CN100539331C - 激光二极管和激光二极管器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可以容易安装的激光二极管以及其中安装了该激光二极管的激光二极管器件。将孔布置在半导体层内，p型电极和n型半导体层通过该孔的底部(连接部分)而相互电连接。这样，p型电极具有和n型半导体层相同的电势，且可饱和吸收区域形成于和电流通路相对应的区域内。增益区域(未示出)内产生的光被吸收到可饱和吸收区域内而被转换成电流。该电流通过p侧电极和底部而被释放到地，可饱和吸收区域和增益区域之间的相互作用被触发，由此产生自振荡。

Description

激光二极管和激光二极管器件
相关专利申请的交叉参考
本发明包含2005年9月16日于日本专利局提交的日本专利申请JP2005-269904相关的主题，该专利申请的全部内容包含在此作为参考。
技术领域
本发明涉及在半导体层上包含两个或以上分离电极的激光二极管以及包括该激光二极管的激光二极管器件，尤其涉及能够产生自振荡的激光二极管以及激光二极管器件。
背景技术
近年来，作为一种低噪声激光二极管(LD)，脉冲激光器已经成为人们关注的焦点。脉冲激光器是一种在产生自激振动时发生振荡并具有低相干性和低光学反馈噪声的激光器，因此脉冲激光器对于光盘尤其有用。例如，如日本未审查专利申请公开No.2004-7002和2004-186678所述，脉冲激光器包含沿谐振器方向彼此分离的两个p侧电极，所述p侧电极之一(下文中称为第一电极)接地，或者对该p侧电极施加反向偏压，并对另一个p侧电极(下文中称为第二电极)施加正向偏压，由此在对应于第一电极的区域以及对应于第二电极的区域内分别形成可饱和吸收区域和增益区域，这些区域导致相互作用，由此产生自振荡。
发明内容
为了对第一电极施加不同于施加至第二电极的电压的电压，例如，需要将导线键合到第一电极以供给预期的电压。典型地，键合导线需要约100平方微米的区域，然而第一电极通常没有这么宽的区域，因此很难将导线键合到第一电极。如前所述，在日本未审查专利申请公开No.2004-7002和2004-186678中，就需要先进的安装技术。
鉴于前述内容，需要提供可以容易安装的激光二极管以及其中安装了所述激光二极管的激光二极管器件。
根据本发明的实施例，提供了一种激光二极管，包括：半导体层，所述半导体层通过层叠第一导电类型层、有源层和第二导电类型层而形成，其中所述第二导电类型层在其顶部包含条形电流限制结构；多个电极，所述多个电极形成于半导体层的第二导电类型层侧上，并以预定间隔电连接到第二导电类型层；以及连接部分，所述连接部分设置在该半导体层中以与有源层电隔离，并将除了至少一个之外的所述多个电极中的一个电极与第一导电类型层彼此电连接。
在根据本发明的实施例的激光二极管中，除了至少一个之外的所述多个电极中的一个电极与第一导电类型层通过连接部分而彼此电连接，因此该电极(第一电极)具有和第一导电类型层相同的电势。这样，与第一电极相对应的区域起着可饱和吸收区域的作用，与该多个电极中除了第一电极之外的一个电极(第二电极)相对应的区域起着增益区域的作用，激光二极管通过这些区域的相互作用而产生自振荡。此外，连接部分形成于半导体层内，可以在无需将导线键合到该第一电极的情况下产生自振荡，所述导线连接到具有与第一导电类型层相同电势的部分。换而言之，无需在第一电极上布置导线。
在根据本发明实施例的激光二极管中，连接部分布置在半导体层内，第一导电类型层和第一电极通过连接部分而相互电连接，因此可以产生自振荡而无需在第一电极上分离地布置导线。这样，由于无需在第一电极上布置导线，因此可以容易地安装激光二极管。因此，可以容易地制造这样的激光二极管器件，其中热辐射部分、器件等被安装在所述多个电极侧的至少一个电极侧上以及激光二极管的第一导电类型层侧上。
通过以下描述，本发明的其它和另外的目标、特征及优点将变得更加明显。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的激光二极管的结构透视图；
图2为沿图1的线A-A截取的剖面视图；
图3为沿图1的线B-B截取的剖面视图；
图4A、4B和4C为用于描述图1所示半导体制造步骤的剖面视图；
图5A和5B为示出了图4A、4B和4C之后的步骤的剖面视图；
图6A和6B为示出了图5A和5B之后的步骤的剖面视图；
图7A和7B为示出了图6A和6B之后的步骤的剖面视图；
图8A和8B为示出了图7A和7B之后的步骤的剖面视图；
图9为根据第一实施例的变型的激光二极管器件的侧视图；
图10为根据第一实施例的变型的另一激光二极管器件的侧视图；
图11为根据本发明第二实施例的激光二极管器件的结构透视图；
图12为沿图11的线C-C截取的剖面视图；
图13为沿图11的线D-D截取的剖面视图；
图14为示出厚度d和阈值电流Ith之间关系的曲线图；
图15为根据第二实施例的第一变型的激光二极管结构的剖面视图；
图16为根据第二实施例的第二变型的激光二极管器件的结构透视图；以及
图17为沿图16的线E-E截取的剖面视图。
具体实施方式
下面将参考附图详细地描述各优选实施例。
[第一实施例]
图1为根据本发明第一实施例的激光二极管器件10的结构的透视图。图2为沿图1的箭头A-A截取的剖面视图，图3为沿图1的箭头B-B截取的剖面视图。图1至3为示意性视图，因此图1至3中的尺寸和形状不同于实际尺寸和形状。
通过在激光二极管20和热沉11(热辐射部分)之间使用键合层12将激光二极管20安装在热沉11上，由此形成激光二极管器件10，使得激光二极管20的p侧朝上。热沉11由诸如具有电学和热传导性的材料例如Cu(铜)制成。键合层12固定激光二极管器件10和热沉11，并由例如包含AuSn等的键合材料制成。由此，从激光二极管20发出的热经热沉11耗散，因此激光二极管20维持在恰当的温度。
通过在由GaN(氮化镓)制成的衬底21上生长由III-V族氮化物半导体制成的半导体层22，由此形成激光二极管20。半导体层22具有激光器结构，所述激光器结构通过依次层叠n型覆层23、有源层24、p型覆层25和p型接触层26而形成。这种情况下，n型覆层23对应于本发明中的第一导电类型层，p型覆层25和p型接触层26对应于本发明中的第二导电类型层。下文中，上述各半导体层的层叠方向称为垂直方向，发射激光的方向称为轴向，与轴向和垂直方向相垂直的方向称为横向。
这种情形中的III-V族氮化物半导体为包含镓(Ga)和氮(N)的氮化镓基化合物，该III-V族氮化物半导体的实例包括GaN、AlGaN(铝镓氮)、AlGaInN(铝镓铟氮)等。如果需要，这些化合物半导体包含IV或VI族元素的n型杂质，例如Si(硅)、Ge(锗)、O(氧)或Se(硒)，或者包含II或IV族元素的p型杂质，例如Mg(镁)、Zn(锌)或C(碳)。
在半导体层22中，n型覆层23由例如n型AlGaN制成。有源层24具有例如未掺杂的GaInN多量子阱结构。p型覆层25由例如AlGaN制成，p型接触层26由例如p型GaN制成。
在p型覆层25和p型接触层26的一部分内，通过在形成将在下文中描述的p型接触层26之后进行选择性地刻蚀，由此形成沿轴向延伸的条形脊(凸起的边缘部分)27以及置于脊27两侧的槽28。p型接触层26仅形成于脊27的顶部上。脊27和槽28具有限制半导体层22内电流通路29大小的功能以及稳定地将沿横向的光模式维持为基(零阶)模式的功能，由此将光模式导向轴向。脊27和槽28对应于本发明中的电流限制结构。
槽28形成于脊27的两侧，从而形成W脊结构(一种电流限制结构)，这是因为当p型覆层25被大范围深刻蚀而非布置槽28时，容易发生漏电，且削弱了可制造性。此外，通常，III-V族氮化物半导体是一种难以在大范围上被均匀刻蚀的材料，因此通过在尽可能窄的范围内刻蚀来形成脊27。
在半导体层22中，形成孔30，其深度从p型覆层25一直到n型覆层23。孔30置于将在下文中描述的p侧电极33形成的区域内，与半导体层22内形成了W脊结构的区域相距预定距离或者以上。孔30的直径取决于可以形成孔30的区域的尺寸，例如为约10μm。
绝缘膜31形成于p型覆层25的表面上，包括脊27的两个侧面、槽28的内表面以及孔30的侧表面。换而言之，孔30内的有源层24被绝缘膜31覆盖，脊27的上表面和孔30的底部30A(n型覆层23被暴露的区域)未被绝缘膜31覆盖。绝缘膜31具有例如依次层叠SiO2和Si的结构。
p侧接触电极32形成于脊27的顶部(p型接触层26)上。在这种情况下，p侧接触电极32包含Pd(钯)。
p侧电极33(第一电极)和p侧电极34(第二电极)形成于包含绝缘膜31和p侧接触电极32的表面以及孔30内表面的表面上，其间存在隔离区域L1。p侧电极33和p侧电极34具有其中Ti(钛)、Pt(铂)和Au(金)依次层叠的结构。由金等制成的导线W被键合到p侧电极34，从而经导线W而电连接到外部电源(未示出)。
p侧电极34形成于包含绝缘膜31和p侧接触电极32的表面内未形成孔30的区域中。因此，p侧电极34经p侧接触电极32电连接到脊27的p型接触层26。下文中，在p侧电极34中电连接到脊27的p型接触层26的部分称为接触部分34A。
p侧电极33形成于包含绝缘膜31和p侧接触电极32的表面内形成孔30的区域中。因此，p侧电极33不仅经p侧接触电极32电连接到脊27的p型接触层26，还经底部30A(连接部分)电连接到n型覆层23。因此，p侧电极33具有和n型覆层23相同的电势。通过形成于孔30侧表面上的绝缘膜31，p侧电极33与有源层24隔离。下文中，p侧电极33中电连接到脊27的p型接触层26的部分称为接触部分33A。
隔离区域L1为沿横向延伸的条形区域，形成所述隔离区域L1使得p侧电极33和p侧电极34沿轴向在空间上相互分离而不使其电学短路。更加具体地，在隔离区域L1中，脊27上的p型接触层26和p侧接触电极32被除去，其表面(隔离区域L1内p型覆层25的表面)覆盖了绝缘膜31。此时，隔离区域L1沿轴向的宽度为例如约10μm。此外，优选地在有源层24内与隔离区域L1相对应的区域(有源层24内对应于p侧电极33的区域与对应于p侧电极34的区域之间的区域)中形成离子注入区域。这样，电阻变得更高，可以防止在施加更高电压时产生漏电流。例如，可以通过注入这样的离子形成该离子注入区域，所述离子包括选自由硅(Si)、铝(Al)、氧(O)和硼(B)组成的组中的至少一种元素。
这样，p侧电极34可以将电流经接触部分34A注入有源层24，因此有源层24内对应于接触部分34A的区域起着增益区域L2的作用。另一方面，p侧电极33可以经接触部分33A从有源层24提取电流(光电流)，并可以通过孔30的底部30A、n型覆层23和热沉11释放来自有源层24的电流，因此有源层24内对应于接触部分33A的区域起着所谓可饱和吸收区域L3的功能。
这种情况下，“起着增益区域L2的功能”是指放大由注入载流子发射的光的功能，“起着可饱和吸收区域L3的功能”是指吸收增益区域L2内发射的光的功能。因此，根据本实施例的激光二极管20可以通过增益区域L2和可饱和吸收区域L3之间的相互作用而产生自振荡(脉冲)。
接触部分33A的面积设成位于激光二极管20可以持续自振荡的大小范围内。因此，接触部分33A沿轴向的长度远小于接触部分34A沿轴向的长度，例如为约20μm，因此直接将导线键合到p侧电极33极为困难。然而，如随后将描述的，p侧电极33经底部30A而电连接到具有和接地相同电势(零伏特)的n型覆层23，因此p侧电极33无需导线键合而可以具有零伏特。换而言之，无需直接将导线键合到p侧电极33，因此在激光二极管20的安装步骤中，无需先进安装技术。
此外，只需将接触部分33A置于被谐振器夹在中间的区域即可，所述谐振器包含将在下文中描述的发射侧端表面35和反射侧端表面36，因此可以形成接触部分33A，以对应于脊27顶部的任何部分；然而，如在本实施例中，优选地的是形成接触部分33A以对应于发射侧端表面35侧上的脊27顶部的一部分。这是因为，在可饱和吸收区域L3中，产生非常少的热量，因此在将可饱和吸收区域L3置于发射侧端表面35侧上的情况下，发射侧端表面35的退化可以得到防止而无需在靠近发射侧端表面35布置热辐射机制。
一对发射侧端表面35和反射侧端表面36形成于与脊27延伸方向(轴向)垂直的侧表面上。发射侧端表面35由例如Al2O3(氧化铝)制成，并被调节成具有低的反射率。另一方面，反射侧端表面36例如通过交替层叠氧化铝层和氧化钛层而形成，且被调节成具有高的反射率。这样，在有源层24的增益区域L2中产生的光在该对发射侧端表面35和反射侧端表面36之间传播，从而被放大，随后作为光束从发射侧端表面35出射。
另一方面，n侧电极37置于衬底21的整个背面上，并电连接到衬底21和n型覆层23。n侧电极37具有例如依次层叠钛(Ti)、铂(Pt)和金(Au)的结构。当激光二极管20安装到热沉11上时，n侧电极37电连接到热沉11，因此n侧电极37具有和电连接到热沉11的接地(未示出)相同的电势(零伏特)。因此，与n侧电极34的情形相同，电连接到n侧电极37的n型覆层23和经底部30A电连接到n型覆层23的p侧电极33具有和接地相同的电势。
可以通过下述步骤制造激光二极管器件10。
图4A至8B依次示出了该制造方法的步骤。为了制造激光二极管20，通过例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法，在由GaN制成的衬底21A上形成由III-V族氮化物(GaN基化合物半导体)制成的半导体层22A。此时，作为GaN基化合物半导体的材料，使用三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMIn)和氨(NH3)；作为施主杂质的材料，使用例如甲硅烷(SiH4)；作为受主杂质的材料，使用例如环戊二烯镁(CPMg)。
具体地，首先，在衬底21A上依次层叠n型覆层23A、有源层24A、p型覆层25A和p型接触层26A(参考图4A)。
接着，由厚度为0.2μm的SiO2制成的绝缘膜31A形成于p型接触层26A上。随后，由光敏抗蚀剂制成的膜形成于绝缘膜31A上，且通过光刻技术形成具有沿轴向延伸的条形开口的光敏抗蚀剂层R1。接着，以光敏抗蚀剂层R1为掩模，通过使用氢氟酸基刻蚀溶液的湿法刻蚀方法选择性地除去绝缘膜31A(参考图4B)。之后，通过真空蒸发方法形成包含厚度为100nm的Pd的金属层。之后，除去光敏抗蚀剂层R1。这样就形成了p侧接触电极32A(参考图4C)。
随后，由光敏抗蚀剂制成的膜形成于p侧接触电极32A和绝缘膜31A上，并通过光刻技术形成具有开口的光敏抗蚀剂层R2，所述开口位于将形成W脊结构的区域内(参考图5A)。接着，以光敏抗蚀剂层R2和p侧接触电极32A为掩模，通过使用氢氟酸基刻蚀溶液的湿法刻蚀方法选择性地除去绝缘膜31A。接着，通过使用氯基刻蚀气体的干法刻蚀方法选择性地除去p型接触层26A的一部分和p型覆层25A的一部分(参考图5B)。之后，除去光敏抗蚀剂层R2，并除去p型接触层26A的未被p侧接触电极32A覆盖的一部分。这样，在半导体层22A的顶部内形成包含条形脊27和槽28的W脊结构。
接着，通过光刻技术将光敏抗蚀剂制成的膜形成于整个表面上，从而形成具有开口的光敏抗蚀剂层R3，所述开口位于对应于隔离区域L1的区域内(参考图6A)。接着，以光敏抗蚀剂层R3为掩模通过离子铣削方法选择性地除去p侧接触电极32A，从而暴露p型接触层26A的上表面，随后通过使用氯基刻蚀气体的干法刻蚀方法选择性地除去p型接触层26A。之后，光敏抗蚀剂层R3被除去。这样，形成了将成为隔离区域L1的区域，并且p型接触层26和p侧接触电极32形成于除了将成为隔离区域L1的部分之外的上表面上(参考图6B)。
接着，由厚度为0.2μm的SiO2制成的绝缘层31B形成于整个表面上。随后，形成由光敏抗蚀剂制成的膜，使得在p侧接触电极32顶部上的该膜的一部分更薄而其余部分较厚，也就是说整个表面变得平坦，且随后通过光刻技术形成具有开口的光敏抗蚀剂层R4，所述开口位于与p侧接触电极32上表面对应的区域内(参考图7A)。接着，通过使用p侧接触电极32为刻蚀阻挡层，刻蚀p侧接触电极32上的绝缘层31B，由此暴露p侧接触电极32(参考图7B)。
随后，在整个表面上形成由光敏抗蚀剂制成的膜，并且通过光刻技术形成具有方形开口的光敏抗蚀剂层(未示出)，该具有方形开口的光敏抗蚀剂层形成于将形成p侧电极33的区域内，与形成了W脊结构的区域相距预定距离或以上。接着，通过以该光敏抗蚀剂层为掩模，通过使用氯基刻蚀气体的干法刻蚀方法形成孔30，孔30具有从p型覆层25到n型覆层23的深度。之后，除去光敏抗蚀剂层。随后，在孔30的内表面上形成由SiO2制成的绝缘层31C，并选择性除去与绝缘层31C的底部30A相对应的部分。这样就形成了在对应于p侧接触电极32和底部30A的区域内具有开口的绝缘层31(参考图8A)。
之后，在整个表面上形成由光敏抗蚀剂制成的膜，且通过光刻技术在对应于隔离区域L1的区域内形成光敏抗蚀剂层(未示出)。随后，例如，使用蒸发设备依次层叠Ti、Pt和Au.之后，除去该光敏抗蚀剂层。这样就在发射侧端表面35侧和反射侧端表面36侧上分别形成p侧电极33和p侧电极34(参考图8B)。
接着，根据需要抛光衬底21A的背面，且在该背面上依次层叠Ti、Pt和Au。这样就形成了n侧电极37。此外，衬底21A被切割成各个元件(各个激光二极管20)。这样就形成了激光二极管20。此外，导线W连接到p侧电极34，热沉11经键合层12键合到n侧电极37，从而制造激光二极管器件10(参考图1)。
在激光二极管20中，当在p侧电极34和n侧电极37之间施加具有预定电势差的电压时，受脊27限制的电流被注入有源层24的增益区域L2(光发射区域)，由此发生通过电子-空穴复合的光发射。光被一对反射镜面反射，并致使发生往返相移为2π整数倍的波长的激光振荡，该光作为光束被输出到外部。
此时，p侧电极33经底部30A电连接到地，因而p侧电极33具有零伏特。因此，增益区域L2内发射的光被吸收到有源层24内对应于p侧电极33的可饱和吸收区域L3中，从而被转化为电流(光电流)。该电流经p侧电极33和底部30A被释放到接地。这样，增益区域L2和可饱和吸收区域L3之间的相互作用被触发以导致自振荡。
因此，在根据本实施例的激光二极管器件20内，底部30A被包含在半导体层22内，n型覆层23和p侧电极33经底部30A而彼此电连接，使得p侧电极33可以具有和接地相同的电势(零伏特)，因此无需导线键合即可产生自振荡。此外，由于p侧电极33上的导线键合不是必需的，因此可以容易地安装激光二极管20.因此，在本实施例中，可以容易地制造其中激光二极管20被安装在热沉11等上的激光二极管器件。
[变型]
图9和10示出了根据第一实施例变型的激光二极管器件沿脊27延伸方向的剖面视图。图9和10是示意性视图，因此图9和10中的尺寸和形状不同于真实尺寸和形状。
该激光二极管器件与根据上述实施例的激光二极管器件不同之处在于，典型的激光二极管40(器件)通过键合层12安装在激光二极管20的p侧电极33和34侧上。因此，将主要详细描述上述差异，而将不再进一步描述与上述实施例相同的结构、功能与效果。
如上所述，在可饱和吸收区域L3中产生的热量非常少，因此对于类似激光二极管20那样可饱和吸收区域L3置于发射侧端表面35侧上的情形，无需在靠近发射侧端表面35布置热辐射机制，只需要在与激光二极管20的增益区域L2对应的区域内布置热辐射机制即可。因此，在键合层12和激光二极管40被用做热辐射机制的情况下，只需使键合层12和激光二极管40仅仅同与激光二极管20的增益区域L2相对应的区域接触即可，且优选地满足下述公式：
X3<X1-X2            (1)
在该表达式中，X1为激光二极管20在脊27延伸方向上的长度，X2为p侧电极33在脊27延伸方向上的长度，X3为激光二极管20和激光二极管40之间的接触区域在脊27延伸方向上的长度。如图9所示，由于在延伸方向上的接触区域的长度X3以及激光二极管40的长度X4都减小为等于上述接触区域的长度，因此可以减小激光二极管40的尺寸，并可减小制造成本。上述表达式(1)适用于使用热沉(热辐射部分)替代激光二极管40的情形。
如图9和10所示，优选在将设置衬底侧的相对一侧上的激光二极管40和激光二极管20的表面设成相互接触。这是因为，当这些激光二极管不通过衬底而彼此接触时，可以更有效地使用与其接触而用做热辐射机制的器件。此外，所述的在设置衬底侧的相对一侧上的表面可以设成相互接触，这是因为无需将导线键合到p侧电极33。
因此，在本变型中，可以容易地制造激光二极管器件，其中激光二极管40被安装在激光二极管20的p侧电极34侧上。在本变型中，不用说，在激光二极管40被安装在激光二极管20的n侧电极37侧上的激光二极管器件中，在这种情况下，激光二极管40可安装成使得激光二极管40的p侧朝下或朝上。
[第二实施例]
图11示出了根据本发明第二实施例的激光二极管器件的结构。图12示出了沿图11的箭头C-C截取的剖面视图，图13示出了沿图11的箭头D-D截取的剖面视图。图11至13是示意性视图，因此图11至13中的尺寸和形状不同于真实尺寸和形状。
通过使用在其间的键合层12将激光二极管50安装在热沉11(热辐射部分)上，从而使激光二极管50的p侧朝上，由此形成该激光二极管器件。激光二极管50与激光二极管20的区别在于，激光二极管20在与脊27预定区域相对应的一部分区域内包含可饱和吸收区域L3，而在激光二极管50中，可饱和吸收区域L6包含在与槽28对应的区域内。因此，将主要详细描述上述差异，而将不再进一步描述与上述实施例相同的结构、功能与效果。
在半导体层22内，在W脊结构两侧上扩展的各个区域内形成各个孔60(60a和60b)，所述各个孔60具有从p型覆层25到n型覆层23的深度。孔60a形成在将在下文中描述的p侧电极53a的区域内，与半导体层22内形成了W脊结构的区域相距预定距离或以上，而孔60b形成在将形成p侧电极53b的区城内，与半导体层22内形成了W脊结构的区域相距预定距离或以上。
绝缘膜61形成于p型覆层25的表面上，包括脊27的两个侧面、槽28的侧表面和槽28的底面的一部分、以及孔60(60a和60b)的侧表面。换而言之，孔60(60a和60b)内的有源层24被绝缘膜61覆盖，而脊27的上表面、槽28底面的一部分(p型覆层25被暴露的区域)以及孔60(60a和60b)的底部60A和60B(n型覆层23被暴露的区域)未被绝缘膜61覆盖。绝缘膜61具有例如SiO2和Si依次层叠的结构。
p侧电极53(53a和53b)(第一电极)和p侧电极54(第二电极)形成于包含绝缘膜61和p侧接触电极32的表面以及孔60(60a和60b)内表面的表面上，在p侧电极53和p侧电极54其间存在隔离区域L4。
p侧电极54形成于绝缘膜61内未形成孔60(60a和60b)的区域的表面上以及p侧接触电极32的表面上。因此，p侧电极54经p侧接触电极32电连接到脊27的p型接触层26。下文中，p侧电极54中电连接到脊27的p型接触层26的部分称为接触部分54A。
p侧电极53a形成于绝缘膜61中形成了孔60a的区域上，p侧电极53b形成于绝缘膜61中形成了孔60b的区域上。因此，p侧电极53(53a和53b)不仅经p侧接触电极32电连接到脊27的p型接触层26，还经底部60A和60B(连接部分)电连接到n型覆层23。因此，p侧电极53(53a和53b)具有和n型覆层23相同的电势(零伏特)。通过形成于孔60(60a和60b)侧表面上的绝缘膜61，p侧电极53(53a和53b)与有源层24隔离。下文中，p侧电极53a中电连接到槽28的p型覆层25的部分称为接触部分53A，p侧电极53b中电连接到槽28的p型覆层25的部分称为接触部分53B。
在有源层24到接触部分53A和接触部分53B的距离为d的情况下，从脊27边缘到接触部分53A和接触部分53B的距离c优选地满足下述表达式：
c≥18d           (2)
通常，当距离d增加时，脊27内的电流限制功能减弱，有源层24的电流注入区域(增益区域L5)的宽度变宽，如图14所示，阈值电流Ith变大。因此，通常距离d缩小到约50nm至100nm，从而使有源层24的电流注入区域(增益区域L5)缩小。然而，即使以这种方式使距离d缩小，有源层24的电流注入区域(增益区域L5)的宽度仍宽于脊27的宽度，因此当将接触部分53A或接触部分53B布置在脊27的旁边时，从p侧电极54供给的电流不会被供给到有源层24，而被释放到p侧电极53，因此光发射效率降低。因此，为了防止从p侧电极54供给的电流不被供给到有源层24而被释放到p侧电极53，需要在距离脊27边缘特定距离处布置可饱和吸收区域L6。
此外，隔离区域L4包含形成在从W脊结构两侧向外扩展并沿与轴向垂直的方向延伸的区域之一中的条形区域，以及形成在槽28底面的一部分中并沿轴向延伸的条形区域，且形成所述隔离区域L4使得p侧电极53(53a和53b)和p侧电极54在空间上相互分离而不使其电学短路。具体地，在隔离区域L4中，除去p型接触层26，并使用绝缘膜61覆盖隔离区域L4的表面。
这样，p侧电极54可以将电流经接触部分54A注入有源层24，因此有源层24内对应于接触部分54A的区域起着所谓增益区域L5的功能。另一方面，p侧电极53(53a和53b)可以经接触部分53A和53B从有源层24提取电流(光电流)，并可以通过孔60(60a和60b)的底部60A和60B、n型覆层23和热沉11将来自有源层24的电流释放，因此有源层24内对应于接触部分53A和53B的区域起着所谓可饱和吸收区域L6的功能。
这种情况下，“起着增益区域L5的功能”是指放大由注入载流子发射的光的功能，“起着可饱和吸收区域L6的功能”是指吸收增益区域L5内发射的光的功能。因此，根据本实施例的激光二极管50可以通过增益区域L5和可饱和吸收区域L6之间的相互作用而产生自振荡(脉冲)。
p侧电极53(53a和53b)经底部60A和60B而电连接到具有和接地相同电势(零伏特)的n型覆层23，因此p侧电极53可以无需导线键合而具有零伏特。换而言之，无需直接将导线键合到p侧电极53(53a和53b)，因此在激光二极管50的安装步骤中，可以省略将导线键合到p侧电极53(53a和53b)的步骤。
此外，只需将接触部分53A和53B置于被谐振器夹在中间的区域即可，所述谐振器包含发射侧端表面35和反射侧端表面36，因此接触部分53A和53B可以仅形成于脊27两侧上形成的两个槽28之一的底部的一部分内；然而，如在本实施例中，在脊27两侧上形成的两个槽28的底部内都形成接触部分53A和53B。
在激光二极管50中，当在p侧电极54和n侧电极37之间施加具有预定电势差的电压时，受脊27限制的电流被注入有源层24的增益区域L5(光发射区域)，由此发生通过电子-空穴复合的光发射。光被一对反射镜面膜反射，使得发生具有往返相移为2π整数倍的波长的激光振荡，该光作为光束被输出到外部。
此时，p侧电极53(53a和53b)经底部60A和60B电连接到地，从而具有零伏特，因此增益区域L5内发射的光被吸收到有源层24内对应于p侧电极53(53a和53b)的可饱和吸收区域L6中，从而被转化为电流(光电流)。该电流经p侧电极53(53a和53b)和底部60A和60B被释放到接地。于是，增益区域L5和可饱和吸收区域L6之间的相互作用被触发以导致自振荡。
因此，在根据本实施例的激光二极管50内，半导体层22包含底部60A和60B，且n型覆层23和p侧电极53(53a和53b)经底部60A和60B而彼此电连接，使得p侧电极53(53a和53b)可以具有和接地相同的电势(零伏特)，因此无需导线键合即可产生自振荡。此外，由于无需将导线键合到p侧电极53(53a和53b)，因此可以容易地安装激光二极管50。因此，在本实施例中，可以容易地制造其中热沉11等被安装在激光二极管50上的激光二极管器件。
[第一变型]
图15示出了根据第二实施例的第一变型的激光二极管器件的结构。图15为示意性视图，因此图15中的尺寸和形状不同于实际尺寸和形状。根据本变型的激光二极管70与第二实施例的不同之处在于，离子注入区域L7包含在与有源层24中脊27和接触部分53A之间的区域相对应的区域内。将主要描述上述差异，而与第二实施例相同的结构、功能和效果将不做进一步描述。
如上所述，离子注入区域L7形成于有源层24中与脊27和接触部分53A之间区域相对应的区域内。在形成槽28之后，通过将离子从槽28的底面注入有源层24，由此形成离子注入区域L7，所述离子包含选自由硅(Si)、铝(Al)、氧(O)和硼(B)组成的组中的至少一种元素。因此，在离子注入区域L7内，形成了比有源层24其它区域内能量带隙更小的带隙，因此有源层24的增益区域L5(光发射区域)内发射的光可以被更有效地吸收而转换成电流(光电流)。
因此，在根据本变型的激光二极管器件中，激光二极管70包含离子注入区域L7，所以有源层24的增益区域L5(光发射区域)内产生的发射光被更有效地吸收而转换成电流(光电流)，因此可以防止自振荡的减少。
[第二变型]
图16示出了根据第二实施例的第二变型的激光二极管器件的结构。图17示出了沿图16的箭头E-E截取的剖面视图。图16和17为示意性视图，因此图16和17中的尺寸和形状不同于实际尺寸和形状。
该激光二极管器件与根据第二实施例的激光二极管器件的不同之处在于，在其间使用了键合层12将激光二极管80安装在热沉11(热辐射部分)上，从而使激光二极管80的p侧朝下。此外，激光二极管80与根据第二实施例的激光二极管50的不同之处在于，包含有多层导线结构81，在该多层导线结构81中，p侧电极53和54之间层叠了绝缘膜82。因此，将主要描述上述差异，而与第二实施例相同的结构、功能和效果将不进一步描述。
在多层导线结构81中，形成绝缘膜82以使其位于p侧电极53(53a和53b)上方，而p侧电极54形成于绝缘膜82上以进行延伸。这样，p侧电极53(53a和53b)与p侧电极54隔离。
因此，在根据本变型的激光二极管80中，由于包含了多层导线结构81，p侧电极53和54中仅p侧电极54暴露到外部。所以，热沉11等更容易安装到p侧电极54侧上。因此，在本变型中，可以容易地制造其中热沉11等被安装在激光二极管80的p侧电极54上的激光二极管器件，而且与热沉11被安装在n侧电极37侧上的情形相比，热辐射效率和激光特性可得到改善。
尽管参考各实施例及变型描述了本发明，但本发明不限于这些实施例和变型，而是可以进行各种变型。
例如，在上述实施例中，描述了使用III-V族氮化物半导体作为半导体层22的材料的情形，然而可以使用GaInP基(红光)半导体、AlGaAs基(红外)半导体等。
此外，电流限制结构并不限于折射率波导类型，还可以使用任何其它电流限制结构，例如增益波导类型。
另外在这些实施例和变型中，半导体层22的顶部具有p型极性，半导体层22的底部具有n型极性；然而这些极性可以颠倒。制造方法不限于在上面实施例中所详述的制造方法，可以使用任何其它制造方法。
在第一和第二实施例以及第二实施例的第一变型中，描述了安装激光二极管20、50和70以使激光二极管的p侧朝上的情形；然而p侧可以朝下。优选地安装激光二极管20、50和70以使其p侧朝下，这是因为与安装激光二极管以使其p侧朝上的情形相比，热辐射效率和激光特性可得到改善。在第二实施例的第二变型中，可安装激光二极管80以使得半导体层80的p侧朝上。
本领域技术人员应该理解，在本发明的所附权利要求及其等同特征的范围内，可根据设计要求和其它因素而进行各种变型、组合、子组合和变更。

Claims (22)

1.一种激光二极管，包含：
半导体层，所述半导体层通过层叠第一导电类型层、有源层和第二导电类型层形成，所述第二导电类型层在其顶部包含条形电流限制结构；
包括第一电极和第二电极的多个电极，所述多个电极形成在所述半导体层的第二导电类型层侧上，并以预定间隔电连接到所述第二导电类型层；以及
孔，所述孔设置在所述半导体层内从而与所述有源层电隔离，并将所述多个电极中除至少一个电极之外的电极与所述第一导电类型层相互连接；
其中，所述电流限制结构为W脊形结构，所述激光二极管通过所述有源层内对应于第二电极中电连接到脊的所述第二导电类型层的p型接触层的部分的增益区域与所述有源层内对应于第一电极中电连接到脊的所述第二导电类型层的p型接触层的部分的可饱和吸收区域之间的相互作用而产生自脉冲。
2.根据权利要求1所述的激光二极管，其中：
所述多个电极沿所述电流限制结构延伸的方向排列。
3.根据权利要求2所述的激光二极管，其中：
所述第一电极经由形成于所述p型接触层上的p侧接触电极电连接到所述脊的p型接触层并且经所述孔的底部电连接到第一导电类型层，而所述第二电极经由形成于所述p型接触层上的p侧接触电极电连接到所述脊的p型接触层。
4.根据权利要求2所述的激光二极管，其中：
电连接到所述第一导电类型层的第一电极具有比所述多个电极中除了连接到所述第一导电类型层的所述电极之外的第二电极更小的面积。
5.根据权利要求2所述的激光二极管，其中：
所述半导体层具有沿所述电流限制结构延伸方向的发射侧端表面和反射侧端表面，且
所述第一电极形成于所述半导体层的发射侧端表面侧上。
6.根据权利要求4所迷的激光二极管，其中：
离子注入区域包含在所述有源层内对应于所述第一电极的区域和对应于所述第二电极的区域之间。
7.根据权利要求6所述的激光二极管，其中：
所述离子注入区域包含选自由硅(Si)、铝(Al)、氧(O)和硼(B)组成的组中的至少一种元素。
8.根据权利要求1所述的激光二极管，其中：
沿着与所述电流限制结构的延伸方向垂直的方向排列所述多个电极。
9.根据权利要求8所述的激光二极管，其中：
电连接到所述第一导电类型层的第一电极被形成于至少一个条形区域内，所述条形区域布置在所述电流限制结构两侧上并与所述电流限制结构间隔预定距离，以及
所述多个电极中除了电连接到所述第一导电类型层的电极之外的第二电极被形成在所述第二导电类型层中对应于所述电流限制结构的条形区域。
10.根据权利要求9所述的激光二极管，其中：
包含了将所述第一电极和所述第二电极相互电隔离的绝缘层；
所述绝缘层被形成于位于整个第一电极上方；以及
所述第二电极形成于和所述电流限制结构以及所述绝缘层相对应的一个条形区域上。
11.根据权利要求9所述的激光二极管，其中：
离子注入区域包含所述有源层内在对应于所述电流限制结构的区域和对应于条形区域的区域中的至少一个区域之间的区域，所述条形区域布置在所述电流限制结构的两侧上并与所述电流限制结构间隔预定距离。
12.根据权利要求11所述的激光二极管，其中：
所述离子注入区域包含选自由硅(Si)、铝(Al)、氧(O)和硼(B)组成的组中的至少一种元素。
13.根据权利要求1所述的激光二极管，其中：
所述孔形成于所述半导体层内除了形成所述电流限制结构的区域之外的区域内。
14.根据权利要求1所述的激光二极管，其中：
所述第一导电类型层为n型半导体层，所述第二导电类型层为p型半导体层。
15.根据权利要求1所述的激光二极管，其中：
所述半导体层包含III-V族氮化物化合物半导体。
16.一种激光二极管器件，包含：
激光二极管，所述激光二极管包括半导体层、包括第一电极和第二电极的多个电极以及孔，所述半导体层通过层叠第一导电类型层、有源层和第二导电类型层形成，所述第二导电类型层在其项部包含条形电流限制结构，所述多个电极形成在所述半导体层的第二导电类型层侧上并以预定间隔电连接到所述第二导电类型层，所述孔设置在所述半导体层内从而与所述有源层电隔离，并将所述多个电极中除至少一个电极之外的电极与所述第一导电类型层相互连接，其中，所述电流限制结构为W脊形结构，所述激光二极管通过所述有源层内对应于第二电极中电连接到脊的所述第二导电类型层的p型接触层的部分的增益区域与所述有源层内对应于第一电极中电连接到脊的所述第二导电类型层的p型接触层的部分的可饱和吸收区域之间的相互作用而产生自脉冲；以及
热辐射部分，所述热辐射部分连接到所述多个电极侧中的至少一个以及所述激光二极管的第一导电类型层侧。
17.根据权利要求16所述的激光二极管器件，其中：
在所述激光二极管在所述电流限制结构延伸方向上的长度为X1，电连接到所述多个电极的第一导电类型层的第一电极在所述电流限制结构延伸方向上的长度为X2，且所述热辐射部分和所述激光二极管之间接触区域在所述电流限制结构延伸方向上的长度为X3的情况下，则X3满足X3<X1-X2。
18.根据权利要求16所述的激光二极管器件，其中：
所述激光二极管通过包含AuSn的键合材料连接到所述热辐射部分。
19.一种激光二极管器件，包含：
激光二极管，所述激光二极管包括半导体层、包括第一电极和第二电极的多个电极以及孔，其中所述半导体层通过层叠第一导电类型层、有源层和第二导电类型层形成，所述第二导电类型层在其顶部包含条形电流限制结构，所述多个电极形成在所述半导体层的第二导电类型层侧上并以预定间隔电连接到所述第二导电类型层，所述孔设置在所述半导体层内从而与所述有源层电隔离，并将所述多个电极中除至少一个电极之外的电极与所述第一导电类型层相互连接，其中，所述电流限制结构为W脊形结构，所述激光二极管通过所述有源层内对应于第二电极中电连接到脊的所述第二导电类型层的p型接触层的部分的增益区域与所述有源层内对应于第一电极中电连接到脊的所述第二导电类型层的p型接触层的部分的可饱和吸收区域之间的相互作用而产生自脉冲；以及
器件，所述器件连接到所述多个电极侧中的至少一个以及所述激光二极管的所述第一导电类型层侧上。
20.根据权利要求19所述的激光二极管器件，其中：
在所述激光二极管在所述电流限制结构延伸方向上的长度为X1，电连接到所述多个电极的第一导电类型层的第一电极在所述电流限制结构延伸方向上的长度为X2，且所述器件和所述激光二极管之间接触区域在所述电流限制结构延伸方向上的长度为X3的情况下，则X3满足X3<X1-X2。
21.根据权利要求19所述的激光二极管器件，其中：
所述器件连接到所述多个电极中除了被电连接到所述第一导电类型层之外电极的第二电极。
22.根据权利要求19所述的激光二极管器件，其中：
所述激光二极管为形成于氮化镓(GaN)衬底上的器件，并且
所述器件为形成于砷化镓(GaAs)衬底上的器件。
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