CN101889374B - 半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明的提供一种半导体激光器，其工作电流低且即便在高温输出时也稳定地振荡。该半导体激光器具有：基板(10)；n型包覆层(12)，其设于基板(10)上；有源层(13)，其设于n型包覆层(12)上；p型包覆层(14)，其为设于有源层(13)上的含有Al的化合物，且具有成为电流通路的条状脊结构；电流阻挡层(16)，其为在除脊结构的上表面之外的p型包覆层(14)表面设置的含有Al的化合物，且Al的组成比在p型包覆层(14)的Al的组成比以下；光吸收层(17)，其设于电流阻挡层(16)上，吸收激光器振荡波长的光。

Description

半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，特别涉及限制电流的层与限制光的层各自独立的半导体激光器。
背景技术
作为光信息处理设备的光源使用的半导体激光器要求寿命长、由温度引起的阈值电流的变化小且噪声低。作为光信息处理设备的半导体激光器，可以采用振荡波长处于红色区域且具有两层结构的电流阻挡层的脊型半导体激光器等(例如参照专利文献1)。
在光信息处理设备中使用单模半导体激光器的情况下，当被光盘等反射的激光入射到半导体激光器时，因光干涉而导致振荡状态不稳定地变化，成为产生噪声的原因。这样由反射光产生的噪声，在半导体激光器被使用于光盘等再生记录用光源等时，成为较大的障碍。
为了减少由该反射光产生的噪声，通常采取如下措施，即通过高频叠加电路调制半导体激光器的输出，以降低激光的相干性。但是，对该方法而言，由于另外需要用于生成高频电流的高频叠加电路，因此，不适合于装入半导体激光器的光信息处理设备的小型化。于是，最近，在外部不设置高频叠加电路而使半导体激光器的输出周期性变动的所谓自激励振荡(自激振荡)激光器由于低成本且适合于小型化而受到关注。
但是，自激振荡激光器存在在高温输出时导致产生单模化的问题。即，在以往的自激振荡激光器中，仅在低温输出时保证与在单模激光器中使高频电流叠加时相同的效果。
专利文献1：(日本)特开2002-124736号公报
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种工作电流低且即便在高温输出时也稳定地振荡的半导体激光器。
根据本发明的一实施方式，提供一种半导体激光器，该半导体激光器具有：基板；第一导电型包覆层，其设于基板上；有源层，其设于第一导电型包覆层上；第二导电型包覆层，其为设于有源层上的含有Al的化合物，且具有成为电流通路的条状脊结构；电流阻挡层，其为在除脊结构的上表面之外的第二导电型包覆层表面设置的含有Al的化合物，且Al的组成比在第二导电型包覆层的Al的组成比以下；光吸收层，其设于电流阻挡层上，吸收激光器振荡波长的光。
根据本发明，可以提供一种工作电流低且即便在高温输出时也稳定地振荡的半导体激光器。
附图说明
图1是本发明实施方式的半导体激光器的立体图；
图2是本发明实施方式的半导体激光器的剖面图；
图3(a)～(c)是表示本发明实施方式的半导体激光器的制造工序的剖面图；
图4是表示本发明实施方式的半导体激光器的相干性及温度变化对于QW数的依赖性的曲线图；
图5是表示本发明实施方式的半导体激光器的工作电流及温度变化对于QW数的依赖性的曲线图；
图6是表示本发明实施方式的半导体激光器的工作电流及温度变化对于谐振腔长度的依赖性的曲线图；
图7是表示本发明实施方式的半导体激光器的振荡阈值与p型包覆层的Al组成比的依赖性的曲线图；
图8是表示本发明实施方式的半导体激光器的相干性与工作电流的脊底宽度的依赖性的曲线图；
图9是表示本发明实施方式的半导体激光器在25℃下的相干性、第一p型包覆层层厚及电流阻挡层层厚的依赖性的曲线图；
图10是表示本发明实施方式的半导体激光器在70℃下的相干性、第一p型包覆层层厚及电流阻挡层层厚的依赖性的曲线图；
图11是表示本发明实施方式的半导体激光器在25℃下的工作电流、第一p型包覆层层厚及电流阻挡层层厚的依赖性的曲线图；
图12是表示本发明实施方式的半导体激光器在70℃下的工作电流、第一p型包覆层层厚及电流阻挡层层厚的依赖性的曲线图。
附图标记说明
10  基板
12  n型包覆层
13  有源层
14  p型包覆层
14  a第一p型包覆层
14  b第二p型包覆层
15  蚀刻停止层
16  电流阻挡层
17  光吸收层
18  BDR层
19  接触层
20  n侧电极
21  p侧电极
30  掩模
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。在以下附图的记载中，对于同一或类似组成部分，由同一或类似附图标记来表示。附图是示意性表示的图，厚度与平面尺寸的关系、各层的厚度的比例等与实际结构不一样。因此，具体的厚度和尺寸应对照以下说明进行判断。而且，不言而喻，在各附图中，也包含彼此的尺寸关系和比例不同的部分。
(实施方式)
如图1及图2所示，本发明实施方式的半导体激光器具有：基板10；设于基板10上的n型(第一导电型)包覆层12；设于n型包覆层12上的有源层13；在有源层13上设置的含有铝(Al)的化合物且具有成为电流通路的条状脊结构的p型(第二导电型)包覆层14；在除脊结构的上表面之外的p型包覆层14表面设置的含有Al的化合物且Al的组成比在p型包覆层14的Al的组成比以下的电流阻挡层16；设于电流阻挡层16上且吸收具有激光器振荡波长的光的光吸收层17。
基板10例如是由作为n型掺杂剂掺杂硅(Si)的导电性n型(第一导电型)砷化镓(GaAs)构成的半导体基板。
n型包覆层12例如由作为n型掺杂剂掺杂浓度约为7.0×1017cm-3的Si的InGaAlP构成。优选在n型包覆层12上设置n型光导层(省略图示)，该光导层由作为n型掺杂剂掺杂浓度约为2.3×1017cm-3的Si的InGaAlP构成且起到调整有源层13内的光密度的作用。
在有源层13中由n型包覆层12供给的电子与由p型包覆层14供给的空穴复合而产生光。有源层13能够构成为，例如利用带隙比阱层带隙大的势垒层(层阻挡层)将阱层夹在中间的夹层状的量子阱(QW)结构。该量子阱结构中的阱层可以不是一层而是多层，有源层13也可以是多重量子阱结构(MQW)。MQW的有源层13可以形成为将InGaAlP和铟-镓-磷(InGaP)交替地层叠5～8对的结构。有源层13的厚度为15～90nm左右。优选在有源层13上设置例如p型光导层(省略图示)，该光导层由作为p型掺杂剂掺杂浓度约为3.5×1017cm-3的镁(Mg)的InGaAlP构成且起到调整有源层13内的光密度的作用。
p型包覆层14由第一p型包覆层14a和第二p型包覆层14b构成，在第一p型包覆层14a与第二p型包覆层14b的边界设有蚀刻停止层15。第一p型包覆层14a的层厚t1(不存在脊结构的部位的p型包覆层14的厚度)为200～500nm的平坦层。第二p型包覆层14b为脊上部(顶部)宽度d1为1.0～3.5μm、脊下部(底部)宽度d2为1.5～4.0μm、条状延伸方向的长度(谐振腔长度)L为250～500μm的条状脊结构。第一p型包覆层14a与第二p型包覆层14b例如由作为p型掺杂剂掺杂浓度约为7.0×1017cm-3的Mg的InGaAlP构成。
电流阻挡层16为透明且具有不限制(不吸收)由有源层13产生的激光而仅限制电流的功能。电流阻挡层16能够利用限制电流的功能，使注入到有源层13的电流变窄，使有源层13中的电流密度上升。作为电流阻挡层16所使用的材料，必须是不吸收由有源层13产生的激光的材料且能够限制被注入的电流的材料。首先，作为满足不吸收由有源层13产生的激光这一条件的电流阻挡层16所使用的材料，可以采用与有源层13相同的材料，或者采用带隙比有源层13带隙的大的材料。另外，作为满足能够限制被注入的电流这一条件的电流阻挡层16所使用的材料，必须是带隙比p型包覆层14的带隙大的材料，例如只要将电流阻挡层16内的Al的组成比设定在p型包覆层14的Al的组成比以下即可，更优选为将电流阻挡层16内的Al的组成比与p型包覆层14的Al的组成比之差设定在5％以内。为了得到足够的电流元件效应(電流素子効果)，电流阻挡层16的层厚t2优选为100～400nm。电流阻挡层16例如由作为n型掺杂剂掺杂浓度约为1.1×1018cm-3的Si的InGaAlP构成。
光吸收层17能够吸收由有源层13产生的激光，且能够利用反波导作用限制激光。在光吸收层17由比p型包覆层14的带隙大的材料构成时，也兼有将被注入的电流限制的电流阻挡层的功能。光吸收层17例如由作为n型掺杂剂掺杂浓度约为1.1×1018cm-3的Si的GaAs构成。光吸收层17只要比有源层13的带隙小即可，对于掺杂而言，可以是p型、n型和非掺杂中的任一种。
带不连续缓和(BDR)层18设置在作为第二p型包覆层14b的脊结构的上表面。BDR层18例如由作为p型掺杂剂掺杂浓度约为4.0×1018cm-3的Mg的InGaP构成。
接触层19设置在电流阻挡层16、光吸收层17及BDR层18上。由于接触层19是形成p侧电极21的层，因此，若形成结晶性好且载流子浓度大的层，则容易与电极材料实现欧姆连接。接触层19例如由作为p型掺杂剂掺杂浓度约为1.5×1019cm-3的锌(Zn)的GaAs构成。
n侧电极20设置在基板10的设有n型包覆层12的面的相反面侧，并与基板10欧姆连接。作为n侧电极20，可以使用AuGe/Ni/Au电极、Au/Sn/Cr电极等。
p侧电极21设置在接触层19上表面，并与接触层19欧姆连接。作为p侧电极21，可以使用Ti/Pt/Au电极、Au/Cr电极等。
以下，参照图3说明实施方式的半导体激光器的制造方法。
首先，如图3(a)所示，利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD法)，在n型GaAs基板10上依次外延生长n型包覆层12、有源层13、第一p型包覆层14a、蚀刻停止层15、第二p型包覆层14b、BDR层18。
接着，如图3(b)所示，在BDR层18上形成用于形成脊结构的掩模30。然后，以经由掩模30的状态，对BDR层18及第二p型包覆层14b进行蚀刻。在该蚀刻中，避免蚀刻至比蚀刻停止层15更深的位置。这样，通过蚀刻至蚀刻停止层15，可以将从脊结构的底部到有源层13的距离t1保持为一定距离，可以使激光器特性稳定。然后，将脊结构的底部之外的剩下的蚀刻停止层15除去。
接着，如图3(c)所示，以经由掩模30的状态，利用MOCVD法，在第一p型包覆层14a及第二p型包覆层14b的脊结构侧面，依次外延生长电流阻挡层16、光吸收层17。在结束外延生长之后，除去掩模30。
接着，利用MOCVD法，在电流阻挡层16、光吸收层17及BDR层18上外延生长接触层19。在结束外延生长之后，通过在基板10侧形成n侧电极20并且在接触层19侧形成p侧电极21，制成图1及图2所示的半导体激光器。
以下，对于实施方式的半导体激光器的工作进行说明。
在n侧电极20及p侧电极21之间，施加用于将生成激光所需的载流子注入有源层13的电压。
由于反向偏压施加在p型半导体层和n型电流阻挡层16之间的pn结，因此，电流在电流阻挡层16不流动，在条状脊结构部分变窄。其结果，电流在有源层13中被选定的区域(位于条状脊结构正下方的区域)流动。在有源层13中，大小超过规定水准的电流流动的区域对于激光作为“增益区域”起作用，除此之外的区域作为“可饱和吸收区域R”起作用。
可饱和吸收区域R并非作为对于激光的增益区域而是作为吸收区域起作用，但其吸收程度(光吸收量)依赖于可饱和吸收区域R中存在的光激发载流子的密度。在此，“光激发载流子”是指因吸收激光而从价带向导带激发的电子和空穴。
光激发载流子密度越高，光吸收量越降低；光激发载流子密度越低，光吸收量越增加。若可饱和吸收区域R的光吸收量周期性变动，则半导体激光器装置的内部损耗也周期性变动，因此，激光器振荡所需的阈值电流密度也周期性变动。其结果，即便驱动电流被维持为一定，实质上也显现与使驱动电流变化的效果相同的效果，产生自激振荡。
为了稳定地产生自激振荡，重要的是使电流不向有源层13的横向扩散，使光点S向纵向扩散，并且确保宽的可饱和吸收区域R。
以下，使用图4～图12的曲线验证在实施方式的半导体激光器中，为了稳定地产生自激振荡的具体条件。
使用图4的曲线，验证实施方式的半导体激光器的相干性(相干特性)及温度变化对于有源层13的QW数的依赖性。在该验证中，使用有源层13的QW数为3～9对的半导体激光器，除此之外，在相同的条件下使半导体激光器使用的温度变化。验证结果为，在有源层13的QW数为3对、4对时，不能确保宽的可饱和吸收区域R，因此，即便在低温，相干性也增强，导致单模化。另外，在有源层13的QW数增加为9对时，因QW数增多，有源层13自身的体积增加，能确保宽的可饱和吸收区域R，因此，相干性降低，但是，若增加QW数，则振荡阈值增高，在高温条件下，因其自发热而使工作电流上升，导致产生热散逸。因此，由图4的曲线可知，为了进行振荡动作，优选的QW数为5～8对，更优选的QW数为6对或7对。
使用图5的曲线，验证实施方式的半导体激光器的工作电流及温度变化对于有源层13的QW数的依赖性。在该验证中，使用有源层13的QW数为3～9对的半导体激光器，除此之外，在相同的条件下使半导体激光器使用的温度变化。验证结果为，在有源层13的QW数增加为9对时，若增加QW数，则振荡阈值上升，在高温条件下，导致产生热散逸。而且，即便不产生热散逸，也存在因工作电流增大而导致单模化的情况。在导致单模化时，由于单模LD工作电流低，因此，工作电流没有想象的那样上升。由图5的曲线可知，为了进行振荡动作，优选的QW数为8对以下。
使用图6的曲线，验证实施方式的半导体激光器的工作电流及温度变化对于谐振腔长度的依赖性。在该验证中，使用谐振腔长度L为200μm、300μm、400μm、500μm的半导体激光器，除此之外，在相同的条件下使半导体激光器使用的温度变化。当谐振腔长度L短时，由于振荡阈值下降，故工作电流降低，但因散热性差，故受到温度的影响而产生的变化大。当谐振腔长度L长时，由于振荡阈值上升，故导致工作电流增高。虽然因使用输出、工作电流的不同而存在差异，但是由图6的曲线可知，若谐振腔长度L为250～500μm左右，则可以稳定地产生自激振荡。
使用图7的曲线，验证实施方式的半导体激光器的振荡阈值与p型包覆层14的Al组成比的依赖性。在该验证中，在电流阻挡层16的Al组成比为0.4、谐振腔长度L为500μm、有源层13的QW数为4对的条件下，采用了使p型包覆层14的Al组成比变化的半导体激光器。由于电流阻挡层16的Al组成比通常为0.4～0.6左右，电流阻挡层16的带隙比p型包覆层14的带隙大，因此，p型包覆层14的Al组成比高于电流阻挡层16的Al组成比。Al组成比越高，对于光和载流子的限制越高，工作电流下降，但难以掺杂p型杂质。由于容易氧化，故在工艺上也存在难点。验证的结果是，如图7的曲线所示，在p型包覆层14的Al组成比为0.6～0.8左右时，半导体激光器的振荡阈值变低，p型包覆层14的Al组成比在0.6～0.8左右存在最佳值。
使用图8的曲线，验证实施方式的半导体激光器的相干性与工作电流的脊底宽度d2的依赖性。在该验证中，使用仅使脊底宽度d2变化而其他条件相同的半导体激光器。对于相干性和脊底宽度d2的依赖性进行该验证的结果为，当脊底宽度d2比某固定值宽时，相干性增强而单模化。另外，对于工作电流和脊底宽度d2的依赖性而言，当脊底宽度d2变窄时，可饱和吸收区域R增大，但因串联电阻增大，故工作电流升高而依赖性变差。当脊底宽度d2变宽时，因串联电阻减小，故工作电流降低，但由于容易产生扭折(キンク)，因此，即使使脊底宽度d2过宽，工作电流也升高，使依赖性变差。基于上述结论，脊底宽度d2优选为1.5～4.0μm，更优选为2.0～3.5μm。
使用图9及图10的曲线，验证实施方式的半导体激光器分别在25℃、70℃下的相干性、第一p型包覆层的层厚t1及电流阻挡层16的层厚t2的依赖性。在该验证中，使用电流阻挡层16的层厚t2为0nm、100nm、200nm、300nm的半导体激光器，除此之外，在相同条件下改变第一p型包覆层的层厚t1。图9表示温度为25℃的情况，图10表示温度为70℃的情况。验证的结果是，在温度为25℃的情况下，当电流阻挡层16的层厚t2为0nm(不存在电流阻挡层16)时，在第一p型包覆层的层厚t1为300nm以上，相干性低，能够进行振荡动作，当电流阻挡层16的层厚t2为100nm、200nm、300nm时，在第一p型包覆层的层厚t1为200nm以上，能够进行振荡动作。在温度为70℃的情况下，当电流阻挡层16的层厚t2为200nm、300nm时，在第一p型包覆层的层厚t1为300nm以上，相干性低，能够进行振荡动作。因此，能够进行稳定的振荡动作的条件优选为，第一p型包覆层的层厚t1为200～500nm且电流阻挡层16的层厚t2为100～400nm，更优选为，第二导电型包覆层层厚(第一p型包覆层层厚t1)与电流阻挡层的层厚t2的合计厚度为400～800nm。
使用图11及图12的曲线，验证实施方式的半导体激光器分别在25℃、70℃下的工作电流、第一p型包覆层的层厚t1及电流阻挡层16的层厚t2的依赖性。在该验证中，使用电流阻挡层16的层厚t2为0nm、100nm、200nm、300nm的半导体激光器，除此之外，在相同条件下改变第一p型包覆层的层厚t1。图11表示温度为25℃的情况，图12表示温度为70℃的情况。验证的结果是，在温度为25℃的情况下，当电流阻挡层16的层厚t2为0nm(不存在电流阻挡层16)时，在第一p型包覆层的层厚t1为200nm以上，看到工作电流增高、依赖性变差的倾向。在其他条件下，工作电流不怎么升高而稳定。在温度为70℃的情况下，虽然整体上工作电流升高，但是，在电流阻挡层16的层厚t2为200nm、300nm时等情况下，与电流阻挡层16的层厚t2为0nm(不存在电流阻挡层16)的情况相比，能够确认减小约30mA的工作电流。由此可知，通过设有电流阻挡层16，可以减小工作电流。
根据本发明实施方式的半导体激光器，通过在限制光的光吸收层17的内侧，设置具有使由有源层13产生的激光透过且仅抑制电流这种功能的电流阻挡层16，从而可以强化对于电流扩散的抑制，而不会减小作为光的扩散的光点S。由于在保持扩散光点S的状态下，通过抑制电流的扩散，可以确保宽的可饱和吸收区域R，因此，可以稳定地产生自激振荡。
另外，根据实施方式的半导体激光器，通过单独设置电流阻挡层16及光吸收层17，可以确保宽的可饱和吸收区域R，却不增大有助于提高工作电流的有源层13的体积(增加QW数)以及不增厚第一p型包覆层层厚t1，因此，可以抑制工作电流上升。并且，根据实施方式的半导体激光器，由于可以使工作电流较低地振荡，因此，即便在高温输出时也能够稳定地产生自激振荡，却在高温下也不产生热散逸。
(其他实施方式)
如上所述，通过实施方式介绍了本发明，但不应理解为构成该公开的一部分的记述及附图对本发明进行限定。不言而喻，本领域技术人员根据该公开可以进行各种替代实施方式、实施例及运用技术的变更。
例如，在实施方式中，对于单波长的半导体激光器进行了叙述，但是，将实施方式的半导体激光器也可以采用在同一基板上搭载DVD读取用的650nm的激光和CD(CD-R)读取用的780nm激光这两波长的半导体激光器的单片式及多片式半导体激光器。
这样，应理解为本发明包含在此未记载的各种实施方式等。因此，本发明仅由基于该公开的妥当地要求保护的权利要求范围的发明特定事项来限定。
工业实用性
根据本发明，能够提供一种工作电流低且即便在高温输出时也稳定地振荡的半导体激光器。

Claims (9)

1.一种半导体激光器，其特征在于，具有：
基板；
第一导电型包覆层，其设于所述基板上；
有源层，其设于所述第一导电型包覆层上；
第二导电型包覆层，其为设于所述有源层上的含有Al的化合物，且具有成为电流通路的条状脊结构；
电流阻挡层，其为在除所述脊结构的上表面之外的所述第二导电型包覆层表面设置的含有Al的化合物，且Al的组成比在所述第二导电型包覆层的Al的组成比以下；
光吸收层，其设于所述电流阻挡层上，吸收激光器振荡波长的光。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述电流阻挡层与所述第二导电型包覆层的Al的组成比之差在5％以内。
3.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层是层叠有5～8对阱层的多重量子阱结构。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，不存在所述脊结构的部位的所述第二导电型包覆层的厚度为200～500nm，并且所述电流阻挡层的厚度为100～400nm。
5.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，不存在所述脊结构的部位的所述第二导电型包覆层与所述电流阻挡层的合计厚度为400～800nm。
6.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述脊结构的底部宽度为1.5～4.0μm。
7.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层的厚度为15～90nm。
8.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述脊结构在条状延伸方向的长度为250～500μm。
9.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，形成在所述有源层周边的可饱和吸收区域通过吸收和发射由所述有源层产生的激光而自激振荡。
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