CN102638001A - 半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体激光器，其包括N型半导体层、P型半导体层以及设置在该N型半导体层与该P型半导体层之间的活性层。该N型半导体层具有一个远离该活性层的第一表面。该P型半导体层具有一个远离该活性层的第二表面。该半导体激光器包括位于该第一表面与该第二表面之间的两个相对的侧面。该N型半导体层与该P型半导体层均为六方晶系半导体层。该半导体激光器的两个侧面上形成有两个四方晶系半导体层。每一四方晶系半导体层具有远离与之对应的侧面的一个外表面，该两个四方晶系半导体层的两个外表面相互平行，以构成该半导体激光器的谐振腔的两端面。本发明还涉及一种半导体发激光器的制作方法。

Description

半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种二极管，尤其涉及一种半导体激光器以及一种半导体激光器的制作方法。
背景技术
现有的半导体激光器一般为在基板上成长磊晶层，磊晶层包括一个P型半导体层、一个N型半导体层、以及设置在该P型半导体层与该N型半导体层之间的活性层。通常，该P型半导体层与该N型半导体层为六方晶系半导体材料，如氮化镓(GaN)。将该磊晶层切割成多个晶粒，从而形成多个半导体激光器。每个半导体激光器包括两个相互平行的侧面，以作为半导体激光器的共振腔面。然而，由于半导体激光器的半导体层为六方晶系半导体材料，在切割过程中，很难使该两个侧面垂直于PN结面且相互平行，从而影响半导体激光器的性能。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种谐振腔具有平整端面的半导体激光器。
一种半导体激光器，其包括N型半导体层、P型半导体层以及设置在该N型半导体层与该P型半导体层之间的活性层。该N型半导体层具有一个远离该活性层的第一表面。该P型半导体层具有一个远离该活性层的第二表面。该半导体激光器包括位于该第一表面与该第二表面之间的两个相对的侧面。该N型半导体层与该P型半导体层均为六方晶系半导体层。该半导体激光器的两个侧面上形成有两个四方晶系半导体层。每一四方晶系半导体层具有远离与之对应的侧面的一个外表面，该两个四方晶系半导体层的两个外表面相互平行，以构成该半导体激光器的谐振腔的两端面。
一种半导体激光器的制作方法，其包括：提供一个半导体结构，其包括N型六方晶系半导体层、活性层、以及P型六方晶系半导体层，该N型六方晶系半导体层具有一个远离该活性层的第一表面，P型六方晶系半导体层具有一个远离该活性层的第二表面，该半导体结构包括位于该第一表面与该第二表面之间的两个相对的侧面；在该半导体结构的两个侧面上分别成长四方晶系半导体层，每一个四方晶系半导体层具有远离与之对应的侧面的一个外表面，该两个四方晶系半导体层的两个外表面相互平行，以构成该半导体激光器的谐振腔的两端面。
相比六方晶系半导体，四方晶系半导体具有侧向成长特性，因此，通过控制成长条件，可以使两个四方晶系半导体层的两个外表面成长为平整面，从而作为半导体激光器谐振腔的两端面。
进一步地，由于四方晶系半导体层通过等离子体蚀刻抛光、劈裂等方法制作的劈裂面为镜面，其表面粗糙度一般小于20纳米。四方晶系半导体层劈裂面比六方晶系半导体层的劈裂面平整，适合作为半导体激光器的谐振腔的端面。因此，本发明利用两个四方晶系半导体层的两个外表面作为半导体激光器谐振腔的两端面，其相比六方晶系半导体层具有较好的平整度，可以有效地提高该半导体激光器的性能。并且，四方晶系半导体层制作镜面的制作工艺简单。
附图说明
图1是本发明实施例提供的半导体激光器的立体示意图。
图2是图1中的半导体激光器沿II-II的剖面示意图。
图3是图1中的半导体激光器沿III-III的剖面示意图。
图4是本发明实施例提供的半导体激光器的制作方法的流程图。
主要元件符号说明
半导体激光器            100
N型电极                        10
N型半导体层                    20
下表面                         21
P型半导体层                    40
上表面                         41
活性层                         30
P型电极                        50
第一侧面                       101
第二侧面                       102
第三侧面                       103
第四侧面                       104
第一四方晶系半导体层           60
第一表面                       61
第二四方晶系半导体层           70
第二表面                        71
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明实施例提供的半导体激光器100。该半导体激光器100包括N型电极10、N型半导体层20、P型半导体层40、设置在该N型半导体层20与该P型半导体层40之间的活性层30、P型电极50、第一四方晶系半导体层60、以及第二四方晶系半导体层70。
该N型半导体层20与该P型半导体层40可以为单层或多层结构，其选用III族氮化物半导体材料。在本实施例中，该N型半导体层20与该P型半导体层40均为六方晶系半导体层，且选用的材料包括氮化镓(GaN)。当然，该N型半导体层20与该P型半导体层40也可以为其他六方晶系半导体层，而不限于该实施例。
该N型半导体层20具有一个远离该活性层30的下表面21，该P型半导体层40具有一个远离该活性层30的上表面41。在本实施例中，该下表面21与该上表面41均为平面。该N型电极10设置在该N型半导体层20的下表面21上。该P型电极50设置在该P型半导体层40的上表面41上。该N型电极10与该P型电极50为透明电极。
请一并参见图2与图3，该N型半导体层20、活性层30、以及该P型半导体层40具有位于该下表面21与该上表面41之间的第一侧面101、与该第一侧面101相对的第二侧面102、第三侧面103以及与该第三侧面103相对的第四侧面104。在本实施例中，该第一侧面101与该第二侧面102平行。该第三侧面103与该第四侧面104均为粗糙面。
该第一四方晶系半导体层60设置在该第一侧面101上，该第二四方晶系半导体层70设置在该第二侧面102上。在本实施例中，该第一四方晶系半导体层60与该第二四方晶系半导体层70的折射系数与该N型半导体层20以及该P型半导体层40的折射系数相同。该第一四方晶系半导体层60与该第二四方晶系半导体层70可以为氮化硅(SiNx)层或者二氧化钛(TiO2)层。该第一四方晶系半导体层60与该第二四方晶系半导体层70可以通过电感耦合等离子体化学气相沉积法(Inductively CoupledPlasma-Chemical vapor deposition，ICP-CVD)分别形成在该第一侧面101与该第二侧面102的两个侧面上。
该第一四方晶系半导体层60具有远离该第一侧面101的第一表面61，该第二四方晶系半导体层70具有远离该第二侧面102的第二表面71。
由于四方晶系半导体具有侧向成长特性。因此，通过改变该四方晶系半导体成长条件，可使该第一表面61与该第二表面71成长为光滑平面，垂直于PN结面且相互平行。在本实施例中，该第一表面61与该第二表面71作为该半导体激光器100的谐振腔的两端面。
当然，由于四方晶系半导体通过等离子体蚀刻抛光、劈裂等方法制作的劈裂面为镜面，其表面粗糙度一般小于20纳米。该第一四方晶系半导体层60与该第二四方晶系半导体层70形成在该第一侧面101与该第二侧面102的两个侧面上后，也可以通过等离子体蚀刻抛光、劈裂等方法使该第一表面61与该第二表面62形成镜面，以作为半导体激光器100的谐振腔的两端面。
该半导体激光器100的基本工作原理如下：该半导体激光器100的PN结加有正向电压，即该P型电极50接外部电源正极，该N型电极10接外部电源负极。如此一来，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射光子，即自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子-空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子在谐振腔的两端面，即该第一四方晶系半导体层60的第一表面61，以及该第二四方晶系半导体层70的第二表面71，往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从该半导体激光器100的第一表面61以及第二表面71发出具有较好谱线的相干光，即激光。
由于四方晶系半导体层通过等离子体蚀刻抛光、劈裂等方法制作的劈裂面为镜面，其表面粗糙度一般小于20纳米。四方晶系半导体层劈裂面比六方晶系半导体层的劈裂面平整，适合作为半导体激光器100的谐振腔的端面。因此，本实施例中，利用该第一四方晶系半导体层60的第一表面61以及该第二四方晶系半导体层70的第二表面71作为半导体激光器100谐振腔的两端面，其相比六方晶系半导体层具有较好的平整度，可以有效地提高该半导体激光器100的性能。并且，四方晶系半导体层制作镜面的制作工艺简单。
请参见图4，本发明实施例一种半导体激光器的制作方法，其包括如下步骤：
步骤一：提供一个半导体结构，其包括N型六方晶系半导体层、活性层、以及P型六方晶系半导体层，该N型六方晶系半导体层具有一个远离该活性层的第一表面，P型六方晶系半导体层具有一个远离该活性层的第二表面，该半导体结构包括位于该第一表面与该第二表面之间的两个相对的侧面。请一并参见图1、图2与图3，该半导体结构包N型半导体层20、P型半导体层40、设置在该N型半导体层20与该P型半导体层40之间的活性层30、第一四方晶系半导体层60、以及第二四方晶系半导体层70。进一步地，该半导体结构还包括N型电极10与P型电极50。
该N型半导体层20具有一个远离该活性层30的下表面21，该P型半导体层40具有一个远离该活性层30的上表面41。在本实施例中，该下表面21与该上表面41均为平面。该N型电极10设置在该N型半导体层20的下表面21上。该P型电极50设置在该P型半导体层40的上表面41上。该N型电极10与该P型电极50为透明电极。
该N型半导体层20、活性层30、以及该P型半导体层40具有位于该下表面21与该上表面41之间的第一侧面101、与该第一侧面101相对的第二侧面102、第三侧面103以及与该第三侧面103相对的第四侧面104。
一般地，上述半导体结构是磊晶结构经蚀刻、劈裂等方式形成。然而，由于蚀刻技术所形成的表面不平整并且该表面也一般不垂直PN结面。劈裂技术所形成的表面垂直度比蚀刻技术好，但平整度比蚀刻技术差。因此，该第一侧面101、第二侧面102、第三侧面103以及与第四侧面104为粗糙表面。
步骤二：在该半导体结构的两个侧面上分别成长四方晶系半导体层，每一个四方晶系半导体层具有远离与之对应的侧面的一个外表面，该两个四方晶系半导体层的两个外表面相互平行，以构成该半导体激光器的谐振腔的两端面。从而形成一个半导体激光器。
具体地，请一并参见图1、图2与图3，该第一四方晶系半导体层60设置在该第一侧面101上，该第二四方晶系半导体层70设置在该第二侧面102上。在本实施例中，该第一四方晶系半导体层60与该第二四方晶系半导体层70的折射系数与该N型半导体层20以及该P型半导体层40的折射系数相同。该第一四方晶系半导体层60与该第二四方晶系半导体层70可以为氮化硅(SiNx)层或者二氧化钛(TiO2)层。该第一四方晶系半导体层60与该第二四方晶系半导体层70可以通过电感耦合等离子体化学气相沉积法(Inductively Coupled Plasma-Chemicalvapor deposition，ICP-CVD)分别成长在该第一侧面101与该第二侧面102的两个侧面上。该第一四方晶系半导体层60具有远离该第一侧面101的第一表面61，该第二四方晶系半导体层70具有远离该第二侧面102的第二表面71。
由于四方晶系半导体具有侧向成长特性。因此，通过改变该四方晶系半导体成长条件，可使该第一表面61与该第二表面71成长为光滑平面，垂直于PN结面且相互平行。在本实施例中，该第一表面61与该第二表面71作为该半导体激光器100的谐振腔的两端面。
可以理解的是，由于四方晶系半导体通过等离子体蚀刻抛光、劈裂等方法制作的劈裂面为镜面，其表面粗糙度一般小于20纳米。该第一四方晶系半导体层60与该第二四方晶系半导体层70形成在该第一侧面101与该第二侧面102的两个侧面上后，也可以通过等离子体蚀刻抛光、劈裂等方法使该第一侧面101与该第二侧面102形成镜面，以作为半导体激光器100的谐振腔的两端面。
可以理解的是，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种半导体激光器，其包括N型半导体层、P型半导体层以及设置在该N型半导体层与该P型半导体层之间的活性层，该N型半导体层具有一个远离该活性层的第一表面，该P型半导体层具有一个远离该活性层的第二表面，该半导体激光器包括位于该第一表面与该第二表面之间的两个相对的侧面，其特征在于：该N型半导体层与该P型半导体层均为六方晶系半导体层，该半导体激光器进一步包括形成在该两个侧面上的两个四方晶系半导体层，每一四方晶系半导体层具有远离与之对应的侧面的一个外表面，该两个四方晶系半导体层的两个外表面相互平行，以构成该半导体激光器的谐振腔的两端面。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，该N型半导体层与该P型半导体层中至少一者的材料包括氮化镓。
3.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，该四方晶系半导体层为氮化硅层或者二氧化钛层。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，该四方晶系半导体层的折射系数与该N型半导体层及该P型半导体层的折射系数相同。
5.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，该四方晶系半导体层通过电感耦合等离子体化学气相沉积法形成在该磊晶结构的两个侧面上。
6.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，每一个外表面的表面粗糙度小于20纳米。
7.一种半导体激光器的制作方法，其包括：
提供一个半导体结构，其包括N型六方晶系半导体层、活性层、以及P型六方晶系半导体层，该N型六方晶系半导体层具有一个远离该活性层的第一表面，P型六方晶系半导体层具有一个远离该活性层的第二表面，该半导体结构包括位于该第一表面与该第二表面之间的两个相对的侧面；
在该半导体结构的两个侧面上分别成长四方晶系半导体层，每一个四方晶系半导体层具有远离与之对应的侧面的一个外表面，该两个四方晶系半导体层的两个外表面相互平行，以构成该半导体激光器的谐振腔的两端面。
8.如权利要求7所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，该P型六方晶系半导体层与该N型六方晶系半导体层中至少一者为氮化镓层。
9.如权利要求7所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，该四方晶系半导体层为氮化硅层或者二氧化钛层。
10.如权利要求7所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，该四方晶系半导体层的折射系数与该N型半导体层与该P型半导体层的折射系数相同。
11.如权利要求7所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，该四方晶系半导体层通过电感耦合等离子体化学气相沉积法形成在该半导体结构的两个侧面上。
12.如权利要求7所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，该两个四方晶系半导体层的两个外表面经过等离子体蚀刻抛光或劈裂处理。
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