专利名称：半导体激光器及其生产方法
背景技术：
本发明涉及一种用于光盘等的半导体激光器，以及该激光器的生产方法。具体地，本发明涉及一种具有窗口结构的半导体激光器，其优越性在于大功率的工作特性，以及该激光器的生产方法。
近年来，已经将多种类型的半导体激光器广泛地用作光盘设备的光源。尤其是已经将大功率半导体激光器用作向DVD(数字通用盘)播放器和CD-RAM(随机存取存储器)驱动器中的盘写入信息的光源，这需要驱动电流的降低和功率的进一步改进。
使半导体激光器的驱动电流增加的因素之一是杂质原子从包层向有源层中的扩散。此外，限制半导体激光器功率增长的因素之一是灾难性光学损伤(COD)，随着激光器腔端面附近的有源层区域中光功率密度的增长，这种损伤更易于发生。
专利文献1(JP11-87831A)公开的半导体光发射设备中，采用了一种通过抑制杂质原子扩散到有源层中从而降低半导体激光器中驱动电流的方法。此外，专利文献2(JP3-208388A)公开的半导体激光器中采用了一种通过降低COD程度来提高输出功率的方法，该方法利用了一种窗口结构，其中多量子阱结构有源层是无序的。
首先将要描述专利文献1公开的用于抑制杂质原子扩散到有源层中的现有技术。
图14所示的横截面图表示了如专利文献1公开的半导体光发射设备的AlGaInP半导体激光器。
在图14中，附图标记1表示n型GaAs衬底，附图标记2表示n型Alx1Gay1Inz1P(0≤x1，y1，z1≤1)包层，附图标记3表示Alx2Gay2Inz2P(0≤x2，y2，z2≤1)光波导层(光导层)，附图标记4表示MQW结构有源层，其由Gay3Inz3P(0≤y3，z3≤1)量子阱层(阱层)和Alx2Gay2Inz2P势垒层构成，附图标记5表示Alx2Gay2Inz2P光波导层(光导层)，附图标记6表示p型Alx1Gay1Inz1P包层，附图标记7表示p型GaInP中间层，附图标记8表示GaAs覆盖层。附图标记10表示p侧电极，附图标记11表示n侧电极。
p型包层6、p型中间层7和p型覆盖层的上部具有沿一个方向延伸的条带形状，该条带部分的两侧充满了n型GaAs电流收缩层(电流阻碍层)9。将硒(Se)原子用作进入到n型包层2和n型电流收缩层9中的n型导电杂质，将锌(Zn)原子用作进入到p型包层6、p型中间层7和p型覆盖层8中的p型导电杂质。
在具有上述结构的AlGaInP半导体激光器中，n型包层2相对于n型衬底1的晶格失配率为-0.15％或者更大，但不超过-0.02％。p型包层6相对于n型衬底1的晶格失配率为0.02％或更大，但不超过0.3％。
下面将要描述专利文献2中公开的用于降低COD程度的现有技术。图15A和15B是横截面图，示出了专利文献2中公开的具有窗口结构的半导体激光器的结构。
图15A是激发区域(有源区域)中的半导体激光器的横截面图，图15B是杂质扩散区域(窗口区域)中的半导体激光器的横截面图。附图标记21表示n型GaAs衬底，附图标记22表示n型GaAs过渡层，附图标记23表示n型AlGaInP包层，附图标记24表示非掺杂GaInP有源层，附图标记25表示p型AlGaInP内包层，附图标记27表示p型AlGaInP外包层，附图标记29表示p型GaAs覆盖层，附图标记30表示GaAs阻碍层，附图标记31表示p型GaAs接触层，附图标记32表示p侧电极，附图标记33表示n侧电极。
图16A到图16D是过程图，示出了专利文献2中公开的生产半导体激光器的传统方法。将依照图16A到图16D描述生产半导体激光器的传统方法。
如图16A所示，通过MOVPE(金属有机气相外延)方法，以660℃的生长温度，在n型GaAs衬底21上依次形成n型GaAs过渡层22、n型AlGaInP包层23、非掺杂GaInP有源层24、p型AlGaInP内包层25、p型GaInP刻蚀限制层26、p型AlGaInP外包层27、p型GaInP异势垒层28以及p型GaAs覆盖层29。将锌原子作为p型杂质掺杂到从p型内包层25到p型覆盖层29的具有p型导电性的各层中。
接着，将介电薄膜34沉积到p型覆盖层29上，通过光刻将介电薄膜构成条带形之后，利用将ZnAs2作为杂质扩散源的密封管扩散方法使锌原子扩散。从而使高度集中的锌原子扩散到非掺杂有源层24的区域中，该区域变为杂质扩散区域，使得非掺杂有源层24的带隙能量增加。
接着，如图16B所示，再次利用光刻在介电薄膜34和p型覆盖层29上形成抗蚀剂条带掩模35。其后，如图16C所示，通过化学刻蚀处理依次除去介电薄膜34、p型覆盖层29、p型异势垒层28和p型外包层27，从而形成脊。
接着，如图16D所示，在除去抗蚀剂条带掩模35之后，利用介电薄膜34作为掩模，通过MOVPE方法，以660℃的生长温度使n型GaAs阻碍层30(参见图15A和图15B)有选择地生长。因此，在脊两侧上的区域中以及杂质扩散区域上形成n型阻碍层30。这防止了电流注入形成n型阻碍层30的区域中。
接着，在除去介电薄膜34之后，通过MOVPE方法，以660℃的生长温度形成p型GaAs接触层31(参见图15A和15B)。其后，如图15A和15B所示，在p型接触层31上形成p侧电极32，以及在n型衬底21的下侧形成n侧电极33。然后，分解晶片，得到图15A和15B所示的半导体激光器。
然而，传统的半导体激光器具有以下问题。明确地，在专利文献1公开的半导体激光器中，其中抑制了杂质原子向有源层中的扩散，为了抑制了p型包层6中包含的锌原子向有源层4中的扩散，向p型包层6提供应变使得p型包层6相对于n型衬底1的晶格失配率为0.02％或更大，但不超过0.3％。
然而，在传统的半导体激光器中，其中抑制了杂质原子向有源层中的扩散，仅仅在p型包层6中提供应变不足以抑制p型包层6中包含的p型导电杂质原子(锌原子)向有源层4中扩散。在包层6中包含的p型导电杂质是铍原子的情况下，如果向p型包层6施加正应变，那么大量的铍原子扩散到有源层4中，这将引起大功率工作时驱动电流的增加。
在杂质原子向有源层中的扩散得到抑制的半导体激光器中，在腔的端面附近的区域中倾向于吸收激光，从而在发射端面附近的有源层区域中易于出现COD。因此，引起了大功率工作期间最大光输出的降低。所以不能获得足够的长期可靠性。
在专利文献2所公开的具有传统窗口结构的半导体激光器中，利用密封管扩散方法实现了锌原子向非掺杂有源层24中的扩散，在该方法中将包含锌原子的ZnAs2用作杂质扩散源，所述锌原子相对于AlGaInP材料具有较大的扩散常数，因此杂质扩散区域(窗口区域)的带隙能量大于对应于激光振荡波长的带隙能量。所以抑制了腔附近区域中激光的吸收，并且防止了发射端面附近的有源层区域中COD的出现。
然而，在具有传统窗口结构的半导体激光器中，如上所述，由于发射端面附近的有源层的带隙能量大于对应于激光振荡波长的带隙能量，因此锌原子扩散到激光器腔端面附近的非掺杂有源层24的杂质扩散区域(窗口区域)中。这时，缺点在于存在于p型内包层25中的大量锌原子甚至扩散到了非掺杂有源层24的激发区域(有源区域)中，这引起大功率工作时驱动电流的增加并且破坏了长期可靠性。
发明概述本发明的目的是提供一种半导体激光器，该激光器在大功率工作时具有降低的驱动电流并且具有较好的长期可靠性，还提供了一种生产该激光器的方法。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种AlGaInP半导体激光器，其至少包括形成在半导体衬底上的第一导电型第一包层、有源层和第二导电型第二包层，所述第二导电型第二包层在与衬底反向相对的一侧上具有条带形脊，所述激光器具有在该脊的横向两侧上形成的第一导电型电流阻碍层，其中第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率为-0.20％或者更大，但不超过0％。
利用上述结构，向第一导电型电流阻碍层提供负晶格失配间接地向第二导电型第二包层施加了负应变。因此，降低了在第二包层中具有第二导电率的杂质原子的扩散率。从而，降低了具有第二导电率的杂质原子向有源层中的扩散，所以降低了大功率工作时的驱动电流。在该情况下，即使第二导电型杂质原子是铍原子，其扩散率也降低，从而降低了杂质原子向有源层中的扩散。
在一个实施例中，激光器腔端面附近区域中的有源层的光激发光峰值波长小于激光器腔内部区域中的有源层的光激发光峰值波长。
根据该实施例，在激光器腔端面附近区域中的有源层中，形成了不吸收激光的窗口区域，因此抑制了激光器腔端面附近区域中的有源层中的COD。从而可以获得优越性在于在大功率工作中具有长期可靠性的无COD半导体激光器。
在一个实施例中，第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率在电流阻碍层内是一致的。
根据上述结构，在第一导电型电流阻碍层内提供一致的负晶格失配，由此降低在第二导电型第二包层中具有第二导电率的杂质原子的扩散率。因此，具有第二导电率的杂质原子向有源层中的扩散减少，所以降低了大功率工作时的驱动电流。
在一个实施例中，第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率在电流阻碍层内变化。
根据该实施例，通过改变第一导电型电流阻碍层内的负晶格失配率，局部地引入负应变。这使得调整第二导电型第二包层中具有第二导电率的杂质原子的扩散率，并且调整间接引入有源层中的应变量成为可能。因此，最佳地降低了大功率工作时的驱动电流，并且可以获得优越性在于长期可靠性的半导体激光器。
在一个实施例中，第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率随着该电流阻碍层与第二导电型第二包层中除脊之外的部分的距离增加而增加。
根据该实施例，因为第一导电型电流阻碍层的晶格失配率随着该层到第二导电型第二包层距离的减少而降低。因此间接引入有源层中的应变量减少了，同时减少了第二导电型第二包层中具有第二导电率的杂质原子的扩散率。从而减少了具有第二导电率的杂质原子向有源区域中的扩散，抑制了有源层中结晶度的退化。所以，大功率时的驱动电流降低，并且可以获得优越性在于长期可靠性的半导体激光器。
在一个实施例中，第一导电型电流阻碍层的晶格失配率在电流阻碍层内逐渐变化。
根据该实施例，在第二导电型第二包层附近设置具有较小晶格失配率的第一导电型电流阻碍层，在远离第二包层的位置设置具有较大晶格失配率的第一导电型电流阻碍层。这使得更易于控制第二包层中具有第二导电率的杂质原子的扩散率以及控制引入到有源层中的应变量。因此降低了大功率工作时的驱动电流，并且可以获得优越性在于长期可靠性的半导体激光器。
在一个实施例中，第一导电型电流阻碍层由AlxInzP(0≤x≤1，0≤z≤1)构成。
根据该实施例，通过控制AlxInzP中的摩尔分数，将第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率控制为所需数值。从而降低了大功率时的驱动电流，并且稳定地获得了优越性在于长期可靠性的半导体激光器。
在一个实施例中，第一导电型电流阻碍层由AlxInzAsαPβ(0≤x≤1，0≤z≤1，0≤α≤1，0≤β≤1)构成。
根据该实施例，通过控制AlxInzAsαPβ中的摩尔分数，将第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率控制为所需数值。从而降低了大功率时的驱动电流，并且稳定地获得了优越性在于长期可靠性的半导体激光器。
在一个实施例中，电流阻碍层中的Al摩尔分数x和In摩尔分数z是不变的，第二导电型第二包层附近的电流阻碍层中的As摩尔分数α为0。
根据该实施例，改变第一导电型AlxInzAsαPβ电流阻碍层中的As摩尔分数α，使得晶格失配率随着其与第二导电型第二包层中除脊之外的部分的距离增加而增加，该第二导电型第二包层中的部分即基本上沿垂直于衬底的方向上的部分。因此，第二包层附近的AlxInzAsαPβ电流阻碍层的晶格失配率较小。这样，尽管负应变间接地提供给第二包层，然而引入有源层的负应变减少了。因此减少了具有第二导电率的杂质原子向有源层中的扩散，抑制了有源层中结晶度的退化。结果降低了大功率工作时的驱动电流，获得了大功率工作时优越性在于长期可靠性的半导体激光器。
在一个实施例中，包含于第二导电型包层中的杂质原子是铍原子。
根据该实施例，使用了在AlGaInP材料中具有更小扩散常数的铍原子，从而降低了大功率工作时的驱动电流，并且获得了在大功率工作时优越性在于长期可靠性的无COD半导体激光器。
在一个实施例中，第二导电型第二包层相对于半导体衬底的晶格失配率为-0.15％或更大但不大于0.05％。
根据该实施例，在第一导电型电流阻碍层中提供负晶格失配，间接地向第二导电型第二包层中施加了负应变。此外，将负晶格失配引入第二包层中，使得在第二包层中具有第二导电率的杂质原子的扩散率进一步减少。结果，杂质原子向有源层中的扩散进一步减少并且大功率工作时的驱动电流进一步降低。
在一个实施例中，第一导电型电流阻碍层的晶格失配率小于第二导电型第二包层的晶格失配率。
根据该实施例，将负应变有效地引入第二导电型第二包层中，使得在第二包层中具有第二导电率的杂质原子的扩散率进一步减少。结果，杂质原子向有源层中的扩散进一步减少并且大功率工作时的驱动电流进一步降低。
根据本发明的另一方面，提供了一种生产半导体激光器的方法，其包括形成由AlGaInP材料构成的层状结构，该结构至少包括在半导体衬底上的第一导电型第一包层、有源层和第二导电型第二包层；
在第二包层与衬底反向相对的一侧上，将其处理为条带形的脊；和使脊的两侧充满第一导电型电流阻碍层，其相对于半导体衬底的晶格失配率为-0.20％或更大但不大于0％。
利用上述结构，向第一导电型电流阻碍层提供负晶格失配，间接地向第二导电型第二包层施加负应变。因此减少了在第二包层中具有第二导电率的杂质原子的扩散率。结果，具有第二导电率的杂质原子向有源层中的扩散减少，因此大功率工作时的驱动电流降低。在该情况下，即使第二导电型杂质原子是铍原子，其扩散率也减少，从而减少了杂质原子向有源层中的扩散。
在一个实施例中，铍原子作为具有第二导电率的杂质原子，包含于第二导电型第二包层中，该方法进一步包括，在形成层状结构之后和形成条带形的脊之前，在具有层状结构的晶片的激光器腔端面附近区域中，形成杂质扩散源薄膜，其包含具有第二导电率的锌原子；对形成有杂质扩散源薄膜的晶片进行退火，使得包含在激光器腔端面附近区域的第二导电型第二包层中的具有第二导电率的铍原子和包含在激光器腔端面附近区域的杂质扩散源薄膜中的具有第二导电率的锌原子进入激光器腔端面附近区域的有源层中，从而使激光器腔端面附近区域中有源层的光激发光峰值波长小于激光器腔内部区域中有源层的光激发光峰值波长。
根据该实施例，在激光器腔端面附近区域中的有源层中，形成了基本上不吸收激光的窗口区域，从而抑制了激光器腔端面附近区域的有源层中的COD。因此降低了大功率工作时的驱动电流，获得了在大功率工作时优越性在于长期可靠性的无COD半导体激光器。
在一个实施例中，在使脊的两侧充满第一导电型电流阻碍层的步骤中，将AlxInzAsαPβ用作电流阻碍层，在AlxInzAsαPβ中的Al摩尔分数x和In摩尔分数z不变的情况下，控制AlxInzAsαPβ中的As摩尔分数α，使之随着AlxInzAsαPβ与第二导电型第二包层中除脊之外的部分的距离增加而增加。
根据该实施例，在位于脊之下的第二导电型第二包层部分附近的AlxInzAsuPβ电流阻碍层的晶格失配率小。这样，尽管负应变间接地施加到第二包层，但引入有源层的负应变减轻。因此，具有第二导电率的杂质原子向有源层中的扩散减少，并且抑制了有源层中结晶度的退化。结果降低了大功率工作时的驱动电流，获得了优越性在于长期可靠性的半导体激光器。
附图简要描述通过以下给出的详细说明将更加完整地理解本发明，所附的附图仅仅用于说明目的，因此不作为对本发明的限定，其中图1是根据本发明第一实施例的半导体激光器的透视图，示出了该激光器的光发射端面；图2A是沿图1的2A-2A线观察到的横截面图；图2B是沿图1的2B-2B线观察到的横截面图；图3A到3F是示出了生产图1所示半导体激光器的方法中处理步骤的横截面图；图4是示出了图1所示的半导体激光器和用于比较的半导体激光器中，n型AlInP电流阻碍层相对于n型GaAs衬底的晶格失配率和CW(连续波)50mW时的驱动电流(Iop)之间的关系的曲线图；图5是根据本发明第二实施例的半导体激光器的透视图，示出了该激光器的光发射端面；图6A是沿图5的6A-6A线观察到的横截面图；图6B是沿图5的6B-6B线观察到的横截面图；图7A到7F是示出了生产图5所示的半导体激光器的方法中处理步骤的横截面图；图8是示出了图5所示的半导体激光器和用于比较的半导体激光器中，p型AlGaInP第二和第三包层相对于n型GaAs衬底的晶格失配率和CW 50mW时的驱动电流(Iop)之间关系的曲线图；图9是根据本发明第三实施例的半导体激光器的透视图，示出了该激光器的光发射端面；图10A是沿图9的10A-10A线观察到的横截面图；图10B是沿图9的10B-10B线观察到的横截面图；图11是根据本发明第四实施例的半导体激光器的透视图，示出了该激光器的光发射端面；图12A是沿图11的12A-12A线观察到的横截面图；图12B是沿图11的12B-12B线观察到的横截面图13A到13F是示出了生产图11所示的半导体激光器的方法中处理步骤的横截面图；图14是传统AlGaInP半导体激光器的横截面图，该激光器抑制了杂质原子向有源层中的扩散；图15A和图15B是具有窗口结构的传统半导体激光器的横截面图，该激光器减少了COD程度；图16A到16D是示出了生产图15A和图15B所示的半导体激光器的传统方法中处理步骤的横截面图。
优选实施例的详细描述下文中将通过所述的实施例对本发明进行详细说明。
<第一实施例>
图1是根据本发明第一实施例的半导体激光器的透视图，示出了该激光器的光发射端面。图2A是沿图1的2A-2A线观察到的横截面图，示出了包含波导的部分。以及图2B是沿图1的2B-2B线观察到的横截面图。
在图1中，附图标记41表示n型GaAs衬底(载流子浓度2×1018cm-3)，附图标记42表示n型GayInzP(0≤y，z≤1)过渡层(载流子浓度1×1018cm-3，y＝0.515，z＝0.485，膜厚大约0.2μm)，附图标记43表示n型AlxGayInzP(0≤x≤1)第一包层(载流子浓度1×1018cm-3，x＝0.360，y＝0.155，z＝0.485，膜厚大约2μm)。附图标记44表示有源层(MQW有源层)，其构成为交替的AlxGayInzP势垒层(x＝0.258，y＝0.257，z＝0.485；每层的膜厚度约为50埃)和GayInzP阱层(y＝0.485，z＝0.515；每层的膜厚度约为50埃)的多量子阱结构，以及两层AlxGayInzP光导层(x＝0.258，y＝0.257，z＝0.485，膜厚约500埃)，在这两层光导层之间插入该多量子阱结构。
附图标记45表示p型AlxGayInzP第二包层(载流子浓度2×1018cm-3，x＝0.360，y＝0.155，z＝0.485，膜厚大约0.1μm)，附图标记46表示p型刻蚀限制层，附图标记47表示p型AlxGayInzP第三包层(载流子浓度2×1018cm-3，x＝0.360，y＝0.155，z＝0.485，膜厚大约1.2μm)，附图标记48表示p型GayInzP中间层(载流子浓度5×1018cm-3，y＝0.515，z＝0.485，膜厚大约0.05μm)，附图标记49表示p型GaAs保护层(载流子浓度1×1019cm-3，膜厚大约0.5μm)。在本实施例中，p型AlxGayInzP第二包层45和p型AlxGayInzP第三包层47构成了所述的第二包层。
p型第三包层47、p型中间层48和p型保护层49构成了条带形的脊54。硅原子作为n型杂质包含于从n型衬底41到n型第一包层43的各层中，同时铍原子作为p型杂质包含于从p型第二包层45到p型保护层49的各层中。
附图标记50表示n型AlxInzP电流阻碍(收缩)层(载流子浓度1×1018cm-3，x＝0.538，z＝0.462，膜厚大约1.2μm)。形成n型电流阻碍层50从而使脊54的两侧充满n型电流阻碍层50。附图标记51表示p型GaAs接触层(载流子浓度1×1019cm-3，膜厚大约4μm)，附图标记52表示p侧电极，以及附图标记53表示n侧电极。
在具有上述结构的半导体激光器中，n型电流阻碍层50相对于n型衬底41均匀地具有-0.10％的晶格失配率。在该情况下，n型电流阻碍层50的晶格常数a2小于n型衬底41的晶格常数a1(a2＜a1)。
在该半导体激光器中，n型过渡层42、p型刻蚀限制层46、p型中间层48和p型保护层49相对于n型衬底41的晶格失配率为0％。在该情况下，这些层的晶格常数a1与n型衬底41的晶格常数相等。
在该半导体激光器中，n型第一包层43、p型第二包层45和p型第三包层47相对于n型衬底41的晶格失配率为+0.05％。构成部分MQW有源层44的势垒层和光导层相对于n型衬底41的晶格失配率为+0.03％。构成MQW有源层44其它部分的阱层相对于n型衬底41的晶格失配率为+0.22％。在该情况下，n型第一包层43、势垒层、阱层、光导层、p型第二包层45和p型第三包层47的晶格常数大于n型衬底41的晶格常数a1。
在n型电流阻碍层50中，通过调整构成n型电流阻碍层50的AlxInzP的In摩尔分数z给出晶格失配率[Δa/a(％)]。
现将描述相对于n型GaAs衬底41的晶格失配率和Al、Ga和In摩尔分数之间的关系。用于计算相对于n型衬底41的晶格失配率(Δa/a)与Al、Ga和In摩尔分数的关系表达式由以下的等式(1)和(2)给出Δa/a＝-3.5912+7.4z+(0.13135-0.13z)x/(x+y)......(1)x+y+z＝1 ......(2)n型电流阻碍层50对于其晶格失配率为0％的In摩尔分数z为z＝0.476，这是因为等式(1)和(2)中的Δa/a＝0以及y＝0。因此，n型电流阻碍层50的成分是Al0.524In0.476P。另一方面，n型电流阻碍层50对于其晶格失配率为-0.10％的In摩尔分数z是z＝0.462，这是因为等式(1)和(2)中的Δa/a＝-0.10以及y＝0。因此，n型电流阻碍层50的成分是Al0.538In0.462P。也就是说，n型AlxInzP电流阻碍层50相对于n型GaAs衬底41的晶格失配率为负数时的In摩尔分数z2小于n型AlxInzP电流阻碍层50与n型GaAs衬底41晶格匹配时(即晶格失配率为0％时)的In摩尔分数z1。
接着，将依照图3A-3E描述生产具有上述结构的半导体激光器的方法。首先，如图3A所示，通过分子束外延(MBE)在n型GaAs衬底41上外延地依次生长n型GayInzP过渡层42、n型AlxGayInzP第一包层43、MQW有源层44、p型AlxGayInzP第二包层45、p型刻蚀限制层46、p型AlxGayInzP第三包层47、p型GayInzP中间层48和p型GaAs保护层49。
接着，利用已知的光刻技术在p型保护层49上形成沿垂直于激光器腔端面的方向延伸的条带形抗蚀剂掩模55。然后，如图3B所示，利用已知的刻蚀技术，刻蚀p型保护层49、p型中间层48和p型第三包层47，直到达到p型刻蚀限制层46为止，从而形成了宽度约为3μm的条带形的脊54。
接着，去除形成在p型保护层49上的条带形抗蚀剂掩模55，如图3C所示，通过第二MBE过程，使由p型第三包层47、p型中间层48和p型保护层49组成的脊54的两侧充满n型AlxInzP电流阻碍层50。这时，调整In摩尔分数使得n型电流阻碍层50相对于n型衬底41的晶格失配率在n型电流阻碍层50内一致。
其后，如图3D所示，利用已知的光刻技术将抗蚀剂掩模56、56形成在脊54的两侧上形成的n型电流阻碍层50上。然后，利用已知的刻蚀技术，仅仅将在抗蚀剂掩模56之间的开口处的一部分n型电流阻碍层50有选择地刻蚀。接着，如图3E所示，去除形成在n型电流阻碍层50上的抗蚀剂掩模56，并且实施第三MBE过程以形成p型GaAs接触层51。此外，尽管没有示出，但是还在p型接触层51之上形成了p侧电极52并且在n型衬底41的下侧形成了n侧电极53。
此后，因此获得的晶片被分割成多个条，使得腔长为800μm。在各个条两侧的光发射端面镀有反射膜(未示出)。最后，将各个条分割成小片，从而形成单独的半导体激光器。
对利用本实施例的生产方法形成的半导体激光器进行特性评价，该激光器中n型电流阻碍层50相对于n型衬底41的晶格失配率均匀地为0.10％。为了进行比较，制造了12种半导体激光器，其中n型电流阻碍层50相对于n型衬底41的晶格失配率均匀地分别为-0.30％、-0.25％、-0.20％、-0.15％、-0.05％、0％、+0.05％、+0.10％、+0.15％、+0.20％、+0.25％和+0.30％，并且同时也进行对这些激光器的特性的测定。
首先，测定CW 50mW时的振荡波长(λ)。结果本实施例的半导体激光器和用于比较的12种半导体激光器的振荡波长都为655nm。接着，测定在CW 50mW时本实施例的半导体激光器和用于比较的12种半导体激光器的驱动电流(Iop)。
图4示出了关于利用本实施例的生产方法制造的半导体激光器和用于比较的12种半导体激光器，N型电流阻碍层50相对于n型衬底41的晶格失配率和CW50mW时的驱动电流(Iop)之间的关系。在图4中，纵轴示出了在CW 50mW时的Iop(mA)，横轴示出了n型电流阻碍层50相对于n型衬底41的晶格失配率(％)。
如图4所示，在n型电流阻碍层51相对于n型衬底41的晶格失配率为-0.20％或更大但不大于0％的范围内，驱动电流(Iop)不大于85mA。另一方面，在晶格失配率小于-0.20％或者大于0％的范围内，驱动电流(Iop)迅速增加。
通过在n型电流阻碍层50内均匀地提供负晶格失配，间接地向p型第二包层45施加了负应变。因此，在p型第二包层45中具有p型导电性的杂质原子(铍原子)的扩散率降低。从而减少了铍原子向MQW有源层44中的扩散。在晶格失配率不大于0％的范围内，驱动电流(Iop)相应地降低了。然而，在n型电流阻碍层50相对于n型衬底41的晶格失配率小于-0.20％的情况下，n型电流阻碍层50的晶格相对于n型衬底41和p型第二包层45是松弛的，因此引入p型第二包层45的应变的作用消失。由于这一点，铍原子向有源层中的扩散增加并且驱动电流(Iop)增加。
也就是说，如果晶格失配率在-0.20％到0％的范围内(包含端点)，驱动电流(Iop)为85mA或更小。另一方面，如果晶格失配率在小于-0.20％或者大于0％的范围内，驱动电流(Iop)迅速增加。
根据以上描述可以看出，通过将n型电流阻碍层50相对于n型衬底41的晶格失配率设定为-0.20％或更大但不大于0％的范围内，优选-0.15％或更大但不大于-0.05％的范围内，实现了驱动电流的减小。这就是在本实施例的整个n型电流阻碍层50的失配率均匀地为-0.10％的半导体激光器中，驱动电流减小的原因。
<第二实施例>
图5是根据本发明第二实施例的半导体激光器的透视图，示出了该激光器的光发射端面。图6A是沿图5的6A-6A线观察到的横截面图，示出了包含波导的部分。以及图6B是沿图5的6B-6B线观察到的横截面图。
在图5中，附图标记61表示n型GaAs衬底(载流子浓度2×1018cm-3)，附图标记62表示n型GayInzP(0≤y，z≤1)过渡层(载流子浓度1×1018cm-3，y＝0.515，z＝0.485，膜厚大约0.2μm)，附图标记63表示n型AlxGayInzP(0≤x≤1)第一包层(载流子浓度1×1018cm-3，x＝0.360，y＝0.155，z＝0.485，膜厚大约2μm)。附图标记64表示有源层(MQW有源层)，其构成为交替的AlxGayInzP势垒层(x＝0.258，y＝0.257，z＝0.485；每层的膜厚度约为50埃)和GayInzP阱层(y＝0.485，z＝0.515；每层的膜厚度约为50埃)的多量子阱结构，以及两层AlxGayInzP光导层(x＝0.258，y＝0.257，z＝0.485，膜厚约500埃)，在这两层光导层之间插入该多量子阱结构。MQW有源层64包括附图标记64a表示的激光器腔内的MQW有源层区域(下文中称作“有源区域”)，以及附图标记64b表示的MQW有源层区域(下文中称作“窗口区域”)，其位于激光器腔端面附近并且其光激发光峰值波长小于有源区域64a的光激发光峰值波长。
附图标记65表示p型AlxGayInzP第二包层(载流子浓度2×1018cm-3，x＝0.370，y＝0.158，z＝0.472，膜厚大约0.1μm)，附图标记66表示p型刻蚀限制层，附图标记67表示p型AlxGayInzP第三包层(载流子浓度2×1018cm-3，x＝0.370，y＝0.158，z＝0.472，膜厚大约1.2μm)，附图标记68表示p型GayInzP中间层(载流子浓度5×1018cm-3，y＝0.515，z＝0.485，膜厚大约0.05μm)，附图标记69表示p型GaAs保护层(载流子浓度1×1019cm-3，膜厚大约0.5μm)。也就是说，在本实施例中，p型AlxGayInzP第二包层65和p型AlxGayInzP第三包层67构成了所述的第二包层。
p型第三包层67、p型中间层68和p型保护层69构成了条带形的脊74。附图标记75表示通过去除p型中间层68和p型保护层69形成的电流非注入区域。硅原子作为n型杂质包含于从n型衬底61到n型第一包层63的各层中，同时铍原子作为p型杂质包含于从p型第二包层65到p型保护层69的各层中。
附图标记70表示n型AlxInzP电流阻碍(收缩)层(载流子浓度1×1018cm-3，x＝0.538，z＝0.462，膜厚大约1.2μm)。形成n型电流阻碍层70从而使脊74的两侧充满n型电流阻碍层70。附图标记71表示p型GaAs接触层(载流子浓度1×1019cm-3，膜厚大约4μm)，附图标记72表示p侧电极以及附图标记73表示n侧电极。
在具有上述结构的半导体激光器中，p型第二包层65和p型第三包层67相对于n型衬底61的晶格失配率为-0.05％。n型电流阻碍层70相对于n型衬底61的晶格失配率为-0.10％。在该情况下，p型第二包层65、p型第三包层67和n型电流阻碍层70的晶格常数小于n型衬底61的晶格常数。
在该半导体激光器中，n型过渡层62、p型刻蚀限制层66、p型中间层68和p型保护层69相对于n型衬底61的晶格失配率为0％。在该情况下，这些层的晶格常数a1与n型衬底61的晶格常数相等。
在该半导体激光器中，n型第一包层63相对于n型衬底61的晶格失配率为+0.05％。构成部分MQW有源层64的势垒层和光导层相对于n型衬底61的晶格失配率为+0.03％。构成MQW有源层64其它部分的阱层相对于n型衬底61的晶格失配率为+0.22％。在该情况下，n型第一包层63、势垒层、阱层、光导层、p型第二包层65和p型第三包层67的晶格常数大于n型衬底61的晶格常数a1。
在p型第二包层65和p型第三包层67中，通过调整构成这些层的AlxGayInzP中的Al摩尔分数占Al摩尔分数与Ga摩尔分数和的比例(x/(x+y))，使得该比例总是常数(即x/(x+y)＝0.7)并同样调整In摩尔分数z，从而给出晶格失配率(Δa/a)。
在p型第二包层65和p型第三包层67的晶格失配率为-0.05％的情况下，在p型第二和第三包层65和67中的Al摩尔分数x、Ga摩尔分数y和In摩尔分数z是x＝0.370、y＝0.158和z＝0.472，这是因为根据上述等式(1)和(2)中Δa/a＝-0.050并且x/(x+y)＝0.7。因此，p型第二包层65和p型第三包层67的成分是Al0.370Ga0.158In0.472P。
接着，将依照图7A-7F描述生产具有上述结构的半导体激光器的方法。首先，如图7A所示，通过分子束外延(MBE)方法在n型GaAs衬底61上外延地生长n型GayInzP过渡层62、n型AlxGayInzP第一包层63、MQW有源层64、p型AlxGayInzP第二包层65、p型刻蚀限制层66、p型AlxGayInzP第三包层67、p型GayInzP中间层68和p型GaAs保护层69。
在该情况下，对In摩尔分数进行控制使得p型第二包层65和p型第三包层67相对于n型GaAs衬底61的晶格失配率在p型第二包层65和p型第三包层67中分别为均匀的。
接着，如图7B所示，利用已知的光刻技术，在激光器腔端面附近区域中的p型保护层69表面上，以膜76的条带沿垂直于脊条带的方向延伸的方式，形成用作杂质扩散源的60μm宽的条带形ZnvOw(v，w≥1)膜76。该ZnvOw膜76的膜厚度为35nm，膜76的条带间距是800μm，与激光器腔的长度相同。然后，在具有ZnvOw膜76的晶片的整个表面上形成SitOu(t，u≥1)膜77，该膜为介电膜，膜厚度为200nm。
接着，在温度为510℃并且保持时间为2小时的条件下，在氮保护气氛中对晶片实施退火，该晶片的表面覆盖有介电膜SitOu膜77。因此，在形成ZnvOw杂质扩散源膜76的激光器腔端面附近区域中，使来自ZnvOw膜76的Zn原子扩散到MQW有源层64中。同时，包含于从p型第二包层65到p型保护层69各层中的铍原子也扩散到MQW有源层64中，使得激光器腔端面附近区域中的MQW有源层(窗口区域)64b的光激发光峰值波长小于激光器腔内部区域中的MQW有源层(有源区域)64a的光激发光峰值波长。
通过退火在MQW有源层64中形成了有源区域64a和窗口区域64b之后，利用一部分晶片，通过PL方法测定激光器腔端面附近区域中的MQW有源层(窗口区域)64b和激光器腔内部区域中的MQW有源层(有源区域)64a的波长。因此，确认窗口区域64b的发射光谱从有源区域64a的发射光谱向短波长侧移动了38nm。
其后，去除形成在p型保护层69上的ZnvOw膜76和SitOu膜77，并且如图7C所示，利用已知的光刻技术在p型保护层69上形成沿垂直于激光器腔端面的方向延伸的条带形抗蚀剂掩模78。然后利用已知的刻蚀技术，刻蚀p型保护层69、p型中间层68和p型第三包层67，直到达到p型刻蚀限制层66为止，从而形成了条带形的脊74，其宽度约为2μm。
接着，如图7D所示，去除形成在p型保护层69上的条带形抗蚀剂掩模78，通过第二MBE过程将脊74的两侧充满n型AlxInzP电流阻碍层70，其中所述脊74由p型第三包层67、p型中间层68和p型保护层69构成。同时，控制AlxInzP中的In摩尔分数，使得整个n型电流阻碍层70相对于n型衬底61具有均匀的晶格失配率。
其后，利用已知的光刻技术，在脊74的横向侧的n型电流阻碍层70上形成抗蚀剂掩模(未示出)。然后，利用已知的刻蚀技术，仅仅将在抗蚀剂掩模的开口处并且形成在脊74上的一部分n型电流阻碍层70有选择地刻蚀。接着，去除形成在n型电流阻碍层70上的抗蚀剂掩模。再次利用已知的光刻技术形成抗蚀剂掩模79，使得在激光器腔内部区域处形成740μm宽的抗蚀剂掩模条带，如图7E所示，有选择地去除位于激光器腔端面附近区域中、抗蚀剂掩模79开口内的p型保护层69和p型中间层68。形成抗蚀剂掩模79的开口，使其直接位于激光器腔端面附近区域中的MQW有源层(窗口区域)64b之上。
因此，在激光器腔端面附近区域中的p型第三包层67和p型接触层71(将随后形成)之间存在带隙能量差，从而将形成电流非注入区域75。这样形成的电流非注入区域75直接位于窗口区域64b之上。因此，防止了电流注入窗口区域64b中，并且减小了无助于光发射的无功电流。
然后去除激光器腔内部区域中形成的抗蚀剂掩模79。而后如图7F所示，通过第三MBE过程形成p型GaAs接触层71。此外，尽管未示出，但在p型接触层71之上形成p侧电极72，同时在n型衬底61的下侧上形成n侧电极73。
接着，对这样获得的晶片基本上在60μm宽激光器腔端面附近区域的中心处进行划线，并且将其分割成具有腔长度的条。另外，用作光发射端面的各个条的两侧镀有反射膜。然后，将这些条分割成片，从而形成半导体激光器，每个所述激光器在长度为800μm的激光器腔的端面处具有大约30μm宽的窗口区域和电流非注入区域。
对利用本实施例的生产方法形成的半导体激光器进行特性评价，该激光器中p型第二包层65和p型第三包层67相对于n型衬底61的晶格失配率均匀地为-0.05％。为了进行比较，制造了8种半导体激光器，其中p型第二和第三包层65和67相对于n型衬底61的晶格失配率分别均匀地为-0.20％、-0.15％、-0.10％、0％、+0.05％、+0.10％、+0.15％和+0.20％，并且同时也对这些设备的特性进行测定。
首先，测定CW 50mW时的振荡波长(λ)。结果本实施例的半导体激光器和用于比较的8种半导体激光器的振荡波长均为660nm。另外，作为最大光学输出实验的结果，即使当光学输出功率为300mW或更大时，本实施例的半导体激光设备和用于比较的半导体激光器都不受到COD的影响。
根据上述结果，确认了下列各项内容。即，在本实施例的半导体激光器中，其中窗口区域64b的光激发光峰值波长小于有源区域64a的光激发光峰值波长，在窗口区域64b中形成了防止激光吸收的区域，因此抑制了窗口区域64b中COD的发生。
接着，测定在CW 50mW时本实施例的半导体激光器和用于比较的8种半导体激光器的驱动电流(Iop)。
图8示出了关于利用本实施例的生产方法制造的半导体激光器和用于比较的8种半导体激光器，p型第二和第三包层65和67相对于n型衬底61的晶格失配率和CW 50mW时的驱动电流(Iop)之间的关系。在图8中，纵轴示出了CW 50mW时的Iop(mA)，横轴示出了p型第二和第三包层65和67相对于n型衬底61的晶格失配率(％)。
如图8所示，在p型第二包层65和第三包层67相对于n型衬底61的晶格失配率为-0.15％或更大但不大于+0.05％的范围内，驱动电流(Iop)不大于100mA。另一方面，在其晶格失配率小于-0.15％或者大于+0.05％的范围内，驱动电流(Iop)迅速增加。
通过在n型电流阻碍层70内提供负晶格失配，间接地向p型第二包层65施加了负应变。因此，p型第二包层65中铍原子的扩散率降低。此外，通过在p型第二包层65和p型第三包层67中提供负晶格失配，p型第二包层65中铍原子的扩散率进一步降低。从而减少了铍原子向MQW有源层64中的扩散。因此，在晶格失配率不大于0％的范围内，驱动电流(Iop)减小。然而，在p型第二包层65和p型第三包层67相对于n型衬底61的晶格失配率小于-0.15％的情况下，由于在n型电流阻碍层70和p型第二包层65中的负应变，MQW有源层64中逐渐出现晶体缺陷。因此驱动电流(Iop)迅速增加。此外，在p型第二包层65和p型第三包层67相对于n型衬底61的晶格失配率大于+0.05％的情况下，引入p型第二包层65中的应变的作用减小。由于这一点，铍原子向有源层中的扩散增加。
也就是说，如果晶格失配率在-0.15％到+0.05％的范围内(包含端点)，驱动电流(Iop)为100mA或更小。另一方面，如果晶格失配率在小于-0.15％或者大于0.05％的范围内，驱动电流(Iop)迅速增加。
根据以上描述可以看出，通过将p型第二包层65和p型第三包层67相对于n型衬底61的晶格失配率设定为-0.15％或更大但不大于0.05％的范围内，优选-0.10％或更大但不大于0％的范围内，实现了驱动电流的减小。这就是在本实施例的p型第二包层65和p型第三包层67相对于n型衬底61的晶格失配率为-0.05％的半导体激光器中，驱动电流减小的原因。
在本发明的具有窗口结构的半导体激光器中，其中使激光器腔端面附近区域中的MQW有源层(窗口区域)64b的光激发光峰值波长小于激光器腔内部区域中的MQW有源层(有源区域)64a的光激发光峰值波长，将p型第二包层65和p型第三包层67相对于n型衬底61的晶格失配率设定为-0.05％。然而本发明并不限于此。如果将p型第二包层45和p型第三包层47相对于n型衬底41的晶格失配率设定为-0.15％或更大但不大于+0.05％的范围内，优选-0.10％或更大但不大于0％的范围内，也可以利用第一实施例的半导体激光器实现驱动电流的减小。
在本实施例中，n型电流阻碍层70的晶格失配率在n型电流阻碍层内均匀地为-0.10％。然而，如果n型AlxInzP电流阻碍层70相对于n型衬底61的晶格失配率在-0.20％或更大但不大于0％的范围内，优选-0.15％或更大但不大于-0.05％的范围内，那么可以获得和本实施例相同的效果。
<第三实施例>
图9是根据本发明第二实施例的半导体激光器的透视图，示出了该激光器的光发射端面。图10A是沿图9的10A-10A线观察到的横截面图，示出了包含波导的部分。以及图10B是沿图9的10B-10B线观察到的横截面图。
在图9中，附图标记81表示n型GaAs衬底(载流子浓度2×1018cm-3)，附图标记82表示n型GayInzP(0≤y，z≤1)过渡层(载流子浓度1×1018cm-3，y＝0.515，z＝0.485，膜厚大约0.2μm)，附图标记83表示n型AlxGayInzP(0≤x≤1)第一包层(载流子浓度1×1018cm-3，x＝0.360，y＝0.155，z＝0.485，膜厚大约2μm)。附图标记84表示有源层(MQW有源层)，其构成为交替的AlxGayInzP势垒层(x＝0.258，y＝0.257，z＝0.485；每层的膜厚度约为50埃)和GayInzP阱层(y＝0.485，z＝0.515；每层的膜厚度约为50埃)的多量子阱结构，以及两层AlxGayInzP光导层(x＝0.258，y＝0.257，z＝0.485，膜厚约500埃)，在这两层光导层之间插入该多量子阱结构。MQW有源层84包括附图标记84a表示的激光器腔内的MQW有源层区域(下文中称作“有源区域”)，以及附图标记84b表示的MQW有源层区域(下文中称作“窗口区域”)，其位于激光器腔端面附近并且其光激发光峰值波长小于有源区域84a的光激发光峰值波长。
附图标记85表示p型AlxGayInzP第二包层(载流子浓度2×1018cm-3，x＝0.370，y＝0.158，z＝0.472，膜厚大约0.1μm)，附图标记86表示p型刻蚀限制层，附图标记87表示p型AlxGayInzP第三包层(载流子浓度2×1018cm-3，x＝0.370，y＝0.158，z＝0.472，膜厚大约1.2μm)，附图标记88表示p型GayInzP中间层(载流子浓度5×1018cm-3，y＝0.515，z＝0.485，膜厚大约0.05μm)，附图标记89表示p型GaAs保护层(载流子浓度1×1019cm-3，膜厚大约0.5μm)。也就是说在本实施例中，p型AlxGayInzP第二包层85和p型AlxGayInzP第三包层87构成了所述的第二包层。
p型第三包层87、p型中间层88和p型保护层89构成了条带形的脊94。附图标记95表示通过去除p型中间层88和p型保护层89而形成的电流非注入区域。硅原子作为n型杂质包含于从n型衬底81到n型第一包层83的各层中，同时铍原子作为p型杂质包含于从p型第二包层85到p型保护层89的各层中。
附图标记90表示所形成的电流阻碍(收缩)层，从而使条带脊94的两侧充满电流阻碍层90。该电流阻碍层90由n型AlxInzP第一电流阻碍层90a(载流子浓度1×1018cm-3，x＝0.545，z＝0.455，膜厚大约0.3μm)以及n型AlxInzP第二电流阻碍层90b(载流子浓度1×1018cm-3，x＝0.531，z＝0.469，膜厚大约0.9μm)构成。附图标记91表示p型GaAs接触层(载流子浓度1×1019cm-3，膜厚大约4μm)，附图标记92表示p侧电极以及附图标记93表示n侧电极。
在该半导体激光器中，n型第一电流阻碍层90a相对于n型衬底的晶格失配率为-0.15％，n型第二电流阻碍层90b相对于n型衬底81的晶格失配率为-0.05％。也就是说，电流阻碍层的晶格失配率随着在基本上垂直于n型衬底81的方向上与p型第二包层85距离的增加而逐渐增加。在该情况下，n型第一电流阻碍层90a和n型第二电流阻碍层90b的晶格常数小于n型衬底81的晶格常数，而且与n型第二电流阻碍层90b的晶格常数相比，n型第一电流阻碍层90a的晶格常数与n型衬底81的晶格常数相差较少。
在该半导体激光器中，p型第二包层85和p型第三包层87相对于n型衬底81的晶格失配率为-0.05％。在该情况下，p型第二包层85和p型第三包层87的晶格常数小于n型衬底81的晶格常数。
在该半导体激光器中，n型过渡层82、p型刻蚀限制层86、p型中间层88和p型保护层89相对于n型衬底81的晶格失配率为0％。在该情况下，这些层的晶格常数a1与n型衬底81的晶格常数相等。
在该半导体激光器中，n型第一包层83相对于n型衬底81的晶格失配率为+0.05％。构成部分MQW有源层84的势垒层和光导层相对于n型衬底81的晶格失配率为+0.03％。构成MQW有源层84其它部分的阱层相对于n型衬底81的晶格失配率为+0.22％。在该情况下，n型第一包层83、势垒层、阱层、光导层、p型第二包层85和p型第三包层87的晶格常数大于n型衬底81的晶格常数。
在p型第二包层65和p型第三包层67中，通过调整构成这些层的AlxGayInzP中的Al摩尔分数占Al摩尔分数与Ga摩尔分数和的比例(x/(x+y))，使得该比例总是常数(即x/(x+y)＝0.7)并同样调整In摩尔分数z，从而给出了晶格失配率(Δa/a)。此外，在n型第一电流阻碍层90a和n型第二电流阻碍层90b中，通过调整构成这些层的AlxInzP中的In摩尔分数z，从而给出了晶格失配率(Δa/a)。
在p型第二包层85和p型第三包层87的晶格失配率为-0.05％的情况下，在p型第二和第三包层85和87中的Al摩尔分数x、Ga摩尔分数y和In摩尔分数z是x＝0.370、y＝0.158和z＝0.472，这是因为根据上述等式(1)和(2)中Δa/a＝-0.050并且x/(x+y)＝0.7。因此，p型第二包层85和p型第三包层87的成分是Al0.370Ga0.158In0.472P。
另一方面，在晶格失配率为-0.15％的n型第一电流阻碍层90a中的In摩尔分数z是z＝0.455，这是因为根据上述等式(1)和(2)中Δa/a＝-0.15并且y＝0。因此，n型第一电流阻碍层90a的成分是Al0.545In0.455P。此外，在晶格失配率为-0.05％的n型第二电流阻碍层90b中的In摩尔分数z是z＝0.469，这是因为根据上述等式(1)和(2)中Δa/a＝-0.05并且y＝0。因此，n型第二电流阻碍层90b的成分是Al0.531In0.469P。
对本实施例的半导体激光器进行特性评价。为了进行比较，也对第二实施例的半导体激光器进行特性评价。首先，测定CW 50mW时的振荡波长(λ)。结果本实施例的半导体激光器和第二实施例的半导体激光器的振荡波长均为660nm。接着，测定在CW 50mW时的驱动电流(Iop)。结果，本实施例的半导体激光器和第二实施例的半导体激光器的驱动电流(Iop)均为85mA。进行最大光学输出测试。结果即使在光学输出功率为300mW或更大时，本实施例的半导体激光器和第二实施例的半导体激光器均未受到COD的影响。
此外，在70℃和50mW时对半导体激光器进行可靠性测试。当第二实施例的半导体激光器的平均寿命为2000小时时，本实施例的半导体激光器的平均寿命为3000小时，这证明平均寿命提高了。
根据以上描述可以理解，在半导体激光器中，其中n型第一电流阻碍层90a和n型第二电流阻碍层90b相对于n型衬底81的晶格失配率分别为-0.15％和-0.05％，因此电流阻碍层90的晶格失配率总体上随着与p型第二包层85的距离增加而逐渐增加，如在本实施例中，已经实现了驱动电流的降低和长期可靠性的进一步提高。
驱动电流的降低和长期可靠性的进一步提高归因于以下几方面。即，将晶格失配率较小的n型第一电流阻碍层90a设置在p型第二包层85附近，而在离p型第二包层85更远的地方设置晶格失配率较大的n型第一电流阻碍层90b，由此可以减少引入MQW有源层84中的负应变，同时将该负应变间接地施加到p型第二包层85。结果减少了铍原子向有源层中的扩散，抑制了MQW有源层84中结晶度的退化。
在本实施例中，将n型第一电流阻碍层90a和n型第二电流阻碍层90b相对于n型衬底81的晶格失配率分别设定为-0.15％和-0.05％，因此电流阻碍层90的晶格失配率总体上随着其与p型第二包层85的距离增加而逐渐增加。然而，通过将n型第一电流阻碍层90a和n型第二电流阻碍层90b相对于n型衬底81的晶格失配率设定在-0.20％或更大但不大于0％的范围内，优选在-0.15％或更大但不大于-0.05％的范围内，并且也调整电流阻碍层90的晶格失配率使之随着电流阻碍层90远离p型第二包层85而逐渐增加，也可以获得本实施例的效果。
在本实施例中，n型第一和第二电流阻碍层90a、90b由AlxInzP构成，然而如果上述层由AlxInzAsαPβ(0≤α，β≤1)构成，也可以获得本实施例的效果。此外，如果n型第一电流阻碍层90a由AlxInzP构成并且n型第二电流阻碍层90b由AlxInzAsαPβ构成，也可以获得本实施例的效果。
在本实施例中，n型电流阻碍层由两层构成，该两层具有不同的相对于n型衬底81的晶格失配率。然而，如果n型电流阻碍层由三层或者更多层构成，这些层具有不同的相对于n型衬底81的晶格失配率，如果将各层的晶格失配率设定在-0.20％或更大但不大于0％的范围内，优选-0.15％或更大但不大于-0.05％的范围内，并且如果调整这三层或更多层的晶格失配率使与p型第二包层85距离越大的层具有越大的晶格失配率，从而使电流阻碍层的晶格失配率总体上逐渐增加，也可以获得本实施例的效果。
根据本实施例，在窗口结构半导体激光器中，其中使激光器腔端面附近区域中的MQW有源层(窗口区域)84b的光激发光峰值波长小于激光器腔内部区域中的MQW有源层(有源区域)84a的光激发光峰值波长，将n型第一电流阻碍层90a相对于n型衬底81的晶格失配率设定为-0.15％，将n型第二电流阻碍层90b相对于n型衬底81的晶格失配率设定为-0.05％，从而使晶格失配率随着电流阻碍层与p型AlxGayInzP第二包层85的距离增加而逐渐增加。然而本发明并不限于此，同样在第一实施例的半导体激光器中，n型电流阻碍层50可以形成为两层，将n型第一和第二电流阻碍层相对于n型衬底41的晶格失配率设定为-0.20％或更大但不大于0％的范围内，优选-0.15％或更大但不大于0.05％的范围内，从而使n型电流阻碍层50的晶格失配率随着其与p型第二包层45的距离增加而逐渐增加。因此可以实现驱动电流的减小和长期可靠性的改善。
<第四实施例>
图11是根据本发明第一实施例的半导体激光器的透视图，示出了该激光器的光发射端面。图12A是沿图11的12A-12A线观察到的横截面图，示出了包含波导的部分。以及图12B是沿图11的12B-12B线观察到的横截面图。
在图11中，附图标记101表示n型GaAs衬底(载流子浓度2×1018cm-3)，附图标记102表示n型GayInzP(0≤y，z≤1)过渡层(载流子浓度1×1018cm-3，y＝0.515，z＝0.485，膜厚大约0.2μm)，附图标记103表示n型AlxGayInzP(0≤x≤1)第一包层(载流子浓度1×1018cm-3，x＝0.360，y＝0.155，z＝0.485，膜厚大约2μm)。附图标记104表示有源层(MQW有源层)，其构成为交替的AlxGayInzP势垒层(x＝0.258，y＝0.257，z＝0.485；每层的膜厚度约为50埃)和GayInzP阱层(y＝0.485，z＝0.515；每层的膜厚度约为50埃)的多量子阱结构，以及两层AlxGayInzP光导层(x＝0.258，y＝0.257，z＝0.485，膜厚约500埃)，在这两层光导层之间插入该多量子阱结构。MQW有源层104包括附图标记104a表示的激光器腔内的MQW有源层区域(下文中称作“有源区域”)，以及附图标记104b表示的MQW有源层区域(下文中称作“窗口区域”)，其位于激光器腔端面附近并且其光激发光峰值波长小于有源区域64a的光激发光峰值波长。
附图标记105表示p型AlxGayInzP第二包层(载流子浓度2×1018cm-3，x＝0.370，y＝0.158，z＝0.472，膜厚大约0.1μm)，附图标记106表示p型刻蚀限制层，附图标记107表示p型AlxGayInzP第三包层(载流子浓度2×1018cm-3，x＝0.370，y＝0.158，z＝0.472，膜厚大约1.2μm)，附图标记108表示p型GayInzP中间层(载流子浓度5×1018cm-3，y＝0.515，z＝0.485，膜厚大约0.05μm)，附图标记109表示p型GaAs保护层(载流子浓度1×1019cm-3，膜厚大约0.5μm)。也就是说在本实施例中，p型AlxGayInzP第二包层105和p型AlxGayInzP第三包层107构成了权利要求中所述的第二包层。
p型第三包层107、p型中间层108和p型保护层109构成了条带形的脊114。附图标记115表示通过去除p型中间层108和p型保护层109而形成的电流非注入区域。硅原子作为n型杂质包含于从n型衬底101到n型第一包层103的各层中，同时铍原子作为p型杂质包含于从p型第二包层105到p型保护层109的各层中。
附图标记110表示n型AlxInzAsαPβ(0≤α，β≤1)电流阻碍(收缩)层(载流子浓度1×1018cm-3，x＝0.545，z＝0.455，α＝0-0.029，β＝1-0.971，膜厚大约1.2μm)。附图标记111表示p型GaAs接触层(载流子浓度1×1019cm-3，膜厚大约4μm)，附图标记112表示p侧电极以及附图标记113表示n侧电极。
在该半导体激光器中，n型电流阻碍层110相对于n型衬底101的晶格失配率为-0.15％或更大但不超过-0.05％。n型电流阻碍层110中的晶格失配率随着与p型第二包层105的距离增加而增加。在p型第二包层105的附近，n型电流阻碍层110的As摩尔分数α是0，并且其Al摩尔分数x和In摩尔分数是固定的。在该情况下，n型电流阻碍层110的晶格常数小于n型衬底101的晶格常数。
在该半导体激光器中，p型第二包层105和p型第三包层107相对于n型衬底101的晶格失配率为-0.05％。在该情况下，p型第二包层105和p型第三包层107的晶格常数小于n型衬底101的晶格常数。
在该半导体激光器中，n型过渡层102、p型刻蚀限制层106、p型中间层108和p型保护层109相对于n型衬底101的晶格失配率为0％。在该情况下，这些层的晶格常数a1与n型衬底101的晶格常数相等。
在该半导体激光器中，n型第一包层103相对于n型衬底101的晶格失配率为+0.05％。构成部分MQW有源层104的势垒层和光导层相对于n型衬底101的晶格失配率为+0.03％。构成MQW有源层104其它部分的阱层相对于n型衬底101的晶格失配率为+0.22％。在该情况下，n型第一包层103、势垒层、阱层、光导层、p型第二包层105和p型第三包层107的晶格常数大于n型衬底101的晶格常数a1。
在n型电流阻碍层110中，通过调整构成电流阻碍层110的AlxInzAsαPβ的As摩尔分数α，从而给出了晶格失配率(Δa/a)。
以下将描述相对于n型衬底101的晶格失配率和Al、In、As和P摩尔分数之间的关系。用于根据Al、In、As和P摩尔分数计算相对于n型衬底101的晶格失配率(Δa/a)的关系表达式由以下等式(3)给出Δa/a＝-3.45985+7.27×z+3.491×α......(3)如果将In摩尔分数z设定为z＝0.455，那么根据等式(3)，晶格失配率为-0.15％时p型第二包层105附近的n型AlxInzAsαPβ电流阻碍层110的As摩尔分数α为α＝0。因此，n型电流阻碍层110的成分是Al0.545In0.455P。此外，在将In摩尔分数设定为z＝0.455的情况下，根据等式(3)，晶格失配率为-0.05％时n型电流阻碍层110的As摩尔分数α为α＝0.029。因此n型电流阻碍层110的成分是Al0.545In0.455As0.029P0.971。
接着，将依照图13A-13F描述生产具有上述结构的半导体激光器的方法。首先，如图13A所示，通过分子束外延方法在n型GaAs衬底101上外延地生长n型GayInzP过渡层102、n型AlxGayInzP第一包层103、MQW有源层104、p型AlxGayInzP第二包层105、p型刻蚀限制层106、p型AlxGayInzP第三包层107、p型GayInzP中间层108和p型GaAs保护层49。
在这个过程中，控制In摩尔分数使得p型第二包层105和p型第三包层107相对于n型GaAs衬底101分别具有均匀的晶格失配率。
接着，利用已知的光刻技术，在激光器腔端面附近的区域(“激光器腔端面附近区域”)中的p型保护层109的表面上，以膜116的条带沿垂直于脊条带的方向延伸的方式，形成用作杂质扩散源的60μm宽条带形ZnvOw(v，w≥1)膜116。该ZnvOw膜116的膜厚度为35nm，条带间距是800μm，与激光器腔的长度相同。然后，在具有ZnvOw膜116的晶片的整个表面上形成SitOu(t，u≥1)膜177，该膜为介电膜，膜厚度为200nm。
接着，在温度为510℃并且保持时间为2小时的条件下，在氮保护气氛中对表面覆盖有SitOu介电膜177的晶片实施退火。因此，在形成ZnvOw杂质扩散源膜116的激光器腔端面附近区域中，使来自ZnvOw膜116的Zn原子扩散到MQW有源层104中。同时，包含于从p型第二包层105到p型保护层109各层中的铍原子也扩散到MQW有源层104中，使得激光器腔端面附近区域中的MQW有源层(窗口区域)104b的光激发光峰值波长小于激光器腔内部区域中的MQW有源层(有源区域)104a的光激发光峰值波长。
通过退火在MQW有源层104中形成了有源区域104a和窗口区域104b之后，利用一部分晶片，通过PL方法测定激光器腔端面附近区域中的MQW有源层(窗口区域)104b和激光器腔内部区域中的MQW有源层(有源区域)104a的波长。因此确认了窗口区域104b的发射光谱从有源区域104a的发射光谱向短波长侧移动了38nm。
其后，去除形成在p型保护层109上的ZnvOw膜116和SitOu膜117，并且如图13C所示，利用已知的光刻技术在p型保护层109上形成沿垂直于激光器腔端面的方向延伸的条带形抗蚀剂掩模118。然后利用已知的刻蚀技术，刻蚀p型保护层109、p型中间层108和p型第三包层107，直到达到p型刻蚀限制层106为止，从而形成了条带形的脊114，其宽度约为2μm。
接着，如图13D所示，通过实施第二MBE过程，去除p型保护层109上形成的条带形抗蚀剂掩模118，并且使由p型第三包层107、p型中间层108和p型保护层109构成的脊114的两侧都充满n型AlxInzAsαPβ电流阻碍层110。这时，n型电流阻碍层110相对于n型衬底101的晶格失配率在n型电流阻碍层110内变化。通过首先将p型第二包层105附近的n型AlxInzAsαPβ电流阻碍层110中的As摩尔分数α设为0，然后改变As摩尔分数α，同时Al摩尔分数x和In摩尔分数z不变，来控制n型电流阻碍层110的晶格失配率，从而使该晶格失配率随着与p型第二包层105的距离增加而增加。
其后，利用已知的光刻技术，在脊114的横向侧的n型电流阻碍层110上形成抗蚀剂掩模(未示出)。然后，利用已知的刻蚀技术，仅仅将在抗蚀剂掩模的开口处并且形成在脊114上的一部分n型电流阻碍层110有选择地刻蚀。接着，形成抗蚀剂掩模119使得在激光器腔内部区域处形成740μm宽抗蚀剂条带，如图13E所示，有选择地去除位于激光器腔端面附近区域中的、抗蚀剂掩模119开口中的p型保护层109和p型中间层108。形成抗蚀剂掩模119的开口，使其直接位于激光器腔端面附近区域中的MQW有源层(窗口区域)104b之上。
因此，在激光器腔端面附近区域中的p型第三包层107和p型接触层111(将随后形成)之间出现带隙能量差，从而将形成电流非注入区域115。这样形成的电流非注入区域115将直接位于窗口区域104b之上。因此，防止了电流注入窗口区域104b中，并且减小了无助于光发射的无功电流。
然后去除激光器腔内部区域中形成的抗蚀剂掩模119。而后如图13F所示，通过第三MBE过程形成p型GaAs接触层111。此外，尽管未示出，但在p型接触层111之上形成p侧电极112，同时在n型衬底101的下侧上形成了n侧电极113。
接着，对这样获得的晶片基本上在60μm宽激光器腔端面附近区域的中心处进行划线，并且将其分割成具有腔长度的条。另外，用作光发射端面的各个条的两侧镀有反射膜。然后，将这些条分割成小片，从而形成半导体激光器，每个所述激光器在长度为800μm的激光器腔的端面处具有大约30μm宽的窗口区域和电流非注入区域。
对利用本实施例的生产方法形成的半导体激光器进行特性评价。为了进行比较，同时对第二实施例的半导体激光器进行特性评价。
首先，测定CW 50mW时的振荡波长(λ)。结果本实施例的半导体激光器和第二实施例的半导体激光器的振荡波长均为660nm。接着，测定CW 50mW时的驱动电流(Iop)。结果本实施例的半导体激光器和第二实施例的半导体激光器的驱动电流(Iop)均为85mA。进行最大光输出测试。结果本实施例的半导体激光器和第二实施例的半导体激光器即使在光输出功率为300mW或更大时，也都未受到COD影响。即使在光输出功率为300mW或更大时，本实施例的半导体激光器和第二实施例的半导体激光器中均未发生COD。
此外，在70℃和50mW时对半导体激光器进行可靠性测试。当第二实施例的半导体激光器的平均寿命为大约2000小时时，本实施例的半导体激光器的平均寿命为大约3000小时，这证明平均寿命提高了。
根据以上描述可以理解，在半导体激光器中，其中n型AlxInzAsαPβ电流阻碍层110相对于n型衬底101的晶格失配率在-0.15％到-0.05％的范围内变化，因此电流阻碍层的晶格失配率随着与p型第二包层105的距离增加而增加，并且其中在Al摩尔分数x和In摩尔分数z不变的情况下，p型第二包层105附近的n型AlxInzAsαPβ电流阻碍层110的As摩尔分数α为0，已经实现了驱动电流的降低和长期可靠性的进一步提高。
驱动电流的降低和长期可靠性的进一步提高归因于以下几方面。即，在n型电流阻碍层110a内改变或变动负晶格失配率有助于部分引入负应变。同样，改变n型AlxInzAsαPβ电流阻碍层110的As摩尔分数α使其晶格失配率随着与p型第二包层105的距离增加而增加，这有助于减少p型第二包层105附近的n型电流阻碍层110的晶格失配率。也就是说，尽管向p型第二包层105间接地提供负应变，但是减少了引入MQW有源层104中的负应变。因此，铍原子向有源层中的扩散减少并且抑制了MQW有源层104中结晶度的退化。
在本实施例中，将n型电流阻碍层110相对于n型衬底101的晶格失配率设定为-0.15％到-0.05％，该晶格失配率随着与p型第二包层105的距离增加而增加，p型第二包层105附近的n型AlxInzAsαPβ电流阻碍层110的As摩尔分数α为0，Al摩尔分数和In摩尔分数不变。然而，如果将n型电流阻碍层110相对于n型衬底101的晶格失配率设定在-0.20％或更大但不大于0％的范围内，优选在-0.15％或更大但不大于-0.05％的范围内，并且如果调整该晶格失配率使之随着与p型第二包层105的距离增加而增加，并且p型第二包层105附近的n型电流阻碍层110的As摩尔分数α为0，同时Al摩尔分数x和In摩尔分数z不变，也可以获得本实施例的效果。
根据本实施例，在窗口结构半导体激光器中，其中使激光器腔端面附近区域中的MQW有源层(窗口区域)104b的光激发光峰值波长小于激光器腔内部区域中的MQW有源层(有源区域)104a的光激发光峰值波长，将n型第一电流阻碍层110相对于n型衬底101的晶格失配率设定为-0.15％到-0.05％，从而使该晶格失配率随着电流阻碍层与p型第二包层105的距离增加而增加，p型第二包层105附近的n型AlxInzAsαPβ的As摩尔分数α为0，同时Al摩尔分数x和In摩尔分数z不变。然而本发明并不限于此，同样在第一实施例的半导体激光器中，如果将n型电流阻碍层50相对于n型衬底41的晶格失配率设定为-0.20％或更大但不大于0％的范围内，优选-0.15％或更大但不大于-0.05％的范围内，并且如果调整该晶格失配率使其随着与p型第二包层45的距离增加而增加，同时p型第二包层45附近的n型AlxInzP电流阻碍层50的Al摩尔分数x和In摩尔分数z不变，也可以获得本实施例的效果。
以上就是对本发明的描述，显而易见的是其可以有许多方式的变化。这些变化均被视为未背离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员来说是显而易见的，所有修改均包含在以下权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种AlGaInP半导体激光器，其至少包括形成在半导体衬底上的第一导电型第一包层、有源层和第二导电型第二包层，所述第二导电型第二包层在与衬底反向相对的一侧上具有条带形脊，所述激光器具有在该脊的横向两侧上形成的第一导电型电流阻碍层，其中第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率为-0.20％或者更大，但不超过0％。
2.根据权利要求1的半导体激光器，其中激光器腔端面附近区域中的有源层的光激发光峰值波长小于激光器腔内部区域中的有源层光激发光峰值波长。
3.根据权利要求1的半导体激光器，其中第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率在电流阻碍层内是均匀的。
4.根据权利要求1的半导体激光器，其中第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率在电流阻碍层内变化。
5.根据权利要求4的半导体激光器，其中第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率随着该电流阻碍层与第二导电型第二包层中除脊之外的部分的距离增加而增加。
6.根据权利要求5的半导体激光器，其中第一导电型电流阻碍层的晶格失配率在电流阻碍层内逐渐变化。
7.根据权利要求1的半导体激光器，其中第一导电型电流阻碍层由AlxInzP(0≤x≤1，0≤z≤1)构成。
8.根据权利要求5的半导体激光器，其中第一导电型电流阻碍层由AlxInzAsαPβ(0≤x≤1，0≤z≤1，0≤α≤1，0≤β≤1)构成。
9.根据权利要求8的半导体激光器，其中电流阻碍层中的Al摩尔分数x和In摩尔分数z不变，并且第二导电型第二包层附近的电流阻碍层中的As摩尔分数α为0。
10.根据权利要求1的半导体激光器，其中包含于第二导电型包层中的杂质原子是铍原子。
11.根据权利要求1的半导体激光器，其中第二导电型第二包层相对于半导体衬底的晶格失配率为-0.15％或更大但不大于0.05％。
12.根据权利要求1的半导体激光器，其中第一导电型电流阻碍层的晶格失配率小于第二导电型第二包层的晶格失配率。
13.一种生产半导体激光器的方法，其包括形成由AlGaInP材料构成的层状结构，该结构至少包括在半导体衬底上的第一导电型第一包层、有源层和第二导电型第二包层；在第二包层与衬底反向相对的一侧上，将其处理为条带形的脊；使脊的两侧充满第一导电型电流阻碍层，其相对于半导体衬底的晶格失配率为-0.20％或更大但不大于0％。
14.根据权利要求13的生产半导体激光器的方法，其中铍原子作为具有第二导电率的杂质原子，包含于第二导电型第二包层中，该方法进一步包括，在形成层状结构之后和形成条带形的脊之前，在具有层状结构的晶片的激光器腔端面附近区域中，形成杂质扩散源薄膜，其包含具有第二导电率的锌原子；和对形成有杂质扩散源薄膜的晶片进行退火，使得包含在激光器腔端面附近区域的第二导电型第二包层中的具有第二导电率的铍原子和包含在激光器腔端面附近区域的杂质扩散源薄膜中的具有第二导电率的锌原子进入激光器腔端面附近区域的有源层中，从而使激光器腔端面附近区域中有源层的光激发光峰值波长小于激光器腔内部区域中有源层的光激发光峰值波长。
15.根据权利要求13的生产半导体激光器的方法，其中在使脊的两侧充满第一导电型电流阻碍层的步骤中，将AlxInzAsαPβ用作电流阻碍层，在AlxInzAsαPβ中的Al摩尔分数x和In摩尔分数z不变的情况下，控制AlxInzAsαPβ中的As摩尔分数α，使之随着AlxInzAsαPβ与第二导电型第二包层中除脊之外的部分的距离增加而增加。
全文摘要
在一种AlGaInP半导体激光器中，在半导体衬底上至少形成第一导电型第一包层、有源层和第二导电型第二包层。第二包层在与衬底反向相对的一侧上形成条带形的脊，在脊的两侧上设置第一导电型电流阻碍层。第一导电型电流阻碍层相对于半导体衬底的晶格失配率为－0.20％或者更大，但不超过0％。该晶格失配率在电流阻碍层内可以是均匀的。可选择地，该晶格失配率可以随着该电流阻碍层与第二导电型第二包层中除脊之外的部分的距离增加而连续或逐渐增加。
文档编号H01S5/227GK1578027SQ20041005523
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月22日 优先权日2003年7月22日
发明者大久保伸洋 申请人:夏普株式会社