CN1445893A - 半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明对实折射率波导型半导体激光器，得到高输出功率的半导体激光器。提供一种半导体激光器，其特征在于，具有：第1导电型包层；通过注入电流而放射光的有源层；第1的第2导电型包层；作为脊形波导路的第2的第2导电型包层；带隙比夹着上述第2的第2导电型包层在其两侧形成的上述第1及第2的第2导电型包层大的电流阻挡层；向上述第2的第2导电型包层导入电流时，具有足以防止漏电流流入上述电流阻挡层的迁移率的第3的第2导电型包层。

Description

半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器及其制造方法。
背景技术
以AlGaAs作为有源层(发光层)材料的波长780nm的半导体激光器，作为CD(Compact Disk)等光盘用于写入的光源已开始实用化。作为采用该半导体激光器的CD，有一次写入的CD-R(Write)、可多次写入的CD-RW(ReWritable)等。采用这种写入用光盘，通过增加光盘的旋转速度，可将存取速度提高到标准速度的数倍，并且能增大其倍率，所谓进行倍速竞争。在这种写入用光盘中，需要给记录材料提供一定量的脉冲能量，以便形成一个数据位，随着光盘旋转速度的增加，也必须增加照射激光的光功率。因此，高速写入用的半导体激光器需要有高的输出功率。
在上述AlGaAs系半导体激光器的结构中，由于采用简便的制造方法就可获取高的特性，所以多采用脊形波导路结构。而且，这种脊形波导路结构的半导体激光器采用复合折射率波导型结构和实折射率波导型结构。其中，实折射率波导型结构由于吸收损失少，作为高输出功率半导体激光器的结构引人注目。
图5是表示已有实折射率波导型结构的半导体激光器剖面示意图。在n型GaAs衬底401上，顺次形成由Al0.5Ga0.5As构成的n型包层(clad layer)402、由Al0.3Ga0.7As构成的波导层403、由AlGaAs/AlGaAs构成的有源层(active layer)404、由Al0.3Ga0.5As构成的波导层405、由Al0.5Ga0.5As构成的第1的p型包层406。在第1的p型包层406上的部分区域内，形成了带状的由Al0.5Ga0.5As构成的第2的p型包层(脊形波导路)407。一般，可通过像露出(111)A面那样的由反应速率决定的湿法腐蚀形成这种脊形波导路。因此，形成了如图5所示的上部幅宽Wu狭窄、底部幅宽Wd大的台形形状。隔开该脊形波导路407，在其两侧形成n型的由Al0.5Ga0.45As构成的电流阻挡层(currentblocking layer)408。然后，在电流阻挡层408及脊形波导路407上，形成由p型GaAs构成的接触层410。在图5的半导体激光器中，从p侧电极412和n侧电极411向该有源层404注入电流，从该有源层404放射波长约780nm的激光光束L。在向该有源层404注入电流时，上述电流阻挡层408起到把电流限制在脊形波导路407正下方很窄的区域内的作用。此外，电流阻挡层408在脊形波导路407的下部及其两侧形成折射率差，也起到将激光光束L关闭在脊形波导路407的下部的作用。因此，在图5的半导体激光器中，电流阻挡层408的折射率比p型包层406、407的折射率小得多。有这样折射率关系的结构称作实折射率波导型结构。在这种结构中，电流阻挡层408的带隙(bandgap)比有源层404的带隙大，电流阻挡层408对来自有源层404的光L具有透光性，所以吸收损失减小，输出功率较高。
如果有能以比已有的写入用激光器装置更高速写入的写入用激光器装置，则上述CD-R等就能有效地用于各种用途。为实现这种高速写入用激光器装置，需要输出功率比已有的写入用激光器更高的半导体激光器。但是，以比现在更高的输出功率，采用如图5所示的已有的写入用半导体激光器，是非常困难的。这是因为，缩小脊形波导路407的底部幅宽Wd来提高光电流抗纽结能力与增加脊形波导路407的厚度来减少因向GaAs接触层410渗出光而造成的吸收损失，是很难两全的。
也就是说，在半导体激光器中，如图6所示，当增加工作电流Iop时，能暂时提高光输出功率。但是，当相对工作电流Iop光输出功率的增加比例达到某一光输出功率Pk时，发生急剧变化。这起因于一种称作纽结(kink)现象，由于受烧孔现象的影响，加上通常的激光器振荡的基模振荡L(图5)，易引起单模振荡L1(图5)。即，在这种抗纽结能力Pk下，激光光束的横模不稳定。然而，在半导体激光器中，通过光学系统将激光光束缩小成极小光点来使用，所以需要激光光束具有稳定性。因此，为了得到可利用高输出功率的半导体激光器，必须提高抗纽结能力Pk。为了提高抗纽结能力Pk，在图5的半导体激光器中，脊形波导路407的底部幅宽Wd应尽可能缩小，以窄缩注入有源层404的电流是较为理想的。但是，在图5的半导体激光器中，为了减少由向接触层410渗出光造成的吸收损失，最好增加脊形波导路407的厚度。可是，如果只是将增厚了的脊形波导路407原样缩小其底部幅宽Wd，上部幅宽就会过窄，阈值电压升高，很难得到激光振荡。这样，在图5的已有半导体激光器中，增加对有源层404的光关闭和提高抗纽结能力，就很难两全的。因此，就很难进一步提高抗纽结能力，采用高输出功率。
发明内容
本发明是基于对上述研究课题的认识而提出的，目的在于针对AlGaAs系实折射率波导型半导体激光器，提供一种高输出功率的半导体激光器。
本发明的一种半导体激光器具有：
第1导电型包层；
发光层，其在上述第1导电型包层上形成，具有由AlvGa1-vAs(0≤v＜x3＝构成的通过注入电流而放射光的有源层；
第1的第2导电型包层，其在上述发光层上形成；
第2的第2导电型包层，其在上述第1的第2导电型包层上的部分区域内形成且为带状；
电流阻挡层，其夹着上述第2的第2导电型包层在其两侧形成，具有比上述第1及第2的第2导电型包层大的带隙；
第3的第2导电型包层，其在上述第2的第2导电型包层及上述电流阻挡层上形成，由Alx3Ga1-x3As(0.40≤x3≤0.46)构成，将电流导入上述第2的第2导电型包层。
本发明的一种半导体激光器，具有：
衬底，其由GaAs构成，是第1导电型；
第1导电型包层，其在上述衬底上形成，由Alx0Ga1-x0As(0.40≤xi≤0.46，i＝0、1、2、3)构成；
发光层，其在上述第1导电型包层上形成，具有由AlvGa1-vAs(0≤v＜xi)等构成的通过注入电流而放射光的有源层；
第1的第2导电型包层，其在上述发光层上形成，由Alx1Ga1-x1As构成；
第2的第2导电型包层，其在上述第1的第2导电型包层上的部分区域内形成且为带状，由Alx2Ga1-x2As构成；
电流阻挡层，其夹着上述第2的第2导电型包层，由AlyGa1-yAs(0.46＜y)构成，为第1导电型；
第3的第2导电型包层，其在上述第2的第2导电型包层及上述电流阻挡层上形成，由Alx3Ga1-x3As构成；
接触层，其在上述第3的第2导电型包层上形成。带隙比上述第3的第2导电型包层小，为第2导电型；
第1电极，其与上述衬底电连接而形成；
第2电极，其在上述接触层上，与上述接触层电连接而形成。
本发明的一种半导体激光器的制造方法，具有以下步骤：
使用MOCVD，顺次形成由Alx0Ga1-x0as(v＜xi＜y，i＝0、1、2、3)构成的第1导电型包层、由AlvGa1-vAs(0≤v＜xi)构成的有源层、由Alx1Ga1-x1As构成的第1的第2导电型包层、Alx2Ga1-x2As层；
在上述Alx2Ga1-x2As层上，形成带状的电介质膜，以该电介质膜作为掩膜，用湿法腐蚀法刻蚀Alx2Ga1-x2As层，形成在侧面露出(111)A面的带状的第2的第2导电型包层；
使用MOCVD，以上述电介质膜作为掩膜，夹着上述第2的第2导电型包层，在其两侧顺次形成第1导电型的由AlyGa1-yAs构成的电流阻挡层及由InGaP构成的顶层；
剥离上述电介质膜及上述顶层；
使用MOCVD，在上述电流阻挡层及上述第2的第2导电型包层上，形成由Alx3Ga1-x3As构成的第3的第2导电型包层。
本发明的一种半导体激光器，具有：
第1导电型包层；
发光层，其在上述第1导电型包层上形成，具有通过注入电流而放射光的有源层；
第1的第2导电型包层，其在上述有源层上形成；
第2的第2导电型包层，其在上述第1的第2导电型包层上部分区域内形成且为带状；
电流阻挡层，其夹着上述第2的第2导电型包层在其两侧形成，具有比上述第1及第2的第2导电型包层大的带隙，为第1导电型；
顶层，其在上述电流阻挡层上形成，带隙比上述有源层大，含有与上述电流阻挡层不同的V族元素；
第3的第2导电型包层，其在上述顶层及上述第2的第2导电型包层上形成，作为将电流导入上述第2的第2导电型包层的层而构成。
附图说明
图1是表示本发明第1实施例的半导体激光器的概略剖面示意图。
图2是表示本发明的第1实施例的半导体激光器的由AlxGa1-xAs构成的各包层102、106、107、109的Al成分x与最大输出功率Pmax和垂直方向的扩展角Fv之间关系的图。
图3是本发明的第2实施例的半导体激光器的概略透视图。
图4是本发明的第2实施例的半导体激光器的概略剖面示意图。
图5是已有的实折射率波导型半导体激光器的概念剖面图。
图6是半导体激光器纽结的说明图。
具体实施方式
下面，边参照附图边说明本发明的半导体激光器的实施例。以实折射率波导型的AlGaAs系半导体激光器为例，说明本发明的实施例。
从图1可以看出，本实施例的半导体激光器的特征之一是：设有第3的p型包层109，而且，由Al成分低的Alx3Ga1-x3As(0.40≤x3≤0.46)构成该第3的p型包层109。在图1的半导体激光器中，设有第3的p型包层109，故可以大大减小因光向接触层(contact layer)410漏出而造成的吸收损失。此外，由于降低了Al成分x3，第3的p型包层109的迁移率高。因此，第3的p型包层109向脊形波导路107输入电流，以防止产生向电流阻挡层108的漏电流。由此，可以减小脊形波导路107和电流阻挡层108的厚度，缩小脊形波导路107的底部幅宽Wd。其结果，能提供高输出功率的不发生纽结的半导体激光器。
此外，从图1可以看出，本发明实施例的半导体激光器的另一特征是：由Al成分低的Alx1Ga1-xiAs(0.40≤xi≤0.46，i＝0、1、2、3)构成102、106、107、109等4层包层。由此可提高各包层的迁移率，提供一种高输出功率的半导体激光器。
此外，从图4可以看出，本发明实施例的半导体激光器的另一特征是：在由AlGaAs构成的电流阻挡层208上，设置由InGaP构成的薄膜顶层(cap layer)208A。通过设置这种顶层208A，在顶层208A之上形成的第3的p型包层209高效地将电流导入脊形波导路207。由此可提供一种高输出功率的半导体激光器。
以下，参照图1～图4说明本发明的两个实施例。
第1实施例
图1是表示本发明第1实施例的半导体激光器的剖面示意图。在由n型(第1导电型)GaAs构成的衬底101上，顺次形成由Al0.45Ga0.55As构成的n型包层102、Al0.25Ga0.75As波导层103、AlGaAs/AlGaAs有源层104、Al0.25Ga0.75As波导层105、由Al0.45Ga0.55As构成的第1的p型(第2导电型)包层106。更详细地讲，有源层104是多重量子阱(MQW：Multiple Quantum Well)结构，是由AlwGa1-wAs(0≤w≤0.15)构成的厚5nm的阱层和由Al0.25Ga0.75As构成的厚5nm的障壁层交替重叠而构成的。在上述第1的p型包层106上的部分区域内形成带状的由Al0.45Ga0.55As构成的、厚0.5μm的作为脊形波导路的第2的p型包层107。由于采用像露出(111)A面那样的由反应速率决定的湿法腐蚀形成，如下所述，该脊形波导路107形成图1所示的正台面的脊形形状。脊形波导路107的脊底部幅宽Wd约2.0μm，脊上部幅宽Wu约1.3μm。隔着脊形波导路107，在其两侧形成了由Al0.55Ga0.45As构成的厚约0.5μm的电流阻挡层108。电流阻挡层108为n型半导体，可阻止由p侧电极112流向有源层104的电流。在电流阻挡层108和脊形波导路107之上，形成由Al0.45Ga0.65As构成的膜厚2.5μm的第3的p型包层109。该第3的p型包层109为本发明的特征之一，如下所述，它可实现半导体激光器的输出高功率化。在此，第3的p型包层109还与第2的p型包层107、第1的p型包层106及n型包层102共同作用，对有源层104关闭载流子。为了充分对有源层104关闭载流子，n型包层102的膜厚Tn大致为3.0μm，p型包层106、107、109的合计膜厚Tp大致为3.2μm。此外，第1的p型包层106的膜厚h为0.2μm，以便不扩大注入有源层104的电流。在上述第3的p型包层109上，形成由p型GaAs构成的掺杂1×1017/cm3或以上的Zn的接触层110。另外，图1的半导体激光器的实际尺寸，例如n型GaAs衬底101的厚度大约只有100μm，而叠层体102～110的膜厚大致为10μm，为便于说明，改变倍率来表示。
在图1所示的半导体激光器中，在p型接触层110上形成与该层110电连接的p侧电极(第2电极)112、以及在衬底101的图中下侧形成与该衬底101电连接的n型电极(第1电极)111，从上述两个电极112、111向有源层104注入电流。这样，电流阻挡层108可阻止电流由p侧电极112向有源层104流动，使电流狭窄地限制在脊形波导路107。然后，通过将电流集中在脊形波导路107的正下面的有源层104中，来降低阈值电压，而且抑制横高次模的发生。此外，由于电流阻挡层108由Al0.55Ga0.45As构成，所以与由Al0.45Ga0.55As构成的脊形波导路107相比，折射率小，从而带隙大。所以，电流阻挡层108不吸收有源层104的光，图1的半导体激光器是实折射率波导型。如上所述，如在脊形波导路107的正下面注入电流，则可从脊形波导路107正下面的有源层104附近放射波长约780nm的激光光束L。此外，有源层104及其两侧的波导层103、105也可合起来作为发光层103～105来掌握。
在以上说明的图1的半导体激光器中，由于将p型包层106、107、109的总厚度Tp设定为3.2μm，可对有源层104关闭激光振荡需要的载流子。
此外，在图1的半导体激光器中，由于第1的p型包层106的厚度减小到0.2μm，可防止从脊形波导路107，经第1的p型包层106注入有源层104的电流扩展，缩小注入有源层104的电流。这样一来，可使激光光束L的发光稳定。
此外，在图1的半导体激光器中，由于将脊形波导路107的上部幅宽Wu设定在1.3μm，所以阈值电压不会增高。
此外，在图1的半导体激光器中，设置了第3的p型包层109，所以p型包层的总膜厚度可增加到3.2μm，同时脊形波导路107的膜厚度能减小到0.5μm。因此，可将脊形波导路107的上部幅宽设定为1.3μm，同时将底部幅宽缩小至2.0μm。其结果，可缩小注入有源层104的电流，提高纽结能级Pk(图6)，得到高输出功率的半导体激光器。具体的最大输出功率值将在下文中叙述。
与此相对，在已有的半导体激光器中(图5)，由于脊形波导路407的膜较厚，如果将脊形波导路407的底部幅宽Wd缩小到2.0μm，不可避免会使上部幅宽Wu过窄。而且，如果上部幅宽Wu过窄，则电流难以流到有源层404，阈值电压升高，很难得到激光振荡。此外，在已有的半导体激光器(图5)中，如果使脊形波导路407的上部幅宽Wu一定来减小其膜厚度，则虽然底部幅宽Wd变窄，但难以对有源层404关闭电流(载流子)，同样也很难得到激光振荡。
此外，在图1的半导体激光器中，p型包层106、107、109为Al0.45Ga0.55As，与已有的GaAlAs系半导体激光器的p型Al0.5Ga0.5As包层407、408(图5)相比，降低了Al成分，这样尽管电流阻挡层108减薄到0.5μm，也不增加电流阻挡层108的漏电流。也就是说，Al0.45Ga0.55As处于直接迁移和间接迁移的中间，迁移率比完全间接迁移型的Al0.5Ga0.5As大。因此，图1的半导体激光器的第3的p型包层109向脊形波导路107导入电流，具有只防止漏电流流入电流阻挡层108的迁移率。其结果，第3的p型包层109将电流从脊形波导路107导入有源层，所以不会增加电流阻挡层108的漏电流。因此，可抑制电流阻挡层108的漏电流，得到高输出功率的半导体激光器。
与此相对，如果p型包层106、107、109的Al成分提高到0.5以上，则电流阻挡层108产生漏电流。也就是说，在实折射率波导型激光器装置中，由于n型Al0.55Ga0.45As电流阻挡层108的Al成分高，不能提高该电流阻挡层108的结晶性。而且，如上所述，如果将p型包层106、107、109的Al成分提高到0.5以上，则p型包层106、107、109的迁移率就会降低，从而使第3的p型包层109横向的扩展阻力增大，在电流阻挡层108的叠层方向产生大的电位差。因此，如果将电流阻挡层108减薄到0.5μm左右，电流阻挡层108就会产生漏电流。这样一来，当增加电流时，无助于有源层104发光的无效电流增加，难以得到高输出功率的半导体激光器。
此外，图1的半导体激光器由于包层102、106、107、109为Al成分低的Al0.45Ga0.55As，包层102、106、107、109和有源层104的折射率差减小，可缩小的激光光束L的垂直方向的扩展角Fv(参照图2)。由于半导体激光器是将激光光束缩小成极小光点来使用，如上所述如果缩小扩展角Fv，就能更方便使用半导体激光器。
如上所述，在图1的半导体激光器中，设置了第3的p型包层109，此外，由于包层102、106、107、109为Al成分低的Al0.45Ga0.55As，就可在不增加电流阻挡层108的漏电流和不升高阈值电压的情况下，充分对有源层104关闭载流子，而且能缩小脊形波导路407的底部幅宽Wd。由此可得到直至高输出功率也不发生纽结的最大输出功率高的半导体激光器。而且，还可缩小激光光束L的扩展角Fv。
可是，在实折射率波导型AlGaAs系半导体激光器中，将AlxGa1-xAs包层102、106、107、109的Al成分降低到0.45，对于一般的技术人员是不可想象的。这是因为，对于已有的AlGaAs系半导体激光器(图5)，一般都认为如果降低包层402、406、407的Al成分，就不能充分对有源层404关闭载流子，就会降低最大输出功率Pmax。但是，本发明者详细调查了可得到高输出功率激光的AlxGa1-xAs包层102、106、107、109的Al成分与最大输出功率Pmax的关系。结果发现，通过把AlxGa1-xAs包层102、106、107、109的Al成分设定为预定值，可得到高输出功率的激光。以下根据图2进行说明。
图2是表示在改变AlxGa1-xAs包层102、106、107、109的Al成分x时最大输出功率Pmax的变化的图。图中的实线表示最大输出功率Pmax。此外，图中的虚线表示激光光束L的垂直方向的扩展角Fv。如上所述，该扩展角Fv最好窄小。另外，如图2所示，如果提高包层102、106、107、109的Al成分x，该扩展角Fv就会变大。因此，从缩小扩展角Fv的角度考虑，最好降低包层102、106、107、109的Al成分x。可是，如前所述，一般认为，在AlGaAs系半导体激光器中，如降低包层102、106、107、109的Al成分x，则包层102、106、107、109的Al成分x与有源层104的带隙的差会减小，就不能充分对有源层104关闭载流子，会降低最大输出功率Pmax。所以，在普通的半导体激光器(图5)中，调和扩展角Fv的缩小与最大输出功率Pmax的提高，故包层402、406、407、408的Al成分x大致为0.5，扩展角Fv大致为15°。如图2所示，即使在本发明的实验中，在Al成分比0.46大的范围，如同以前认为的一样，随着Al成分的降低，最大输出功率Pmax也降低。但是，通过本发明者的实验得知，如将Al成分设定为不大于0.46且不小于0.40，则与已有的技术常识相反，可提高最大输出功率Pmax。本发明者就其原因认为，对于设置有第3的p型包层109的半导体激光器，当将包层102、106、107、109的Al成分设定不大于0.46且不小于0.40时，与对有源层104关闭载流子恶化的缺点相比，迁移率变高的优点更大。
下面说明图1的半导体激光器的制造方法。图1的半导体激光器的制造方法的特征之一在于：为了防止电流阻挡层108表面氧化，在电流阻挡层108上一旦形成了InGaP包层(参照图4的209)后，剥离该InGaP包层。由此，可提高第3的第2导电型包层109的结晶性及其迁移率。
(1)首先，在以(100)面为主面的直径2英寸的n型GaAs衬底101上，用MOCVD法，顺次形成由Al0.45Ga0.55As构成的n型包层102、Al0.25Ga0.75As波导层103、AlwGa1-wAs(0≤w≤0.15)阱层和Al0.25Ga0.75As障壁层交互多层重叠的AlGaAs/AlGaAs有源层104、Al0.25Ga0.75As波导层105、由Al0.45Ga0.55As构成的第1的p型包层106、Al0.45Ga0.55As层107′。如下面所述，Al0.45Ga0.55As层107′通过蚀刻成为第2的p型包层(脊形波导路)107。也可以在Al0.45Ga0.55As层107′上形成用于防止表面氧化的薄膜InGaP层。
(2)然后，在Al0.45Ga0.55As层107′上，采用光刻技术形成带状的SiO2薄膜，以SiO2薄膜为掩膜，利用由反应速率决定的湿法腐蚀，腐蚀Al0.45Ga0.55AS层107′，形成侧面露出(111)面的带状第2的p型包层(脊形波导路)107。这样，带状的脊形波导路107的两肋侧面的结晶性变好，下面所述的电流阻挡层108的结晶性也变好。另外，也可用其他的电介质绝缘膜代替SiO2薄膜。
(3)然后，采用MOCVD法，以上述的SiO2薄膜为掩膜，隔着第2的p型包层107，在其两侧顺次形成由n型Al0.55Ga0.45As构成的电流阻挡层108和由InGaP构成的顶层。
(4)然后，将结晶衬底从MOCVD装置取出到大气中。此时，上述InGaP顶层很难引起电流阻挡层108的表面氧化。然后，剥离脊形波导路107上的SiO2掩膜和电流阻挡层108上的InGaP顶层。剥离后，为了防止电流阻挡层108的表面氧化，立即将结晶衬底放入MOCVD装置。
(5)然后，采用MOCVD法，在电流阻挡层108和第2的p型包层107上，形成由p型Al0.45Ga0.55As构成的第3的p型包层109。然后，再形成p型GaAs接触层110，形成p侧电极112及n侧电极111，就可得到图1的半导体激光器。
在以上说明的图1的半导体激光器的制造方法中，由于在电流阻挡层108上形成InGaP顶层，然后剥离该InGaP顶层，缩短了电流阻挡层108的表面在大气下暴露的时间，可减少电流阻挡层108表面的氧化。如上所述减少电流阻挡层108的表面氧化时，可使电流阻挡层108的结晶性变好，从而降低电流阻挡层108的漏电流。此外，电流阻挡层108上的第3的p型包层109的结晶性也变好，从而可以提高第3的p型包层109的迁移率。结果表明，第3的p型包层109具有只向脊形波导路107导入电流、防止漏电流向电流阻挡层108流入的迁移率，可进一步降低电流阻挡层108的漏电流。这样一来，通过设置暂时形成InGaP顶层然后剥离的工序，可防止通向电流阻挡层108的漏电流，可容易地采用设有第3的p型包层109的结构。
与此相反，如果不采用InGaP顶层，由于Al0.55Ga0.45As电流阻挡层108的Al成分高，就容易引起电流阻挡层108的表面氧化。因此就会恶化电流阻挡层108的结晶性，降低第3的p型包层109的迁移率，从而在电流阻挡层108容易产生漏电流。其结果，利用不采用InGaP顶层的已有的制造方法，就很难设置第3的p型包层109。
在以上说明的图1的半导体激光器中，第1导电型包层102、第1的第2导电型包层106、第2的第2导电型包层107和第3的第2导电型包层109均为Al0.45Ga0.55As，但第2的第2导电型包层109为Al0.45Ga0.55As，其他包层为Al0.5Ga0.5As，也可得到提高最大输出功率(图2)的效果。
此外，在图1的半导体激光器中，脊形波导路107的厚度设定为0.5μm，但也可为其他尺寸的厚度。但是，如果厚度超过1.0μm，则阈值电压增加，容易发生纽结。反之，如果厚度低于0.2μm，则在电流阻挡层108容易产生漏电流。所以，脊形波导路107的厚度最好设定为不小于0.2μm、不大于1.0μm。
另外，在图1的半导体激光器中，脊形波导路107的底部幅宽Wd设定为2.0μm，但也可设定为其他尺寸的幅宽。但是，如果幅宽小于1.5μm，则上部幅宽Wu就会过窄，容易提高阈值电压。反之，如果幅宽大于3.0μm，则不能缩小注入有源层104的电流，激光光束L就会不稳定，容易发生纽结。所以，脊形波导路107的底部幅宽Wd最好设定为不小于1.5μm、不大于3.0μm。
此外，在图1的半导体激光器中，第1的p型包层106的厚度设定为0.2μm，但也可设定为其他尺寸的厚度。但是，如果厚度低于0.2μm，则脊形波导路107下部及其两侧的折射率差变得过大，容易发生纽结。反之，如果厚度超过0.3μm，则注入有源层104的电流扩展。所以，第1的p型包层106的厚度最好设定为不小于0.1μm、不大于0.3μm。
此外，在图1的半导体激光器中，p型包层106、107、109的合计厚度Tp设定为3.2μm，n型包层102的厚度Tn设定为3.0μm，但也可设定为其他尺寸的厚度。但是，为充分对有源层104关闭载流子，最好将Tp、Tn分别设定为不小于2.5μm。
此外，在图1的半导体激光器中，AlyGa1-yAs电流阻挡层108的Al成分y设定为0.55，但也可设定为其他的数值。但是，如果数值小于0.50，则实折射率波导型难以得到良好的特性。另外，如果数值超过0.56，则结晶性能恶化。所以，AlyGa1-yAs电流阻挡层108的Al成分y最好设定为不小于0.50、不大于0.56。
此外，在图1的半导体激光器中，AlzGa1-zAs波导层103、105的Al成分z设定为0.25，但也可设定为其他的数值。但是，如果数值小于0.20，则与有源层104的阱层的折射率差消失，不能充分在该阱层关闭光，很难得到作为波导层的效果。反之，如果数值超过0.28，则与包层102、106、107、109的折射率差消失，也很难得到作为波导层的效果。所以，波导层103、105的Al成分z最好设定为不小于0.20、不大于0.28。
第2实施例
从图3、图4可以看出，本发明第2实施例的半导体激光器的特征之一在于：为了提高第3的p型包层209的迁移率，在电流阻挡层108上设置由p型InGaP形成的顶层208A。下面以与第1实施例不同的部分为中心进行说明。
图3是表示本发明的第2实施例的半导体激光器的概念斜视图。图4是该半导体激光器的中央部分的概念剖面图。AlGaAs/AlGaAs有源层204，与第1实施例相同，是由AlwGa1-wAs(0≤w≤0.15)构成的厚5nm的阱层和由Al0.3Ga0.7As构成的厚5nm的障壁层交互多重重叠的MQW结构。在图中纵侧夹着有源层204的各包层202、206、207、209比第1实施例(图1)提高了Al成分，由Al0.5Ga0.5As构成。这与已有的半导体激光器(图5)的Al成分相同。此外，与各包层202、206、207、209的Al成分设定为0.5相对应，波导层203、205的Al成分设定为0.3。该波导层203、205可与有源层204合起来作为发光层203～205来把握。另外，在图4的半导体激光器中，设有由p型InGaP构成的刻蚀中止层207A。在通过湿法腐蚀形成脊形波导路207时，刻蚀中止层207A可决定刻蚀的终点，能形成再现性良好的脊形波导路207。此外，在图4的半导体激光器中，与第1实施例相同，设有第3的p型包层209。图4的半导体激光器的特征之一在于：除了设有第3的p型包层209外，还设置了顶层208A。该顶层208A由带隙比有源层204大的InGaP构成，不吸收来自有源层204的光。因此，通过在顶层208A中采用带隙比有源层204大的化合物半导体材料，可防止由于吸收沿有源层204波导的激光光束及发生光损失造成的阈值电压的增大和发光效率的降低。通过设置此种顶层208A，可实现低阈值、高效率的高输出功率半导体激光器。
由上述的积层体202～209构成的半导体激光器的芯片，如图3所示，为防止剖面附近的有源层204的不可逆的损伤(COD：CatastrophicOptical Damege)，在该剖面近处的上述有源层204及其周边，设有Zn扩散区213。此外，在芯片的前剖面上，形成反射率不大于20％的低反射膜214，在后端面上形成反射率不小于90％的高反射膜215，这样可保护端面，同时可从射出侧端面得到高的光输出功率。另外，在第1实施例(图1)中，也可设置上述的Zn扩散区213、低反射膜214和高反射膜215。
在以上说明的图3、图4的半导体激光器中，由于设有顶层208A，可防止电流阻挡层208的表面氧化，提高电流阻挡层208的表面结晶性。此外，还可提高在电流阻挡层208上形成的第3的p型包层209的结晶性，并还能提高其迁移率。因此，由Al0.5Ga0.5As构成的第3的p型包层209，尽管Al成分高，但具有将电流导入脊形波导路207、可防止漏电流向电流阻挡层208流入的迁移率。结果，由于第3的p型包层209从脊形波导路207高效率地向有源层204导入电流，所以能得到高输出功率的半导体激光器。
与此相反，在不设置InGaP顶层208A的情况下，由Al0.5Ga0.5As构成的第3的p型包层209的结晶性恶化，其迁移率增高。另外，这样一来使第3的p型包层209的横向扩展电阻增大，在电流阻挡层208的叠层方向产生大的电位差。其结果，在电流阻挡层208产生漏电流，增加了不利于有源层204发光的无效电流，从而难以得到高输出功率的激光器。
此外，在图3的半导体激光器中，由于设有Zn扩散区213，尽管输出功率高，仍能防止不可逆的损伤(COD：Catastrophic OpticalDamege)。也就是说，如同本发明实施例的半导体激光器一样，如能通过提高抗纽结能力，实现高输出功率的激光器，则激光光束造成的端面破坏就成为决定输出功率的主要因素。这是因为，在设出高输出功率激光的状态下，在芯片端面近处，有源层204的带隙减少，所谓产生带隙收缩，由此造成在端面近处的有源层204产生光吸收。由于发生这种光吸收，及由此产生的热和电子、空穴对的非发光再复合所引起的发热，会促进带隙收缩，增大光吸收。这种现象被称为正反馈。因此，最终端面产生因光和热而熔融的不可逆损伤(COD)。在AlGaAs系半导体激光器中，不可逆损伤(COD)大约在4MW/cm2，影响本实施例的输出功率极高的半导体激光器(参照图2)的可靠性。因此，在本发明实施例中，通过扩散Zn在晶片端面近处形成Zn扩散区213。通过这种Zn扩散，可使端面近处的有源层204按一定比例无秩序化，使该区域的有源层204的带隙比芯片内部的有源层204的带隙增大。根据上述机理，可实现不发生不可逆损伤(COD)并具有高可靠性的高输出功率激光器。根据本发明者的经验，该Zn扩散区213的幅宽(窗长)最好在由端面起5μm～40μm的范围。如果窗长达不到5μm，则在解理晶片端面而形成时，不能保证位置精确，很难体现窗的效果。另一方面，如果窗长超过40μm，则由于窗口区的光吸收大致在60/cm，故光损失显著，导致发光效率降低和振荡阈值增加，不适合应用于光盘。
下面，就顶层208A的厚度及材质进行讨论。也就是说，在图4的半导体激光器中，虽然顶层208A的厚度为0.005μm，其材质为InGaP，但也可采用其它的厚度及材质，所以本发明只就该范围及此种材质进行探讨。
首先，探讨厚度。根据本发明者的实验，如果由InGaP构成的顶层208A的厚度小于0.001μm，就很难得到高输出功率的激光器。分析原因认为，这是由于如果顶层208A的厚度过薄，就得不到提高第3的p型包层209结晶性及其迁移率的效果之故。此外，根据本发明者的实验，如果由InGaP构成的顶层208A的厚度超过0.010μm，则很难得到高输出功率的激光。分析原因认为，这是由于，即使顶层208A的厚度过厚，由于其晶格常数和热膨胀系数与由Al0.5Ga0.5As构成的第3的p型包层109不同，也会使第3的p型包层109的结晶性恶化之故。根据本发明者的实验，由此得出，通过把由InGaP构成的顶层208A的厚度设定为不小于0.001μm、不大于0.010μm，可得到高输出功率的半导体激光器。
下面探讨材质问题。如根据本发明者的实验，顶层208A的材质即使在用GaP和InGaAlP代替InGaP的情况下，也能达到提高第3的p型包层209结晶性及迁移率的效果。此外，在采用InN、InGaN、GaN等情况下，也可获得同样的效果。基于上述结果，本发明人进一步反复进行了实验，结果表明，在采用带隙比有源层204大并含有不同于电流阻挡层208的V族元素材料时，也能达到提高第3的p型包层209结晶性及迁移率的效果。究其原因，本发明者认为，这是因为如果采用与电流阻挡层208不同的V族元素材料形成顶层208A，则电流阻挡层208和顶层208A的有效质量差就会增大，能增强提高结晶性的作用。此外还认为因为如果采用带隙比有源层204小的材料形成顶层208A，则顶层208A就会吸收来自有源层204的光束L。另外，从有源层204的发光效率角度考虑，可作如下说明，即，在顶层208A，通过采用带隙比有源层204大并含有不同于电流阻挡层208的V族元素的半导体材料，可以选择该半导体材料内空穴的有效质量小的材料。例如，在选择了Al0.5Ga0.5As作为第3的p型包层209时，通过选择p型InGaP作为顶层208A，V族元素含有有效质量比As小的P，就有可能向第2的p型包层207注入能级水平更高的空穴，在有源层204中可进行更高效率的再复合。另外，制造上大的优点是，即使结构为利用刻蚀完全去除顶层208A，直接将第3的p型包层209接在电流阻挡层208上，通过采用InGaP顶层208A，可容易地选择与AlGaAs电流阻挡层208的刻蚀选择比大的腐蚀剂。依据本发明者的实验，在采用上述各种材料时，材料厚度也最好不小于0.001μm、不大于0.010μm。
如上所述，顶层208A最好厚度不小于0.001μm、不大于0.010，材质最好选择带隙比有源层204大并含有不同于电流阻挡层208的V族元素的半导体材料。
以上说明的图4的半导体激光器的制造方法，可按与第1实施例的半导体激光器(图1)相同的方法实施。但是，在第1实施例的半导体激光器的制造方法中剥离了顶层，而在本实施例的半导体激光器的制造方法中，不剥离顶层208A，如图3、图4所示，是残留该顶层208A的构成。
此外，在以上说明的图4的半导体激光器中，各包层202、206、207、209采用了Al0.5Ga0.5As，但也可以与第1实施例(图1)一样，采用Al0.5Ga0.55As作为包层材料。另外，其Al成分的比例也可采用其他值。但是，根据本发明者的实验，由AlbiGa1-biAs构成的包层(i＝0、1、2、3)202、206、207、209的Al成分bi最好不小于0.40、不大于0.50(参照图2)。
此外，在图4的半导体激光器中，其结构为有源层204与厚5nm的阱层和厚5nm的障壁层交互重叠的MQW结构，但它们的厚度也可以为其他值。但是，为了通过Zn扩散区213有效地防止不可逆的损伤(COD)，最好将阱层及障壁层的膜厚度定为不大于7nm。这是因为，阱层及障壁层减薄后易引起上述的无秩序化。
在以上说明的第2实施例中，虽然以AlGaAs作为有源层204的AlGaAs系半导体激光器进行了说明，但本发明一般也可以适用于具备比有源层204大的带隙并含有不同于电流阻挡层208的V族元素的顶层208A，以及在该顶层208A和脊形波导路207上面形成了第3的p型包层209的半导体激光器。也适用于如以InGaAl为有源层204的四元系半导体激光器及以InGaN为有源层204的GaN系半导体激光器。

Claims (19)

1.一种半导体激光器，其特征在于，具有：
第1导电型包层；
发光层，其在上述第1导电型包层上形成，具有由AlvGa1-xAs(0≤v＜x3)构成的通过注入电流而放射光的有源层；
第1的第2导电型包层，其在上述发光层上形成；
第2的第2导电型包层，其在上述第1的第2导电型包层上的部分区域内形成且为带状；
电流阻挡层，其夹着上述第2的第2导电型包层在其两侧形成，具有比上述第1及第2的第2导电型包层大的带隙；
第3的第2导电型包层，其在上述第2的第2导电型包层及上述电流阻挡层上形成，由Alx3Ga1-x3As(0.40≤x3≤0.46)构成。
2.如权利要求1记载的半导体激光器，其特征在于：
上述第1导电型包层由Alx0Ga1-x0As(0.40≤x0≤0.46)构成；
上述第1的第2导电型包层由Alx1Ga1-x1As(0.40≤x1≤0.46)构成；
上述第2的第2导电型包层由Alx2Ga1-x2As(0.40≤x2≤0.46)构成。
3.如权利要求1记载的半导体激光器，其特征在于：上述电流阻挡层为第1导电型，由AlyGa1-yAs(0.50≤y≤0.56)构成。
4.如权利要求1记载的半导体激光器，其特征在于：
上述第1的第2导电型包层的厚度大于等于0.1μm、小于等于0.3μm，
上述第2的第2导电型包层的厚度大于等于0.2μm、小于等于10μm，底部幅宽大于等于1.5μm、小于等于3.0μm，
上述第1乃至第3的第2导电型包层的合计厚度大于等于2.5μm。
5.如权利要求1记载的半导体激光器，其特征在于：上述有源层为由AlwGa1-wAs(0≤w≤0.15)构成的含一个或多个阱层的一层或多重量子阱结构的有源层。
6.如权利要求5记载的半导体激光器，其特征在于：上述发光层由上述有源层和形成于上述有源层两侧的由AlzGa1-zAs(0.2≤z≤0.28)构成的光波导层组成。
7.如权利要求1记载的半导体激光器，其特征在于：在端面近处的上述有源层设有Zn扩散区。
8.一种半导体激光器，其特征在于，具备：
衬底，其由GaAs构成，是第1导电型；
第1导电型包层，其在上述衬底上形成，由Alx0Ga1-x0As(0.40≤xi≤0.46，i＝0、1、2、3)构成；
发光层，其在上述第1导电型包层上形成，具有由AlvGa1-vAs(0≤v＜xi)等构成的通过注入电流而放射光的有源层；
第1的第2导电型包层，其在上述发光层上形成，由Alx1Ga1-x1As构成；
第2的第2导电型包层，其在上述第1的第2导电型包层上的部分区域内形成且为带状，由Alx2Ga1-x2As构成；
电流阻挡层，其夹着上述第2的第2导电型包层，由AlyGa1-yAs(0.46＜y)构成，为第1导电型；
第3的第2导电型包层，其在上述第2的第2导电型包层及上述电流阻挡层上形成，由Alx3Ga1-x3As构成；
接触层，其在上述第3的第2导电型包层上形成。带隙比上述第3的第2导电型包层小，为第2导电型；
第1电极，其与上述衬底电连接而形成；
第2电极，其在上述接触层上，与上述接触层电连接而形成。
9.如权利要求8记载的半导体激光器，其特征在于：上述接触层由GaAs构成。
10.如权利要求8记载的半导体激光器，其特征在于：上述电流阻挡层由AlyGa1-yAs(0.50≤y≤0.56)构成。
11.如权利要求8记载的半导体激光器，其特征在于：
上述第1的第2导电型包层的厚度大于等于0.1μm、小于等于0.3μm；
上述第2的第2导电型包层的厚度大于等于0.2μm、小于等于1.0μm，底部幅宽大于等于1.5μm、小于等于3.0μm；
上述第1乃至第3的第2导电型包层的合计厚度大于等于2.5μm。
12.如权利要求8记载的半导体激光器，其特征在于：上述有源层为由AlwGa1-wAs(0≤w≤0.15)构成的含一个或多个阱层的一层或多重量子阱结构的有源层。
13.如权利要求12记载的半导体激光器，其特征在于：上述发光层由上述有源层和在上述有源层的两侧形成的由AlzGa1-zAs(0.20≤z≤0.28)构成的光波导层组成。
14.如权利要求8记载的半导体激光器，其特征在于：在端面近处的上述有源层设有Zn扩散区。
15.一种半导体激光器的制造方法，其特征在于：
使用MOCVD，顺次形成由Alx0Ga1-x0As(v＜x i＜y，i＝0、1、2、3)构成的第1导电型包层、由AlvGa1-vAs(0≤v＜xi)构成的有源层、由Alx1Ga1-x1As构成的第1的第2导电型包层、Alx2Ga1-x2As层；
在上述Alx2Ga1-x2As层上，形成带状的电介质膜，以该电介质膜作为掩膜，用湿法腐蚀法刻蚀Alx2Ga1-x2As层，形成在侧面露出(111)A面的带状的第2的第2导电型包层；
使用MOCVD，以上述电介质膜作为掩膜，夹着上述第2的第2导电型包层，在其两侧顺次形成第1导电型的由AlyGa1-yAs构成的电流阻挡层及由InGaP构成的顶层；
剥离上述电介质膜及上述顶层；
使用MOCVD，在上述电流阻挡层及上述第2的第2导电型包层上，形成由Alx3Ga1-x3As构成的第3的第2导电型包层。
16.一种半导体激光器，其特征在于：
第1导电型包层；
发光层，其在上述第1导电型包层上形成，具有通过注入电流而放射光的有源层；
第1的第2导电型包层，其在上述有源层上形成；
第2的第2导电型包层，其在上述第1的第2导电型包层上部分区域内形成且为带状；
电流阻挡层，其夹着上述第2的第2导电型包层在其两侧形成，具有比上述第1及第2的第2导电型包层大的带隙，为第1导电型；
顶层，其在上述电流阻挡层上形成，带隙比上述有源层大，含有与上述电流阻挡层不同的V族元素；
第3的第2导电型包层，其在上述顶层及上述第2的第2导电型包层上形成。
17.如权利要求16记载的半导体激光器，其特征在于：上述有源层由AlcGa1-cAs(0≤c＜1)构成，上述顶层由InGaP构成。
18.如权利要求17记载的半导体激光器，其特征在于：上述顶层的厚度大于等于0.001μm、小于等于0.01μm。
19.如权利要求17记载的半导体激光器，其特征在于：
上述第1导电型包层由Alb0Ga1-b0As(c＜b，j＜e，j＝0、1、2、3)构成；
上述第1的第2导电型包层由Alb1Ga1-b1As构成；
上述第2的第2导电型包层由Alb2Ga1-b2As构成；
上述电流阻挡层由AleGa1-eAs构成；
上述第3的第2导电型包层由Alb3Ga1-b3As构成。
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