CN102237634A - 半导体激光器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体激光器及其制造方法,其包括:半导体衬底;和谐振器,其形成在半导体衬底上方并且包含氮化物半导体层。施加在谐振器端面附近区域上的应变小于施加在端面附近区域之间的区域上的应变。
Description
相关申请的交叉引用
通过引用将包括说明书、权利要求书、附图和摘要的于2010年4月22日提交的日本专利申请No.2010-98650的公开内容的全文并入本文。
技术领域
本发明涉及半导体激光器及其制造方法,例如,涉及具有氮化物半导体层的半导体激光器及其制造方法。
背景技术
通常以氮化镓(GaN)为代表的III族元素氮化物半导体已经被关注作为用于发光二极管(LED)或激光二极管(LD)的材料,这是因为它们能够高效率地发射蓝紫色。在它们之中,期待405nm带的LD作为用于大容量光盘装置的光源,这是因为它们与现有的650nm带的LD相比能够进一步约束光束。近年来,随着宽屏电视机的普及,已经增加了对于蓝紫再现系统LD的要求,以高品质地再现动态图像。
使用GaN的蓝紫LD的主要劣化因素包括逐步劣化,其中以与GaAs和InP型激光器相同的方式由于电流供给导致有源层劣化;和灾变性光学劣化(catastrophic optical degradation,COD)断裂,其中腔面意外地劣化。特别地,由于难以在器件制造完成后通过操作测试检测到引起造成意外劣化的COD断裂,因此重要的是,将LD设计为不引起COD断裂。例如,在日本专利申请公开No.2000-133875、Hei-08(1996)-330669、2002-57406和2001-135889中描述了用于抑制COD断裂的背景技术。
在日本专利申请公开No.2000-133875中描述的半导体激光器件包括半导体衬底、形成在半导体衬底上的有源层和在其间夹着有源层的一对包覆层,其中,通过在制造激光器结构之后仅将包含ZnO的膜形成到半导体激光器的谐振器的至少一个腔面,而不进行热处理,使腔面附近的自然超晶格无序。
在日本专利申请公开No.08(1996)-330669中描述的半导体激光器至少包括有源层以及第一和第二包覆层,所述第一和第二覆层在其间夹着有源层并且其带隙大于有源层的带隙,其中,在谐振器的纵向方向上延伸的带状激发区域被布置为其长度没有到达谐振器腔面,至少一个异质缓冲层设置在第一包覆层和帽层之间,所述帽层的带隙小于第一包覆层的带隙并且形成在激发区域中的第一包覆层上,所述异质缓冲层的带隙介于这两者之间,并且至少一个异质缓冲层没有位于谐振器的纵向方向上夹着激发区域的谐振器腔面附近,从而减少了注入到谐振器腔面附近的电流的量。
在日本专利申请公开No.2002-57406中描述的腔面非注入型半导体激光器中,包括具有上下包覆层的有源层和帽层的双异质结构堆叠在半导体衬底上方,设置在有源层上部中的包覆层部分形成为台面带形状以构成脊状波导,并且形成脊状波导的包覆层的台面高度被使得低于作为脊状波导的端面处的电流注入部分和设置在其附近的非电流注入部分的在谐振器内形成脊状波导的包覆层的台面高度,抑制电流注入的结构设置在包覆层的台面高度较低的部分上方,并且设置在端面处和其附近的非电流注入部分中的低台面高度的包覆层区域中的台面底部的宽度等于作为电流注入部分的在谐振器内部构成脊状波导的包覆层区域中的台面底部宽度。
在日本专利申请公开No.2001-135889中描述的BH型带状波导半导体激光器中,BH型带状波导具有有源层或附着到有源层的光导层以及由具有小于有源层或者形成在其上或者其下的光导层的折射率的折射率的第一半导体材料形成的包覆层,至少一个端面用作形成光学谐振器的镜面,形成通过使用在用作镜面的端面上嵌入式生长而形成的半导体材料形成的窗结构,该窗结构具有与带状波导中的包覆层相同的第一半导体材料层,在从有源层末端延伸到设置在其上和下面的第一半导体材料层之间的镜面的区域中设置带隙大于半导体激光器的振荡激光光能的第二半导体材料层来替代有源层和至少宽度与有源层相同的光导层。
发明内容
根据本发明给出以下分析。
通常认为COD断裂是由于以下机制引起的。端面温度升高使半导体熔融并且由于以下过程引起COD断裂:(a)端面附近的有源层中吸收激光,从而增加有源层的温度;(b)由于温度的增加导致带隙减小从而进一步增加吸收;和(c)有源层的温度进一步增加。
为了抑制COD断裂,(1)认为有效的是,形成其中有源层带隙仅在端面附近增加的窗结构。通过提供窗结构,减少了端面处的激光吸收。结果,抑制了端面处的温度的增加并且能够抑制COD断裂。另外,(2)还认为有效的是,形成非电流注入区域,在该区域中,电流没有流到端面附近的有源层。通过在端面处提供非电流注入区域,抑制电流在端面附近流动。结果,可以抑制由于激光吸收等等导致的端面处的温度的增加,以抑制COD断裂。
一种增加端面附近的带隙的方法包括使端面附近的量子阱有源层无序的方法,如在例如日本专利申请公开No.2000-133875的技术中那样。例如,通过以下步骤执行上述方法:将诸如Zn的杂质或空穴从外延表面仅扩散到端面附近并且将阱层和势垒层的构成元素彼此扩散。因为量子阱无序从而形成混合晶体,所以在引起互扩散的区域中,带隙增加。该方法利用了构成元素的互扩散容易出现在诸如GaAs和InP的通常的III-V族半导体中。然而,因为构成元素间的结合在氮化物半导体中较强,所以难以产生这种互扩散。因此,基本上不能够通过无序来形成窗结构,并且该方法不可应用于氮化物半导体激光器。
另一方面,当在端面附近形成非电流注入区域时,如在例如根据日本专利申请公开No.Hei08(1996)-330669、2002-57406和2001-135889的技术中一样,利用光刻。在非电流注入区域中,没有形成反转分布并且吸收损失增加。因此,为了使激光振荡效率的降低最小,需要通过光刻将非电流注入区域的宽度精确地控制为在吸收损失没有导致不期望的效果的范围内。然而,由于半导体衬底上方的氮化物半导体与衬底在晶格常数和热膨胀系数方面不同,因此晶圆产生卷曲。当产生卷曲时,光刻的精度和再现性降低,并且极难精确地控制晶圆平面内的非电流注入区域的宽度。特别是在大直径晶圆的情况下,卷曲的效果尤为明显。
根据本发明的第一方面,提供了一种半导体激光器,其包括:半导体衬底;和谐振器,所述谐振器形成在半导体衬底上方并且包含氮化物半导体层。施加在谐振器端面附近区域上的应变小于施加在端面附近区域之间的区域上的应变。
根据本发明的第二方面,提供了一种半导体激光器,其包括:半导体衬底;和谐振器,所述谐振器形成在半导体衬底上方并且包含氮化物半导体层。谐振器中进行激光振荡的端面的下端不接触所述半导体衬底。
根据本发明的第三方面,提供了一种制造半导体激光器的方法,其包括:在半导体衬底上方形成作为谐振器的前体的氮化物半导体层;将进行激光振荡的谐振器端面形成到氮化物半导体层;和移除半导体衬底的位于端面下方的部分。
本发明具有以下效果中的至少一个。
在本发明中,通过当氮化物半导体层经受应变时带隙减小来形成窗结构。即,通过保持谐振器端面的下端不接触半导体衬底来使端面附近的带隙增加得多于其它区域中的带隙。半导体衬底和氮化物半导体层的线性膨胀系数不同。例如,当半导体衬底包括硅并且氮化物半导体层包括GaN时,因为GaN的线性膨胀系数为5.6×10-6/K-1而Si的线性膨胀系数为4.2×10-6/K-1,所以接触半导体衬底的区域中的氮化物半导体层经受拉伸应变。另一方面,施加在不接触半导体衬底的区域中的氮化物半导体层上的应变大大减小。因此,与接触半导体衬底得区域中得氮化物半导体层相比,在不接触半导体衬底的区域中的氮化物半导体层的带隙增加得更多,并且可以形成窗结构。采用该构造,可以控制不接触半导体衬底的端面附近的激光吸收,并且可以抑制COD断裂。
在本发明中,可以通过制造半导体衬底同时获得窗结构和非电流注入结构。即,可以很大地节省光刻步骤。这能够提高半导体激光器的可靠性、再现性和产率。这在使用大直径半导体衬底的情况下是尤为有利的。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的半导体激光器的谐振器端面方向上的示意性平面图;
图2是垂直于根据第一实施例的半导体激光器的两个端面的示意性步骤视图;
图3A至图3C是用于说明制造示例1中的半导体激光器的方法的示意性步骤视图,其中,图3A示出形成谐振器的步骤,图3B示出图3A中所示的步骤之后的步骤并且图3C示出图3B中所示的步骤之后的步骤。
图4D至图4F是用于说明制造示例1中的半导体激光器的方法的示意性步骤视图,其中,图4D示出形成第一电极的步骤,图4E示出图4D中所示的步骤之后的步骤,并且图4F示出图4E中所示的步骤之后的步骤;
图5G至图5I是用于说明制造示例1中的半导体激光器的方法的示意性步骤视图,其中,图5G示出形成氮化物半导体层中的沟槽开口的步骤,图5H示出图5G中所示的步骤之后的步骤,并且图5I示出图5H中所示的步骤之后的步骤;并且
图6J至图6L是用于说明制造示例1中的半导体激光器的方法的示意性步骤视1图,其中,图6J示出完成激光器件的步骤,图6K示出图6J中所示的步骤之后的步骤,并且图6L示出图6K中所示的步骤之后的步骤。
具体实施方式
在优选实施例中,半导体衬底具有位于谐振器端面下方的凹陷区域,使得半导体衬底不接触谐振器。
在优选实施例中,凹陷区域对应于用于谐振器的非电流注入区域和窗区域的位置。
在优选实施例中,谐振器具有下包覆层和形成在下包覆层上方的有源层。从谐振器的下表面处不接触半导体衬底的区域的端面开始的长度小于下包覆层的厚度。
在优选实施例中,从谐振器的下表面处不接触半导体衬底的区域的端面开始的长度小于20μm。
在优选实施例中,半导体激光器还具有与谐振器电耦合的第一电极和与半导体衬底电耦合的第二电极。
在优选实施例中,通过利用在形成端面时形成的氮化物半导体层中的开口来移除半导体衬底的一部分。
将要描述根据本发明的第一实施例的半导体激光器。图1是根据本发明的第一实施例的半导体激光器的谐振器端面方向上的示意性平面图。图2是垂直于根据本发明的第一实施例的半导体激光器的两个端面(沿着脊延伸方向)的示意性剖视图。
根据本发明的第一实施例的半导体激光器100包括半导体衬底101和形成在半导体衬底101上方并且包括氮化物半导体层的谐振器102。进行激光振荡的谐振器端面102处的下端102a不接触半导体衬底101。半导体衬底101具有位于谐振器端面102下方的凹陷区域101a,以不接触下端102a。凹陷区域101a优选地形成在谐振器102的整个宽度上。即,优选的是,通过设置凹陷区域101a,半导体衬底101不支撑谐振器端面102附近的区域。凹陷区域101a对应于窗区域和非电流注入区域。
在根据本发明的第一实施例的半导体激光器100中,例如,谐振器102包括缓冲层103、下包覆层014、下光限制层105、有源层(多量子阱层)106、帽层107、上光限制层108、上包覆层109和接触层110。上包覆层109和接触层110形成为脊形状。第一电极111电耦合在接触层110上方(优选地,在整个上表面上),并且第二电极112电耦合在半导体衬底101下方(优选地,整个下表面或者在对应于第一电极111的区域中)。在这种情况下,半导体衬底101具有导电性,并且通过第一电极111和第二电极112将电流提供给半导体激光器100。保护层113形成在上光限制层108的上表面和脊的侧面。
在谐振器的下表面102b中,优选地根据窗区域的宽度和非电流注入端面的宽度设置不接触半导体衬底101的长度(非接触区域Y的长度L),即凹陷区域101a距离谐振器端面的深度。优选地,根据非电流注入端面的宽度,非接触区域Y的长度L不小于下包覆层104的厚度。如果非接触区域Y的长度L比下包覆层104的厚度短,则由于下包覆层104中电流的横向扩散导致非注入效果减小。根据窗区域的宽度,非接触区域Y的长度L优选地小于20μm,更优选地为15μm或更小。如果非接触区域Y的长度L比20μm长,则窗区域中的吸收损失过大,从而导致振荡效率降低。另外,振荡器在非接触区域Y处没有由半导体衬底101支撑。因此,当非接触区域Y的长度L比20μm长时,当施加外部应力时,谐振器端面附近容易断裂。
当电极111和112形成在半导体激光器100上方和下方时,在电流供给期间,电流通过半导体衬底101从第二电极112流向有源层106。然而,由于谐振器102的两个端面不接触半导体衬底101,因此电流没有在两个端面附近的非接触区域Y中流动。因此,根据本发明,可以同时获得窗结构和非电流注入结构。
另外,施加在不接触半导体衬底101的区域上方的谐振器102的非接触区域Y(特别地,有源层106)上的拉伸应变小于施加在接触半导体衬底101的区域上方的谐振器102的接触区域X(特别地,有源层106)上的拉伸应变。因此,非接触区域Y的带隙大于接触区域X中的带隙,并且抑制了非接触区域Y中的激光的吸收。这提供了窗结构。
以下示出根据第一实施例的半导体激光器100的示例。例如,可以通过如下结构构造半导体激光器100:堆叠作为半导体衬底101的n型Si衬底、作为缓冲层103的AlN(5nm)/GaN(10nm)超晶格缓冲层(Si浓度:4×1018cm-3,厚度:2μm)、作为下包覆层104的Si掺杂n型Al0.1Ga0.9N包覆层(Si浓度:4×1017cm-3,厚度:2μm)、作为下光限制层105的Si掺杂n型GaN(Si浓度:4×1017cm-3,厚度:0.1μm)光限制层、作为有源层106的具有In0.15Ga0.85N(厚度:3nm)阱层和Si掺杂In0.01Ga0.99N势垒层(Si浓度:1×1018cm-3,厚度:4nm)的3周期多量子阱(MQW)有源层、作为帽层107的Mg掺杂p型Al0.2Ga0.8N帽层(Mg浓度:2×1019cm-3,厚度:10nm)、作为上光限制层108的Mg掺杂p型GaN光限制层(Mg浓度:1×1019cm-3,厚度:0.1μm)、作为上包覆层109的p型Al0.1Ga0.9N包覆层(厚度:0.8μm)和作为接触层110的Mg掺杂p型GaN接触层(Mg浓度:1×1020cm-3,厚度:0.02μm)。例如,第一电极111可以形成为p型电极并且第二电极可以形成为n型电极。另外,例如,保护层113可以由硅氧化物膜形成。
考虑到氮化物半导体的晶体生长,Si衬底的平面方向优选地为诸如(111)、(100)、(110)、(211)或(311)的平面方向。本发明中抑制COD断裂的效果没有在性质上依赖于Si衬底的平面的方向。这是因为本发明中通过利用拉伸应力施加在形成在Si衬底上方的氮化物半导体有源层上来形成窗结构。
然后,将要描述根据本发明的制造半导体激光器的方法。首先,在半导体衬底上方形成作为谐振器前体的氮化物半导体层。然后,蚀刻氮化物半导体层来形成谐振器端面。然后,通过利用在形成谐振器端面时制造的氮化物半导体层中的开口来部分地移除半导体衬底的位于谐振器端面下方的区域,以形成凹陷区域。可以利用蚀刻作为部分地移除半导体衬底的方法。还可以在与形成谐振器端面的步骤相同的步骤中形成凹陷区域。这可以减少制造半导体激光器的工艺中的步骤数。在以下示例中将更详细地描述制造方法。
[示例]
[半导体激光器的制造]
制造如上述示例所示的半导体激光器。图3A至图6L是用于说明制造半导体激光器的方法的示意性步骤图。图3A至图4E是谐振器端面方向的示意性平面图并且图4F至图6L是沿着垂直于谐振器端面的平面的示意性剖视图。
使用具有平面方向(111)的n型硅衬底作为半导体衬底101。为了制造器件结构,使用300hPa下的金属有机气相外延(MOVPE)设备。使用氢气和氮气的气体混合物作为载气,并且分别使用三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)和三甲基铟(TMI)作为Ga、Al和In源,并且使用硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂并使用双环戊二烯基镁(Cp2Mg)用于p型掺杂剂。
在将n型硅衬底101装载到MOVPE设备中之后,硅衬底的温度在N2载气中增加,在达到生长温度的情况下供应13族开始材料、掺杂剂和NH3,并且在n型硅衬底上方连续沉积各前体层即,如上所述的缓冲层103至接触层110,以制造谐振器的前体(图3A)。在衬底温度为1080℃,TMG供应量为58μmol/分钟并且NH3供应量为0.36mol/分钟的条件下,生长GaN。在衬底温度为1080℃,TMA供应量为36μmol/分钟,TMG供应量为58μmol/分钟并且NH3供应量为0.36mol/分钟的条件下,生长AlGaN。在衬底温度为800℃,TMG供应量为8μmol/分钟并且NH3供应量为0.36mol/分钟的条件下,生长InGaNMQW。在形成阱层时将TMI供应量调节为48μmol/分钟并且在形成势垒层时将TMI供应量调节为3μmol/分钟。
在谐振器前体上方形成SiO2膜121(图3A),并且通过光刻将SiO2膜121形成为宽度为1.3μm的SiO2带121a(图3B)。使用SiO2带121a作为掩模通过干法蚀刻部分地移除上包覆层109和接触层110的前体层,以形成脊状结构(图3C)。
然后,移除SiO2带121a并且在晶圆的整个表面上方再次沉积SiO2膜作为保护膜113。然后,厚地涂覆抗蚀剂并且通过在氧等离子体中的回蚀形成脊状顶部。在通过缓冲氢氟酸移除脊状顶部SiO2膜之后,通过电子束沉积Pd/Pt并且通过剥离形成第一电极111。然后,移除抗蚀剂(图4D)。
然后,在600℃下,在氮气气氛中应用快速热退火(RTA)30秒来形成p欧姆电极。然后,通过溅射沉积50nm的Ti、100nm的Pt和2μm的Au来形成盖电极122(图4E)。
然后,通过在晶圆的整个表面上方进行溅射来形成SiO2膜123,并且在SiO2膜123上方涂覆抗蚀剂124。然后,垂直于带在抗蚀剂124上形成用于形成谐振器端面的沟槽开口125。然后,通过干法蚀刻移除暴露于沟槽开口125的SiO2膜123。在这种情况下,沟槽开口125的沟槽宽度被限定为5μm并且相邻沟槽开口125之间的距离被设置为谐振器长度为400μm。然后,通过打磨(milling)移除沟槽开口125中暴露的盖电极122和第一电极111(图5G)。接着,移除抗蚀剂124(图5H)。
然后,使用SiO2膜123作为掩模通过氯干法蚀刻来蚀刻氮化物半导体层103至110和Si衬底101的一部分,以形成谐振器的激光器端面。然后,通过使用保持在80℃的25%的TMAH(四甲基氢氧化铵)水溶液来湿法蚀刻激光器端面和暴露的Si衬底101。通过使用TMAH的蚀刻移除激光器端面下方区域中的Si衬底的一部分,以形成凹陷区域101a,并且移除通过氯干法蚀刻导致的激光器端面处的受损层(图5I)。
在用TMAH进行湿法蚀刻之后,对晶圆的一部分进行取样,并且通过显微电致发光光束直径测量来测量有源层106的发射波长。结果,在接触Si衬底101的区域(参照图2中的接触区域X)上的有源层的发射波长为403nm时,凹陷区域101a(参照图2中的非接触区域Y)上方的有源层中的发射波长为406nm。因此,确认的是,通过形成凹陷区域101a增加带隙,以在端面附近的有源层106中形成窗结构。
然后,通过CVD在晶圆的整个表面上方沉积厚度为0.5μm的SiO2膜126以形成谐振器端面的保护膜。然后,通过光刻来在SiO2 film 126中形成用于结合焊盘电极的开口126a,以暴露盖电极122(图6J)。
然后,将Si衬底101的后表面抛光以将晶圆的厚度减小至100μm,然后在Si衬底的后表面上依次气相沉积5nm的Ti、20nm的Al、10nm的Ti和500nm的Au,以形成第二电极112(图6K)。
然后,通过沟槽开口125将Si衬底101分成条形,并且每个条被分成单独的器件,以制造半导体激光器100(图6L)。最后,以罐(CAN)封装密封半导体激光器100,以获得激光器封装。
[对于阈值电流和斜率效率的测量]
制造具有不同长度L的其中谐振器的下表面不接触半导体衬底的非接触区域的半导体激光器,并且测量每个半导体激光器的斜率效率。当用TMAH进行湿法蚀刻时调节非接触区域的长度L。表1示出每个半导体激光器的振荡阈值电流Ith的平均值和斜率效率的平均值。每个平均值是数目为20的测量到的平均值的平均值。
[表1]
当非接触区域的长度L为2μm至15μm时,振荡阈值电流为31mA至34mA并且斜率效率为1.1W/A至1.3W/A,并且它们是恒定的。然而,当非接触区域的长度L增加至20μm时,振荡阈值电流增加到高达42mA并且斜率效率减小为低至0.7W/A。认为的是,因为由于窗区域的宽度和非电流注入区的宽度的增加导致内部损耗增加,所以振荡阈值电流增加并且斜率效率降低。
另外,对于非接触区域的长度L为20μm的半导体激光器,观察到,整个器件的大约10%没有进行激光器振荡。当通过扫描型电子显微镜观察振荡失败的器件的外观,确认的是,氮化物半导体层在端面附近发生变形或断裂。估计因为在非接触区域中没有通过衬底支撑谐振器,所以在工艺期间施加外部应力时往往会造成断裂,并且因为当非接触区域长时这种趋势变得明显,所以在长度为20μm时器件出现故障。
[静电放电测试和自动输出控制测试]
对于其中谐振器的下表面不接触半导体衬底并且非接触区域的长度L不同的半导体激光器,执行静电放电(ESD)测试和自动功率控制(APC)测试,以确认各半导体激光器的耐久性。
基于机器模型进行ESD测试。在非接触区域的长度L为0μm的半导体激光器中,ESD电平为大约30V。相反,在非接触区域的长度为2μm至15μm的半导体激光器中,ESD电平稳定并且获得大约90V的值。当观察断裂后的半导体激光器时,在任何器件中观察到发射端面的异常,并且发现由于瞬时施加电压导致的COD断裂。对于非接触区域的长度为0μm的半导体激光器,认为因为没有形成窗结构和非电流注入结构,因此在较低ESD电压下造成COD断裂。
在30mW、CW下、在80℃的环境温度中进行用于确认长时间可靠性的APC测试1000小时。在非接触区域的长度为2μm至15μm的半导体激光器中,确认稳定驱动1000小时。另一方面,在非接触区域的长度为0μm的半导体激光器中,在大约一半器件中产生意外劣化。通过观察劣化的器件,确认在各器件中都存在发射端面的COD断裂。
根据以上内容,发现通过形成长于0μm且短于20μm的非接触区域(凹陷区域),获得了抑制了COD断裂的高可靠性的半导体激光器。
虽然已经参照上述实施例描述了本发明的半导体激光器及其制造方法,但是将清楚的是,本发明不限于上述实施例,而是各种修改、变化和改进包括在本发明范围内的上述实施例中并且都是基于本发明的基础技术构思的。另外,对于要求保护的本发明的权利要求的范围内的各种公开元件,能够进行各种组合、替代或选择。
本发明的其他主题、目的和扩展状态将从包括其在要求保护的权利要求的范围中的本发明的整个公开内容变得清楚。
Claims (9)
1.一种半导体激光器,包括:
半导体衬底;和
谐振器,所述谐振器包含氮化物半导体层,所述谐振器形成在所述半导体衬底上方,
其中施加在所述谐振器端面附近的区域上的应变小于施加在所述端面附近的区域之间的区域上的应变。
2.一种半导体激光器,包括:
半导体衬底;和
谐振器,所述谐振器包含氮化物半导体层,所述谐振器形成在所述半导体衬底上方,
其中进行激光振荡的谐振器端面的下端不接触所述半导体衬底。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器,其中所述半导体衬底具有位于所述谐振器端面下方的凹陷区域,使得所述半导体衬底不接触所述谐振器。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器,其中所述凹陷区域对应于所述谐振器的窗区域和非电流注入区域的位置。
5.根据权利要求2所述的半导体激光器,
其中所述谐振器具有下包覆层和形成在所述下包覆层上方的有源层,并且
其中从所述谐振器的下表面中不接触所述半导体衬底的区域的端面开始的长度不小于所述下包覆层的厚度。
6.根据权利要求2所述的半导体激光器,其中从所述谐振器的下表面中不接触所述半导体衬底的区域的端面开始的长度小于20μm。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器,还包括:
与所述谐振器电耦合的第一电极和与所述半导体衬底电耦合的第二电极。
8.一种制造半导体激光器的方法,包括:
在半导体衬底上方形成作为谐振器的前体的氮化物半导体层;
在所述氮化物半导体层上形成进行激光振荡的所述谐振器的端面;和
移除所述半导体衬底的位于所述端面下方的部分。
9.根据权利要求8所述的制造半导体激光器的方法,其中通过利用在形成所述端面时形成的所述氮化物半导体层中的开口,来移除所述半导体衬底的一部分。
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Cited By (5)
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---|---|---|---|---|
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