CN1937338B - 多波长半导体激光器器件 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种多波长半导体激光器器件，通过使每一波长的半导体激光器具有对各波长的出射光取得最佳FFP的不同长度的窗区域，能使各波长具有程度相同的光输出依赖性，从而能方便地进行光学系统的设计。
Description
技术领域
本发明涉及作为光盘装置的拾光器用光源、电子装置、信息处理装置等所需的光源的、以单片方式形成红光波长和红外波长等半导体激光器的短波长半导体激光器器件。
背景技术
当前，市面销售可高密度记录且大容量的数字多用途光盘(DVD)及其再现用的DVD装置，作为今后需求日益增长的商品令人注目。这种DVD由于高密度记录，作为其记录再现用的激光光源，使用发光波长650纳米的AlGaInP类半导体激光器。因此，已有的DVD装置的拾光器中，不能再现用发光波长780纳米的AlGaAs类半导体激光器进行再现的音频光盘(CD)和小型光盘(MD)。
因此，为了解决此问题，采用装载将激光器芯片编入各自的封装件的、发光波长为650纳米区域的AlGaInP类半导体激光器和发光波长为780纳米区域的AlGaAs类激光器的拾光器。然而，上述拾光器由于装载AlGaInP类半导体激光器和AlGaAs类半导体激光器，规模大，所以产生DVD装置的规模也变大的问题。因此，为了解决此问题，存在利用在同一衬底上生长的半导体层形成发光元件结构的具有相互不同的发光波长的多种半导体激光器的集成型半导体激光器器件。
用图13说明这种已有的多波长半导体激光器器件。
图13是示出已有的短波长半导体激光器器件的结构的立体图。
如图13所示，这种已有短波长半导体激光器器件中，在同一n型GaAs衬底201上以相互分离的状态集成发光波长为700纳米区域(例如780纳米)的AlGaAs类半导体激光器LD1、以及发光波长为600纳米区域(例如650纳米)的AlGaInP类半导体激光器LD2。将例如具有100面方位的衬底或以偏离100面例如5度～15度的面为主面的衬底作为n型GaAs衬底201。
AlGaAs类半导体激光器LD1中，在n型GaAs衬底201上依次叠积n型GaAs缓冲层211、n型AlGaAs包层212、单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构的激活层213、p型AlGaAs包层214和p型GaAs盖层215。p型AlGaAs包层214的上部和p型GaAs盖层215具有单方向延伸的条状。在该条部的两侧的部分设置n型GaAs电流收缩层216，从而形成电流狭窄结构。在条状p型GaAs盖层215和n型GaAs电流收缩层216上设置p侧电极217，使其与p型GaAs盖层215电阻性接触。将例如Ti、Pt、Au电极作为p侧电极217。
AlGaInP类半导体激光器LD2中，在n型GaAs衬底201上依次叠积n型GaAs缓冲层221、n型AlGaInP包层222、SQW结构或MQW结构的激活层223、p型AlGaInP包层224和p型GaInP中间层225以及p型GaAs盖层226。p型AlGaInP包层224的上部、p型GaInP中间层225和p型GaAs盖层226具有单方向延伸的条状。在该条部的两侧的部分设置n型GaAs电流收缩层227，从而形成电流狭窄结构。在条状p型GaAs盖层226和n型GaAs电流收缩层227上设置p侧电极228，使其与p型GaAs盖层226电阻性接触。将例如Ti、Pt、Au电极作为p侧电极228。
在n型GaAs衬底201的背面设置n侧电极229，使其与该n型GaAs衬底201电阻性接触。将例如AuGe、Ni电极或In电极作为此n侧电极229。
这时，将AlGaAs类半导体激光器LD1的p侧电极217和AlGaInP类半导体激光器LD2的p侧电极228分别焊接在以相互电分离的状态设在封装件基底300上的散热片H1、H2上。
上述那样组成的这种已有短波长半导体激光器器件中，可通过在p侧电极217与n侧电极229之间流通电流，驱动AlGaAs类半导体激光器LD1，并且可通过在p侧电极228与n侧电极229之间流通电流，驱动AlGaInP类半导体激光器LD2。然后，可通过取得AlGaAs类半导体激光器LD1取出波长700纳米区域(例如780纳米)的激光，可通过驱动AlGaInP类半导体激光器LD2取出波长600纳米区域(例如650纳米)的激光。能利用外部开关的切换等，进行驱动AlGaAs类半导体激光器LD1或驱动AlGaInP类半导体激光器LD2的选择。
综上所述，根据这种已有多波长半导体激光器，由于具有发光波长为700纳米区域的AlGaAs类半导体激光器LD1和发光波长为600纳米区域的AlGaInP类半导体激光器LD2，能相互独立地取出DVD用的激光和CD与MD用的激光。因此，通过在DVD装置的拾光器装载这种多波长半导体激光器器件作为激光器光源，可作DVD、CD和MD中任一方的再现或记录。这些AlGaAs类半导体激光器LD1和AlGaInP类半导体激光器LD2利用在同一n型GaAs衬底1上生长的半导体层形成激光器结构，从而此集成型半导体激光器器件的封装件用1个即可。因此，能谋求拾光器的小型化，所以可谋求DVD装置的小型化。
今后，不仅有再现功能而且有记录功能的适应16倍速记录的DVD和适应48倍速的CD-R可高速写入的光盘系统用的光源的需求日益高涨。这时，对作为光源的激光器要求进行至少200毫瓦的高输出运作。
使半导体激光器进行高输出运作时，一般在取出激光方的谐振器端面(前端面)及其相反方的谐振器端面(后端面)分别镀覆具有反射率小于等于10％的低反射率和反射率大于等于85％的高反射率的电介质膜。通过进行这种低反射率(AR：Anti Reflection；抗反射)/高反射率(HR：High Reflection；高反射)镀覆，谋求提高电流-光输出特写的外部微分量子效率(斜率效率)，用小注入电流量实现大的光输出，同时还减小工作时的前端面激光功率密度，防止发生激光器端面因激光器本身的光输出而熔化破坏的COD(Catastrophic Optical Damage：灾难性光损坏)。
与此相反，如上文所述，对适应16倍速记录的DVD和适应48倍速记录的CD-R可高速写入光盘相同用的光源要求进行至少200毫瓦的高输出运作。为了实现这种大于等于200毫瓦的高输出运作，对激光器的谐振器端面实施AR/HR镀覆，即使降低取出激光的前端面方的波导中的光功率密度，工作时的功耗也增大，激光器端面部附近的激活层的带隙因波导中的光吸收损耗增大带来的发热而缩小，激光被激光器端面吸收，从而发生COD。结果，仅实施AR/HR镀覆，不能保证几千小时或更长的长期可靠性。
因此，考虑通过对激光器端面部的激活层扩散杂质，形成使量子阱激活层无序化的窗区域，谋求增大激光器端面部附近的激活层的带隙，有效防止发生COD。其原因在于，由于窗区域的带隙大于激活层的带隙，即使端面部附近的窗区域的激活层带隙因工作时激光器本身发热、激光器端面的俄歇复合、带内高吸收造成的发热而减小，对激光也为透明状态，也就是激光器振荡波长大于与窗区域带隙许多的波长，所以能防止窗区域吸收激光。
DVD、CD-R用多波长半导体激光器器件(下文称为2波长半导体激光器器件)中形成上述窗结构，则能实现可高速写入的光盘相同用的2波长光源。
窗区域中，由于杂质扩散使激活层无序化，波导的有效折射率在窗区域和不使激活层无序化的增益区域中不同。因此，在窗区域-增益区域的边界产生光组合损耗，使光分布扩散，从而窗部的光分布对谐振器方向产生变动。由于该光分布的变动，从窗部端面出射的激光的远端辐射图(下文称为FFP)因窗区域的长度而变动。
对光盘系统的光学系统而言，FFP图对透镜的光利用效率影响非常大，因而需要将该半值总宽度制作得形成光利用效率最高的FFP。窗区域的长度不合适时，怎么精密设定增益部的光分布，其规模也变化大，得不到希望的半值宽度，因而透镜的光利用效率大为降低。结果，拾光器的光学系统中，不能得到高速记录所需的光强度，导致实用上产生重大障碍。
所以，需要适当设定窗区域长度，以便取得希望的FFP。
因此，本发明的目的在于，提供一种多波长半导体激光器器件，其中具有的窗结构对在同一衬底上形成的多波长半导体激光器器件，各波长的激光的FFP规模稳定，形成希望的FFP图，从而使光学系统设计容易。
发明内容
为了达到上述目的，本发明的多波长半导体激光器器件，在同一衬底上以单片方式形成输出波长不同的多个半导体激光器，所述半导体激光器的激活层为量子阱结构，所述激活层上具有台面状隆起部，并且所述多个半导体激光器的每一个，对所述激活层的端面部扩散杂质后形成的窗区域的长度不同。
又，以单片方式形成红外半导体激光器和红光半导体激光器作为所述半导体激光器，从而成为2波长半导体激光器器件。
又，越是输出波长短的半导体激光器，所述窗区域的长度越长。
又，所述窗区域长度之差为5微米～15微米。
又，所述红光半导体激光器的窗区域长度为10微米至30微米，所述红外半导体激光器的窗区域长度为10微米至25微米，而且所述红光半导体激光器的窗区域长度大于所述红外半导体激光器的窗区域长度。
又，增益部的激活层的输出波长与所述窗区域激活层的输出波长之差为红光半导体激光器大于红外半导体激光器。
又，所述增益部的激活层的输出波长与所述窗区域的激活层的输出波长之差大于等于20纳米。
又，所述红光半导体激光器、所述红外半导体激光器中都利用相同的杂质扩散形成所述窗区域。
又，使所述杂质扩散，在所述窗区域和往谐振器方向离开所述窗区域40微米的区域内进行扩散。
又，所述杂质包含Zn或Si。
又，在所述台面状隆起部的侧壁，形成各半导体激光器均相同的半导体层。
又，所述半导体层是AlInP电流阻止层。
又，所述台面状隆起部的侧壁，形成各半导体激光器均相同的介质层。
又，所述介质层是SiN、SiO2、TiO2、Al2O3、氢化非晶态Si、或它们的多层结构组成的材料。
又，对所述激活层注入电流用的接触层端面至最靠近的谐振器端面的距离，大于所述窗区域长度。
再者，对于在对所述激活层注入电流用的接触层端面至最靠近的谐振器端面的距离与所述窗区域长度的差，所述红光半导体激光器大于所述红外半导体激光器。
附图说明
图1是本发明多波长半导体激光器器件的截面结构模式图。
图2是示出本发明多波长半导体激光器器件的窗结构的俯视图。
图3是示出本发明多波长半导体激光器器件中引向窗部的激光的光分布强度分布对窗长的依赖性的计算结果的图。
图4A是示出本发明红光激光器扩展角的窗长依赖性的图。
图4B是示出本发明红光激光器扩展角的窗长依赖性的图。
图5A是示出本发明红外激光器扩展角的窗长依赖性的图。
图5B是示出本发明红外激光器扩展角的窗长依赖性的图。
图6A是示出使红外激光器的窗长为15微米、红光激光器的窗长为20微米的2波长半导体激光器器件的扩展角的光输出依赖性的图。
图6B是示出使红外激光器的窗长为15微米、红光激光器的窗长为20微米的2波长半导体激光器器件的扩展角的光输出依赖性的图。
图7A是示出使红外激光器的窗长为25微米、红光激光器的窗长为30微米的2波长半导体激光器器件的扩展角的光输出依赖性的图。
图7B是示出使红外激光器的窗长为25微米、红光激光器的窗长为30微米的2波长半导体激光器器件的扩展角的光输出依赖性的图。
图8是示出本实施方式的2波长半导体激光器器件在室温CW下的电流-光输出依赖性的图。
图9A是示出本发明的2波长半导体激光器器件的半导体层形成工序的工序剖视图。
图9B是示出本发明的2波长半导体激光器器件的半导体层形成工序的工序剖视图。
图9C是示出本发明的2波长半导体激光器器件的半导体层形成工序的工序剖视图。
图9D是示出本发明的2波长半导体激光器器件的半导体层形成工序的工序剖视图。
图10A是示出本发明的2波长半导体激光器器件的隆起部形成工序的工序剖视图。
图10B是示出本发明的2波长半导体激光器器件的隆起部形成工序的工序剖视图。
图10C是示出本发明的2波长半导体激光器器件的隆起部形成工序的工序剖视图。
图10D是示出本发明的2波长半导体激光器器件的隆起部形成工序的工序剖视图。
图11A是红光半导体激光器的输出波长分布图。
图11B是红光半导体激光器的输出波长分布图。
图12A是红外半导体激光器的输出波长分布图。
图12B是红外半导体激光器的输出波长分布图。
图13是示出已有的多波长半导体激光器器件的结构的立体图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是本发明的多波长半导体激光器器件的截面结构模式图。
在这种结构中，在以往[011]方向从(100)面倾斜10度的面为主面的n型GaAs衬底10上，将红光激光器和红外激光器集成为单片。首先，从红光激光器的结构开始进行说明。
红光激光器形成n型GaAs缓冲层11(o.5微米)、n型(Al0.7 Ga0.3)0.51In0.49P包层12(2.0微米)、(Al0.5 Ga0.5)0.51In0.49P(500埃)第1盖层13gl+[Ga0.48 In0.52P(50埃×3)阱层13w1～13w3+(Al0.5 Ga0.5)0.51In0.49P(50埃×2)阻挡层13b1、13b2]+(Al0.5 Ga0.5)0.51In0.49P(500埃)第2盖层13g2(当作偏斜量子阱激活层13)、p型(Al0.7 Ga0.3)0.51 In0.49P包层14、p型Ga0.51 In0.49P保护层16(500埃)、p型GaAs接触层(0.4微米)17。
这时，形成p型(Al0.7 Ga0.3)0.51In0.49P包层14，使隆起部的上部至激活层13的距离为1.4微米，隆起部的下端部与激活层的距离dp为0.3微米。
在上述隆起部的侧面上，形成n型AlInP电流阻止层(0.7微米)15。在这种结构中，电流阻止层15使从p下GaAs接触层17注入的电流仅收缩在隆起部，集中注入到位于隆起部底下方的激活层13，利用几十毫安的小电流实现激光器振荡所需的载流子的翻转分布状态。这时产生的因注入到激活层的载流子的复合而发光的光在对与激活层垂直的方向，由包层12、包层14进行垂直方向的锁光，并且在对与激活层平行的方向，AlInP电流阻止层15由于折射率小于包层，产生水平方向的锁光。电流阻止层15对激光器振荡光透明，因而不吸收光，能实现低损耗的波导。在波导中传播的光分布能大量渗透电流阻止层15，因而能方便地取得适合高输出运作的10-3左右的Δn，而且能同样以10-3左右按dp的大小精密控制其规模。这里，Δn表示电流注入条内与条外的有效折射率差。因此，能一面精密控制光分布，一面取得工作电流小的高输出半导体激光器。
这时，为了抑制高次横模振荡，需要使隆起部的底部宽度小于等于3.0微米。缩小该底板的宽度，则隆起部上表面的宽度也随隆起部的台面形状而缩小。隆起部上表面的宽度过分小，则电流-电压特性的上升电压后的微分电阻Rs大，使高频电流的重叠性和光输出的高速调制特性受损，同时还使工作电压升高，成为发热的原因。8倍速或更高的高倍速DVD系统的光源期望的Rs的值一般要求小于等于5欧姆。
红外激光器形成n型GaAs缓冲层21(o.5微米)、n型(Al0.7 Ga0.3)0.51In0.49P包层22(2.0微米)、Al0.5 Ga0.5 As(200埃)第1盖层23g1+[GaAs(30埃×3)阱层23w1～23w3+Al0.5Ga0.5As(50埃×2)阻挡层23b1、23b2]+Al0.5 Ga0.5 As(200埃)第2盖层23g2(当作量子阱激活层23)、p型(Al0.7 Ga0.3)0.51 In0.49P包层24、p型Ga0.51In0.49P保护层25(500埃)、p型GaAs接触层(0.4微米)26。
这时，形成p型(Al0.7 Ga0.3)0.51 In0.49P包层24，使隆起部的上部至激活层23的距离为1.4微米，隆起部的下端部与激活层的距离dp为0.24微米。
在上述隆起部的侧面上，形成n型AlInP电流阻止层(0.7微米)15。在这种结构中，电流阻止层15使从p型GaAs接触层26注入的电流仅收缩在隆起部，集中注入到位于隆起部底下方的激活层23，利用几十毫安的小电流实现激光器振荡所需的载流子的翻转分布状态。这时产生的因注入到激活层的载流子的复合而发光的光在对与激活层23垂直的方向，由包层22、包层24进行垂直方向的锁光，并且在对与激活层23平行的方向，AlInP电流阻止层15由于折射率小于包层，产生水平方向的锁光。电流阻止层15对激光器振荡光透明，因而不吸收光，能实现低损耗的波导。在波导中传播的光分布能大量渗透电流阻止层15，因而与红光激光器部相同，也能方便地取得适合高输出运作的10-3左右的Δn，而且能同样以10-3左右按dp的大小精密控制其规模。这里，因此，能一面精密控制光分布，一面取得工作电流小的高输出半导体激光器。
这时，为了抑制高次横模振荡，需要使隆起部的底部宽度小于等于3.2微米。缩小该底板的宽度，则隆起部上表面的宽度也随隆起部的台面形状而缩小。隆起部上表面的宽度过分小，则Rs大，使高频电流的重叠性和光输出的高速调制特性受损，同时还使工作电压升高，成为发热的原因。8倍速或更高的高倍速DVD系统的光源期望的Rs的值，一般要求小于等于5欧姆。
70℃的高温运作时，为了进行泄漏电流，200毫瓦或更高的高输出激光器中，使谐振器长大于等于1300微米，以减小工作电流密度。本实施方式将谐振器长取为1400微米。
在谐振器的前端面、后端面镀覆电介质膜，使反射率对红外激光器和红光激光器均分别为7％、94％。
图2是示出本发明多波长半导体激光器器件的窗结构的俯视图。
如图2所示，谐振器端面附近的量子阱激活层由使用Zn或Si的杂质扩散加以无序化，形成带隙能量大于增益部的激活层且对激光器振荡光透明的窗区域。在红外激光器的驱动面、后端面分别形成驱动面区域41a(长25微米)、后端面区域41b(长25微米)；在红光激光器的驱动面、后端面分别形成驱动面区域40a(长30微米)、后端面区域40b(长25微米)。
通过在谐振器端面附近形成窗区域，使窗区域的带隙能量大于激活层的带隙能量，即便端面附近的窗区域的激活层带隙能量因工作时激光器本身的发热、激光器端面的俄歇复合、带内光吸收损耗造成的发热而变小，也能保持对激光透明的状态，即保持激光器振荡光的波长大于与窗区域带隙相当的波长的状态，所以能防止窗区域吸收激光。因此，具有窗结构的半导体激光器无COD，可进行工作，直到高输出热饱和。
在窗区域中，由于杂质扩散使激活层无序化，窗区域和不对激活层进行无序化的增益区域中，波导的有效折射率不同.因此，增益部和窗部中，传导光受到的传播常数不同，产生光组合损耗，在窗区域-增益区域的边界使光分布扩散，因而窗部的光分布对谐振器的方向变动.由于此光分布变动，从窗部端面出射的激光的远端辐射图(FFP)根据窗区域的长度产生变动.
图3是示出本发明的多波长半导体激光器器件中引向窗部的激光的光分布强度分布对窗长的依赖性的计算结果的图，对本发明的半导体激光器器件的红光激光器部的结构，示出引向窗部的激光的光分布强度分布(将相对于激活层中的生长厚度方向的中心位置取为0微米后，往上下包层方向的强度分布)对窗长的依赖性计算结果，并且用等高线表示将距离0微米的位置的光强度取为1后，光强度往上下各衰减10％的线。
如图3所示，判明在窗部中，光分布强度的宽度以窗部与增益部的边界为界线，在窗区域往谐振器方向振动。可认为这是因为窗部和增益部中传播常数不同，窗部和增益部中光分布宽度不同，造成该边界上扩散的传导光与不扩散而和窗部组合的光分布进行干涉，从而光分布的扩展对窗长方向振动。判明本实施方式的半导体激光器器件的红光激光器的窗部中，光分布宽度以50微米的周期进行振动。
据此，预计从激光器端面出射的FFP半值总宽度也受窗长度影响，进行振动。
对光盘系统的光学系统而言，FFP图对透镜的光利用效率影响非常大，因而需要将该半值总宽度制作得形成光利用效率最高的FFP。窗区域的长度不合适时，怎么精密设定增益部的光分布，其规模也变化大，得不到希望的半值宽度，因而透镜的光利用效率大为降低。结果，拾光器的光学系统中，不能得到高速记录所需的光强度，导致实用上产生重大障碍。
因此，需要对从窗部出射的激光适当设定窗区域长度，以取得希望的FFP。
在由不同的激活层材料组成的多波长激光器中，由于激活层的折射率相互不同，需要将窗长设定成不同的值。在同一衬底上集成多波长激光器时，在同一杂质扩散工序形成窗部有利于减少元件制作方面的工序数。因此，不可能个别设定杂质扩散状态，难以设定个别优化窗部的杂质扩散的折射率分布变化的处理条件。因此，在同一衬底上集成多波长激光器时，为了取得希望的FFP，需要使多个半导体激光器的每一个其窗部长度不同。
因此，如图2所示，适应每一半导体激光器不同的窗区域长度。图2的例子中，红外激光器的窗区域长度短于红光激光器的窗区域长度。
图4是示出本发明的红光激光器的扩展角的窗长依赖性的图，图4(a)示出垂直扩展角的窗长依赖性，图4(b)示出水平扩展角的窗长依赖性。
5毫瓦的低输出中，判明垂直扩展角随窗长加大而变小，在窗长25微米时取16度的最小值后，随着窗长的加大，垂直扩展角变大。可认为这是由于窗部的垂直方向的光分布宽度在25微米附近最大。
判明水平扩展角在窗长25微米前具有缩小若干的趋势，但在8.5度左右为实质上恒定后，随着窗长的加大，水平扩展角的规模增大。这是因为窗部增大到大于等于25微米时，增益部与窗部的边界上扩散的传导光的影响使水平方向的光分布宽度变大，从而水平扩展角加大。
图4示出高输出80毫瓦时的红光部的垂直和水平扩展角的窗长依赖性.判明增大光输出时，垂直扩展角对窗长的变化率小，并且在窗长30微米附近形成最小值.又判明水平扩展角在30微米附近前，具有缩小若干的趋势，但其后随着窗长增大，水平扩展角的规模增大.这估计是光输出的增大使激活层的工作载流子密度增大，从而激活层的折射率由于等离子效应而降低，增益部的传播常数的实部逼近传播常数比增益部相对小的窗部，所以出现干涉影响的距离变长.窗部的传播常数相对于增益部的实部小，其原因在于，窗部的激活层的带隙能量相对于增益部大，从而实际折射率小.
从这些结果判明：为了使FFP相对于光输出实质上恒定，红光激光器将窗长设定为30微米左右即可。
图5是示出本发明的红外激光器的扩展角的窗长依赖性的图，图5(a)示出垂直扩展角的窗长依赖性，图5(b)示出水平扩展角的窗长依赖性。
5毫瓦的低输出中，判明垂直扩展角随窗长加大而变小，在窗长25微米时取17度的最小值后，随着窗长的加大，垂直扩展角变大。可认为这是由于窗部的垂直方向的光分布宽度在20微米附近最大。
判明水平扩展角在窗长20微米前具有缩小若干的趋势，但在8度左右保持最小值后，随着窗长的加大，水平扩展角的规模增大。这是因为窗部增大到大于等于20微米时，增益部与窗部的边界上扩散的传导光的影响使水平方向的光分布宽度变大，从而水平扩展角加大。
图5示出高输出80毫瓦时的红光部的垂直和水平扩展角的窗长依赖性。判明增大光输出时，垂直扩展角对窗长的变化率小，并且在窗长25微米附近形成最小值。又判明水平扩展角在25微米附近前，具有缩小若干的趋势，但其后随着窗长增大，水平扩展角的规模增大。这估计是光输出的增大使激活层的工作载流子密度增大，从而激活层的折射率由于等离子效应而降低，增益部的传播常数的实部逼近传播常数比增益部相对小的窗部，所以出现干涉影响的距离变长。
从这些结果判明：为了使FFP相对于光输出实质上恒定，红外激光器将窗长设定为25微米左右即可。
又判明FFP对光输出为实质上恒定的距离、垂直扩展角取最小值的距离均为红外激光器比红光激光器小5微米左右的值。这是因为如后面阐述那样，由于红外部的激活层的增益部与窗部的PL波长差别大于红光部的激活层的增益部与窗部的PL波长差别，红外激光器部的增益部、窗部的有效折射率的包含小于红光激光器部的增益部、窗部的有效折射率变化，使红外激光器部的光分布在增益部与窗部的边界受到的扩散小于红光激光器部的该扩散，所以光轴方向的光强度分布的变化在小的窗长上保持极值。
因此，例如将红光激光器部的窗长和红外激光器部的窗长分别取为20微米和15微米时，能取得红和红外均水平扩展角、垂直扩展角的光输出实质上线性变化的2波长激光器。
这样，将红光半导体激光器部的窗长设定成比红外半导体激光器部的窗长大5微米时，用同样的光学系统设计红外半导体激光器、红光半导体激光器时，能具有对2波长光学系统的光利用效率在2个波长上实质上相同的光输出依赖性，因而能方便地进行包含透镜的光学系统的设计。
考虑制作工序上的余量和形成谐振器时的解理误差，最好窗长至少为10微米.判明窗长大于等于10微米的范围中，为了上文所述那样使FFP对光输出保持实质上相同的依赖性，根据图3、图4所示的结果，红外激光器取为窗长10微米至25微米、红光激光器取为窗长10微米至30微米即可.尤其将红光激光器的窗长设定成比红外激光器的窗长大5微米，则能使FFP对光输出的变化率在红外激光器、红光激光器中实质上相同.
窗长由于无电流注入，且没有增益，成为波导中的损耗部。因此，窗长以尽可能小为佳，如图5所示，红外激光器部在窗长10微米左右时水平扩展角、垂直扩展角对窗长的变动小开始，将窗长设定成15微米时，红光激光器的窗部比红外激光器的窗部长5微米～15微米左右，极设定成20微米～30微米，则红外、红光的2波长激光器中，可设定在水平扩展角、垂直扩展角的变动量小的稳定区域。
图6是示出将红外半导体激光器的窗长取为15微米、红光半导体激光器的窗长取为20微米的2波长半导体激光器器件的扩展角的光输出依赖性的图，图6(a)示出垂直扩展角的光输出依赖性，图6(b)示出水平扩展角的光输出依赖性。
从图6判明红外半导体激光器、红光半导体激光器均形成FFP规模的光输出依赖性实质上相同的变化率。通过对每一波长的半导体激光器设定窗区域长度，以形成这种FFP规模的光输出依赖性实质上相同的变化率，能方便地进行多波长光学系统的数据。
图7是示出将红外半导体激光器的窗长取为25微米、红光半导体激光器的窗长取为30微米的2波长半导体激光器器件的扩展角的光输出依赖性的图，图7(a)示出垂直扩展角的光输出依赖性，图7(b)示出水平扩展角的光输出依赖性。
从图7判明，红外半导体激光器、红光半导体激光器中，FFP规模对光输出依赖性都非常小，为实质上相同的值。这种情况下，能非常设计2波长光学系统。
图8是输出本实施方式的2波长半导体激光器器件在室温CW下的电流-光输出依赖性的图。判明红外半导体激光器、红光半导体激光器均由于在窗区域，即使200毫瓦或更高的高输出运作时也不发生COD。
接着，用图9、图10对本发明的半导体激光器的制造方法进行说明。
图9是示出本发明的2波长半导体激光器器件的半导体层形成工序的工序剖视图，图10是输出本发明的2波长半导体激光器器件的隆起部形成工序的工序剖视图。
首先，在n型GaAs衬底10上，在采用MOCVD法或MBE法的第1晶体生长工序中，在将往011方向从100面倾斜10度的面作为主面的n型GaAs衬底10上形成n型GaAs缓冲层11(o.5微米)、n型(Al0.7 Ga0.3)0.51 In0.49P包层12(2.0微米)、(Al0.5 Ga0.5)0.51 In0.49P(500埃)第1盖层13g1+[Ga0.48 In0.52P(50埃×3)阱层13w1～13w3+(Al0.5 Ga0.5)0.51 In0.49P(50埃×2)阻挡层13b1、13b2]+(Al0.5 Ga0.5)0.51 In0.49P(500埃)第2盖层13g2(当作偏斜量子阱激活层13)、p型(Al0.7 Ga0.3)0.51 In0.49P包层14、p型Ga0.51 In0.49P保护层16(500埃)、p型GaAs接触层(0.4微米)17、p型Ga0.51 In0.49P边界层18(0.5埃)(图9(a))。
本实施方式中，激活层13适应偏斜量子阱，但也可用无偏斜量子阱或空间电荷。激活层13的导电性无专门记述，可为p型，可为n型，当然也可用不掺杂。
接着，从MOCVD或MBE反应炉取出GaAs衬底后，利用光刻制版在红光激光器形成区域上形成抗蚀剂图案19，将该抗蚀剂图案19作为掩模，用硫酸类或盐酸类蚀刻液去除没有形成掩模的红外激光器形成区域部分(图9(b))。
去除抗蚀剂后，接着用MOCVD法或MBE法形成n型GaAs缓冲层21(o.5微米)、n型(Al0.7 Ga0.3)0.51 In0.49P包层22(2.0微米)、Al0.5 Ga0.5As(200埃)第1盖层23gl+[GaAs(30埃×3)阱层23w1～23w3+Al0.5 Ga0.5As(50埃×2)阻挡层23b1、23b2]+Al0.5 Ga0.5As(200埃)第2盖层23g2(当作量子阱激活层23)、p型(Al0.7 Ga0.3)0.51 In0.49P包层24、p型Ga0.51 In0.49P保护层25(500埃)、p型GaAs接触层(0.4微米)26(图9(c))。
接着，利用光刻制版在红外激光器形成区域上形成抗蚀剂图案27，将该抗蚀剂图案27作为掩模，用硫酸类或盐酸类蚀刻液去除没有形成掩模的部分，仅留下红光激光器部(图9(d))。
接着，去除抗蚀剂图案后，用大气压热CVD法(370℃)在p型GaAs接触层(0.4微米)17、p型GaAs接触层26上淀积Zn扩散源30和间隙膜，并进行图案制作，以形成利用光刻制版和干蚀刻技术设定的窗长后，进行退火，使Zn扩散到激活层，产生无序化，从而形成窗区域(图10(a))。也可将Si作为杂质，使量子阱激活层无序化。这时的定量特性与扩散Zn时相同。
接着，又利用光刻制版和干蚀刻技术对在p型Ga0.51 In0.49P保护层16上用大气压CVD法(370℃)淀积成0.3微米后的氧化硅膜31制作图案，形成条状掩模。将该条状的氧化硅膜31作为掩模，依次有选择地蚀刻p型GaAs接触层17、p型GaAs接触层26、p型GaInP保护层16、p型GaInP保护层25、p型AlGaInP包层14、p型AlGaInP包层24，在异质结构衬底上形成台面状隆起部(图10(b))。
进行蚀刻后，再次将GaAs衬底10置入MOCVD或MBE反应炉，利用氧化硅掩模有选择地生长n型AlInP电流阻止层15(0.7微米)(图10(c))。
进而，从MOCVD或MBE反应炉取出GaAs衬底10，用氟酸类蚀刻液去除氧化硅掩模(图10(d))。将n型电流阻止层设定成由电介质膜组成时，形成台面状隆起部，用氟酸类蚀刻液去除作为掩模的氧化硅膜后，在整个面形成电介质膜，并利用光刻制版进行图案制作，仅使隆起部上部的p型GaAs接触层17、p型GaAs接触层26开口。接着，通过利用氟酸类液进行蚀刻加以形成。电介质膜为了取得与包层的折射率差，最好是SiN、SiO2、TiO2、Al2O3、氢化非晶态Si或它们的多层结构组成的材料。
每次形成窗结构，都使红光半导体激光器、红外半导体激光器按相同的热履历形成。因此，能使窗区域的包层中的杂质Zn的扩散量在红光半导体激光器、红外半导体激光器中都相同，从而能再现性良好地形成与增益部的折射率差。因此，可分别设计最佳值，使FFP波形对设定的窗区域长度不混乱。
而且，每次同时形成窗区域，由As类激活层组成的红外激光器比红光激光器Zn的扩散系数小1个数量级，从而组团把与窗部的波长差Δλ形成红外Δλ＜红光Δλ的关系。Δλ大时，窗部激活层具有吸收作用的最大波长接近激光器振荡波长，所以窗部的波导损耗大。因此，为了减小窗部的波导损耗，需要使红外方的窗部长度短于红光方的窗部长度。
接着，示出红光激光器、红外激光器的典型窗区域输出波长分布。
图11是红光半导体激光器的输出波长分布图，图11(a)是增益部的输出波长分布图，图11(b)是窗部的输出波长分布图。图12是红外半导体激光器的输出波长分布图，图12(a)是增益部的输出波长分布图，图12(b)是窗部的输出波长分布图。
在该例子中，红外半导体激光器的Δλ为35纳米，红光半导体激光器的Δλ为50纳米。为了确保红外部的COD水平，需要Δλ大于等于20纳米。本实施方式中，将红外半导体激光器的窗长取为15微米。红光半导体激光器的窗长取为20微米。
而且，将Zn作为杂质源，以形成窗区域时，基于热履历的往谐振器方向的扩散对抑制FFP混乱也重要.
作为窗区域，为了确保FFP形状，重要的是：相对于设定对形成Zn固相源的区域控制成红光半导体激光器和红外半导体激光器都往谐振器方向形成40微米以内的扩散的窗长稳定的扩展角。
又，对窗部注入电流时，载流子注入窗部激活层，折射率变动，因而造成FFP图案变形，同时窗部激活层带隙因窗部发热而缩小，造成COD防护水平降低。为了防止这点，有效的是去除窗部40a、40b、41a、41b上的p-GaAs接触层17、p-GaAs接触层26，使电流不注入窗部。将去除该p-GaAs接触层后的离开谐振器端面的长度取为Lc，窗部长度取为Lw时，需要使Lc-Lw(设为ΔL)大于等于0。考虑工序的掩模配合精度，则将ΔL取大，能可靠防止电流注入到窗部。然而，ΔL太大时，对窗部边界附近的增益部激活层的电流注入量减小，使该部分的激活层形成损耗，造成振荡阈值增大、电流-光输出特性为非线性、斜率效率降低。
因此，需要按0微米≤ΔL≤50微米进行制作。再者，作为红外发光材料的AlGaAs类材料比作为红光区域发光材料的InGaP类材料吸收系数大，因而加大ΔL时，窗部边界附近的激活层的损耗大。为了防止这点，需要将红外的ΔL设定成比红光的ΔL小。ΔL≤50微米时，如果红外的ΔL比红光的ΔL小5微米或更多，则红外半导体激光器、红光半导体激光器都能防止振荡阈值增大、电流-光输出特性为非线性、斜率效率加大。
综上所述，在以单片方式形成输出波长不同的多个半导体激光器的多波长半导体激光器器件中，通过使各半导体激光器的窗区域长度为输出波长短的半导体激光器的该长度，能使各波长具有程度相同的光输出依赖性，因此能方便地进行光学系统的设计。
尤其在以单片方式形成红光半导体激光器和红外半导体激光器的2波长半导体激光器器件中，通过使红外半导体激光器的窗区域长度短于红光半导体激光器的该长度，能使各波长具有程度相同的光输出依赖性，所以能方便地进行光学响应设计，同时还能尽量缩短窗区域长度，加大增益区域长度，从而能取得又使温度特性良好又使红光半导体激光器和红外半导体激光器的FFP半值总宽度以实质上相同的比率分布对光输出变化的多波长半导体激光器。再者，将红光半导体激光器的窗长取为30微米，红外半导体激光器的窗长取为25微米，则能取得稳定地形成所希望的值而不依赖于光输出的2波长半导体激光器器件。
Claims (14)
1.一种多波长半导体激光器器件，其特征在于，
在同一衬底上以单片方式形成输出波长不同的多个半导体激光器，
所述半导体激光器的激活层为量子阱结构，
所述激活层上具有台面状隆起部，并且
所述多个半导体激光器的每一个，对所述激活层的端面部扩散杂质后形成的窗区域距离所述端面部的长度不同，
越是输出波长短的半导体激光器，所述窗区域的长度越长，
所述窗区域距离所述端面部的长度之差为5微米～15微米。
2.如权利要求1中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
以单片方式形成红外半导体激光器和红光半导体激光器作为所述半导体激光器，从而成为2波长半导体激光器器件。
3.一种多波长半导体激光器器件，其特征在于，
在同一衬底上以单片方式形成输出波长不同的多个半导体激光器，
所述半导体激光器的激活层为量子阱结构，
所述激活层上具有台面状隆起部，并且
所述多个半导体激光器的每一个，对所述激活层的端面部扩散杂质后形成的窗区域距离所述端面部的长度不同，
所述红光半导体激光器的窗区域距离所述端面部的长度为10微米至30微米，所述红外半导体激光器的窗区域距离所述端面部的长度为10微米至25微米，而且所述红光半导体激光器的窗区域距离所述端面部的长度大于所述红外半导体激光器的窗区域长度。
4.一种多波长半导体激光器器件，其特征在于，
在同一衬底上以单片方式形成输出波长不同的多个半导体激光器，
所述半导体激光器的激活层为量子阱结构，
所述激活层上具有台面状隆起部，并且
所述多个半导体激光器的每一个，对所述激活层的端面部扩散杂质后形成的窗区域距离所述端面部的长度不同，
红光半导体激光器中的增益部的激活层的输出波长与所述窗区域激活层的输出波长之差大于红外半导体激光器中的增益部的激活层的输出波长与所述窗区域激活层的输出波长之差。
5.如权利要求4中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
所述增益部的激活层的输出波长与所述窗区域的激活层的输出波长之差大于等于20纳米。
6.如权利要求2中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
所述红光半导体激光器、所述红外半导体激光器中都利用相同的杂质扩散，形成所述窗区域。
7.如权利要求6中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
使所述杂质扩散，在所述窗区域和往谐振器方向离开所述窗区域40微米的区域内进行扩散。
8.如权利要求1中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
所述杂质包含Zn或Si。
9.如权利要求1中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
在所述台面状隆起部的侧壁，形成各半导体激光器均相同的半导体层。
10.如权利要求9中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
所述半导体层是AlInP电流阻挡层。
11.如权利要求1中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
所述台面状隆起部的侧壁，形成各半导体激光器均相同的介质层。
12.如权利要求11中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
所述介质层是SiN、SiO2、TiO2、Al2O3、氢化非晶态Si、或它们的多层结构组成的材料。
13.如权利要求1中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
对所述激活层注入电流用的接触层端面至最靠近的谐振器端面的距离，大于所述窗区域距离所述端面部的长度。
14.如权利要求2中所述的多波长半导体激光器器件，其特征在于，
所述红光半导体激光器中的对于在向所述激活层注入电流用的接触层端面至最靠近的谐振器端面的距离与所述窗区域距离所述端面部的长度的差，大于所述红外半导体激光器中的对于在向所述激活层注入电流用的接触层端面至最靠近的谐振器端面的距离与所述窗区域距离所述端面部的长度的差。
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