半导体激光器的制作方法

专利名称：半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够从表面发射激光束的面发射半导体激光器，并具体地涉及适用于 需要单模光学输出的情形的面发射半导体激光器。
背景技术：
在垂直于基板的方向上发光的面发射半导体激光器中，多个元件可以以二维形状 排列在同一基板上。例如，当排列为二维形状的面发射半导体激光器用作数字复印设备或 打印机的光源时，像素信息可以通过并行处理输入到光导鼓，从而实现高密度和高速度。因 此，近来面发射半导体激光器已经用作数字复印设备或打印机的光源。用作打印机光源的面发射半导体激光器已经被几个制造商商业化。然而，波带局 限于红外波带(770nm至790nm)。当使振荡波长较短时，束斑(beam spot)可以更小。因 此，可以实现高精确度的打印机。从而，近来已经开发了可以用作打印机光源的红色波带面 发射半导体激光器。例如，美国专利No. 7359421披露了能够将红色波带面发射半导体激光器振荡为 单横模的技术。在美国专利No. 7359421中，由于氧化层的电流窄化实现了强折射系数分 布，所以认为单模特性不好。在美国专利No. 735942 1中，离子注入的增益引导结构(gain guide structure)被用来实现弱折射系数分布。而且，因为电流窄化层通过两次离子注入 形成，所以折射系数上的变化由于热透镜效应(thermal lensing effect)而受到限制。在 美国专利No. 7359421中，认为由于可以通过宽电流窄化来控制横模，所以可以实现高输出 的单模振荡。美国专利No. 7359421的发明人发表了有关红色波带面发射半导体激光器的 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 清楚是否采用了美国专利No. 7359421中的构造。然而，当假设采用了美国专利No. 7359421 中构造时，在环境温度下可以可靠地实现2. Smff的单模光学输出。

发明内容
然而，在“SPIE Vol.6484 Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XI， paper6484-04”中，2. 8mA的阈值太高，并且在高温(60°C )下超过了 3mA。这样高阈值的电 流是可靠性降低的因素。采用面发射半导体激光器作为打印机光源的原因是期待低阈值导 致低下降(drooping)。然而，无法实现低下降的上述方法不被认为是合适的方法。Electronics Letters 19th January 2006 Vol. 42 No. 2 介绍了通过抑制热透 镜效应使激光振荡成单模的方法。在Electronics Letters 19th January 2006 Vol. 42 No. 2 中，也采用增益引导结构。而且，在 Electronics Letters 19th January2006 Vol.42 No. 2中，在一部分台面中采用加热电极(电流源用于加热)。这样，只有电流窄化层的中间 部分被局部加热，因此防止了中间部分的折射系数增加。根据该方法，因为有源层的温度分 布和折射系数分布接近于平滑，所以可以通过宽电流窄化来控制横模。因此，可以获得单模振荡。然而，当设置加热电极时，加工或安装会变得复杂，因此从应用上看并不实际。而且，即使具有使有源层的温度分布平滑的优点，整个装置的温度增加也不可避免。出于这样的 原因，光学输出可能减少，并且因此可靠性可能降低。希望提供这样的半导体激光器，其能够以简单清晰的构造和低阈值电流实现高输 出的单模振荡。根据本发明的实施例，提供了 AlxGayIni_x_yP (其中0χ<1且0<y<l)基有 源层。更具体地讲，该半导体激光器包括柱形层叠结构，该柱形层叠结构从基板开始依次包 括在基板上的第一多层反射镜、有源层、第二多层反射镜和横模调节层，该柱形层叠结构还 包括电流窄化层。电流窄化层包括在面内中间区域中的未氧化区域和在未氧化区域周围的 环形氧化区域。横模调节层包括与未氧化区域对应的高反射区域和在高反射区域周围的环 形低反射区域。假设未氧化区域的直径为D。x，高反射区域的直径为Dhr，则直径Dox和Dto满 足下面的关系，0. 8 < DhlZDox <1.5··· (1)。在该半导体激光器中，有源层可以具有量子阱结构，该量子阱结构通过交替层叠 主要包含AlaGabIni_a_bP(其中0≤a< 1且0<b< 1)的阱层和主要包含Al。GadIni_。_dP(其 中0<c<l且0<d<l)的垒层而形成。电流窄化层可以形成在第二多层反射镜中，并 且可以形成在距有源层(7/4+(η/2)) λ (其中η是等于或大于0的整数)的位置。当操作 温度相对较低(例如，约25°C )时，优选直径D。x和Dto满足0. 8 < DhrZDox <1.0。当操作温 度相对较高(例如，约在40°C至约60°C的范围内)时，直径Dra^PDhr优选满足0.9 < Dto/ Dox < 1. 1，并且更优选为1. 0或几乎接近于1. 0。在根据本发明实施例的半导体激光器中，形成AlxGayIni_x_yP(其中0≤χ < 1且0 < y < 1)基有源层。就是说，有源层由产生红色波带的光的材料形成，红色波带的波长比 红外波带短。该半导体激光器包括电流窄化层，该电流窄化层包括在面内中间区域中的未 氧化区域和在未氧化区域周围的环形氧化区域。所提供的横模调节层包括与未氧化区域对 应的高反射区域和在高反射区域周围的环形低反射区域。而且，直径D。x和Dto满足上面的 公式(1)。这样，可以实现波导的等效折射系数分布弱的系数引导结构。在根据本发明实施例的半导体激光器中，在有源层由产生红色波带的光的材料形 成的激光器构造中，直径Dra^OhJi足上面的公式(1)。通过这样的构造，可以实现波导的 等效折射系数分布弱的系数引导结构。结果，因为可以减少无功电流，所以与折射系数分布 实现为增益引导结构的情况相比，可以实现低阈值。而且，因为可以通过宽电流窄化而控制 横模，所以可以实现高输出的单模振荡。在本发明的实施例中，因为不需要采用特殊的结构 或特殊的工艺，所以可以以简单清晰的结构实现单模的激光振荡。从而，在本发明的实施例 中，可以以简单清晰结构和低阈值电流实现高输出的单模振荡。


图1是图解根据本发明实施例的半导体激光器的截面图。图2A和2B是图解图1所示的半导体激光器的一部分的放大示意图。图3是图解在图1所示的半导体激光器的单模中最大输出特性和温度依赖性的示意图。
图4A至4C是图解图1所示的半导体激光器的I-L特性和斜率效率的示意图。图5A和5B是图解在图1所示的半导体激光器的电流窄化层中驻波位置关系的示 意图。
图6A和6B是图解在根据比较示例的半导体激光器的电流窄化层中驻波位置关系 的示意图。图7A和7B是图解图1所示的半导体激光器的制造工艺的截面图。图8A和8B是图解图7A和7B中的半导体激光器的制造工艺的截面图。图9A和9B是图解图8A和8B中的半导体激光器的制造工艺的截面图。
具体实施例方式在下文，将参考附图详细描述本发明的实施例。将以下面的顺序进行描述。1.构造2.制造方法3.操作效果1.构造图1是图解根据本发明实施例的面发射半导体激光器1的构造的截面图。图2的 部分(A)是图解图1所示的半导体激光器1的上部的放大图。半导体激光器1具有层叠结 构20，在该层叠结构20中例如下DBR层11、下间隔层(spacer layer) 12、有源层13、上间 隔层14、上DBR层15和接触层16从基板10开始依次层叠在基板10的一个表面上。例如， 宽度为约20 μ m至约50 μ m的柱形台面部分17形成在层叠结构20的上部中，具体地，在下 DBR层11、下间隔层12、有源层13、上间隔层14、上DBR层15和接触层16的一部分中。下DBR层11对应于根据本发明实施例的"第一多层反射镜"的具体示例。上DBR 层15对应于根据本发明实施例的"第二多层反射镜"的具体示例。下间隔层12对应于 根据本发明实施例的"第一间隔层"的具体示例。上间隔层14对应于根据本发明实施例 的"第二间隔层"的具体示例。由层叠结构20和横模调节层(lateral mode adjusting layer)30形成的层叠结构对应于根据本发明实施例的"层叠结构"的具体示例。基板10例如由η型GaAs形成。η型杂质的示例包括硅(Si)或硒(Se)。下DBR层 11通过交替层叠低折射系数层(未示出)和高折射系数层(未示出)而形成。下DBR层11 的最上层例如是高折射系数层。低折射系数层例如由光学厚度为λ/4(其中λ是振荡波 长)的η型AleGanAs (其中0<e<l)形成。高折射系数层例如由光学厚度为λ/4(其 中入是振荡波长)的η型AlfGawAs (其中0 < f < 1)形成。下间隔层12例如由AlgGahIni_g_hP (其中0<g<l且0<h<l)形成。有源层 13由AlxGayIni_x_yP (其中0彡χ<1且0<y<l)基化合物半导体形成。就是说，在根据 该实施例的半导体激光器1中，有源层13由产生红色波带的光的材料形成，红色波带的波 长短于红外波带。而且，AlxGayIni_x_yP基化合物半导体是指至少包含Al、Ga和In中的Ga、 In以及As的化合物半导体。有源层13具有量子阱结构，该量子阱结构通过交替层叠主要包含 AlaGabIn1IbP(其中0彡a< 1且0<b< 1)的阱层(未示出)和主要包含Al。GadIni_。_dP(其 中0<c<l且0<d<l)的垒层(未示出)而形成。在有源层13中，面对稍后描述的未氧化区域18B的区域成为发光区域13A。发光区域13A对应于电流注入区域，在稍后描述 的电流窄化层(current narrowing layer) 18中变窄的电流被注入到该电流注入区域。发 光区域13A是基横模(basic lateralmode)振荡主要发生的区域。围绕发光区域13A的环 形圆周区域用作高阶横模(high-order lateral mode)振荡主要发生的区域。 上间隔层14例如由AljGakIni_j_kP(其中0 < j < 1且0 < k < 1)形成。下间隔 层12、有源层13和上间隔层14优选不包含杂质，但可以包含ρ型或η型杂质。ρ型杂质的 示例包括锌(Zn)、镁(Mg)和铍(Be)。这里，层叠结构20的上DBR层15侧的腔长度L1 (有源层13的沿其厚度方向的中 间部分与上间隔层14的表面之间的距离)例如设定到(1/2) λ或(l+(m/2)) λ (其中，m 是等于或大于0的整数，λ是振荡波长)。与(1/2) λ的腔长度1^相比，在(1+(πι/2))λ 的腔长度L1中可以进一步减少载流子溢出的发生。而且，随着腔长度L1的变大，稍后描述 的电流窄化层18距有源层13的距离L2必然变远。因此，能够实现系数引导结构(index guidestructure)，在该系数引导结构中层叠结构20中传播光的区域(波导)的等效折射 系数分布变弱。然而，随着电流窄化层18距有源层13的距离L2变远，横向泄漏电流变大。 因此，优选腔长度L1S λ或(3/2)λ。层叠结构20中下DBR层11侧的腔长度(有源层13 沿其厚度方向的中间部分与下间隔层12的下表面之间的距离)例如设定到(1/2) λ。例如，如图2所示，上DBR层15通过交替层叠低折射系数层15Α和高折射系数层 15Β而形成。上DBR层15的最上层例如为高折射系数层15Β，并且DBR层15的最下层例如 也为高折射系数层15Β。这里，低折射系数层15Α例如由厚度为λ/4的ρ型AlpGai_pAs (其 中0<ρ<1)形成。高折射系数层15B例如由厚度为λ/4的ρ型AlqGahAs (其中0<q < 1)形成。然而，在上DBR层15中，代替低折射系数层15A，电流窄化层18形成在距有源层 13预定距离的一部分低折射系数层15A中。在电流窄化层18中，面内中间部分是未氧化区 域18B，并且围绕未氧化区域18B的环形圆周区域是氧化区域18A。未氧化区域18B例如由 ρ型ALGahAs (其中0<r彡1)形成，因此具有导电性。另一方面，电流狭窄区域18A例 如通过从台面部分17的侧表面氧化ρ型AlfahAs层(稍后描述的氧化层18D)而形成，因 此具有绝缘性。从而，电流窄化层18具有使从上电极22和下电极25注入的电流变窄的作 用。优选电流窄化层18形成的位置(驻波的节点)距离有源层13 (有源层13沿其厚 度方向的中间部分)为(7/4+(η/2)) λ (其中η是等于或大于0的整数)。如下所述，这是 因为可以实现波导的等效折射系数分布变弱的系数引导结构。这里，当腔长度L1S λ时， 电流窄化层18形成在有源层13侧的第四层(低折射系数层15Α)的一部分中。或者，当腔 长度L1是(3/2) λ时，电流窄化层18形成在有源层13侧的第二层(低折射系数层15Α)的 一部分中。接触层16例如由ρ型GaAs形成，并且具有例如在面对未氧化区域18Β的区域中 的圆形开口。如图1和图2的部分㈧所示，横模调节层30和上电极22设置在台面部分17的 上表面上。保护膜21形成在台面部分17的侧表面和周边(基底部分)上。电极焊盘24 设置在与保护膜21中的台面部分17周边对应的表面上。下电极25设置在基板10的背表面上。横模调节层30例如包括第一调节层31、第二调节层32和第三调节层33，并且形成在与半导体激光器1的发光区域对应的区域中(例如，接触层16的开口中)。第一调节 层31和第二调节层32依次层叠在出光区域的中间区域中，即在横模振荡主要发生的区域 中。尽管未示出，多个第一调节层31和多个第二调节层32可以层叠为多对第一调节层31 和第二调节层32。第一调节层31和第二调节层32形成为对应于未氧化区域18B，如下所 述。第三调节层33形成在围绕出光区域的环形圆周区域中，即在高阶横模发生的区域中。 第三调节层33形成为对应于氧化区域18A，如下所述。具体地讲，厚度为(2α-1) λ/4ηι (其中α是等于或大于1的整数，且Ii1是折射 系数)的第一调节层31由折射系数Ii1低于第一调节层31的基底层的折射系数的材料形 成，例如，诸如SiO2(氧化硅)的介电材料。第一调节层31的基底层是例如设置在上DBR 层15的最上表面上的高折射系数层15Β。具体地讲，厚度为(2β-1) λ/4η2 (其中β是等 于或大于1的整数，且η2是折射系数)的第二调节层32由折射系数Ii2高于第一调节层31 的折射系数的材料形成，例如，诸如SiN(氮化硅)的介电材料。具体地讲，厚度为(2Υ-1) λ/4η3(其中Y是等于或大于1的整数，且ri3是折射系数)的第三调节层33由折射系数 高于第一调节层31的折射系数的材料形成，例如，诸如SiN(氮化硅)的介电材料。优选 第二调节层32和第三调节层33由相同的材料形成为具有相同的厚度。这是因为这些层可 以一起制造，因此可以简化制造工艺。由第一调节层31和第二调节层32形成的层叠结构用于以高反射率反射从有源层 13输出的光。从而，形成该层叠结构的区域用作高反射区域23Α。另一方面，第三调节层33 以低反射率反射从有源层13输出的光。从而，形成第三调节层33的区域用作低反射区域 23Β。当假设高反射区域23Α的反射率为R1、低反射区域23Β的反射率为R2,并且出光区 域不形成调节层的区域的反射率为R3时，优选各反射率调节为满足下面的关系式(见图2 的部分(B)中的反射率分布)，R1 彡 R3 > R2。这样，可以仅抑制高阶横模振荡，而不减少基横模的光输出。例如，当第一调节层31的反射率为1. 6并且第二调节层32和第三调节层33的反 射率为2. 0时，高反射区域23A的反射率R1例如为99. 6%，并且低反射区域23B的反射率 R2例如为97. 2%。另外，反射率R3为99. 5%。因此，甚至在反射率因小的差别而降低时， 在低反射区域23B中增益也减少。从而，可以仅抑制高阶横模振荡，而不减少基横模的光输 出ο例如，由氧化物材料或氮化物材料制成的保护膜21形成为覆盖台面部分17的侧表面和周边(基底部分)。上电极22和电极焊盘24例如通过依次层叠Ti、Pt和Au而形 成，并且电连接到接触层16。上电极22在与接触层16的开口对应的区域中具有开口。例 如，当从半导体激光器1的上表面观察时，上电极22的开口与接触层16的开口一起形成一 个开口(发光开口 23)。接触层16和上电极22的开口可以不具有相同的内径，上电极22 的开口的内径可以大于接触层16的开口的内径。下电极25通过从基板10的横向部分依 次层叠例如Au和Ge的合金层、Ni和Au而形成，并且电连接到基板10。
接下来，将参考图3和图4A至4C描述高反射区域23A的直径Dto和电流窄化层18 的氧化窄化直径D。x(未氧化区域18B的直径)之间的关系。图3是图解Dto/D。x与单模的 最大输出之间的关系示例的示意图。在图3中，当电流窄化层18在形成在层叠结构20中 的驻波节点并且形成在与有源层13相距(7/4) λ的位置(见稍后描述的图5Α)时获得由 实线表示的该实施例的结果。下面，将详细描述电流窄化层18的位置。在图3中，通过用 AlGaAs基(红外基)材料形成有源层而获得由虚线表示的比较示例的结果。图4Α是图解 DhrZDox = 0. 8情况下I-L特性和斜率效率(I-L曲线的斜率)示例的示意图。图4Β是图解 DhrZDox = 1. 0情况下I-L特性和斜率效率示例的示意图。图4C是图解DhrZDra > 1. 0情况 下I-L特性和斜率效率示例的示意图。如上所述，第一调节层31和第二调节层32 (高反射区域23Α)形成为对应于未氧 化区域18Β。具体地讲，高反射区域23Α的中心轴(未示出)和未氧化区域18Β的中心轴 (未示出)位于同一条线上。而且，高反射区域23Α的直径Dhr和未氧化区域18Β的直径D。x 满足下面的关系式0. 8 < DhrAtox <1.5··· (1)。 这里，当DhrZiDra的值为0. 8时，I-L特性的线性差，并且振荡输出不大，如图4A所 示。而且，当DhyD。xm值小于0.8时，I-L特性的线性更差，并且难于进行振荡。当Dto/D。x 的值为1. 5时，在斜率效率上出现大的拐点，因此高阶模呈现为对应于拐点的输出，如图4C 所示。而且，当Dto/D。xW值超过1.5时，高阶模也呈现为对应于拐点的输出。此外，当Dto/ Dox的值为1. 0时，I-L特性的线性好，不存在呈现高阶模的拐点，因此基横模振荡稳定，如图 4B所示。从这一点上看，上面的关系式表示了在通常的温度条件下以低阈值以及稳定的方 式实现高输出单模振荡的范围。从而，当直径Dra^n DhJ^足上式(1)时，可以实现温度特性 良好的单模振荡。然而，当操作温度相对较低(例如，约25°C)时，直径Dra^PDhr优选满足关系0.8 < DhrZDraC 1.0。或者，当操作温度相对较高(例如，在约40°C至约60°C的范围内)时，直 径D。x和Dhr优选满足关系0. 9 < Dhr/Dox < 1. 1，并且更优选为1. 0或接近1. 0。当直径D。x 和Dto满足上面的关系时，对于上述温度范围可以实现单模的最大输出。对于Dto/D。x的值，发光开口 23的内径值成为物理上限。这是因为当Dhr的值与发 光开口 23的内径相同时，在整个发光开口 23中形成高反射区域23A，而不存在低反射区域 23B。当高反射区域23A形成在整个发光开口 23中时，单模的最大输出、I-L特性和斜率效 率与Dto/D。x的值远大于1的情况相同。从而，当高反射区域23A形成在整个发光开口 23中 时单模的最大输出与例如图3中Dto/D。x值为1. 5或更大时单模的最大输出相同。当高反射 区域23A形成在整个发光开口 23中时I-L特性和斜率效率例如与图4C相同。然而，在根据比较示例的红外基激光器中，单模输出最大时的Dto/D。x值明显小于 非常适合于根据本实施例的半导体激光器1的范围(上式(1))。这源自于激光器材料的 不同。就是说，在红外基激光器中，实现了波导的等效折射系数分布强的系数引导结构。从 而，当直径D。x为5 μ m以上而小于10 μ m时，在发光区域中容易发生第三阶模的振荡。而 且，I-L特性的线性变差，因为在上面的范围内直径D。x较大。然而，即使直径0 在上述范 围内时，也可以通过优化其它条件而抑制第三阶或更高阶模的振荡。在温度特性上，红外基 材料优于红色基材料。因此，即使使电流窄化层的直径0 小到使来自有源层的热量大的程度时，也难于改变激光器的特性。从而，从几个方面来看，在红外基材料中优选直径D。x小而 不是直径D。x大。因此，通过设定直径D。x为小于5 μ m，能够抑制第三阶模或更高阶模。结 果，在红外基激光器中，单模最大输出的Dto/D。x值变为约0. 5以下。
另一方面，在红色基激光器中，实现了波导的等效折射系数分布相对较弱的系数 引导结构。这样，当未氧化区域18B的直径D。x为5 μ m以上到10 μ m以下时，产生在发光区 域中不存在第三阶模振荡的分布。此外，当未氧化区域18B的直径0 为IOym以上时，产 生在发光区域中存在第三阶模振荡的分布。从而，通过提供横模调节层30并且调节直径Dto 以使得直径Dra^P DhJ^足上式(1)，可以防止第三阶模振荡。因此，可以获得高输出的单模 振荡。在红色基激光器中，当未氧化区域18Β的直径D。x小于5μπι时，可以抑制第二阶 模，因此由于器件热阻上的增加，光学输出可能退化。出于这样的原因，优选未氧化区域18Β 的直径D。x为5 μ m以上。在红色基激光器中，当未氧化区域18B的直径D。x为10 μ m以上 时，如上所述难于选择性地抑制第三阶模振荡。从而，优选未氧化区域18B的直径D。x小于 10 μ m。接下来，将参考图5A和5B以及图6A和6B描述层叠结构20中形成在面内方向上 的适合于系数引导结构的折射系数分布。图5A是图解在层叠结构20中产生的驻波40的 示意图。图5B是图解波导的等效折射系数分布示例的示意图。图6A是图解在根据比较示 例的半导体激光器的层叠结构20中产生的驻波40的示意图。图6B是图解根据比较示例 的半导体激光器的波导的等效折射系数分布示例的示意图。图5B和6B都示出了折射系数 分布、单模的发光亮度I1和第二阶模的发光亮度12。在图5A和6A中，在层叠结构20中产生的驻波40的波腹(anti-node) 41位于有 源层13沿其厚度方向的中间部分处。在图5A和6A中，上DBR层15的腔长度L1为(3/2) λ，下DBR层11的腔长度为(1/2) λ。在图5Α中，电流窄化层18设置在上DBR层15靠近 有源层13的第四层的一部分(驻波40的节点42的位置)中。电流窄化层18和有源层13 之间的距离L2为(7/4) λ。在图6Α中，电流窄化层18设置在上DBR层15靠近有源层13 的第三层的一部分(驻波40的波腹41的位置)中。电流窄化层18和有源层13之间的距 离 L2 为(6/4) λ。从附图可以知道下面的事实。首先，当电流窄化层18设置在节点42的位置时，与 电流窄化层18设置在波腹41的位置的情况相比，实现了波导的等效折射系数分布较弱的 较弱系数引导结构。这是因为，当电流窄化层18设置在波腹41的位置时，光场受到未氧化 区域18Β的低折射系数的影响，上间隔层14的有效折射系数变低，芯部分(core portion) 和盖层部分(cladportion)之间的折射系数差变大。而且，这是因为当电流窄化层18设置 在节点42的位置时，光场很少受到未氧化区域18B的低折射系数的影响，上间隔层14的有 效折射系数没有变低，从而芯部分和盖层部分之间的折射系数差小。在图5A中，当电流窄化层18的厚度为30nm时，由芯部分的折射系数和盖层部分 的折射系数之差除以芯部分的折射系数获得的值Δη((芯部分的折射系数-盖层部分的折 射系数)/ (芯部分的折射系数))小于0. 1 %。此外，在图6Α中，当电流窄化层18的厚度 为30nm时，值Δη大于0.5%。在该实施例中，“弱系数引导结构"是指具有Δη例如小 于0.1%的折射系数分布的系数引导结构。在该实施例中，“强系数引导结构"是指具有Δη例如大于0.5%的折射系数分布的系数引导结构。随着驻波远离有源层13，驻波40的幅度变弱。从而，当电流窄化层18设置在远离有源层13的节点42的位置时，与电流窄化层18设置在靠近有源层13的节点42位置的情 况相比，实现了折射系数分布更弱的系数引导结构。从而，通过将电流窄化层18设置在远 离有源层13的节点42的位置，可以实现折射系数分布更弱的系数引导结构。然而，不优选 电流窄化层18距有源层13很远，因为电流窄化层18和有源层13之间的距离L2变大，横 向泄漏电流也将变大。2.制造方法例如，根据该实施例的半导体激光器1可以通过下面的方法制造。图7Α和7Β至图9Α和9Β是图解半导体激光器的制造方法的示意图。图7Α和7Β 以及图8Α和8Β是在制造工艺中沿着图1的A-A线剖取的装置截面图。这里，例如通过MOCVD (金属有机化学气相沉积)法，在由GaAs形成的基板10上 形成化合物半导体层。III-V族化合物半导体的材料示例包括三甲基铝(TMA)、三甲基镓 (TMG)、三甲基铟(TMIn)、磷化氢(PH3)和砷化氢(AsH3)。例如，H2Se用作施主杂质的材料。 例如，二甲基锌(DMZ)用作受主杂质的材料。下DBR层11、下间隔层12、有源层13、上间隔层14、上DBR层15和接触层16首先 依次层叠在基板10上(见图7Α)。在此情况下，氧化层18D形成在上DBR层15的预定位置 中。氧化层18D是经历稍后描述的氧化工艺以成为电流窄化层18的层，并且由ρ型AlAs 形成。下DBR层11中的低折射系数层和高折射系数层的Al组分值(e，f)、上DBR层15 中的低折射系数层15A和高折射系数层15B的Al组分值(p，q)以及电流窄化层18中未氧 化区域18B的Al组分值(r)满足下面的关系式，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。接下来，抗蚀剂层(未示出)形成在整个表面上，然后抗蚀剂层仅保留在对应于台面部分17表面的部分中。随后，通过选择性蚀刻下间隔层12、有源层13、上间隔层14、上 DBR层15和接触层16的一部分而形成台面部分17(见图7B)。随后，去除抗蚀剂层。随后，在水蒸气气氛中高温进行氧化工艺，以从台面部分17的外侧选择性地氧化 氧化层18D的Al。这样，氧化层18D的外圆周区域变为绝缘层(氧化的铝)。就是说，氧化 层的环形圆周区域变为氧化区域18A，并且氧化层的中间区域变为未氧化区域18B(为电流 注入区域)(见图8A)。随后，例如通过真空气相沉积法在整个表面上层叠上述金属材料，然后例如通过 选择性蚀刻在台面部分17的表面上形成环形上电极22。随后，在整个表面上形成抗蚀剂层 (未示出)，然后在与上电极22的开口对应的部分形成开口。随后，选择性蚀刻接触层16 以在接触层16中形成开口。这样，形成发光开口 23 (见图8B)。随后，去除抗蚀剂层。随后，例如通过CVD (化学气相沉积)，在整个表面上堆叠上述介电材料(厚度(λ/4)的奇数倍)。随后，选择性蚀刻除与发光开口 23的中间区域对应的部分之外的部 分，以形成第一调节层31 (见图9Α)。随后，通过上面的方法在整个表面上堆叠上述介电材 料(厚度(λ/4)的奇数倍)，然后选择性蚀刻介电材料。这样，暴露了上电极22的表面，并且一起形成第二调节层32、第三调节层33和保护膜21 (见图9B)。随后，例如通过真空气相沉积法在整个表面上层叠上述金属材料，然后例如通过 选择性蚀刻在台面部分17的周围形成电极焊盘24。随后，抛光并蚀刻基板10的背表面，以 形成厚度为100 μ m的基板10。最后，在基板10的背表面上形成下电极25。这样，制造得 到了根据该实施例的半导体激光器1。3.操作效果 在具有上述构造的半导体激光器1中，当在上电极22和下电极25之间施加预定 的电压时，经由电流窄化层18的未氧化区域18B将电流注入到有源层13，因此通过电子和 空穴的复合发光。该光被成对的下DBR层11和上DBR层15反射，然后通过发生预定波长 λ的激光振荡而作为激光束出射。在该实施例中，AlxGayIni_x_yP (其中0彡χ<1且0<y<l)基有源层13设置在 半导体激光器1中。就是说，有源层13由产生红色波带的光的材料形成，红色波带的波长 比红外波带短。半导体激光器1包括电流窄化层18，该电流窄化层18包括在面内中间区域 中的未氧化区域18B和在未氧化区域18B周围的环形氧化区域18A。所提供的横模调节层 30包括与未氧化区域18B对应的高反射区域23A和在高反射区域23A周围的环形低反射区 域23B。而且，直径Dra^P DhJ^足上面的公式(1)。这样，可以实现波导的等效折射系数分 布弱的系数引导结构。在该实施例中，例如，电流窄化层18形成在距有源层13(有源层13 沿其厚度方向的中间部分)(7/4+(η/2)) λ的位置(驻波的节点)处。这样，可以实现弱系 数引导结构。结果，因为可以减少无功电流，所以与折射系数分布实现为增益引导结构的情况 相比，可以实现低的阈值。而且，可以通过宽电流窄化而控制横模，并可以实现高输出的单 模振荡。在该实施例中，因为不需要采用特殊的结构或者特殊的工艺，所以可以以简单清晰 的结构实现单模的激光振荡。从而，在该实施例中，可以以简单清晰的结构和低阈值电流实 现高输出的单模振荡。在该实施例中，当电流窄化层18形成在远离有源层13的位置时，腔长度Ll可以 设定到(1/2) λ，并且电流窄化层18可以设置在上DBR层15中以比较靠近发光开口 23。 或者，在电流窄化层18固定到上DBR层15中的位置的状态下，层叠结构20中上DBR层15 侧的腔长度L1可以大于(1/2) λ。在后者的情况下，与腔长度L1设定到(1/2) λ的情况相 比，可以减少载流子溢出的发生。结果，可以进一步改善温度特性。本发明包含2009年3月23日提交至日本专利局的日本优先权专利申请 JP 2009-070228以及2009年4月1日提交至日本专利局的日本优先权专利申请JP 2009-089306中公开的相关主题事项，其全部内容通过弓I用结合于此。本领域的技术人员应当理解的是，在所附权利要求或其等同方案的范围内，根据 设计需要和其他因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。
权利要求
一种半导体激光器，包括柱形层叠结构，从基板开始依次包括所述基板上的第一多层反射镜、第一间隔层、AlxGayIn1-x-yP基有源层、第二间隔层、第二多层反射镜和横模调节层，其中0≤x＜1且0＜y＜1，所述柱形层叠结构还包括电流窄化层，其中所述电流窄化层包括在面内中间区域中的未氧化区域，以及在所述未氧化区域周围的环形氧化区域，其中所述横模调节层包括与所述未氧化区域对应的高反射区域，以及在所述高反射区域周围的环形低反射区域，并且其中假设所述未氧化区域的直径为Dox，所述高反射区域的直径为Dhr，则直径Dox和Dhr满足下面的关系0.8＜Dhr/Dox＜1.5。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中所述有源层具有量子阱结构，该量子阱 结构通过交替层叠主要包含AlaGabIn1IbP的阱层和主要包含Al。GadIni_。_dP的垒层而形成， 其中 0 彡 a<l 且 0<b<l，0<c<l 且 0<d<l。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中所述电流窄化层形成的位置距所述有源 层(7/4+(η/2)) λ的距离，其中η是等于或大于0的整数。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其中所述电流窄化层形成在所述第二多层反 射镜中。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中直径Dra^nDhJ^足下面的关系Dhr/Dox — 1 ο
6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中直径0 满足下面的关系5 μ m ^ Dox < 10 μ m。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的半导体激光器，其中在所述层叠结构中所述 第二间隔层侧的腔长度为(l+(m/2)) λ，其中m是等于或大于0的整数，λ是振荡波长。
8.根据权利要求7所述的半导体激光器，其中所述腔长度为λ或(3/2)λ。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中所述高反射区域由依次层叠第一调节层和第二调节层的结构形成，所述第一调节 层的厚度为(2 α-1) λ/4ηι并且所述第一调节层的折射系数Ii1低于所述第一多层反射镜表 面的折射系数，所述第二调节层的厚度为(2 β-1) λ/4η2并且所述第二调节层的折射系数 η2高于所述第一调节层的折射系数，其中α是等于或大于1的整数，λ是振荡波长，β是 等于或大于1的整数，而且其中所述低反射区域由第三调节层形成，所述第三调节层的厚度为(2Υ-1)入/4113并 且所述第三调节层的折射系数113高于所述第一调节层的折射系数，其中Y是等于或大于1 的整数。
10.根据权利要求9所述的半导体激光器，其中所述第一调节层由氧化物材料形成，所 述第二调节层和所述第三调节层由氮化物材料形成。
全文摘要
本发明提供半导体激光器。该半导体激光器包括柱形层叠结构，该柱形层叠结构从基板开始依次包括基板上的第一多层反射镜、第一间隔层、AlxGayIn1-x-yP(其中0≤x＜1且0＜y＜1)基有源层、第二间隔层、第二多层反射镜和横模调节层，该柱形层叠结构还包括电流窄化层。电流窄化层包括在面内中间区域中的未氧化区域和在未氧化区域周围的环形氧化区域。横模调节层包括与未氧化区域对应的高反射区域和在高反射区域周围的环形低反射区域。假设未氧化区域的直径为Dox，高反射区域的直径为Dhr，则直径Dox和Dhr满足下面0.8＜Dhr/Dox＜1.5的关系。
文档编号H01S5/00GK101847822SQ201010135829
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月16日 优先权日2009年3月23日
发明者前田修, 荒木田孝博, 谷口健博 申请人:索尼公司