CN1215239A - 半导体激光器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
在用于直接形成有源层的选择性生长掩模图形中,除了形成用于生长有源层的开孔条带之外,还形成用于生长待插入电流阻挡层的复合层的开孔条带。利用此掩模图形,控制复合层的位置和带隙。从而,在有源层附近的任意位置,可以与有源层一起一次形成具有任意带隙的复合层。这样,能够以良好的均匀性和再现性制造具有优异的高温高输出特性的半导体激光器元件。
Description
本发明涉及用于光通信、光信息处理、光盘装置、光学互接等的半导体激光元件，还涉及其制造方法。
迄今半导体激光器已经在各种环境下大量地用于光通信、光信息处理、光盘装置、光学互接等。因此，强烈需要以低成本大量地制造具有优异的环境承受力、特别是优异的高温高输出特性的半导体激光器。为了实现这类半导体激光器，重要的是减少经过除有源层之外的部位流动的不必要的漏电流，因此对具有各种电流限制结构的BH(掩埋异质结构)激光器正在进行着研究和开发。
图1是作为具有优异的高温高输出特生的BH激光器展示DC-PBH(双沟道平面掩埋异质结构)结构的激光器的剖面图。图1中，参考标号1a代表n-InP衬底，标号3代表有源层，标号4代表复合层，标号5a代表p-InP阳挡层，标号5b代表n-InP阳挡层，标号6代表p-InP掩埋层，标号7a代表p-InGaAs接触层，标号8代表绝缘膜，标号9代表电极。该结构按如下方式成型，具有的带隙窄于InP的InGaAsP复合层4，插入包括InP的pnpn晶闸管的电流阻挡层5a和5b之间。起pnpn晶闸管的栅电流作用的载流子发光，并在比窄带隙层中复合，从而降低了构成晶闸管的npn或pnp晶体管的电流增益，因而抑制了晶闸管的导通操作，提高了电流限制特性。迄今，DC-PBH结构已经按如下方式制造，亦即在有源层3在n-InP衬底1a上平坦生长之后，利用LPE(液相外延)法通过蚀刻形成台面条带，生长含有电流阻挡层的掩埋层，采用蚀刻半导体层和使用LPE法生长掩埋层的手段的这种制造方法，在可控制性、均匀性和再现性方面较差。
另一方面，按使用MOVPE(金属有机汽相外延)法制造具有BH结构的方式构成的半导体激光器在可控制性、均匀性和再现性方面是优异的，对这种激光器给予了深入的探究和开发。但是，在这种情况下，也提出了通过把具有窄带隙的复合层插入pnpn阻挡层，从而改善高温高输出特性。图2是展示使用p-型衬底1b的RIB-PBH(插入复合层的平面掩埋异质结构)激光器结构的剖面图，该激光器公开于日本专利申请6-338654。而且，在日本专利申请8-236858中，公开了以下事实，通过对插入电流阻挡层5a和5b的复合层4的带隙组成和位置进行优化，可以改善高温高输出特性。
而且，图2中，与图1所示相同的部分用相同的标号表示，因此省略了对其重复的具体说明。参见图2，参考标号1b代表p-InP衬底，标号7b代表n-InGaAs接触层，标号11b代表p-InP包覆层，标号16代表第一n-InP掩埋层，标号17代表第二n-InP掩埋层。
但是，即使通过使用上述MOVPE法来生长掩埋层，仍旧存在无法避免因半导体层蚀刻的可控制性、均匀性和再现性导致的元件性能离散的问题。
相反，正如在IEEE,Photonics Technology Letters,March 1997,Vol.9,No.3,pp.291～293所述，提出了利用选择性生长，直接形成含有源层的台面条带的方法，从而避免对半导体层的腐蚀。于是，可以在均匀性和再现性优异的情况下制造具有优异的高温高输出特性的BH激光器。
图3A和3B展示了利用上述传统方法在n-型衬底1a上制造的DC-PBH激光器的剖面结构和有源层3生长所用的选择生长的掩模2的图形。通过把选择生长的掩模2的宽度Wm选取为约3～10μm，可以实现按如下方式构成的结构，亦即在距离有源层3为掩模宽度Wm的位置插入窄带隙层。
但是，这种传统方法存在如下缺点，不可能独立地控制复合层4的带隙和位置，以使其最优化。
而且，近来对制造按如下方式构成的半导体激光器进行深入的研究，亦即通过利用选择性腐蚀中的生长速度和对结构的掩模宽度的依赖性，集成点尺寸转变波导。
图4A展示了公开于日本专利申请7-283490的集成有点尺寸转变波导的激光器。通过把激光器区13的掩模宽度设定为几十μm，由此实现点尺寸转变波导的激光器，从而使此掩模宽度与在点尺寸转变波导区14一端的掩模宽度的差变大。因此，如图4A所示，该激光器按如下方式构成，如图4A所示，在有源层3附近的电流阻挡层5a和5b处不存在有利于改善电流限制特性的窄带隙层。结果，点尺寸转变波导部分14被去掉的激光元件特性与复合层4存在于有源层3附近的激光元件特性相比，表明这种激光元件在其高温高输出特性方面较差。
本发明的目的在于提供一种按如下方式构成的半导体激光器，亦即通过选择性生长直接形成由半导体层组成的有源层，并提供其制造方法，其中在有源层附近的任意位置，与有源层一起可一次形成具有任意带隙的复合层。因此，可以提供具有优异的高温高输出特性的半导体激光元件、以及可以大批量低成本制造具有优异的均匀性和再现性的上述半导体激光元件的方法。
根据本发明的半导体激光器包括有源层和至少一个复合层；构成电流阻挡层的材料形状是其带隙窄于构成电流阻挡层材料的条带。有源层由半导体层形成，并利用选择性生长直接形成，在形成有源层的同时利用选择性生长在电流阻挡层中形成复合层。
复合层的条带宽度可为20μm以下。而且，上述有源层和最靠近有源层的复合条带之间的间隔可以是1μm～10μm。
而且，根据本发明的半导体激光器的制造方法，其中使用选择性生长掩模图形，通过选择性生长直接形成由半导体层组成的有源层，除了生长有源层的开孔之外，该图形在生长有源层的开孔两侧具有至少一对或多对开孔，选择地生长有源层。
而且，除了生长有源层的开孔之外的开孔的形状均是宽度为20μm以下的条带。
而且，生长有源层的开孔和有源层生长开孔部分之外的并且最靠近有源层生长开孔的开孔之间的掩模宽度至少是1μm～10μm。
而且，在用于直接形成有源层的选择性生长掩模图形中，除了生长有源层的开孔条带之外，还形成准备插入电流阻挡层的生长复合层的开孔条带，从而利用此掩模图形，控制复合层的位置和带隙。
根据本发明，可以保证，在具有优异的可控制性、均匀性和再现性的全选择性生长型BH激光器及其制造方法中，有利于改善电流限制特性的窄带隙层的带隙组成的位置，可以针对其优化而任意控制。结果，增强了半导体激光器的电流限制特性；于是，可以按低的制造成本批量生产具有优异的高温高输出特性的半导体激光器。
图1是第一传统技术的剖面图。
图2是第二传统技术的剖面图。
图3A是第三传统技术的剖面图，图3B是其平面图形。
图4A是第四传统技术的剖切透视图，图4B是其平面图形。
图5是说明本发明的运行的示意图。
图6是本发明第一实施例的剖切透视图。
图7A是本发明第一实施例的平面图形，图7B～7D是按其制造工序的顺序展示其制造方法的剖面图。
图8是本发明第二实施例的切开透视图。
图9是本发明第二实施例的平面图形。
图10是按在生长有源层的开孔条带两侧存在两对生长开孔条带的复合层的方式形成的选择性生长掩模图形的示意图。
以下将结合附图说明本发明的优选实施例。与图1～4B所示相同的组成部分用相同的标号表示。
在选择性生长中，掩模开孔部分和掩模部分之间的面积比越大，亦即开孔面积越大，开孔部分单位面积馈入的材料就越少，从而生长率降低。这里，在InGaAsP等材料的情况，也提出了馈入材料的组成以便产生短波长。因此，由于量子阱层厚度降低导致的量子效应增大，所以其带隙变化变得大于块状有源层的情况。
在如图3B所示情形使用选择性生长掩模图形的传统全选择性生长型DC-PBH激光器中，从有源层中的光限制和横向模式稳定性之间平衡的角度来看，生长有源层的开孔宽度Wo通常设定为确定的值，例如约1～2μm。这里，复合层的带隙大于在窄开孔生长的有源层的带隙，但是在Wo=常数的条件下，有源层和复合层之间的带隙差，是根据掩模宽度Wm确定的。Wm越大，它们之间的带隙差就越大。但是，在此情形，有源层和复合层之间的距离增大，因而不能相互独立地设定复合层的带隙和位置。
本发明的特征在于，正如以下将结合随后实施例说明的图5所示，除了有源层之外，在选择性生长掩模2中也设置开孔条带，但是在有源层和复合层之间的位置关系依据掩模宽度Wm1而确定这方面，本发明与传统技术相同。但是，复合层的带隙随任何参数、掩模宽度Wm1、Wm2和掩模开孔宽度Wo1、Wo2而变化，因此，在设定Wo1=常数，Wm1=常数的情况下，亦即即使在有源层和复合层的位置固定的条件下，通过使用作为参数的其余Wo2和Wm2，可以控制复合层的带隙。因此，通过相互独立地控制复合层的位置和带隙，使其优化，可以制造具有电流阻挡层结构的半导体激光器，其中电子或空穴的漏电流被抑制到最小。
这里，如果有源层和复合层之间的间距过大，则pnpn阻挡层构造的导通抑制效应通过插入窄带隙层而降低。电流限制特性变劣，但是相反，如果间距过小，由于复合层的电位相对于空穴较低，所以经过位于有源层侧边的p型阻挡层，从有源层上的p型包覆层流入复合层的漏电流增大。因此，有源层和最靠近有源层的复合层条带之间的间距应是1μm～10μm。而且，复合层的条带宽度Wo2并无特别限制，但是如果Wo2过大，则利用Wm2对复合层组成的控制范围变小，因此条带宽度Wo2应设定为20μm以下。
而且，根据本发明可以保证，即使使用选择性波长制造其中集成有点尺寸转变波导的激光器，激光器也可以制成如下结构，其中有利于增强电流限制特性的窄带隙层插入有源层附近的电流阻挡层中。在此情形，如上所述情况，也可以相互独立地控制复合层的位置和带隙。
图6展示了根据本发明第一实施例的半导体激光器结构。如图5所示，在形成于半导体衬底1上的选择性生长掩模2中，布图形成用于生长有源层的条带开孔和用于生长待插入阻挡层的复合层的条带开孔，从而可以完成有源层3和复合层4的一次生长。
参见图6，在衬底1的下表面上形成电极9，同时在上表面选择地形成有源层3和复合层4；有源层3和复合层4掩埋在p-InP阳挡层5a中。在此区域中，除了有源层3之外，还形成位于此p-InP阻挡层5a上的n-InP阳挡层5b。在此n-InP阻挡层5b上形成p-InP掩埋层6，以便与有源层3接触。而且，在p-InP掩埋层6上形成接触层7。而且，在把有源层3和复合层4叠夹于其间的位置，形成一对电隔离沟10，在这些绝缘膜10的每个部位，形成绝缘膜8。另外，在接触层7和绝缘膜8上形成电极9。
图7A～7D用于说明根据此实施例的半导体激光器制造方法，其中图7B～7D是在1.3μm区中的法布里-珀罗激光器(FP-LD)的制造工序。参见图7A，参考标号2a代表在进行选择性生长之前，采用CVD法在n-InP衬底1a表面上淀积的并采用光刻技术制图的SiO2掩模。掩模宽度Wm1=3.0μm，掩模宽度Wm2=8.0μm，开孔宽度Wo1=1.5μm，开孔宽度Wo2=5.0μm。
如图7B所示，在如此已经形成了SiO2掩模2a的衬底(n-InP衬底1a)上，在生长有源层的开孔条带部位中，依次生长具有膜厚和组成的各层：亦即，依次生长n-InP包覆层11a(厚度：0.2μm，掺杂浓度：1×1018cm-3)、具有InGaAsPSCH和应变MQW的有源层3(量子阱数6，厚度：0.21μm，激发光波长：1.3μm)、和p-InP包覆层11b(厚度：0.1μm，掺杂浓度：7×1017cm-3)。这里，作为为了发射短波长而降低其生长速率和提出的其结构的结果，在生长复合层的开孔条带部位中生长的各InGaAsP复合层4，成为具有1.23μm激发光波长，该开孔条带部位具有大于生长有源层的开孔的开孔宽度。
接着，如图7C所示，利用光刻仅在包括有源层3的台面光学波导上形成SiO2膜12，从而生长由p-InP阻挡层5a(厚度：0.5μm，掺杂浓度：3×1017cm-3)和n-InP阻挡层5b(厚度：0.7μm，掺杂浓度：1×1018cm-3)构成的电流限制结构。
而且，如图7D所示，去除SiO2掩模12之后，生长p-InP掩埋层6和InGaAs接触层7a，之后形成电极9。最后通过解理完成具有300μm谐振长度的半导体激光器。
根据此实施例的半导体激光器的电流/光学特性证明是优异的；亦即就属于200个元件的平均值而言，在25℃的阈值电流是7.2mA，斜率效率是0.32W/A，在85℃的阈值电流是17.8mA，斜率效率是0.25W/A。
在展示本发明的第一实施例的图6中，所示结构是按利用通常的腐蚀技术形成电隔离沟的方式构成的结构，用于在降低元件电容量及其解理之后，与条(激光器阵列)状态的相邻元件电隔离，当然，即使激光器阵列是由这种电隔离沟10构成的，本发明也可以应用。
而且，在此实施例中，法布里-珀罗谐振腔式激光器被称为物激光器，但是激光器也可以采用DFB激光器结构或DBR激光器结构。而且，对于其激光波长，并不仅限于上述实施例说明中优选的1.3μm范围，而是可以使用其他任何波长，包括例如可见光波长范围，例如1.55μm、1.65μm、0.98μm或0.68m。而且，在此实施例中，使用采用应变的量子阱层的应变MQW结构，但是也可以代之以使用非应变的MQW结构或者着色补偿式MQW结构或者块状有源层。作为成分材料，除了InGaAsP/InP系列，可以使用AlGalnAs/InP系列、AlGaAs/GaAs系列、AlGalnP/GalnP系列和任何其他半导体材料系列。
图8展示集成了根据本发明第二实施例的半导体激光器的点尺寸变换波导结构。
与本发明其他实施例相关，用于制造集成了具有1.3μm范围的FP-LD的点尺寸变换波导的选择生生长掩模如图9所示。参见图9，生长有源层的条带开孔宽度是Wo1=1.3μm，生长插入阻挡层的复合层的条带开孔宽度是Wo2=4μm，掩模宽度Wm1=5μm是不变的，而掩模宽度Wm2在长250μm的激光器区13中是50μm，但是在长为200μm的点尺寸变换波导区14中，从50μm锥状减小为0μm。通过使用这种选择性生长掩模，可以保证即使在要求具有宽掩模宽度的激光器区13中，如图8所示，可以形成按如下方式构成的结构，亦即具有窄带隙的复合层4插入电流阻挡层(5a、5b)中，该结构具有优异的高温高输出特性。
同样在此实施例中，设计在激光器区13中的有源层开孔条带部位中的膜厚度和结构，使其与本发明第一实施例的情况相同，从而进行选择性生长。结果，获得了点尺寸变换波导15，在输出端具有1.14μm的发光波长，在激光器区部位具有其1/3的膜厚度，并获得了在激光器区13中具有1.21μm发光波长的复合层14。而且，通过与本发明第一实施例中采用的相同的制造工序，进行BH生长，从而制造用于向整个激光器区注入电流的电极结构，范围在40μm的点尺寸变换波导区共计290μm。对整个元件长度进行解理，范围达450μm。之后，在背端表面上设置反射率为90％的涂层，从而形成集成有半导体激光器的点尺寸变换波导。集成有本实施例的半导体激光器的点尺寸变换波导呈现优异的电流-光学输出特性；在25℃的阈值电流是8.5mA，斜率效率是0.38W/A，在85℃的阈值电流是26.3mA，斜率效率是0.25W/A。而且，呈现优异的窄辐射角光输出特性，亦即，远场图象的最大半宽度在水平方向是12°，在垂直方向是13°，上述全部值均是针对100个元件获得的平均值。
同样在此实施例中，不仅可以采用上述FP激光器结构，而且还可以采用任何其他激光器结构，例如DFB激光器结构或者DBR激光器结构，本发明并不限于第一实施例中的激光波长和成分材料。而且，在此实施例中，点尺寸变换波导区的选择性生长掩模宽度按锥状方式线性地减小，但是本发明第二实施例不限于锥状，而是例如锥状可以替换为朝向前端缓慢地越来越减小的曲线。掩模宽度等的值不限于与此实施例相关地展示的那些。
如上所述，在本发明第一和第二实施例中，选用在生长有源层的开孔条带两侧制成生长复合层的一对开孔条带图形的实例，但是如图10所示，例如两对以上的生长复合层的开孔条带可以存在于生长有源层的开孔条带的两侧。
Claims (7)
1．一种半导体激光器，包括：
电流阻挡层，
由半导体层构成的有源层，通过选择性生长直接形成，
至少一层复合层，在形成所述有源层的同时通过选择性生长在所述电流阻挡层中形成，所述复合层形成为条带形状，并具有比构成所述电流阻挡层的材料的窄的带隙。
2．根据权利要求1的半导体激光器，其特征在于，所述复合层导电条带宽度是20μm以下。
3．根据权利要求1的半导体激光器，其特征在于，所述有源层和构成最靠近所述有源层的所述复合层的条带之间的间隔是1μm～10μm。
4．一种半导体激光器的制造方法，包括以下工序：
采用选择性生长掩模图形，通过选择性生长直接形成由半导体层制成的有源层，所述掩模图形具有至少一对开孔部位，不是直接生长所述有源层的开孔部位，而在直接生长所述有源层的所述开孔部位两侧。
5．根据权利要求4的半导体激光器制造方法，其特征在于，不是用于生长所述有源层的所述开孔部位的开孔部位，是均具有20μm以下宽度的条带形状。
6．根据权利要求4的半导体激光器制造方法，其特征在于，所述用于生长所述有源层的开孔部位与不是用于生长所述有源层的并且位于最靠近所述用于生长所述有源层的开孔部位的开孔部位之间的模宽度是1μm～10μm。
7．一种半导体激光器的制造方法，包括以下工序：
采用用于直接形成有源层的选择性生长掩模图形，在复合层的位置和带隙的控制下，通过选择性生长直接形成由半导体层制成的有源层，所述掩模具有用于生长有源层的条状开孔部位、和用于生长待插入电流阻挡层的复合层的条状开孔部位。
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