光盤系統(tǒng)用半導(dǎo)體激光器

摘　要：半導(dǎo)體激光器（LD）作為讀取光盤信息的光源，是CD、DVD播放機(jī)/ROM等光盤系統(tǒng)的重要器件，它的性能往往決定系統(tǒng)的整體性能。文中敘述了光盤用LD的發(fā)展歷程及特點(diǎn)，并著重介紹了近紅外、紅光、紫光LD及雙波長LD的開發(fā)現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：LD; CD; DVD; 光盤系統(tǒng)

分類號(hào)：TN365     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：B    文章編號(hào)：1006-6977（2000）11-0003-04　
 
1 光盤系統(tǒng)用LD的發(fā)展歷程

　　光盤讀出用的半導(dǎo)體激光器起源于1970年出現(xiàn)的室溫連續(xù)振蕩780nm 波長近紅外AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)（DH）LD[1]，繼這種沒有限制振蕩區(qū)域的全面電極器件之后，人們還開發(fā)出了將電流和增益分布限制在條形區(qū)從而使振蕩模穩(wěn)定的增益波導(dǎo)型器件[2]，70年代后期又出現(xiàn)了在結(jié)的平行方向上有折射率分布的折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[3]，這便是現(xiàn)在光盤系統(tǒng)用LD的基本結(jié)構(gòu)。1982年日本先鋒公司用夏普公司制造的這種近紅外LD代替氣體激光管,并將其安裝在CD播放機(jī)上，從此LD作為光盤讀出光源的時(shí)代正式到來了。隨著光盤的高密度化，LD也向短波長方向發(fā)展。1985年，以Kobayashi小組為首的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)采用AlGaInP材料成功地實(shí)現(xiàn)了670nm紅光LD的室溫連續(xù)振蕩，1992年Hiroyama等人又開發(fā)出了630nm紅光LD，這種紅光LD就是現(xiàn)在用于DVD的光源。而中村等人研制的400nm紫光InGaN LD更是舉世矚目。這種400nm紫光InGaN激光器將最有可能成為下一代高密度光盤用光源。為了簡化DVD光頭結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)整機(jī)的穩(wěn)定性，1999年,索尼、東芝等公司又推出了集成有兩個(gè)LD的雙波長LD激光器。這樣，從1972年飛利浦公司采用兩張30cm直徑丙烯片背向貼合而成的記錄模擬信號(hào)的光盤雛形發(fā)展到1982年10月和1996年11月上市的CD、DVD數(shù)字光盤，光源也相應(yīng)地從633nm的He－Ne氣體激光器演變成780nm近紅外、650nm紅光甚至更短波長的半導(dǎo)體激光器或集成化器件。

2 LD用于光盤系統(tǒng)應(yīng)具備的特性

　　在用LD讀取光盤信息時(shí)，該LD應(yīng)具備以下特性。

2.1 振蕩波長

    若用d表示激光束光斑直徑、λ表示振蕩波長、NA表示物鏡的數(shù)值孔徑，則d正比λ/NA，即λ越小或NA越大，斑點(diǎn)越小，光盤存儲(chǔ)密度越高。從CD到DVD，波長從780nm縮短為650nm，NA從0.45增大到0.6，光斑直徑從2.1μm減小到1.3μm，存儲(chǔ)容量從640MB提高到了4.7GB/單面。如果使用400nm 紫光LD，則光盤容量可高達(dá)15GB/單面。可見，波長越短，光盤存儲(chǔ)密度越高。

2.2 電－光輸出

　　電－光輸出特性包括光輸出、閾值電流、工作電流等。如果用于光盤回放，則光輸出至少要達(dá)到2～8mW，如果用于光盤寫入，則光輸出必須在30mW以上。而閾值電流和工作電流則越低越好。

2.3 振蕩模式

　　振蕩模應(yīng)選用基本橫模，并應(yīng)將電流注入?yún)^(qū)控制為數(shù)μm以形成適當(dāng)?shù)墓庀拗平Y(jié)構(gòu)。

2.4 噪聲

　　要減小光盤反射光返回到激光器產(chǎn)生的回光噪聲，就必須使激光振蕩模多?；?。

2.5 可靠性

　　在用于一般光盤系統(tǒng)時(shí)，LD的工作溫度應(yīng)在60℃以上，而用于計(jì)算機(jī)光盤裝置則要求在70℃上。在60℃或70℃的溫度條件下，還要求LD的平均壽命必須達(dá)到5000～10000h以上。其中波長主要取決于材料，其余特性往往是通過精確的結(jié)構(gòu)控制來獲得，因此激光器的晶體生長通常采用有利于控制外延層的金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積（MOCVD）或分子束外延（MBE）技術(shù)來完成。

3　光盤系統(tǒng)用半導(dǎo)體激光器

3.1 AlGaAs LD與AlGaInP LD

　　AlGaAs近紅外LD與AlGaInP紅光LD兩種器件的基本晶體層結(jié)構(gòu)。近紅外 LD結(jié)構(gòu)一般用2次外延生長完成，通過精確控制各層的厚度和載流子濃度，即可獲得CD光盤所必需的各種特性。目前這種器件主要致力于30mW以上的高輸出研究，以滿足CD－R/RW光盤刻錄系統(tǒng)。要提高光輸出，就必須避免激光射出端的端面損傷并降低工作電流。防止端面損傷一般采取加寬有源層光限制區(qū)、增大光束直徑來減小端面光密度的方法。為了使橫模穩(wěn)定，起初采用可吸收激光的GaAs作電流阻擋層，但由于激光被吸收后增大了光損耗、閾值電流和工作電流，于是改用比包層Al組分更大的AlGaAs作電流阻擋層，這樣既可利用包層和阻擋層Al組分不同產(chǎn)生的折射率差來控制橫模，又由于阻擋層不吸收光而能使工作電流進(jìn)一步減小。因此，通過光限制區(qū)和電流阻擋層以及諧振器長、端面反射率的改進(jìn)，終于在1995年成功地開發(fā)出光輸出達(dá)70mW的器件，并迅速實(shí)現(xiàn)了商品化。

　　紅光LD應(yīng)該說是近紅外LD技術(shù)積累的結(jié)果，從晶體生長、結(jié)構(gòu)控制到成品，紅光LD都沿用了近紅外LD的某些制作技術(shù)。與近紅外LD相比，紅光LD改用帶隙較大的AlGaInP四元材料作有源層來縮短波長，并采用能精確控制橫模的脊形結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。如果只是單純的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于導(dǎo)帶電子的異質(zhì)勢壘小，因此溫度越高，注入電子越容易從有源層溢出到包層，這將使高溫下的工作電流增大。80年代后期，近紅外LD有源層引入多量子阱超晶格（MQW）結(jié)構(gòu)（由數(shù)百A厚的不同組分的晶體層反復(fù)交叉積層而形成的疊層結(jié)構(gòu)），從而有效減小了有源層的光吸收、降低了閾值電流。于是人們把超晶格也引入到InGaAsP 紅光LD，并進(jìn)一步調(diào)整超晶格的組分以使襯底的晶格常數(shù)與有源層的晶格常數(shù)發(fā)生微妙變化，這樣便使有源層中形成了壓縮應(yīng)變的超晶格。實(shí)驗(yàn)證明：若產(chǎn)生0.5％的壓縮應(yīng)變，閾值電流可減少25％，而且隨著閾值電流的降低，閾值電流與溫度的相關(guān)特性也得到了大幅改善。另外，為了改善噪聲特性，必須將原本單模的紅光LD變成多模。含過飽和吸收層的AlGaAs近紅外自脈動(dòng)激光器（見圖1（a））就是基于這一技術(shù)開發(fā)出來的，并以其極低的噪聲受到好評(píng)。自脈動(dòng)激光器利用過飽和吸收層的斷續(xù)光吸收機(jī)理使得出射光波斷斷續(xù)續(xù)，從而變成多模型，即使光盤反射光返回到LD也不會(huì)影響激光振蕩，從而使噪聲降低。后來人們把過飽和吸收層也引入到AlGaInP紅光 LD，進(jìn)而開發(fā)出了自脈動(dòng)型紅光LD。自脈動(dòng)激光器以其良好的噪聲特性必將是今后光盤用LD的發(fā)展方向。目前，近紅外LD和紅光LD已發(fā)展成熟，并達(dá)到商品化。

3.2 InGaN紫光LD

　　日本日亞化學(xué)工業(yè)公司在GaN藍(lán)紫光發(fā)射器件方面做出了重大貢獻(xiàn)，在1995年春，繼GaN藍(lán)綠光LED成功之后，日亞的中村等人正式著手研究InGaN紫光LD，并于同年12月首次實(shí)現(xiàn)紫色激光連續(xù)振蕩。終于在1996年成功地實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)振蕩300小時(shí)，隨后，他們又利用NEC公司碓井等人報(bào)道的橫向過生長GaN（ELOG）襯底技術(shù)將紫光LD室溫壽命提高到一萬小時(shí)。1998年又采用美國北卡羅來拉州立大學(xué)Zheleva等人發(fā)明的無SiO2掩膜ELOG襯底技術(shù)，有效減少了藍(lán)寶石襯底與GaN之間的錯(cuò)位密度，大幅降低了閾值電流、提了器件壽命，從而真正揭開了商品化器件的序幕。

　　無SiO2掩膜的ELOG襯底，它首先在藍(lán)寶石襯底上生長2～4μm的GaN，然后在其上形成條狀SiO2掩膜，干蝕刻至藍(lán)寶石襯底后除去SiO2，接著在形成的條狀GaN上再次生長GaN。由于條狀GaN側(cè)面的生長速度比上面的生長速度快，因此，經(jīng)過一定時(shí)間后，其側(cè)面、上面生長的GaN將連成一體，從而形成如鏡面平坦的GaN膜。藍(lán)寶石襯底與GaN之間大的晶格常數(shù)差引起的連貫錯(cuò)位只在條狀GaN上方延伸而不橫向延伸，因此側(cè)面生長的GaN中連貫錯(cuò)位非常少。如果在這一連貫錯(cuò)位少的區(qū)域形成激光器結(jié)構(gòu)，閾值電流密度只有2～4k A/cm2，而在連貫錯(cuò)位多的區(qū)域制作則閾值電流密度大約要高2倍。1999年1月，日亞公司正是在這種襯底上率先實(shí)現(xiàn)了InGaN紫光LD的商品化。

　　自1998年日亞公司率先將紫光LD的壽命突破10000小時(shí)以后，日本的富士通、松下以及美國的Cree、HP、SDL、施樂、西北大學(xué)以及波斯頓大學(xué)等也加入了這種器件的研發(fā)行列，這使得紫光LD市場競爭日趨激烈。

3.3 集成雙波長LD

　　1997年出現(xiàn)了采用2光束LD的DVD/CD/CD－R光頭，但當(dāng)時(shí)由于技術(shù)難度大并需要新的設(shè)備投資以及DVD需求量有限等緣故，大多只停留在研制水平。然而，1999年6月8日索尼計(jì)算機(jī)公司發(fā)布了用于"Playstation2（游戲機(jī)）"的雙波長半導(dǎo)體激光器的消息并引起轟動(dòng)之后，東芝、夏普、松下、三洋、三菱、羅姆等日本廠家都紛紛做出了日程表以加快雙波長LD的開發(fā)。

　　雙波長LD是一種用單片集成或混合集成的方法將近紅外LD和紅光LD集成在一體的激光器組件。單片集成型是利用MOCVD技術(shù)在GaAs襯底上選擇生長AlxGa1－xAs和AlxGayIn1－x－yP兩種不同有源層而形成的，最后封裝在標(biāo)準(zhǔn)的5.6mm直徑4針管殼中。單片集成的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光點(diǎn)間隔由光刻工藝確定，定位精確，誤差范圍可控制在