CN101262121B - 半导体激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在涂敷膜和半导体之间具备容易形成的粘合层的半导体激光装置。半导体激光装置具备：沿激光的行进方向设置的谐振器、设于谐振器的一端且射出激光的前端面(8)、设于谐振器的另一端的后端面(9)。在前端面(8)和后端面(9)上分别形成有粘合层(21)、(23)，和涂敷膜(22)、(24)。粘合层(21)、(23)最好由Al、Ti、Nb、Zr、Ta、Si或Hf的阳极氧化膜构成，且厚度为10nm以下。

Description

半导体激光装置
技术领域
本发明涉及光盘系统或光通信等中所使用的半导体激光装置，更详细地说，涉及使用了氮化镓系半导体的蓝色半导体激光装置。
背景技术
半导体激光装置被广泛用于光盘系统或光通信等中(例如，参照专利文献1～3。)。这样的半导体激光装置具有用于产生激光的谐振器。在其一端设有用于射出激光的前端面，在其另一端设有后端面。在前端面和后端面上包覆有叫做涂敷膜的绝缘膜，以减小半导体激光的工作电流、防止反射光、实现高输出。
通常，在要求高输出的半导体激光装置中，在前端面侧形成有反射率低的涂敷膜，在后端面侧形成有反射率高的涂敷膜。后端面侧的涂敷膜的反射率通常在60％以上，优选80％以上。前端面的反射率不仅是低就可以，而且要根据半导体激光所要求的特性进行选定。例如，在和光纤光栅一起使用的光纤放大器激励用半导体激光器中反射率选定为0.01～3％程度，在通常的高输出半导体激光器中反射率选定为3～7％程度，在需要反射光对策的情况下，反射率选定为7～20％程度。
涂敷膜也可以作为端面的保护膜即半导体界面的钝化膜发挥作用(例如，参照专利文献3。)。但是，因为按照膜的形成方法，端面受到损害导致特性劣化，所以，其制法愈显重要。
在专利文献4中，使用阳极氧化膜作为GaInAsP半导体的保护膜。另一方面可知，在现有氮化镓系半导体激光器中，容易引起涂敷膜剥离，发生端面劣化。作为其对策，将薄的金属或其氧化膜作为粘合层插入涂敷膜和半导体之间的结构已被提出(参照专利文献5)。另外，将薄的六方晶体的结晶作为粘合层插入涂敫膜和半导体之间的结构也已被提出(参照专利文献6)。
专利文献1：特许第3080312号公报
专利文献2：特开2002-100830号公报
专利文献3：特开2004-296903号公报
专利文献4：特开昭59-232477号公报
专利文献5：特开2002-335053号公报
专利文献6：特开2006-203162号公报
但是，金属粘合层在电绝缘性(短路)方面存在问题。另外，用溅射法制作金属氧化膜的情况在厚度控制方面存在问题。进而，最好是，涂敷膜为非结晶或单结晶，但六方晶体的单结晶制作较困难。
发明内容
本发明是为解决上述问题而开发的，其目的在于，提供一种在涂敷膜和半导体之间具备容易形成的粘合层的半导体激光装置。
本发明的其它目的及优点从以下的记载可以明了。
本发明涉及氮化镓系半导体激光装置，其特征在于，具备：沿激光的行进方向设置的谐振器；设于所述谐振器的一端且射出所述激光的第一端面；以及，设于所述谐振器的另一端的第二端面，在所述第一端面及所述第二端面的至少一个面上具有由金属或硅的阳极氧化膜构成的粘合层，和涂敷膜，所述粘合层设于所述第一端面及所述第二端面的所述至少一个面与所述涂敷膜之间。
根据本发明，由于在涂敷膜和半导体之间形成有粘合层，因此，可以得到长寿命的半导体激光装置。
附图说明
图1是本实施方式的半导体激光装置的立体图；
图2(a)是图1的半导体激光装置的前端面附近的放大剖面图，(b)是(a)的比较例；
图3是可适用于本实施方式的半导体激光装置的制造中的等离子体阳极氧化装置的结构图。
符号说明
1GaN衬底
2n型包层
3活性层
4p型包层
5脊
6p电极
7n电极
8前端面
9后端面
21，23粘合层
22，24，32，34涂敷层
101等离子体阳极氧化装置
102真空容器
103上部电极
104下部电极
105气体导入管
107高频电源
108高频线圈
109DC电源
110激光杆
111石英罩
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在各图中，对相同或相当的部分付与相同符号，对其说明简化乃至省略。
图1表示本实施方式的半导体激光装置的立体图。该半导体激光装置是发生蓝色激光的氮化镓系半导体激光装置，并且是使用GaN衬底1形成的。
如图1所示，在GaN衬底1上层叠有n型包层2、活性层3、p型包层4，p型包层4的一部分通过蚀刻除去而形成脊5。在脊5的上部设有p电极6，在GaN衬底1的背面设有n电极7。在脊的两端面上设有反射镜面，在X方向构成有谐振器。前端面8在本发明中设于谐振器的一端并与射出激光的第一端面相对应。另一方面，后端面9在本发明中设于谐振器的另一端并与第二端面相对应。前端面8的反射率设定为较低，后端面9的反射率设定为较高。
图2(a)是图1的半导体激光装置的端面附近的示意剖面图。
如图2(a)所示，在前端面8上形成有由铝(Al)阳极氧化膜构成的粘合层21、由氧化铝(Al2O3)构成的涂敷膜22。由阳极氧化膜构成的粘合层21的厚度，以不受反射率及光吸收的影响的方式设定为20nm以下，优选5nm以下。另一方面，为了作为低反射膜而发挥作用，涂敷膜22的厚度设定为λ/4n(λ：激光的振动波长、n：电介质膜的折射率)。在本例中，激光的振动波长为400nm，氧化铝的折射率为1.7，因此，涂敷膜22的厚度为59nm。
在图2(a)中，在后端面9上形成有由铝(Al)阳极氧化膜构成的粘合层23、由电介质多层膜构成的涂敷膜24。阳极氧化膜构成的粘合层23的厚度，以不受反射率及光吸收的影响的方式设定为20nm以下，优选5nm以下。另一方面，为了作为高反射膜发挥作用，涂敷膜24被做成多层结构。具体地说，在形成四层由厚度为λ/4n的氧化铝(Al2O3)和厚度为λ/4n氧化钽(Ta2O5)构成的层叠膜的基础上，再形成一层厚度为λ/2n的氧化铝。还有，λ是激光的振动波长，n是电介质膜的折射率。
为了比较，将表示现有半导体激光装置的端面附近的示意性的剖面图由图2(b)表示。在该图中，在前端面8上形成有涂敷膜32，在后端面9上形成有涂敷膜34。除了没有粘合层21和粘合层23以外，图2(b)的结构和图2(a)是一样的。
根据图2(a)所示的本发明的结构，与专利文献5及专利文献6一样，在涂敷膜和半导体之间设有粘合层，因此，能防止涂敷膜的剥离。另外，由于阳极氧化膜是将金属氧化，制成的绝缘膜，因此，可抑制电绝缘性不良的发生。与此相对，在图2(b)所示的结构中，由于没有粘合层而容易引起涂敷膜32、34的剥离。阳极氧化膜的插入带来的与涂敷膜的粘合性提高是专利文献4的InGaAsP系半导体中所没有显示出的氮化物系半导体所特有的效果。另外，也没有如专利文献5的绝缘不良及膜厚控制性的问题，与专利文献6的结构相比制作也容易。
接着，对本实施方式的氮化物系半导体激光装置的制造方法进行说明。
首先，在事先通过热清洗等将表面进行了净化的GaN衬底1上，通过有机金属化学气相成长(MOCVD)法，依次层叠n型AlGaN包层2、InGaN多重量子井活性层3及p型AlGaN包层4。
上述各层的结晶成长结束之后，在GaN衬底1的整个面上涂敷抗蚀剂，利用光刻法形成对应于台面形状的规定形状的抗蚀图案。将该抗蚀图案作为掩膜，例如，通过RIE法进行p型包层4的蚀刻，从而形成作为光波导路的脊条5。
其次，原样保留作为掩膜使用的抗蚀图案，再次在GaN衬底1的整个面上，例如，通过CVD法、真空蒸镀法、溅射法等形成例如厚度0.2μm的SiO2膜。然后，在除去抗蚀剂的同时将处于脊条5上的SiO2膜除去。进行所谓的剥离。由此，在脊条5上形成开口。
接着，在GaN衬底1的整个面上，例如，通过真空蒸镀法依次形成Pt膜及Au膜之后，涂敷抗蚀剂进行光刻，通过湿式蚀刻法或干式蚀刻法在表面形成p电极6。
其后，涂敷抗蚀剂进行光刻，通过湿式蚀刻或干式蚀刻，在与衬底背面的条对置的部分以外的部分，通过真空蒸镀法依次形成Ti膜和Au膜，并进行用于使n电极7欧姆接触的合金处理。之后，通过真空蒸镀法或溅射法等使Ti/Au膜在衬底背面成膜，从而形成n电极。
接着，将GaN衬底1通过劈开加工成杆状，形成前端面8和后端面9。其后，将金属铝以5nm的厚度蒸镀在激光杆的前端面8和后端面9上。接着，使前端面8向上将激光杆设置于等离子体阳极氧化装置的下部电极上，将金属铝进行阳极氧化，形成由金属阳极氧化膜构成的粘合层21。由此，由于形成有非结晶膜，因此，可以缓和结晶的凹凸，从而能提高其后所形成的涂敷膜的粘合性。
图5是表示等离子体阳极氧化装置的结构图。如图所示，等离子体阳极氧化装置101由真空容器102、上部电极103、下部电极104、气体导入管105、真空泵(未图示)、高频电源107、高频线圈108、DC电源109构成。阳极氧化膜的形成中采用等离子体阳极氧化时，能使膜厚的控制性优良地以100℃以下的低温形成20nm以下的氧化的氧化膜。另外，由于没有使用溶液，因此能够减少污染的干扰，从而，能防止之后形成的涂敷膜的粘合性降低。
将通过上述工艺得到的激光杆110设置于下部电极104上之后，将真空容器102排气变成真空。接着，从气体导入管105导入氧气，调节氧气的流量和排气速度，将真空容器102内的氧气压力保持在0.1Torr左右。
对压力进行了调节之后，在高频线圈108上施加高频功率时，氧气被激励而变成等离子体。下部电极104位于等离子体中或离开等离子体的位置。通常，为了防止激光杆110受到等离子体的直接的损害，将其设置在离开等离子体的位置。下部电极104可以通过水冷保持在恒定的温度。另外，下部电极104为了防止其自身被氧化，除设置激光杆110的部分以外，被石英罩111覆盖。
在等离子体产生之后，在下部电极104上对等离子体施加正偏压(0～100V)时，由于活性氧气的作用，前端面8被氧化而形成阳极氧化膜。此时，以定电流模式施加偏压时，能保持氧化膜的成膜速度恒定，膜厚的控制性优良，从而能够形成数百nm厚的氧化膜。在此，阳极氧化法与热氧化法等相比，具有能以低温形成厚膜的特征。
将前端面8进行了阳极氧化之后，将激光杆110从容器中取出，使后端面9朝上同样地形成阳极氧化膜。
激光杆110没有必要一条一条地进行阳极氧化。例如，将数十条激光杆重叠并固定在夹具上设置于真空容器102中，就可以一次进行阳极氧化。另外，除仅在单面上进行阳极氧化以外，也可以对等离子体平行地朝向面，同时将两端面进行氧化。
如上所述形成阳极氧化膜之后，对谐振器端面实施端面涂敷层。其后，通过将该激光杆进行切片分离，就可制造本实施方式的氮化镓系半导体激光装置。
还有，根据本发明而制作的氮化物系半导体激光装置，还可以通过上述以外的方法来制造。例如，在上述例中，金属的形成和等离子体阳极氧化是使用不同的装置进行的，不过也可以使用相同的装置进行。
另外，在进行阳极氧化之前，不施加电压而将激光杆110暴露在等离子体中也可以。由此，使端面净化，从而可以提高膜的粘合性。在这种情况下，可以使用氩气作为等离子体。
另外，也可以在阳极氧化后将激光杆110在200～600℃下进行退火。由此，由于阳极氧化膜中的固定电荷稳定化，所以，能够抑制通电中的特性变化。就退火而言，只要在下部电极104的周围设置加热线圈，就可以在真空容器102中进行。另外，也可以从真空容器102中取出而在专用装置中进行退火。
再者，也可以代替等离子体阳极氧化装置，而使用KOH等溶液来形成阳极氧化膜。
还有，本发明的半导体激光装置不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以实施各种各样的变形。
例如，在上述实施方式中，作为用于形成粘合层的金属使用了铝。但是，也可以代替铝，而使用钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、钽(Ta)、硅(Si)及铪(Hf)等其它金属。
另外，作为涂敷膜22，以氧化铝的单层膜为例进行了表示，不过，也可以为氮化铝、非结晶硅、氧化铝、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化钽、氧化硅及氧化铪等其它单层膜。形成阳极氧化膜的金属和涂敷膜的组合是任意的。
另外，作为涂敷膜24，以氧化铝和氧化钽的多层膜为例进行了表示，不过，由氮化铝、非结晶硅、氧化铝、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化钽、氧化硅及氧化铪等组合成的其它多层膜，形成高反射率的膜也可以。
另外，上述实施方式是在金属的阳极氧化膜21上形成了厚度为λ/4n的涂敷膜22。但是，形成厚度为λ/2n的涂敷膜也可以。在这种情况下，端面的反射率约为18％，可以得到有效防止反射光的半导体激光器。
再者，上述实施方式是在金属的阳极氧化膜21上形成了厚度为λ/4n的涂敷膜22。但是，也可以代替厚度为λ/4n的涂敷膜22，通过蒸镀、溅射等形成由氧化铝、氮化铝、非结晶硅、氧化铝、氧化钛、氧化铌、氧化锆、氧化钽、氧化硅及氧化铪等构成的多层膜的低反射膜。该多层膜可以设计成通过例如专利文献3所示的方法得到所期望的反射率的层结构。通过制作成多层膜，即使薄膜的厚度有制造误差，也可以得到反射率变动小的涂敷膜。

Claims (4)

1.一种氮化镓系半导体激光装置，其特征在于，具备：
沿激光的行进方向设置的谐振器；
设于所述谐振器的一端、且射出所述激光的第一端面；以及
设于所述谐振器的另一端的第二端面，
在所述第一端面及所述第二端面的至少一个面上，具有由金属或硅的阳极氧化膜构成的粘合层、和涂敷膜，
所述粘合层设于所述第一端面及所述第二端面的所述至少一个面与所述涂敷膜之间。
2.如权利要求1所述的氮化镓系半导体激光装置，其特征在于，
所述粘合层由铝(Al)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、钽(Ta)、硅(Si)或铪(Hf)的阳极氧化膜构成，且厚度为10nm以下。
3.如权利要求2所述的氮化镓系半导体激光装置，其特征在于，
所述阳极氧化膜是通过等离子体阳极氧化而形成的氧化膜。
4.如权利要求2或3所述的氮化镓系半导体激光装置，其特征在于，
所述阳极氧化膜是在200～600℃下进行退火而形成的氧化膜。
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