專利名稱：驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，在利用脈寬處于阿秒(attosecond)范圍或飛秒(femtosecond)范圍內(nèi)的激光的前沿科學(xué)領(lǐng)域的研究中，經(jīng)常使用超短脈沖/超高功率激光器。作為超短脈沖/超高功率激光器，已知的例如有鈦/藍(lán)寶石激光器。但是，鈦/藍(lán)寶石激光器是昂貴且大型的固體激光源，這成為技術(shù)傳播的主要障礙。如果通過(guò)利用激光二極管實(shí)現(xiàn)超短脈沖/超高功率激光器，那么會(huì)得到尺寸和價(jià)格大大降低且高穩(wěn)定性的超短脈沖/超高功率激光器。另一方面，在通信領(lǐng)域中，自從二十世紀(jì)六十年代就已積極地研究如何降低激光二極管的脈寬。作為在激光二極管中產(chǎn)生短脈沖的方法，已知的有增益開關(guān)方法、損耗開關(guān)方法(Q開關(guān)方法)和模式鎖定方法，在這些方法中，激光二極管與半導(dǎo)體放大器、非線性光元件、光纖等相結(jié)合來(lái)獲得較高功率。在上述方法中最容易的增益開關(guān)方法中，如J. Ohya et al.，Appl. Phys. Lett. 56(1990)56.、J. AuYeung et al.，Appl. Phys. Lett. 38 (1981) 308.、N. Yamada et al.， Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 583. > J. Ε. Ripper et al.，Appl. Phys. Lett. 12 (1968) 365.和 "Ultrafast diode lasers", P. Vasil' ev, Artech House Inc.，1995 中所述，當(dāng)通過(guò)短脈沖電流驅(qū)動(dòng)激光二極管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脈寬約為20皮秒(picosecond)至100皮秒的光脈沖。在增益開關(guān)方法中，由于只需要通過(guò)短脈沖電流驅(qū)動(dòng)市售的激光二極管，所以可利用極其簡(jiǎn)單的器件配置就可以實(shí)現(xiàn)脈寬在皮秒范圍內(nèi)的短脈沖光源。然而，在850nm波長(zhǎng)的AlGaAs 基激光二極管中，光脈沖的峰值功率大約為0. 1瓦至1瓦，而在1. 5 μ m波長(zhǎng)的InGaAsP基激光二極管中，光脈沖的峰值功率大約為10毫瓦至100毫瓦。因而，例如，作為用于雙光子吸收的需要高峰值功率的光源，上述激光二極管的光功率是不夠的。為了提高峰值功率，需要通過(guò)結(jié)合模式鎖定方法與半導(dǎo)體放大器或光纖放大器以形成復(fù)雜且難的配置。于是，基于“全半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)高功率的激光二極管裝置的例子鮮有報(bào)道，“全半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)”是最終減小尺寸的重要條件，即激光二極管裝置只由激光二極管或者激光二極管和半導(dǎo)體器件的組合構(gòu)成，具體地說(shuō)，激光二極管裝置通過(guò)由GaN基化合物半導(dǎo)體制成的405nm波長(zhǎng)的激光二極管構(gòu)成。因而，如果實(shí)現(xiàn)在405nm波長(zhǎng)處具有高峰值功率的“全半導(dǎo)體”的脈沖激光時(shí)，該脈沖激光可有望成為繼藍(lán)光光盤系統(tǒng)的下一代光盤系統(tǒng)的容積光盤(volumetric optical disk)系統(tǒng)的光源，并且可通過(guò)該脈沖激光實(shí)現(xiàn)覆蓋可見光范圍的整個(gè)波段的合適的超短脈沖/超高功率光源，從而可提供醫(yī)藥領(lǐng)域、生物成像領(lǐng)域等所需的光源。

發(fā)明內(nèi)容
期望提供一種驅(qū)動(dòng)具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和配置的超短脈沖/超高功率激光二極管的方法。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，提供一種驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，通過(guò)脈沖電流驅(qū)動(dòng)該激光二極管，該脈沖電流比閾值電流值Ith高10倍以上，優(yōu)選地高20倍以上，更優(yōu)選地高 50倍以上。在此情況下，閾值電流值Ith表示當(dāng)激光振蕩起始時(shí)流過(guò)激光二極管的電流，后面提到的閾值電壓值Vth表示此時(shí)施加于激光二極管的電壓，并且建立Vth = RXIth+V0的關(guān)系，其中激光二極管的內(nèi)電阻是R(Q)。在此情況下，Vtl是p-n結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，提供一種驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，通過(guò)脈沖電壓驅(qū)動(dòng)該激光二極管，該驅(qū)動(dòng)電壓比閾值電壓值Vth高2倍以上，優(yōu)選地高4倍以上，更優(yōu)選地高10 倍以上。在本發(fā)明第一實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法(在一些情況下，以下稱為“本發(fā)明的第一實(shí)施例”)中，可采用脈沖電流的寬度為10納秒以下、優(yōu)選地為2納秒以下的模式。 而且，在具有該優(yōu)選模式的本發(fā)明第一實(shí)施例中，可采用脈沖電流的值為0. 4安以上、優(yōu)選地為0.8安以上的模式?；蛘?，用換算成活性層的每cm2(結(jié)區(qū)域面積的每cm2)的脈沖電流的值表示，即用電流密度(以安/cm2為單位的工作電流密度)表示，可采用脈沖電流的值為3. 5 X IO4安/cm2以上、優(yōu)選地為7 X IO4安/cm2以上的模式。脈沖電流的寬度的下限取決于脈沖發(fā)生器的規(guī)格等。可基于所使用的激光二極管的規(guī)格確定脈沖電流的值的上限。在本發(fā)明第二實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法(在一些情況下，以下稱為“本發(fā)明的第二實(shí)施例”)中，可采用脈沖電壓的寬度為10納秒以下、優(yōu)選地為2納秒以下的模式。 而且，在具有該優(yōu)選模式的本發(fā)明第二實(shí)施例中，可采用脈沖電壓的值為8伏以上、優(yōu)選地為16伏以上的模式。脈沖電壓的寬度的下限取決于脈沖發(fā)生器的規(guī)格等。可基于所使用的激光二極管的規(guī)格確定脈沖電壓的值的上限。在包括上述各優(yōu)選模式的本發(fā)明第一實(shí)施例和本發(fā)明第二實(shí)施例(在一些情況下，以下簡(jiǎn)單地總稱為“本發(fā)明”)中，可采用激光二極管是具有脊條型分離封閉異質(zhì)結(jié)構(gòu) (SCH結(jié)構(gòu))的激光二極管的模式。例如通過(guò)RIE方法在厚度方向上去除后文提到的第二化合物半導(dǎo)體層的一部分而形成脊部。在具有上述優(yōu)選模式的本發(fā)明中，激光二極管包括由第一化合物半導(dǎo)體層、量子阱結(jié)構(gòu)的活性層和第二化合物半導(dǎo)體層構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)體，以及與第一化合物半導(dǎo)體層電連接的第一電極和與第二化合物半導(dǎo)體層電連接的第二電極，并且所述層疊結(jié)構(gòu)體由 AlGaInN基化合物半導(dǎo)體制成，即激光二極管是GaN基激光二極管。在此情況下，AlGaInN基化合物半導(dǎo)體的具體示例包括GaN、AlGaN, GaInN和 AlGaInN0而且，如果必要，在這些化合物半導(dǎo)體中可包括硼(B)原子、鉈(Tl)原子、砷(As) 原子、磷(P)原子或銻(Sb)原子。而且，量子阱結(jié)構(gòu)的活性層具有至少一個(gè)阱層和至少一個(gè)阻擋層層疊的結(jié)構(gòu)，(形成阱層的化合物半導(dǎo)體，形成阻擋層的化合物半導(dǎo)體)的組合的示例包括(InyGa(1_y)N，GaN)、(InyGa(1_y)N，InzGa(1_z)N) [y > ζ]和(InyGa(1_y)N，AlGaN)。以下， 在一些情況下，構(gòu)成激光二極管的層疊結(jié)構(gòu)體的AlGaInN基化合物半導(dǎo)體稱為“GaN基化合物半導(dǎo)體”，AlGaInN基化合物半導(dǎo)體層稱為“GaN基化合物半導(dǎo)體層”。在上述的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，第二化合物半導(dǎo)體層具有ρ型GaN層和ρ型AlGaN層交替層疊的超晶格結(jié)構(gòu)，并且超晶格結(jié)構(gòu)的厚度為0. 7 μ m以下。當(dāng)采用這樣的超晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，在保持作為披覆層需要的高折射率的同時(shí)，可以降低激光二極管的串聯(lián)電阻分量R，從而降低了激光二極管的工作電壓。超晶格結(jié)構(gòu)的厚度的下限例如是但不限于是0. 3 μ m，構(gòu)成超晶格結(jié)構(gòu)的P型GaN層的厚度例如在Inm至5nm的范圍內(nèi)，構(gòu)成超晶格結(jié)構(gòu)的ρ型AlGaN層的厚度例如在Inm至5nm的范圍內(nèi)，ρ型GaN層和ρ型AlGaN層的總層數(shù)例如在60層至300層的范圍內(nèi)。而且，第二電極被布置在第二化合物半導(dǎo)體層上，并且從活性層至第二電極的距離為1 μ m以下，優(yōu)選地為0. 6 μ m以下。通過(guò)以這種方式確定從活性層至第二電極的距離， 可減小具有高電阻的P型第二化合物半導(dǎo)體層的厚度，并且可實(shí)現(xiàn)激光二極管的工作電壓的降低。此外，從活性層至第二電極的距離的下限例如是但不限于是0.3μπι。而且，第二化合物半導(dǎo)體層可摻雜有l(wèi)X1019cm_3以上的Mg，并且第二化合物半導(dǎo)體層對(duì)405nm波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)至少是50cm—1。Mg的原子濃度是由這樣的材料性質(zhì)得來(lái)的，即當(dāng)Mg的原子濃度為2 X IO19CnT3時(shí)該材料顯示出最大空穴濃度，并且Mg的原子濃度是通過(guò)使最大空穴濃度， 即第二化合物半導(dǎo)體層的比電阻設(shè)計(jì)為最小化時(shí)所得的結(jié)果。第二化合物半導(dǎo)體層的吸收系數(shù)是為了僅僅使激光二極管裝置的電阻最小化而予以確定的，因此，進(jìn)入活性層中的光的吸收系數(shù)通常是50CHT1。然而，為了增大吸收系數(shù)，可有意地將Mg的摻雜量設(shè)為濃度在 2X IO19Cm-3以上。在此情況下，在實(shí)際的空穴濃度可實(shí)現(xiàn)的條件下，Mg的摻雜量的上限例如是8X 1019cm_3。而且，第二化合物半導(dǎo)體層從活性層一側(cè)依次包括未摻雜的化合物半導(dǎo)體層和P型化合物半導(dǎo)體層，并且從活性層至P型化合物半導(dǎo)體層的距離是1. 2X 10-7m以下。 當(dāng)以這種方式確定從活性層至P型化合物半導(dǎo)體層的距離時(shí)，可在不降低內(nèi)部量子效率的情況下降低內(nèi)損耗，從而可降低激光振蕩起始時(shí)的閾值電流值密度。從活性層至P型化合物半導(dǎo)體層的距離的下限例如是但不限于是5X 10_8m。而且，激光二極管具有脊條形結(jié)構(gòu)， 脊條形結(jié)構(gòu)中脊部的寬度為2 μ m以下，由Si02/Si層疊結(jié)構(gòu)制成的層疊的絕緣膜形成于基部的兩側(cè)，脊部的有效折射率與層疊的絕緣膜的有效折射率之差在5X 10_3至IX 10_2的范圍內(nèi)。當(dāng)使用這樣的層疊的絕緣膜時(shí)，即使在進(jìn)行超過(guò)IOOmW的高功率工作的情況下，也可保持單一的基礎(chǔ)橫向模式。脊部的寬度的下限例如是但不限于是0.8 μ m。而且，例如通過(guò)從活性層一側(cè)依次層疊未摻雜的GaInN層(ρ側(cè)導(dǎo)光層)、未摻雜的AlGaN層(ρ側(cè)披覆層)、 摻雜Mg的AlGaN層(電子阻擋層)、GaN層(摻雜有Mg) /AlGaN層超晶格結(jié)構(gòu)(超晶格披覆層)和摻雜Mg的GaN層(ρ側(cè)接觸層)形成第二化合物半導(dǎo)體層。而且，從激光二極管的端面發(fā)出的激光的垂直方向上的光束發(fā)射半角θ丄為25度以下，優(yōu)選地為21度以下。 光束發(fā)射半角θ丄的下限例如是但不限于是17度。諧振長(zhǎng)度例如在0.3mm至2mm的范圍內(nèi)。在活性層中形成阱層的化合物半導(dǎo)體的帶隙期望為2. 4eV以上。而且，從活性層發(fā)出的激光的波長(zhǎng)期望在360nm至500nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在400nm至410nm的范圍內(nèi)?？筛鶕?jù)需要將上述各種配置適當(dāng)結(jié)合在一起。在本發(fā)明中，在基板上依次形成構(gòu)成激光二極管的各GaN基化合物半導(dǎo)體層。在此情況下，包括藍(lán)寶石基板在內(nèi)，還可使用GaAs基板、GaN基板、SiC基板、氧化鋁基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板作為基板，或者使用通過(guò)在這些基板中的任一個(gè)的表面(主表面)上形成底層或緩沖層所形成的基板。而且，作為形成構(gòu)成激光二極管的各GaN基化合物半導(dǎo)體層的方法，可使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法(M0CVD方法、MOVPE方法)、分子束外延方法(MBE方法)、以及由鹵素促使輸運(yùn)或反應(yīng)的氫化物氣相外延方法等。在此情況下，可使用三甲基鎵(TMG)氣體或三乙基鎵(TEG)氣體作為MOCVD方法中的有機(jī)鎵氣體源，可使用氨氣或胼氣(hydrazine gas)作為氮?dú)怏w源。當(dāng)形成具有η型導(dǎo)體的GaN基化合物半導(dǎo)體層時(shí)，例如，可加入硅(Si)作為η型雜質(zhì)(η型摻雜劑)，當(dāng)形成具有P型導(dǎo)體的GaN基化合物半導(dǎo)體層時(shí)，例如，可加入鎂(Mg)作為ρ型雜質(zhì)(ρ型摻雜劑)。而且，在包括鋁(Al)或銦(In)作為GaN基化合物半導(dǎo)體層的組成原子的情況下，三甲基鋁(TMA)氣體可用作Al源，三甲基銦(TMI)氣體可用作In源。而且，可使用甲硅烷氣體(SiH4氣體)作為Si源，可使用環(huán)戊二烯基鎂氣體、甲基環(huán)戊二烯基鎂或雙環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)作為Mg源。此外，包括Si在內(nèi)，也可使用Ge、Se、Sn、C、Te、S、0、Pd或Po作為 η型雜質(zhì)(η型摻雜劑)，包括Mg在內(nèi)，也可使用Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg或Sr作為ρ型雜質(zhì)(P型摻雜劑)。與具有ρ型導(dǎo)體的第二化合物半導(dǎo)體層電連接的第二電極(或者形成于接觸層上的第二電極)優(yōu)選地是具有包括從鈀(Pd)、鉬(Pt)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈦(Ti)、金(Au)和銀 (Ag)中選出的至少一種金屬的單層結(jié)構(gòu)或者多層結(jié)構(gòu)?；蛘?，可使用諸如ITO(銦錫氧化物)的透明導(dǎo)電材料。另一方面，與具有η型導(dǎo)體的第一化合物半導(dǎo)體層電連接的第一電極優(yōu)選地是具有包括從金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎢(W)、銅(Cu)、鋅(Zn)、 錫(Sn)和銦(In)中選出的至少一種金屬的單層結(jié)構(gòu)或者多層結(jié)構(gòu)，并且，例如可使用Ti/ Au、Ti/Al或Ti/Pt/Au的多層結(jié)構(gòu)。例如可通過(guò)諸如真空沉積方法或?yàn)R射方法等的PVD方法形成第一電極或第二電極。第一電極與第一化合物半導(dǎo)體層電連接，并且包括第一電極形成于第一化合物半導(dǎo)體層上的模式，以及第一電極與第一化合物半導(dǎo)體層相連，導(dǎo)電材料層或?qū)щ娀褰橛诙咧g的模式。類似地，第二電極與第二化合物半導(dǎo)體層電連接，并且包括第二電極形成于第二化合物半導(dǎo)體層上的模式，以及第二電極與第二化合物半導(dǎo)體層相連，導(dǎo)電材料層介于二者之間的模式?？稍诘谝浑姌O或第二電極上布置焊盤電極，用于與外部電極或者電路電連接。焊盤電極優(yōu)選地是具有包括從鈦(Ti)、鋁(Al)、鉬(Pt)、金(Au)和鎳(Ni)中選出的至少一種金屬的單層結(jié)構(gòu)或者多層結(jié)構(gòu)?；蛘撸副P電極例如具有諸如Ti/Pt/Au多層結(jié)構(gòu)或Ti/Au 多層結(jié)構(gòu)等多層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明例如可以應(yīng)用于諸如光盤系統(tǒng)、通信領(lǐng)域、光信息領(lǐng)域、光電集成電路、應(yīng)用非線性光現(xiàn)象的領(lǐng)域、光學(xué)開關(guān)、激光測(cè)量領(lǐng)域或各種分析領(lǐng)域、超快光譜領(lǐng)域、多相激發(fā)光譜學(xué)領(lǐng)域、質(zhì)量分析領(lǐng)域、利用多光子吸收的顯微光譜學(xué)領(lǐng)域、化學(xué)反應(yīng)的量子控制、 納米三維加工領(lǐng)域、利用多光子吸收的各種加工領(lǐng)域、醫(yī)藥領(lǐng)域和生物成像領(lǐng)域。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，通過(guò)比閾值電流值Ith高10倍以上的脈沖電流驅(qū)動(dòng)激光二極管，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，通過(guò)比閾值電壓值Vth高2倍以上的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)激光二極管。因此，可提供發(fā)出光強(qiáng)度為3瓦以上、半值寬度為20皮秒以下、具有尖峰的激光的超短脈沖/超高功率激光二極管。
根據(jù)以下說(shuō)明，本發(fā)明的其它的和進(jìn)一步的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將更充分地顯現(xiàn)出來(lái)。


圖IA和圖IB是示例1的激光二極管裝置的電路圖，圖IC和圖ID是施加于激光二極管的矩形脈沖電壓的示意圖。圖2是示例1的激光二極管的示意性剖面圖。圖3是表示在示例1的激光二極管中從活性層到ρ型AlGaN電子阻擋層的距離d 不同的情況下激光二極管的內(nèi)損耗和內(nèi)部量子效率的結(jié)果的曲線圖。圖4A至圖4D示出了從示例1的激光二極管發(fā)出的激光的波形。圖5A至圖5D示出了從GaAs基激光二極管發(fā)出的激光的波形。圖6是表示通過(guò)改變示例1的激光二極管和GaAs基激光二極管中所施加的脈沖電壓V2而得到的第一光峰和尖峰的峰值光功率的曲線圖。圖7A示出了在示例1的激光二極管中通過(guò)取樣示波器所測(cè)得的來(lái)自于快速光檢測(cè)器的光波形以及所產(chǎn)生的第一光峰(GP)的典型示例，圖7B示出了在示例1的激光二極管中通過(guò)利用超高速掃描照相機(jī)測(cè)量第一光峰(GP)的半值寬度所得的結(jié)果。圖8在㈧中示出了示例1的激光二極管中所施加的脈沖電壓的波形圖，在⑶和 (C)中示出了在0.5歐姆的電阻兩端之間所產(chǎn)生的與電流監(jiān)控器相對(duì)應(yīng)的電壓的波形圖， 在(D)中示出了脈沖電壓V2與流過(guò)激光二極管的電流‘之間關(guān)系的圖。圖9是示例1的激光二極管在產(chǎn)生第一光峰(GP)之前的光譜和NFP的圖。圖IOA和圖IOB是示例1的激光二極管在產(chǎn)生第一光峰(GP)之后的光譜和NFP 的圖。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖詳細(xì)說(shuō)明各優(yōu)選實(shí)施例。示例 1示例1涉及本發(fā)明第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法。如圖IA所示，具有示例1的超短脈沖/超高功率激光二極管的激光二極管裝置包括脈沖發(fā)生器10以及由來(lái)自脈沖發(fā)生器10的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)的激光二極管20。更具體地， 該激光二極管裝置包括發(fā)射波長(zhǎng)為405nm的GaN基激光二極管20以及可以使GaN基激光二極管20進(jìn)行增益開關(guān)操作的高功率脈沖發(fā)生器10。此外，激光二極管裝置包括DC恒流源11，但如圖IB所示，DC恒流源11并不是必要的。在此情況下，DC恒流源11具有已知的電路配置，并且脈沖發(fā)生器10的配置為低壓脈沖發(fā)生器和高功率電壓放大器結(jié)合在一起。如圖IC所示，施加于激光二極管20的電壓(驅(qū)動(dòng)脈沖)是脈寬為％的矩形脈沖電壓V2。此外，由于包括DC恒流源11，所以施加于激光二極管20的電壓是將脈寬為tp的矩形脈沖電壓V2與DC電壓V1相加所得的電壓。在此情況下，DC電壓V1為V1 = RX I^V0 V0 =3伏，該電壓V1由DC恒流源11所提供的電流(值=I1)、激光二極管20的內(nèi)電阻R以及 p-n結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)Vtl確定。但是，在此情況下，沒有考慮布線電阻、布線和激光二極管20之間的接觸電阻等。在圖IB所示的電路配置中，如圖ID所示，施加于激光二極管20的電壓是脈寬為tp的矩形脈沖電壓\。激光二極管20是具有脊條型分離封閉異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH(S印arated Confinement Heterostructure)結(jié)構(gòu))的激光二極管。更具體地，激光二極管20是由為藍(lán)光光盤系統(tǒng)而開發(fā)的索引引導(dǎo)型的AlGaInN制成的GaN基激光二極管，并且具有脊條結(jié)構(gòu)。作為激光二極管20的參數(shù)，在連續(xù)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中絕對(duì)最大額定光功率為85毫瓦，在脈沖驅(qū)動(dòng)(7. 5納秒的脈寬和50%的占空比)的過(guò)程中為170毫瓦。而且，發(fā)射波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)值為405nm，閾值電流值Ith(振蕩起始電流的標(biāo)準(zhǔn)值)為40毫安，從激光二極管20的端面發(fā)出的激光的平行于活性層的發(fā)射角度(水平方向上的光束發(fā)射半角Θ//)以及該激光的垂直于活性層的發(fā)射角度(光束發(fā)射半角θ丄)的標(biāo)準(zhǔn)值分別為8度和21度。激光二極管20是高功率激光二極管，其中在后文所述的各化合物半導(dǎo)體層的層疊方向(垂直方向)上的光封閉被削弱。而且，諧振長(zhǎng)度為0. 8mm。圖2示出了激光二極管20的示意性剖面圖。激光二極管20被布置在η型GaN基板21的(0001)平面上，并且包括由第一化合物半導(dǎo)體層30、具有量子阱結(jié)構(gòu)的活性層40、 第二化合物半導(dǎo)體層50構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)體，以及與第一化合物半導(dǎo)體層30電連接的第一電極61和與第二化合物半導(dǎo)體層50電連接的第二電極62。第一化合物半導(dǎo)體層30、活性層40和第二化合物半導(dǎo)體層50由GaN基化合物半導(dǎo)體制成，具體地由AlGaInN基化合物半導(dǎo)體制成。更具體地，激光二極管20具有如下表1所示的層結(jié)構(gòu)。在該示例中，表1中的化合物半導(dǎo)體層按照距η型GaN基板21的距離逐漸減小的順序列出。此外，在活性層40 中形成阱層的化合物半導(dǎo)體的帶隙是3. 06eV。表 1第二化合物半導(dǎo)體層50P型GaN接觸層(摻雜Mg) 55P型GaN (摻雜Mg) /AlGaN超晶格披覆層54P型AlGaN電子阻擋層(摻雜Mg) 53未摻雜的AlGaN披覆層52未摻雜的GaInN導(dǎo)光層51活性層40GaInN量子阱活性層(阱層=Gaa92Inatl8N/阻擋層=Gaa98Ina02N)第一化合物半導(dǎo)體層30N型GaN披覆層32N 型 AlGaN 披覆層 31而且，通過(guò)RIE方法去除ρ型GaN接觸層55的一部分和ρ型GaN/AlGaN超晶格披覆層54的一部分，以形成1. 4 μ m寬的脊部56。由Si02/Si制成的層疊的絕緣膜57形成于脊部56的兩側(cè)上。SiO2層是下層，Si層是上層。在此情況下，脊部56的有效折射率與層疊的絕緣膜57的有效折射率之差在5X10_3 1X10_2的范圍內(nèi)，更具體地為7X10_3。在與脊部56的上表面相對(duì)應(yīng)的ρ型GaN接觸層55上，形成由Pd/Pt/Au制成的第二電極(ρ型歐姆電極)62。另一方面，由Ti/Pt/Au制成的第一電極(η型歐姆電極61)形成于η型GaN 基板21的背面上。
具有ρ型GaN層和ρ型AlGaN層交替層疊的超晶格結(jié)構(gòu)的ρ型GaN/AlGaN超晶格披覆層54的厚度為0. 7 μ m以下，具體地為0. 4 μ m，并且構(gòu)成超晶格結(jié)構(gòu)的各ρ型GaN層的厚度是2. 5nm,構(gòu)成超晶格結(jié)構(gòu)的各ρ型AlGaN層的厚度是2. 5nm，p型GaN層和ρ型AlGaN 層的總數(shù)是160層。從活性層40至第二電極62的距離是Ιμπι以下，具體地為0.6 μπι。而且，構(gòu)成第二化合物半導(dǎo)體層50的ρ型AlGaN電子阻擋層53、ρ型GaN/AlGaN超晶格披覆層54和ρ型GaN接觸層55摻雜有1 X IO19CnT3以上(具體地為2 X IO19CnT3)的Mg，并且第二化合物半導(dǎo)體層50對(duì)具有405nm波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)至少是δΟοπΓ1，具體地為65CHT1。 而且，第二化合物半導(dǎo)體層50從活性層一側(cè)依次包括未摻雜的化合物半導(dǎo)體層(未摻雜的 GaInN導(dǎo)光層51和未摻雜的AlGaN披覆層52)和ρ型化合物半導(dǎo)體層，并且從活性層至ρ 型化合物半導(dǎo)體層(具體地為ρ型AlGaN電子阻擋層53)的距離d是1. 2 X 10_7m以下，具體地為lOOnm。在示例1的激光二極管20中，ρ型AlGaN電子阻擋層53、ρ型GaN/AlGaN超晶格披覆層54和ρ型GaN接觸層55是摻雜有Mg的化合物半導(dǎo)體層，這些層盡可能少地與由活性層40及其周圍環(huán)境所生成的光密度分布重疊，從而在不降低內(nèi)部量子效率的情況下降低內(nèi)損耗。因此，降低了激光振蕩起始時(shí)的閾值電流密度。圖3示出了通過(guò)實(shí)際形成從活性層40至ρ型AlGaN電子阻擋層53具有不同距離d的激光二極管所確定的內(nèi)損耗α i和內(nèi)部量子效率Hi的結(jié)果。從圖3可明顯看出，當(dāng)d值增大時(shí)，內(nèi)損耗α減小，而當(dāng)d值達(dá)到某值以上時(shí)，空穴注入到阱層中的效率降低，從而活性層中的電子空穴重新結(jié)合的效率降低，于是內(nèi)部量子效率Hi降低。如上所述，基于上述結(jié)果設(shè)計(jì)d值。在示例1的激光二極管的驅(qū)動(dòng)方法中，通過(guò)脈沖電流驅(qū)動(dòng)激光二極管，該脈沖電流比閾值電流值Ith高10倍以上，優(yōu)選地高20倍以上，更優(yōu)選地高50倍以上。該脈沖電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出獲得額定光功率所必須的電流值(額定電流)?；蛘?，在示例1的激光二極管的驅(qū)動(dòng)方法中，通過(guò)脈沖電壓驅(qū)動(dòng)激光二極管，該脈沖電壓比閾值電壓值Vth高2倍以上，優(yōu)選地高4倍以上，更優(yōu)選地高10倍以上，或者通過(guò)增加到引起橫向模式不穩(wěn)定的電壓以上的電壓驅(qū)動(dòng)激光二極管。而且，通過(guò)脈沖電流驅(qū)動(dòng)示例1的激光二極管20或者形成示例1的激光二極管裝置的激光二極管20，該脈沖電流10比閾值電流值Ith高10倍以上，優(yōu)選地高 20倍以上，更優(yōu)選地高50倍以上，或者通過(guò)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出額定電流的脈沖電流來(lái)驅(qū)動(dòng)?；蛘?，通過(guò)脈沖電壓驅(qū)動(dòng)示例1的激光二極管20或者形成示例1的激光二極管裝置的激光二極管 20，該脈沖電壓比閾值電壓值Vth高2倍以上，優(yōu)選地高4倍以上，更優(yōu)選地高10倍以上，或者通過(guò)增加到引起橫向模式不穩(wěn)定的電壓以上的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)?；蛘?，示例1的激光二極管 20或者形成示例1的激光二極管裝置的激光二極管20發(fā)射出第一光峰以及在第一光峰之后的第二光峰。第一光峰的光強(qiáng)度為3瓦以上，優(yōu)選地為5瓦以上，更優(yōu)選地為10瓦以上， 并且半值寬度為20皮秒以下，優(yōu)選地為15皮秒以下，更優(yōu)選地為10皮秒以下，第二光峰的能量為1納焦以上，優(yōu)選地為2納焦以上，更優(yōu)選地為5納焦以上，并且脈寬為1納秒以上， 優(yōu)選地為2納秒以上，更優(yōu)選地為5納秒以上。當(dāng)施加如圖IC所示的脈沖電壓時(shí)，通過(guò)利用快速光檢測(cè)器和取樣示波器可從示例1的激光二極管20觀察到圖4A至圖4D所示的光波形。在此情況下，所施加的脈沖電壓的具體情況如表2所示。圖4A至圖4D的每個(gè)中的縱軸表示從快速光檢測(cè)器得到的信號(hào)電壓，并且500毫伏的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于10瓦的光功率。
9
彪DC恒定電流I1 0. 1毫安脈寬tp 2納秒脈沖重復(fù)頻率f IOOkHz如圖4A所示，當(dāng)脈沖電壓V2為4. 6伏時(shí)，可得到單個(gè)光峰。如圖4B所示，當(dāng)脈沖電壓V2為8. 1伏時(shí)，可產(chǎn)生由激光二極管的張弛振蕩所致的多個(gè)光脈沖。如圖4C所示，當(dāng)脈沖電壓V2增大時(shí)，在脈沖電壓V2為14. 3伏的情況下，可產(chǎn)生多個(gè)半值寬度為50皮秒以下的尖的光脈沖，然后脈寬約為1納秒的寬的光脈沖疊加于其上。如圖4D所示，當(dāng)脈沖電壓V2為16伏時(shí)，會(huì)產(chǎn)生具有20皮秒以下的半值寬度和高峰值能量(約10瓦)的尖的單個(gè)光脈沖(稱為巨脈沖(GP)，且對(duì)應(yīng)于第一光峰)，并且在第一光峰之后，可觀察到彼此疊加的具有低強(qiáng)度的多個(gè)光脈沖以及脈寬為1納秒以上的寬光峰(脈寬約為1. 5納秒的第二光峰)。這時(shí)，脈沖電流的值為0. 4安以上，具體地為1. 6安， 或者用活性層的每cm2 (結(jié)區(qū)域面積的每cm2)的脈沖電流的值來(lái)表示，即用電流密度(以安 /cm2為單位的工作電流密度)來(lái)表示，脈沖電流的值為1.4X105安/cm2。對(duì)GaAs基高功率激光二極管進(jìn)行相同的試驗(yàn)。結(jié)果如圖5A至圖5D所示。驅(qū)動(dòng)條件與示例1的激光二極管20中的條件相同。當(dāng)脈沖電壓％增大時(shí)，可觀察到由張弛振蕩所致的多個(gè)光脈沖以及在多個(gè)光脈沖之后的脈寬為1納秒的寬光峰。但是，沒有觀察到如在示例1的激光二極管20中所觀察到的第一光峰的具有高峰值的光脈沖。第一光峰(GP) 的產(chǎn)生可認(rèn)為是由GaN基激光二極管所進(jìn)行的增益開關(guān)操作而得到的獨(dú)特現(xiàn)象。圖6示出了通過(guò)改變所施加的脈沖電壓V2而得到的第一光峰或尖峰的峰值光功率。在GaAs基高功率激光二極管中，如“B”所示，產(chǎn)生半值寬度為50納秒的窄的光脈沖，而光脈沖的峰值光功率是關(guān)于脈沖電壓的單調(diào)遞增函數(shù)。另一方面，在示例1的激光二極管 20中，如“A”所示，當(dāng)脈沖電壓V2超過(guò)15伏時(shí)，峰值光功率顯著增大而產(chǎn)生第一光峰(GP)。 換言之，示例1的激光二極管20產(chǎn)生幾倍于相關(guān)技術(shù)的AlGaAs基激光二極管的、在一些情況下比相關(guān)技術(shù)的AlGaAs基激光二極管高一位的峰值光功率。圖7A示出了通過(guò)取樣示波器測(cè)得的來(lái)自于快速光檢測(cè)器的光波形以及所產(chǎn)生的第一光峰(GP)的典型示例。在圖7A中，產(chǎn)生了高峰值光強(qiáng)度為15瓦的第一光峰(GP)，以及在第一光峰之后的1納焦以上、具體地為1. 1納焦的并且脈寬為1納秒以上、具體地為 1.5納秒的第二光峰。這時(shí)的驅(qū)動(dòng)條件如以下的表3中所示。而且，當(dāng)通過(guò)超高速掃描照相機(jī)測(cè)量第一光峰(GP)的半值寬度時(shí)，半值寬度為20皮秒，這是很窄的(參見圖7B)。^t 3DC恒定電流I1 :0· 1毫安脈寬tp 2納秒脈沖重復(fù)頻率f IOOkHz脈沖電壓V2:45伏為了研究第一光峰(GP)的產(chǎn)生機(jī)制，在產(chǎn)生第一光峰(GP)之前和之后測(cè)量施加于示例1的激光二極管20 (該激光二極管與圖5A至圖5D所示的試驗(yàn)所使用的激光二極管不同)的脈沖電壓V2和流過(guò)激光二極管的電流‘。通過(guò)將0.5歐姆的電阻器串聯(lián)地接入激光二極管中，并且測(cè)量電阻器兩端之間的電壓，求出流過(guò)激光二極管的電流lop。通過(guò)將如圖8A所示的脈沖電壓(寬度約為2納秒，電壓V2)與DC恒定電流I1 = 0. 1毫安相疊加可得到所施加的脈沖波形。這時(shí)脈沖重復(fù)頻率f為100kHz。而且，圖8B和圖8C示出了對(duì)應(yīng)于電流監(jiān)控器的在0. 5歐姆的電阻器的兩端之間所產(chǎn)生的電壓的波形。圖8D示出了以這種方式得到的脈沖電壓V2與流過(guò)激光二極管的電流I0p之間的關(guān)系。在該試驗(yàn)中，在V2 = 11伏附近產(chǎn)生第一光峰(GP)，但是在V2 = 11伏之前和之后電流_電壓特性變化并不大， 并且電流-電壓特性的斜率是不變的。因而，認(rèn)為流過(guò)激光二極管的電流I0p不會(huì)導(dǎo)致第一光峰(GP)的產(chǎn)生。圖9、圖IOA和圖IOB示出了在產(chǎn)生第一光峰(GP)之前和之后的光譜和NFP (Near Field Pattern，近場(chǎng)圖形)。這時(shí)的驅(qū)動(dòng)條件與表1中所示的相同。在該試驗(yàn)中，由于使用與圖5A至圖5D和圖8A至圖8D所示的試驗(yàn)中所使用的激光二極管不同的激光二極管裝置，所以在脈沖電壓V2 = 20伏的情況下，不產(chǎn)生第一光峰(GP)。如圖9所示，當(dāng)考察此時(shí)的光譜時(shí)，會(huì)觀察到402nm處的振蕩峰值和在較長(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)的407nm處的振蕩峰值。從NFP 可明顯看出，在橫向模式中，包括基波在內(nèi)，在垂直方向的兩側(cè)還會(huì)產(chǎn)生高次模分量。當(dāng)脈沖電壓增大到脈沖電壓V2 = 23伏時(shí)，產(chǎn)生第一光峰(GP)。如圖IOA所示，當(dāng)測(cè)量此時(shí)的光譜和NFP時(shí)，在產(chǎn)生第一光峰(GP)之后，上述的較長(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)的407nm處的振蕩峰值被消除，并且在較短波長(zhǎng)一側(cè)的395nm附近產(chǎn)生振蕩峰值。在圖IOA中，在395nm附近的振蕩峰值與402nm處的振蕩峰值重疊。如圖IOB所示，當(dāng)通過(guò)帶通濾波器提取395nm處的振蕩峰值的信號(hào)來(lái)測(cè)量NFP時(shí)，會(huì)觀察到這樣的變化，即在橫向模式中，通過(guò)產(chǎn)生第一光峰(GP)使垂直方向上具有大寬度的基波變寬。因而可以認(rèn)為，示例1的激光二極管20進(jìn)行這樣的類似于Q開關(guān)激激光器的操作，即通過(guò)在橫向模式中由不穩(wěn)定性所致的能量累積機(jī)制而產(chǎn)生第一光峰(GP)。換言之，本發(fā)明實(shí)施例的激光二極管可看作是增益開關(guān)型激光二極管，其通過(guò)在橫向模式中由不穩(wěn)定性所致的能量累積機(jī)制而包括類似于Q開關(guān)激光器的功能。因而認(rèn)為，通過(guò)基于電流脈沖增大的有效的Q開關(guān)機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)在相關(guān)技術(shù)的增益開關(guān)激光二極管中所不能實(shí)現(xiàn)的20皮秒以下的短光脈寬和3瓦以上(例如10瓦以上)的峰值光功率。在不同的激光二極管之間，產(chǎn)生第一光峰(GP)時(shí)的脈沖電壓V2存在細(xì)微差別，當(dāng) DC恒定電流I1的值增大時(shí)，產(chǎn)生第一光峰(GP)時(shí)的脈沖電壓V2的值也增大。更具體地， 在I1 = 0. 1毫安和I1 = 3毫安的情況下，得到以下表4所示的脈沖電壓V2作為產(chǎn)生第一光峰(GP)時(shí)的脈沖電壓V2的值。表 4
DC恒定電流I1 0.1mA 3 mA
激光二極管-A 19伏 40伏激光二極管-B 13伏 26伏
激光二極管-C 10伏 23伏 如上所述，在示例1中，通過(guò)比閾值電流值1&高10倍以上的脈沖電流驅(qū)動(dòng)激光二極管20，或者通過(guò)比閾值電壓值Vth高2倍以上的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)激光二極管20。因此，可得到能夠發(fā)出光強(qiáng)度為3瓦以上且半值寬度為20皮秒以下的尖峰的激光的超短脈沖/超高功率激光二極管。而且，在示例1的激光二極管中，可得到這樣的激光二極管，其發(fā)出光強(qiáng)度為3瓦以上且半值寬度為20皮秒以下的尖峰的激光作為第一光峰(GP)，以及在第一光峰 (GP)之后具有1納焦以上的高能量以及脈寬甚至為1納秒以上的高的寬能(broad energy) 的第二光峰。盡管參照優(yōu)選示例說(shuō)明了本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于此。示例中所說(shuō)明的激光二極管的配置和結(jié)構(gòu)、激光二極管裝置的配置都是示例，可以適當(dāng)?shù)馗淖?。而且，在示例中，盡管示出了各種值，但這些值也只是示例。因而，例如，當(dāng)所使用的激光二極管的規(guī)格改變時(shí)， 這些值也改變。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在所附權(quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要和其它因素進(jìn)行各種修改、組合、子組合和改變。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其包括利用比閾值電壓值高2倍以上的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)所述激光二極管的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其中，所述脈沖電壓的寬度為10納秒以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其中，所述脈沖電壓的值為8伏以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其中，所述激光二極管是具有脊條型分離封閉異質(zhì)結(jié)構(gòu)的激光二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其中，所述激光二極管包括由第一化合物半導(dǎo)體層、具有量子阱結(jié)構(gòu)的活性層、第二化合物半導(dǎo)體層構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)體，還包括與所述第一化合物半導(dǎo)體層電連接的第一電極以及與所述第二化合物半導(dǎo)體層電連接的第二電極，并且所述層疊結(jié)構(gòu)體由AlGaInN基化合物半導(dǎo)體制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其中，所述激光二極管包括由第一化合物半導(dǎo)體層、具有量子阱結(jié)構(gòu)的活性層、第二化合物半導(dǎo)體層構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)體，還包括與所述第一化合物半導(dǎo)體層電連接的第一電極以及與所述第二化合物半導(dǎo)體層電連接的第二電極，并且所述層疊結(jié)構(gòu)體由AlGaInN基化合物半導(dǎo)體制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其中，所述激光二極管包括由第一化合物半導(dǎo)體層、具有量子阱結(jié)構(gòu)的活性層、第二化合物半導(dǎo)體層構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)體，還包括與所述第一化合物半導(dǎo)體層電連接的第一電極以及與所述第二化合物半導(dǎo)體層電連接的第二電極，并且所述層疊結(jié)構(gòu)體由AlGaInN基化合物半導(dǎo)體制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其中， 所述第二電極被布置在所述第二化合物半導(dǎo)體層上，并且從所述活性層至所述第二電極的距離為1 μ m以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其中， 所述第二化合物半導(dǎo)體層摻雜有1 X IO19CnT3以上的Mg，并且所述第二化合物半導(dǎo)體層對(duì)405nm波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)至少是50CHT1。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的驅(qū)動(dòng)激光二極管的方法，其中，所述第二化合物半導(dǎo)體層從所述活性層一側(cè)依次包括未摻雜的化合物半導(dǎo)體層和P 型化合物半導(dǎo)體層，并且從所述活性層至所述P型化合物半導(dǎo)體層的距離是1. 2X IO-7Hi以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和配置的超短脈沖/超高功率激光二極管的驅(qū)動(dòng)方法。在驅(qū)動(dòng)該激光二極管的方法中，通過(guò)比閾值電流值高10倍以上的脈沖電流驅(qū)動(dòng)該激光二極管。該脈沖電流的寬度優(yōu)選地為10納秒以下，并且該脈沖電流的值具體地為0.4安以上。
文檔編號(hào)H01S5/062GK102420387SQ20111035856
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者大木智之, 宮嶋孝夫, 橫山弘之, 池田昌夫, 河野俊介, 渡邊秀輝 申請(qǐng)人:國(guó)立大學(xué)法人東北大學(xué), 索尼株式會(huì)社