專利名稱：半導體激光器及使用該激光器的光盤裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用作為光盤系統的光源的自激振蕩型半導體激光器及使用這樣一半導體激光器的光盤裝置。
隨著近來在光學通信、激光打印機、光盤裝置等領域中對半導體激光器需求的增加，已主要對GaAs型和InP型半導體激光器進行了積極地研究和開發。在光學信息處理領域中，一種使用來自AIGaAs型半導體激光器的具有780nm波長的光來記錄及再現信息的方法特別地已被商品化。這樣一方法已被廣泛地用于緊致盤等。
近年來，對帶有較大存儲器容量的光盤裝置的需求增加。隨著此需求，需要更短波長的激光器。ALGaInP型半導體激光器可在630至690nm波長的紅區域中振蕩，自半導體激光器獲得的這些光中具有最短波長的發射光實際上在目前是可利用的。因此，這種類型的半導體激光器被很高地期望成為替代常規的AIGaAs型半導體激光器的用于光學信息記錄的下一代大容量光源。通常，當再現一光盤的信息時，由于自一盤表面反射的光的返回及溫度變化，半導體激光器會產生強度噪聲，導致信號讀取誤差。因此，必需一種用于光盤光源的具有較低強度噪聲的激光器。
通常，為了降低噪聲，用于僅能再現的裝置的低輸出AIGaAs型半導體激光器具有這樣一結構有意地在一脊形條的各側上形成可飽和吸收器。具有這一結構，可獲得多個縱模。在當激光在單一縱模中被振蕩時，產生例如返回光和溫度變化的干擾的情況下，在一相鄰縱模中的振蕩由一增益峰中的微小變化而被啟動，致使與原始振蕩模中的振蕩相沖突且因此導致噪聲。當使用多個縱模時，各模強度中的變化被平均且不受干擾的影響。因此，可獲穩定的低噪特性。
在日本專利申請(公開號為63-202083)中公開了一種獲得進一步穩定的自激振蕩特性的方法。在該申請中，通過形成一可吸收輸出光的層而實現了一自激振蕩型半導體激光器。
日本專利申請(公開號為6-260716)告知通過實質地均衡一激活層和一吸收層的能隙而改善了這些特性。特別是，一脅變的量子阱激活層和一脅變的量子阱可飽和吸收層的能隙實際地相互等同。在日本專利申請(公開號7-22695)中也公開了一類似的結構。
然而，本發明的發明人發現僅通過實際地均衡一可飽和吸收層和一激活層的能隙，不能獲得良好的自激振蕩特性。
本發明的目的在于提供一種半導體激光器，其具有通過檢查一可飽和吸收層和一激活層之間的能隙差異而有效地減少噪聲的穩定自激振蕩特性，以及一種制造這樣一半導體激光器的方法和使用這樣一半導體激光器的光盤裝置。
本發明的半導體激光器包括一具有一量子阱層的激光層和一夾住該激活層的包層機構，其中該包層機構包括一可飽和吸收層和一用于增加該可飽和吸收層的約束因數的光導層，且該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙30至200mev，從而可實際上述目的。
最好，該可飽和吸收層的厚度在約10至100埃的范圍內。
可形成多個可飽和吸收層。
最好，該飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙500至100mev。
最好，該光導層具有一大于該可飽和吸收層的帶隙且小于該包層機構的其它層的帶隙的帶隙。
最好，該光導層的厚度在300至1200埃的范圍內。
該光導層可被分成該包層機構中的多個部分。
該光導層可相鄰于該包層機構中的可飽和吸收層。
最好，該可飽和吸收層摻雜有1×1018cm-3或更多的雜質。
最好，該激活層具有一多量子阱結構。
在根據本發明的制造一半導體激光器的方法中，該半導體激光器包括一具有一量子阱層的激活層和一夾住該激活層的包層機構，該包層機構包括一可飽和吸收層和一用于增加該可飽和吸收層的約束因數的光導層，該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙，該半導體激光器的特性在激光器振蕩開始之后隨時間而變化，但在過去約一分鐘后被基本固定。該方法包括有穩定步驟，改變在激光器激蕩開始之后迅即獲得的這些特性以獲得基本固定的特性，從而實現上述目的。
在一實施例中，這些特性為電流-光輸出功率特性。
在一實施例中，該穩定步驟包括通過一老化過程而減少一閥值電流的步驟。
在一實施例中，該閾值電流通過該穩定步驟而被從在激光振蕩開始之后迅即獲得的值減少5mA或更多。
根據本發明的光盤裝置包括一半導體激光器；一會聚光學系統，用于將從該半導體激光器出射的一激光束會聚在一記錄介質上；和一光學檢測器，用于檢測該自記錄介質反射的激光束，其中該半導體激光器包括一具有一量子阱層的激活層和一夾住該激活層的包層機構，該包層機構包括一可飽和吸收層和一用于增加該可飽和吸收層的約束因數的光導層，且該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙30至200mev，從而實現上述目的。
在一實施例中，當信息被記錄在該記錄介質上時，該半導體激光器在單一模中振蕩，并當記錄在該記錄介質上的信息被再現時，在一自激振蕩模中工作。
在一實施例中，該光學檢測器被配置在該半導體激光器附近。
在一實施例中，該光學檢測器包括形成在一硅基底上的多個光電二極管，且該半導體激光器被配置在該硅基底上。
在一實施例中，該硅基底包括形成在其主表面上的一凹形部分和一形成在該凹形部分的一側壁上的微反射鏡，該半導體激光器被配置在該凹形部分中，且該微反射鏡與該主表面之間形成的角度被設定成使從該半導體激光器發射的激光束在被從微反射鏡反射后，以基本垂直于該硅基底的主表面的方向發出。
在一實施例中，在該微反射鏡的一表面上形成一金屬膜。
在一實施例中，該激活層和包層機構由AlxGayIn1-x-yP材料形成。(0≤x≤1，0≤y≤1，其中x和y不同時為零)。
替代地，本發明的半導體激光器包括一包括一量子阱層的激活層和一可飽和吸收層，其中該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙30至200mev，從而實現上述目的。
替代地，本發明的半導體激光器包括一包括一量子阱層的激活層和一夾住該激活層的包層機構，其中該包層機構包括一可飽和吸收層，且該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙30至200mev，從而實現上述目的。最好，該可飽和吸收層的厚度在約10至100埃的范圍內。
可形成多個可飽和吸收層。
最好，該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙50至100mev。
最好，該可飽和吸收層被摻雜1×1018cm-3或更多的雜質。
最好，向該量子阱層和該可飽和吸收層施加脅變。
最好，該激活層具有一多量子阱結構。


圖1為說明能隙的概略性示意圖。
圖2為根據本發明的半導體激光器的第一示例的截面示意圖。
圖3為第一示例的帶隙能量示意圖。
圖4A為指示Pmax的光輸出能量特性示意圖。圖4B為說明當光輸出能量高于Pmax時，光輸出能量隨時間變化的示意圖。圖4c為說明光輸出能量低于Pmax時，光輸出能量隨時間變化的示意圖。
圖5為根據本發明的第一示例的Tmax和Pmax特性示意圖。
圖6為說明能隙與工作電流之間的關系的示意圖。
圖7為說明工作電流與壽命之間關系的示意圖。
圖8為根據本發明的第一示例的光輸出能量特性的示意圖。
圖9為說明根據本發明的第一示例的光輸出能量隨時間變化的示意圖。
圖10為根據本發明的半導體激光器的第二示例的截面示意圖。
圖11為第二示例的帶隙能量示意圖。
圖12A為當不形成光導層時獲得的光強度分布示意圖，及圖12B為當形成光導層時獲得的光強度分布示意圖。
圖13為說明第二示例的約束因數的特性示意圖。
圖14為根據本發明的半導體激光器的另一示例的帶隙能量示意圖。
圖15為說明根據本發明的一可飽和吸收層和一光導層之間的位置關系的帶隙能量示意圖。
圖16為當在光導層中形成可飽和吸收層時獲得的帶隙能量示意圖。
圖17為概略地說明根據本發明的光盤裝置的一示例的示意圖。
圖18為根據本發明的被用于光盤裝置的一激光器單元的透視圖。
圖19為概略地說明根據本發明的光盤裝置的另一示例的示意圖。
圖20為說明根據本發明的被用于光盤裝置的一全息元件的工作示意圖。
圖21為根據本發明的用于光盤裝置的光學檢測器的平面示意圖。
以下將通過示例詳細描述本發明。
(示例1)本發明的發明人分析了“一激活層和一可飽和吸收層之間的能隙差(ΔE)”與自激振蕩間的關系。如這里所用的，在一激活層和一可飽和吸收層都為一量子阱結構時，一激活層和一可飽和吸收層之間的能隙差(ΔE)是指“在激光振蕩之前從該激活層的一量子阱層的基態之間的一能隙(E’ga)中減去該可飽和吸收層的基態之間一能隙(E’gs)所得到的值(E’ga-E’gs)”。這些層的這些能隙與帶隙(Ega，Egs)之間的關系被概略地示出在圖1中。一般地，在量子阱結構的一半導體層中，基態間的能隙并不相應于一導帶底與一價電子帶底之間的能隙，而對應于這些帶的量子級之間的一能量差(Eg’)。因此，該能隙大于正常的帶隙(Eg)約70mev。
在該激活層為量子阱結構而該可飽和吸收層為體結構的情況下，該激活層與該可飽和吸收層之間的能隙差是指“在激光振蕩之間從該激活層的基態之間的能隙(E’ga)中減去該可飽和吸收層的帶隙(Egs)所獲得的值”。
根據本發明，該可飽和吸收層可為量子阱結構或體結構。因此，為方便起見，如這里所用的“可飽和吸收層的能隙”被定義為如下。也就是說，當該可飽和吸收層為量子阱結構時，它是指“基態之間的能隙(E’gs)”，而當該可飽和吸收層為體結構時，它是指“該可飽和吸收層的帶隙(Egs)”。通過使用被這樣定義的“可飽和吸收層的能隙”，“該激活層和該可飽和吸收層之間的能隙差”可表達為“在激光振蕩之前從該激活層的量子阱層的基態之間的能隙中減去該可飽和吸收層的能隙而獲得的值”。
本發明的發明人已經研究并發現通過將激活層與可飽和吸收層之間的能隙差(ΔE)設定在30mev至200mev，可獲得穩定的自激振蕩。這是因為，在上述的能隙差范圍中，該可飽和吸收層有效地吸收了激光同時光吸收被飽和。當激活層與可飽和吸收層之間的能隙差(ΔE)小于30mev時，不能獲得自激振蕩。這可能是因為，具有這么小的能隙差，該可飽和吸收層不吸收較多的激光。而且，當該能隙差(ΔE)超過200mev時，無自激振蕩發生，由于該可飽和吸收層吸收太多的光以呈現出飽和特性。因此發現適當的能隙差(ΔE)位于30至200mev的范圍內。
目前的晶體生長技術允許各半導體層的能隙和這些層中的能隙差(ΔE)被控制在幾毫電子伏特或更小的精度。因此，如果激活層和可飽和吸收層之間的能隙差(ΔE)有10mev大，其被理解為在該激活層和可飽和吸收層之間有意地形成了該能隙差(ΔE)。因此，當激活層和可飽和吸收層之間的能隙差(ΔE)為10mev或更大，該激活層的量子阱層的基態之間的能隙與該可飽和吸收層的能隙不是“基本相同”。
當該能隙差(ΔE)位于50mev至100mev的范圍中。特別是，該可飽和吸收層的飽和條件變成最佳時，允許即使在很高的工作溫度下也能獲得穩定的自激振蕩。當能隙差(ΔE)超過100mev時，通過可飽和吸收層的光吸收逐漸增大，工作電流輕微增大。因此，能隙差最好為100mev或更小。這樣，當能隙差位于50至100mev范圍內中時，半導體激光器的工作電流不增大且可獲得良好的自激振蕩特性。具體地，最好在期望半導體激光器在相對較高的溫度的環境下，例如有關汽車的應用中時，進行能隙差位于上述范圍中的設定。
通過減少可飽和吸收層的體積，可容易地增大可飽和吸收層的載流子密度。自激活層輸出的激光由可飽和吸收層吸收，生成各形成一電子和一穴的對。當可飽和吸收層的體積較小時，其每單位體積的光吸收量增大，容易地致使其載流子密度增大。具有較高載流子密度的可飽和吸收層可容易地被飽和，呈現出優良的可飽和吸收效果。因此，隨著可飽和吸收層變得更薄，可獲得更堅固和穩定的自激振蕩特性。這已由本發明的發明人進行實驗而得到證實。為了獲得這樣堅固和穩定的自激振蕩，可飽和吸收層的厚度最好位于約10至100埃的范圍內。只要能隙差被設定在較佳的范圍內，可飽和吸收層具有大于100埃厚度的體結構也可獲得這樣堅固和穩定的自激振蕩。
在本發明的半導體激光器中，光導層被形成為具有包層結構以克服以下缺陷。當為了減小可飽和吸收層的體積而使該可飽和吸收層與量子阱層一樣薄時，該可飽和吸收層內的約束因數被大大地減小，因此，未獲得穩定的自激振蕩。如果例如通過使用光導層，該可飽和吸收層的約束因數增大至至少約1.2％同時該激活層的約束因數被維持在5.0％或更大，可獲得穩定的自激振蕩。
如上所述，本發明的光導層被形成以增大可飽和吸收層的約束因數。其被配置在離開激活層的一位置。因此，本發明的光導層與配置在相鄰于激活層的常規的光導層有很大的不同以增大該激活層的約束因數。
可飽和吸收層與光導層之間的位置關系最好考慮該可飽和吸收層的體積和光約束而被確定。
現在，將參照附圖通過示例對本發明進行描述。
(示例1)圖2為根據本發明的半導體激光器的一示例的截面示意圖。該示例的半導體激光器包括一n型GaAs基底101和形成在該GaAs基底101上的一半導體多層機構。該半導體多層機構包括一n型GaAs緩沖層102、一n型A1GaInP包層103、一由AIGaInP和GaInP制成的多量子阱激活層104、一第一P型ALGaInP包層105a、一由P型GaInP制成的可飽和吸收層106和一第二P型AlGaInP包層105b。在第二P型包層105b的上部上形成一在空腔長度方向上伸展的條狀屋脊(寬度約2.0至7.0μm)。在第二P型包層105b的該屋脊的頂表面上形成一接觸層110。在接觸層110的側邊及第二P型包層105b上形成一n型GaAs電流阻擋層111。在接觸層110和電流阻擋層111之上形成一P型GaAss帽層112。在帽層112的頂表面上形成一電極113，同時在基底101的底表面上形成一n電極114。該激活層104為一多量子阱結構，該多量子阱結構由三對阱層和阻擋層組成。
這里，除了緩沖層、激活層、接觸層、帽層和電流阻擋層外的該半導體多層機構的部分被總體稱為一“包層機構”。在該示例中，n型AlGaInP包層103、第一P型AlGaInP包層105a、可飽和吸收層106、和第二P型AlGaInP包層105構成該包層機構。
組成該半導體多層機構的各半導體層的摻雜水平和膜厚度被示出在下表1中。表1
圖3示出了覆蓋激活層附近至可飽和吸收層附近的，本示例的半導體激光器的部分的(AlxGa1-x)0.5In0.5P的Al克分子分數x的分布。在該示例中，n型包層103、第一P型包層105a、和第二P型包層105b的Al克分子分數為0.7。由于激活層104和該可飽和吸收層的量子阱層分別由Ga0.45In0.55P和Ga0.40In0.60P制成，它們具有與周圍層相比的較大的點陣常數，導致接收壓縮應變。
激活層104和可飽和吸收層的量子阱層之間的能隙差在獲得穩定的自激振蕩中起著重要的作用。在示例1中，該能隙差為57mev，允許得到穩定的自激振蕩。
本發明的發明人已經研究了該可飽和吸收層與能隙差的作用，其結果將在下面進行描述。
參照圖4A至4C，如以圖4A中可以看到的，當注入電流到達40mA時，激光振蕩(自激振蕩)被啟始。隨著注入電流進一步增大，自激振蕩在圖4A的點A處被終止并移至正常的激光振蕩。通過自激振蕩所獲得的最大光輸出功率被表示為Pmax。在圖4A所示的示例中，Pmax為4.0mw。當注入電流小于在獲得Pmax時的電流值時，光輸出功率隨時間有很大的起伏，如圖4C所示，提供了具有一穩定幅度的自激振蕩。然而，當該電流大于在獲得Pmax時的電流值時，光輸出功率隨時間而大大地減小，并最后移至正常的激光振蕩，如圖4B所示。
當工作溫度T超出一定水平時，自激振蕩也趨于被終止，如在注入電流的情況中一樣。觀察到自激振蕩的最大溫度被表示為Tmax，它也是自激振蕩被終止的溫度。
圖5為一說明作為X軸的能隙差(mev)、作為Y軸的Tmax(自激振蕩被終止的溫度)和Pmax(在室溫下通過自激振蕩的最大光輸出功率)之間關系的實驗結果的圖形。該實驗結果示出了當能隙差為10mev或20mev時觀察不到自激振蕩，而當該能隙差為30mev時可觀察到自激振蕩。在能隙差為30mev時，在溫度高達51℃時，觀察到自激振蕩且通過自激振蕩獲得高達5mw的光輸出功率。
當能隙差到達30mev時，自激振蕩被啟始，且自激振蕩被證實會繼續高達200mev。具體地說，當能隙差位于50至100mev范圍內時，Tmax和Pmax都較高。因此該范圍被證實為實際地較佳的范圍。
當能隙差超過100mev時，由于激活層與可飽和吸收層之間較大的能隙差，由可飽和吸收層吸收的激光量變得較大，導致工作電流輕微增大。這將參照圖6進行描述。
圖6為說明作為X軸的能隙差(mev)與作為Y軸的工作電流(mA)之間的關系的圖形。如可從圖中看到的，當能隙差超過100mev時，該工作電流超過130mA。
圖7為說明該示例的半導體激光器的工作電流與壽命之間的關系的圖形。該圖形是在該半導體激光器的光輸出功率維持在5mw及工作溫度為60℃的條件下，根據測量結果所獲得的。從圖7可看到工作電流應被設定在130mA或更小以獲得5000小時或更多的壽命。
如從圖6和7中看到的，考慮到半導體激光器的壽命，能隙差最好為100mev或更小。
激活層和可飽和吸收層的成分和厚度可被調整以將該激活層和可飽和吸收層之間的能隙差(ΔE)設定在一預定范圍內。例如，假設激活層為量子阱結構且其各阱層由Ga0.45In0.45In0.55P構成具有50埃的厚度(Ega＝1.937ev，λ＝640nm)，通過調整可飽和吸收層的成分可獲得30mev至200mev范圍內的能隙差(ΔE)，如下表2中所示。表2(激活層Ga0.45In0.55P
上表2示出了當可飽和吸收層的厚度為50埃時的所獲得的值。隨著可飽和吸收層厚度的增加，能隙差(ΔE)也增大，當可飽和吸收層的Ga克分子分數x增大時，能隙差(ΔE)減小。相反，當激活層的阱層的厚度減小時，能隙差(ΔE)減小。隨著阱層的Ga克分子分數x增大，能隙差(ΔE)增大。
圖8為一說明該示例的半導體激光器的電流-光輸出功率特性的圖形。該圖形的X軸表示到半導體激光器的注入電流(mA)，而Y軸表示光輸出功率(mw)。閾值電流約為50mA。自激振蕩型半導體激光器與普通半導體激光器的區別在于在該閾值電流及其周圍的光輸出功率急劇增大，如從圖8看到的。這是因為存在可飽和吸收層，光輸出功率不被向外釋放直至累積足夠量的注入載流子。當注入電流超出一定值時，激光振蕩開始，與注入電流成比例地增大光輸出功率。
圖9示出了在圖8的點P1處的該示例的半導體激光器的輸出波形。如從圖9看到的，光輸出功率在2ns的短周期期間劇烈地起伏，指示自激振蕩。
在根據本發明的半導體激光器中，可飽和吸收層的摻雜水平被設定在2×1018(cm-3)以減少載流子的壽命。這增加了自發發射對載流子密度的時間變化率的影響，有助于自激振蕩。1×1018(cm-3)或更大的摻雜水平在減少載流子的壽命中是有效的。
可飽和吸收層的厚度并不限于該示例中所用的50埃。該可飽和吸收層也可以是多量子阱結構或體結構。
(示例2)將參照圖10描述也根據本發明的半導體激光器的第二示例。該示例的半導體激光器包括一n-型GaAs基底701和形成在該GaAs基底701上的一半導體多層機構，該半導體多層機構包括一n-型GaAs緩沖層702，一n-型AlGaInP包層703，一由AlGaInP和GaInP制成的多量子阱激活層704，一第一P-型AlGaInP包層705a，一光導層707，一第二P-型AlGaInP包層705b，一由P-型GaInP制成的可飽和吸收層706，和一第三P-型AlGaInP包層705c。在第三P-型AlGaInP包層705c的上部中形成沿空腔長度方向伸展的一條狀屋脊(寬度2.0至7.0μm)。在第三P-型包層705c的頂表面上形成一接觸層710。在第三P-型包層705c上和接觸層710的側面上形成一n-型GaAs電流阻擋層711。在接觸層710和電流阻擋層711上形成一P-型GaAs帽層712。在帽層712的頂表面上形成一P-電極713，而在基底701的底表面上形成一n-電極714。激活層704是一由三對阱層和阻擋層組成的多量子阱結構。
在該示例中，該n-型AlGaInP包層703，第一P-型AlGaInP包層705a，光導層707，在第二P-型AlGaInP包層705b，可飽和吸收層706，和第三P-型AlGaInP包層705c構成該包層機構。該示例的半導體激光器與先前示例的半導體激光器的區別在于在該包層機構中形成光導層707。在后將予以描述。
圖11示出了該示例的半導體激光器的覆蓋n-型包層703至第三P-型包層705c的部分中的(AlxGa1-x)0.5In0.5P的Al克分子分數X的分布的示意圖。在該示例中，n-型包層，第一P-型包層，第二P-型包層，第三P-型包層，和光導層的Al克分子分數為0.5。激活層704和可飽和吸收層的阱層分別由Ga0.45In0.55P和Ga0.40In0.60P制成。
在該示例中，該可飽和吸收層和這些阱層的基態之間的差(能隙差)被設定在57mev。為了以圖10中所示的構成來獲得該半導體激光器的穩定的自激振蕩，該能隙差要求在30至200mev的范圍內，最好在50至100mev的范圍內。
該示例的半導體激光器的特征在于該光導層形成于該包層機構中，且可飽和吸收層的體積被減小。由于可飽和吸收層的體積較小，該層的載流子密度可被更易于增大。由于載流子密度較高，光吸收更易于被飽和，呈現更佳的可飽和吸收效果。因此，由于可飽和吸收層的體積較小，可獲得更強的自激振蕩。但是，由于可飽和吸收層的體積被減小，可飽和吸收層的約束因數降低。在此示例中，為了克服該問題，在激活層和可飽和吸收層之間形成該光導層以使激光的分布可從激活層擴展向可飽和吸收層，從而增大了可飽和吸收層的約束因數并增強了可飽和吸收層和光之間的相互作用。因此，在該示例中，光導層被提供以增強可飽和吸收層的約束因數，其與常規的被提供來增強激活層的約束因數的光導層在功能上有很大的不同。
接著，參見圖12A，12B和13，將詳細地描述該示例中光導層的功能。圖12A和12B分別示出了當未提供光導層時及當提供光導層時所獲得的光強度分布。如從圖12B看到的，通過在離開激活層的一位置，以與包層機構的其它部分相比一相對較小的能隙(較高的折射率)形成一半導體層作為光導層而呈現光強度的兩個波峰。換句話說，在激活層和光導層兩者中取得該約束因數。允許光被有效地分布至飽和吸收層。
圖13為表示約束因數與光導層厚度的相關性的圖形。該圖形的X軸表示光導層的厚度(埃)，而Y軸表示約束因數(％)。在此所用的一層的“約束因數”是指該層中出射的光占總光量的百分比。
從實驗結果中可以發現，為了獲得穩定的自激振蕩特性，激活層和可飽和吸收層的約束因數分別要求為5％或更大及1.2％或更大。為了獲得上述約束因數，光導層的厚度應在300至1200埃的范圍內。因此，通過在包層機構中形成該光導層，可獲得穩定的自激振蕩特性，如在示例1的半導體激光器的情況中。
在此示例中，在離開光導層的一位置處形成可飽和吸收層。替代地，它可以形成在光導層內，如圖4所示。在此情況下，通過在光導層內形成可飽和吸收層以使可飽和吸收層的約束因數為1.2％或最大，也能得到自激振蕩。
在示例1和2中，激活層為多量子阱結構。使用單量子阱結構的激活層也能實現具有穩定的自激振蕩特性的一半導體層。在此情況下，該量子阱層與可飽和吸收層的基態之間的能隙差應在30至200mev的范圍中，特別在50至100mev的范圍內。通過一包括一不具有量子阱的體型激活層的半導體激光器也可獲得本發明的效果，只要能隙差被設定在上述范圍內的一值上。
光導層和可飽和吸收層之間的位置關系并不限于例2中的情況(光導層被形成在可飽和吸收層和激活層之間)。參見圖15，將描述光導層和可飽和吸收層之間的關系。在圖15中，可飽和吸收層可形成在由虛線所示的位置SA1至SA5中的任一處。
位置SA1對應于示例2中采用的可飽和吸收層的位置。而位置SA1離開光導層，可飽和吸收層可相鄰于光導層而形成。位置SA2至SA4表示形成在光導層內部的可飽和吸收層的位置。位置SA5表示形成在光導層與激活層之間的可飽和吸收層的位置。雖然位置SA5離開光導層，可飽和吸收層可相鄰于光導層。
當可飽和吸收層形成在光導層內時，該可飽和吸收層的基態與在該可飽和吸收層形成在光導層外部的所得到的基態輕微地不同，因為如從可飽和吸收層中看到的，在各情況中的量子阱的阻擋層的高度相互不同。
在可飽和吸收層被摻雜有高密度的雜質時，如果可飽和吸收層形成在激活層附近，可飽和吸收層中的雜質可以反過來影響激活層。為避免這一問題，當形成具有1×1018cm-3或更大的雜質密度的可飽和吸收層時，可飽和吸收層最好形成離開激活層200埃或更大的距離。
可形成多個可飽和吸收層。例如，可在圖15中所示的位置SA1至SA5中的兩個或更多個形成可飽和吸收層。替代地，可飽和吸收層可為多量子阱結構。但是，在包層機構中形成多個可飽和吸收層的結果，這些可飽和吸收層的總體積增大，降低了這些可飽和吸收層的載流子密度。如果由具有相比較地較大的折射率的材料制成的多個可飽和吸收層被相互緊密地形成，光趨于被約束在緊密形成這些可飽和吸收層的部分中。這降低了形成一光導層的必要性。
替代地，可分別地形成多個光導層。例如，可形成一對光導層以夾住可飽和吸收層。如果該光導層被形成以接觸可飽和吸收層，所得到的結構與在圖15中的位置SA3處形成可飽和吸收層時所得到的結構是相同的。這也可被表示為可飽和吸收層被形成在光導層內的結構。順便地，其中形成可飽和吸收層的光導層的厚度應為第一光導層部分厚度T1與第二光導層部分T2之和，如圖16所示。
(示例3)以下，將描述根據本發明的芯片檢驗過程。
一般地，多個半導體激光器元件是自一半導體晶片而形成的。更具體地，在一半導體晶片的兩表面上形成一P-型電極和一n-型電極之后，各條的劈開的表面上被涂覆一反射膜。
在芯片檢驗過程中，具有不在預定容限內的特性的一半導體激光器由于具有缺陷而被報廢。例如，當作為一芯片的一半導體激光器元件在室溫下被脈沖驅動時，如果其閾值電流不在100至200mA的范圍內，它由于具有缺陷而被報廢。
然后，各通過芯片檢驗過程的激光器芯片被密封在一罐中并經過一裝配過程。
然后進行老化處理。本發明的發明人已經發現，對于具有摻雜P-型雜質的可飽和吸收層的一半導體激光器元件，在振蕩開始所獲得的該半導體激光器元件的特性與在振蕩開始之后一分鐘或更長時間后所獲得的特性不同。還發現這些特性在激光振蕩開始之后被穩定幾分鐘。更具體地，這些特性在激光振蕩開始之后保持在一基本固定的狀態約十分鐘。例如，假設該半導體激光器在輸出一固定的光功率的條件下被驅動。在此時，盡管在振蕩開始之后，它即以即約100mA的驅動電流工作，在某些情況下，在過去1至10分鐘后，它變化至以約70mA的驅動電流工作。
以上特性的變化發生在激光振蕩開始之后一相比較地短的時間段內，且在過去該時間段后很難發生。因此在此將該特性的變化稱為“特性的初始變化”。
在包括一半導體激光器元件作為光源的裝置或系統中，該半導體激光器元件工作電流最好不變化。因此，在本發明的半導體激光器元件的配置前，最好進行穩定這些特性(例如，閾值電流)的處理，即老化處理。該老化處理可以是該半導體激光器元件在室溫下被連續地振蕩1至120分鐘，或是它在50℃下被脈沖振蕩1至120分鐘。該老化處理應在芯片檢驗過程之后進行。
已經發現該半導體激光器元件的這些特性可通過替代老化處理，在半導體晶片被分離成多個條之前在300至800℃下將該半導體晶片退火約10至60分鐘。該退火處理使該半導體激光器元件的特性在它處于檢驗過程之前的晶片狀態時被穩定。通過以這種方式在檢驗過程之前檢測并報廢具有缺陷的元件，檢驗一具有缺陷的元件的麻煩的處理被省略。而且，該處理可同時對多個半導體激光器元件進行，而不是對單個的半導體激光器元件。替代地，該用于穩定特性的退火處理可在將晶片分離成激光器條之后進行。
上述老化處理和退火處理對于摻雜有高密度P-型雜質(特別是Zn)的可飽和吸收層是特別有效的。
在上述示例中，AlGaInP型半導體激光器元件被具體地描述。本發明并不局限于該種類型的半導體激光器。例如，本發明也可采用AlxGa1-xAs(0≤x≤1)型，AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1；0≤y≤1)型，和MgxZn1-xSySe1-y(0≤x≤1；0≤y≤1)型半導體激光器元件。使用任一這些類型的材料，通過形成一摻雜有1×1018cm-3或更多雜質的可飽和吸收層而能獲得穩定的自激振蕩。
例如在AlxGa1-xAs(0≤x≤1)型半導體激光器元件的情況，激活層由Al0.1Ga0.9AS制成，可飽和吸收層由GaAs制成，包層由AlGaAs制成。
例如在AlxGayIn1-x-yN((0≤x≤1，0≤y≤1)型半導體激光器元件的情況中，激活層由In0.05Ga0.95N制成，可飽和吸收層由In.0.2Ga0.8N制成，包層由Al0.1Ga0.9N制成。
例如在MgxZ1-xSySe1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)型半導體激光器元件的情況中，激活層由Cd0.2Zn0.8Se制成，可飽和吸收層由Cd.0.3Zn0.7Se制成，包層由Mg.0.1Zn0.9S0.1Se0.9制成。
(示例4)將參照圖17描述根據本發明的光盤裝置。
該示例的光盤裝置包括上述本發明的半導體激光器元件901，用于準直自半導體激光器元件901發射的一激光束902(波長650nm)，用于將該平行光束分裂成三個激光束(在圖17中僅示出了一激光束)的衍射光柵，用于允許該激光束的一特定分量通過其透射或自其被反射的半棱鏡，和用于將自棱鏡905輸出的激光束會聚在光盤907上的聚光透鏡906。例如，在光盤907上形成具有的1μm直徑的激光束點。對于激光盤907，不僅可使用只讀光盤，也可使用可重寫光盤。
自光盤907反射的激光束被首先自半棱鏡905反射，通過光接收透鏡908和柱面透鏡909，并被照射在光接收元件910上。光接收元件810包括一被分成多個部分的光電二極管，并根據自光盤907反射的激光束生成一信息再現信號，跟蹤信號和聚焦誤差信號。一驅動系統811根據該跟蹤信號和聚焦誤差信號驅動該光學系統，以調整激光束點在光盤907上的位置。
除了半導體激光器901處，可采用已知的元件作為該示例的光盤裝置的上述組成部件。如上所述，該示例的半導體激光器元件901包括摻雜有高密度雜質的可飽和吸收層。帶有這樣一可飽和吸收層，即使自光盤907反射的激光束部分在通過半棱鏡905和衍射光柵904后返回到半導體激光器元件901時，低水平的相對強度噪聲可被保持較低。
圖2中所示的半導體激光器元件呈現出自激振蕩直至光輸出功率到達約10mw能級。當光輸出功率被提高超過該能級時，該振蕩逐步地從自激振蕩移至單模振蕩。例如，當光輸出功率約約為15mw時，不再發生自激振蕩。當從光盤再現信息時，半導體激光器元件應處于自激振蕩的狀態中，無光噪聲發生。但在光盤上記錄信息時，自激振蕩不需要。因此，例如，通過以約15mw的光輸出功率記錄信息及以約5mw的光輸出功率再現信息，不僅信息的低畸變再現是可能的，而且記錄也是可能的。
如上所述，在本發明的光盤裝置中，不使用高頻重疊的電路元件，可實現具有630至680nm范圍中波長的低畸變再現。
相反，通過具有630至680nm波長的常規的AlGaInP型半導體激光器不能獲得穩定的自激振蕩。當這樣一常規的AlGaInP型半導體激光器被用于光盤裝置時，它被要求在驅動電流上重疊高頻以抑制返向噪聲。這就需要大尺寸的高頻重疊電路，而這對于減小光盤裝置的尺寸是不利的。
(示例5)將描述根據本發明的另一光盤裝置。
該示例的光盤裝置使用一包括有上述根據本發明的半導體激光器元件的激光器單元。具體地，該激光器單元包括一具有光電二極管的硅基底和安裝在該硅基底上的半導體激光器元件。在該硅基底上形成一用于反射自該半導體激光器元件出射的激光束的微反射鏡。
參見圖18，將描述該激光器單元。在硅基底1(7mm×3.5mm)的主表面1a的中心中形成一凹形部分2，且一半導體激光器元件3被配置在該凹形部分2的底表面上。凹形部分2的側壁被傾斜以用作微反射鏡4。如果硅基底1的主表面1a為(100)取向，(111)平面通過各向異性的蝕刻而被曝露出以用作為微反射鏡4。由于(111)平面被從(100)平面傾斜過54°，通過使用以<110>方向從(100)平面傾斜過9°的一偏基底，可獲得從主表面1a傾斜過45°的(111)平面。相對以上(111)平面形成的另一(111)平面以主表面1a傾斜過63°。沒有微反射鏡4形成在該平面中，但形成一用于監視光輸出功率的光電二極管，如在后所描述的。通過各向異性的蝕刻而形成的(111)平面為一光滑的反射鏡面，用作為極好的微反射鏡4。為了增強微反射鏡4的反射率，最好至少在硅基底1的傾斜的平面上形成一不可能吸收激光的金屬膜。
除了用于監視來自半導體激光器3的光輸出功率的光電二極管5處，用于光信號檢測的被劃分為五的光電二極管6a和6b也形成在硅基底1上。
現在，參見圖19，將描述本示例的光盤裝置。自具有上述結構的激光器單元10的半導體激光器元件(圖19中未示出)發射的激光束被從微反射鏡(圖19中未示出)反射且然后通過形成在一全息元件11的底表面上的光柵而被分裂成三個光束(在圖19中為簡便起見只示出了一個光束)。然后，該激光束通過一四分之一波長片(1/4λ片)12和一目鏡13被會聚在光盤14上。自光盤14反射的激光束通過目鏡13和1/4λ片12，且然后由形成在全息元件11頂表面上的一光柵而被衍射。該衍射形成一負的初級光束的一正的初級光束，如圖20所示。例如，該負的初級光束輻照位于圖20中左側的光接收表面15a，而正的初級光束輻照位于圖20中右側的光接收表面15b。形成在全息元件11的頂表面上的光柵的圖形被調整以使該負的初級光束和正的初級光束具有不同的焦距。
如圖21中所示，當激光束被聚焦在光盤上時，形成在激光器單元10的光接收表面15a上的反射的激光束的點形狀與形成在光接收表面15b上的反射的激光束的點形狀相同。但是，當激光束未被聚焦在光盤上時，形成在光接收表面15a上的反射的激光束的點形狀與形成在接收表面15b上的反射的激光束的點形狀不同。
這樣，形成在右和左光接收表面上的光點的大小被檢測作為通過以下表達式獲得的聚焦誤差信號FESFES＝(S1+S3+S5)-(S2+S4+S6)其中S1至S3表示從構成光接收表面15a的總共五個光電二極管的三個中央光電二極管輸出的信號強度，而S4至S6表示從構成光接收表面15b的總共五個光電二極管的三個中央光電二極管輸出的信號強度。當該聚焦誤差信號FES為零時，激光束被聚焦在光盤上(在焦點上)。目鏡13由圖19中所示的致動器15適當地驅動以使聚焦誤差信號FES變為零。
一跟蹤誤差信號TES通過以下表達式而被確定TES＝(T1-T2)+(T3-T4)其中T1和T2表示從構成光接收表面15a的總共五個光電二有管的兩個最外邊的光電二極管輸出的信號強度，而T3和T4表示從構成光接收表面15b的總共五個光電二極管的兩個最外邊的光電二極管輸出的信號強度。
一信息信號RES通過以下表達式而被確定RES＝(S1+S3+S5)+(S2+S4+S6)在該示例中，集中地形成半導體激光器元件和光電二極管的激光器單元被使用。但是，這些元件可被單獨地形成。
通過使用集中地形成半導體激光器元件和光電二極管的激光器單元，光盤裝置的大小可被減小。而且，由于在硅基底中預形成光電二極管和微反射鏡，只有半導體激光器元件被要求相對于該硅基底被光學地校直。由于該光學校直易于執行，裝配精度提高有制做過程可被簡化。
根據本發明，通過將能隙差設定在30至200mev的范圍內，可飽和吸收層有效地吸收光且光吸收被飽和。這使得提供穩定的自激振蕩成為可能，當能隙差片于50至100mev范圍中時，可飽和吸收層的飽和條件是最佳的且工作電流不增大，提供了良好的自激振蕩特性。而且，通過形成一光導層，即使其體積較小，可飽和吸收層的載流子密度可被易于增大，提供了較強且穩定的自激振蕩特性。因此，可提供適用于下一代大容量光信息記錄的光源。
包括這樣一半導體激光器的光盤裝置免除了由從光盤表面反射的光的返回和溫度變化所導致的強度噪聲，且因此減小了信號讀取誤差，提供了工業上的重大意義。
權利要求
1.一種半導體激光器，包括一具有一量子阱層的一激活層和一夾住該激活層的包層機構，其中該包層機構包括一可飽和吸收層和一用于提高該可飽和吸收層的約束因數的光導層，及該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙30至200mev。
2.根據權利要求1的半導體激光器，其中該可飽和吸收層的厚度在約10至100埃的范圍內。
3.根據權利要求1的半導體激光器，其中形成多個可飽和吸收層。
4.根據權利要求1的半導體激光器，其中該飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙50至100mev。
5.根據權利要求1的半導體激光器，其中該光導層具有一帶隙，該帶隙小于該包層機構的其它層的帶隙并大于該可飽和吸收層的帶隙。
6.根據權利要求5的半導體激光器，其中該光導層的厚度在300至1200埃的范圍內。
7.根據權利要求6的半導體激光器，其中該光導層被劃分成該包層機構中的多個部分。
8.根據權利要求5的半導體激光器，其中該光導層相鄰于該包層機構中的可飽和吸收層。
9.根據權利要求1的半導體激光器，其中該可飽和吸收層摻雜有1×1018cm-3或更多的雜質。
10.根據權利要求1的半導體激光器，其中該激活層具有一多量子阱結構。
11.一種制造半導體激光器的方法，該半導體激光器包括一具有一量子阱層的一激活層和一夾住該激活層的包層機構，該包層機構包括一可飽和吸收層和一用于提高該可飽和吸收層的約束因數的光導層，該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙30至200mev，該半導體激光器的特性隨時間而變化但在過去約一分鐘后基本不變，其中該方法包括有穩定步驟，用于改變在激光振蕩開始后迅即得到的這些特性以獲得基本不變的特性。
12.根據權利要求11的制造半導體激光器的方法，其中這些特性為由電流-光輸出功率特性。
13.根據權利要求11的制造半導體激光器的方法，其中該穩定步驟包括通過一老化處理來減小一閾值電流的步驟。
14.根據權利要求11的制造半導體激光器的方法，其中該穩定步驟包括通過退火來減小一閾值電流的步驟。
15.根據權利要求11的制造半導體激光器的方法，其中該閾值電流是通過該穩定步驟從激光振蕩開始后迅即獲得的一值減小5mA或更多。
16.一種光盤裝置，包括一半導體激光器；一會聚光學系統，用于將自該半導體激光器發射的激光束會聚在一記錄媒體上；和一光學檢測器，用于檢測自該記錄媒體反射的激光束；其中該半導體激光器包括一具有一量子阱層的激活層和一夾住該激活層的包導機構，該包層機構包括一可飽和吸收層和一用于提高該可飽和吸收層的約束因數的光導層，及該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙30至200mev。
17.根據權利要求16的光盤裝置，其中當在該記錄媒體上記錄信息時，該半導體激光器以單模振蕩，當再現記錄在該記錄媒體上的信息時，以自激振蕩模工作。
18.根據權利要求16的光盤裝置，其中該光學檢測器被配置在該半導體激光器的附近。
19.根據權利要求18的光盤裝置，其中該光學檢測器包括形成在一硅基底上的多個光電二極管，且半導體激光器被配置在該硅基底上。
20.根據權利要求19的光盤裝置，其中該硅基底包括一形成在其主表面上的一凹口部分和一形成在該凹口部分的側壁上的微反射器，該半導體激光器被配置在該硅基底的該凹口部分中，且該微反射鏡與該主表面之間形成的角度被設置成使從半導體激光器發射的激光束在從該微反射鏡反射后以基本垂直于該硅基底的主表面的方向上運行。
21.根據權利要求20的光盤裝置，其中在該微反射鏡的一表面上形成一金屬膜。
22.根據權利要求1的半導體激光器，其中該激活層和該包層機構由AlxGayIn1-x-yP材料(0≤x≤1，0≤y≤1，x和y不同時為零)形成。
23.一種半導體激光器，包括一包括有一量子阱層的激活層和一可飽和吸收層，其中，該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙30至200mev。
24.根據權利要求23的半導體激光器，其中該可飽和吸收層的厚度在約10至約100埃的范圍內。
25.根據權利要求23的半導體激光器，其中形成多個可飽和吸收層。
26.根據權利要求23的半導體激光器，其中該飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間能隙50至100mev。
27.根據權利要求23的半導體激光器，其中該可飽和吸收層摻雜有1×1018cm-3或更多的雜質。
28.根據權利要求23的半導體激光器，其中對該量子阱層和可飽和吸收層施加脅變。
29.根據權利要求23的半導體激光器，其中該激活層具有一多量子阱層。
30.一種半導體激光器，包括一包括有一量子阱層的激活層和夾住該激活層的包層機構，其中該包層機構包括一可飽和吸收層，及該可飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙30至200mev。
31.根據權利要求30的半導體激光器，其中該可飽和吸收層的厚度在約10至100埃的范圍中。
32.根據權利要求30的半導體激光器，其中形成了多個可飽和吸收層。
33.根據權利要求30的半導體激光器，其中該飽和吸收層的能隙小于該激活層的量子阱層的基態之間的能隙50至100mev。
34.根據權利要求30的半導體激光器，其中該可飽和吸收層摻雜有1×1018cm-3或更多的雜質。
35.根據權利要求30的半導體激光器，其中該激活層具有一多量子阱結構。
36.根據權利要求30的半導體激光器，其中對該量子阱層和可飽和吸收層施加脅變。
全文摘要
在一n型GaAS基底701上分別形成一n型GaAS緩沖層702,n型AlGaInP包層703,由AlGaInP和GaInP制成的多量子阱激活層704、第一P型AlGaInP包層705a、光導層707、第二P型包層705b、P型GaInP可飽和吸收層706和第三P型AlGaInP包層707。由于可飽和吸收層的體積被減小。并設置了光導層。實現了具有穩定的自激振蕩特性,且具有相對低的噪聲強度的半導體激光器。
文檔編號G11B7/125GK1201559SQ9619797
公開日1998年12月9日 申請日期1996年9月17日 優先權日1995年9月29日
發明者大戶口勳, 足立秀人, 萬濃正也, 福久敏哉, 高森晃 申請人:松下電器產業株式會社