CN101465518A - 氮化物半导体激光器的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供减小在谐振器端面上形成的氮化物电介质膜的应力，并减少在形成氮化物电介质膜时产生的对谐振器端面的损伤的、可靠性高的氮化物半导体激光器的制造方法。本发明的氮化物半导体激光器的制造方法，是采用氮化物III－V族半导体的氮化物半导体激光器的制造方法，其特征在于包括：(a)利用由氮气组成的等离子体，在光出射侧谐振器端面(20)和光反射侧谐振器端面(23)上形成由氮化物电介质构成的密着层(21、24)的工序；以及(b)在密着层(21、24)上形成由电介质构成的低反射端面镀膜(22)和高反射端面镀膜(25)的工序。

Description

氮化物半导体激光器的制造方法
技术领域
本发明涉及采用氮化物III-V族半导体的氮化物半导体激光器的制造方法。
背景技术
传统的氮化物III-V族半导体激光器，通过在谐振器端面和端面镀膜(coat)之间形成密着层，来抑制灾变性光学损伤对谐振器端面的劣化。
例如，有在谐振器端面和由氧化铝形成的端面镀膜之间，形成由氮化铝构成的分离层的结构(例如，参照专利文献1：日本特开2007-103814号公报)。
如专利文献1所述，利用溅镀(sputter)来在谐振器端面上形成膜的一般方法，通过采用质量大的气体，能够提高溅镀速度，因此采用氩(Ar)气体作为溅镀气体。但是，由Ar气体构成的Ar等离子体照射到谐振器端面的表面时，Ar等离子体冲撞到谐振器端面，会损坏端面，如果端面受到损坏，就会生成势阱(trap)能级，由此发生表面再耦合，导致激光器发光时的谐振器端面的劣化。
另外，一般由氮化膜电介质构成的膜的应力大，利用Ar等离子体成膜后的氮化膜电介质获取Ar作为晶格间原子。因此，溅镀在谐振器端面上的氮化膜电介质膜中产生歪曲，发生膜容易被剥离，或在膜中容易产生裂纹(crack)等的问题，因此需要在精密控制的情况下成膜。
发明内容
本发明鉴于上述问题构思而成，其目的在于提供减小在谐振器端面上形成的氮化物电介质膜的应力，并减少在形成氮化物电介质膜时产生的对谐振器端面的损伤的、可靠性高的氮化物半导体激光器的制造方法。
为了解决上述课题，本发明的氮化物半导体激光器的制造方法，是采用氮化物III-V族半导体的氮化物半导体激光器的制造方法，其特征在于包括：(a)利用由氮气组成的等离子体，在谐振器端面上形成由氮化物电介质构成的密着层的工序；以及(b)在密着层上形成由电介质构成的镀膜的工序。
依据本发明，由于包括利用由氮气组成的等离子体，在谐振器端面上形成由氮化物电介质构成的密着层的工序；以及在密着层上形成由电介质构成的镀膜的工序，能够减小在谐振器端面上形成的氮化物电介质膜的应力，并能够减少在形成氮化物电介质膜时产生的对谐振器端面的损伤。
附图说明
图1是本发明实施例1的氮化物半导体激光器的结构的剖视图。
图2是本发明实施例1的氮化物半导体激光器的谐振器的剖视图。
图3是本发明实施例1的氮化物半导体激光器的概略结构图。
图4是本发明实施例2的氮化物半导体激光器的谐振器的剖视图。
(符号说明)
1 GaN衬底；2 n型GaN缓冲层；3、4、5 n型AlGaN包层；6 n型GaN导光层；7 n型InGaN-SCH层；8 活性层；9 p型InGaN-SCH层；10 p型AlGaN电子障壁层；11 p型GaN导光层；12 p型AlGaN包层；13 p型GaN接触层；14 脊(ridge)；15绝缘膜；16 开口部；17 p型电极；18 n型电极；20、40 光出射侧谐振器端面；21、24 密着层；22、43 低反射端面镀膜；23、44 光反射侧谐振器端面；25、47 高反射端面镀膜；30 激光元件；31 底板(submount)；32 管心(stem)；33 罩(cap)；34 玻璃窗；35 引脚；36 布线；41、45 第一密着层；42、46 第二密着层；200、400 半导体激光器线阵列(lazer bar)。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
图1是本发明实施例1的采用氮化物类III-V族化合物半导体来制作的半导体激光器(半导体发光元件)的结构的剖视图。本实施例的半导体激光器具有脊结构及SCH(分别限制异质结：SeparateConfinement Heterostructure)结构。
如图1所示，在GaN衬底1的一个主表面即Ga面上形成n型GaN缓冲层2。为了在GaN衬底1的一个主表面上尽量平坦地进行层叠，而通过n型GaN缓冲层2来减少GaN衬底1的一个主表面上的凹凸。另外，n型GaN缓冲层2的膜厚例如可为1μm，且作为n型杂质可掺杂硅(Si)。
在n型GaN缓冲层2上，依次层叠了Al组成比为0.07的n型AlGaN包层3、Al组成比为0.045的n型AlGaN包层4、及Al组成比为0.015的n型AlGaN包层5。另外，n型AlGaN包层3、4、5的膜厚例如可分别为0.4μm、1.0μm、0.3μm，且作为n型杂质可掺杂Si。
接着，在n型AlGaN包层5上依次层叠n型GaN导光层6、n型InGaN-SCH层7。另外，n型InGaN-SCH层7的膜厚例如可为30nm，且In组成比可为0.02的不掺杂(undope)的结构。另外，在n型InGaN-SCH层7上形成了活性层8。活性层8例如可为2重量子阱结构，且InGaN阱层的膜厚可为5.0nm、InGaN阻挡层(barrierlayer)的膜厚可为8.0nm。
在活性层8上依次层叠p型InGaN-SCH层9、P型AlGaN电子障壁层10、及p型GaN导光层11。另外，p型InGaN-SCH层9例如可为膜厚30nm、In组成比0.02且不掺杂的结构，p型AlGaN电子障壁层10例如可为膜厚20nm、Al组成比0.2、作为p型杂质掺杂镁(Mg)。
在p型GaN导光层11上形成了Al组成比0.07的p型AlGaN包层12。p型AlGaN包层12具有一部分突出的脊结构，在脊结构上形成了p型GaN接触层13。脊14由p型AlGaN包层12及p型GaN接触层13构成，通过在p型GaN导光层11上依次层叠p型AlGaN包层12及p型GaN接触层13后，例如朝着(1-100)方向进行蚀刻处理来形成。形成脊14，使之位于在GaN衬底1上以条纹(stripe)状形成的数μm～数十μm宽度的高转位区域间的低缺陷区域上。还有，p型GaN导光层11的膜厚例如可为100nm。另外，p型AlGaN包层12的膜厚例如可为500nm，且作为p型杂质可掺杂Mg。还有，p型GaN接触层13的膜厚例如可为20nm，且作为p型杂质可掺杂Mg。
在脊14的开口部16以外的表面上，即在脊14的侧面形成了绝缘膜15。然后，形成p型电极17，以覆盖p型GaN接触层13及绝缘膜15。另外，绝缘膜15的膜厚例如可由200nm的SiO2膜形成，p型电极17可为例如依次层叠钯(Pd)及金(Au)膜的结构。
另外，在与成为GaN衬底1的一个主表面的Ga面相反侧的另一主表面即N面，形成了n型电极18。另外，n型电极18可为例如依次层叠钛(Ti)及金(Au)的结构。
在制作上述氮化物半导体激光器的结构后，例如用金刚石划片器(diamond scriber)来划伤衬底表面，经劈开而形成谐振器。还有，谐振器长度为800nm。
图2是沿着本发明实施例1的氮化物半导体激光器的谐振器的谐振方向(与图1的纸面垂直的方向)的剖视图。如图2所示，利用由氮气组成的等离子体，在光射出侧谐振器端面20上形成由氮化铝(氮化物电介质)构成的密着层21，在密着层21上形成低反射端面镀膜22(镀膜)。同样地，利用由氮气组成的等离子体，在光反射侧谐振器端面23上形成由氮化铝(氮化物电介质)构成的密着层24，在密着层24上形成高反射端面镀膜25(镀膜)。
接着，就图2所示的谐振器的制造方法进行详细说明。
将经劈开而形成的半导体激光器线阵列200，以使光出射侧谐振器端面20成为成膜面的方式固定在夹具中，在导入到ECR(ElectronCyclotron Resonance：电子回转谐振)溅镀装置的成膜室后，通过真空泵(vacuum pump)来进行排气。
利用真空泵来排气，使成膜室成为真空状态后，以10sccm的流量向ECR容器(chamber)内导入由氮组成的气体，并通过施加500W的微波来生成氮等离子体。然后，对由铝构成的靶(target)施加500W的RF(Radio Frequency：射频)功率，来溅镀靶。溅镀的铝被离子化，搭乘等离子体流而漂流(drifi)到固定了激光器线阵列200的夹具侧。利用氮气来溅镀后的铝，以氮化铝的方式在光出射侧谐振器端面20上成膜，作为密着层21。
接着，在密着层21上形成低反射端面镀膜22。这里，在形成低反射端面镀膜22时，由密着层21来保护谐振器端面20，因此可采用利用了Ar气体的ECR溅镀的成膜方法。另外，在形成密着层21后，从ECR装置取出固定了半导体激光器线阵列200的夹具，在形成低反射端面镀膜22时可采用电子束蒸镀成膜装置、CVD(Chemical VaporDeposition：化学气相沉积)成膜装置、RF成膜溅镀装置。
低反射端面镀膜22可从氧化铝、氮氧化铝、氮化硅、氧化硅、氧化钽、氧化钛等的单层电介质或者层叠这些电介质的电介质多层膜中选定。另外，当设计低反射端面镀膜22的反射率为任意值时，根据该设计值来设计膜厚的构成。例如，将由氮化铝构成的密着层21作成10nm，由氧化铝构成的低反射端面镀膜22作成74nm，从而使反射率成为大致5％。
还有，在进行上述的成膜之前，可进行利用由氮组成的等离子体的表面清洁(cleaning)处理或者基于加热的表面清洁处理。
接着，将半导体激光器线阵列200，以使光反射侧谐振器端面23成为成膜面的方式固定在夹具中，与形成密着层21时同样地，向真空状态的成膜室的ECR容器内以10sccm的流量导入由氮组成的气体，并通过施加500W的微波来生成氮等离子体。然后，对由铝构成的靶，施加500W的RF功率，从而溅镀靶，以氮化铝的方式在光反射侧谐振器端面23上成膜，作为密着层24。
接着，在密着层24上形成高反射端面镀膜25。高反射镀膜25从不同反射率的两种以上的电介质选择，例如，从铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、锌(Zn)的氮化物、氧化物或者氮氧化物等中选择。通过将不同折射率的电介质膜对(pair)的厚度作成出射光的1/2波长的厚度，使在光反射侧谐振器端面23反射的光增强，可通过层叠该对层来高效率地形成高反射膜。例如，以氧化硅和氧化钽为一对，以氧化硅68nm、氧化钽48nm的条件层叠5对，形成95％的高反射率膜。另外，可在该对层的前后插入电介质，进行反射率的调整。
另外，密着层21、24只要在分别成膜时利用氮气来形成不含Ar的氮化物电介质膜即可，并不限于氮化铝，由钽、钛、硅、铌、锆的任意氮化物来形成。另外，在本实施例1中，在形成光出射侧谐振器端面20侧后形成了光反射侧谐振器端面23侧，但可按相反的顺序形成。
如以上所述，在形成密着层21、24时利用的不是Ar气体，而是利用质量小于Ar的氮气来进行溅镀，因此可减小溅镀对谐振器端面的损伤。另外，Ar不会被取入到密着层21、24即氮化铝中，因此氮化铝的应力就只有材料固有的内部应力，根据成膜条件控制应力来缓和膜厚的限制，可防止因密着层的膜厚控制而产生的生产性的降低。
根据如上述的制造方法形成的半导体激光器线阵列200，按每个芯片被分割。图3是本发明实施例1的氮化物半导体激光器的概略结构图。如图3所示，激光元件30固定在由AlN或SiC构成的底板31上，底板31安装在管心32上。底板31与引脚35是通过布线36来电连接的。通过具有使光向外部透射的玻璃窗34的罩33来气密封装而形成封装件。在封装件(package)内填充了氧、氮、隋性气体等。
实施例2
实施例2的特征在于：当用ECR溅镀装置来在谐振器端面上形成密着层时，将为溅镀靶而施加的RF功率设为2级功率，以低速的成膜阶段和高速的成膜阶段的多级的生长速度来形成密着层。其它方法与实施例1相同。
图4是本发明实施例2的氮化物半导体激光器的谐振器的剖视图。如图4所示，在光出射侧谐振器端面40上形成由不含Ar的氮化物电介质构成的第一密着层41，在第一密着层41的表面上形成以比第一密着层41高的速度成膜的由氮化物电介质构成的第二密着层42。在第二密着层42的表面上，形成低反射端面镀膜43。
另外，在光反射侧谐振器端面44上，形成由不含Ar的氮化物电介质构成的第一密着层45，在第一密着层45的表面上形成以比第一密着层45高的速度成摸的由氮化物电介质构成的第二密着层46。在第二密着层46的表面上，形成高反射端面镀膜47。
还有，第一密着层41、45和第二密着层42、46由铝、钽、钛、硅、铌、锆的任意氮化物形成。
接着，就图4所示的谐振器的制造方法进行详细说明。
将经劈开而形成的半导体激光器线阵列400，以使光出射侧谐振器端面40成为成膜面的方式固定在夹具中，在导入到ECR溅镀装置的成膜室后用真空泵来进行排气。
用真空泵来排气而使成膜室成为真空状态后，以10sccm的流量向ECR容器内导入由氮组成的气体，并通过施加500W的微波来生成氮等离子体。然后，对由铝构成的靶，施加50W的RF功率来溅镀靶，形成作为第一密着层41的氮化铝例如2nm。在形成第一密着层41后，将施加在靶的RF功率提升到500W，提升溅镀的成膜速度，以比第一密着层41高的速度形成由氮化铝构成的第二密着层42。这时，光出射侧谐振器端面40受第一密着层41的保护，因此提高第二密着层42的成膜速度也能抑制等离子体对光出射侧谐振器端面40表面的损伤。
在形成第二密着层42后，在第二密着层42上形成低反射端面镀膜43。形成方法与实施例1中低反射端面镀膜22的形成方法相同。
接着，将半导体激光器线阵列400，以使光反射侧谐振器端面44成为成膜面的方式固定在夹具中，以10sccm的流量向真空状态的成膜室的ECR容器内导入由氮组成的气体，并通过施加500W的微波来生成氮等离子体。然后，对由铝构成的靶施加50W的RF功率，在光反射侧谐振器端面44上形成由氮化铝构成的第一密着层45。在形成第一密着层45后，通过将施加到靶上的RF功率提升到500W，来提高溅镀的成膜速度，以比第一密着层45高的速度形成由氮化铝构成的第二密着层46。
在形成第二密着层46后，在第二密着层46上形成高反射端面镀膜47。形成高反射端面镀膜47的方法与实施例1中的形成高反射端面镀膜25的方法相同。
还有，在本实施例2中形成光出射侧谐振器端面40侧后形成光反射侧谐振器端面44侧，但可按相反的顺序形成。另外，最好在适合量产工序的成膜速度的范围内以低功率形成第一密着层41、45。
由以上的描述，虽然在形成第一密着层41时，通过将施加到靶的RF功率设为低功率来降低成膜速度，但同时减少等离子体对光出射侧谐振器端面40及光反射侧谐振器端面44的损伤。这样，以低速的成膜阶段和高速的成膜阶段的多级的生长速度来形成密着层，因此可进一步改善实施例1中所获得的效果。

Claims (5)

1.一种采用了氮化物III-V族半导体的氮化物半导体激光器的制造方法，其特征在于包括：
(a)利用由氮气组成的等离子体，在谐振器端面(20、23)上形成由氮化物电介质构成的密着层(21、24)的工序；以及
(b)在所述密着层(21、24)上形成由电介质构成的镀膜(22、25)的工序。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体激光器的制造方法，其特征在于：在所述工序(a)中，所述密着层(21、24)由铝、钽、硅、铌、锆的任意氮化物来形成。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体激光器的制造方法，其特征在于：在所述工序(b)中，所述镀膜(22、25)是利用由包含氩气的气体组成的等离子体来形成的。
4.如权利要求1或权利要求2所述的氮化物半导体激光器的制造方法，其特征在于：在所述工序(a)中，以低速的成膜阶段和高速的成膜阶段的多级的生长速度来形成所述密着层(41、42、45、46)。
5.如权利要求1或权利要求2所述的氮化物半导体激光器的制造方法，其特征在于：在所述工序(a)中，采用ECR溅镀装置。
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