CN1260866C - 半导体激光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

半导体激光元件及其制造方法。该元件至少在衬底上包括第一导电类型的第一包层、有源层、第二导电类型的第二包层、具有向谐振腔延伸的条形缺陷部分的电流阻挡层、掩埋在条形缺陷部分内的第二导电类型的第三包层、以及设置在第三包层上的第二导电类型的保护层。有源层包括邻近至少一端面的窗口区、以及具有多量子阱结构的内部区。通过用离子束从第二包层侧辐照内部区域，其后进行热处理(RTA)，形成窗口区。来自窗口区的光致发光的峰值波长λw满足不等式λw≤λi-5nm，其中λi是来自内部区域的光致发光的峰值波长λi，且该峰的半宽度比来自内部区域的光致发光的半宽度窄。

Description

半导体激光元件及其制造方法
                        技术领域
本发明涉及一种在光盘系统装置等中使用的半导体激光元件及其制造方法，具体地，涉及一种高输出功率窗口结构半导体激光元件及其制造方法。
                        背景技术
近年来，各种半导体激光器主要广泛用作光盘装置的光源。在其它应用中，高输出功率半导体激光器用作光源，以写入MD驱动器、MO驱动器、CD-R/RW驱动器、可写入DVD驱动器等中的光盘，并要求具有较高的输出功率。
防碍半导体激光器输出功率增加的一个因素是光学损伤(COD：严重的光学损伤)，这种损伤随着谐振腔端面附近有源层(active layer)区域中光学输出密度的增加而发生。
这种COD因以下原因而发生，即位于有源层的谐振腔端面附近的有源层区域是激光光束吸收区。大量不发光复合中心存在于谐振腔端面上，该中心被称为表面态或界面态。注入有源层的谐振腔端面附近区域内的载流子因这种不发光复合而损失，因此有源层谐振腔端面附近的注入载流子密度小于有源层内部区域中的。结果，有源层谐振腔端面附近区域相对于有源层内部区域中高注入密度载流子形成的激光波长成为吸收区。
当光输出密度增加，吸收区域内的局部加热增加，温度升高，带隙减小。结果，吸收系数进一步增加以及温度升高的正反馈发生，在有源层的谐振腔端面附近形成的吸收区的温度最终达到熔点，导致COD。
为了改进这种COD水平，在日本专利公告第平成9-23037号中公开了作为提高半导体激光器的输出功率的方法的一种方法，该方法利用了基于多量子阱结构有源层的无序的窗口结构(window structure)。这种半导体激光器元件将参照图17A至17C和图18A至18D进行描述，前者是其结构示意图，后者是其制造方法的工艺流程图。
图17A是包括谐振腔端面的透视图。图17B是沿图17A的线Ib-Ib截取的截面图。图17C是沿图17A的线Ic-Ic截取的层厚度方向上的截面图。
图17A至图17C显示了GaAs衬底1001、n型AlGaAs下包层1002、量子阱有源层1003、p型AlGaAs上包层1004a、p型AlGaAs第二上包层1004b、p型GaAs接触层1005、空穴扩散区(阴影区)1006、质子注入区(阴影区)1007、n侧电极1008、p侧电极1009、谐振腔端面1020、用于量子阱有源区1003的激光共振的区域(以下称为内部区)1003a、以及形成在量子阱有源层1003的谐振腔端面1020附近的窗口结构区1003b。
图18A至18D中，在n型GaAs衬底1001上连续地外延生长n型AlGaAs下包层1002、量子阱有源层1003和p型AlGaAs第一上包层1004a(图18A)。然后，在p型AlGaAs第一上包层1004a上形成SiO2膜1010，且在谐振腔的方向上延伸的条形开口1010a形成的长度未抵达谐振腔端面(图18B)。接着，当此晶片在As气氛中在不低于800℃的温度进行热处理(即，热退火)，然后，SiO2膜1010从设置成与SiO2膜1010接触的p型AlGaAs第一上包层1004a的表面吸取Ga原子，在p型AlGaAs第一上包层1004a内产生Ga空穴。空穴扩散，直到空穴抵达晶体内的量子阱有源层1003，使量子阱结构无序。量子阱结构无序的有源层窗口区用作相对于内部区域内发射的振荡激光的透明窗口，因为有源层的有效禁带宽度得以扩展。
最后，去除SiO2膜1010，并在p型AlGaAs第一上包层1004a上顺序地外延生长p型AlGaAs第二上包层1004b和p型GaAs接触层1005(图18C)。接着，在p型GaAs接触层1005上形成抗蚀剂膜，通过光刻技术在与SiO2膜1010的条形开口1010a相同的区域内形成条形抗蚀剂1011。接着，通过用作掩膜的条形抗蚀剂1011从p型GaAs接触层1005的表面侧注入质子，形成成为电流阻挡层(电流阻隔层)的高阻抗区1007(图18D)、最后，在GaAs衬底1001上形成n侧电极1008，在p型GaAs接触层1005上形成p侧电极1009。切割晶片，获得图17的半导体激光元件。
然而，在传统窗口结构半导体激光元件中，SiO2膜1010形成在p型AlGaAs第一上包层1004a的表面上，以提供比与谐振腔端面附近形成的无序区内的激光振荡波长相应的带隙大的带隙，在接触SiO2膜1010的p型AlGaAs第一上包层1004a中形成Ga空穴，并将Ga空穴扩散至量子阱有源层1003内。
Ga空穴的产生与扩散在覆盖有SiO2膜1010的区域内发生。如果热处理在不低于800℃的温度进行，则Ga空穴通过未覆盖有SiO2膜1010的区域(谐振腔内部区)的表面上Ga原子的再蒸发而产生，尽管量很小，且Ga空穴扩散至量子阱有源层1003内。这因而导致长期可靠性的降低，因为伴随谐振腔内部区域中量子阱有源层的带隙的波动的波长波动，以及因为量子阱有源层的结晶度的下降。
此外，Ga空穴向谐振腔内部区域中的量子阱有源层1003内的扩散通过降低热处理温度或缩短热处理时间(即，退火时间)而被抑制。然而，覆盖有SiO2膜1010的区域内的空穴的产生和空穴向位于覆盖有SiO2膜1010的区域下方的有源层的谐振腔端面附近区域中的量子阱有源层1003内的扩散变得不充分，激光光束因此在有源层的窗口区域或位于有源层的谐振腔端面附近的区域内被不利地吸收。结果，COD趋于易于在谐振腔端面附近的有源层区域内发生，导致当元件以高功率驱动时最大光学输出的降低，并且不能获得足够的长期可靠性。
                        发明内容
作为前述问题的考察结果，本发明的目的是提供一种半导体激光元件及其制造方法，该元件抑制了窗口结构加工过程中谐振腔内部区域中有源层的带隙波动，或者抑制了振动波长的波动，并具有高功率驱动时的优异的长期可靠性。
为了实现以上目的，提供一种半导体激光元件，在衬底上包括至少一第一导电类型的第一包层、一有源层、一第二导电类型的第二包层、具有在谐振腔的方向上延伸的条形缺陷部分(deficient portion)的一电流阻挡层、掩埋在电流阻挡层的条形缺陷部分内的一第二导电类型的第三包层、以及设置在第三包层上的一第二导电类型的保护层，其中：
有源层包括至少一邻近其一端面的窗口区、以及具有一量子阱结构的一内部区，以及
对立于内部区的部分用离子化的原子从设置在第二导电类型的第二包层侧上的层的表面辐照，其后经历热处理。
因此，通过将离子化的原子浇注(apply)在设置在相对于内部区域的第二包层侧上的保护层的表面上，Ga空穴被俘获在通过热处理在表面上形成的缺陷中，使得能防止Ga空穴扩散到内部区域内，并防止内部区域的带隙变化。因此，窗口区域的带隙可以形成为5nm，大于内部区域的带隙。因为可以使窗口区域的带隙比内部区域的带隙足够地大，所以这种布置对于抑制端面的劣化尤其有效，并在提高可靠性上是优秀的。
此外，提供一种半导体激光元件，在衬底上包括至少一第一导电类型的第一包层、一有源层、一第二导电类型的第二包层、具有在谐振腔的方向上延伸的条形缺陷部分的一电流阻挡层、掩埋在电流阻挡层的条形缺陷部分内的一第二导电类型的第三包层、以及设置在第三包层上的一第二导电类型的保护层，其中：
有源层包括至少一邻近其一端面的窗口区、以及具有一量子阱结构的一内部区，
来自有源层的窗口区的光致发光的峰值波长λw相对于来自有源层的内部区域的光致发光的峰值波长λi具有关系：
                  λw≤λi-5nm，以及
来自窗口区域的光致发光的半宽度比来自内部区域的光致发光的半宽度窄。
因此，因为有源层的邻近谐振腔端面的窗口区域的带隙比有源层的内部区域的带隙充分宽，所以可以使窗口区内的光吸收量充分小。此外，因为来自窗口区的光致发光的半宽度比来自内部区域的光致发光的半宽度窄，所以在内部区中，有源层内的缺陷被杂质填充，这种布置因此在提高可靠性方面是优异的。
在本发明的一个实施例中，与窗口区相对的部分的第二导电型保护层的层厚度大于与内部区域相对的部分的第二导电型保护层的层厚度。
因此，用于形成第一导电类型的电流阻挡层的掩膜利用用作掩膜的保护层的厚度差异而可以轻易地排列在适当位置。这种排列允许端面形成工艺的简化，并使得可以批量地获得优质的半导体激光元件。
在本发明的一个实施例中，长度Lw不小于10μm，该长度属于窗口区，并在谐振腔的方向上延伸。
因此，因为注入内部区域内的载流子(空穴或电子)扩散至端面，且没有复合，所以光电转换效率没有降低。
在本发明的一个实施例中，构成量子阱结构的量子阱层的厚度的总值不大于40nm。
因此，有源层的窗口区的带隙可以进一步由热处理过程中空穴到位于谐振腔端面附近的有源层内的扩散而增加。因以上原因，端面劣化可以大为抑制，且可以获得高输出功率窗口结构半导体激光元件，该元件在提高可靠性方面是优秀的。
在本发明的一个实施例中，在相对于位于第二导电类型保护层上的窗口区的部分内制备第一导电类型的电流注入防止层。
因此，经过窗口区的电流流动可以通过提供电流注入防止层而防止，且成分的变化、或与充电过程中空穴的移动相应的杂质的扩散可以通过防止空穴的移动来防止。此排列在提高可靠性方面是有效的。
在本发明的一实施例中，属于第一导电类型电流注入防止层且在谐振腔的方向上延伸的长度Lp相对于Lw有关系：
Lw≤Lp。
因此，因为当电流注入防止层的长度设置为约等于窗口区的长度时，向窗口区的充电可以防止，所以可以防止窗口区的有源层内无功电流的出现，且这种布置在提高可靠性方面是有效的。此外，当电流注入防止层被设置得长于窗口区时，没有电流流过在空穴扩散入谐振腔内部区域处的区域。通过这种布置，扩散入谐振腔内部区域的空穴既不导致因注入电流而引发的有源层内微小缺陷的产生，也不导致充电过程中电流的增加。因此，在长时期内具有满意的可靠性的激光元件可以获得。
在本发明的一实施例中，与条形缺陷部分的窗口区相对的部分的宽度大于与内部区相对的部分的宽度。
因此，因为条形窗口区的光密度可以减小，所以这种布置对抑制端面劣化更加有效，并且对提高长期可靠性有效。此外，因为谐振腔内部区域的条形宽度可以变窄，所以激光的横向模式可得以稳定，且可以防止扭折在I-L特性曲线中出现。
此外，在本发明的半导体激光元件中，使内部区域内的第II族元素的浓度大于窗口区内的第II族元素的浓度。
因此，因为扩散至有源层内的第II族元素进入有源层内的空穴位置，所以可以防止晶体缺陷的发生。结果，在充电过程中，可以抑制内部区域的劣化。此外，如果第II族元素扩散入窗口区的有源层内，则导致光吸收。因此，当窗口区的有源层内的第II族元素的量小时，光吸收得到进一步抑制，且高功率操作过程中的可靠性得以提高。此元素在高功率驱动中的长期可靠性方面是优秀的。
此外，在本发明的半导体激光元件中，衬底是GaAs，且每一层由GaAlAs基材料构造。
因此，在热处理过程中，Ga原子被形成在位于谐振腔端面附件的晶片表面上的电介质膜吸收，且形成的Ga空穴的扩散速度在AlGaAs中特别快。因此，有源层的窗口区的带隙可以因Ga空穴扩散到有源层内而得以更大地改变和增加。如上所述，使用AlGaAs在通过本制造方法抑制端面劣化方面是有效的，且在提高可靠性方面也是优秀的。
此外，提供一种半导体激光元件的制造方法，包括步骤：形成DH晶片，其中在一衬底上叠放有至少一第一导电类型的第一包层、一有源层和一第二类型的第二包层；在布置在DH晶片的第二包层侧上的一层的一部分表面上形成一第一电介质膜；将离子化原子浇注到属于晶片的且其上形成有第一电介质膜的一侧上；以及使浇注了离子化原子的DH晶片经受热处理籍此，使被所述第一电介质膜覆盖的所述有源层的部分无序化，形成与半导体激光元件的至少一个端面邻接的窗口区，同时，设置在双异质结晶片的第二包层侧上的层的表面在双异质结晶片经受热处理前被蚀刻，来自有源层的窗口区的光致发光的峰值波长λw相对于来自有源层的内部区域的光致发光的峰值波长λi具有关系：λw≤λi-5nm。
因此，在设置在第二包层侧上的层的表面附近产生大量小晶体缺陷，此晶体缺陷俘获热处理过程中在晶片表面上由Ga原子再蒸发产生的空穴，并防止了空穴扩散和使有源层无序。通过这种布置，抑制了窗口结构形成过程中谐振腔内部区域中有源层的带隙波动，即振动波长的波动。同时，可以抑制有源层的晶体质量下降，且可以获得在以高功率驱动时的长期可靠性方面优异的半导体激光元件。
此外，本发明的半导体激光元件制造方法包括在第二包层的上面部分形成第二导电类型保护层的工序。
因此，即使在DH晶片表面形成了污染和所不需要的表面氧化膜，它们也能在热处理之前被同时除去。
此外，根据本发明的半导体激光元件制造方法，保护层的表面在DH晶片经历热处理之前得以蚀刻。
因此，可以除去粘附在DH晶片表面上的污染物和表面氧化膜，促进保护层表面上晶体缺陷通过离子化原子的辐照的产生。此晶体缺陷俘获了在热处理过程中在保护层表面上产生的空穴，并防止了空穴在n型GaAs衬底方向上扩散，并防止了使有源层无序。通过这种布置，可以防止内部区域中有源层的带隙波动。
在本发明的一实施例中，离子化的原子被浇注到第一电介质膜侧上的DH晶片表面上，同时蚀刻设置在DH晶片的第二包层侧上的层表面。
因此，可以同时进行粘附在表面上的污染物和表面氧化膜的去除、以及电介质膜的形成。因此，即使半导体激光元件制造工艺得以简化，也能促进保护层表面上晶体缺陷通过离子化原子的辐照的产生。
在本发明的一实施例中，在离子化原子被浇注到第一电介质膜侧上的DH晶片表面上之后，形成第二电介质膜以覆盖整个晶片表面。
因此，不要求在晶片表面上经过电介质膜产生晶体缺陷、并提高离子辐照过程中的离子能量。因此，不可能出现晶体缺陷从晶片的保护层表面向晶体内部深处的侵入，也不可能出现缺陷在热处理过程中向有源层的扩散和可靠性的下降。
在本发明的一实施例中，在形成第二电介质膜后，对DH晶片进行热处理。
于是，通过在热处理工序前加入在与内部区域相对的DH晶片表面上形成电介质膜的工序，可以防止在热处理中通过再蒸发产生过多的Ga空穴。于是，Ga空穴可以充分地由表面上形成的缺陷所俘获，且这种布置进一步对提高可靠性是有效的。
在本发明的一实施例中，离子化原子被浇注到第一电介质膜侧的DH晶片表面上，同时形成第二电介质膜。
因此，在设置在第二包层侧上的层的表面附近进行离子辐照，籍此可以同时进行形成微小晶体缺陷的工序和清洁第二电介质膜表面的工序，允许制造工艺被简化。
在本发明的一实施例中，离子化原子是选自包括氩、氧和氮的组中的一种或多种原子。
因此，晶体缺陷可以仅在晶片表面附近产生，且缺陷可以有效地俘获热处理过程中在晶片表面上产生的Ga空穴。于是，这种布置适于防止有源层的带隙波动。此外，这种布置可以抑制缺陷在热处理过程中向有源层内扩散，并且适于防止可靠性的降低。
在本发明的一实施例中，通过浇注离子化原子在一部分内形成第二电介质膜，该部分属于晶片表面，并且在该部分上未形成第一电介质膜。
因此，在设置在第二包层侧上的层的表面附近进行离子辐照，籍此可以同时进行形成微小晶体缺陷的工序和清洁第二电介质膜的表面的工序，允许制造工艺简化。
在本发明的一实施例中，将离子化原子的离子能量设置为不超过3000eV，更优选地设置为不小于500eV且不大于1500eV。
因此，在内部区域内可以产生足量的缺陷，同时防止离子化原子穿透位于端面附近的区域内的电介质膜。于是，有源层窗口区的量子阱结构的无序是充足的，且带隙可以增加至所需值。因为端面劣化可以抑制，所以可以制造具有高可靠性的半导体激光元件。
此外，根据本发明的半导体激光元件制造方法，浇注离子化原子的设备是具有离子加速功能的设备。
因此，可以精确地控制离子能量和离子数量，且可以控制晶片表面上产生的晶体缺陷的量。于是，也可以控制Ga空穴的分布和量，且可以容易地控制内部区域的带隙波动量。
此外，根据本发明的半导体激光元件制造方法，浇注离子化原子的设备是选自包括离子枪、离子注入机和离子辅助蒸汽沉积系统的组中的一种设备。
因此，如果使用以上装置，则可以精确地控制离子能量和离子数量，并且可以控制在DH晶片表面上产生的晶体缺陷的量。因此，也可以控制Ga空穴的分布和量，且可以容易地控制内部区域的带隙波动量。此外，离子辅助蒸汽沉积系统是半导体工艺中的通用系统，且优点是制造方法可以简化。
此外，根据本发明的半导体激光元件制造方法，浇注离子化原子的设备是具有产生等离子体的功能的设备。
因此，可以精确地控制离子能量，且可以控制DH晶片表面上产生的晶体缺陷数量。于是，也可以控制Ga空穴的分布和量，且可以容易地控制内部区域内的带隙波动量。
此外，根据本发明的半导体激光元件制造方法，浇注离子化原子的设备是选自包括等离子体CVD系统、溅射系统和等离子体灰化系统的组中的一种设备。
因此，因为离子辐照和电介质膜的形成可以通过同样的设备进行，所以不涉及因经历离子辐照的表面暴露在大气中导致的性能改变。此外，优点是，表面上的污染物在形成电介质膜前可通过进行蚀刻而除去。此外，等离子体CVD系统和溅射系统是半导体工艺中的常用系统，优点是制造方法可以简化。
此外，根据本发明的半导体激光元件制造方法，第一电介质膜包括选自包括SiOx、SiNx和SiOyNx(注意，x和y是正实数)的组中的一种含有Si原子的材料。
因此，晶片表面上的Ga原子在热处理过程中得以有效吸收，且产生大量空穴。空穴扩散至有源层内，增加了有源层的窗口区的带隙。这允许谐振腔端面附近区域内的光吸收量被减少，并能获得在长期可靠性方面优秀的激光元件。
此外，根据本发明的半导体激光元件制造方法，第一电介质膜的厚度被设置为大于1μm。
因此，在热处理过程中，没有薄膜因电介质膜和晶片表面之间的膨胀系数的不同而剥离。这不可能发生因晶片表面上产生的空穴数的减少和扩散到有源层内的空穴数的减少导致的端面附近有源层的带隙增加的降低。
在本发明的一实施例中，第二电介质膜具有不大于0.5μm的厚度。
因此，因热处理产生的空穴数比窗口区的充分小。相应地，不可能出现防止空穴到有源层内的扩散的失败，且这种设置适于抑制有源层的内部区域的带隙波动。
在本发明的一实施例中，第一电介质膜和第二电介质膜由具有几乎相等的热膨胀系数的材料制造。
因此，因为谐振腔端面附近和谐振腔内的晶片表面由具有几乎相等的热膨胀系数的电介质膜覆盖，所以由谐振腔端面与谐振腔内部之间热膨胀系数的不同因热处理导致的变形可进一步减小，产生提高可靠性的效果。由谐振腔端面与谐振腔内部之间热膨胀系数的不同因热处理导致的变形可减小，且这使得能够获得一种高输出功率半导体激光元件的制造方法，该元件在长期可靠性方面是优秀的。
在本发明的一实施例中，假设第一电介质膜具有d1的厚度，且第二电介质膜具有d2的厚度，那么存在关系：
d1≥d2。
于是，大量空穴可以通过热处理依靠谐振腔端面附近的电介质膜的大的膜厚度而产生，且空穴可以扩散至有源层内。因此，有源层的窗口区的带隙增加可得以促进。同时，借助谐振腔内部的电介质膜的膜厚度比谐振腔端面附近的薄的设置，可以减小由热处理产生的空穴，且空穴向有源层内部区域内的扩散可得以抑制。如上所述，可靠性通过对端面劣化进行抑制而得以提高。同时，谐振腔内部的有源层的内部区域的带隙波动可以得以抑制。
在本发明的一实施例中，热处理在不低于800℃的DH晶片保持温度下在升至保持温度的100秒的温度升高时间内进行，优选地，在不低于900℃的DH晶片保持温度下在升至保持温度的60秒的温度升高时间内进行。
因此，因Ga原子被吸收进谐振腔端面附近的电介质膜内而产生的空穴变得易于扩散至有源层内，且这允许有源层的带隙增加得以促进。此外，谐振腔内部的掺杂剂的扩散可以得以防止，且与掺杂剂的扩散相应的可靠性的下降也可以防止，这使得能提供一种半导体激光元件的制造方法，该元件在长期可靠性方面是优秀的。
                      附图说明
图1A至1C是透视图和剖视图，示出了根据本发明第一实施例的半导体激光元件的结构；
图2A至2H是用于说明根据本发明第一实施例的半导体激光元件制造方法的视图；
图3A至3C是透视图和剖视图，示出了根据本发明第二实施例的半导体激光元件的结构；
图4A至4I是用于说明根据本发明第二实施例的半导体激光元件制造方法的视图；
图5A至5C是透视图和剖视图，示出了根据本发明第三实施例的半导体激光元件的结构；
图6A至6I是用于说明根据本发明第三实施例的半导体激光元件制造方法的视图；
图7A至7C是剖视图，示出了根据本发明第四实施例的半导体激光元件的结构；
图8A至8I是用于说明根据本发明第四实施例的半导体激光元件制造方法的视图；
图9A至9C是透视图和剖视图，示出了根据本发明第五实施例的半导体激光元件的结构；
图10A至10I是用于说明根据本发明第五实施例的半导体激光元件制造方法的视图；
图11是本发明第五实施例的半导体激光元件的窗口区内p型杂质原子浓度分布的曲线图；
图12是本发明第五实施例的半导体激光元件的内部区内p型杂质原子浓度分布的曲线图；
图13是示出相对于本发明第一实施例的半导体激光元件的输送时间的驱动电流的变化的曲线图；
图14是示出相对于本发明第二比较例的半导体激光元件的输送时间的驱动电流的变化的曲线图；
图15是示出相对于本发明第二实施例的半导体激光元件的输送时间的驱动电流的变化的曲线图；
图16是示出相对于本发明第三比较例的半导体激光元件的输送时间的驱动电流的变化的曲线图；
图17A至17C是透视图和剖视图，显示了根据现有技术的半导体激光元件的结构；以及
图18A至18D是用于说明现有技术的半导体激光元件制造方法的视图。
                      具体实施方式
本发明将基于附图所示实施例在以下得以详细描述。
图1A至16是根据本发明一实施例的半导体激光元件及其制造方法的视图。
第一实施例
图1A至1C示出了根据本发明第一实施例的半导体激光元件的结构。参照图1A至1C，图1A是包括发光端面的透视图，图1B是沿图1A的线Ib-Ib截取的波导的剖视图，图1C是在沿图1A的线Ic-Ic的层厚度的方向上截取的剖视图。
设置有：第一导电类型的n型GaAs衬底101；第一导电类型的n型Alx1Ga1-x1As(x1大于零且不大于1)第一包层102；多量子阱有源层(MQW有源层)103，其中通过交替层压阻挡层和阱层获得的多量子阱结构间插在光导层之间；第二导电类型的p型Alx1Ga1-x1As第二包层104；p型GaAs蚀刻终止层105；第二导电类型的p型Alx1Ga1-x1As第三包层106，该包层由在谐振腔方向上延伸的隆起(ridge)条构成；第二导电型p型GaAs保护层107；n型Aly1Ga1-y1As(y1大于零且不大于1)电流阻挡层(电流阻碍层)108，形成来掩埋由隆起条构成的p型Alx1Ga1-x1As第三包层106的侧表面；p型GaAs平坦层109；p型GaAs接触层110；p侧电极111；以及n侧电极112。
多量子阱有源层103由窗口区113和内部区(也称作有源区)114构成。窗口区113是带隙大于内部区域114的带隙的区域，同时内部区域114是具有获得激光振荡的增益的区域。设置有：形成在p型GaAs保护层107上的n型Aly1Ga1-y1As电流注入防止层115，以及由p型Alx1Ga1-x1As第三包层106和p型GaAs保护层107构成的隆起条116。如根据以下制造方法所述的那样，此窗口区113通过浇注来自第二导电型保护层107的表面侧的离子化原子，然后进行热处理(热退火)而形成，该热处理具有短加热时间内的温度上升，即，快速热退火(以下称作RTA)。
接着，将参照图2A至2H说明该制造方法。在第一导电型n型GaAs衬底101上通过第一次金属-有机化学气相沉积(MOCVD)方法顺序地外延生长第一导电类型的n型Alx1Ga1-x1As第一包层102、非掺杂MQW有源层103、第二导电类型的p型Alx1Ga1-x1As第二包层104、p型GaAs蚀刻终止层105、第二导电类型的p型Alx1Ga1-x1As第三包层106、以及第二导电型p型GaAs保护层107，获得DH(双异质结)晶片(图2A)。
通过等离子体CVD方法和光刻方法在p型GaAs保护层107的表面上在谐振腔端面附近区域内形成一SiOz1膜(z1是接近于1的实数，且其厚度为0.5μm)121，该膜是在平行于端面的方向上宽度为40μm的条形电介质膜。在此情形中，通过等离子体CVD方法和溅射方法等的沉积而形成的电介质膜处于接近非晶态的状态，因此，膜的组分z1具有接近1的值。然而，每次膜形成时改变且因位置而不同的此值用SiOz1表示。形成在半导体晶片上的条形电介质膜121的间隙被设置为1600μm，这是谐振腔长度的两倍(图2B)。
然后，离子化的原子122被浇注(离子辐照)到位于p型GaAs保护层107侧上的晶片表面。根据本发明第一实施例的半导体激光元件的制造方法，离子气被用于离子辐照，氩(Ar)离子用作离子化的原子，且离子辐照能量被设置为1000eV(图2C)。
接着，通过RTA，使SiOz1膜121正下方的谐振腔端面附近的区域内的MQW有源层的带隙大于谐振腔内部区域内的MQW有源层的带隙。关于此时的热处理条件，温度在30秒内自室温升高至温度950℃，保持60秒，然后冷却。为了实现上述的温度的高速升高，采用借助灯加热晶片的保护层107表面侧的灯加热方法。结果，在多量子阱有源层(MQW有源层)103内，在谐振腔的方向上形成窗口区113和内部区114(图2D)。
除去形成在p型GaAs保护层107的表面上的电介质膜121，并通过使用常规光刻技术形成p型GaAs保护层107上的沿[011]方向延伸的条形抗蚀剂掩膜123。使用常规蚀刻技术，p型GaAs保护层107和p型Alx1Ga1-x1As第三包层106被加工成条形隆起116以达到p型蚀刻终止层105，该隆起具有2.5μm的宽度，并在[011]方向上延伸(图2E)。
接着，去除形成在p型GaAs保护层107上的条形抗蚀剂掩膜123，且由p型GaAs保护层107和p型Alx1Ga1-x1As第三包层106构成的隆起116的侧表面通过第二次MOCVD方法掩埋在n型Aly1Ga1-y1As电流阻挡层108内，然后掩埋在p型GaAs平坦层109内(图2F)。
利用常规光刻技术，在形成在n型Aly1Ga1-y1As电流阻挡层108上的p型GaAs平坦层109上、以及在形成在隆起116上的p型GaAs平坦层109上在距谐振腔端面40μm的范围内形成抗蚀剂掩膜124。利用常规蚀刻技术，位于抗蚀剂掩膜124的开口内的n型Aly1Ga1-y1As电流阻挡层108和p型GaAs平坦层109被选择性去除(图2G)。
去除形成在p型GaAs平坦层109上的抗蚀剂掩膜124，且通过第三次MOCVD方法形成p型GaAs接触层110。在谐振腔端面附近，在隆起条116上形成与n型Aly1Ga1-y1As电流阻挡层108同时生长的n型Aly1Ga1-y1As电流注入防止层115(图2H)。
接着，在上表面上形成p电极111，在下表面上形成n电极112。
最后，在宽度40μm的非掺杂区中(即，在窗口区的大致中心处)刻划划痕线，其上形成有半导体激光元件的晶片被分割成谐振腔长度的激光器条。通过电子束沉积方法等镀一层AlOs膜(s是接近3/2的正实数等等)，使得具有窗口区的谐振腔端面的反射比变成12％，且涂镀通过交替层叠AlOs膜和非晶Si膜获得的多层膜，使得位于另一侧的谐振腔端面达到95％的反射比。此外，在此情形中，通过电子束沉积方法形成的诸如AlOs膜和非晶Si膜的电介质膜处于接近非晶态的状态中。因此，膜的成分s具有接近3/2的值。然而，每次膜形成时改变且随位置不同的此值用AlOs表示。
通过将DH晶片分成芯片，制造了半导体激光元件，该元件在谐振腔的发光侧谐振腔端面附近具有长度约为20μm的窗口区113和长度约为20μm的电流注入防止层115，该谐振腔具有800μm的长度并具有窗口区。本半导体激光元件与位于发光侧上的谐振腔端面一起使用。
当窗口区的长度变得短于约10μm时，注入内部区域内的载流子(空穴或电子)扩散至端面并复合，因此，电光转换效率被不利地降低。此外，当窗口区的长度变长时，可以由一片晶片获得的半导体激光元件的数目减少，因此窗口区的长度Lw应当适当地不小于10μm，且不大于50μm。更优选地，提供一种结构，使得Lw长于20μm且不长于40μm。
通过第一实施例的半导体激光元件的制造方法，在第一次MOCVD生长后获得的晶片通过荧光(PL)法测量，且发现MQW有源层的光致发光峰值波长λi为775nm。在此情形中，通过PL方法测量的峰值波长λi表示当波长对自有源层产生的荧光强度的依赖性通过分光镜利用自晶片表面施加的蓝色至绿色Ar激光光束测量时的荧光强度的峰值波长。
接着，图2D所示的RTA之后获得的晶片通过PL方法相对于具有电介质膜的SiOz1膜121正下方的窗口区113、以及p型GaAs保护层107正下方的内部区114进行局部测量。结果，窗口区113的光致发光的峰值波长λw为745nm，且内部区114的光致发光的峰值波长λi为775nm。这表明，窗口区113的峰值波长λw在波长上自内部区114的峰值波长λi向短波长侧漂移了30nm。此外，有源层的内部区域114的波长为775nm，该波长等于在紧接着第一次生长之后的晶片(图2A)内的有源层的峰值波长。光致发光峰值波长的倒数的值近似对应于半导体材料的带隙。因此，示出有源层的窗口区113的带隙大于有源层内部区114的带隙。
另一方面，窗口区113的光致发光的半宽度变得比内部区114的光致发光的半宽度更窄。因为以上原因，可以认为内部区域的光致发光的半宽度因如下事实而变宽，即作为防止Ga空穴扩散至内部区域114内的结果，Zn扩散至内部区域114内，Zn是添加到第二包层、第三包层和保护层内的p型杂质(第II族原子)。
如上所述，在根据本发明第一实施例的半导体激光元件中，应当理解的是，如果窗口区通过将离子化的原子122浇注(进行离子辐照)到位于p型GaAs保护层107侧上的晶片表面上、然后进行RTA而形成，则来自有源层的窗口区的光致发光的峰值波长λw相对于来自有源层内部区的光致发光的峰值波长λi满足关系λw≤λi-5nm，该保护层107是设置在第二包层104侧的层。
此外，还需理解的是如下关系得以满足，即窗口区113的光致发光的半宽度比内部区域114的光致发光的半宽度窄。
即，通过将离子化的原子浇注到设置在第二包层侧上的与内部区域对立的保护层表面上，Ga空穴被俘获在形成在表面上的缺陷内，且这可以防止Ga空穴向内部区域内的扩散和内部区域的带隙变化。结果，窗口区的带隙比内部区域的带隙增加5nm或更多。另一方面，与通过根据Zn扩散方法的传统量子阱无序方法形成的窗口区的情况相比，没有由杂质导致的光吸收。因此，即使将窗口区的长度设置为20μm或更大，也不影响振荡特性，且这使得芯片分离时的划痕线刻划精度可以得以降低。
此外，在根据本发明实施例的半导体激光元件中，离子辐照自p型GaAs保护层107的表面起作用，该保护层是设置在第二包层侧上的最上层。然而，例如自没有p型GaAs保护层107的第二导电型第二包层表面侧实施离子辐照，或在第二导电型第三包层位于表面侧上时，自第三包层表面侧实施离子辐照，这当然都是可以接受的。
以上事实表明，在使用本发明制造方法的半导体激光元件中，可以使邻近端面的窗口区的有源层的带隙比有源层内部区域的带隙足够大，且窗口区中光吸收量可以充分减小。此外，表明，谐振腔内的内部区域的有源层的带隙的波动可以在第一次生长后得以抑制。
根据本发明的制造方法，大量微小晶体缺陷在p型GaAs保护层107的表面附近通过将离子化的原子浇注到p型GaAs保护层107的表面而形成，该保护层是谐振腔内部区域的第二包层侧上设置的最上层。此晶体缺陷俘获了晶片表面上通过RTA过程中Ga原子的再蒸发形成的空穴，并防止了空穴在n型GaAs衬底101的方向上的扩散，并防止了使有源层无序。通过这种操作，谐振腔内的内部区域的有源层的带隙波动可以得以防止。
离子化的原子也被浇注到SiOz1膜121上。因此，离子能量得以调整，使得离子不穿过SiOz1膜，且不到达位于膜下方的p型GaAs保护层107。
例如，假设当SiOz1膜的膜厚度为1μm时离子能量为500eV，则穿过SiOz1膜的离子的比率为10％或更少，且几乎没有内部区域的带隙的作为RTA过程中因穿透离子导致的缺陷发生扩散的结果的变化。此外，当离子能量在SiOz1膜的膜厚度为0.2μm时为3000eV时，几乎所有的离子穿透SiOz1膜。
结果，在p型GaAs保护层107的表面上不发生晶体缺陷，该保护层正好位于SiOz1膜121下面。因此，Ga原子通过RTA吸收到SiOz1膜121内，且p型GaAs保护层107内产生的所有Ga空穴均在n型GaAs衬底101的方向上扩散，使有源层无序。因此，正好位于SiOz1膜121下面的有源层的带隙被增加，形成窗口区113。
通过本发明的制造方法获得的半导体激光元件的特性得以评估。结果，与设置的波长一致的785nm振荡波长通过120mW的光学输出CW而在本发明的半导体激光元件中获得。此外，如图13所示，该元件在70℃的环境温度下以120mW的光学输出CW稳定地工作5000小时或更多，且没有观察到运行中运行电流增加的这种劣化现象。
本发明的半导体激光元件可以防止谐振腔内部有源层的带隙波动，因此，与设置值一致的振荡波长可以获得。此外，明确的是，该元件即使在高功率下驱动也具有优秀的长时间可靠性。
根据本发明第一实施例的半导体激光元件，Ar离子被浇注到谐振腔内的p型GaAs保护层107。然而，随着浇注氧(O)离子和氮(N)离子中的一种或多种离子，晶体缺陷可以仅在晶片表面附近产生，且该缺陷可以有效地俘获热处理过程中在晶片表面上产生的Ga空穴，且这适于防止有源层的带隙波动。此外，晶体缺陷仅在晶片表面附近产生。这可控制缺陷在热处理过程中向有源层内的扩散，并适于防止可靠性的下降。
根据本发明第一实施例的半导体激光元件和制造方法，辐照离子能量被设置为1000eV。离子能量值应当适当地不大于3000eV，优选地不小于500eV且不大于1500eV。如果离子能量变得大于3000eV，则离子化的原子穿过SiOz1膜121，并到达位于该膜下方的p型GaAs保护层107，在保护层的表面上形成晶体缺陷。结果，正好位于SiOz1膜下面的GaAs保护层内的Ga原子通过RTA而吸收到SiOz1膜内，且该空穴由晶体缺陷俘获，减少空穴扩散入有源层内的量。这导致一个问题，即有源层的窗口区的量子阱结构的无序不充分，且带隙未增加至所需值，结果端面的劣化不能被抑制，降低了可靠性。
此外，在第一实施例中，已经描述了离子枪用作离子辐照设备的情况。离子枪可以准确地控制离子能量，并且在控制晶片表面上产生的晶体缺陷的量的方面是优秀的。类似地可以接受的是，借助具有离子加速功能的离子注入机、离子辅助气相沉积系统等进行离子辐照。这些设备可以独立地控制离子能量和所浇注的离子(离子流)数量。因此，深度方向上缺陷的分布和缺陷的数量可以独立地控制，因此Ga空穴的分布和数量也可以控制。因此，内部区域内的带隙波动量可以容易地得以控制。
另一方面，可以接受的是，借助离子辅助气相沉积系统、等离子体CVD系统、溅射系统、等离子体灰化系统的离子产生系统等等进行离子辐照。离子辅助气相沉积系统、等离子体CVD系统、溅射系统等可以通过相同的系统进行离子辐照和电介质膜形成。因此，不涉及因经历离子辐照的表面暴露在空气中导致的特性变化。此外，如果使用诸如等离子体CVD系统、溅射系统和等离子体灰化系统的等离子体产生系统等的系统，优点是表面上的污染物可以在形成电介质膜之前除去。
此外，在第一实施例中，含有Si的膜适于电介质膜形成在谐振腔端面附近的晶片表面上。此含有Si的膜在热处理RTA过程中有效地吸收晶片表面上的Ga原子，并产生大量空穴。该空穴扩散至有源层内，允许有源层的窗口区的带隙增加。此有源层的窗口区的带隙增加越大，则谐振腔端面附近区域内的光吸收量可以减少更多，使得可以获得具有优异的长期可靠性的激光元件。
在第一实施例中，已经描述了SiOx膜的使用，该膜作为谐振腔端面附近晶片表面上形成的电介质膜。然而，除了它，SiNx、SiOyNx(x和y是正实数)等适于形成本发明的电介质膜，这些材料在热处理过程中通过吸收晶片表面上的Ga原子而形成空穴的方面是优秀的。
此外，根据第一实施例，RTA方法用作热处理方法，包括在100秒内将温度升高至不低于800℃的温度、保持该温度100秒、然后进行冷却的工序。借助上述的快速热处理(RTA)，通过将Ga原子吸收进位于谐振腔端面附近的电介质膜内而产生的空穴变得易于扩散至有源层内，这允许有源层的带隙增加得以促进。此外，谐振腔内掺杂剂的扩散可被防止，且与掺杂剂的扩散相应的可靠性的降低可被防止，这使得能制备在长期可靠性方面优秀的半导体激光元件及其制造方法。
在第一实施例中，形成在谐振腔端面附近的窗口区的晶片表面上的电介质膜的膜厚度不大于1μm。当膜厚度大于1μm时，在热处理过程中，膜因电介质膜和晶片表面之间膨胀系数的差异而倾向于剥离。因以上原因，晶片表面上产生的空穴的数量减少，且扩散至有源层内的空穴的数量也减少，籍此，端面附近有源层的带隙增加被减小。因此，端面劣化发生，降低了可靠性。
第一实施例采用了一结构，在该结构中，有源层通过将经交替层叠阻挡层和阱层获得的多量子阱结构间插在光导层之间而获得。在有源层的量子阱层厚度不大于30nm且其总厚度量子阱层不大于40nm的情况下，有源层的窗口区的带隙可以通过热处理过程中空穴到位于谐振腔端面附近的有源层内的扩散而比层厚度厚于以上值的情况进一步增加。因此，端面劣化可以得以充分抑制，这在提高可靠性方面是优秀的。当然，有源层的量子阱层可以由一个单独的量子阱构成。
在第一实施例中，GaAs衬底上的每一层由AlGaAs系统构成。在热处理过程中，Ga原子由形成在谐振腔端面附近的晶片表面上的电介质膜吸收，且在AlGaAs中，籍此产生的Ga空穴的扩散速度非常快。因此，有源层的窗口区的带隙可以通过Ga空穴扩散到有源层内而大为改变和增加。如上所述，采用AlGaAs对于通过本制造方法抑制端面劣化是有效的，且在提高可靠性方面是优秀的。
在第一实施例中，已经对仅在谐振腔端面的发光端面上形成窗口区进行了描述。然而，除此之外，当窗口区仅形成在与谐振腔端面相对的端面上时，或当窗口区形成在两个端面上时，存在相似的端面劣化抑制效应。
在第一实施例中，第一导电类型的电流注入防止层形成在位于谐振腔端面附近的区域的隆起条上。在窗口区内，来自保护层表面的空穴在热处理过程中扩散至第二包层和有源层内。如果电流流经此窗口区，则在充电过程中发生成分变化或与空穴移动相应的杂质扩散。通过提供电流注入防止层，防止了空穴的移动，产生了提高可靠性的效果。
第一比较例
作为第一比较例，晶片在不采用将离子浇注至位于谐振腔内部区域的p型GaAs保护层107侧上的晶片表面上的工序(图2C)的情况下，通过RTA工艺制造。晶片的窗口区113和内部区114经受借助PL方法的PL峰值波长测试。结果，窗口区113的PL峰值波长为745nm，且内部区114的PL峰值波长为760nm。窗口区113的PL波长在波长上自内部区域114的PL波长向短波长侧仅漂移了15nm。这定量地表明了离子辐照工序的效果。
第二比较例
作为第二比较例，半导体激光元件在没有离子辐照工序的情况下制造。半导体激光元件的振荡波长相对于具有120mW的光输出CW的785nm设定波长变成770nm，且这表明波长自设定值缩短了15nm。此外，如图14所示，观察到这种元件劣化，即工作电流在约500小时内在70℃的环境温度下在120mW的光输出CW下增加了。如上所述，在第二比较例的激光元件中，振荡波长相应于谐振腔内的有源层的带隙波动而波动，且与设定一致的振荡波长不能得到。此外，与振荡波长的变短一致，工作电流随高输出功率增加的元件劣化现象倾向于易于因窗口区的吸收导致的发光效率的下降、以及因注入有源层内的载流子向包层的泄漏而发生，导致长期稳定性方面的问题。
第二实施例
图3A至3C是示出根据本发明第二实施例的半导体激光元件的结构的剖视图。参照图3A至3C，图3A是包括发光端面的透视图，图3B是截取自图3A中的线Ib-Ib的波导的剖视图，图3C是沿图3A的线Ic-Ic在层厚度方向上截取的剖视图。
设置一n型GaAs衬底201；一n型Alx2Ga1-x2As(x2大于零且不大于1)第一包层202；多量子阱有源层(MQW有源层)203，其中通过交替层压阻挡层和阱层获得的多量子阱结构间插在光导层之间；p型Alx2Ga1-x2As第二包层204；p型GaAs蚀刻终止层205；p型Alx2Ga1-x2As第三包层206，该包层由在谐振腔方向上延伸的隆起条构成；p型GaAs保护层207；n型Aly2Ga1-y2As(y2大于零且不大于1)电流阻挡层208，形成来掩埋由隆起条构成的p型Alx2Ga1-x2As第三包层206和p型GaAs保护层207的侧表面；p型GaAs平坦层209；p型GaAs接触层210；p侧电极211；以及n侧电极212。还设置有：窗口区213，其中位于谐振腔端面附近的MQW有源层的带隙大于位于谐振腔内部的MQW有源层203的带隙；有源层内部区域214、形成在p型GaAs保护层207上的n型Aly2Ga1-y2As电流注入防止层215；以及由p型Alx2Ga1-x2As第三包层206和p型GaAs保护层207构成的隆起条216。
接着，参照图4A至4I说明制造方法。在n型GaAs衬底201上通过第一次金属-有机化学气相沉积(MOCVD)方法顺序地外延生长n型Alx2Ga1-x2As第一包层202、非掺杂的MQW有源层203、p型Alx2Ga1-x2As第二包层204、p型GaAs蚀刻终止层205、p型Alx2Ga1-x2As第三包层206、以及p型GaAs保护层207，得到DH晶片(图4A)。
接着，通过溅射方法和光刻方法在p型GaAs保护层207的表面上在谐振腔端面附近区域内形成一SiOz2膜(z2是接近于2的实数，且其厚度为0.5μm)221，该膜是在垂直于隆起条的方向上的宽度为40μm的条形电介质膜。形成在半导体晶片上的条形电介质膜221的间隙被设置为1600μm，这约是谐振腔长度的两倍(图4B)。
然后，离子化的原子222被浇注(离子辐照)到属于谐振腔内部区域且位于p型GaAs保护层207侧上的表面。根据本发明第二实施例，氧(O)离子用于离子辐照，且离子辐照能量被设置为500eV。离子辅助气相沉积系统被用于离子辐照(图4C)。
在进行离子辐照之后，通过相同的离子辅助气相沉积方法在谐振腔端面附近区域内在电介质膜221的表面上、以及在经历了离子辐照且位于谐振腔内部区域内的p型GaAs保护层207的表面上形成SiOz3膜223(z3是接近于2的实数，且其厚度为0.2μm)(图4D)。
接着，通过根据RTA方法的热处理，形成窗口区213，其中，SiOz2膜221正下方的MQW有源层的带隙大于谐振腔内部区域的MQW有源层的带隙。关于此时的热处理条件，温度在30秒内自室温升高至温度930℃，在温度930℃保持60秒，然后冷却。结果，在谐振腔的方向上形成窗口区213和内部区214(图4E)。
接着，除去形成在p型GaAs保护层207的表面上的电介质膜221和223，并通过使用常规光刻技术形成p型GaAs保护层207上的沿[011]方向延伸的条形抗蚀剂掩膜224。使用常规蚀刻技术，p型GaAs保护层207和p型Alx2Ga1-x2As第三包层206被加工成条形隆起216以抵达p型蚀刻终止层205，该隆起具有2μm的宽度，并在[011]方向上延伸(图4F)。
接着，去除形成在p型GaAs保护层207上的条形抗蚀剂掩膜224，且由p型GaAs保护层207和p型Alx2Ga1-x2As第三包层206构成的隆起216的侧表面通过第二次MOCVD方法掩埋在n型Aly2Ga1-y2As电流阻挡层208内和p型GaAs平坦层209内(图4G)。
利用常规光刻技术，在形成在隆起216的两侧上的p型GaAs平坦层209上、以及在形成在隆起216上的p型GaAs平坦层209上在距谐振腔端面60μm的范围内形成抗蚀剂掩膜225。利用常规蚀刻技术，位于抗蚀剂掩膜225的开口内的n型AlGaAs电流阻挡层208和p型GaAs平坦层209被有选择地去除(图4H)。
去除形成在p型GaAs平坦层209上的抗蚀剂掩膜225，且通过第三次MOCVD方法形成p型GaAs接触层210。在谐振腔端面附近，在隆起条216上形成与电流阻挡层208同时生长的n型Aly2Ga1-y2As电流注入防止层215(图4I)。
最终，在上表面上形成p电极211，在下表面上形成n电极212。
接着，在宽度60μm的电流注入阻挡层215的大致中心处刻划划痕线，将晶片分割成谐振腔长度的激光器条。镀一层AlOs涂层，使得具有窗口区的谐振腔端面达到12％的反射比；且涂镀AlOs和非晶Si多层膜，使得位于另一侧的谐振腔端面达到95％的反射比。通过分成芯片，制造了一元件，该元件在800μm长度谐振腔的发光端面部分具有约20μm的窗口区和约30μm的电流注入防止层。
通过本发明第二实施例获得的半导体激光元件的特性被评估。结果，通过本发明的元件获得了与波长设定值一致的785nm振荡波长和120mW的光输出CW。此外，如图15所示，元件在70℃的环境温度下以150mW的光输出CW稳定地运行了5000小时或更多，且没有观察到工作中工作电流增加的那种劣化现象。
本发明第二实施例的半导体激光元件可以防止谐振腔内部有源层的带隙波动的发生，因此，可以获得与设定的一致的振荡波长。此外，清楚的是，当以高功率驱动时，该元件具有优秀的长期可靠性。
可以理解的是，在热处理工序前包括在谐振腔内的晶片表面上形成电介质膜的工序产生了在提高可靠性方面的额外效果，如本发明的制造方法所示。
在浇注了离子化原子后，形成在谐振腔内部的保护层表面上的电介质膜应当被适当地形成。当电介质膜先期形成，其后浇注离子化原子时，需要通过将离子能量加速至高于3keV的离子能量来进行离子辐照，以通过使离子穿过电介质膜而在晶片的保护层表面上产生晶体缺陷。在此情形下，晶体缺陷自晶片的保护层表面深深地侵入晶体内，且该缺陷在热处理过程中扩散至有源层内，降低了可靠性。
在第二实施例中，已经描述了将离子辅助气相沉积系统用作离子辐照系统。在后续电介质膜可以在离子辐照之后无需将晶片取出至空气中而连续形成这一方面，离子辅助气相沉积系统是优秀的。此外，在溅射系统和等离子体CVD系统中，后续的电介质膜可以类似地连续形成，而不需要在离子辐照(即，等离子体辐照)之后将晶片暴露在空气中。此外，这些系统是半导体加工中的常用系统，且具有制造方法可以简化的优点。
此外，在第二实施例中，形成在位于谐振腔端面附近的区域内的晶片表面上的电介质膜和形成在谐振腔内部区域内的晶片表面上的电介质膜均由SiOx膜形成，且具有几乎相等的热膨胀系数。因为谐振腔端面附近和谐振腔内的晶片表面覆盖有具有几乎相等的热膨胀系数的电介质膜，所以在热处理过程中因谐振腔端面和谐振腔内部之间的热膨胀系数的不同导致的劣化可以进一步减小，产生提高可靠性的效应。
此外，在第二实施例中，形成在谐振腔端面附近的区域内的晶片表面上的电介质膜的膜厚度被设置成比形成在谐振腔内部区域的晶片表面上的电介质膜的膜厚度厚。谐振腔端面附近的电介质膜的膜厚度的厚的布置使得能够通过热处理产生大量的空穴，并且使得空穴能够扩散至有源层内。因此，可以促进有源层的窗口区的带隙的增加。同时，谐振腔内部的电介质膜的膜厚度比谐振腔端面附近的薄的布置使得能减小通过热处理产生的空穴数量，并抑制空穴向有源层内部区域内的扩散。如上所述，可靠性可以通过抑制端面劣化来提高。同时可以抑制谐振腔内部的有源层内部区域的带隙波动。
此外，在第二实施例中，形成在谐振腔内部区域的晶片表面上的电介质膜的膜厚度不大于0.5μm。当膜厚度大于0.5μm时，通过热处理产生大量空穴。因此，不能防止空穴向有源层内的扩散，且谐振腔内部的有源层内部区域的带隙波动倾向于易于发生。
此外，在第二实施例中，谐振腔端面附近的电流注入防止层215的长度比窗口区213的长度长。保护层表面上通过热处理产生的空穴不仅扩散至正好位于谐振腔下面的有源层内，还扩散至谐振腔内部的有源层内。扩散至谐振腔内部的空穴不明显地使有源层的带隙波动，但通过注入电流在有源层内产生微小缺陷。即，当电流流经属于有源层的、且其中扩散有空穴的区域时，在充电时观察到了轻微的电流增加。因此，电流注入防止层215被设置成大于窗口区213，使得没有电流流经属于谐振腔的内部区域且其中扩散有空穴的区域。通过此布置，可以获得在长时期内具有优秀可靠性的激光元件。
此外，在第二实施例中，氧离子被浇注至谐振腔内部区域的保护层207。在此情形中，比足够薄于0.2μm的Ga或As氧化膜与保护层表面附近的晶体缺陷同时形成，且在热处理过程中在晶片表面产生的空穴可以被晶体缺陷和氧化膜两者有效俘获。因此，此设置更适于抑制空穴向有源层内部区域内的扩散，即适于防止带隙波动和防止振荡波长波动。
第三比较例
作为第三比较例，一半导体激光元件被制造，而没有在将离子化原子浇注到谐振腔内的p型GaAs保护层207的表面上之后在图4D的晶片表面上形成电介质膜223的工序，且通过RTA工艺进行。所制造的元件的特性得以评估。如图16所示，在本半导体激光元件中，观察到了劣化现象，即工作电流在约1000小时内在70℃的环境温度下在150mW的光输出CW下增加。可以假设，如果热处理得以不在谐振腔内部的保护层表面上形成电介质膜的情况下进行，则热处理过程中因谐振腔端面和内部之间的热膨胀系数的不同导致的劣化发生，且劣化在有源层(内部区域)上出现，这降低了长期可靠性。
第三实施例
图5A至5C是示出根据本发明第三实施例的半导体激光元件的结构的剖视图。参照图5A至5C，图5A是包括发光端面的透视图，图5B是沿图5A中的线Ib-Ib截取的波导的剖视图，图5C是沿图5A的线Ic-Ic在层厚度方向上截取的剖视图。
设置有：一n型GaAs衬底301；一n型Alx3Ga1-x3As(x3大于零且不大于1)第一包层302；多量子阱有源层(MQW有源层)303，其中通过交替层压阻挡层和阱层获得的多量子阱结构间插在光导层之间；p型Alx3Ga1-x3As第二包层304；p型GaAs蚀刻终止层305；p型Alx3Ga1-x3As第三包层306，该包层由在谐振腔方向上延伸的隆起条构成；p型GaAs保护层307；n型Aly3Ga1-y3As(y3大于零且不大于1)电流阻挡层308，形成来掩埋由隆起条构成的p型Alx3Ga1-x3As第三包层的侧表面；p型GaAs平坦层309；p型GaAs接触层310；p侧电极311；以及n侧电极312。使p型GaAs保护层307的厚度在谐振腔端面附近的区域内比在谐振腔内部区域内厚。
多量子阱有源层(MQW有源层)303由窗口区313和内部区域314构成。窗口区313是带隙大于内部区域314的带隙的区域，而内部区域314是具有实现激光振荡的增益的区域。还设置有形成在p型GaAs保护层307上的n型Aly3Ga1-y3As电流注入防止层315、以及由p型Alx3Ga1-x3As第三包层306和p型GaAs保护层307构成的隆起条316。此外，如参照以下制造方法所述的那样，通过自第二导电型保护层307侧的表面浇注离子化的原子，然后进行RTA、或者用于以短时间内的温度升高来加热的热处理，此窗口区313得以形成。
本发明第三实施例的半导体激光元件的制造方法将参照图6A至6I说明。在n型GaAs衬底301上通过第一次金属-有机化学气相沉积(MOCVD)方法顺序地外延生长n型Alx3Ga1-x3As第一包层302、非掺杂的MQW有源层303、p型Alx3Ga1-x3As第二包层304、p型GaAs蚀刻终止层305、p型Alx3Ga1-x3As第三包层306、以及p型GaAs保护层307，得到DH晶片(图6A)。
通过等离子体CVD方法和光刻方法在谐振腔端面附近区域内的p型GaAs保护层307的表面上将一SiNt1膜(t1是接近于4/3的实数，且其厚度为0.5μm)321形成为垂直于隆起条方向上的条形。条的间距被设置为1200μm，这约是谐振腔长度的两倍(图6B)。
然后，离子化的原子322被浇注(离子辐照)至属于谐振腔内部区域且位于p型GaAs保护层307侧上的晶片表面。根据本实施例，氩(Ar)离子和氧(O)离子的混合气体离子被采用，且离子辐照能量被设定为800eV。等离子体CVD系统被用于离子辐照(图6C)。离子能量约等于施加在等离子体CVD系统的对立电极之间的电压。
因为离子辐照通过使用等离子体进行，所以位于谐振腔内部区域内且未覆盖有SiNt1膜321的p型GaAs保护层307被蚀刻去约0.1μm。在谐振腔端面附近区域内的电介质膜321的表面上、以及在属于谐振腔内部区域且经历了离子辐照的p型GaAs保护层307的表面上，通过等离子体CVD方法形成一SiNt2膜323(t2是接近于4/3的实数，且其厚度为0.2μm)(图6D)。
接着，通过根据RTA方法的热处理，形成窗口区313，其中，SiNt1膜321正下方的MQW有源层的带隙大于谐振腔内部区域的MQW有源层的带隙。关于此时的热处理条件，温度在60秒内自室温升高至温度950℃，并保持80秒。结果，在有源层303内的谐振腔的方向上形成窗口区313和内部区314(图6E)。
接着，除去形成在p型GaAs保护层307的表面上的电介质膜321和323，并通过使用常规光刻技术形成p型GaAs保护层307上沿[011]方向延伸的条形抗蚀剂掩膜324。使用常规蚀刻技术，p型GaAs保护层307和p型Alx3Ga1-x3As第三包层306被加工成条形隆起316以抵达p型蚀刻终止层305，该隆起具有3μm的宽度，并在[011]方向上延伸(图6F)。
接着，去除形成在p型GaAs保护层307上的条形抗蚀剂掩膜324，且由p型GaAs保护层307和p型Alx3Ga1-x3As第三包层306构成的隆起条316的侧表面通过第二次MOCVD方法掩埋在n型Aly3Ga1-y3As电流阻挡层308和p型GaAs平坦层309内(图6G)。
利用常规光刻技术，在形成在隆起316的两侧上的p型GaAs平坦层309上、以及在形成在隆起316上的p型GaAs平坦层309上形成宽度为50μm的条形抗蚀剂掩膜325。此时，正好位于窗口区313上方的p型GaAs保护层307的厚度大于位于谐振腔内部的p型GaAs保护层307的厚度。于是，在p型GaAs平坦层309的表面上形成了水平面差。通过用作掩膜的水平面差，仅仅正好位于窗口区上方的p型GaAs平坦层309覆盖有抗蚀剂，并且在隆起上方而不是上述部分具有抗蚀剂开口的抗蚀剂掩膜325得以形成。利用常规蚀刻技术，位于抗蚀剂掩膜325的开口内的n型Aly3Ga1-y3As电流阻挡层308和p型GaAs平坦层309被有选择地去除(图6H)。
去除形成在p型GaAs平坦层309上的抗蚀剂掩膜325，且通过第三次MOCVD方法形成p型GaAs接触层310。在谐振腔端面附近，在隆起316上形成与电流阻挡层308同时形成的n型Aly3Ga1-y3As电流注入防止层315(图6I)。
此外，在上表面上形成p电极311，在下表面上形成n电极312。然后，在宽度50μm的电流注入阻挡层内(即在窗口区的大致中心处)刻划划痕线，且将晶片分割成具有谐振腔长度的激光器条。进行AlOs涂镀，使得具有窗口区的谐振腔端面具有12％的反射比；且涂镀AlOs和非晶Si多层膜，使得位于另一侧的谐振腔端面具有95％的反射比。通过分成芯片，制造了半导体激光元件，该元件在长度为600μm的谐振腔的发光端面部分具有约25μm的窗口区和约25μm的电流注入防止层。
通过本发明第三实施例的半导体激光元件制造方法获得的半导体激光元件的特性被评估。结果，通过本发明的半导体激光元件获得了与波长设定值一致的785nm振荡波长和120mW的光输出CW。此外，元件在70℃的环境温度下以150mW的光输出CW稳定地运行了5000小时或更多，且没有观察到工作中工作电流增加的那种劣化现象。
根据本发明的第三实施例，由等离子体离子化的原子得以产生，且被浇注到谐振腔内部区域的保护层的表面上，因此，保护层的表面也被此等离子体蚀刻了。附着在表面上的污染物和表面氧化膜可以通过保护层表面的这种蚀刻去除，且保护层表面上的晶体缺陷的产生被离子化的原子的辐照促进。此晶体缺陷俘获了RTA过程中在保护层表面上产生的空穴，并防止了空穴在n型GaAs衬底的方向上的扩散，且防止了使有源层无序。通过这种操作，内部区域的有源层的带隙波动可被防止。
此外，在第三实施例中，正好位于窗口区上方的保护层307的厚度比位于谐振腔内部的保护层307的厚度厚。因此，利用以上布置作为掩膜，可以将用于形成第一导电型电流注入防止层315的掩膜对准在适当的位置。因此，位置对准可以较为容易地实现，这使具有优秀的批量生产能力的端面形成工艺的简化成为可能。
在第三实施例中，已经描述了作为离子辐照系统的等离子体CVD系统的使用。利用这种系统，后续的电介质膜可以连续形成，而不需要将离子辐照后获得的晶片取出至空气中，也不需要将离子辐照之后获得的晶片暴露在空气中。此外，这些系统是半导体工艺中的常规系统，且具有制造方法可简化的优点。溅射系统具有相似的效果。
第四实施例
图7A至7C是示出根据本发明第四实施例的半导体激光元件的结构的剖视图。参照图7A至7C，图7A是包括发光端面的透视图，图7B是沿图7A中的线Ib-Ib截取的波导的剖视图，图7C是沿图7A的线Ic-Ic在层厚度方向上截取的剖视图。
设置有：一n型GaAs衬底401；一n型Alx4Ga1-x4As(x4大于零且不大于1)第一包层402；多量子阱有源层(MQW有源层)403，其中通过交替层压阻挡层和阱层获得的多量子阱结构间插在光导层之间；p型Alx4Ga1-x4As第二包层404；p型蚀刻终止层405；p型Alx4Ga1-x4As第三包层406，该包层由在谐振腔方向上延伸的隆起条构成；p型GaAs保护层407；n型Aly4Ga1-y4As(y4大于零且不大于1)电流阻挡层408，形成来掩埋由隆起条构成的p型Alx4Ga1-x4As第三包层的侧表面；p型GaAs平坦层409；p型GaAs接触层410；p侧电极411；以及n侧电极412。使p型GaAs保护层407的厚度在谐振腔端面附近的区域内比在谐振腔内部区域内厚。
多量子阱有源层(MQW有源层)403由窗口区413和内部区域(以下被称作有源区)414构成。窗口区413是带隙大于内部区域414的带隙的区域，而内部区域414是具有实现激光振荡的增益的区域。还设置有形成在p型GaAs保护层407上的n型Aly4Ga1-y4As电流注入防止层415、以及由p型Alx4Ga1-x4As第三包层406和p型GaAs保护层407构成的隆起条416。
在本发明第四实施例的半导体激光元件中，使谐振腔端面附近区域内的隆起条416的条宽度宽于谐振腔的内部区域414的隆起条的条宽度。
本发明第四实施例的半导体激光元件的制造方法将参照图8A至8I说明。在n型GaAs衬底401上通过第一次金属-有机化学气相沉积(MOCVD)方法顺序地外延生长n型Alx4Ga1-x4As第一包层402、非掺杂的MQW有源层403、p型Alx4Ga1-x4As第二包层404、p型GaAs蚀刻终止层405、p型Alx4Ga1-x4As第三包层406、以及p型GaAs保护层407，得到DH晶片(图8A)。
通过等离子体CVD方法和光刻方法在谐振腔端面附近区域内的p型GaAs保护层407的表面上将一宽度为40μm的电介质SiOz3膜(z3是接近于2的实数，且其厚度为0.5μm)421形成为垂直于隆起条的方向上的条形。条的间距被设置为1600μm，这约是谐振腔长度的两倍(图8B)。
然后，离子化的原子422被浇注(离子辐照)至属于谐振腔内部区域且位于p型GaAs保护层407侧上的晶片表面上。根据本发明的第四实施例，氮(N)离子气体被采用，且离子能量被调整以设定为1000eV。溅射系统被用于离子辐照(图8C)。离子能量约等于施加在溅射系统的对立电极之间的电压。
因为离子辐照通过使用等离子体进行，所以位于谐振腔内部区域内且未覆盖有SiOz3膜421的p型GaAs保护层407被蚀刻去约0.1μm。根据本发明第四实施例的半导体激光元件制造方法，虽然离子能量小，但是因为没有氧化膜形成，所以蚀刻的量较大。在谐振腔端面附近区域内的电介质膜421的表面上、以及在属于谐振腔内部区域且经历了离子辐照的p型GaAs保护层407的表面上通过溅射方法形成一SiOz4膜423(z4是接近于2的实数，且其厚度为0.3μm)(图8D)。
接着，通过根据RTA方法的热处理，形成窗口区413，其中，SiOz3膜421正下方的MQW有源层的带隙大于谐振腔内部区域的MQW有源层的带隙。关于此时的热处理条件，温度在60秒内自室温升高至温度950℃，并保持60秒。结果，在有源层403内的谐振腔的方向上形成窗口区413和内部区414(图8E)。
接着，除去形成在p型GaAs保护层407的表面上的电介质膜421和423，并通过使用常规光刻技术形成在p型GaAs保护层407上沿[011]方向延伸的条形抗蚀剂掩膜424。使用常规蚀刻技术，p型GaAs保护层407和p型Alx4Ga1-x4As第三包层406被加工成条形隆起416以抵达p型蚀刻终止层405，该隆起具有2.5μm的宽度，并在[011]方向上延伸。此时，包括p型蚀刻终止层、p型GaAs保护层407和p型AlGaAs包层406的层的厚度在谐振腔端面的窗口区内厚于在谐振腔内部区域内厚。因此，当保护层407和包层406通过化学蚀刻方法刻蚀时，隆起的宽度在谐振腔端面附近区域内(谐振腔窗口区)比在谐振腔内部区域内宽(图8F)。
接着，去除形成在p型GaAs保护层407上的条形抗蚀剂掩膜424，且由p型GaAs保护层407和p型Alx4Ga1-x4As第三包层406构成的隆起416的侧表面通过第二次MOCVD方法掩埋在n型Aly4Ga1-y4As电流阻挡层408和p型GaAs平坦层409内(图8G)。
利用常规光刻技术，在形成在隆起416的两侧上的p型GaAs平坦层409上、以及在形成在隆起416上的p型GaAs平坦层409上形成宽度为60μm的条形抗蚀剂掩膜425。此时，对立于窗口区413的p型GaAs保护层407的厚度大于谐振腔内部的p型GaAs保护层407的厚度。于是，在p型GaAs平坦层409的表面上形成了水平面差。通过用作掩膜的水平面差，仅仅与窗口区413对立的p型GaAs平坦层409覆盖有抗蚀剂，并且在对立于内部区域的隆起处具有开口的抗蚀剂掩膜425得以形成。利用常规蚀刻技术，位于抗蚀剂掩膜425的开口内的n型Aly4Ga1-y4As电流阻挡层408和p型GaAs平坦层409被有选择地去除(图8H)。
去除形成在p型GaAs平坦层409上的抗蚀剂掩膜425，且通过第三次MOCVD方法形成p型GaAs接触层410。在谐振腔端面附近，在隆起416上形成与电流阻挡层408同时形成的n型Aly4Ga1-y4As电流注入防止层415(图8I)。
此外，在上表面上形成p电极411，在下表面上形成n电极412。
然后，在宽度60μm的电流注入阻挡层内(即，在窗口区的大致中心处)刻划划痕线，且将晶片分割成具有谐振腔长度的激光器条。进行AlOs涂镀，使得具有窗口区的谐振腔端面达到12％的反射比；且涂镀AlOs和非晶Si多层膜，使得位于另一侧的谐振腔端面达到95％的反射比。通过分成芯片，制造了半导体激光元件，该元件在长度为800μm的谐振腔的发光端面部分具有约30μm的窗口区和电流注入防止层。
本发明第四实施例的半导体激光元件的特性被评估。结果，通过本发明的半导体激光元件获得了与波长设定值一致的785nm振荡波长和120mW的光输出CW。此外，元件在70℃的环境温度下以150mW的光输出CW稳定地运行了10000小时或更多，且没有观察到工作中工作电流增加的那种劣化现象。
在第四实施例的半导体激光元件中，窗口区的条宽度大于内部区域的条宽度。当条宽度宽时，条内的光密度可以降低。因此，可以减少窗口区的条内的光密度的本发明在抑制端面劣化方面是有效的，且对提高长期可靠性有效。此外，因为谐振腔内部区域的条宽度可以变窄。因此，激光的横向模式可以得以稳定，且可以防止弯折在I-L特性曲线中出现。
根据本发明第四实施例的制造方法，谐振腔端面附近区域的条宽度得以有选择地展宽的结构可以在窗口形成工序中以自对准方式制造。因此，制造工艺可以简化。
第五实施例
图9A至9C是示出根据本发明第五实施例的半导体激光元件的结构的剖视图。参照图9A至9C，图9A是包括发光端面的透视图，图9B是沿图9A中的线Ib-Ib截取的波导的剖视图，图9C是沿图9A的线Ic-Ic在层厚度方向上截取的剖视图。
设置有：一n型GaAs衬底501；一n型Alx5Ga1-x5As(x5大于零且不大于1)第一包层502；多量子阱有源层(MQW有源层)503，其中通过交替层压阻挡层和阱层获得的多量子阱结构间插在光导层之间；p型Alx5Ga1-x5As第二包层504；p型GaAs蚀刻终止层505；p型Alx5Ga1-x5As第三包层506，该包层由在谐振腔方向上延伸的隆起条构成；p型GaAs保护层507；n型Aly5Ga1-y5As(y5大于零且不大于1)电流阻挡层508，形成来掩埋由隆起条构成的p型Alx5Ga1-x5As第三包层的侧表面；p型GaAs平坦层509；p型GaAs接触层510；p侧电极511；以及n侧电极512。
还设置有：窗口区513，其中谐振腔端面附近的MQW有源层的带隙大于谐振腔内部的MQW有源层503的带隙；谐振腔内部区514；形成在p型GaAs保护层507上的n型Aly5Ga1-y5As电流注入防止层515、以及由p型Alx5Ga1-x5As第三包层506和p型GaAs保护层507构成的隆起条516。
图11示出了第II族原子(Zn)的杂质原子浓度分布，该杂质是本实施例的半导体激光元件的谐振腔端面附近的窗口区的p型Alx5Ga1-x5As第三包层506、p型GaAs蚀刻终止层505、p型Alx5Ga1-x5As第二包层504、MQW有源层503、以及n型Alx5Ga1-x5As第一包层502内的p型杂质。示出了第一次外延生长后获得的Zn浓度分布和RTA之后获得的Zn浓度分布。在第一次外延生长之后，几乎没有从p型包层到有源层内的Zn扩散。当进行RTA时，自p型包层扩散至有源层的Zn的浓度最大为4×1017cm-3。
与此相比，图12示出了第II族原子(Zn)的杂质原子浓度分布，该杂质是本实施例的半导体激光元件的谐振腔内部区域内的p型Alx5Ga1-x5As第三包层506、p型GaAs蚀刻终止层505、p型Alx5Ga1-x5As第二包层504、MQW有源层503、以及n型Alx5Ga1-x5As第一包层502内的p型杂质。示出了第一次外延生长后获得的Zn浓度分布和RTA之后获得的Zn浓度分布。在第一次外延生长之后，几乎没有从p型包层到有源层内的Zn扩散。当进行RTA时，自p型包层扩散至有源层的Zn的浓度最大为10×1017cm-3。如上所述，在谐振腔内部区域内，RTA之后自p型包层扩散至有源层的Zn的浓度大于在谐振腔端面附近的窗口区内的浓度。
本发明第五实施例的半导体激光元件的制造方法将参照图10A至10I说明。在n型GaAs衬底501上通过第一次金属-有机化学气相沉积(MOCVD)方法顺序地外延生长n型Alx5Ga1-x5As第一包层502、非掺杂的MQW有源层503、p型Alx5Ga1-x5As第二包层504、p型GaAs蚀刻终止层505、p型Alx5Ga1-x5As第三包层506、以及p型GaAs保护层507，得到DH晶片(图10A)。
通过等离子体CVD方法和光刻方法在谐振腔端面附近区域内的p型GaAs保护层507的表面上将SiOz5电介质膜(z5是接近于2的实数，且其厚度为0.7μm)521形成为垂直于隆起条的方向上的宽度为40μm的条形。条的间距被设置为约800μm，这等于谐振腔的长度(图10B)。
然后，离子化的原子522被浇注(离子辐照)至属于谐振腔内部区域且位于p型GaAs保护层507侧上的晶片表面上。根据第五实施例，氩(Ar)离子气体被采用，且离子辐照能量被调整以设定为1200eV。离子注入系统被用于离子辐照(图10C)。
位于谐振腔内部区域内且未覆盖有SiOz5膜521的p型GaAs保护层507被蚀刻去0.2μm。在谐振腔端面附近区域内的SiOz5膜521的表面上、以及在属于谐振腔内部区域且经历了离子辐照的p型GaAs保护层507的表面上通过等离子体CVD方法形成一SiNt3膜523(t3是接近于4/3的实数，且其厚度为0.3μm)(图10D)。
接着，通过根据RTA方法的热处理，形成窗口区513，其中，SiOz5膜521正下方的MQW有源层的带隙大于谐振腔内部区域的MQW有源层的带隙。关于此时的热处理条件，温度在20秒内自室温升高至温度950℃，并保持90秒。结果，在有源层503内的谐振腔的方向上形成窗口区513和内部区514(图10E)。
在谐振腔端面附近的窗口区内，在热处理(热退火)过程中，SiOz5膜521比谐振腔内部区域内的SiNt3膜523吸收了p型GaAs保护层507的更多的Ga原子。因此，在谐振腔端面附近区域内产生了大量的空穴，且空穴扩散至有源层内。此时，与第一至第四实施例的半导体激光元件相比，本实施例的半导体激光元件在与窗口区对立的第二包层、第三包层等的p型层内具有更高的空穴密度。因此，p型包层内的掺杂剂(Zn)与空穴结合，且Zn进入空穴位置。结果，p型包层内的Zn难以扩散至有源层的窗口区侧(图11)。
与此进行比较，在与有源层的内部区域对立的p型包层内，与第一至第四实施例的半导体激光元件相似，空穴的产生在热处理(热退火)过程中受到由离子辐照导致的缺陷的抑制。因此，p型包层内的更多的掺杂剂(Zn)扩散至有源层内(图12)。结果，有源层内的Zn浓度在谐振腔内部区域内变得比在谐振腔端面附近的窗口区域内更大。结果，有源层的内部区域的电阻减小，且这使电流能更有效地注入。
接着，除去形成在p型GaAs保护层507的表面上的电介质膜521和523，并通过使用常规光刻技术形成在p型GaAs保护层507上沿[011]方向延伸的条形抗蚀剂掩膜524。使用常规蚀刻技术，p型GaAs保护层507和p型Alx5Ga1-x5As第三包层506被蚀刻以抵达p型蚀刻终止层505，并加工成条形隆起516，该隆起具有2.5μm的宽度，并在[011]方向上延伸。此时，包括p型蚀刻终止层、p型GaAs保护层507和p型Alx5Ga1-x5As第三包层506的层的厚度在谐振腔端面附近的窗口区内比在谐振腔内部区域内厚。因此，当保护层507和包层506通过化学蚀刻方法刻蚀时，隆起516的宽度在谐振腔端面附近区域内变得更宽(图10F)。
接着，去除形成在p型GaAs保护层507上的条形抗蚀剂掩膜524，且由p型GaAs保护层507和p型Alx5Ga1-x5As第三包层506构成的隆起516的侧表面通过第二次MOCVD方法掩埋在n型Aly5Ga1-y5As电流阻挡层508和p型GaAs平坦层509内(图10G)。
此时，正好位于谐振腔端面附近区域内的窗口区513上方的p型GaAs保护层507的厚度大于谐振腔内部的p型GaAs保护层507的厚度。于是，在p型GaAs平坦层509的表面上形成了水平面差。通过用作掩膜的水平面差，仅正好位于窗口区上方的p型GaAs平坦层509覆盖有抗蚀剂，并且在隆起处而不是上述部分上方具有抗蚀剂开口的抗蚀剂掩膜525得以形成。利用常规蚀刻技术，位于抗蚀剂掩膜525的开口内的n型Aly5Ga1-y5As电流阻挡层508和p型GaAs平坦层509被选择性去除(图10H)。
去除形成在p型GaAs平坦层509上的抗蚀剂掩膜525，且通过第三次MOCVD方法形成p型GaAs接触层510(图10I)。
最后，在上表面上形成p电极511，在下表面上形成n电极512。然后，在宽度50μm的电流注入防止层内(即，在窗口区的大致中心处)刻划划痕线，且分割成具有谐振腔长度的激光器条。进行AlOs涂镀，使得具有窗口区的谐振腔端面达到12％的反射比；且涂镀AlOs和非晶Si多层膜，使得位于另一侧的谐振腔端面达到95％的反射比。通过分成芯片，制造了在长度为800μm的谐振腔的发光端面部分具有约25μm的窗口区和电流注入防止层的元件。
本发明第五实施例的半导体激光元件的特性被评估。结果，通过本发明的半导体激光元件获得了与设定值一致的785nm的振荡波长和120mW的光输出CW。此外，元件在70℃的环境温度下以150mW的光输出CW稳定地运行了10000小时或更多，且没有观察到工作中工作电流增加的那种劣化现象。
在第五实施例的半导体激光元件中，有源层内的p型杂质(Zn)浓度在内部区域内比在窗口区域内更高。扩散入有源层内的Zn进入有源层内的空穴位置，因此，可以防止晶体缺陷的出现。结果，可以抑制充电过程中内部区域的劣化。此外，当Zn扩散入窗口区的有源层内时，引起光吸收。于是，随着窗口区的有源层内的Zn减少，光吸收得以进一步抑制，且高功率运行中的可靠性得以提高。因为以上原因，本发明的半导体激光器在以高功率驱动时的长期可靠性方面是优秀的。
根据第五实施例的半导体激光元件制造方法，自p型包层扩散入有源层内的Zn的量可以在窗口区和内部区域内通过调节形成窗口结构中的热处理条件而同时得以控制。即，窗口区内产生的空穴量可以通过热处理的温度升高速度来控制，且扩散至有源层内的Zn可以根据该控制来控制。扩散至内部区域内的Zn量可以通过热处理保持时间控制。因此，本制造方法具有可控性优异的效果。
根据本发明的以上描述，在衬底上生长了AlGaAs基材料。然而，除它以外，本发明还可用于在包层内包括Ga的材料，诸如GaAs衬底上的AlGaInP基材料、InP衬底或GaAs衬底上的AlInGaAsP基材料，以及兰宝石衬底、Si衬底或SiC衬底上的InGaAlN基材料的III-V族材料。
此外，根据本发明，MOCVD被描述为晶体生长方法。然而，除此之外，本发明还可应用于借助MBE(分子束外延)、ALE(原子层外延)和LPE(液相外延)的生长方法。
此外，根据本发明，已经描述了采用用于有源层的多量子阱的结构。然而，除此之外，本发明还可应用单一量子阱和其中的量子阱层具有不大于20μm的厚度的生长层。此外，已经描述了p型包层和n型包层的相同的成分，有源层间插在两个包层之间。然而，本发明还可用于不同成分的情况，或每个包层由多种成分的层构成的情况。
此外，根据本发明，已经描述了窗口区仅设置在一个端面上的情形。然而，将窗口区设置在半导体激光元件的两个侧部端面上当然是可以接受的。

Claims (20)

1.一种半导体激光元件，其在衬底上包括至少一第一导电类型的第一包层、一有源层、一第二导电类型的第二包层、具有在谐振腔方向上延伸的条形缺陷部分的一电流阻挡层、掩埋在电流阻挡层的条形缺陷部分内的一第二导电类型的第三包层、以及设置在第三包层上的一第二导电类型的保护层，其中
有源层包括至少一邻近其一端面的窗口区、以及具有一量子阱结构的一内部区，以及
来自有源层的窗口区的光致发光的峰值波长λw相对于来自有源层的内部区域的光致发光的峰值波长λi具有关系：
                    λw≤λi-5nm，以及
来自窗口区的光致发光的半宽度比来自内部区域的光致发光的半宽度窄。
2.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中
与窗口区相对的部分的第二导电类型保护层的层厚度大于与内部区相对的部分的第二导电类型保护层的层厚度。
3.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中
属于窗口区且在谐振腔方向上延伸的长度Lw不小于10μm。
4.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中
构成量子阱结构的量子阱层的厚度的总值不大于40nm。
5.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中
第一导电类型的电流注入防止层设置在与第二导电类型保护层上的窗口区相对的部分中。
6.如权利要求5所述的半导体激光元件，其中
属于第一导电类型电流注入防止层且在谐振腔的方向上延伸的长度Lp相对于Lw具有关系：
                     Lw≤Lp。
7.如权利要求1所述的半导体激光元件，其中
相对于条形缺陷部分的窗口区的部分的宽度比相对于内部区域的部分的宽度宽。
8.一种半导体激光元件的制造方法，包括步骤：形成双异质结晶片，其中在一衬底上叠放有至少一第一导电类型的第一包层、一有源层和一第二类型的第二包层；在布置在双异质结晶片的第二包层侧上的一层的一部分表面上形成一第一电介质膜；将离子化的原子浇注到属于晶片的且其上形成有第一电介质膜的一侧上；以及使浇注有离子化原子的双异质结晶片经受热处理，籍此，使被所述第一电介质膜覆盖的所述有源层的部分无序化，形成与半导体激光元件的至少一个端面邻接的窗口区，同时，设置在双异质结晶片的第二包层侧上的层的表面在双异质结晶片经受热处理前被蚀刻，
来自有源层的窗口区的光致发光的峰值波长λw相对于来自有源层的内部区域的光致发光的峰值波长λi具有关系：
λw≤λi-5nm。
9.如权利要求8所述的半导体激光元件的制造方法，其中
离子化的原子被浇注到第一电介质膜侧上的双异质结晶片表面上，同时蚀刻设置在双异质结晶片的第二包层侧上的层的表面。
10.如权利要求8所述的半导体激光元件的制造方法，其中
在离子化的原子被浇注到第一电介质膜侧上的双异质结晶片表面上之后，形成第二电介质膜，以覆盖整个晶片表面。
11.如权利要求10所述的半导体激光元件的制造方法，其中
在形成第二电介质膜之后，双异质结晶片经受热处理。
12.如权利要求10所述的半导体激光元件的制造方法，其中
离子化的原子被浇注到第一电介质膜侧上的双异质结晶片表面上，同时形成第二电介质膜。
13.如权利要求10所述的半导体激光元件的制造方法，其中
第二电介质膜具有不大于0.5μm的厚度。
14.如权利要求10所述的半导体激光元件的制造方法，其中
第一电介质膜和第二电介质膜由具有几乎相等的热膨胀系数的材料制造。
15.如权利要求8所述的半导体激光元件的制造方法，其中
离子化的原子是选自包括氩、氧和氮的组中的一种或多种原子。
16.如权利要求8所述的半导体激光元件的制造方法，其中
第二电介质膜通过浇注离子化的原子而形成在属于晶片表面且其上未形成有第一电介质膜的部分上。
17.如权利要求8所述的半导体激光元件的制造方法，其中
离子化的原子的离子能量被设定为不超过3000eV。
18.如权利要求8所述的半导体激光元件的制造方法，其中
离子化的原子的离子能量被设定为不小于500eV且不大于1500eV。
19.如权利要求8所述的半导体激光元件的制造方法，其中
热处理在不低于800℃的双异质结晶片保持温度下在升高至保持温度的100秒的温度升高时间内进行。
20.如权利要求8所述的半导体激光元件的制造方法，其中
热处理在不低于900℃的双异质结晶片保持温度下在升高至保持温度的60秒的温度升高时间内进行。
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