專利名稱：半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能夠從表面發(fā)射激光束的面發(fā)射半導體激光器，并具體地涉及適用于 需要單模光學輸出的情形的面發(fā)射半導體激光器。
背景技術：
在垂直于基板的方向上發(fā)光的面發(fā)射半導體激光器中，多個元件可以以二維形狀 排列在同一基板上。例如，當排列為二維形狀的面發(fā)射半導體激光器用作數字復印設備或 打印機的光源時，像素信息可以通過并行處理輸入到光導鼓，從而實現高密度和高速度。因 此，近來面發(fā)射半導體激光器已經用作數字復印設備或打印機的光源。用作打印機光源的面發(fā)射半導體激光器已經被幾個制造商商業(yè)化。然而，波帶局 限于紅外波帶(770nm至790nm)。當使振蕩波長較短時，束斑(beam spot)可以更小。因 此，可以實現高精確度的打印機。從而，近來已經開發(fā)了可以用作打印機光源的紅色波帶面 發(fā)射半導體激光器。例如，美國專利No. 7359421披露了能夠將紅色波帶面發(fā)射半導體激光器振蕩為 單橫模的技術。在美國專利No. 7359421中，由于氧化層的電流窄化實現了強折射系數分 布，所以認為單模特性不好。在美國專利No. 735942 1中，離子注入的增益引導結構(gain guide structure)被用來實現弱折射系數分布。而且，因為電流窄化層通過兩次離子注入 形成，所以折射系數上的變化由于熱透鏡效應(thermal lensing effect)而受到限制。在 美國專利No. 7359421中，認為由于可以通過寬電流窄化來控制橫模，所以可以實現高輸出 的單模振蕩。美國專利No. 7359421的發(fā)明人發(fā)表了有關紅色波帶面發(fā)射半導體激光器的 文章(SPIE Vol. 6484 Vertical-Cavity Surface-Emitting LasersXI, paper 6484-04)。 在“SPIE Vol.6484 Vertical-Cavity Surface-Emitting LasersXI,paper 6484-04”中，不 清楚是否采用了美國專利No. 7359421中的構造。然而，當假設采用了美國專利No. 7359421 中構造時，在環(huán)境溫度下可以可靠地實現2. Smff的單模光學輸出。

發(fā)明內容
然而，在“SPIE Vol.6484 Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XI， paper6484-04”中，2. 8mA的閾值太高，并且在高溫(60°C )下超過了 3mA。這樣高閾值的電 流是可靠性降低的因素。采用面發(fā)射半導體激光器作為打印機光源的原因是期待低閾值導 致低下降(drooping)。然而，無法實現低下降的上述方法不被認為是合適的方法。Electronics Letters 19th January 2006 Vol. 42 No. 2 介紹了通過抑制熱透 鏡效應使激光振蕩成單模的方法。在Electronics Letters 19th January 2006 Vol. 42 No. 2 中，也采用增益引導結構。而且，在 Electronics Letters 19th January2006 Vol.42 No. 2中，在一部分臺面中采用加熱電極(電流源用于加熱)。這樣，只有電流窄化層的中間 部分被局部加熱，因此防止了中間部分的折射系數增加。根據該方法，因為有源層的溫度分 布和折射系數分布接近于平滑，所以可以通過寬電流窄化來控制橫模。因此，可以獲得單模振蕩。然而，當設置加熱電極時，加工或安裝會變得復雜，因此從應用上看并不實際。而且，即使具有使有源層的溫度分布平滑的優(yōu)點，整個裝置的溫度增加也不可避免。出于這樣的 原因，光學輸出可能減少，并且因此可靠性可能降低。希望提供這樣的半導體激光器，其能夠以簡單清晰的構造和低閾值電流實現高輸 出的單模振蕩。根據本發(fā)明的實施例，提供了 AlxGayIni_x_yP (其中0χ<1且0<y<l)基有 源層。更具體地講，該半導體激光器包括柱形層疊結構，該柱形層疊結構從基板開始依次包 括在基板上的第一多層反射鏡、有源層、第二多層反射鏡和橫模調節(jié)層，該柱形層疊結構還 包括電流窄化層。電流窄化層包括在面內中間區(qū)域中的未氧化區(qū)域和在未氧化區(qū)域周圍的 環(huán)形氧化區(qū)域。橫模調節(jié)層包括與未氧化區(qū)域對應的高反射區(qū)域和在高反射區(qū)域周圍的環(huán) 形低反射區(qū)域。假設未氧化區(qū)域的直徑為D。x，高反射區(qū)域的直徑為Dhr，則直徑Dox和Dto滿 足下面的關系，0. 8 < DhlZDox <1.5··· (1)。在該半導體激光器中，有源層可以具有量子阱結構，該量子阱結構通過交替層疊 主要包含AlaGabIni_a_bP(其中0≤a< 1且0<b< 1)的阱層和主要包含Al。GadIni_。_dP(其 中0<c<l且0<d<l)的壘層而形成。電流窄化層可以形成在第二多層反射鏡中，并 且可以形成在距有源層(7/4+(η/2)) λ (其中η是等于或大于0的整數)的位置。當操作 溫度相對較低(例如，約25°C )時，優(yōu)選直徑D。x和Dto滿足0. 8 < DhrZDox <1.0。當操作溫 度相對較高(例如，約在40°C至約60°C的范圍內)時，直徑Dra^PDhr優(yōu)選滿足0.9 < Dto/ Dox < 1. 1，并且更優(yōu)選為1. 0或幾乎接近于1. 0。在根據本發(fā)明實施例的半導體激光器中，形成AlxGayIni_x_yP(其中0≤χ < 1且0 < y < 1)基有源層。就是說，有源層由產生紅色波帶的光的材料形成，紅色波帶的波長比 紅外波帶短。該半導體激光器包括電流窄化層，該電流窄化層包括在面內中間區(qū)域中的未 氧化區(qū)域和在未氧化區(qū)域周圍的環(huán)形氧化區(qū)域。所提供的橫模調節(jié)層包括與未氧化區(qū)域對 應的高反射區(qū)域和在高反射區(qū)域周圍的環(huán)形低反射區(qū)域。而且，直徑D。x和Dto滿足上面的 公式(1)。這樣，可以實現波導的等效折射系數分布弱的系數引導結構。在根據本發(fā)明實施例的半導體激光器中，在有源層由產生紅色波帶的光的材料形 成的激光器構造中，直徑Dra^OhJi足上面的公式(1)。通過這樣的構造，可以實現波導的 等效折射系數分布弱的系數引導結構。結果，因為可以減少無功電流，所以與折射系數分布 實現為增益引導結構的情況相比，可以實現低閾值。而且，因為可以通過寬電流窄化而控制 橫模，所以可以實現高輸出的單模振蕩。在本發(fā)明的實施例中，因為不需要采用特殊的結構 或特殊的工藝，所以可以以簡單清晰的結構實現單模的激光振蕩。從而，在本發(fā)明的實施例 中，可以以簡單清晰結構和低閾值電流實現高輸出的單模振蕩。


圖1是圖解根據本發(fā)明實施例的半導體激光器的截面圖。圖2A和2B是圖解圖1所示的半導體激光器的一部分的放大示意圖。圖3是圖解在圖1所示的半導體激光器的單模中最大輸出特性和溫度依賴性的示意圖。
圖4A至4C是圖解圖1所示的半導體激光器的I-L特性和斜率效率的示意圖。圖5A和5B是圖解在圖1所示的半導體激光器的電流窄化層中駐波位置關系的示 意圖。
圖6A和6B是圖解在根據比較示例的半導體激光器的電流窄化層中駐波位置關系 的示意圖。圖7A和7B是圖解圖1所示的半導體激光器的制造工藝的截面圖。圖8A和8B是圖解圖7A和7B中的半導體激光器的制造工藝的截面圖。圖9A和9B是圖解圖8A和8B中的半導體激光器的制造工藝的截面圖。
具體實施例方式在下文，將參考附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。將以下面的順序進行描述。1.構造2.制造方法3.操作效果1.構造圖1是圖解根據本發(fā)明實施例的面發(fā)射半導體激光器1的構造的截面圖。圖2的 部分(A)是圖解圖1所示的半導體激光器1的上部的放大圖。半導體激光器1具有層疊結 構20，在該層疊結構20中例如下DBR層11、下間隔層(spacer layer) 12、有源層13、上間 隔層14、上DBR層15和接觸層16從基板10開始依次層疊在基板10的一個表面上。例如， 寬度為約20 μ m至約50 μ m的柱形臺面部分17形成在層疊結構20的上部中，具體地，在下 DBR層11、下間隔層12、有源層13、上間隔層14、上DBR層15和接觸層16的一部分中。下DBR層11對應于根據本發(fā)明實施例的"第一多層反射鏡"的具體示例。上DBR 層15對應于根據本發(fā)明實施例的"第二多層反射鏡"的具體示例。下間隔層12對應于 根據本發(fā)明實施例的"第一間隔層"的具體示例。上間隔層14對應于根據本發(fā)明實施例 的"第二間隔層"的具體示例。由層疊結構20和橫模調節(jié)層(lateral mode adjusting layer)30形成的層疊結構對應于根據本發(fā)明實施例的"層疊結構"的具體示例?；?0例如由η型GaAs形成。η型雜質的示例包括硅(Si)或硒(Se)。下DBR層 11通過交替層疊低折射系數層(未示出)和高折射系數層(未示出)而形成。下DBR層11 的最上層例如是高折射系數層。低折射系數層例如由光學厚度為λ/4(其中λ是振蕩波 長)的η型AleGanAs (其中0<e<l)形成。高折射系數層例如由光學厚度為λ/4(其 中入是振蕩波長)的η型AlfGawAs (其中0 < f < 1)形成。下間隔層12例如由AlgGahIni_g_hP (其中0<g<l且0<h<l)形成。有源層 13由AlxGayIni_x_yP (其中0彡χ<1且0<y<l)基化合物半導體形成。就是說，在根據 該實施例的半導體激光器1中，有源層13由產生紅色波帶的光的材料形成，紅色波帶的波 長短于紅外波帶。而且，AlxGayIni_x_yP基化合物半導體是指至少包含Al、Ga和In中的Ga、 In以及As的化合物半導體。有源層13具有量子阱結構，該量子阱結構通過交替層疊主要包含 AlaGabIn1IbP(其中0彡a< 1且0<b< 1)的阱層(未示出)和主要包含Al。GadIni_。_dP(其 中0<c<l且0<d<l)的壘層(未示出)而形成。在有源層13中，面對稍后描述的未氧化區(qū)域18B的區(qū)域成為發(fā)光區(qū)域13A。發(fā)光區(qū)域13A對應于電流注入區(qū)域，在稍后描述 的電流窄化層(current narrowing layer) 18中變窄的電流被注入到該電流注入區(qū)域。發(fā) 光區(qū)域13A是基橫模(basic lateralmode)振蕩主要發(fā)生的區(qū)域。圍繞發(fā)光區(qū)域13A的環(huán) 形圓周區(qū)域用作高階橫模(high-order lateral mode)振蕩主要發(fā)生的區(qū)域。 上間隔層14例如由AljGakIni_j_kP(其中0 < j < 1且0 < k < 1)形成。下間隔 層12、有源層13和上間隔層14優(yōu)選不包含雜質，但可以包含ρ型或η型雜質。ρ型雜質的 示例包括鋅(Zn)、鎂(Mg)和鈹(Be)。這里，層疊結構20的上DBR層15側的腔長度L1 (有源層13的沿其厚度方向的中 間部分與上間隔層14的表面之間的距離)例如設定到(1/2) λ或(l+(m/2)) λ (其中，m 是等于或大于0的整數，λ是振蕩波長)。與(1/2) λ的腔長度1^相比，在(1+(πι/2))λ 的腔長度L1中可以進一步減少載流子溢出的發(fā)生。而且，隨著腔長度L1的變大，稍后描述 的電流窄化層18距有源層13的距離L2必然變遠。因此，能夠實現系數引導結構(index guidestructure)，在該系數引導結構中層疊結構20中傳播光的區(qū)域(波導)的等效折射 系數分布變弱。然而，隨著電流窄化層18距有源層13的距離L2變遠，橫向泄漏電流變大。 因此，優(yōu)選腔長度L1S λ或(3/2)λ。層疊結構20中下DBR層11側的腔長度(有源層13 沿其厚度方向的中間部分與下間隔層12的下表面之間的距離)例如設定到(1/2) λ。例如，如圖2所示，上DBR層15通過交替層疊低折射系數層15Α和高折射系數層 15Β而形成。上DBR層15的最上層例如為高折射系數層15Β，并且DBR層15的最下層例如 也為高折射系數層15Β。這里，低折射系數層15Α例如由厚度為λ/4的ρ型AlpGai_pAs (其 中0<ρ<1)形成。高折射系數層15B例如由厚度為λ/4的ρ型AlqGahAs (其中0<q < 1)形成。然而，在上DBR層15中，代替低折射系數層15A，電流窄化層18形成在距有源層 13預定距離的一部分低折射系數層15A中。在電流窄化層18中，面內中間部分是未氧化區(qū) 域18B，并且圍繞未氧化區(qū)域18B的環(huán)形圓周區(qū)域是氧化區(qū)域18A。未氧化區(qū)域18B例如由 ρ型ALGahAs (其中0<r彡1)形成，因此具有導電性。另一方面，電流狹窄區(qū)域18A例 如通過從臺面部分17的側表面氧化ρ型AlfahAs層(稍后描述的氧化層18D)而形成，因 此具有絕緣性。從而，電流窄化層18具有使從上電極22和下電極25注入的電流變窄的作 用。優(yōu)選電流窄化層18形成的位置(駐波的節(jié)點)距離有源層13 (有源層13沿其厚 度方向的中間部分)為(7/4+(η/2)) λ (其中η是等于或大于0的整數)。如下所述，這是 因為可以實現波導的等效折射系數分布變弱的系數引導結構。這里，當腔長度L1S λ時， 電流窄化層18形成在有源層13側的第四層(低折射系數層15Α)的一部分中?；蛘?，當腔 長度L1是(3/2) λ時，電流窄化層18形成在有源層13側的第二層(低折射系數層15Α)的 一部分中。接觸層16例如由ρ型GaAs形成，并且具有例如在面對未氧化區(qū)域18Β的區(qū)域中 的圓形開口。如圖1和圖2的部分㈧所示，橫模調節(jié)層30和上電極22設置在臺面部分17的 上表面上。保護膜21形成在臺面部分17的側表面和周邊(基底部分)上。電極焊盤24 設置在與保護膜21中的臺面部分17周邊對應的表面上。下電極25設置在基板10的背表面上。橫模調節(jié)層30例如包括第一調節(jié)層31、第二調節(jié)層32和第三調節(jié)層33，并且形成在與半導體激光器1的發(fā)光區(qū)域對應的區(qū)域中(例如，接觸層16的開口中)。第一調節(jié) 層31和第二調節(jié)層32依次層疊在出光區(qū)域的中間區(qū)域中，即在橫模振蕩主要發(fā)生的區(qū)域 中。盡管未示出，多個第一調節(jié)層31和多個第二調節(jié)層32可以層疊為多對第一調節(jié)層31 和第二調節(jié)層32。第一調節(jié)層31和第二調節(jié)層32形成為對應于未氧化區(qū)域18B，如下所 述。第三調節(jié)層33形成在圍繞出光區(qū)域的環(huán)形圓周區(qū)域中，即在高階橫模發(fā)生的區(qū)域中。 第三調節(jié)層33形成為對應于氧化區(qū)域18A，如下所述。具體地講，厚度為(2α-1) λ/4ηι (其中α是等于或大于1的整數，且Ii1是折射 系數)的第一調節(jié)層31由折射系數Ii1低于第一調節(jié)層31的基底層的折射系數的材料形 成，例如，諸如SiO2(氧化硅)的介電材料。第一調節(jié)層31的基底層是例如設置在上DBR 層15的最上表面上的高折射系數層15Β。具體地講，厚度為(2β-1) λ/4η2 (其中β是等 于或大于1的整數，且η2是折射系數)的第二調節(jié)層32由折射系數Ii2高于第一調節(jié)層31 的折射系數的材料形成，例如，諸如SiN(氮化硅)的介電材料。具體地講，厚度為(2Υ-1) λ/4η3(其中Y是等于或大于1的整數，且ri3是折射系數)的第三調節(jié)層33由折射系數 高于第一調節(jié)層31的折射系數的材料形成，例如，諸如SiN(氮化硅)的介電材料。優(yōu)選 第二調節(jié)層32和第三調節(jié)層33由相同的材料形成為具有相同的厚度。這是因為這些層可 以一起制造，因此可以簡化制造工藝。由第一調節(jié)層31和第二調節(jié)層32形成的層疊結構用于以高反射率反射從有源層 13輸出的光。從而，形成該層疊結構的區(qū)域用作高反射區(qū)域23Α。另一方面，第三調節(jié)層33 以低反射率反射從有源層13輸出的光。從而，形成第三調節(jié)層33的區(qū)域用作低反射區(qū)域 23Β。當假設高反射區(qū)域23Α的反射率為R1、低反射區(qū)域23Β的反射率為R2,并且出光區(qū) 域不形成調節(jié)層的區(qū)域的反射率為R3時，優(yōu)選各反射率調節(jié)為滿足下面的關系式(見圖2 的部分(B)中的反射率分布)，R1 彡 R3 > R2。這樣，可以僅抑制高階橫模振蕩，而不減少基橫模的光輸出。例如，當第一調節(jié)層31的反射率為1. 6并且第二調節(jié)層32和第三調節(jié)層33的反 射率為2. 0時，高反射區(qū)域23A的反射率R1例如為99. 6%，并且低反射區(qū)域23B的反射率 R2例如為97. 2%。另外，反射率R3為99. 5%。因此，甚至在反射率因小的差別而降低時， 在低反射區(qū)域23B中增益也減少。從而，可以僅抑制高階橫模振蕩，而不減少基橫模的光輸 出ο例如，由氧化物材料或氮化物材料制成的保護膜21形成為覆蓋臺面部分17的側表面和周邊(基底部分)。上電極22和電極焊盤24例如通過依次層疊Ti、Pt和Au而形 成，并且電連接到接觸層16。上電極22在與接觸層16的開口對應的區(qū)域中具有開口。例 如，當從半導體激光器1的上表面觀察時，上電極22的開口與接觸層16的開口一起形成一 個開口(發(fā)光開口 23)。接觸層16和上電極22的開口可以不具有相同的內徑，上電極22 的開口的內徑可以大于接觸層16的開口的內徑。下電極25通過從基板10的橫向部分依 次層疊例如Au和Ge的合金層、Ni和Au而形成，并且電連接到基板10。
接下來，將參考圖3和圖4A至4C描述高反射區(qū)域23A的直徑Dto和電流窄化層18 的氧化窄化直徑D。x(未氧化區(qū)域18B的直徑)之間的關系。圖3是圖解Dto/D。x與單模的 最大輸出之間的關系示例的示意圖。在圖3中，當電流窄化層18在形成在層疊結構20中 的駐波節(jié)點并且形成在與有源層13相距(7/4) λ的位置(見稍后描述的圖5Α)時獲得由 實線表示的該實施例的結果。下面，將詳細描述電流窄化層18的位置。在圖3中，通過用 AlGaAs基(紅外基)材料形成有源層而獲得由虛線表示的比較示例的結果。圖4Α是圖解 DhrZDox = 0. 8情況下I-L特性和斜率效率(I-L曲線的斜率)示例的示意圖。圖4Β是圖解 DhrZDox = 1. 0情況下I-L特性和斜率效率示例的示意圖。圖4C是圖解DhrZDra > 1. 0情況 下I-L特性和斜率效率示例的示意圖。如上所述，第一調節(jié)層31和第二調節(jié)層32 (高反射區(qū)域23Α)形成為對應于未氧 化區(qū)域18Β。具體地講，高反射區(qū)域23Α的中心軸(未示出)和未氧化區(qū)域18Β的中心軸 (未示出)位于同一條線上。而且，高反射區(qū)域23Α的直徑Dhr和未氧化區(qū)域18Β的直徑D。x 滿足下面的關系式0. 8 < DhrAtox <1.5··· (1)。 這里，當DhrZiDra的值為0. 8時，I-L特性的線性差，并且振蕩輸出不大，如圖4A所 示。而且，當DhyD。xm值小于0.8時，I-L特性的線性更差，并且難于進行振蕩。當Dto/D。x 的值為1. 5時，在斜率效率上出現大的拐點，因此高階模呈現為對應于拐點的輸出，如圖4C 所示。而且，當Dto/D。xW值超過1.5時，高階模也呈現為對應于拐點的輸出。此外，當Dto/ Dox的值為1. 0時，I-L特性的線性好，不存在呈現高階模的拐點，因此基橫模振蕩穩(wěn)定，如圖 4B所示。從這一點上看，上面的關系式表示了在通常的溫度條件下以低閾值以及穩(wěn)定的方 式實現高輸出單模振蕩的范圍。從而，當直徑Dra^n DhJ^足上式(1)時，可以實現溫度特性 良好的單模振蕩。然而，當操作溫度相對較低(例如，約25°C)時，直徑Dra^PDhr優(yōu)選滿足關系0.8 < DhrZDraC 1.0?；蛘?，當操作溫度相對較高(例如，在約40°C至約60°C的范圍內)時，直 徑D。x和Dhr優(yōu)選滿足關系0. 9 < Dhr/Dox < 1. 1，并且更優(yōu)選為1. 0或接近1. 0。當直徑D。x 和Dto滿足上面的關系時，對于上述溫度范圍可以實現單模的最大輸出。對于Dto/D。x的值，發(fā)光開口 23的內徑值成為物理上限。這是因為當Dhr的值與發(fā) 光開口 23的內徑相同時，在整個發(fā)光開口 23中形成高反射區(qū)域23A，而不存在低反射區(qū)域 23B。當高反射區(qū)域23A形成在整個發(fā)光開口 23中時，單模的最大輸出、I-L特性和斜率效 率與Dto/D。x的值遠大于1的情況相同。從而，當高反射區(qū)域23A形成在整個發(fā)光開口 23中 時單模的最大輸出與例如圖3中Dto/D。x值為1. 5或更大時單模的最大輸出相同。當高反射 區(qū)域23A形成在整個發(fā)光開口 23中時I-L特性和斜率效率例如與圖4C相同。然而，在根據比較示例的紅外基激光器中，單模輸出最大時的Dto/D。x值明顯小于 非常適合于根據本實施例的半導體激光器1的范圍(上式(1))。這源自于激光器材料的 不同。就是說，在紅外基激光器中，實現了波導的等效折射系數分布強的系數引導結構。從 而，當直徑D。x為5 μ m以上而小于10 μ m時，在發(fā)光區(qū)域中容易發(fā)生第三階模的振蕩。而 且，I-L特性的線性變差，因為在上面的范圍內直徑D。x較大。然而，即使直徑0 在上述范 圍內時，也可以通過優(yōu)化其它條件而抑制第三階或更高階模的振蕩。在溫度特性上，紅外基 材料優(yōu)于紅色基材料。因此，即使使電流窄化層的直徑0 小到使來自有源層的熱量大的程度時，也難于改變激光器的特性。從而，從幾個方面來看，在紅外基材料中優(yōu)選直徑D。x小而 不是直徑D。x大。因此，通過設定直徑D。x為小于5 μ m，能夠抑制第三階?；蚋唠A模。結 果，在紅外基激光器中，單模最大輸出的Dto/D。x值變?yōu)榧s0. 5以下。
另一方面，在紅色基激光器中，實現了波導的等效折射系數分布相對較弱的系數 引導結構。這樣，當未氧化區(qū)域18B的直徑D。x為5 μ m以上到10 μ m以下時，產生在發(fā)光區(qū) 域中不存在第三階模振蕩的分布。此外，當未氧化區(qū)域18B的直徑0 為IOym以上時，產 生在發(fā)光區(qū)域中存在第三階模振蕩的分布。從而，通過提供橫模調節(jié)層30并且調節(jié)直徑Dto 以使得直徑Dra^P DhJ^足上式(1)，可以防止第三階模振蕩。因此，可以獲得高輸出的單模 振蕩。在紅色基激光器中，當未氧化區(qū)域18Β的直徑D。x小于5μπι時，可以抑制第二階 模，因此由于器件熱阻上的增加，光學輸出可能退化。出于這樣的原因，優(yōu)選未氧化區(qū)域18Β 的直徑D。x為5 μ m以上。在紅色基激光器中，當未氧化區(qū)域18B的直徑D。x為10 μ m以上 時，如上所述難于選擇性地抑制第三階模振蕩。從而，優(yōu)選未氧化區(qū)域18B的直徑D。x小于 10 μ m。接下來，將參考圖5A和5B以及圖6A和6B描述層疊結構20中形成在面內方向上 的適合于系數引導結構的折射系數分布。圖5A是圖解在層疊結構20中產生的駐波40的 示意圖。圖5B是圖解波導的等效折射系數分布示例的示意圖。圖6A是圖解在根據比較示 例的半導體激光器的層疊結構20中產生的駐波40的示意圖。圖6B是圖解根據比較示例 的半導體激光器的波導的等效折射系數分布示例的示意圖。圖5B和6B都示出了折射系數 分布、單模的發(fā)光亮度I1和第二階模的發(fā)光亮度12。在圖5A和6A中，在層疊結構20中產生的駐波40的波腹(anti-node) 41位于有 源層13沿其厚度方向的中間部分處。在圖5A和6A中，上DBR層15的腔長度L1為(3/2) λ，下DBR層11的腔長度為(1/2) λ。在圖5Α中，電流窄化層18設置在上DBR層15靠近 有源層13的第四層的一部分(駐波40的節(jié)點42的位置)中。電流窄化層18和有源層13 之間的距離L2為(7/4) λ。在圖6Α中，電流窄化層18設置在上DBR層15靠近有源層13 的第三層的一部分(駐波40的波腹41的位置)中。電流窄化層18和有源層13之間的距 離 L2 為(6/4) λ。從附圖可以知道下面的事實。首先，當電流窄化層18設置在節(jié)點42的位置時，與 電流窄化層18設置在波腹41的位置的情況相比，實現了波導的等效折射系數分布較弱的 較弱系數引導結構。這是因為，當電流窄化層18設置在波腹41的位置時，光場受到未氧化 區(qū)域18Β的低折射系數的影響，上間隔層14的有效折射系數變低，芯部分(core portion) 和蓋層部分(cladportion)之間的折射系數差變大。而且，這是因為當電流窄化層18設置 在節(jié)點42的位置時，光場很少受到未氧化區(qū)域18B的低折射系數的影響，上間隔層14的有 效折射系數沒有變低，從而芯部分和蓋層部分之間的折射系數差小。在圖5A中，當電流窄化層18的厚度為30nm時，由芯部分的折射系數和蓋層部分 的折射系數之差除以芯部分的折射系數獲得的值Δη((芯部分的折射系數-蓋層部分的折 射系數)/ (芯部分的折射系數))小于0. 1 %。此外，在圖6Α中，當電流窄化層18的厚度 為30nm時，值Δη大于0.5%。在該實施例中，“弱系數引導結構"是指具有Δη例如小 于0.1%的折射系數分布的系數引導結構。在該實施例中，“強系數引導結構"是指具有Δη例如大于0.5%的折射系數分布的系數引導結構。隨著駐波遠離有源層13，駐波40的幅度變弱。從而，當電流窄化層18設置在遠離有源層13的節(jié)點42的位置時，與電流窄化層18設置在靠近有源層13的節(jié)點42位置的情 況相比，實現了折射系數分布更弱的系數引導結構。從而，通過將電流窄化層18設置在遠 離有源層13的節(jié)點42的位置，可以實現折射系數分布更弱的系數引導結構。然而，不優(yōu)選 電流窄化層18距有源層13很遠，因為電流窄化層18和有源層13之間的距離L2變大，橫 向泄漏電流也將變大。2.制造方法例如，根據該實施例的半導體激光器1可以通過下面的方法制造。圖7Α和7Β至圖9Α和9Β是圖解半導體激光器的制造方法的示意圖。圖7Α和7Β 以及圖8Α和8Β是在制造工藝中沿著圖1的A-A線剖取的裝置截面圖。這里，例如通過MOCVD (金屬有機化學氣相沉積)法，在由GaAs形成的基板10上 形成化合物半導體層。III-V族化合物半導體的材料示例包括三甲基鋁(TMA)、三甲基鎵 (TMG)、三甲基銦(TMIn)、磷化氫(PH3)和砷化氫(AsH3)。例如，H2Se用作施主雜質的材料。 例如，二甲基鋅(DMZ)用作受主雜質的材料。下DBR層11、下間隔層12、有源層13、上間隔層14、上DBR層15和接觸層16首先 依次層疊在基板10上(見圖7Α)。在此情況下，氧化層18D形成在上DBR層15的預定位置 中。氧化層18D是經歷稍后描述的氧化工藝以成為電流窄化層18的層，并且由ρ型AlAs 形成。下DBR層11中的低折射系數層和高折射系數層的Al組分值(e，f)、上DBR層15 中的低折射系數層15A和高折射系數層15B的Al組分值(p，q)以及電流窄化層18中未氧 化區(qū)域18B的Al組分值(r)滿足下面的關系式，1 ^ r > (e，ρ) > 0. 8 > (f, q) > 0. 45，其中(e，ρ)是指e或p，并且(f，q)是指f或q。接下來，抗蝕劑層(未示出)形成在整個表面上，然后抗蝕劑層僅保留在對應于臺面部分17表面的部分中。隨后，通過選擇性蝕刻下間隔層12、有源層13、上間隔層14、上 DBR層15和接觸層16的一部分而形成臺面部分17(見圖7B)。隨后，去除抗蝕劑層。隨后，在水蒸氣氣氛中高溫進行氧化工藝，以從臺面部分17的外側選擇性地氧化 氧化層18D的Al。這樣，氧化層18D的外圓周區(qū)域變?yōu)榻^緣層(氧化的鋁)。就是說，氧化 層的環(huán)形圓周區(qū)域變?yōu)檠趸瘏^(qū)域18A，并且氧化層的中間區(qū)域變?yōu)槲囱趸瘏^(qū)域18B(為電流 注入區(qū)域)(見圖8A)。隨后，例如通過真空氣相沉積法在整個表面上層疊上述金屬材料，然后例如通過 選擇性蝕刻在臺面部分17的表面上形成環(huán)形上電極22。隨后，在整個表面上形成抗蝕劑層 (未示出)，然后在與上電極22的開口對應的部分形成開口。隨后，選擇性蝕刻接觸層16 以在接觸層16中形成開口。這樣，形成發(fā)光開口 23 (見圖8B)。隨后，去除抗蝕劑層。隨后，例如通過CVD (化學氣相沉積)，在整個表面上堆疊上述介電材料(厚度(λ/4)的奇數倍)。隨后，選擇性蝕刻除與發(fā)光開口 23的中間區(qū)域對應的部分之外的部 分，以形成第一調節(jié)層31 (見圖9Α)。隨后，通過上面的方法在整個表面上堆疊上述介電材 料(厚度(λ/4)的奇數倍)，然后選擇性蝕刻介電材料。這樣，暴露了上電極22的表面，并且一起形成第二調節(jié)層32、第三調節(jié)層33和保護膜21 (見圖9B)。隨后，例如通過真空氣相沉積法在整個表面上層疊上述金屬材料，然后例如通過 選擇性蝕刻在臺面部分17的周圍形成電極焊盤24。隨后，拋光并蝕刻基板10的背表面，以 形成厚度為100 μ m的基板10。最后，在基板10的背表面上形成下電極25。這樣，制造得 到了根據該實施例的半導體激光器1。3.操作效果 在具有上述構造的半導體激光器1中，當在上電極22和下電極25之間施加預定 的電壓時，經由電流窄化層18的未氧化區(qū)域18B將電流注入到有源層13，因此通過電子和 空穴的復合發(fā)光。該光被成對的下DBR層11和上DBR層15反射，然后通過發(fā)生預定波長 λ的激光振蕩而作為激光束出射。在該實施例中，AlxGayIni_x_yP (其中0彡χ<1且0<y<l)基有源層13設置在 半導體激光器1中。就是說，有源層13由產生紅色波帶的光的材料形成，紅色波帶的波長 比紅外波帶短。半導體激光器1包括電流窄化層18，該電流窄化層18包括在面內中間區(qū)域 中的未氧化區(qū)域18B和在未氧化區(qū)域18B周圍的環(huán)形氧化區(qū)域18A。所提供的橫模調節(jié)層 30包括與未氧化區(qū)域18B對應的高反射區(qū)域23A和在高反射區(qū)域23A周圍的環(huán)形低反射區(qū) 域23B。而且，直徑Dra^P DhJ^足上面的公式(1)。這樣，可以實現波導的等效折射系數分 布弱的系數引導結構。在該實施例中，例如，電流窄化層18形成在距有源層13(有源層13 沿其厚度方向的中間部分)(7/4+(η/2)) λ的位置(駐波的節(jié)點)處。這樣，可以實現弱系 數引導結構。結果，因為可以減少無功電流，所以與折射系數分布實現為增益引導結構的情況 相比，可以實現低的閾值。而且，可以通過寬電流窄化而控制橫模，并可以實現高輸出的單 模振蕩。在該實施例中，因為不需要采用特殊的結構或者特殊的工藝，所以可以以簡單清晰 的結構實現單模的激光振蕩。從而，在該實施例中，可以以簡單清晰的結構和低閾值電流實 現高輸出的單模振蕩。在該實施例中，當電流窄化層18形成在遠離有源層13的位置時，腔長度Ll可以 設定到(1/2) λ，并且電流窄化層18可以設置在上DBR層15中以比較靠近發(fā)光開口 23。 或者，在電流窄化層18固定到上DBR層15中的位置的狀態(tài)下，層疊結構20中上DBR層15 側的腔長度L1可以大于(1/2) λ。在后者的情況下，與腔長度L1設定到(1/2) λ的情況相 比，可以減少載流子溢出的發(fā)生。結果，可以進一步改善溫度特性。本發(fā)明包含2009年3月23日提交至日本專利局的日本優(yōu)先權專利申請 JP 2009-070228以及2009年4月1日提交至日本專利局的日本優(yōu)先權專利申請JP 2009-089306中公開的相關主題事項，其全部內容通過弓I用結合于此。本領域的技術人員應當理解的是，在所附權利要求或其等同方案的范圍內，根據 設計需要和其他因素，可以進行各種修改、結合、部分結合和替換。
權利要求
一種半導體激光器，包括柱形層疊結構，從基板開始依次包括所述基板上的第一多層反射鏡、第一間隔層、AlxGayIn1-x-yP基有源層、第二間隔層、第二多層反射鏡和橫模調節(jié)層，其中0≤x＜1且0＜y＜1，所述柱形層疊結構還包括電流窄化層，其中所述電流窄化層包括在面內中間區(qū)域中的未氧化區(qū)域，以及在所述未氧化區(qū)域周圍的環(huán)形氧化區(qū)域，其中所述橫模調節(jié)層包括與所述未氧化區(qū)域對應的高反射區(qū)域，以及在所述高反射區(qū)域周圍的環(huán)形低反射區(qū)域，并且其中假設所述未氧化區(qū)域的直徑為Dox，所述高反射區(qū)域的直徑為Dhr，則直徑Dox和Dhr滿足下面的關系0.8＜Dhr/Dox＜1.5。
2.根據權利要求1所述的半導體激光器，其中所述有源層具有量子阱結構，該量子阱 結構通過交替層疊主要包含AlaGabIn1IbP的阱層和主要包含Al。GadIni_。_dP的壘層而形成， 其中 0 彡 a<l 且 0<b<l，0<c<l 且 0<d<l。
3.根據權利要求1所述的半導體激光器，其中所述電流窄化層形成的位置距所述有源 層(7/4+(η/2)) λ的距離，其中η是等于或大于0的整數。
4.根據權利要求3所述的半導體激光器，其中所述電流窄化層形成在所述第二多層反 射鏡中。
5.根據權利要求1所述的半導體激光器，其中直徑Dra^nDhJ^足下面的關系Dhr/Dox — 1 ο
6.根據權利要求1所述的半導體激光器，其中直徑0 滿足下面的關系5 μ m ^ Dox < 10 μ m。
7.根據權利要求1至6中任何一項所述的半導體激光器，其中在所述層疊結構中所述 第二間隔層側的腔長度為(l+(m/2)) λ，其中m是等于或大于0的整數，λ是振蕩波長。
8.根據權利要求7所述的半導體激光器，其中所述腔長度為λ或(3/2)λ。
9.根據權利要求1所述的半導體激光器，其中所述高反射區(qū)域由依次層疊第一調節(jié)層和第二調節(jié)層的結構形成，所述第一調節(jié) 層的厚度為(2 α-1) λ/4ηι并且所述第一調節(jié)層的折射系數Ii1低于所述第一多層反射鏡表 面的折射系數，所述第二調節(jié)層的厚度為(2 β-1) λ/4η2并且所述第二調節(jié)層的折射系數 η2高于所述第一調節(jié)層的折射系數，其中α是等于或大于1的整數，λ是振蕩波長，β是 等于或大于1的整數，而且其中所述低反射區(qū)域由第三調節(jié)層形成，所述第三調節(jié)層的厚度為(2Υ-1)入/4113并 且所述第三調節(jié)層的折射系數113高于所述第一調節(jié)層的折射系數，其中Y是等于或大于1 的整數。
10.根據權利要求9所述的半導體激光器，其中所述第一調節(jié)層由氧化物材料形成，所 述第二調節(jié)層和所述第三調節(jié)層由氮化物材料形成。
全文摘要
本發(fā)明提供半導體激光器。該半導體激光器包括柱形層疊結構，該柱形層疊結構從基板開始依次包括基板上的第一多層反射鏡、第一間隔層、AlxGayIn1-x-yP(其中0≤x＜1且0＜y＜1)基有源層、第二間隔層、第二多層反射鏡和橫模調節(jié)層，該柱形層疊結構還包括電流窄化層。電流窄化層包括在面內中間區(qū)域中的未氧化區(qū)域和在未氧化區(qū)域周圍的環(huán)形氧化區(qū)域。橫模調節(jié)層包括與未氧化區(qū)域對應的高反射區(qū)域和在高反射區(qū)域周圍的環(huán)形低反射區(qū)域。假設未氧化區(qū)域的直徑為Dox，高反射區(qū)域的直徑為Dhr，則直徑Dox和Dhr滿足下面0.8＜Dhr/Dox＜1.5的關系。
文檔編號H01S5/00GK101847822SQ201010135829
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權日2009年3月23日
發(fā)明者前田修, 荒木田孝博, 谷口健博 申請人:索尼公司