專利名稱：低光反饋噪聲的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及 在抑制光反饋噪聲方面良好的自脈沖半導(dǎo)體激光器及其制造方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器用于光盤裝置、光纖通信、光學(xué)算術(shù)運(yùn)算等中的光
源。在諸如DVD裝置的光盤裝置的情況下，可能存在從光盤反射的光
再次返回入射在半導(dǎo)體激光器元件上的情況。再次返回入射在元件上 的光被稱作反饋光，由于反饋光而在發(fā)射光的輸出中產(chǎn)生的噪聲被稱 作光反饋噪聲。光反饋噪聲會造成信號讀出錯誤等。因此，半導(dǎo)體激 光器領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一是抑制光反饋噪聲。
為了降低光反饋噪聲，需要通過使激光的縱模變成多模并通過使
有源層的折射率波動而施加波長線性調(diào)頻脈沖(wavelength chirping) 來減弱激光束的相干性。因此作為所使用的方法，已知一種將幾百M(fèi)Hz 到幾GHz的高頻電流疊加到激光器驅(qū)動電流(其為直流)上的方法。 在這種情況下，額外需要高頻振蕩器，由此增大了成本。而且，由于 使用高頻電流而產(chǎn)生了不需要的輻射(EMI:電磁干擾)。為了處理 EMI而安裝用于測量的部件使成本進(jìn)一步增大。
因此，"自脈沖半導(dǎo)體激光器"作為抑制光反饋噪聲的可選技術(shù) 引起了關(guān)注。在自脈沖半導(dǎo)體激光器中，在有源層附近提供被稱作"可 飽和吸收器(saturable absorber)"的區(qū)域?？娠柡臀掌骶哂修D(zhuǎn)換激 光束的吸收/透射的功能，且激光束的強(qiáng)度通過可飽和吸收器在幾百 MHz到幾GHz頻率之間的范圍內(nèi)自動改變。也就是說，由此實(shí)現(xiàn)了自 脈沖，僅通過元件自身就可以獲得與疊加高頻電流相同的效果。
下面闡述與自脈沖半導(dǎo)體激光器相關(guān)的一些技術(shù)。
在日本特開專利申請(JP —A—Heisei 4—154184)中所描述的自 脈沖半導(dǎo)體激光器中，雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成在第一導(dǎo)電類型的GaAs襯底 上。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)由夾有GalnP有源層的GalnP有源層和AlGalnP包層 構(gòu)成。有源層上的第二導(dǎo)電類型的包層具有達(dá)到有源層頂面的臺地結(jié) 構(gòu)。也就是說，具有臺地結(jié)構(gòu)的包層僅形成在有源層上方。第二導(dǎo)電 類型的(AlxGai—x) Q.5In。.5P層形成在臺地結(jié)構(gòu)的側(cè)面和臺地結(jié)構(gòu)的兩 側(cè)上的有源層的表面上。
日本特開專利申請(JP —A —Heisei 11—220210)中所述的自脈沖 半導(dǎo)體激光器包括第一導(dǎo)電類型的第一包層、形成在第一包層上的有 源層和形成在有源層上的第二導(dǎo)電類型的第二包層。該第二包層具有 臺地部分，電流限定結(jié)構(gòu)被提供在臺地部分的兩側(cè)上。電流限定結(jié)構(gòu) 由第一導(dǎo)電類型的GaAs構(gòu)成。橫向上的折射率差厶n在0.001至0.003 的范圍內(nèi)。而且，橫向波導(dǎo)外側(cè)上的第二包層的厚度為400nm或更小。 在這種情況下，在常溫(25°C)或高溫(60°C)下通過臺地部分注入 到有源層中的電流的橫向擴(kuò)展可以被抑制到大約臺地部分底部的寬 度。
發(fā)明內(nèi)容
本申請的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，為了在半導(dǎo)體激光器中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的 自脈沖，控制"自脈沖的溫度依賴性"很重要。自脈沖的強(qiáng)度取決于 可飽和吸收器區(qū)的體積，該體積取決于增益和損失之間的平衡。也就 是說，根據(jù)自脈沖激活時增益電流(J一G曲線)上的工作點(diǎn)來確定。 增益/損失的平衡是根據(jù)有源層的結(jié)構(gòu)、光波導(dǎo)的分布與注入到有源層 的注入電流的分布之間的重疊以及光波導(dǎo)路徑損失的程度來確定的。
在低溫條件下，基于有源層結(jié)構(gòu)確定的增益相對大，且注入的電
流的橫向擴(kuò)展(擴(kuò)散)相對小。因此，由于大的增益和與增益平衡的 損失引發(fā)自脈沖工作，因此可飽和吸收器區(qū)的體積趨于變大。然而， 當(dāng)根據(jù)有源層結(jié)構(gòu)確定的增益太小或電流的橫向擴(kuò)展太窄時，損失變 得過度。由此，可飽和吸收器區(qū)的體積變大，因而減弱了自脈沖的強(qiáng) 度。
在高溫條件下，基于有源層結(jié)構(gòu)確定的增益相對小，且注入的電 流的橫向擴(kuò)展相對大。因此，由小的增益和與增益平衡的損失引發(fā)自 脈沖工作，因此可飽和吸收器區(qū)的體積趨于變小。然而，當(dāng)根據(jù)有源 層結(jié)構(gòu)確定的增益太小以致于損失變得過度時，或者當(dāng)電流的橫向擴(kuò) 展太大以致于增益變得過度時，可飽和吸收器區(qū)的體積變小。因而減 弱了自脈沖的強(qiáng)度。
如上所述，自脈沖的強(qiáng)度取決于工作溫度和工作電流。然而，上 述現(xiàn)有技術(shù)中并未充分考慮自脈沖的這種溫度依賴性。因此，即使通 過在特定溫度范圍內(nèi)的最優(yōu)增益獲得了強(qiáng)的自脈沖，自脈沖在其他溫 度下也可能減弱或停止。這導(dǎo)致由光反饋噪聲引起的信號再現(xiàn)錯誤， 考慮到產(chǎn)品的可靠性這不是優(yōu)選的。特別地，需要用于光盤裝置中的
半導(dǎo)體激光器在約一1(TC至75T:的寬溫度范圍上執(zhí)行穩(wěn)定的自脈沖。
通過上述現(xiàn)有技術(shù)難以在這種寬溫度范圍上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自脈沖。
在一個實(shí)施例中，自脈沖半導(dǎo)體激光器包括形成在半導(dǎo)體襯底
上的下包層；形成在下包層上的有源層；形成在有源層上的第一上包 層，其中第一包層的厚度d滿足220imi《d《450nm的關(guān)系；形成在第 一上包層上并具有臺地結(jié)構(gòu)的第二上包層；以及阻擋層，其包括形成 在臺地結(jié)構(gòu)兩側(cè)上的各層，其中這些層的帶隙大于有源層的帶隙。
在另一實(shí)施例中，自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法包括(a)在 半導(dǎo)體襯底上形成下包層；(b)在下包層上形成有源層；(c)在有源 層上形成具有厚度在220mn至450nm范圍內(nèi)的第一上包層；(d)在
第一上包層上形成第二上包層；(e)蝕刻第二上包層以形成臺地結(jié)構(gòu)； 以及(f)在臺地結(jié)構(gòu)的兩側(cè)上形成各阻擋層，其中這些層的帶隙大于 有源層的帶隙。
在自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法的又一實(shí)施例中，(f)的形成 包括在有源層的兩側(cè)上形成(AlxGai.x) 。.5in。.5P層。
在自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法的再一實(shí)施例中，(f)的形成 包括(fl)在有源層的兩側(cè)上形成(AlxGai-x) 0.5inQ,5P層；(f2)在 每個(AlxGai-x) 0.51110.5P層上形成GaAs層。
在又一實(shí)施例中，自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法包括(A)在 半導(dǎo)體襯底的第一區(qū)域上形成第一半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)；以及(B)在半導(dǎo) 體襯底的第二區(qū)域上形成第二半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)。(A)的形成包括 (Al)在半導(dǎo)體襯底上形成下包層；(A2)在下包層上形成有源層； (A3)在有源層上形成具有厚度在220nm至450mn范圍內(nèi)的第一上包 層；(A4)在第一上包層上形成第二上包層；以及(A5)蝕刻位于第 一區(qū)域外側(cè)上的第二上包層、第一上包層、有源層和下包層，以生成 第一半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)。(B)的形成包括(Bl)形成另一下包層以覆 蓋半導(dǎo)體襯底和第一半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)；(B2)在另一下包層上形成另 一有源層；(B3)在另一有源層上形成具有厚度在220nm至450nm范 圍內(nèi)的另一第一上包層；(B4)在另一第一上包層上形成另一第二上 包層；以及(B5)蝕刻位于第二區(qū)域外側(cè)上的另一第二上包層、另一 第一上包層、另一有源層和另一下包層，以生成第二半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)。 該制造方法還包括(C)蝕刻第二上包層和另一第二上包層的每一個， 以形成臺地結(jié)構(gòu)；以及(D)將各阻擋層形成到第二上包層和另一第二 上包層的每個臺地結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，其中這些阻擋層的每一個的帶隙大于 有源層的帶隙。
在自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法的再一實(shí)施例中，有源層的材
料和另一有源層的材料彼此不同。
在自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法的再一實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底 和有源層之間的距離基本與半導(dǎo)體襯底和另一有源層之間的距離相 同。
在自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法的再一實(shí)施例中，第二上包層 和另一第二上包層由相同材料制成。
在自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法的再一實(shí)施例中，(D)的形成 包括(Dl)在第一區(qū)域和第二區(qū)域的每一個中的臺地結(jié)構(gòu)的兩側(cè)上
形成(AlxGai.x) 0.5inQ.sP層。
在自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法的再一實(shí)施例中，(D)的形成
包括(Dl)在第一區(qū)域和第二區(qū)域的每一個中的臺地結(jié)構(gòu)的兩側(cè)上 形成(AlxGai.x) 。.51110.5P層；以及(D2)在形成在第一和第二區(qū)域中的
(AlxGa"x) 0.5In0.5P層的每一個上形成GaAs層。
在上述自脈沖半導(dǎo)體激光器中，可以充分考慮自脈沖的溫度依賴 性。結(jié)果，可以在寬的溫度范圍上保持穩(wěn)定的自脈沖。由于可以在工 作溫度的整個范圍上良好地抑制光反饋噪聲，因此可以提高工作可靠 性。而且，減小了工作電流，因此也可以提高長期的可靠性。
本發(fā)明的上述和其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將通過以下參考附圖的一 些優(yōu)選實(shí)施例的描述而更加明顯，其中-
圖1是示出根據(jù)第一實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)的截面
圖2是示出工作電流的溫度依賴性的曲線圖3是示出干擾指數(shù)Y和相對強(qiáng)度噪聲RIN的溫度依賴性的曲線
圖4A是示出千擾指數(shù)Y關(guān)于參數(shù)d的各個值的溫度依賴性的曲線
圖4B是示出相對強(qiáng)度噪聲RIN關(guān)于參數(shù)d的各個值的溫度依賴 性的曲線圖5A是示出干擾指數(shù)Y關(guān)于參數(shù)△ ii的各個值的溫度依賴性的曲
線圖5B是示出相對強(qiáng)度噪聲RIN關(guān)于參數(shù)A n的各個值的溫度依賴 性的曲線圖6A是示出干擾指數(shù)Y關(guān)于載流子密度的各個值的溫度依賴性 的曲線圖6B是示出相對強(qiáng)度噪聲RIN關(guān)于載流子密度的各個值的溫度 依賴性的曲線圖7A是示出干擾指數(shù)Y關(guān)于參數(shù)W的各個值的溫度依賴性的曲
線圖7B是示出相對強(qiáng)度噪聲RIN關(guān)于參數(shù)W的各個值的溫度依賴 性的曲線圖8A是示出根據(jù)第一實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造步驟 的截面圖8B是示出根據(jù)第一實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造步驟 的截面圖8C是示出根據(jù)第一實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造步驟 的截面圖8D是示出根據(jù)第一實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造步驟 的截面圖9是示出根據(jù)第二實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的截面
圖10是示出根據(jù)第三實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的截面
圖IIA是示出根據(jù)第四實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造步驟
的截面圖11B是示出根據(jù)第四實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造歩驟 的截面圖IIC是示出根據(jù)第四實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造步驟 的截面圖11D是示出根據(jù)第四實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造步驟 的截面圖12是示出根據(jù)第五實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造步驟 的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將在此參考說明性實(shí)施例描述本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn) 識到，利用本發(fā)明的教導(dǎo)可以完成許多可選實(shí)施例并且本發(fā)明不限于 用于解釋性目的而示出的實(shí)施例。
參考附圖，例如，以下實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器用作諸如 DVD裝置的光盤裝置的光源。
1.第一實(shí)施例 1-1.結(jié)構(gòu)
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 的截面圖。在圖1中，Z—方向是一空腔的軸向，X—方向(水平方向) 是正交于該空腔的軸向且平行于p — n結(jié)面的方向。Y—方向是正交于 該空腔的軸向且垂直于pn結(jié)面的方向。出現(xiàn)在X、 Y和Z方向上的駐 波分別被稱作水平橫模、垂直橫模和縱模。
在圖1中，用于提高結(jié)晶性能的第一導(dǎo)電類型的緩沖層102形成 在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底101上。"雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)(DH)"形成在 緩沖層102上。具體地，有源層105經(jīng)下波導(dǎo)層104形成在第一導(dǎo)電 類型的下包層103上。第二導(dǎo)電類型的第一上包層107經(jīng)上波導(dǎo)層106
形成在有源層105上。此外，第二導(dǎo)電類型的第二上包層109經(jīng)蝕刻 停止層108形成在第一上包層107上。第二上包層109具有沿Z —方向 以條形形成的"臺地結(jié)構(gòu)MS (隆起結(jié)構(gòu))"。
此外，阻擋層BLK形成在第二上包層109的臺地結(jié)構(gòu)的兩側(cè)上。 也就是說，形成阻擋層BLK以覆蓋臺地結(jié)構(gòu)MS的側(cè)面和蝕刻停止層 108未形成臺地結(jié)構(gòu)MS的區(qū)域。如后所述，阻擋層BLK用于將注入 到有源層105中的注入電流限定到臺地結(jié)構(gòu)。而且，阻擋層BLK還用 于在X—方向上提供光波導(dǎo)(水平橫模)。在本實(shí)施例中，阻擋層BLK 包括一個層，該層具有比有源層105更大的帶隙并具有比第二上包層 109更小的折射率。
而且，第二上包層109 (臺地結(jié)構(gòu)MS)的頂面由第二導(dǎo)電類型的 蓋層110覆蓋。第二導(dǎo)電類型的接觸層113形成在蓋層110和阻擋層 BLK上。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器由上述半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 例如，發(fā)射波長約為650rnn。下面將描述構(gòu)成這種半導(dǎo)體激光器元件 的每個層的例子。在下面的解釋中，第一導(dǎo)電類型是n型，第二導(dǎo)電 類型是p型。當(dāng)然，n型和p型可以相反。而且，將(AlxGai-x)o.5Ino.5P 簡寫成AlGalnP。在這種情況下，Al的組分率x被寫在括號里。
半導(dǎo)體襯底101: n型GaAs
緩沖層102: n型GaAs;厚度二650nm;雜質(zhì)濃度=5X 1017cm—3 下包層103: n型AlGalnP (x = 0.7);厚度二1200nm;雜質(zhì)濃度 =5X1017cm—3
下波導(dǎo)層104: AiGalnP (x=0.45);厚度二30nm
有源層105的帶隙小于在周圍區(qū)域中三個設(shè)置的波導(dǎo)層和包層的 帶隙。有源層105的折射率大于在周圍區(qū)域中設(shè)置的波導(dǎo)層和包層的 折射率。在本實(shí)施例中，有源層105具有多量子阱結(jié)構(gòu)，其中層疊了
多個量子阱。每個阱由各阻擋層隔離。每個阱由GalnP形成，且其厚 度為5.0nm。每個阻擋層由AlGalnP(x-0.45)形成，且其厚度為5.0nm。 調(diào)整施加到阱的壓縮變形以便在約650mn處實(shí)現(xiàn)期望的振蕩波長。
上波導(dǎo)層106: AlGalnP (x = 0.45);厚度二30nm
厚度d-300nm;雜質(zhì)
厚度二10nm;雜質(zhì)濃
厚度-1000nm;雜質(zhì) 濃度-6X10^cm—3;臺地結(jié)構(gòu)MS的底部寬度W=4.0um
蓋層110: p型GaAs;厚度-300nm;雜質(zhì)濃度=1.5X 1018cm_3 接觸層113: p型GaAs;厚度-3000nm;雜質(zhì)濃度-2X 1018cm—3
阻擋層BLK包括n型或未摻雜的(AlxGai-x) Q.5Ino.5P層111和形 成于其上的n型GaAs層112。 Al的組分x也可以為1。在這種情況下， 阻擋層BLK包括n型或未摻雜的AlInP層111。AlInP層111(或AlGalnP 層111)的厚度例如為150nm。 N型GaAs層112的厚度例如為850nm， 且其雜質(zhì)密度例如為3X1018cnT3。 AllnP層111的帶隙(或AlGalnP 層111)大于有源層105發(fā)光部分的帶隙，且其折射率小于第二上包層 109 (臺地結(jié)構(gòu)MS)的折射率。也就是說，形成了具有小的光吸收系 數(shù)的阻擋層BLK。
在上述結(jié)構(gòu)中，由于形成在第二上包層109上及其兩側(cè)上的阻擋 層BLK而在X方向上的折射率上產(chǎn)生了差。也就是說，在對應(yīng)于條狀 的臺地結(jié)構(gòu)MS的部分和臺地結(jié)構(gòu)MS以外的部分之間存在產(chǎn)生的折射 率的差。這一差被稱為有效折射率的差A(yù)n。與X方向上的光波導(dǎo)相關(guān) 的有效折射率的差A(yù) n還取決于第一上包層107的厚度。在上述示例所 示的結(jié)構(gòu)中，與X方向上的光波導(dǎo)相關(guān)的有效折射率的差A(yù)n大約為
2.0X10—3。
第一上包層107: p型AlGaInP (x=0.7); 濃度二6X10170111—3
蝕刻停止層108: p型AlGalnP (x=0.2); 度-6X10"cnT3
第二上包層109: p型AlGalnP (x=0.7); l一2.工作和工作特性
參考圖1，假設(shè)將正向偏壓施加到上述雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。此時，反向
偏壓被施加在阻擋層BLK (n—GaAs層112/n或i —AlInP層111)和 在其下面限定的p型層(p — AlGalnP層108/p-AlGalnP層107)之間。 結(jié)果，電流僅從第二上包層109 (臺地結(jié)構(gòu)MS)流到第一上包層107 和有源層105中。也就是說，電流由阻擋層BLK阻擋那個茄憊限定到 臺地結(jié)構(gòu)MS。在這種情況下，認(rèn)為阻擋層BLK用作"電流限定機(jī)制"。
形成臺地結(jié)構(gòu)，以便使其邊緣位于有源層105的附近，且將電流 注入到有源層105的寬度幾乎等于臺地結(jié)構(gòu)MS底面的寬度W。結(jié)果， 在有源層105中，僅在對當(dāng)于臺地結(jié)構(gòu)MS的區(qū)域中產(chǎn)生了增益(反向 分布)。在圖1中，將這種區(qū)域示為增益區(qū)(有源區(qū))114。
而且，考慮到光波導(dǎo)，通過上述雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了Y方向上的光 限制(垂直橫模)。同時，通過上述有效折射率差A(yù)n實(shí)現(xiàn)了 X方向 上的光限制(水平橫模)。更具體地，不是將光限制在有源層105內(nèi) 側(cè)，而是由于隧道效應(yīng)而略微泄漏到在其周圍設(shè)置的包層。泄漏的光 感應(yīng)形成在有源層105附近的具有相對低折射率的阻擋層BLK。結(jié)果， 上述有效折射率差A(yù)n產(chǎn)生在X方向上，并限制了光。在這種情況下， 還認(rèn)為阻擋層用作了 "X方向的光波導(dǎo)機(jī)制"。
在有源層105中，光波導(dǎo)區(qū)的寬度大于增益區(qū)114的寬度。光波 導(dǎo)區(qū)和增益區(qū)114之間的差，即，增益區(qū)114外側(cè)上的光波導(dǎo)區(qū)，用 作"可飽和吸收器區(qū)115"。自脈沖通過可飽和吸收器區(qū)115而實(shí)現(xiàn)。 然而，自脈沖的范圍取決于可飽和吸收器區(qū)115的體積?？娠柡臀?器區(qū)115的體積根據(jù)光波導(dǎo)區(qū)的尺寸和增益區(qū)114的尺寸來確定。光 波導(dǎo)區(qū)的尺寸幾乎根據(jù)上述有效折射率差A(yù)n來確定。同時，增益區(qū)
114的尺寸對應(yīng)于注入到有源區(qū)105的注入的電流的分布寬度，并且注 入的電流的分布寬度不僅取決于臺地結(jié)構(gòu)MS底部的寬度W，還取決
于溫度。
在高溫條件下，注入的電流的分布寬度變得相對大，因為恰好在
臺地結(jié)構(gòu)MS下面的第一上包層107和有源層105中空穴載流子在X 方向上的擴(kuò)展(下文中在相同情況下稱作"橫向擴(kuò)展")變大了。因 此，增益區(qū)114變得相對大，以致于可以用作可飽和吸收器區(qū)115的 損失區(qū)域(loss region)變得相對小。相反地，在低溫條件下，注入的 電流的橫向擴(kuò)展變小，且增益區(qū)114也變得相對小。因此，可以用作 可飽和吸收器115的損失區(qū)域變得相對大。
如所述，可以用作可飽和吸收器區(qū)115的損失區(qū)域的體積根據(jù)溫 度而改變。因此，自脈沖還顯示出溫度依賴性。例如，當(dāng)可以用作可 飽和吸收器115的損失區(qū)域的體積在低溫條件下變得過大時，自脈沖 由于過分損失而減弱。然而，當(dāng)有源層自身的增益相對于損失過大時， 相反地增益變得過度。在這種情況下，自脈沖減弱。同時，在高溫條 件下，當(dāng)可以用作可飽和吸收器區(qū)115的損失區(qū)域的體積變得過小時， 自脈沖由于過分增益而減弱。然而，當(dāng)有源層自身的增益相對于損失 過小時，相反地?fù)p失變得過度。在這種情況下，自脈沖減弱。當(dāng)自脈 沖減弱時，光反饋噪聲變得顯著。為了提高半導(dǎo)體激光器的工作可靠 性，重要的是考慮溫度依賴性來設(shè)計激光器，以便可以在寬的溫度范 圍(至少-l(TC至75'C)內(nèi)保持穩(wěn)定的自脈沖。
為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自脈沖，需要使振蕩自身穩(wěn)定。當(dāng)感應(yīng)的輻射的 增益超過損失(傳輸、吸收、散射，等等)時，產(chǎn)生振蕩。由此，優(yōu) 選的是盡可能大得減小損失。根據(jù)本實(shí)施例的阻擋層BLK包括AlInP 層lll (或AlGalnP層111)，其在振蕩波長區(qū)域中的光吸收系數(shù)小。 與前述現(xiàn)有技術(shù)不同，阻擋層BLK不僅由具有光吸收特性的GaAs層 形成。結(jié)果，光路損失減小，且振蕩增大。也就是說，閾值電流(振 蕩開始時的電流值)減小。雖然閾值電流根據(jù)溫度的增大傾向于增大， 但在本實(shí)施例中閾值電流的絕對值小，因此即使在高溫條件下，可以
抑制由增益不足而引起的振蕩減弱。
而且，由于可以減小波導(dǎo)路徑損失和閾值電流，因此通過仍然較 小的工作電流可以獲得期望的光輸出功率。圖2示出了關(guān)于根據(jù)現(xiàn)有
技術(shù)和本發(fā)明的每個半導(dǎo)體激光器元件的4mW的光輸出功率所需的工
作電流值。本實(shí)施例的元件具有上述示例中所示的結(jié)構(gòu)。同時，現(xiàn)有
技術(shù)的元件包括僅由n型GaAs層構(gòu)成的阻擋層。如圖2可以看到的， 根據(jù)本實(shí)施例的元件的工作電流在任何溫度條件下都小于現(xiàn)有技術(shù)的 元件的工作電流。這是因為本實(shí)施例的元件中波導(dǎo)路徑損失以及閾值 電流減小了。由于其僅需要較小的工作電流，因此提高了斜度效率 (slope efficiency)并且延長了元件的壽命。也就是說，本發(fā)明能夠提 高元件性能和長期穩(wěn)定性。由于載流子過流的差別在高溫條件下變得 顯著，因此工作電流之間的差別隨著溫度變得更高而變得更加顯著。 因此效果在高溫條件下變得更加顯著。
接下來，本申請的發(fā)明人研究了自脈沖的溫度依賴性。具體地， 本申請的發(fā)明人針對光反饋噪聲研究了主要干擾指數(shù)Y和相對強(qiáng)度噪 聲RIN的溫度依賴性。當(dāng)獲得強(qiáng)自脈沖時，縱模的波長線性調(diào)頻脈沖 變大，且Y和RIN的值小。相反，當(dāng)自脈沖減弱時，Y和RIN的值大。 因此可以通過測量Y和RIN來檢查所獲得的自脈沖是否穩(wěn)定。作為指 示穩(wěn)定自脈沖的參考，需要使Y為60%或更小且RIN為110dB/Hz或 更小。
圖3示出了在上述示例的情況下(第一上包層107的厚度d= 300mn)干擾指數(shù)Y和相對強(qiáng)度噪聲RIN的溫度依賴性。在本測量實(shí) 驗中，半導(dǎo)體激光器的光輸出功率為4mW。光路長度(光盤和激光器 元件之間的距離)為34mm。反饋光量為1。％。如圖3可以看到的，干 擾指數(shù)Y和相對強(qiáng)度噪聲RIN在-1(TC至75'C的寬溫度范圍內(nèi)都保持在 低水平上。幾乎沒有由溫度引起的y和RIN的可觀察變化。這意味著 自脈沖在寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定而沒有減弱。也就是說，通過本發(fā)明
可以在所需溫度的整個范圍上保持穩(wěn)定的自脈沖。
此外，本申請的發(fā)明人進(jìn)行了實(shí)驗，其中測試了具有各個厚度d 的第一上包層的每個樣品并對樣品獲得了相同的性質(zhì)或結(jié)果。厚度d 影響確定光波導(dǎo)區(qū)尺寸的上述有效折射率差A(yù)n。當(dāng)厚度d變小時，有 效折射率差A(yù)n變大，由此減小了光波導(dǎo)區(qū)的尺寸。同時，當(dāng)厚度d變 大時，有效折射率差A(yù)n變小，由此增大了光波導(dǎo)區(qū)的尺寸。
圖4A示出了干擾指數(shù)Y關(guān)于厚度d的各個值的溫度依賴性。圖 4B示出了相對強(qiáng)度噪聲RIN關(guān)于厚度d的各個值的溫度依賴性。如圖 4A和4B可以看到的，當(dāng)厚度d為220nm、 300nm或450nm時，在-10 。C至75'C的寬溫度范圍內(nèi)，Y和RIN分別被抑制到60%或更小和 -110dB/Hz或更小。也就是說，在所需溫度的寬范圍內(nèi)保持了穩(wěn)定的自 脈沖。
然而，在厚度d為180nm的情況下，Y和RIN的值在高溫條件(75 °C)下再次增大。這意味著自脈沖變?nèi)跚夜夥答佋肼曉龃?。在厚度d 為180nm的情況下，光波導(dǎo)區(qū)的尺寸相比其他情況減小了。此外，注 入的電流的橫向擴(kuò)展在高溫條件下變大，且增益區(qū)114變得相對大。 這導(dǎo)致了過度的增益。因此，可飽和吸收器區(qū)115的體積變得過小， 以致于自脈沖變?nèi)趸蛲Ｖ埂?br>
而且，在厚度d為480nm的情況下，Y和RIN的值在低溫條件(-10 。C)和高溫條件(75°C)下增大。這也意味著自脈沖變?nèi)跚夜夥答佋?聲增大。在厚度d為480nm的情況下，光波導(dǎo)區(qū)的尺寸相比其他情況 增大了。此外，注入的電流的橫向擴(kuò)展在低溫條件下變小，且增益區(qū) 114變得相對小。這導(dǎo)致了過度的損失。因此，可飽和吸收器區(qū)115的 體積變得過小，以致于自脈沖變?nèi)趸蛲Ｖ?。此外，在高溫條件下，有 源層105自身的增益由于載流子過流的影響而減小。因此，自脈沖也 由于過度的損失減弱或停止。
如上所述，考慮到可飽和吸收器區(qū)115的體積的溫度依賴性，第
—上包層107的厚度d優(yōu)選地被設(shè)置為在220nm至450nm范圍內(nèi)的值。
此外，本申請的發(fā)明人通過不同地改變樣品的其他參數(shù)進(jìn)行了實(shí) 驗，并獲得了相同的性質(zhì)或結(jié)果。
圖5A和5B分別示出了干擾指數(shù)Y和相對強(qiáng)度噪聲RIN關(guān)于有效 折射率差A(yù)n的各個值的溫度依賴性。如圖5A和5B可以看到的，在 有效折射率的差△ n在5.0X 10—4至4.0X 10—3范圍內(nèi)的情況下，在-10 。C至75r的寬溫度范圍內(nèi)，Y和RIN的值分別被抑制到60%或更小和 -110dB/Hz或更小。也就是說，在所需溫度的寬范圍內(nèi)保持了穩(wěn)定的自 脈沖。同時，當(dāng)有效折射率差A(yù)n為該范圍之外的值時，自脈沖變?nèi)酢?br>
此后，研究了第一上包層107的載流子濃度(p —濃度)的影響。 圖6A和6B分別示出了干擾指數(shù)Y和相對強(qiáng)度噪聲RIN關(guān)于載流子濃 度的各個值的溫度依賴性。如圖6A和6B可以看到的，在第一上包層 107的載流子濃度在5X10"cm—3至2X10 nT3的范圍內(nèi)時，在-l(TC 至75'C的寬溫度范圍內(nèi)，Y和RIN分別被抑制到60Q/^或更小和 -110dB/Hz或更小。也就是說，在所需溫度的寬范圍內(nèi)保持了穩(wěn)定的自 脈沖。同時，當(dāng)載流子濃度為該范圍之外的值時，自脈沖變?nèi)酢?br>
然后，研究了 X方向上臺地結(jié)構(gòu)底部的寬度W，其是確定注入的 電流分布的參數(shù)之一。圖7A和7B分別示出了干擾指數(shù)Y和相對強(qiáng)度 噪聲RIN關(guān)于寬度W的各個值的溫度依賴性。如圖7A和7B可以看 到的，在臺地結(jié)構(gòu)底部的寬度W在3.5nm至5.0ixm的范圍內(nèi)時，在 -l(TC至75。C的寬溫度范圍內(nèi)，Y和RIN分別被抑制到60%或更小和 -110dB/Hz或更小。也就是說，在所需溫度的寬范圍內(nèi)保持了穩(wěn)定的自 脈沖。同時，當(dāng)寬度W取該范圍之外的值時，自脈沖變?nèi)酢?br>
1-3.制造方法
接下來，將描述用于制造上述半導(dǎo)體激光器元件的方法示例。
首先，如圖8A所示，通過外延生長在半導(dǎo)體襯底101上形成半導(dǎo) 體層疊結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體層疊結(jié)構(gòu)由緩沖層102、下包層103、下波導(dǎo)層104、 有源層105、上波導(dǎo)層106、第一上包層107、蝕刻停止層108、第二 包層109和蓋層110構(gòu)成。
經(jīng)緩沖層102 (n型GaAs，厚度二650nm，雜質(zhì)濃度=5X 1017cm 一3)在半導(dǎo)體襯底101 (n型GaAs)上形成下包層103 (n型AlGalnP (x=0.7)，厚度二1200nm，雜質(zhì)濃度-5X 10l7cnT3)。通過下波導(dǎo) 層104 (AlGalnP (x=0.45)，厚度-30nm)在下包層103上形成多量 子阱有源層105 (阱層GalnP，厚度5.0nm;阻擋層AlGalnP (x= 0.45)，厚度-5.0nm)。調(diào)整施加到阱層的壓縮變形以具有大約650nm 的期望振蕩波長。
此外，經(jīng)上波導(dǎo)層106 (AlGalnP (x = 0.45)，厚度-30nm)在 多量子阱有源層105上形成第一上包層107 (p型AlGalnP (x=0.7))。 第一上包層107的厚度d在220iim至450nm的范圍內(nèi)，且載流子濃度 在5乂1017011_3至2X10"cnT3的范圍內(nèi)。在第一上包層107上，通過 蝕刻停止層108 (p型AlGalnP (x=0.2),厚度二10nm，雜質(zhì)濃度=6 X10"cm一3)形成第二上包層109 (n型AlGalnP (x = 0.7)，厚度= lOOOrnn，雜質(zhì)濃度-6X10卩cm—3)。而且，在第二上包層109上形成 蓋層IIO (p型GaAs，厚度-300nm，雜質(zhì)濃度=1.5X 1018cm—3)。
然后在蓋層IIO上的預(yù)定區(qū)域中通過熱CVD、光刻和氫氟酸蝕刻 形成&02掩模200。隨后，如圖8B所示，通過利用&02掩模200進(jìn) 行濕法蝕刻，直到露出蝕刻停止層108為止。結(jié)果，處理第二上包層 109使其具有臺地結(jié)構(gòu)MS。設(shè)置X方向上臺地結(jié)構(gòu)MS底部的寬度W 使其具有3.5um至5.0nm范圍內(nèi)的值。該臺地結(jié)構(gòu)MS可以是通過
干法蝕刻和濕法蝕刻的組合來形成的。
然后，如圖8C所示，通過利用Si02掩模200的選擇性外延生長 在臺地結(jié)構(gòu)MS的兩側(cè)上形成阻擋層BLK。具體地，形成n型或未摻 雜的AlGalnP層111 (厚度二150nm)以覆蓋臺地結(jié)構(gòu)MS的側(cè)面和蝕 刻停止層108的暴露面。然后，在AlGalnP層111上形成n型GaAs 層112 (厚度二850nm，雜質(zhì)濃度=3X 1018cm—3)。
接著，在去除SiO2掩模200之后，通過外延生長形成接觸層113 (p型GaAs，厚度-3000nm，雜質(zhì)濃度二2X 1018cm—3)，如圖8D所 示。此后，在兩側(cè)上分別形成由Ti/Pt/Au制成的p側(cè)電極和n側(cè)電極， 并在45(TC的溫度下進(jìn)行電極的合金化。最后，切割元件使其具有350 um的長度和250ym的寬度，并應(yīng)用涂覆以使前端面(發(fā)光面)的反 射率變成約20%且后端面的反射率變成約70%。
通過上述方式，可以制造根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器元件。通 過上述步驟，多量子阱有源層105的表面未曝露于空氣。結(jié)果，可以 防止在多量子阱有源層105的表面上形成非發(fā)光中心(暗缺陷)。由 此，可以抑制由于多量子阱有源層105自身的增益不足而引起的自脈 沖減弱。此外，由于可以減小工作電流，因此可以延長元件的壽命。
1-4.效果
在阻擋層僅由光吸收GaAs層構(gòu)成時，波導(dǎo)路徑損失變得顯著而 導(dǎo)致難以具有激光振蕩。結(jié)果，閾值電流增大，工作電流也變高。具 體地說，由于載流子過流的影響在高溫下變得顯著，因此這種問題在 包括由GalnP/AlGalnP型材料制成的有源層的半導(dǎo)體激光器的情況下 很顯著。
根據(jù)本實(shí)施例的阻擋層BLK包括AlGalnP層，其具有比有源層 105更大的帶隙。也就是說，所形成的阻擋層BLK在振蕩波長區(qū)域中
的光吸收系數(shù)小。由于這種阻擋層BLK，波導(dǎo)路徑損失減小，且容易
產(chǎn)生振蕩。結(jié)果，閾值電流減小，以致于斜度效率提高且工作電流減 小。閾值電流傾向于根據(jù)溫度的增大而增大。然而，閾值電流的絕對 值減小，以致于即使在高溫條件下也可以抑制由于增益不足引起的自 脈沖減弱。而且，由于可以減小閾值電流且提高了斜度效率，因此可
以通過更小的工作電流獲得期望的光輸出功率(參見圖2)。此外，由 于工作電流減小，因此可以延長元件的壽命。也就是說，通過本實(shí)施 例可以提高元件性能和長期可靠性。
此外，在本實(shí)施例中，第一上包層107的厚度d被設(shè)計以具有 220nm至450nm范圍內(nèi)的值。在這種情況下，可以在寬的溫度范圍內(nèi) (-10。C至75'C)將干擾指數(shù)Y和相對強(qiáng)度噪聲RIN抑制到足夠低的值， 如圖4A和4B所示。這意味著在寬的溫度范圍上穩(wěn)定地保持自脈沖而 沒有減弱。如所述，通過本實(shí)施例可以在作為光盤裝置的光源時所需 的整個溫度范圍(-10'C至75")上實(shí)現(xiàn)良好的信號再現(xiàn)?？梢燥@著抑 制光反饋噪聲，以致于可以提高半導(dǎo)體激光器的可靠性。
通過上述結(jié)構(gòu)，可以在寬的溫度范圍上適當(dāng)?shù)仄胶鈺鶕?jù)溫度而 改變的"可飽和吸收器層的損失"和"有源層自身的增益"。由此， 可以在寬的工作溫度范圍上實(shí)現(xiàn)適合于自脈沖的增益特性。這種振蕩 特性可以以低的閾值電流和高的斜度效率來實(shí)現(xiàn)，以致于可以獲得具 有良好長期可靠性的元件。此外，通過上述結(jié)構(gòu)可以降低自脈沖強(qiáng)度 的溫度依賴性的面內(nèi)改變并獲得了高的再現(xiàn)性。這能夠使制造產(chǎn)量保 持高且穩(wěn)定，由此提高了生產(chǎn)力。
2.第二實(shí)施例
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的自脈沖半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的 截面圖。在圖9中，相同的參考數(shù)字應(yīng)用于與圖1相同的結(jié)構(gòu)元件， 并適當(dāng)省略多余的解釋。根據(jù)本實(shí)施例的阻擋層BLK僅由第一導(dǎo)電類型的(AlxGa卜x) 0.5In0.5P層120構(gòu)成而沒有GaAs層。例如，阻擋層BLK包括n型AllnP 層120(x-l) 。 n型AlInP層120的厚度例如為lOOOnm，且雜質(zhì)密度 例如為3X10"cm—3。通過這種結(jié)構(gòu)，可以獲得與第一實(shí)施例相同的效 果。根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器的制造方法與第一實(shí)施例相同。
3.第三實(shí)施例
在第一實(shí)施例所示的情況下，通過GalnP/AlGalnP型材料形成半 導(dǎo)體襯底101上的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)，且發(fā)射波長大約為650rnn。本發(fā) 明對以下自脈沖半導(dǎo)體激光器也是有效的，其中半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)通過 GaAs/AlGaAs型材料構(gòu)成，且發(fā)射波長為大約780nm。圖IO示出了這 種自脈沖半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。適當(dāng)省略與上述實(shí)施例重疊的解釋。 下面將闡述圖IO所示的各個層的示例。
半導(dǎo)體襯底301: n型GaAs
緩沖層302: n型GaAs;厚度-650mn;雜質(zhì)濃度-5X 1017cnT3 下包層303: n型AlGaAs (x=0.5);厚度二1200nm;雜質(zhì)濃度
=lX1018cnT3
下波導(dǎo)層304: AlGaAs (x=0.34);厚度-80nm 多量子阱有源層305:阱層(AlGaAs (x=0.05)，厚度-4.8nm);
阻擋層(AlGaAs (x=0.34)，厚度-5.0nm)
上波導(dǎo)層306: AlGaAs (x=0.34);厚度-80nm 第一上包層307: p型AlGaAs (x=0.5);厚度d=250nm;雜質(zhì)
濃度-5X10"cm—3
蝕刻停止層308: p型AlGaAs (x=0.2);厚度-10nm;雜質(zhì)濃
度二5X10"cnT3
第二上包層309: p型AlGaAs (x=0.5);厚度-1000nm;雜質(zhì)
濃度-5X1017011—3;臺地結(jié)構(gòu)MS底部寬度W=4.5y m
蓋層310: p型GaAs;厚度^300nm;雜質(zhì)濃度-1.5X 1018cm—3 接觸層313: p型GaAs;厚度二3000nm;雜質(zhì)濃度二2X 1018cm—3
與第一實(shí)施例類似，阻擋層BLK包括n型或未摻雜的AlInP層311 (或AlGalnP層311)和形成其上的n型GaAs層312。 AlInP層311 (或AlGalnP層311)的厚度例如為150nm。 N型GaAs層312的厚度 例如為850nm，且其雜質(zhì)密度例如為3X10"cnT、可選地，阻擋層BLK 可以與第二實(shí)施例中一樣僅由n型AlGalnP層構(gòu)成。通過上述結(jié)構(gòu)，X 方向上的有效折射率差A(yù)n變成約2.5X10—3。
通過根據(jù)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，也可以獲得與第一實(shí)施例相同的效果。 也就是說，通過適當(dāng)設(shè)置參數(shù)d可以在寬的溫度范圍上獲得穩(wěn)定的自 脈沖。而且，根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器元件可以通過與第一實(shí)施 例相同的方法制造。
4.第四實(shí)施例
在根據(jù)本發(fā)明的自脈沖半導(dǎo)體激光器中，具有不同發(fā)射波長的多 個光源可以單片地集成。例如，第一實(shí)施例所示的第一光源(其發(fā)射 波長約為650rnn)和第三實(shí)施例所示的第二光源(其發(fā)射波長約為 280nm)可以單片地形成在半導(dǎo)體襯底上。在這種情況下，圖1所示的 結(jié)構(gòu)和圖IO所示的結(jié)構(gòu)形成為單個芯片上的單片結(jié)構(gòu)。下面將描述形 成這種單片結(jié)構(gòu)的方法示例。適當(dāng)省略與上述實(shí)施例重疊的解釋。
首先，如圖11A所示，依次在半導(dǎo)體襯底101上形成上述半導(dǎo)體 層102—110的每一層。然后，通過光刻技術(shù)在其中形成具有650mn發(fā) 射波長的第一光源的第一區(qū)域中形成Si02掩模401。隨后，通過利用 Si02掩模401通過濕法蝕刻或干法蝕刻去除第一區(qū)域以外區(qū)域中的半 導(dǎo)體層102—110。結(jié)果，在第一區(qū)域中的半導(dǎo)體襯底101上形成了作 為第一光源原型的第一半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)。
然后，在去除SiO2掩模401之后，如圖IIB所示依次形成每個上 述半導(dǎo)體層302 — 310。也就是說，在整個表面上形成每個半導(dǎo)體層302
一310的每個層以覆蓋半導(dǎo)體襯底101和第一半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)。對此， 適當(dāng)調(diào)整緩沖層302和下包層303的厚度以使兩個光源的發(fā)光點(diǎn)高度 相同。結(jié)果，半導(dǎo)體襯底101和第一光源的有源層105之間的距離變 得基本上等于半導(dǎo)體襯底101和第二光源的有源層305之間的距離。
然后，如圖11C所示，通過光刻技術(shù)在其中形成具有780mn發(fā)射 長度的第二光源的第二區(qū)域中形成Si02掩模402。隨后，通過利用Si02 掩模402通過濕法蝕刻或干法蝕刻去除第二區(qū)域以外的區(qū)域中的半導(dǎo) 體層302 — 310。結(jié)果，在第二區(qū)域中的半導(dǎo)體襯底IOI上形成了作為 第二光源原型的第二半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)。第一半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)和第二半 導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)可以以相反的順序形成。
然后，如圖11D所示，分別在蓋層110和310的預(yù)定區(qū)域中形成 Si02掩模403和404。隨后，通過利用Si02掩模403和404進(jìn)行濕法 蝕刻，直到蝕刻停止層108和308的每一個露出為止。結(jié)果，在第一 和第二區(qū)域的每一個中形成了臺地結(jié)構(gòu)MS1和MS2 —次。臺地結(jié)構(gòu) MS1和MS2的底部寬度Wl和W2分別為4.0um和4.5 ym?？梢酝?過干法蝕刻和濕法蝕刻的組合來形成臺地結(jié)構(gòu)MS1和MS2。
此后，在第一和第二區(qū)域的每一個中在每個臺地結(jié)構(gòu)MS1和臺地 結(jié)構(gòu)MS2的兩側(cè)上形成阻擋層BLK。用于形成每個阻擋層BLK的方 法與上述實(shí)施例中相同。以上述這種方式，在半導(dǎo)體襯底101上單片 地形成具有不同發(fā)射波長的第一光源和第二光源。有效折射率差△ n對 第一光源(發(fā)射波長二650nm)來說約為2.0X1(T3，對第二光源(發(fā) 射波長-780nm)來說約為2.5X 10—3。
通過本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，也可以獲得與上述實(shí)施例相同的效果。也 就是說，對于第一和第二光源的每一個來說可以在寬的溫度范圍上保 持穩(wěn)定的自脈沖。而且，對第一和第二光源的每一個來說可以減小工 作電流。
5.第五實(shí)施例
在第四實(shí)施例中，第二上包層109的材料為p型AlGalnP(x-0.7)， 且第二上包層309的材料是p型AlGaAs (x = 0.5)。雖然用于這些層 的材料不同，但可以通過適當(dāng)?shù)奈g刻工藝一次形成臺地結(jié)構(gòu)MS1和 MS2。在不能采用適當(dāng)蝕刻工藝的情況下，優(yōu)選地對所有光源以相同材 料形成第二上包層。
例如，將與第一區(qū)域相同材料的p型AlGalnP (x=0.7)用于第二 區(qū)域中的第二上包層。對應(yīng)于這種情況的部分制造步驟的截面圖在圖 12中示出。圖12對應(yīng)于用于描述第四實(shí)施例的圖IIB所示的步驟。如 圖12所示，形成半導(dǎo)體層502 — 510而不是形成半導(dǎo)體層302 — 310。 下面將提供圖12所示結(jié)構(gòu)中每個層的示例。
緩沖層502: n型GaAs;厚度-650mn;雜質(zhì)濃度=5 X 1017cnT3 下包層503: n型AlGaAs (x=0.65);厚度二1200nm;雜質(zhì)濃度
=lX1018ctn—3
下波導(dǎo)層504: AlGaAs (x-0.4);厚度-5nm 多量子阱有源層505:阱層(AlGaAs(x=0.04)，厚度-4.5mn) ，
阻擋層(AlGaAs (x=0.4)，厚度二5.0nm)
上波導(dǎo)層506: AlGaAs (x-0.4);厚度-5nm
第一上包層507: p型AlGaAs (x=0.65);厚度d=250nm;雜
質(zhì)濃度-5X10i7cnr3
蝕刻停止層508: p型AlGaAs (x=0.2);厚度-10nm;雜質(zhì)濃
度二6X10"cm—3
第二上包層509: p型AlGalnP (x=0.7);厚度-1000nm;雜
質(zhì)濃度=6乂1017011_3;
蓋層510: p型GaAs;厚度二300nm;雜質(zhì)濃度=1.5X 1018cm—3
如上所述，與第一區(qū)域相同的材料p型AlGalnP (x=0.7)用于
第二區(qū)域中的第二上包層509。結(jié)果，通過同時蝕刻第一和第二區(qū)域形 成臺地結(jié)構(gòu)MS1和MS2。其他制造步驟與第四實(shí)施例中所述的相同。 通過本實(shí)施例也可以獲得與第四實(shí)施例相同的效果。
6.結(jié)論
如上所述，在本發(fā)明的實(shí)施例中可以全面考慮自脈沖半導(dǎo)體激光 器中自脈沖的溫度依賴性。結(jié)果，可以在寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的 自脈沖。由于可以在所需溫度的整個范圍內(nèi)良好地抑制光反饋噪聲， 因此可以提高工作可靠性。而且，可以減小工作電流，從而可以提高 長期可靠性。本發(fā)明不僅應(yīng)用于GalnP/AlGalnP、 GaAs/AlGaAs型的自 脈沖半導(dǎo)體激光器，而且應(yīng)用于諸如InGaAsP/InP、 GaN、 ZnSe型的其 他類型的自脈沖半導(dǎo)體激光器。
顯然本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明保護(hù)范圍和精神 的情況下可以修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種自脈沖半導(dǎo)體激光器，包括形成在半導(dǎo)體襯底上的下包層；形成在下包層上的有源層；形成在有源層上的第一上包層，其中該第一包層的厚度d滿足220nm≤d≤450nm的關(guān)系；形成在第一上包層上并具有臺地結(jié)構(gòu)的第二上包層；以及阻擋層，其包括形成在臺地結(jié)構(gòu)兩側(cè)上的各層，其中這些層的帶隙大于有源層的帶隙。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的自脈沖半導(dǎo)體激光器，其中，可飽和吸收器 區(qū)域形成在有源層中和有源層中的增益區(qū)外側(cè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的自脈沖半導(dǎo)體激光器，其中，該阻擋層 包括(AlxGa卜x) Q.5lno.sP層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的自脈沖半導(dǎo)體激光器，其中，該阻擋層 包括(AlxGa卜x) Q.5ln().5P和GaAs層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的自脈沖半導(dǎo)體激光器，其中，該GaAs層形 成在(AlxGa卜J Q.5lno.5P層上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的自脈沖半導(dǎo)體激光器，其中，在沿正交 于一空腔的軸且平行于pn結(jié)表面的方向上對應(yīng)于臺地結(jié)構(gòu)的區(qū)域與在 該方向上對應(yīng)于臺地結(jié)構(gòu)外側(cè)位置的區(qū)域之間的有效折射率的差A(yù)n滿足關(guān)系5X10-4cnT3《An《4Xl(T3cm_3。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的自脈沖半導(dǎo)體激光器，其中，該第一上 包層的載流子濃度在5 X 1017CnT3至2X 1018cm—3的范圍之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的自脈沖半導(dǎo)體激光器，其中，沿正交于 自脈沖激光器的一 空腔的軸且平行于自脈沖激光器的pn結(jié)表面的方向 上臺地結(jié)構(gòu)底部的寬度處于3.5um至5.0ixm的范圍內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的自脈沖半導(dǎo)體激光器，其中，將波長彼 此不同的第一光源和第二光源單片地形成在半導(dǎo)體襯底上，并且第一光源和第二光源的每一個都具有下包層、有源層、第一上包 層、第二上包層和阻擋層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的自脈沖半導(dǎo)體激光器，其中，該第一光源 的第二上包層和第二光源的第二上包層由相同材料制成。
11. 一種自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法，包括(a) 在半導(dǎo)體襯底上形成下包層；(b) 在下包層上形成有源層；(c) 在有源層上形成具有厚度在220nm至450nm范圍內(nèi)的第一上包層；(d) 在第一上包層上形成第二上包層；(e) 蝕刻第二上包層以形成臺地結(jié)構(gòu)；以及(f) 在臺地結(jié)構(gòu)的兩側(cè)上形成阻擋層，其中這些層的帶隙大于有 源層的帶隙。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法，其中(f) 的形成步驟包括在有源層的兩惻上形成(AlxGai_x) 0.5ino.5P層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求ll的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法，其中(f) 的形成步驟包括(fl)在有源層的兩側(cè)上形成(AlxGa^) Q.5lno.sP層； (f2)在每個(AlxGa^) Q.5lno.5P層上形成GaAs層。
14. 一種自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法，包括(A) 在半導(dǎo)體襯底的第一區(qū)域上形成第一半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)；以及(B) 在半導(dǎo)體襯底的第二區(qū)域上形成第二半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)， 其中(A)的形成步驟包括(AO在半導(dǎo)體襯底上形成下包層； (A2)在下包層上形成有源層；(A3)在有源層上形成具有厚度在220nm至450nm范圍內(nèi)的第一上包層；(A4)在第一上包層上形成第二上包層；以及 (A5)蝕刻位于第一區(qū)域外側(cè)上的第二上包層、第一上包層、有 源層和下包層，以生成該第一半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)，以及(B) 的形成步驟包括(Bl)形成另一下包層以覆蓋半導(dǎo)體襯底和第一半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)； (B2)在該另一下包層上形成另一有源層；(B3)在該另一有源層上形成具有厚度在220mn至450imi范圍內(nèi)的另一第一上包層；(B4)在該另一第一上包層上形成另一第二上包層；以及(B5)蝕刻位于第二區(qū)域外側(cè)上的該另一第二上包層、該另一第一上包層、該另一有源層和該另一下包層，以生成第二半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)，并且該制造方法進(jìn)一步包括(C) 蝕刻第二上包層和該另一第二上包層的每一個，以形成臺地 結(jié)構(gòu)；以及(D) 在第二上包層和該另一第二上包層的每個臺地結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形 成各阻擋層，其中這些阻擋層的每一個的帶隙都大于有源層的帶隙。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法，其中， 該有源層的材料和該另一有源層的材料彼此不同。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法，其 中，該半導(dǎo)體襯底和該有源層之間的距離基本與該半導(dǎo)體襯底和該另 —有源層之間的距離相同。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14或15的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法，其 中，該第二上包層和該另一第二上包層由相同材料制成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14或15的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法，其 中(D)的形成包括(Dl)在第一區(qū)域和第二區(qū)域的每一個中的臺地結(jié)構(gòu)的兩側(cè)上形 成的(AlxGai-x) 0.5ino.sP層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14或15的自脈沖半導(dǎo)體激光器的制造方法，其 中(D)的形成包括(Dl)在第一區(qū)域和第二區(qū)域的每一個中的臺地結(jié)構(gòu)的兩側(cè)上形 成的(AlxGai.x) Q.5lno.5P層；以及(D2)在形成在第一和第二區(qū)域中的(AlxG^x) Q.5Ina5P層的每 一個上形成GaAs層。
全文摘要
一種自脈沖半導(dǎo)體激光器，包括形成在半導(dǎo)體襯底(101)上的下包層(103)，形成在下包層上的有源層(105)，形成在有源層上的第一上包層(107)，形成在第一上包層上的第二上包層(109)和阻擋層(BLK)。第二上包層(109)具有臺地結(jié)構(gòu)(MS)。阻擋層(BLK)形成在第二上包層(109)的兩側(cè)上并包括其帶隙大于有源層(105)的帶隙的層。當(dāng)執(zhí)行自脈沖時，可飽和吸收器區(qū)(115)形成在增益區(qū)(114)的兩側(cè)上。第一上包層(107)的厚度d滿足220nm≤d≤450nm的關(guān)系?？梢栽趯挼臏囟确秶鷥?nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自脈沖。
文檔編號H01S5/323GK101106255SQ20071012910
公開日2008年1月16日 申請日期2007年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月11日
發(fā)明者小林正英 申請人:恩益禧電子股份有限公司