專利名稱：自激脈沖半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自激脈沖半導(dǎo)體激光器件，特別涉及能夠以低噪聲工作的自激脈沖半導(dǎo)體激光器件。
半導(dǎo)體激光器件廣泛用作光盤驅(qū)動器或光通信的光源。特別是，最近，半導(dǎo)體激光器件主要用于例如DVD或磁光(MO)盤的高密度光盤領(lǐng)域。通常，都知道用在這種光學(xué)拾取系統(tǒng)中的半導(dǎo)體激光器件都會由于光盤表面的光反饋而產(chǎn)生噪聲。因此，在半導(dǎo)體激光器件中抑制光反饋噪聲是非常重要的。
用高頻驅(qū)動半導(dǎo)體激光器件是用于減少噪聲的公知的方法之一。具體地說，這種半導(dǎo)體激光器件的高頻驅(qū)動提供多模式振蕩光譜，由此減少光反饋產(chǎn)生的影響。但是，在這項技術(shù)中除了成本高外，還有電磁波輻射噪聲的問題，因為需要結(jié)合高頻重疊模量(superimpose module)。
另一方面，自激脈沖激光器件除了具有低成本和與高頻驅(qū)動相適應(yīng)的低噪聲特性的優(yōu)點外，還有不存在電磁波噪聲的優(yōu)點。因此，特別希望有一種具有低閾值電流和長期可靠性的自激脈沖半導(dǎo)體激光器件。
自激脈沖可以通過在激光器諧振器中引入飽和吸收器以控制飽和吸收的量而得到。這種自激脈沖和為此設(shè)計的激光器結(jié)構(gòu)在“ExtendedAbstract of 18th Conference on Solid State Devices and Materials”第153頁，No.D-1-2，1986和“Proceedings of 11th Semiconductor LaserSymposium”第21頁，1994，中有說明。這些文章中提供的半導(dǎo)體激光器具有通過設(shè)置在電流阻擋層下面的一部分有源層來實現(xiàn)的飽和吸收層。但是，所提議的這種半導(dǎo)體激光器由于在臺面式條(mesa stripe)的側(cè)面的大的光學(xué)吸收而具有高度在10μm和50μm之間的大的像散性的問題。
日本專利公開JP-A-6-196810提議通過圖8中所示結(jié)構(gòu)來減小像散性，圖8中，所提供的飽和吸收層與作為一部分金屬覆層的有源層平行。在圖8中，在GaAs襯底102的上表面上形成n-AlGaAs金屬覆層103、n型飽和吸收層104、n-AlGaAs金屬覆層105、有源層106、p-AlGaAs金屬覆層107、p型飽和吸收層108、p-AlGaAs金屬覆層109、p-GaAs蓋層110、p-GaAs接觸層111、n-GaAs電流阻擋層112和p-電極，并在GaAs襯底102的下表面形成n-電極。n-GaAs電流阻擋層埋入p-AlGaAs金屬覆層109和p-GaAs蓋層110。在這種結(jié)構(gòu)中，通過控制n-AlxGa1-xAs飽和吸收層104的Al摩爾分數(shù)(x)和厚度(在0.01μmt0.04μm之間)，和p-AlxGa1-xAs飽和吸收層108的成分(或Al的摩爾分數(shù)(x))和厚度(在0.01μm和0.04μm之間)得到低光反饋噪聲和小像散性的自激脈沖半導(dǎo)體器件。
“IEEE photonics Technology Letters”，1995年12月的第17卷第12期第1406頁描述了一種自激脈沖半導(dǎo)體器件，其中作為一部分p-型金屬覆層的飽和吸收層用p-型攙雜質(zhì)重攙雜達載流子密度高達2×1018cm-3的，由此得到用自激脈沖在溫度高達50℃時產(chǎn)生激光的AlGaInp紅色激光器。
“Proceeding of 43rd Meeting for Applied physics Association”，第1024頁，26a-c-10中描述了在高溫產(chǎn)生激光并通過與有源層的帶隙相比減少飽和吸收的帶隙得到的自激脈沖。
上述半導(dǎo)體激光器件的缺點是，能用自激脈沖產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體激光器的成品率(如產(chǎn)品/成品)很低，約10％左右，這是根據(jù)本發(fā)明人實驗得出的。
鑒于上述原因，本發(fā)明的目的是提供能用自激脈沖產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體激光器件，其制造成品率高，其中自激脈沖帶有很低的光反饋噪聲。
本發(fā)明提供的半導(dǎo)體器件包括第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底和依次形成在半導(dǎo)體襯底上的第一導(dǎo)電型金屬覆層、有源層和第二導(dǎo)電型金屬覆層，至少第一導(dǎo)電型金屬覆層和第二導(dǎo)電型金屬覆層中的一個包括具有第一和第二表面的飽和吸收層、與飽和吸收層第一表面接觸設(shè)置的第一緩沖層和夾在飽和吸收層和第一緩沖層之間的第一和第二金屬覆層部分，用于飽和吸收層的半導(dǎo)體材料具有比用于第一和第二金屬覆層部分的半導(dǎo)體材料的第二禁帶能量低的第一禁帶能，用于第一緩沖層的半導(dǎo)體材料具有在第一價帶能和第二價帶能之間的中間價帶能。
本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體激光器件，它包括第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底，和依次形成在半導(dǎo)體襯底上的第一導(dǎo)電型金屬覆層、有源層和第二導(dǎo)電型金屬覆層，至少第一導(dǎo)電型金屬覆層和第二導(dǎo)電型金屬覆層中的一個包括具有第一和第二表面的飽和吸收層、與飽和吸收層的第一表面接觸設(shè)置的第一緩沖層、和夾在飽和吸收層和第一緩沖層之間的第一和第二金屬覆層部分，飽和吸收層具有比第一和第二金屬覆層部分的第二禁帶能低的第一禁帶能，第一緩沖層具有在第一禁帶能和第二禁帶能之間的中間禁帶能。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器件，第一緩沖層減緩了在飽和吸收層和金屬覆層之間的禁帶能量差，由此減小飽和吸收層的價帶能中的峰值。結(jié)果，在有源層中產(chǎn)生半導(dǎo)體激光器件的激光，而不是在飽和吸收層中。這樣，飽和吸收層能夠為飽和吸收功能而工作，從而容許半導(dǎo)體器件以自激脈沖方式產(chǎn)生激光。
參照附圖及下面的描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特點和優(yōu)點將更加明顯。


圖1是常規(guī)自激脈沖半導(dǎo)體激光器件的截面圖；圖2是另一種常規(guī)自激脈沖半導(dǎo)體激光器件的截面圖；圖3是圖2的常規(guī)激光器件的Al摩爾分數(shù)分布圖；圖4A和4B分別是圖2的激光器件在電子發(fā)光和產(chǎn)生激光過程中的光譜；圖5A和5B分別是圖2的激光器件的禁帶分布圖和能帶結(jié)構(gòu)圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的自激脈沖半導(dǎo)體激光器件的截面圖；圖7是圖6的激光器件的Al摩爾分數(shù)分布圖；圖8A和8B分別是圖6的激光器件的禁帶分布圖和能帶結(jié)構(gòu)圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的自激脈沖半導(dǎo)體激光器件的截面圖；圖10A和10B分別是圖9的激光器件的禁帶分布圖和能帶結(jié)構(gòu)圖；圖11A和11B分別是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的自激脈沖半導(dǎo)體激光器件的禁帶分布圖和能帶結(jié)構(gòu)圖；和圖12A到12C每個都表示使用應(yīng)變量子阱的層的自激激光器件的Al摩爾分數(shù)、應(yīng)變和禁帶的關(guān)系。
在描述本發(fā)明優(yōu)選實施例之前，通過實驗研究一下常規(guī)技術(shù)中存在的缺點的原因。
制造如圖2中所示常規(guī)自激脈沖半導(dǎo)體激光器件，依次在GaAs襯底1的上表面上形成GaAs緩沖層2、n-AlGaInP金屬覆層20、有源層4、包括p-AlGaInP金屬覆層部分31、p-飽和吸收層35和p-AlGaInP金屬覆層32的p-金屬覆層、GaInP異結(jié)緩沖層6、p-GaAs蓋層7、p-GaAs蓋層8、和p-電極11，并在GaAs襯底的下表面上形成n-電極10。由一部分p-AlGaInP金屬覆層部分(以下簡單稱為p-AlGaInP金屬覆層)32和GaInP異結(jié)緩沖層6形成臺面式條結(jié)構(gòu)，并且p-GaAs蓋層7被n-GaAs電流阻擋層9埋入。
圖3表示圖2的半導(dǎo)體激光器的成分分布圖，表示在從n-AlGaInP金屬覆層20到飽和吸收層35的層中(AlxGa1-x)yIn1-yP的Al摩爾分數(shù)(x)分布圖。具體地說，有源層4是由每層都包括0.25％壓縮應(yīng)變GaInP并且厚度為6nm的三層GaInP量子阱層40、每個都夾在鄰近量子阱層40之間并具有厚度為4nm和0.5Al摩爾分數(shù)的一對AlGaInP阻擋層41、和夾在三層量子阱層40和一對阻擋層41之間的一對光導(dǎo)層42形成的。光導(dǎo)層42設(shè)置在有源層4的p側(cè)和n側(cè)上，并且每層光導(dǎo)層厚度為50nm，Al摩爾分數(shù)(x)為0.5，如圖中所示。
N-AlGaInP金屬覆層20的厚度為1.2μm，Al摩爾分數(shù)為0.7，電子(載流子)密度為5×1017cm-3。p-AlGaInP金屬覆層31的厚度為100nm，Al摩爾分數(shù)為0.7，空穴(載流子)密度為5×1017cm-3。p-AlGaInP金屬覆層32的厚度為1.1μm，Al摩爾分數(shù)為0.7，空穴密度為5×1017cm-3。p-飽和吸收層35的壓縮應(yīng)變?yōu)?.78％，厚度為6nm，空穴密度為2×1018cm-3。
圖4A表示在驅(qū)動電流為80mA時，在電子發(fā)光過程中所測得的圖2的激光器件的光譜，其中分別在波長為648nm和667nm時觀察到能量峰值301和302。在有源層4中的壓縮應(yīng)變?yōu)?.25％和飽和吸收層35中的壓縮應(yīng)變?yōu)?.78％之間存在差別的基礎(chǔ)上研究發(fā)射中心，結(jié)果表明，在波長為648nm處的峰值301是從有源層4中發(fā)射產(chǎn)生的，而在波長為667nm處的峰值302是從飽和吸收層35中的發(fā)射產(chǎn)生的。
圖4B表示在驅(qū)動電流為100mA、光輸出為5mW時產(chǎn)生激光過程中測得的圖2的半導(dǎo)體器件的另一個光譜，結(jié)果表明，只有在與從飽和吸收層35發(fā)射的波長相一致的667nm波長處有峰值302。從這些結(jié)果中看出，激光只是在飽和吸收層35中而不是在有源層4中產(chǎn)生。
從上面的事實中，本發(fā)明人提出一項關(guān)于圖2的半導(dǎo)體激光器的產(chǎn)生激光工作的假想，如下文所述。
在異結(jié)界面中的不連續(xù)性一般由在連接之前每個半導(dǎo)體材料的價帶的能級來確定。圖5B表示與圖5A的禁帶圖相結(jié)合描繪的圖2的半導(dǎo)體激光器件的能帶結(jié)構(gòu)。其中圖5A與圖3相同。在圖5B中，導(dǎo)帶能量中的級是從用于飽和吸收層35和金屬覆層31和32的半導(dǎo)體材料之間的價帶能量差得到的，其中的飽和吸收層35和金屬覆蓋31和32都是p-型層，以基本上等于得到的半導(dǎo)體激光器中的價帶能。注意到，用于飽和吸收層和金屬覆層的半導(dǎo)體材料之間的價帶能差是作為禁帶能圖中的一個級出現(xiàn)的。
飽和吸收層35和p-AlGaInP金屬覆層31之間的異結(jié)界面在價帶能中包含尖峰311，如圖5B所示，它阻礙具有較大有效質(zhì)量的空穴進入p-AlGaInP金屬覆層31中。結(jié)果，大量空穴停留在飽和吸收層35中，從而產(chǎn)生吸引電子從有源層4到飽和吸收層35中的不希望的電場。這樣，在飽和吸收層35中積累的空穴和電子在其中復(fù)合，用于產(chǎn)生激光。
因此，本發(fā)明使用了在飽和吸收層35和金屬覆層31和/或32之間設(shè)置減緩不連續(xù)性的價帶能緩沖層以減小它們之間的尖峰的結(jié)構(gòu)。價帶能緩沖層能阻止空穴停留在飽和吸收層35中，從而幫助空穴注入有源層4，由此就能在有源層4中而不是在飽和吸收層5中產(chǎn)生激光。
如果這些層的物理特性很清楚的話，圖5A的禁帶圖也能用于價帶能的能量不連續(xù)性，因為從能量不連續(xù)性的觀點看，禁帶圖展示了與用作各層的半導(dǎo)體材料的價帶相同的趨勢。例如，如果飽和吸收層35和金屬覆層31或32都是由III-V或II-VI族化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，其中至少一種V或VI族元素通用于這兩層，那么置于這兩層之間的禁帶緩沖層就能防止空穴以高密度積累在飽和吸收層中。這里用的“禁帶緩沖層”的意思是具有在飽和吸收層35的禁帶和金屬覆層31或32的禁帶之間的中間禁帶的層，其中中間禁帶可以是連續(xù)的，或者可以具有從飽和吸收層35到金屬覆層31或32的不連續(xù)性。
作為用于在本發(fā)明中實現(xiàn)價帶能緩沖功能或禁帶能緩沖功能的測量標準，緩沖層的成分可以具有在飽和吸收層35和金屬覆層31或32的成分之間的中間成分，其中中間成分可以是連續(xù)的，或者可以具有從飽和吸收層35到金屬覆層31或32的不連續(xù)性。
這里所使用的“中間成分”的意思是中間層中的每個元素的摩爾分數(shù)保持在飽和吸收層35中的每個元素的摩爾分數(shù)和金屬覆層31或32中的每個元素的摩爾分數(shù)之間的中間值，其“中間值”包括基本上等于這兩個摩爾分數(shù)的值，但是，中間層的成分在它與飽和吸收層35或金屬覆層31或32之間有顯著差別。例如，如果飽和吸收層35和金屬覆層31或32的成分分別為IIIaVa和IIIbVb，其中IIIa和IIIb是III族中的不同元素，Va和Vb是V族中的不同元素，則中間緩沖層的成分為IIIaxIIIb1-xVayVb1-y其中0≤x≤1，0≤y≤1，x和y在一中間緩沖層中不為0或1。
另外，作為一個特殊例子，如果飽和吸收層35和金屬覆層31或32的成分分別為Ga0.4In0.6P和(Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P，則中間緩沖層的成分為(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中0≤x≤0.7，0.4≤y≤0.52，但是x和y的選擇應(yīng)使中間緩沖層的成分不與飽和吸收35或金屬覆層31或32的成分相同。
下面參照附圖，詳細說明本發(fā)明，其中相同的組成部分用相同或相似的參考標記表示。
參照圖6，本發(fā)明的第一實施例的半導(dǎo)體激光器件包括在GaAs襯底1的上表面上依次形成的GaAs緩沖層2、n-AlGaInP金屬覆層20、有源層4、p-AlGaInP金屬覆層31、p-型第一價帶能緩沖層36、p-型飽和吸收層35、p-型第二價帶能緩沖層37、p-AlGaInP金屬覆層32、GaInP異結(jié)緩沖層6、p-GaAs蓋層7、p-GaAs蓋層8和p-電極11，以及形成在GaAs襯底的下表面上的n-電極10。由一部分p-AlGaInP金屬覆層32和GaInP異結(jié)緩沖層6形成臺面式條結(jié)構(gòu)，并且p-GaAs蓋層8被n-GaAs電流阻擋層9埋入。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器件是按下列步驟制造的。首先，在GaAs襯底1的上表面上使用低壓金屬-有機汽相外延法(LPMOVPE)生長GaAs緩沖層2、n-AlGaInP金屬覆層20、有源層4、p-AlGaInP金屬覆層31、p-型第一價帶能緩沖層36、p-型飽和吸收層35、p-型第二價帶能緩沖37、p-AlGaInP金屬覆層32、GaInP異結(jié)緩沖層6，p-GaAs蓋層7。
接著，用SiO2膜作掩模通過光刻腐蝕技術(shù)選擇腐蝕GaInP異結(jié)緩沖層6、p-GaAs蓋層7和p-AlGaIn金屬覆層32的上部分，以形成臺面式條。
然后，用SiO2膜作掩模選擇生長n-GaAs電流阻擋層9，以隱埋臺面式條。去掉SiO2膜之后，利用LPMOVPE法生長p-GaAs蓋層8。接下來，在p-GaAs蓋層8上形成p-電極11，然后在其下表面拋光GaAs襯底1以得到合適的厚度，并在其上形成n-電極10，從而完成圖6中所示的結(jié)構(gòu)。
用作LPMOVPE的源材料的有三甲基鋁，三乙基鎵、三甲基銦、磷化氫和砷化氫，而乙硅烷用于n-型攙雜劑，二乙基鋅用于p-型攙雜劑。生長溫度為660℃，生長壓力為70Torr，所提供的V族源量與提供的III族源量的比值為500。
圖7表示從n-AlGaInP金屬覆層20到飽和吸收層35的層中的Al摩爾分數(shù)(x)圖。
有源層4包括每層都具有0.25％的壓縮應(yīng)變和6nm的厚度的三層GaInP量子阱層40、每層都置在相鄰近的兩GaInP量子阱層40之間并且厚度為4nm、Al摩爾分數(shù)(x)為0.5的一對AlGaInP阻擋層41，一對光導(dǎo)層42，其夾在GaInP量子阱層40和AlGaInP阻擋層41之間。光導(dǎo)層42設(shè)置在有源層4的p側(cè)和n側(cè)，并且厚度為50nm，Al摩爾分數(shù)(x)為0.5。
N-AlGaInP金屬覆蓋20的厚度為1.2μm，Al的摩爾分數(shù)為0.7，電子密度為1×1017cm-3。p-AlGaInP金屬覆層31的厚度為80nm，Al摩爾分數(shù)為0.7，空穴密度為5×1017cm-3。p-AlGaInP金屬覆層32的厚度為1.1μm，Al摩爾分數(shù)為0.7，空穴密度為5×1017cm-3。p-飽和吸收層35的壓縮應(yīng)變?yōu)?.51％，厚度為6nm，空穴密度(攙雜濃度)為2×1018cm-3。
p-型第一價帶能緩沖層(這以下，如果不特別說明，即簡單稱為緩沖層)36的成分，在它與p-AlGaInP金屬覆層31之間的界面處等于p-AlGaInP金屬覆層31的成分，在它與p-飽和吸收層35之間的界面處等于p-飽和吸收層35的成分，并且在兩界面之間線性變化。
p-型第二緩沖層37的成分在它與p-AlGaInP金屬覆層32之間的界面處等于p-AlGaInp金屬覆層32的成分，在它與飽和吸收層35之間的界面處等于飽和吸收層35的成分，并且在兩界面之間線性變化。
第一緩沖層36的厚度為10nm，空穴密度為從它與金屬覆層31之間界面處的5×1017cm-3到它與飽和吸收層35之間界面處的2×1018cm-3。p-型第二緩沖層37的厚度為10nm，空穴密度為從它與金屬覆層32之間界面處的5×1017cm-3到它與飽和吸收層35之間界面處的2×1018cm-3。
與圖5A和5B相同，圖8A和8B分別表示本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體激光器件的禁帶圖和能帶結(jié)構(gòu)圖。激光器件的成分分布圖在從p型金屬覆層31到p型金屬覆層32的層中沒有急劇變化，由此在飽和吸收層35的兩側(cè)之間提供沒有急劇變化的禁帶圖，如圖8A所示。這是由于穿過p型第一緩沖層36、飽和吸收層35和p型第二緩沖層37從p-AlGaInP金屬覆層31到p-AlGaInP金屬覆層32提供的連續(xù)成分。因此，在這個范圍內(nèi)價帶能是連續(xù)的，如圖8B所示，它與圖5B中所示由于價帶能的不連續(xù)性而具有尖峰311和312的價帶能不同。
在本實施例的半導(dǎo)體激光器件工作中，空穴不會停留在p-型飽和吸收層35中，而是被平穩(wěn)地向有源層4注入。有效地在有源層4中而不是在p-型飽和吸收層35中產(chǎn)生激光，這就容許p-型飽和吸收層35為所設(shè)計的飽和吸收而工作。由此能夠使激光器件以自激脈沖方式工作。本實例自激脈沖的樣品，在環(huán)境溫度為60℃和高達5毫瓦情況下得到的成品率為80％。這些樣品在室溫時的典型閾值電流為70mA，典型產(chǎn)生激光的頻率為660nm。在實施例中，第一和第二緩沖層36和37的厚度根據(jù)設(shè)計可以隨意在0.5nm和100nm之間變化。而且，參數(shù)x可以根據(jù)設(shè)計需要而變化，雖然圖7表示一些典型值。
此外，雖然在本實施例中緩沖層36和37的材料的成分線性變化，但是不需要線性改變成分，只要其成分單調(diào)變化即可。
只要p-型金屬覆層31，第一緩沖層36、飽和吸收層35、第二緩沖層37和p型金屬覆層32的每層的空穴密度都高于1×1017cm-3，而且n-AlGaInP金屬覆層20的載流子(電子)密度高于1×1017cm-3就足夠了。有源層4是典型本征設(shè)計的，但是根據(jù)從鄰近n-金屬覆層20或p-型金屬覆層31的雜質(zhì)擴散，可以是p-型的或n-型的。
p型金屬覆層31的厚度可以是0和500nm之間的任意值，而n-型金屬覆層20和p-型金屬覆層32的厚度可以是大于200nm的任意值。每層金屬覆層的Al摩爾分數(shù)可以設(shè)計為在0.5和1.0這間的任意值，只要光導(dǎo)層42的Al摩爾分數(shù)比金屬覆層的Al摩爾分數(shù)低即可。
有源層4可以是任何量子阱結(jié)構(gòu)，只要每層量子阱層40和阻擋層41的厚度低于20nm即可。阱層的數(shù)量可以大于或等于1。量子阱層可以是非應(yīng)變的、抗拉應(yīng)變的或壓縮應(yīng)變的。有源層4可以是一個整體層。另外，光導(dǎo)層42的厚度可以是0nm和200nm之間的任何值。
飽和吸收層35的Al摩爾分數(shù)小于0.2，并且可以是非應(yīng)變的，抗拉應(yīng)變或壓縮應(yīng)變的。飽和吸收層35的厚度設(shè)計最好考慮到量子能級的減少和光限制系數(shù)的增加，這是通過緩沖層36和37的插入來提供的。例如，如果飽和吸收太大，飽和吸收層35的厚度可以設(shè)計為零，而p-型緩沖層36或37可以具有代替的飽和吸收功能。在這個實驗中，層的厚度為零，例如飽和吸收層的厚度為零，意味著沒有單功能飽和吸收層35，而是有具有飽和吸收功能和能量緩沖功能的雙功能鄰近層36或37。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的自激脈沖半導(dǎo)體激光器件，與圖6相似。除了本實施例中未提供p-型第二價段能緩沖層(圖6中37)外，本實例的半導(dǎo)體激光器件與第一實施例的相同。
圖10A和10B，與圖8A和8B相同，分別表示圖9的激光器件的禁帶圖和能帶結(jié)構(gòu)圖。本實施例由于沒有第二緩沖層而防止了飽和吸收的過量增加。在第一實施例的圖8A和8B中，雖然在飽和吸收層35的兩側(cè)上的價帶能中沒有產(chǎn)生尖峰，但是每層厚度為5nm或更厚的價帶能緩沖層36和37減少了量級并增加了飽和吸收層35中的限制系數(shù)，由此產(chǎn)生過量飽和吸收。在本實施例中，由于沒有第二緩沖層而防止了過量飽和吸收。
沒有第二緩沖層會在飽和吸收層35和p-型金屬覆層32之間的異結(jié)界面產(chǎn)生尖峰312。雖然尖峰312在一定程度上阻止空穴向有源層4中注入，但是空穴不會長時間停留在飽和吸收層35中。結(jié)果，在有源層4中而不是在飽和吸收層35中產(chǎn)生激光，這就提供了高成品率的自激脈沖。
通過修改第二實例可以得到第三實施例的半導(dǎo)體激光器件，即用于設(shè)置在飽和吸收層35和p-型金屬層31之間的緩沖層36的半導(dǎo)體材料具有從p-型金屬覆層31向飽和吸收層35逐漸降低的價帶能圖，由此產(chǎn)生如圖11A中所示禁帶圖和圖11B中所示的導(dǎo)帶圖。在這些圖中，描述了兩級增長。即緩沖層36具有不同成分的兩層結(jié)構(gòu)。
為制造根據(jù)第一和第二實施例的半導(dǎo)體器件，所使用的生長工藝能夠準確將生長層的成分控制到所要求的值，以得到所需要的價帶能。另一方面，在第三實施例中，逐級的能帶圖容許使用經(jīng)濟的生長方法，其中引入了MOVPE或MBE工藝，而沒有使用能精確控制生長層的成分的昂貴控制器。
如圖11B所示，雖然價帶能中的尖峰沒有從飽和吸收層35和它與p-型金屬覆層31之間的界面完全去除，但是尖峰的幅度被抑制了，從而使空穴有效地注入有源層4。結(jié)果，能夠得到高成品率的自激脈沖。
從技術(shù)觀點看，飽和吸收層55中的能級數(shù)量最好是很大。但是，能級的數(shù)量可以根據(jù)所用的制造工藝來選擇。雖然緩沖層36具有圖11A中的逐級的價帶能級，但這種圖形可以應(yīng)用到具有這種逐級的價帶能級的緩沖層37中。
在本發(fā)明中，禁帶能級圖改變的方式不限于所述方式，即線性、單調(diào)或逐級，只要它具有防止空穴局部停留在飽和吸收層35中即可。
特別是，如果應(yīng)變量子阱層被用作飽和吸收層35，則第一和第二緩沖層36和37也可以用作應(yīng)變量子阱層，其中緩沖層36和37的成分和應(yīng)變是獨立控制的，從而使緩沖層36和37的厚度不超過臨界厚度。
圖12A到12C表示當(dāng)飽和吸收層35用作應(yīng)變量子阱層時，在從p-型金屬覆層31到p-型金屬覆層32的層中的(AlxGa1-x)yIn1-yP，應(yīng)變圖和禁帶圖中的Al摩爾分數(shù)(x)。在p-型金屬覆層31和飽和吸收層35之間以及在飽和吸收層35和p-型金屬覆層32之間分別提供第一和第二緩沖層36和37。
當(dāng)飽和吸收層35中的應(yīng)變圖形具有不變的壓縮應(yīng)變并且緩沖層36和37分別具有向p-型金屬覆層31和32線性減少的壓縮應(yīng)變時，如圖12A中所示，在禁帶圖中不會出現(xiàn)尖峰，這就容許空穴平穩(wěn)注入有源層4。但是，如果用于飽和吸收層35的壓縮應(yīng)變太大，則價帶能緩沖層36和37的厚度會超過臨界值，產(chǎn)生大的錯位，從而降低半導(dǎo)體激光器件的晶體結(jié)構(gòu)，由此減小其可靠性。
為解決上述關(guān)于量子阱層中臨界厚度的問題，應(yīng)變圖形可以修改，以使壓縮應(yīng)變在緩沖層中不連續(xù)，如圖12B所示。這種情況下，緩沖層可以具有零應(yīng)變或小的均勻應(yīng)變。由于價帶能中的差別，應(yīng)變圖形中的不連續(xù)性可能在飽和吸收層35和緩沖層36和37之間的界面產(chǎn)生尖峰。
但是，通過提供在緩沖層36和37中Al摩爾分數(shù)(x)中的單調(diào)變化圖形，在飽和吸收層35和緩沖層36和37之間的價帶能差能得到抑制，因而抑制了尖峰的幅度，由此得到相對平穩(wěn)的空穴注入。
為抑制飽和吸收層35和緩沖層36和37之間的價帶能差以得到優(yōu)異的禁帶能圖，可以使用不同的圖形，其中Al摩爾分數(shù)(x)如圖12c所示修改。這種情況下，Al摩爾分數(shù)在飽和吸收層35中比由緩沖層36和37中的單調(diào)減少價帶能所確定的小，由此取消圖12B中所示價帶能中的不連續(xù)性以得到如圖12c中所示的平滑空穴注入。
為實現(xiàn)單調(diào)變化的禁帶圖形，可以通過控制Al摩爾分數(shù)或應(yīng)變的量以得到半導(dǎo)體材料中的單調(diào)變化的價帶能而進行設(shè)計選擇，只要層的物理特性已知即可。簡言之，價帶能緩沖層也可以稱為禁帶緩沖層。
在從第二和第三實例的修改實施例中，n-GaAs電流阻擋層9可以與飽和吸收層35接觸設(shè)置。另外，一部分n-GaAs電流阻擋層9可以用AlInP層代替，以得到自激脈沖的低閾值電流。
由于上述實施例只是為舉例而描述的，本發(fā)明不限于上述實施例，在不脫離本發(fā)明范圍情況下，本領(lǐng)域熟練人員可以很容易做出各種修改和改進。
例如，雖然在上述實施例中描述的是AlGaInP激光器件，但本發(fā)明還適用于AlGaAs半導(dǎo)體激光器、AlGaInN激光器或II-VI族半導(dǎo)體激光器。此外，在圖6中的n-型金屬覆層20中可以提供飽和吸收層。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器件，包括第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底和依次形成在所述半導(dǎo)體襯底上的第一導(dǎo)電型金屬覆層、有源層和第二導(dǎo)電型金屬覆層，至少所述第一導(dǎo)電型金屬覆層和所述第二導(dǎo)電型金屬覆層中的一個其中包括具有第一和第二表面的飽和吸收層、與所述飽和吸收層的所述第一表面接觸設(shè)置的第一緩沖層、和夾在所述飽和吸收層和所述第一緩沖層之間的第一和第二金屬覆層部分，用于所述飽和吸收層的半導(dǎo)體材料具有比用于所述第一和第二金屬覆層部分的半導(dǎo)體材料的第二禁帶能低的第一禁帶能，用于所述第一緩沖層的半導(dǎo)體材料具有在所述第一價帶能和所述第二價帶能之間的中間價帶能。
2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述第一導(dǎo)電型是n-型，所述第二導(dǎo)電型是p-型。
3.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述飽和吸收層的所述第一表面是鄰近所述有源層的一面。
4.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于，還包括與所述飽和吸收層的所述第二表面接觸設(shè)置的第二緩沖層。
5.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于用于所述第一緩沖層的所述半導(dǎo)體材料具有價帶能圖形，它在與所述飽和吸收層接觸的第一緩沖層部分處基本上等于所述第一價帶能，而在與所述第一和第二金屬覆層部分接觸的第二緩沖層部分處等于所述第二價帶能，并且從所述第二緩沖層部分向所述第一緩沖層部分單調(diào)減少。
6.如權(quán)利要求5的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于，所述第一緩沖層具有成分分布圖，它在所述第一緩沖層部分處等于所述飽和吸收層的第一成分，而在所述第二緩沖層部分處等于與所述第一緩沖層接觸的所述金屬覆層部分的第二成分，并在所述第一緩沖層部分和所述第二緩沖層部分之間的部分處等于所述第一成分和所述第二成分之間的中間成分。
7.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于，用于所述第一緩沖層的所述半導(dǎo)體材料具有從與所述飽和吸收層接觸的第一緩沖層部分向與所述第一和第二金屬覆層部分之一接觸的第二緩沖層部分逐漸增長的價帶能圖。
8.如權(quán)利要求7的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于，對應(yīng)于所述逐漸增長的價帶能，所述第一緩沖層具有在所述飽和吸收層的第一成分和與所述第一緩沖層接觸的所述金屬覆層的第二成分之間的逐漸變化的成分。
9.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于，每層所述飽和吸收層和所述第一緩沖層是應(yīng)變量子阱層，并且所述第一緩沖層的應(yīng)變小于所述飽和吸收層的應(yīng)變。
10.如權(quán)利要求7的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于用于所述第一緩沖層的所述材料具有所述第一價帶能。
11.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述第一緩沖層具有在所述飽和吸收層的成份和與所述第一緩沖層接觸的所述金屬覆層部分的成分之間的中間成分。
12.一種半導(dǎo)體激光器件，包括第一傳導(dǎo)型半導(dǎo)體襯底和依次形成在所述半導(dǎo)體襯底上的第一導(dǎo)電型金屬覆層、有源層和第二導(dǎo)電型金屬覆層，至少所述第一導(dǎo)電型金屬覆層和所述第二導(dǎo)電型金屬覆層中的一個其中包括具有第一和第二表面的飽和吸收層、與所述飽和吸收層的所述第一表面接觸設(shè)置的第一緩沖層、和夾在所述飽和吸收層和所述第一緩沖層之間的第一和第二金屬覆層部分，所述飽和吸收層具有比所述第一和第二金屬覆層部分的第二禁帶能低的第一禁帶能，所述第一緩沖層具有在所述第一禁帶能和所述第二禁帶能之間的中間禁帶能。
13.如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述第一導(dǎo)電型是n-型，所述第二導(dǎo)電型是p-型。
14.如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述飽和吸收層的所述第一表面是與所述有源層鄰近的一面。
15.如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于還包括與所述飽和吸收層的所述第二表面接觸設(shè)置的第二緩沖層。
16.如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述第一緩沖層具有禁帶能圖，它在與所述飽和吸收層接觸的第一緩沖層部分處基本上等于所述第一禁帶能，而在與所述第一和第二金屬覆層部分中的一個接觸的第二緩沖層部分處等于所述第二禁帶能，并從所述第二緩沖層部分向所述第一緩沖層部分單調(diào)減少。
17.如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述第一緩沖層具有成分分布圖，它在所述第一緩沖層部分等于所述飽和吸收層的第一成分，而在所述第二緩沖層部分處等于與所述第一緩沖層接觸的所述飽和吸收層部分的第二成分，并在所述第一緩沖層部分和所述第二緩沖層部分之間處等于所述第一成分和所述第二成分之間的中間成分。
18.如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述第一緩沖層具有從與所述飽和吸收層接觸的第一緩沖層部分向與所述第一和第二金屬覆層部分之一接觸的第二緩沖層部分逐漸增長的禁帶能圖。
19.如權(quán)利要求18的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于，對應(yīng)于所述逐漸增長的價帶能，所述第一緩沖層具有在所述飽和吸收層的第一成分和與所述第一緩沖層接觸的所述金屬覆層的第二成分之間逐漸變化的成分。
20.如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于，所述飽和吸收層和所述第一緩沖層是應(yīng)變量子阱層，并且所述第一緩沖層的應(yīng)變小于所述飽和吸收層的應(yīng)變。
21.如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述第一緩沖層具有所述第一禁帶能。
22.如權(quán)利要求12的半導(dǎo)體激光器件，其特征在于所述第一緩沖層具有在所述飽和吸收層的第一成分和與所述第一緩沖層接觸的所述金屬覆層部分的第二成分之間的中間成分。
全文摘要
一種自激脈沖半導(dǎo)體激光器件具有包括一對金屬覆層部分的金屬覆層和夾在該對金屬覆層部分之間的飽和吸收層和緩沖層。用于緩沖層的半導(dǎo)體材料具有在飽和吸收層和用于與緩沖層接觸的金屬覆層的半導(dǎo)體材料的價帶能之間的中間價帶能,從而減小在價帶能圖中形成的尖峰?？昭ㄆ椒€(wěn)注入有源層,從而以高成品率以自激脈沖方式產(chǎn)生激光。
文檔編號H01S5/32GK1202026SQ9810187
公開日1998年12月16日 申請日期1998年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月21日
發(fā)明者沢野博之 申請人:日本電氣株式會社