CN1225825C - 半导体激光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器件及其制造方法，该半导体激光器件具有电流注入区(A)和比电流注入区(A)更靠近各激光束发射端面的电流非注入区(B)。半导体激光器件具有形成在每个电流非注入区(B)中p型(AlpGa1-p)qIn1-qP(0≤p≤1，0≤q≤1)中间带隙层(106)表面上的氧化层(106A)、形成在电流注入区(A)中中间带隙层(106)上的p型GaAs顶部覆盖层(107)、以及形成在氧化层(106A)和p型GaAs顶部覆盖层(107)上的p型GaAs接触层(125)。

Description

半导体激光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器件及其制造方法，特别涉及用做光盘的光源等的半导体激光器件及其制造方法。
背景技术
迄今为止已有了用于光盘的端面发射型半导体激光器件。需要这种半导体激光器件产生高输出以便高速地将信息写入光盘。然而，存在进行高输出操作时在激光束发射端面出现退化的问题。为了抑制激光束发射端面退化，通常使用称做“窗口结构”的结构。通过混合有源层的区域，窗口结构形成在有源层的激光束发射端面附近的区域中(下文将这些区域称做“窗口区”)。形成窗口结构以便拓宽窗口区中量子阱层的能带隙，并因此减小窗口区中光的吸收。由于窗口结构构成得很难吸收光，因此可以防止由于强激光束造成的激光束发射端面退化，并且也可以防止激光束的发射功率下降。
顺便提及，在窗口结构中，如果电流流过有源层的窗口区，那么产生的光与有源层的内部区域中的光不同，这变成端面退化的一个因素。因此，为了防止电流流过窗口区，需要将电流非注入(non-injection)结构添加到半导体激光器件。
为了展示常规的端面电流不注入结构的一个例子，JP-A-03-153090中公开的第一半导体激光器件的结构显示在图10A和10B中。图10A为第一半导体激光器件的透视图，图10B示出了沿图10A的线10B-10B截取的透视图。
对于第一半导体激光器件中图10A的电流注入区A，n型GaInP缓冲层2、n型AlGaInP覆盖层3、GaInP有源层4、p型AlGaInP覆盖层5、p型GaInP中间带隙层6、n型GaAs阻挡层7以及p型GaAs接触层8依以上次叠置在n型GaAs衬底1上，如图10B所示。
另一方面，在第一半导体激光器件中图10A的电流非注入区B，从图10A的激光束发射端面50可以看出，p型GaAs接触层8直接形成在p型AlGaInP覆盖层5上，省略了p型GaInP中间带隙层6。
对于电流流过半导体激光器件的方式(电压-电流特性)，在仅由电流注入区A制成的半导体激光器件和仅由电流非注入区B制成的半导体激光器件之间进行了对比。其结果显示在图11中。在图11中，实线A表示仅由电流注入区A制成的半导体激光器件的电压-电流特性，虚线B表示仅由电流非注入区B制成的半导体激光器件的电压-电流特性。当施加2.5V电压时，电流流过仅由电流注入区A制成的半导体激光器件，在图11中用实线A表示，而电流没有流过仅由电流非注入区B制成的半导体激光器件。
参照图12A和12B，介绍在半导体层之间的结界面几乎没有电流流动的现象。在图12A和12B中，水平轴示出了从p型AlGaInP覆盖层5到p型GaAs接触层8的距离(在垂直于n型GaAs衬底1的方向中)，而垂直轴示出了半导体激光器件的能级。图12A涉及电流注入区A，图12B涉及电流非注入区B。在图12中，Ec示出了导带(电子)的能级，Ev示出了价带(空穴)的能级，Ec和Ev之间的差异示出了能带隙。
在第一半导体激光器件中，具有p型AlGaInP覆盖层5的能级和p型GaAs接触层8的能级之间的中间能级的p型GaInP中间带隙层6被设置在电流注入区A中。因此，如图12A所示，由于能带隙之间的差异产生的能量势垒ΔEa1和ΔEa2减小，因此电流(空穴)的流动可以变的平滑。
另一方面，在第一半导体激光器件中，由于p型AlGaInP覆盖层5直接接触p型GaAs接触层8，由于能带隙之间的差异造成的能量势垒ΔEb变大。因此，可以防止电流(空穴)的流动。以此方式，第一半导体激光器件防止了电流流过窗口区域。
然而，当制备第一半导体激光器件时，需要仅选择性地除去激光束发射端面附近的p型GaInP中间带隙层6的工艺，以便形成电流非注入区。该工艺存在下面使用图13A和13B介绍的问题。图13A和13B示出了常规的电流非注入区的示意性剖面图。
在第一半导体激光器件中，经常通过湿蚀刻除去图13A所示的p型GaInP中间带隙层41。当使用典型蚀刻剂含溴液体时，也蚀刻了图13A所示的p型AlGaInP覆盖层42。因此，如图13B所示，电流非注入区中的p型AlGaInP覆盖层42的厚度减小。由于激光束扩散到p型AlGaInP覆盖层42的上端部，因此p型AlGaInP覆盖层42中的厚度减小使有源层中限制激光束的功能降低，造成光吸收，导致发射功率下降。
此外，在用n型AlInP阻挡层代替图10A和10B所示的第一半导体激光器件的n型GaAs阻挡层7构成减少光吸收的所谓的实导结构(real guidestructure)时，还存在这样的一个问题，即在蚀刻p型GaInP中间带隙层41的工艺步骤中，n型AlInP阻挡层133和形成脊(ridge)的p型AlGaInP覆盖层132两者也被蚀刻了的问题。以下对此作更详细的说明，当采用实导结构时，由于在p型AlGaInP覆盖层42的脊侧面42a(参见图13A)的附近中容易蚀刻n型AlInP阻挡层43，其中n型AlInP阻挡层43具有的晶体质量与平坦表面上的晶体质量不同，因此p型AlGaInP覆盖层132的脊和n型AlInP阻挡层133的界面弯曲并变形，如图13B所示。因此，在半导体激光器件的激光束发射端面附近中容易吸收光。在图13B中，附图标记45表示在蚀刻p型GaInP中间带隙层41的工艺中待蚀刻的部分n型AlInP阻挡层，而附图标记46表示在蚀刻p型GaInP中间带隙层41的工艺中待蚀刻的部分p型AlGaInP覆盖层。
在图14中显示的JP-A-9-293928中公开的第二半导体激光器件具有以下问题。
在第二半导体激光器件中，n型AlGaInP覆盖层22、有源层23、p型AlGaInP覆盖层24、p型GaInP层依此序叠置在衬底21上。然后，进行混合有源层23的激光束发射端面附近中部分的一系列工艺步骤(这里省略了详细说明)。此外，具有带隙增加的窗口结构30形成在有源层23的激光束发射端面附近。在第二半导体激光器件中，形成窗口结构30之后，形成脊、电流阻挡层26以及接触层32。然后，为了防止反应电流流过窗口区，通过质子注入法在激光束发射端面的各面上的接触层32中形成电阻增加的质子注入区33。
在第二半导体激光器件中，使用质子注入法，但质子注入引起晶格缺陷。因此，存在半导体激光器件工作期间晶体缺陷增加的问题，导致半导体激光器件退化。另一方面，如果注入具有弱能量的质子以抑制半导体激光器件的退化，那么不能获得足够的电流不注入效果。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种半导体激光器件及其制造方法，该半导体激光器件及其制造方法防止了发射端面的退化并抑制了发射端面附近中激光束的吸收，因此抑制了发射功率下降。
为了实现以上目的，在根据本发明的半导体激光器件中，n型(AleGa1-e)fIn1-fP(0≤e≤1，0≤f≤1)覆盖层、包括AlGaInP型材料的多个叠置层的有源层、p型(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1，0≤y≤1)覆盖层、以及p型(AlpGa1-p)qIn1-qP(0≤p≤1，0≤q≤1)中间带隙层依此序叠置在衬底上。半导体激光器件具有电流注入区和电流非注入区。此外，半导体激光器件包括形成在电流非注入区中p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层表面上的氧化层、形成在电流注入区中p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层上的p型AluGa1-uAs(0≤u≤1)顶部覆盖层、以及形成在氧化层和p型AluGa1-uAs顶部覆盖层上的p型AlvGa1-vAs(0≤v≤1)接触层。
在本说明书中，(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1，0≤y≤1)、GayIn1-yP(0≤y≤1)以及AlxGa1-xAs(0≤x≤1)也分别称做AlGaInP、GaInP、以及AlGaAs。对其它的摩尔分数e、f、p、q、u以及v也适用。
在同一层中表示各层中摩尔分数的e、f、p、q、u以及v的值可以在深度方向上变化。
可以通过例如依次叠置p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第一上覆盖层和p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二上覆盖层形成p型(AlxGa1-x)yIn1-yP覆盖层。然而，当p型(AlxGa1-x)yIn1-yP覆盖层由以上的多层组成时，在为p型(AlpGa1-p)qIn1-qP(0≤p≤x，0≤q≤1)中间带隙层中摩尔分数p的值上限的x值可以定义为其上紧邻设置有p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层(在以上的例子中x的值为0.7)的(AlxGa1-x)yIn1-yP覆盖层的一部分中的x值。
根据本发明的半导体激光器件，以上氧化层存在于电流非注入区中p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层表面上。因此，即使不除去p型AlGaInP中间带隙层，电流非注入区也具有良好的电流不注入特性。与电流非注入区中蚀刻p型AlGaInP中间带隙层因此同时蚀刻p型AlGaInP覆盖层的常规半导体激光器件不同，由于即使在电流非注入区中p型GaInP中间带隙层也被保留不被蚀刻，所以p型AlGaInP覆盖层没有被蚀刻，同时电流非注入区中的p型AlGaInP覆盖层的厚度没有减少。因此，有源层中限制激光束的功能没有退化。因此，如果这种电流非注入区被设置在激光束发射端面处及附近，那么可以抑制端面处及附近吸收激光，因此防止了发射输出功率下降。
根据本发明的半导体激光器件，p型GaInP中间带隙层留在电流非注入区中，因此没有蚀刻形成脊的p型AlGaInP覆盖层。因此，p型AlGaInP覆盖层的脊形没有弯曲或变形，因此脊形保持为所需的形状。因此，如果电流非注入区提供在激光束发射端面处及附近，那么可以抑制端面处及附近吸收激光，因此防止了激光发射功率下降。
不使用质子注入技术形成了本发明的半导体激光器件的电流非注入区。因此，可以防止发生半导体激光器件的晶体缺陷。
在一个实施例中，氧化层具有的氧浓度高于电流注入区中的p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层和p型(AluGa1-u)As顶部覆盖层之间界面处的氧浓度，并且也高于p型(AluGa1-u)As顶部覆盖层和p型AlvGa1-vAs接触层之间界面处的氧浓度。
根据以上实施例，电流非注入区中的p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层和p型AlvGa1-vAs接触层之间界面处的电流小于电流注入区中的p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层和p型AlvGa1-vAs接触层之间界面处的电流，也小于电流注入区中的p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层和p型(AluGa1-u)As顶部覆盖层之间界面处的电流。因此防止了电流注入区中的p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层和p型AlvGa1-vAs接触层之间界面处的电流，从而得到了大的电流不注入效应。
本发明的发明人进行的实验表明，如果氧化层具有1×1020cm-3或更大(优选3×1020cm-3或更大)的氧浓度，那么氧化层有效地防止了电流流过p型AlGaInP中间带隙层。因此，通过在电流非注入区中的p型AlGaInP中间带隙层和p型AlGaAs接触层之间界面处形成具有1×1020cm-3或更多氧浓度的氧化层，可以得到充分的电流不注入效应。
此外，本发明的发明人进行的实验证明，如果p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层和p型AluGa1-uAs顶部覆盖层之间界面处的氧浓度以及p型AluGa1-uAs顶部覆盖层和p型AlvGa1-vAs接触层之间界面处的氧浓度都为1×1019cm-3或更小(优选3×1018cm-3或更小)，那么电流容易穿过具有以上氧浓度的界面。因此，可以将足够的电流提供到需要供给电流的电流注入区以便产生激光束。
在一个实施例中，p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层满足0＜p≤0.1的条件。
如果中间带隙层不含有Al成分，那么增加了膜的成形性和蚀刻可控性，同时不容易氧化界面。然而，根据以上实施例，由于p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层中的Al的摩尔分数p不大于0.1，那么可以保持良好的膜的成形性和蚀刻时的可控性，还具有在界面处容易形成氧化物的改进效果。如果p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层中的Al的摩尔分数p大于0.4，那么很难保持良好的膜的成形性和蚀刻时的可控性。
在一个实施例中，电流非注入区比电流注入区更靠近激光束发射端面，对应于电流非注入区的有源层的一个区域至少在激光束发射端面的部分侧面上被混合。
根据以上实施例，带隙能量的最小值大于未混合有源层的带隙能量的最大值的窗口区至少形成在激光束发射端面的侧面上的部分有源层上。因为窗口区构成使得由于能带隙宽光很难被吸收，因此可以增加最大光能，并能防止电流-光输出特性的转换现象(switching phenomenon)，当使用电流不注入结构同时又没有窗口区时会发生这种现象。也可以防止噪声增加。因此，本实施例的半导体激光器件可以用做能进行高和低输出操作的光盘的半导体激光器件。
在根据本发明的半导体激光器件的制造方法中，在中间带隙层和顶部覆盖层的形成工艺中，在膜形成装置中依次形成p型(AlpGa1-p)qIn1-qP(0≤p≤x，0≤q≤1)中间带隙层和p型AluGa1-uAs(0≤u≤1)顶部覆盖层。此后，在顶部覆盖层除去工艺中，为了形成电流注入区，从p型AluGa1-uAs顶部覆盖层上除去以后将作为电流非注入区的那部分。然后，在随后的氧化层形成工艺中，在由于在顶部覆盖层除去工艺中部分地除去了p型AluGa1-uAs(0≤u≤1)顶部覆盖层而露出的p型AlGaInP中间带隙层的表面形成了氧化层。然后，在接触层形成工艺中，在电流注入区中的p型AluGa1-uAs顶部覆盖层上和电流非注入区中的氧化层上形成p型AlvGa1-vAs(0≤v≤1)接触层。
根据本发明的半导体激光器件的制造方法，在顶部覆盖层除去工艺之后的氧化层形成工艺中，氧化层形成在已由顶部覆盖层除去工艺露出的p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面上，因此可以适当地形成电流注入区。氧化层可以可靠地防止电流流过电流非注入区，确保电流非注入区中良好的电流不注入特性。
根据本发明的半导体激光器件的制造方法，可以在顶部覆盖层除去工艺中没有除去顶部覆盖层的电流注入区中形成连续生长的良好界面。因此，在低电压下电流能流过电流注入层。因此，可以确保电流注入区中良好的电流注入特性。
在一个实施例中，通过分子束外延形成p型AlvGa1-vAs接触层。
根据本实施例，没有使用如氢气的还原气体。因此，即使在低衬底温度的状态中，氧化层可以可靠地形成在p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层上。
在一个实施例中，形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，使用含过氧化氢溶液氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层。
根据本实施例，可以通过浸没到该溶液中的简单处理形成氧化层，因此可以可靠地形成电流非注入区。
在一个实施例中，形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，通过暴露于臭氧、氧离子或激活的氧中的至少一种气氛氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
根据本实施例，可以通过暴露于氧化气体的气氛的简单处理形成氧化层，因此可以可靠地实现电流非注入区的形成。
在一个实施例中，形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，通过暴露于含水蒸气的气体氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
根据本实施例，可以通过暴露于含水蒸气的气体气氛的简单处理形成氧化层，因此可以可靠地实现电流非注入区的形成。
在一个实施例中，通过金属有机化学汽相沉积法形成p型AlvGa1-vAs接触层。
根据本实施例，尽管通过使用如氢气的还原气体形成金属有机化学汽相沉积法(MOCVD法)形成p型AlGaAs接触层，但具有良好电流不注入特性的氧化层可以通过MOCVD法和使用过氧化氢溶液的表面氧化法的组合，或者通过改变进行MOCVD法时的条件(衬底温度等)形成。
在一个实施例中，形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，使用含过氧化氢的溶液氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
根据本实施例，可以通过浸没到溶液中的简单处理形成氧化层，因此可以可靠地形成电流非注入区。
在一个实施例中，在形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，通过暴露于臭氧、氧离子或激活的氧中的至少一种气氛氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
根据本实施例，可以通过暴露于氧化气体的气氛的简单处理形成氧化层，因此可以可靠地实现电流非注入区的形成。
在一个实施例中，形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，通过暴露于含水蒸气的气体氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
根据本实施例，可以通过暴露于含水蒸气的气体气氛的简单处理形成氧化层，因此可以可靠地实现电流非注入区的形成。
无论电流非注入区形成在激光束发射端面附近或其它位置中，都适用本发明。
附图说明
从下面详细的说明以及仅为示例而非限制本发明的附图中可以完全理解本发明，其中：
图1A-1C是介绍根据本发明第一实施例的半导体激光器件的制造方法的视图；
图2A-2C是介绍半导体激光器件的制造方法的视图，示出了图1C所示步骤之后的工艺步骤；
图3示出了根据本发明的第一实施例的方法制造的半导体激光器件的透视图；
图4示出了根据本发明的第一实施例的半导体激光器件的电流注入区A和电流非注入区B中的氧浓度曲线；
图5示出了根据本发明的第一实施例的半导体激光器件的电流电压特性曲线；
图6A-6C是介绍根据本发明第二实施例的半导体激光器件的制造方法的视图；
图7A-7C是介绍半导体激光器件的制造方法的视图，示出了图6C所示步骤之后的工艺步骤；
图8示出了根据本发明的第二实施例的方法制造的半导体激光器件的透视图；
图9示出了根据本发明的第二实施例的半导体激光器件的电流电压特性曲线；
图10A示出了第一常规半导体激光器件的透视图；
图10B示出了沿图10A的线10B-10B截取的剖面图；
图11示出了第一半导体激光器件的电流电压特性曲线；
图12A和12B示出了电流几乎不流过半导体层之间的结界面的图；
图13A和13B示出了第一半导体激光器件的电流非注入区的示意性剖面图；以及
图14示出了第二常规常规半导体激光器件的透视图。
具体实施方式
下面借助例子更详细地介绍本发明。
在下面的实施例中，(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1，0≤y≤1)、GayIn1-yP(0≤y≤1)以及AlxGa1-xAs(0≤x≤1)也分别称做AlGaInP、GaInP、以及AlGaAs。
(第一实施例)
图1A到2C示出了根据本发明第一实施例的半导体激光器件的制造方法。应该注意为方便起见这些图仅示出了对应于整个晶片的单个芯片的那部分。
下面介绍根据第一实施例的半导体激光器件及其制造方法。
首先，如图1A所示，通过分子束外延法(下文称做MBE法)在n型GaAs衬底100上依次形成n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P下覆盖层101(具有1.5μm的厚度和1×1018cm-3的载流子浓度)、由四个未掺杂的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P层和分别插在相邻的未掺杂的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P层之间的三个未掺杂的GaInP层(厚度6nm)组成的有源层102、p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第一上覆盖层103(厚度0.2μm和1.0×1018cm-3的载流子浓度)、p型Ga0.6In0.4P蚀刻终止层104(厚度8nm，1.0×1018cm-3的载流子浓度)、p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二上覆盖层105(厚度0.8μm和1.3×1018cm-3的载流子浓度)、p型GaInP中间带隙层106(厚度0.1μm，3×1018cm-3的载流子浓度)、p型GaAs顶部覆盖层107(厚度0.3μm和10×1018cm-3的载流子浓度)。
在p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二上覆盖层105上形成p型GaInP中间带隙层106(厚度0.1μm，3×1018cm-3的载流子浓度)和p型GaAs顶部覆盖层107(厚度0.3μm和1.3×1018cm-3的载流子浓度)的形成工艺为中间带隙层和顶部覆盖层形成工艺的一个例子。
在根据本第一实施例的半导体激光器件中，n型掺杂剂为Si，p型掺杂剂为Be。
接下来，如图1B所示，沿顶部覆盖层107上的激光束发射端面450，451的形成区域形成条形的ZnO(氧化锌)层131，SiO2(氧化硅)层132形成在顶部覆盖层107和ZnO层131的整个区域上。
然后，在520℃进行退火2小时，结果使得Zn由ZnO层131扩散到激光束发射端面450，451各侧面上的顶部覆盖层107的区域和上覆盖层105的区域。从而，进行ZnO层131下有源层102的量子阱层和阻挡层的混合。在根据第一实施例的半导体激光器件中，形成ZnO条131以具有由准备成为激光束发射表面(前端面)450和激光束反射表面(背面)451的部分测量到的宽度30μm。
随后，如图1C所示，用缓冲的氢氟酸除去SiO2层132和ZnO层131之后，将p型GaInP中间带隙层106和p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二上覆盖层105蚀刻成条形，直到露出蚀刻终止层104，因此形成脊条115。
接下来，如图2A所示，通过MBE法以与脊条部分115的侧面接触的方式在蚀刻终止层104上形成n型Al0.5In0.5P电流阻挡层120。
然后，如图2B所示，进行顶部覆盖层除去工艺和氧化层形成工艺。具体地说，用抗蚀剂(未示出)覆盖电流注入区A(距离发射端面30μm或更多距离的区域)，用含有20∶30∶50比例的氨、过氧化氢和水的混合溶液并在20℃的温度电流对非注入区B(每个距离对应的发射端面小于30μm距离的区域)蚀刻30秒，因此除去了没有被抗蚀剂覆盖的电流非注入区B中的部分p型GaAs顶部覆盖层107。此时，没有蚀刻由于除去没有被覆盖的部分p型GaAs顶部覆盖层107被暴露的p型GaInP中间带隙层106的表面，但由于过氧化氢溶液的作用被氧化。因此，氧化层106A形成在p型GaInP中间带隙层的被暴露的表面上。在顶部覆盖层除去工艺和氧化层形成工艺中，蚀刻剂没有蚀刻n型Al0.5In0.5P电流阻挡层120，因此保持了它们的形状。
然后，进行图2C所示的接触层形成工艺。具体地说，通过MBE法，以覆盖晶片的整个表面的方式，p型GaAs接触层125(厚度4μm)形成在顶部覆盖层除去工艺中没有除去的p型AluGa1-uAs顶部覆盖层上以及氧化层形成工艺中形成的氧化层106A上。此时，衬底温度为620℃。采用该衬底温度，在p型GaInP中间带隙层106上将保留一定量的氧不被除去。
随后，如图3所示，形成n侧电极122和p侧电极123，在窗口区解理晶片(the wafer is cleaved)以具有900μm的谐振器长度。用约6％反射率的低反射率反射涂覆层126覆盖激光束发射端面，同时与激光束发射端面相对的端面用约90％反射率的高反射率反射涂覆层127覆盖以完成根据第一实施例的半导体激光器件。在图3中，与图1和2中相同的层用相同的附图标记表示。
半导体激光器件在658nm的波长振荡，产生165mW的CW(连续波)最大输出功率。在100mW脉冲、70℃(脉冲宽度：100ns，占空比：50％)条件下操作时，可以获得5000小时或更长的平均寿命。在提供了电流不注入结构但省略了窗口结构的对照半导体激光器件中，得到了132mW的CW最大输出。然而，在接近振荡电流阈值的电流条件下发生电流/光输出特性的转换现象，低输出操作时的噪声增加。当发生转换现象时，低输出操作变得不稳定。因此，这种半导体激光器件不适合作为用于光盘写入时进行高输出操作并且读取时进行低输出操作的激光器，虽然半导体激光器件可以用于仅进行高输出操作的光盘的激光器。
接下来，为了证实根据第一实施例的半导体激光器件的电流不注入结构的效果，通过二次离子质谱仪(SIMS)在垂直于半导体激光器件衬底方向上进行氧密度的测量。
图4示出了当脊宽度为900μm宽时对应于电流注入区A和电流非注入区B的那些部分的测量结果。在实线指示的电流非注入区B中，在p型GaInP中间带隙层106和顶部覆盖层107之间存在具有约3×1020cm-3的大的氧气密度界面，界面防止了电流渗透深入到电流非注入区B内。另一方面，在图4中虚线指示的电流注入区A中界面的最大氧浓度由顶部覆盖层107和接触层125之间的界面的氧密度提供，最大为3×1018cm-3。因此，在电流注入区A中，具有阻挡电流作用的界面低，因此电流平滑地流动。
此外，为了证实半导体激光器件的电流不注入结构的效果，制备其中900μm长的谐振器整个仅由电流注入区A制成的半导体激光器件以及其中900μm长的谐振器整个仅由电流非注入区B制成的半导体激光器件，并测量这些半导体激光器件的电压-电流特性。图5示出了这些半导体激光器件的电压-电流特性。如图5所示，当流动177mA的电流时，仅由电流注入区A制成的半导体激光器件具有2.9V的工作电压，而仅由电流非注入区B制成的半导体激光器件需要高达4.2V的工作电压以便仅有10mA的电流流动。结果在仅由电流非注入区B制成的半导体激光器件中业已形成良好的电流非注入结构。
图5中示出的曲线B(2)示出了半导体激光器件的电压-电流特性，在该半导体激光器件中改变了p型接触层的形成条件，使得由二次离子质谱仪测量的电流非注入区B中的p型GaInP中间带隙层和顶部覆盖层之间界面处的氧浓度为1×1020cm-3。在3V时该半导体激光器件的电流小至9mA，证实了该半导体激光器件具有足够的电流不注入效果。
图5中示出的曲线A(2)示出了半导体激光器件的电压-电流特性，在该半导体激光器件中改变了p型接触层的形成条件，使得在电流注入区A中，由二次离子质谱仪测量的顶部覆盖层和接触层之间界面处的氧浓度以及中间带隙层和顶部覆盖层之间界面处的氧浓度为1×1019cm-3。在该半导体激光器件中，当流过产生100mW光输出的176mA的工作电流时电压为3.2V。这满足了不高于半导体激光器件可以用做产品的3.3V工作电压的条件。
根据第一实施例的半导体激光器件，由于氧化层106A形成在p型GaInP中间带隙层106的表面上激光发射端面的侧面上的电流非注入区B中，因此，即使不除去电流非注入区B中的p型GaInP中间带隙层106，也可以得到足够的电流不注入效果。因此，p型GaInP中间带隙层106可以不从电流非注入区B中除去而保留下来。因此，与常规的半导体激光器件不同，当蚀刻电流非注入区中的p型GaInP中间带隙层时，没有一起蚀刻p型AlGaInP覆盖层，因此可以在电流非注入区B中保持p型AlGaInP上覆盖层105的设计厚度。因此，可以防止在有源层102中限制激光束的功能退化，从而可以抑制发射端面附近的光吸收，因此防止了激光束发射功率的降低。
由于p型GaInP中间带隙层106未被从电流非注入区B中除去而被保留下来，因此没有蚀刻形成脊的p型AlGaInP覆盖层105。因此，p型AlGaInP上覆盖层105的脊形没有弯曲或变形，脊形可以保持所想要的形状，可以防止激光束的发射输出退化，同时抑制了激光束发射端面附近的光吸收。
由于没有使用如质子注入法的技术形成了电流非注入区，因此可以防止半导体激光器件中发生晶体缺陷。
在电流非注入区B中，p型GaInP中间带隙层106和p型AlGaAs接触层125之间界面处形成的氧化层106A的氧浓度(约3×1019cm-3)高于电流注入区A中p型GaInP中间带隙层106和p型AlGaAs顶部覆盖层107之间界面处的氧浓度(约1×1018cm-3)、也高于p型AlGaAs顶部覆盖层107和p型AlGaAs接触层125之间界面处的氧浓度(约3×1018cm-3)。因此，电流非注入区B中p型GaInP中间带隙层106和p型AlGaAs接触层125之间界面处的电流小于p型AlGaAs顶部覆盖层107和p型AlGaAs接触层125之间界面处的电流以及电流注入区A中p型GaInP中间带隙层106和p型AlGaAs顶部覆盖层107之间界面处的电流。因此，可以确保阻挡电流非注入区中p型GaInP中间带隙层106和p型AlGaAs接触层125之间界面处的电流，因此可以获得高电流不注入效果。
由于形成在p型GaInP中间带隙层和p型AlGaAs接触层之间界面处的氧化层106A的氧浓度为1×1020cm-3或更多(在本实施例中，约3×1020cm-3)，因此可以有效地防止电流流过电流非注入区B，如图5所示，这意味着可以得到足够的电流不注入效果。
电流注入区A中p型GaInP中间带隙层106和p型AlGaAs顶部覆盖层107之间界面处的氧浓度(在本实施例中，约1×1018cm-3)设置为不高于1×1019cm-3，电流注入区A中p型AlGaAs顶部覆盖层107和p型AlGaAs接触层125之间界面处的氧浓度(在本实施例中，约3×1018cm-3)也设置为不高于1×1019cm-3。因此，如图5所示，以上两个界面没有阻挡穿过电流注入区A的电流。因此，可以将足够的电流提供到为产生激光束需要提供电流的电流注入区A。
在对应于电流非注入区B的部分进行有源层的混合以形成具有大带隙能量的窗口区102B。因此，可以提高激光束的最大输出功率。同时，可以防止仅使用电流不注入结构同时没有提供任何窗口区时发生的电流/光输出特性转换，也可以防止低输出操作时噪声的增加。因此，第一实施例的半导体激光器件可以应用为用于进行低和高输出操作的光盘的半导体激光器件。在第一实施例的半导体激光器件中，对应于电流非注入区B的有源层102中的整个区域被混合。然而，此外，仅在对应于电流非注入区B的有源层102的每个区域的一部分进行混合，该部分靠近各激光束端面(即，激光束发射面和激光束反射面)。此外，除了对应于有源层102的电流非注入区B的整个区域之外，混合部分可以包括紧邻电流非注入区B，对应于电流注入区A一部分的有源层102的区域。
根据制备第一实施例的半导体激光器件的方法，在顶部覆盖层除去工艺之后的氧化层形成工艺中，氧化层106A形成在通过顶部覆盖层除去工艺业已露出的p型GaInP中间带隙层106的表面上，因此可以适当地形成电流非注入区B。因此，氧化层106A可以确保防止电流流过电流非注入区B，因此可以确保电流非注入区B中的有利的电流不注入特性。
在顶部覆盖层除去工艺中没有除去顶部覆盖层107的电流注入区A中，形成连续地生长良好的界面，使得在低电压下电流可以流过电流注入区A。因此，可以确保电流注入区A中满意的电流注入特性。
由于p型AlGaAs接触层125由MBE法形成，因此不使用如氢的还原气体。因此，不会发生通过氢等的还原作用除去电流非注入区B中氧化层106A。即使在n型GaAs衬底100的温度较低的状态中，氧化层106A也可以可靠地形成在电流非注入区B的表面上。
通过分子束外延法形成p型AlGaAs接触层125之前，使用含过氧化氢的溶液氧化p型GaInP中间带隙层106的露出表面部分。因此，可以采用将p型GaInP中间带隙层浸没到该液体内的简单的处理形成氧化层106A，这意味着可以可靠地获得电流非注入区B。
在第一实施例的半导体激光器件的制备方法中，使用其中混合有氨、过氧化氢和水的混合溶液除去p型GaAs顶部覆盖层并氧化p型GaInP中间带隙层106的表面，蚀刻时间为30秒钟。此外，如果使用其中混合有硫酸、过氧化氢和水的混合溶液进行蚀刻，那么可以得到类似的结果(尽管硫酸、过氧化氢和水的混合溶液的混合比例例如为1∶8∶8并且混合溶液的温度设置为20℃时，需要两分钟的蚀刻时间)。
使用含氨、过氧化氢和水的混合溶液的蚀刻工艺完成除去p型GaAs顶部覆盖层107并氧化p型GaInP中间带隙层106的表面需30秒钟。蚀刻时间可能相当长，以至于中间带隙层在溶液中的浸渍甚至要持续到p型GaAs顶部覆盖层107被除去之后(例如在氨、过氧化氢和水的混合比例例如为20∶30∶50、混合溶液的温度为20℃情况下，蚀刻时间可能为三分钟)。在这种情况下，可以可靠地形成氧化层。
在第一实施例的半导体激光器件的制造方法中，关于接触层利用MBE的成膜条件可以通过提高n型GaAs衬底的温度来加以改变。然而，此时，为了保持足够的电流不注入效果，通过紫外线制备氧以氧化p型GaInP中间带隙层的表面。此外，可以使用类似等离子体的氧离子或激活的氧(氧基)氧化p型GaInP中间带隙层的表面。而且，通过将衬底温度设置为高达400℃-600℃并且使用水蒸气可以进行p型GaInP中间带隙层表面的氧化。
在第一实施例的半导体激光器件的制备方法中，使用MBE法作为形成接触层125的方法。其理由如下。在MBE法中，没有使用还原氢气，n型GaAs衬底的温度较低(不超过650℃)，因此，很难除去电流非注入区B中形成的氧化层106A。
(第二实施例)
图6A到7C示出了根据本发明的第二实施例的半导体激光器件的制造工艺的透视图。应该注意为方便起见这些图仅示出对应于整个晶片的一个单独的芯片的一部分。
下面将介绍根据第二实施例的半导体激光器件及其制造方法。
在根据第二实施例的半导体激光器件的制造方法中，使用金属有机化学汽相沉淀(MOCVD)法生长p型AlGaAs接触层。在MOCVD法中，将p型AlGaAs接触层暴露于氢的还原气氛中，并升高衬底温度，因此，除去氧化层的作用变强。然而，在第二实施例的制造方法中，形成氧化层的工艺由两步组成。即，除了实施在第一实施例的方法中也采用的使用过氧化氢溶液的工艺作为第一步骤之外，实施使用臭氧的工艺作为第二步骤，因此可以得到足够的电流注入效果。
下面一步接一步地介绍根据第二实施例的半导体激光器件的制造方法。
首先，如图6A所示，通过MOCVD法在n型GaAs衬底200上依以下次序形成n型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P下覆盖层201(厚度1.5μm，载流子浓度为0.7×1019cm-3)、由四个未掺杂的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P层和分别插在相邻的未掺杂的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P层之间的三个未掺杂的GaInP(厚度6nm)组成的有源层202、p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第一上覆盖层203(厚度0.2μm和1.0×1018cm-3的载流子浓度)、p型Ga0.6In0.4P蚀刻终止层204(厚度8nm，0.8×1018cm-3的载流子浓度)、p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二上覆盖层205(厚度0.8μm和1.0×1018cm-3的载流子浓度)、p型(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P中间带隙层206(厚度0.1μm，2×1018cm-3的载流子浓度)、p型GaAs顶部覆盖层207(厚度0.3μm和2×1018cm-3的载流子浓度)。在p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二上覆盖层205上形成的p型(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P中间带隙层206和p型GaAs顶部覆盖层207的形成工艺为中间带隙层和顶部覆盖层形成工艺的一个例子。在根据该第二实施例的半导体激光器件中，n型掺杂剂为Si，p型掺杂剂为Zn。
接下来，如图6B所示，沿顶部覆盖层207上形成激光束发射端面550，551的区域形成条形的ZnO(氧化锌)层231，SiO2层232形成在顶部覆盖层207和ZnO层231的整个区域上。
然后，在520℃进行退火2小时，结果使得Zn由ZnO层231扩散到激光束发射端面550，551侧面上的顶部覆盖层207和上覆盖层205的区域。因此，混合ZnO层231下面有源层202的量子阱层和阻挡层以形成有源层202的窗口区202B。
随后，如图6C所示，使用缓冲的氢氟酸除去SiO2层232和ZnO层231之后，将p型GaAs顶部覆盖层207、p型GaInP中间带隙层206以及p型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P第二上覆盖层205蚀刻成条形直到露出蚀刻终止层204，因此形成脊条215。
接下来，如图7A所示，通过MOCVD法以与脊条部分215的侧面接触的方式在蚀刻终止层204上形成n型Al0.5In0.5P电流阻挡层220。
然后，如图7B所示，进行顶部覆盖层除去工艺和氧化层形成工艺。与第一实施例的半导体激光器件的制造方法不同，在第二实施例的半导体激光器件的制造方法中，氧化层形成工艺由两个步骤组成。具体地讲，电流注入区A(距离两个发射端面有一段距离的区域)用抗蚀剂(未示出)覆盖，用含有混合比例为20∶30∶50并且温度为20℃的氨、过氧化氢和水的混合溶液蚀刻电流非注入区B(发射端面的侧面上延伸到电流注入区A的区域)30秒钟，因此除去了电流非注入区B中的部分p型GaAs顶部覆盖层207。除去电流非注入区B中p型GaAs顶部覆盖层207的工艺为顶部覆盖层除去工艺的一个例子。当进行顶部覆盖层除去工艺时，没有蚀刻由于除去没有覆盖的部分p型GaAs顶部覆盖层207露出的p型(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P中间带隙层206的表面，但由于过氧化氢溶液的作用被氧化。因此，氧化层206A部分形成在p型AlGaInP中间带隙层206的被暴露的表面上。部分形成氧化层206A的工艺作为氧化层形成工艺中的第一步骤。在顶部覆盖层除去工艺和氧化层形成工艺的第一步骤中，n型Al0.5In0.5P电流阻挡层220没有被蚀刻剂蚀刻，因此保持了它们的形状。
在根据第二实施例的方法中，在顶部覆盖层除去工艺和氧化层形成工艺的第一步骤之后，通过使用在氧气氛中照射紫外线产生臭氧的装置，晶片的整个表面暴露于臭氧气氛1小时以被氧化。此后，电流注入区B由抗蚀剂覆盖，用硫酸、过氧化氢水以及水的混合溶液除去电流注入区A中的氧化层。使用产生臭氧的装置氧化露出晶片的整个表面一小时的工艺作为氧化层形成工艺的第二步骤。因此，通过两个步骤的氧化层形成工艺在p型AlGaInP中间带隙层206的露出表面上形成氧化层206A。
此后，进行图7C所示第二实施例的接触层形成工艺。也就是，通过低压MOCVD法在半导体激光器晶片的整个表面上形成p型GaAs接触层225(厚度4μm)。氢气用做载气，TMGa(三甲基镓)和AsH3(砷化氢)用做源。此时，衬底温度为700℃。在该衬底温度下，除去p型AlGaInP中间带隙层206上的氧到一定程度。然而，由于已进行了使用臭氧处理的氧化层形成工艺的第二步骤，因此如上所述，氧化层206A保持了约1×1020cm-3的氧浓度，显示出良好的电流不注入特性。
最后，如图8所示，形成n侧电极222和p侧电极223，形成有这些电极的晶片在窗口区解离(is cleaved)以具有900μm的谐振器长度。激光束发射端面覆盖有反射率约6％的低反射率反射涂覆层226，而与激光束发射端面相对的端面覆盖有反射率约90％的高反射率反射涂覆层227，以完成根据第二实施例的半导体激光器件。在图8中，与图6和7中相同的层用相同的附图标记表示。
为了证实半导体激光器件的电流不注入结构的效果，以和第一实施例相同的方式，制备其中900μm长的谐振器整个仅由电流注入区A制成的半导体激光器件以及其中900μm长的谐振器整个仅由电流非注入区B制成的半导体激光器件，并测量这些半导体激光器件的电压-电流特性。图9示出了这些半导体激光器件的电压-电流特性。
如图9所示，根据第二实施例，类似于第一实施例，当图9中的实线显示的仅由电流注入区A制成的半导体激光器件具有良好的电流注入特性时，而图9中的虚线显示的仅由电流非注入区B制成的半导体激光器件具有良好的电流不注入特性。
根据第二实施例的半导体激光器件，与第一实施例的半导体激光器件不同，中间带隙层的组分设置为(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P。原因在于通过添加成分Al，促进了中间带隙层206表面的氧化，因此即使使用了通过MOCVD形成的还原膜，也可以稳定地形成氧化层206A。中间带隙层需要具有p型覆盖层和p型顶部覆盖层之间的中间的带隙。因此，如果Al的摩尔分数设置得太高，那么妨碍了电流注入区A中的电流注入，不是优选的。Al的摩尔分数优选的设置为不大于0.4，更优选的设置为不大于0.1。
在第二实施例的半导体激光器件的制造方法中，通过使用还原气体氢气的MOCVD法形成p型AlGaAs接触层225。尽管使用了MOCVD法，通过使用过氧化氢溶液等的表面氧化工艺与MOCVD工艺组合、或者通过改变MOCVD的条件(衬底温度等)可以确保足够的氧化物。因此，可以在电流非注入区B中形成足够的电流不注入结构。
在根据第二实施例的半导体激光器件的制造方法中，使用过氧化氢的表面氧化与使用臭氧的表面氧化组合使用，但它们并非必须一起使用。
在根据第二实施例的半导体激光器件的制造方法中，使用紫外线产生臭氧以进行表面氧化，但表面氧化可以使用类似等离子体的氧离子或激活的氧(氧基)进行。
在根据第二实施例的半导体激光器件的制造方法中，为了氧化中间带隙层的表面要使用用紫外线产生氧离子的工艺。此外，还可以使用衬底温度设置为400℃-600℃并且使用水蒸气的工艺。
在第一和第二实施例中，电流非注入区形成在各个激光束发射端面处和附近。然而，显然即使电流非注入区形成在除激光束发射端面附近之外的位置，本发明也是适用的。
以上对本发明作了这样的描述，显然还可以以多种方式改变本发明。但是，这些改变并不脱离本发明的精神和范围，而对本领域中的技术人员来说，显而易见所有这些变更都包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (16)

1.一种半导体激光器件，其中在衬底上按以下顺序叠置有：
n型(AleGa1-e)fIn1-fP覆盖层，其中0≤e≤1，0≤f≤1；
包括AlGaInP型材料的多个叠置层的有源层；
p型(AlxGa1-x)yIn1-yP覆盖层，其中0≤x≤1，0≤y≤1；
以及p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层，其中0≤p≤x，0≤q≤1，
半导体激光器件具有电流注入区和电流非注入区，
其中半导体激光器件还包括：
形成在电流非注入区中p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层表面上的氧化层；
形成在电流注入区中p型(AlpGa1-p)qIn1-q P中间带隙层上的p型AluGa1-uAs顶部覆盖层，其中0≤u≤1；以及
形成在氧化层和p型AluGa1-uAs顶部覆盖层上的p型AlvGa1-vAs接触层，其中0≤v≤1。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中氧化层具有的氧浓度高于电流注入区中的p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层和p型(AluGa1-u)As顶部覆盖层之间界面处的氧浓度，并且也高于p型(AluGa1-u)As顶部覆盖层和p型AlvGa1-vAs接触层之间界面处的氧浓度。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中氧化层具有1×1020cm-3或更高的氧浓度。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中电流注入区中的p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层和p型(AluGa1-u)As顶部覆盖层之间界面处的氧浓度以及p型(AluGa1-u)As顶部覆盖层和p型AlvGa1-vAs接触层之间界面处的氧浓度不高于1×1019cm-3。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层满足0＜p≤0.1的条件。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中电流非注入区比电流注入区更靠近激光束发射端面。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器件，其中对应于电流非注入区的有源层的一个区域至少在激光束发射端面侧面的一部分上被混合。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器件的制造方法；包括：
中间带隙层和顶部覆盖层的形成工艺，该工艺中在膜形成装置中依次形成p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层和p型AluGa1-uAs顶部覆盖层，其中0≤p≤x，0≤q≤1且0≤u≤1；
顶部覆盖层除去工艺，该工艺在完成中间带隙层和顶部覆盖层的形成工艺之后，部分除去p型Alu(Ga1-u)As顶部覆盖层以便形成电流非注入区；
氧化层形成工艺，该工艺在由于在顶部覆盖层除去工艺中部分地除去了p型AluGa1-uAs顶部覆盖层而暴露出的p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面形成了氧化层；以及
接触层形成工艺，该工艺在顶部覆盖层除去工艺中保留的没有被除去的p型AluGa1-uAs顶部覆盖层上和在氧化层形成工艺中形成的氧化层上形成p型AlvGa1-vAs接触层，其中0≤v≤1。
9.根据权利要求8所述的半导体激光器件的制造方法，其中通过分子束外延形成p型AlvGa1-vAs接触层。
10.根据权利要求9所述的半导体激光器件的制造方法，其中在形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，使用含过氧化氢的溶液氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
11.根据权利要求9所述的半导体激光器件的制造方法，其中在形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，通过暴露于臭氧、氧离子或激活氧之中至少一种气氛氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
12.根据权利要求9所述的半导体激光器件的制造方法，其中在形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，通过暴露于含水蒸气的气体氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
13.根据权利要求8所述的半导体激光器件的制造方法，其中通过金属有机化学汽相沉淀法形成p型AlvGa1-vAs接触层。
14.根据权利要求13所述的半导体激光器件的制造方法，其中在形成p型AlvGa1-vAs接触层之前；使用含过氧化氢的溶液氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
15.根据权利要求13所述的半导体激光器件的制造方法，其中在形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，通过暴露于臭氧、氧离子或激活氧之中至少一种气氛氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
16.根据权利要求13所述的半导体激光器件的制造方法，其中在形成p型AlvGa1-vAs接触层之前，通过暴露于含水蒸气的气体氧化p型(AlpGa1-p)qIn1-qP中间带隙层的表面。
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