專利名稱：半導體二極管激光器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及折射率導引型(index-guided)半導體二極管激光器，以下通常簡稱為激光器，該激光器包括一塊半導體本體，它具有第一導電型的半導體襯底，上面有按順序至少由第一導電型的第一鍍層、有源層、以及與第一導電型相反的第二導電型的第二鍍層組成的一半導體層結構，還包括能夠提供足夠強度的正向電流的一個pn結，在位于諧振腔內(nèi)的條形有源區(qū)產(chǎn)生相干電磁輻射，諧振腔由基本垂直于有源區(qū)的表面限定，同時半導體層結構在有源區(qū)的每一側具有用以形成有效折射率等級的部件，而第一和第二鍍層還有用以形成電連接的部件。本發(fā)明還涉及制造這種激光器的方法。
這種激光器具有作為輻射源的各種用途，如用于光盤系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、條形碼讀出器和激光打印機。折射率導引型激光器是非常吸引人的，其原因主要在于出射光束是衍射受限的并且與所施加的光功率相比，進而與通過激光器的電流相比，遠場及波前變化相對較小，這與增益導引型激光器形成鮮明的對比。此外，弱折射率激導引型光器比較易于制造。在上述許多應用領域，還需要激光器能夠提供最大的光功率，即最大可能的電磁輻射強度。
這種幾何形狀為條形的激光器見于H.C.Casey和M.B.Panish的“Heterostructure Lasers，Part BMaterials and Operating Characteristics”，該文登載在Academic Press 1978，Ch.7.6，pp.207-217。這里所提供的二極管，例如如圖7-6-5(a)所示，包括一個n-GaAs襯底，該襯底的上面有一層放在n型和p型AlGaAs鍍層之間的GaAs有源層。電連接部件包括襯底一側的金屬層和p-GaAs接觸層，還包括上鍍層一側的金屬層。進一步的部件包括有源區(qū)上的臺面，它占第二鍍層的主要部分，因此激光器是(弱)折射率導引型激光器。
已知的激光器的一個缺點是不能提供非常大的有用功率。所謂的P(光功率)相對于I(電流)的特性不象所希望的那樣在閾值電流之上基本是線性變化的，實際上在比較小的光功率下所述P-I特性經(jīng)常存在轉折點。在該轉折點，光功率對電流強度的導數(shù)發(fā)生了變化同時出射束不再是衍射受限的。很清楚，當光功率小到出現(xiàn)轉折點的程度時，這一結果將限制激光器的應用。上述結果以下被稱之為轉折。觀察到轉折時的光功率被稱為轉折功率(Pkink)。
本發(fā)明尤其為實現(xiàn)一種沒有所述缺點，或至少將此缺陷降低到小得多的程度的在閥值電流以上直到極高的光功率時具有基本線性(無一轉折)P-I特性的半導體二極管激光器，作為其目的。本發(fā)明還為提供一種制造這種激光器的方法作為其目的。
為達此目的根據(jù)本發(fā)明的在本文開始段中所提到的那種半導體二極管激光器的特征在于諧抗振腔具有的至少長度使對該長度而言，作為流經(jīng)pn結的電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率是一個最大值。人們驚奇地，發(fā)現(xiàn)P-I特性的轉折取決于激光器諧振腔的長度。此外還驚人地發(fā)現(xiàn)對應于諧振腔長度的某一值，轉折功率為最大值。通過實驗的方法，可以為在一個以及相同的襯底上制造的激光器確定轉折功率為最大值時的長度值，在這一過程中制造了帶各種諧振腔長度，而所有其它的特性都相同的許多激光器。當諧振腔取任意長度時，最大轉折功率顯著大于(最大為兩倍)平均轉折功率。因此，根據(jù)本發(fā)明的激光器非常適用于上述場合，因為在直到非常大的光功率的范圍內(nèi)都有基本線性的P-I特性。
值得注意的是，R.T.Lynch等人在“Effect of cavity lengthson stripe-geometry DH laser output linearity”(Appl.Phys.Lett.34(4)，1979年2月15日，第297頁)中指出縮短激光器長度將導致更高的轉折功率。上述文章中的結論與增益型激光器有關，它與本發(fā)明的折射率導引型激光器是根本不同的。所觀察到的效果的起因在于波導最低次橫模之增益差，它隨激光器的長度而單調(diào)遞減。在本發(fā)明的折射率導引型激光器中這種效果是微不足道的，其原因是達到非常大的光功率之前這種效果將不起作用。此外，在上述文章論及的激光器中，即使在那種情況下，作為激光器長度的函數(shù)的轉折功率也不會有最大值。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的激光器特征在于諧振腔的長度構成一組長度的一部分，這一組長度相互間的距離基本相等，而對構成那組部分長度的每一長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值。進一步令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，轉折功率還具有許多最大值，基本上這些值都相等，并作為諧振腔長度的函數(shù)，這些最大值對應于相互間的距離基本相等的諧振腔的不同長度。作為諧振腔長度的函數(shù)的轉折功率的梯度變化曲線(大約)為鋸齒形，具有基本固定的幅度和周期。諧振腔的長度位置構成對應于一個最大轉折功率的一組長度的部分，使得本發(fā)明的激光器更適用于大功率應用場合。確實，以這種方式最大轉折功率可以與一個較長的長度結合起來。長度較長可以使得起始電流密度較小，同時使得起始電流引起的溫度較低。其結果，這種激光器的功率較大而壽命較長。
最好根據(jù)本發(fā)明激光器的諧振腔的長度介于第一長度和第二長度之間，對第一長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值，第二長度大于第一長度，對第二長度而言，轉折功率大約等于其最大值的50%。在位于轉折功率的每個最大值后面的這一區(qū)域，激光器的轉折功率大于所有可能長度下的平均轉折功率。該結論與這樣的事實有關，即(下一個)最大值之前的鋸齒形曲線的每一齒面基本垂直于縱軸。當諧振腔的長度介于第一長度和第二長度之間，對第一長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值，第二長度大于第一長度，對第二長度而言，轉折功率大約等于其最大值的80%，這時甚至可以得到性能更好的激光器。在實踐中可以發(fā)現(xiàn)，當諧振腔的長度介于第一長度和第二長度之間，對第一長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值，第二長度比第一長度約長20μm，這時可以得到最好的結果。加工諧振腔時的分割工藝(cleaving process)誤差大約為+/-10μm。當諧振腔的長度比對應于最大轉折功率的長度平均約長10μm時，能夠充分避免在長度較短情況下該最大值區(qū)域中轉折功率的非常陡的塌陷。
形成所述長度組部分的一個長度最好等于最短長度，對該長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值，將有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級橫模之間的振蕩周期的一半乘以一個整數(shù)，加到該長度上。當有源區(qū)的大小和有源區(qū)周圍折射率的值知道時，可以通過計算估算出振蕩周期。實踐中發(fā)現(xiàn)，上述鋸齒波的周期恰好等于振蕩周期的一半。通過將該振蕩周期的一半乘以一個整數(shù)，加到可以觀察到轉折功率的第一最大值對應的長度上，能夠得到對長度的一個滿意的估算值，對這些長度而言，轉折功率將進一步顯示出最大值。通過對接近這一估算長度的各種諧振腔進行試驗，可以用一種很簡單的方式找到還會出現(xiàn)最大值的準確的長度。
通過計算可以將振蕩周期p估算出來，這是因為它等于2π/(β0-β1)和λ/2＊△n01，其中β0和β1分別是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級橫模的傳播常數(shù)，λ是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的波長，△n01是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級橫模的有效折射率之差。
這是基于下述意整不到的認識折射率導引型激光器中一級橫模的波長λ1大于基橫模的波長λ0，因為前者的有效折射率比后者的低。假定鎖相一級橫模在工作于上述轉折功率的激光器中傳播。這意味著在激光器的諧振腔中基橫模和一級橫模都形成了駐波。于是在諧振腔內(nèi)基橫模和一級橫模之間產(chǎn)生了振蕩，它與L-I特性中轉折的出現(xiàn)相對應。對振蕩周期為Lb適用(1)Lb＝k＊λ1＝(k+1)＊λ0，｛k∈N+｝從中得到(2)Lb＝λ0＊λ1/(λ1-λ0)＝1/(1/λ0-1/λ1)或(3)1/Lb＝1/λ0-1/λ1在長度為L的諧振腔中的駐波的相位條件為(4)L＝m＊λ/2如果基橫模和一級橫模都支持這一條件，則得到(5)L＝m0＊λ0/2 和(6)L＝m1＊λ1/2，｛(m0，m1)∈N+∩m0＜m1｝從(5)和(6)得到(7)1/λ0＝m0/2＊L 和(8)1/λ1＝m1/2＊L.
將(7)和(8)代入(3)中得到(9)1/Lb＝(m1-m0)/2＊L＝m3/2＊L，｛m3∈N+｝將(9)進行整理，得到(10)L＝m3＊Lb/2，｛m3∈N+｝根據(jù)本發(fā)明的激光器最好有弱折射率導引型的結構，并且其V參數(shù)位于大約π/2和大約π之間，V＝(2＊π＊w/λ)＊√(n22-n21)，其中w是有源區(qū)的寬度，λ是激光器的發(fā)射波長，n2是有源區(qū)區(qū)域中的有效折射率，n1是有源區(qū)任一側的有效折射率。上述激光器已比較易于生產(chǎn)，但仍非常適用于大約1μm以下波長范圍的發(fā)射。不同類型的掩蔽式激光器雖然本身都是很需要的，但實際上在所述波長范圍內(nèi)卻很難制造，或者說不可能可靠地制造。這與這些激光器經(jīng)常由包含鋁的層組成有關。y參數(shù)的上述范圍意味著，在這種激光器中，對有源區(qū)的通常寬度W(大約為1至7μm)而言，不僅會出現(xiàn)基橫模，而且也會出現(xiàn)一級橫模。n2-n1之差值通常大約為1至15＊10-3。
對本發(fā)明的激光器的一種有利的改進是使其具有隆起的波導結構。最好是掩蔽式的，掩蔽隆起部分的層具有這樣的帶隙，它基本不吸收產(chǎn)生的輻射。這樣的激光器具有特別低的損耗。
界定諧振腔的表面最好鍍膜。這將大大提高最大轉折功率，因此激光器可以用于大大提高光功率。
根據(jù)本發(fā)明的半導體二極管激光器用于脈沖模式，這也將引起最大轉折功率的極大提高。
一種制造折射率導引型半導體二極管激光器的方法，通過該方法在半導體襯底上形成一塊半導體本體，該半導體襯底是第一導電型的半導體層結構，按順序至少由第一導電型的第一鍍層、有源層、以及與第一導電型相反的第二導電型的第二鍍層組成，其中還形成有pn結、條形有源區(qū)、和由基本垂直于有源區(qū)的表面限定的環(huán)繞的諧振腔，該半導體層結構在有源區(qū)的每一側具有用以形成有效折射率等級的部件，而第一和第二鍍層還有用以形成電連接的部件，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于為諧振腔選擇一種至少的長度，對該長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值。根據(jù)本發(fā)明的這種方法制造的激光器具有特別大的轉折功率，因此適用于許多場合。
下面參照實施例和附圖更詳細地描述本發(fā)明。附圖中

圖1用立體圖的方式簡要表示本發(fā)明的半導體二極管激光器的第一最佳實施例;
圖2表示作為圖1的激光器諧振腔長度(L)函數(shù)的激光器的轉折功率(Pkink)，其中有源層包括一個(曲線21)或兩個(曲線23)量子阱層;
圖3表示具有兩個量子阱層并具有如圖2所示的長度L1的諧振腔的圖1的激光器的光功率(P)，它是流過激光器的電流(I)的函數(shù);
圖4用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導體二極管激光器的第二最佳實施例;
圖5表示作為圖4的激光器的諧振腔長度(L)函數(shù)的激光器的轉折功率(Pkink)，激光器的鏡面未鍍膜(曲線53)或用覆蓋層鍍膜(曲線55);
圖6表示具有鍍膜鏡面并具有如圖5所示的長度L2的圖4的激光器的光功率(P)，它是流過激光器的電流(I)的函數(shù);
圖7表示脈沖方式工作期間作為脈寬(t)的函數(shù)的有鍍膜鏡而的圖4激光器的轉折功率(Pkink)，諧振腔的長度為圖5所示的L2(曲線70)，以及圖5所示的L2';
圖8用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導體二極管激光器的第三最佳實施例;
圖9表示作為圖8的激光器諧振腔長度(L)函數(shù)的激光器的轉折功率(Pkink);以及圖10表示具有如圖9所示的長度L3的圖8的激光器的光功率(P)，它是流過激光器的電流(I)的函數(shù)。
附圖是示意性的，沒有按比例畫，為了更清楚起見，夸大了厚度方向的尺寸。在各例中，相應的部分一般標以相同的參考號。相同導電類型的半導體區(qū)一般用相同方向的斜線表示。
圖1用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導體二極管激光器的第一最佳實施例。激光器100包括具有襯底1的半導體本體，襯底1是第一導電型的，此處為n導電型，在本例中由單晶砷化鎵組成，并提供有連接導體8。在該本體上有一半導體層結構，主要包括n導電型的緩沖層11，也是n導電型的第一鍍層2'，第一隔離鍍層2''，有源層3，有源層3在這里由兩層量子阱層3'組成，兩層量子阱層3'相互間由勢壘層3''隔開，還包括第二隔離鍍層4''，以及此處為p導電型的第二鍍層4'，4°，在第二鍍層4'，4°之間是蝕刻阻擋層5。不僅是第二鍍層4'，4°的部分4°，而且還有中間層9和第一接觸層10，都是p導電型，它們都處于半導體層結構的臺面形部分12之中。臺面12的兩側是n型電流阻擋層13。在本例的激光器100的橫向形成有效折射率等級的部件包括臺面12和位于該臺面之下的第二鍍層4'，4°的較薄部分4'。于是激光器100是折射率導引型，更準確地說，是弱折射率導引型，并具有所謂隆起波導結構。形成鍍層2，4電連接的另一部件除了包括帶有連接導體8的所述襯底1以外，還包括第一接觸層10，第二接觸層6，第二接觸層6也是p導電型的，并在臺面12和阻擋層13上方延伸，上面是連接導體7。兩層鍍層2，4之間形成的pn結能夠在位于臺面12下的有源層3的條形有源區(qū)和諧振腔中產(chǎn)生相干電磁輻射，諧振腔由基本垂直于有源區(qū)的表面50，51構成，并給出足夠強的正向電流。
上述實例的激光器100的(半導體)層的厚度、材料和其它特性列于下表半導體號類型參雜濃度厚度(原子/cm3)(μm)1 GaAs(襯底) N 2×1018350
11 Al0,2Ga0,8As N 2×10180,12' In0,5Al0,35Ga0,15P N 2×10181,32'' In0,5Al0,2Ga0,3P N 2×10180,0453' In0,62Ga0,38P - - 0,00853'' In0,5Al0,2Ga0,3P - - 0,0064'' In0,5Al0,2Ga0,3P P 4×10170,0454' In0,5Al0,35Ga0,15P P 4×10170,540In0,5Al0,35Ga0,15P P 4×10170,85 In0,4Ga0,6P P 1×10180,016 GaAs P 2×10180,59 In0,5Ga0,5P P 1×10180,110 GaAs P 2×10180,513 GaAs N 2×10181,4以上數(shù)據(jù)表明，本例中的激光器100是(弱)折射率導引型，并具有所謂的隆起波導結構。此處阻擋層13包括(輻射)吸收材料。臺面形條12的寬度大約為4.2μm。本例中襯底1上的導電層8是金-鍺-鎳層，其厚度約為1000 。本例中的導電層7包括鉑層、鉭層和金層，它們的厚度分別為大約1000、500和2500 。
根據(jù)本發(fā)明，本例中的激光器100具有長度L1大約為450μm的條形有源區(qū)，對該長度而言，作為流經(jīng)pn結電流(I)的函數(shù)的光功率(P)的導數(shù)變化時，光功率約為最大值。這意味著，在非常大的光功率之前，即激光器100的基本最大光功率之前，所謂P-I特性不顯示轉折，因此根據(jù)本發(fā)明的激光器特別適用于需要在非常大的光功率之前都有線性P-I特性的場合。
圖2表示作為圖1的激光器100的諧振腔長度(L)函數(shù)的激光器100的轉折功率(Pkink)(曲線23)。其中有源層僅包括一層量子阱層3'的激光器100的相應曲線也示于圖中(曲線21)。曲線21、23都表示轉折功率(Pkink)是長度L的函數(shù)，并且在相應的曲線中都出現(xiàn)了最大值。符號20、22分別對應根據(jù)實際激光器100、以曲線21、23為基礎的測量結果。在本例的激光器100中，對大約440μm的長度L1(曲線23)而言，轉折功率(Pkink)具有最大值，即大約45mW。圖2還表示對大約640μm的諧振腔的第二長度而言，轉折功率(Pkink)還有另一最大值，它與長度為440μm時基本一樣。激光器100的長度最好介于兩個長度之間，此處第一長度大約為440μm，對應轉折功率(Pkink)的最大值，第二長度比第一長度要長，此處大約為540μm，對該長度而言，轉折功率(Pkink)約為其最大值的50%。根據(jù)本發(fā)明的激光器100比任意選擇諧振腔長度L的激光器100具有更大的轉折功率(Pkink)。當?shù)诙L度L在此處為大約435μm，則對應的轉折功率約為其最大值的80%，仍可得到較好的激光器100。實際上，本例的激光器100的長度最好在440μm和再長20μm即460μm之間。這種激光器100具有基本最大的轉折功率，并可大批量生產(chǎn)，因為在通過切開(cleaving)半導體本體，形成鏡面50、51時縱向誤差大約為+/-10μm。最大值附近曲線23斜率的不對稱性也予以考慮。鋸齒波21的周期p約為400μm，振蕩周期的估算值約為500μm。對曲線23而言，這兩個值分別為200μm和240μm。
圖3表示具有兩個量子阱層并具有如圖2所示的長度L1的諧振腔的圖1的激光器的光功率(P)，它是流過激光器的電流(I)的函數(shù)。圖3證實，根據(jù)本發(fā)明的本實施例的激光器100在很寬的范圍內(nèi)、即直到點31，都有基本線性的P-I特性，這是非常理想的。本例中激光器100的起始電流約為35mA，在大約675nm的波長下發(fā)射，非常適用于條形碼讀出器或激光打印機。
根據(jù)本發(fā)明，本例的激光器100的制造方法如下。制造過程從(001)襯底1開始，它是單晶n型砷化鎵，參雜濃度為每cm3有2×1018個原子，厚度例如為350μm。對具有(001)取向的表面拋光和蝕刻以后，在該表面例如通過OMVPE(有機金屬氣相取向附生)從氣相連續(xù)生長以下各層緩沖層11，第一鍍層2'，第一隔離鍍層2''，有源層3，有源層3包括第一量子阱層3'、勢壘層3''和第二量子阱層3'，第二隔離鍍層4''，第二鍍層4'，4°的第一部分4'，蝕刻阻擋層5，第二鍍層4'，4°的第二部分4°，中間層9，以及第一接觸層10，這些都是在大約760℃的溫度下淀積的。從生長裝置移去該結構后，通過濺射和光刻在上面形成二氧化硅掩膜層，該掩膜層為條形，其縱軸垂直于圖1的平面。然后將垂直于圖的平面的臺面形條12蝕刻成半導體層結構，常規(guī)的(有選擇的)蝕刻裝置用于蝕刻阻擋層5上面的各層。清潔該結構后，再次通過OMVPE在臺面12的兩側淀積阻擋層13。移去二氧化硅掩模和清潔該結構后，在最后的OMVPE生長工藝中形成第二接觸層6。為半導體層選擇的材料、化合物、厚度、導電類型和參雜濃度如以上給出的表所示。然后通過例如濺射的方法，在襯底1上形成大約1000 的金-鍺-鎳層組成的導電層8，例如采用同樣的技術，再在該結構的上側形成導電層7，導電層7包括鉑層、鉭層和金層，它們的厚度分別為大約1000、500和2500 。將激光器切成所要求的長度L以后，這里是450μm，可供最終安裝的單個激光器便形成了。
用本發(fā)明的方法，在本例中是在切割過程中，為諧振腔選擇一個長度，因此作為流經(jīng)激光器電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光能量為最大值。采用上述方法，以簡單的方式得到了本發(fā)明的激光器。
圖4用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導體二極管激光器100的第二最佳實施例。激光器100具有與第一實施例類似的結構，只是這里沒有半導體層6、9和13。這里通過陽極氧化得到絕緣層15，以代替阻擋層13，絕緣層15在臺面12的兩邊，并靠著臺面12的外側。連接導體7與臺面12上的第一接觸層10接觸。此外，這里有源層3包括所謂塊狀層，并且激光器100再次具有弱折射率導引型結構，但不是掩蔽型的。在臺面12的兩側不吸收激光器100發(fā)射的輻射，該輻射的波長此處大約為785nm。臺面12兩側的第二鍍層4的厚度是0.29μm。臺面形條12的寬度大約為3.6μm。連接導體7、8與前一個實施例相同。激光器100的鏡面50、51分別用強反射和弱反射涂層鍍膜(圖中未示出)。上述實施例的激光器100的(半導體)層的厚度、材料和其它特性列于下表半導體號類型參雜濃度厚度(原子/cm3)(μm)1 GaAs N 2×101815011 GaAs N 2×101812 Al0,5Ga0,5As N 2×10181,73 Al0,13Ga0,87As - - 0,044 Al0,5Ga0,5As P 5×10171,710 GaAs P 5×10180,5本發(fā)明的這一實施例的激光器100具有長度L2此外大約為400μm的條形有源區(qū)，對該長度而言，作為流經(jīng)pn結電流(I)的函數(shù)的光功率(P)的導數(shù)變化時，光功率為最大值。這意味著，在非常大的光功率之前，即激光器100的最大光功率之前，這里大約為55mW，所謂P-I特性不顯示轉折，這使得根據(jù)本發(fā)明的激光器特別適用于需要在非常大的光功率之前都有線性P-I特性的場合。
圖5表示作為圖4的激光器100的諧振腔長度(L)函數(shù)的激光器的轉折功率(Pkink)，鏡面50、51未鍍膜(曲線53)或用覆蓋層鍍膜(曲線55)。在本例中也能觀察到激光器100的轉折功率(Pkink)的鋸齒形梯度變化。齒頂形成了諧振腔不同長度下對應的最大轉折功率的范圍。符號52、54分別對應根據(jù)實際激光器100、以曲線53、55為基礎的測量結果。在本例(曲線55)中，激光器100的長度L2為400μm。在本例的激光器100中，對應該長度，轉折功率(Pkink)近似具有最大值即55mW。圖5還表示(曲線53)本例的激光器100當鏡面未用覆蓋層鍍膜時，轉折功率也呈現(xiàn)基本具有相同周期p的鋸齒形梯度變化，然而在這種情況下，最大轉折功率(Pkink)的幅度、特別是所有的值都要小許多。圖5的其余方面可參照圖2。曲線53、55的周期p約為110μm，估算值約為130μm。
圖6表示具有鍍膜鏡面并具有如圖5所示的諧振腔長度L2的圖4的激光器的光功率(P)，它是流過激光器的電流(I)的函數(shù)。圖6證實，根據(jù)本發(fā)明的實施例的激光器100在很寬的范圍內(nèi)、即到點61，都有基本線性的P-I特性，這是非常希望的。本例中激光器100的起始電流約為35mA，在大約785nm的波長下發(fā)射，非常適合于作為光記錄系統(tǒng)中的讀或寫激光器。
圖7表示脈沖方式工作期間作為脈寬(t)的函數(shù)的圖4激光器的轉折功率(Pkink)，諧振腔的長度為圖5所示的L2(曲線70)，以及圖5所示的L2'(曲線71)。采用脈沖方式主要對本發(fā)明的激光器的轉折功率(Pkink)方面進行了改善，特別是脈寬小于約200納秒。事實上，對諧振腔的長度L2約為400μm而言，轉折功率從大約60mW升高到200mW以上(大于三倍)，而對非最佳的約350μm的長度L2'而言，該功率從大約35mW升高到75mW(只有兩倍)。因此，本發(fā)明的激光器采用脈沖方式特別具有吸引力。應注意的是，采用脈沖方式的最佳長度略大于采用CW(連續(xù)工作)方式(約長20μm)。這是因為在前一種情況下的激光器溫度比后一種情況低，更多的熱量散去了。
本實例的激光器100的制造方式與本發(fā)明的第一實施例的制造方式類似。在襯底1上形成層11、2、3、4和10之后，通過蝕刻形成臺面12。在去除用于此的掩模之前，這里通過陽極氧化得到絕緣層15，絕緣層15在臺面12的兩邊，并靠著臺面12的外側。去除該掩模之后，形成連接導體7、8，并通過切割形成激光器100。通過濺射或蒸汽淀積法形成鏡面50、51上的鍍層。
圖8用立體圖的方式表示本發(fā)明的半導體二極管激光器的第三最佳實施例。激光器100的結構類似于第一實施例的激光器，只是沒有中間層9，并且半導體層(部分地)包括不同的材料或化合物。本例中激光器100的發(fā)射波長大約為980nm。臺面形條12的寬度大約為3μm。連接導體7、8與前一個實施例相同。上述實施例的激光器100的(半導體)層的厚度、材料和其它特性列于下表半導體號類型參雜濃度厚度(原子/cm3)(μm)1 GaAs(襯底) N 2×10183502' Al0,4Ga0,6As N 2×10181,32" Al0,2Ga0,8As N 2×10180,042"' GaAs N 2×10180,023' In0,2Ga0,8As - 0,0053"GaAs-0,0054"' GaAs P 5×10170,024" Al0,2Ga0,8As P 5×10170,044' Al0,4Ga0,6As P 5×10170,1540Al0,4Ga0,6As P 5×10171,2
5 GaAs P 5×10170,016 GaAs P 5×10180,510 GaAs P 5×10180,513 GaAs N 1×10181,7本發(fā)明的這一實施例的激光器100具有長度L3，此處大約為600μm的條形有源區(qū)，對該長度而言，作為流經(jīng)pn結電流(I)的函數(shù)的光功率(P)的導數(shù)變化時，光功率大致為最大值。這意味著，在非常大的光功率之前，即激光器100的最大光功率之前，這里大約為85mW，所謂P-I特性不顯示轉折，這使得根據(jù)本發(fā)明本實施例的激光器100特別適用于需要在非常大的光功率之前都有線性P-I特性的場合。
圖9表示作為圖8的激光器100的諧振腔長度(L)函數(shù)的激光器的轉折功率(Pkink)。符號90對應根據(jù)實際激光器100、以曲線91為基礎的測量結果，該結果對應于前面的實施例的結果。在本例中，激光器100的長度L3約為600μm(參見圖9)，由此得到大約85mW的轉折功率(Pkink)。
圖10表示具有如圖9所示的諧振腔長度L3(大約600μm)的圖8的激光器的光功率(P)，它是流過激光器的電流(I)的函數(shù)。遲至點101才觀測到一個轉折。本例中激光器100的起始電流約為15mA，在大約980nm的波長下發(fā)射，非常適合于作為光通信系統(tǒng)中的光纖放大器用的泵激激光器。
根據(jù)本發(fā)明的這一實施例的激光器100的制造方式基本與第一實施例的類似。不同之處可從如上所述結構方面的不同推定。
本發(fā)明不局限于所給的實施例，因為對本領域的一般技術人員來說，在不背離本發(fā)明的精神的前提下可作許多修改和變更?？刹捎门c上述實施例不同成份的半導體材料、不同層厚度和不同尺寸。也可以用相反的導電類型來全部(同時)替換原有的導電類型。此外，還可以采用其它(折射率導引型)結構，比如CSP(溝道襯底平面)、SAS(自對準結構)或VSIS(V形槽襯底內(nèi)條)。應強調(diào)的是，在這里有源區(qū)不需要象所給的實施例那樣，在縱向與諧振腔一致。因此，例如可以采用NAM(非吸收鏡面)結構。進一步需要注意的是，本發(fā)明也復蓋了帶有光柵的激光器，如DFB(分布式反饋)或DBR(分布式布拉格反射器)，只要光柵的波長選擇性足夠低。最后還要指出的是，用于形成實施例中的半導體層的方法可以與OMVPE技術不同。因此，可以另外采用MOMBE(金屬有機分子束取向附生)、MBE(分子束取向附生)、VPE(氣相取向附生)或LPE(液相取向附生)。
權利要求
1.一種折射率導引型半導體二極管激光器，以下通常簡稱為激光器，該激光器包括一塊半導體本體，它具有第一導電型的半導體襯底，上面有按順序至少由第一導電型的第一鍍層、有源層、以及與第一導電型相反的第二導電型的第二鍍層組成的一半導體層結構，還包括能夠提供足夠強度的正向電流的一個pn結，在位于諧振腔內(nèi)的條形有源區(qū)產(chǎn)生相干電磁輻射，諧振腔由基本垂直于有源區(qū)的表面限定，同時半導體層結構在有源區(qū)的每一側具有用以形成有效折射率等級的部件，而第一和第二鍍層還有用以形成電連接的部件，其特征在于諧振腔至少具有一種長度，對該長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值。
2.如權利要求1所述的半導體二極管激光器，其特征在于諧振腔的長度構成一組長度的一部分，這一組長度相互間的距離基本相等，而對構成長度組部分的每一長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值。
3.如權利要求1或2所述的半導體二極管激光器，其特征在于諧振腔的長度介于第一長度和第二長度之間，對第一長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值，第二長度大于第一長度，對第二長度而言，所述功率大約等于其最大值的50%。
4.如權利要求1、2或3所述的半導體二極管激光器，其特征在于諧振腔的長度介于第一長度和第二長度之間，對第一長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值，第二長度大于第一長度，對第二長度而言，所述功率大約等于其最大值的80%。
5.如上述任何一個權利要求所述的半導體二極管激光器，其特征在于諧振腔的長度介于第一長度和第二長度之間，對第一長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值，第二長度比所述第一長度約長20μm。
6.如權利要求2所述的半導體二極管激光器，其特征在于形成所述長度組部分的一個長度最好等于最短長度，對該長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值，將有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級橫模之間的振蕩周期的一半乘以一個整數(shù)，加到該長度上。
7.如權利要求6所述的半導體二極管激光器，其特征在于振蕩周期等于2π/(β0-β1)和λ/2＊△n01，其中β0和β1分別是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級橫模的傳播常數(shù)，λ是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的波長，△n01是有源區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射的基橫模和一級橫模的有效折射率之差。
8.如上述任何一個權利要求所述的半導體二極管激光器，其特征在于激光器是弱折射率導引型的，并且其V參數(shù)位于大約π/2和大約π之間，V＝(2＊π＊w/λ)＊√(n22-n21)，其中w是有源區(qū)的寬度，λ是激光器的發(fā)射波長，n2是有源區(qū)區(qū)域中的有效折射率，n1是有源區(qū)任一側的有效折射率。
9.如上述任何一個權利要求所述的半導體二極管激光器，其特征在于所述部件包括這樣的事實，即半導體二極管激光器具有隆起的波導結構。
10.如權利要求9所述的半導體二極管激光器，其特征在于所述部件包括這樣的事實，即隆起的波導結構是掩蔽式的，并且掩蔽隆起波導的層具有這樣的帶隙以致基本不吸收產(chǎn)生的電磁輻射。
11.如上述任何一個權利要求所述的半導體二極管激光器，其特征在于限定諧振腔的表面涂敷有鍍膜。
12.如上述任何一個權利要求所述的半導體二極管激光器用于脈沖模式。
13.一種制造折射率導引型半導體二極管激光器的方法，通過該方法在半導體襯底上形成一塊半導體本體，該半導體襯底是第一導電型的，上面有一半導體層結構，按順序至少由第一導電型的第一鍍層、有源層、以及與第一導電型相反的第二導電型的第二鍍層組成，其中還形成有pn結、條形有源區(qū)、和由基本垂直于有源區(qū)的表面限定的環(huán)繞的諧振腔，半導體層結構在有源區(qū)的每一側具有用以形成有效折射率等級的部件，而第一和第二鍍層還有用以形成電連接的部件，其該方法的特征在于為諧振腔至少選擇一種長度，對該長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值。
全文摘要
本發(fā)明涉及折射率導引型半導體二極管激光器及其制造方法。P-I(光功率-電流)特性曲線的轉折取決于激光器諧振腔的長度。根據(jù)本發(fā)明為該激光器諧振腔選擇一種長度，對該長度而言，作為流經(jīng)pn結電流的函數(shù)的光功率的導數(shù)變化時，光功率為最大值。結果，激光器的長度是最佳的，它不僅與P-I曲線中轉折的出現(xiàn)有關，而且與其它特性有關。
文檔編號H01S5/00GK1113354SQ95103500
公開日1995年12月13日 申請日期1995年3月22日 優(yōu)先權日1994年3月22日
發(fā)明者C·J·范德波爾, G·A·阿凱特, M·F·C·森曼 申請人:菲利浦電子有限公司