘发射结构21内产生折射导引的抽运区，可在该结构内沿电流注入路径26例如用腐蚀制作沟道(图中未示出)，这些沟道伸入第二波导层24例如最多0.5微米。从而可在抽运层的边缘上达到改善的波导。
离半导体结构的衬底1的主面16除了激光束的一个射出窗口8外(用箭头5表示)，都设置了一个n型第二接触层9，例如同样为公知的接触金属化层。
衬底的主面16最好在射出窗口8的区域消除反射，以避免再反射到芯片。
表面发射的激光器结构10的激光谐振器可由布拉格反射镜3和一个布置在衬底对应侧的另一个外部反射镜(图1中未示出)或一个布置在衬底1和量子阱结构11之间的另一个布拉格反射镜组成。
在半导体芯片运行过程中，在表示抽运辐射源20的边缘发射半导体结构21的由电流注入路径26界定的区域内产生抽运辐射(用箭头2表示)并输入表面发射激光器结构10的量子阱结构11中。
在边缘发射结构21和表面发射结构10之间的界面上有足够再反射以及在端面反射镜31的位置适当的情况下，可在边缘发射结构21中产生激光辐射，从而导致抽运效率的提高。
端面反射镜31最好相互这样布置，使之在边缘发射结构21的两个相互对置的辐射区域构成一个激光谐振器。这两个对置的辐射区域在表面发射的激光器结构10的辐射穿透抽运后耦合到一个唯一的相干振荡激光器。此时在端面反射镜31最佳镜面化的情况下，除了在边缘发射结构21和表面发射结构10之间的界面上的损耗外，由抽运激光器产生的全部光功率都作为抽运功率提供。
图2a到2e表示图1实施例的制造工艺步骤示意图，首先在衬底1上例如用金属有机汽相外延法依次生长缓冲层6、第一封闭层12、量子阱结构11、第二封闭层13和布拉格反射层3(图2a)。
然后在这个层序列的作为表面发射的激光区15设置的区域上设置一个腐蚀掩模17(例如氮化硅掩模)。接着用腐蚀例如干法腐蚀用Cl-Chemie腐蚀剂去掉所设置的表面发射激光区15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2b)。
随后在缓冲层6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、第一光导层23、有源层25、第二光导层24、第二包层29和覆盖层30(图2c)。
然后例如用反应离子腐蚀和合适的公知的掩模技术在最后形成的边缘发射结构21内腐蚀出端面反射镜31的沟道(见图2d)，这些沟道随后用增加反射的材料涂敷或填充。然后去掉腐蚀掩模17。
在最后制作p接触层32和n接触层9之前，在覆盖层30和布拉格反射镜3上在激光区15内设置电绝缘的掩模层7(图2e)。
在设置绝缘掩模层7之前，可选择地用腐蚀法制作上面结合图1所沟道，以产生折射率导引的抽运激光器。
为了减少辐射损耗，最后在金属有机汽相外延后将衬底1减薄到小于100微米或完全去掉。
在图3实施例中，首先在衬底1上整面设置一个缓冲层6和一个边缘发射半导体激光器结构21，并在第一波导层23和第二波导层24之间设置一个有源层25。
在衬底1中心上方所设置的激光区15内，在第二波导层24上生长一个表面发射的量子阱结构11，然后生长一个封闭层13和一个布拉格反射层序列3。
在激光区15周围的区域内，在第二波导层24上或必要时在该层上设置的一个高掺杂的覆盖层上设置一个电绝缘的掩模层7，该掩模层具有边缘发射结构21的电流注入路径26的沟道(见图7)。在电绝缘掩模层7上和在第二波导层或覆盖层的凹槽内设置第一接触层32，并在衬底1与该第一接触层对应的一侧上设置一个具有激光束射出窗口8的第二接触层9(用箭头5表示)。
为了在边缘发射结构21内产生折射率导引的抽运区，可在第二波导层24内沿电流注入路径26例如用腐蚀制作沟道(图中未示出)。从而可在抽运区的边缘上达到改善的波导。
作为边缘发射结构21的端面反射镜31在这里例如可用芯片的裂解的侧面。
在运行过程中，在边缘发射的激光器结构内产生抽运激光辐射，其中的一部分输入位于其上方的量子阱结构11中。
为了促进输入，在由这两个波导层23、24构成的波导中，不对称地设置有源层25。另一种解决办法或补充办法是，为了相同的目的，第二波导层24的折射率可高于第一波导层23的折射率和/或第二波导层可朝激光区15在量子阱结构11的方向内向上升起(见图3b)。
作为各层的材料在这里例如可用图1实施例相应各层给出的材料。
在这个实施例中，表面发射的激光器结构10的激光谐振器可由布拉格反射镜3和一个布置在衬底1对应侧上的另一个外部反射镜(图3a中未示出)或一个布置在衬底1和量子阱结构11之间的另一个布拉格反射镜组成。
图4a至4c表示图3a实施例的一个器件的制造工艺步骤示意图，首先在衬底1上设置一个缓冲层6，然后在该缓冲层上依次生长第一波导层23、有源层25和第二波导层24。接着在第二波导层24上生长量子阱结构11、封闭层13和布拉格反射层3(图4a)。这些层例如用金属有机汽相外延法制成。
然后在作为激光区15设置的已生长的层序列的部分区域上设置一个腐蚀掩模17，并用腐蚀去掉激光区15以外的布拉格反射层3、封闭层13、量子阱结构11和部分第二波导层24(图4b)。
然后在淀积第一接触层32之前，在第二波导层24上设置电绝缘掩模层7，以界定电流注入路径26。
下一步是在半导体层序列对应的衬底1的主面上设置带有五个射出窗口8的第二接触层9(图4c)。
为了减小辐射损耗，在金属有机汽相外延后，这里最好也把衬底减薄到小于100微米或完全去掉。
本发明的所谓圆片激光器最好用布拉格反射镜向下焊接在一个散热器上。一个电极设置在散热器上，第二个电极则通过压焊在圆片激光器表面上产生。
为了避免干扰横模(＝平行于衬底的模-耳语模)，在边缘区和/或在表面发射半导体激光器层序列15的腐蚀结构内设置了吸收层18(见图8a和8b)。对这种使用场合适用的吸收材料是人所熟知的，所以在此不赘。
图9a表示用一个环形激光器作为抽运辐射源的光抽运表面发射半导体器件的一个实施例的断面图。各个半导体层的顺序基本上相当于图1所示的实施例。
与图1所示半导体器件不同的是，这里的边缘发射半导体结构21作为环形激光器构成，它包括第一包层28(例如n-GaAl0.65As)、第一波导层23(例如n-GaAl0.1As)、有源层25(例如InGaAs-SQW)、第二波导层24(例如p-GaAl0.1As)和第二包层29(例如p-GaAl0.65As)。
这可从图9b所示的半导体俯视图中一目了然。图9a的断面相当于沿剖面线A-A垂直剖开的面图。
在这个俯视图中，边缘发射的半导体结构21呈8角形，具有4个旋转对称部分和一个方形的中心孔38。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8角环内。这个8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37a，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8角环的图示造型，环形模37a、37b和37c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。
在所示实施例中，表面发射半导体激光器结构10的激光器工作所无原则的第二个反射镜没有集成在半导体本体中，而是作为外部反射镜设置(参见图13)。另一种解决办法是，这个第二反射镜也可按反射镜3那样的类似方式以不示出的方式集成在半导体本体中。在这种情况下，第二反射镜例如布置在缓冲层6和量子阱结构11之间的激光区15内。
图10表示本发明半导体激光器件的另一实施例的俯视图。与上区别例的区别是，这里的全反射波导作为圆环构成。要抽运的量子阱结构11完全布置在环形区以内。
在圆形谐振器的内部可有多个环形模起振。示出的模39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10所示，为了简化，也可不要中间的孔38，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11a表示本发明的另一个实施例。此时的量子阱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44、45在两个区域46a，b内交叉，要抽运的量子阱117布置在其中的区域46a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37a，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11b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44和45的造型。为此，中心孔40和41的横截面被简化成三角形，而图11a中所示的中心孔42和边上的孔43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11b所示，还可在两个环形激光器的第二交叉区46b内构成第二个量子阱结构47。
图12表示本发明半导体激光器件的制造工艺步骤示意图。
如前所述和如在图2a、2b和2c所示的那样，首先例如用金属有机汽相外延法在衬底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。然后在这个层序列的作为表面发射的激光区15设置的区域上设置一个腐蚀模17，并去掉所设置的表面发射激光区15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。然后在缓冲层6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23、有源层25、第二波导层24、第二包层29和覆盖层30(未示出，见图2a，b，c)。
紧接着按图12a去掉半导体结构的外部区域和中间区域，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。
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17，在布拉格反射镜3上设置电绝缘掩模层7并用p接触层32覆盖表面。衬底设置n接触面9(图12b)。
本发明的半导体激光器件特别适用于一个具有一外部反射镜33和一个部分穿透的凹面偏转镜34的谐振器，在该谐振器内设置了一个频率选择的元件35和/或一个倍频器36(见图13)。
本发明的半导体激光器件最好通过泵源的调制(通过抽运电流的调制)或通过表面发射半导体激光层序列的短路(见图14)进行调制。
上述的各种结构不但可用于例性的InGaAlAs系统，而且还可用InGaN、InGaAsP或InGaAlP系统。
在发射为470纳米的InGaN系统的圆片激光器时，量子阱例如用450纳米发射的InGaN制成、封闭层用降低折射率的InGaN制成和布拉格反射镜用InGaAlN系统制成。抽运激光器结构具有一个带发射约为400纳米的InGaN量子阱的有源区以及波导层和GaAlN包层，包层可通过Al含量的变化调节要求的折射率。

Claims (10)

1.光抽运的表面发射半导体激光器件，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(20)，其中抽运辐射源(20)具有一个边缘发射的半导体结构(21)，其特征在于，
产生辐射的量子阱结构(11)和边缘发射的半导体结构(21)分别具有一个半导体层序列，其中所述量子阱结构(11)的和边缘发射的半导体结构(21)的该半导体层序列在一个共同的衬底(1)上用外延法依次生长并且上下叠置，其中在边缘发射的半导体结构(21)中产生的抽运辐射(2)的至少一部分被输入到量子阱结构(11)中；并且
所述边缘发射的半导体结构(21)的相互平行的端部面作为反射平面构成并且用作为谐振腔反射镜(31)。
2.按权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于，边缘发射的半导体结构(21)具有一个第一波导层(23)和一个从衬底(1)看去置于其后的第二波导层(24)，在它们之间布置了一个有源层(25)；
量子阱结构(11)外延生长在第二波导层(24)上，该量子阱结构只覆盖边缘发射的半导体结构(21)的部分区域，并且该量子阱结构与该边缘发射的半导体结构进行光耦合。
3.按权利要求2所述的半导体激光器件，其特征在于，在边缘发射的半导体结构(21)内用至少一条相应构图的电流注入路径(26)在第二波导层(24)的表面上构成至少一个增益导引的辐射有源区，该有源区用作为抽运辐射源(20)。
4.按权利要求2所述的半导体激光器件，其特征在于，在边缘发射的半导体结构(21)内用至少一条相应构图的电流注入路径(26)在第二波导层(24)的表面上结合在第二波导层(24)内相应腐蚀的沟道构成至少一个折射率导引的辐射有源区，该有源区用作为抽运辐射源(20)。
5.按权利要求2所述的半导体激光器件，其特征在于，第二波导层(24)的折射率大于第一波导层(23)的折射率。
6.按权利要求2所述的半导体激光器件，其特征在于，有源层(25)不对称地布置在由这两个波导层(23、24)构成的波导内。
7.按权利要求1所述的半导体激光器件，其特征在于，
衬底(1)用一种可被半导体激光器件中产生的激光束(5)穿透的材料制成；
在背离衬底(1)的量子阱结构(11)的一侧上设置了一个谐振腔反射镜层(3)。
8.按权利要求7所述的半导体激光器件，其特征在于，将一个布拉格反射镜设置成谐振腔反射镜层(3)。
9.光抽运的表面发射半导体激光器件的制造方法，所述制造方法具有如下的工艺步骤：
a)在衬底(1)上设置一个边缘发射的半导体层序列(21)；
b)在该边缘发射的半导体层序列上如此设置具有至少一个量子阱结构(11)的表面发射的半导体激光层序列(14)，使得在边缘发射的半导体层序列(21)中产生的抽运辐射(2)的至少一部分被输入到量子阱结构(11)中；
c)去掉所设置的激光器区域(15)以外的表面发射半导体激光层序列(14)；并且
d)在边缘发射的半导体层序列(21)内构成至少一个电流注入路径(26)。
10.按权利要求9所述的方法，其中的步骤a至c具有如下的单个步骤：
aa)在衬底(1)上设置一个缓冲层(6)；
ab)在缓冲层(6)上依次设置一个第一波导层(23)、一个有源层(25)、以及一个第二波导层(24)；
ba)在第二波导层(24)上设置一个适用于一个表面发射半导体激光器的量子阱结构；
bc)在量子阱结构(11)上设置一个封闭层(13)；
ca)去掉所设置的表面发射激光器区域(15)以外的封闭层(13)、量子阱结构(11)和部分第二波导层(24)。
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S.D.Benjamin,etc.vertical cavity surface emitting laser with a submonolayerthick InAs active layer.APPL.PHYS.LETT60 15.1992,60(15),1800-1803.
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