CN1280960C - 单片多波长激光器件及其制造该器件的方法 - Google Patents

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Abstract

包括制成在单个砷化镓(GaAs)衬底上的一个第一波长的激光部分(102)和一个第二波长的激光部分(103)，其特征在于，第一波长的激光部分(102)具有一个真实引导结构，而第二波长的激光部分(103)具有一个损耗引导结构。在这类多波长的激光器件中，与常规的器件相比较，当第一波长是在大约780nm的波长段中和第二波长是在大约650nm的波长段中时，由于第一波长的激光部分具有一个真实引导结构，所以波导中的损耗可以减小，并且工作电流可以减小。

Description

单片多波长激光器件及其制造该器件的方法
                              技术领域
本发明涉及在单一衬底上制成的包括多个激光器部分的单片多波长激光器件凡改进，以及制造该器件的方法的改进。
                              背景技术
适用于光记录信息的光盘，例如，CD(致密性光盘)、DVD(数字视频光盘)，以及MD(小型光盘)，现在已经广泛地作为高容量记录媒介来使用。
在使用这类光盘时，信息是采用一个光拾取头来记录和反放的。取决于根据光盘类型而变化记录密度的差异，一个适用于反放CD的光拾取头使用大约780nm波长带宽的激光器的光，而一个适用于反放DVD的光拾取头使用大约650nm波带宽的激光器的光。
近几年来，使用一个包括采用发射大约650nm和780nm激光波长带宽的集成半导体激光器件所制成的多波长半导体激光器件的光拾取头，已经开发了一种能够反放CD和DVD的光盘器件，以专门取代适用于CD或DVD各自反放的光盘器件。
图4所示的剖面示意图显示了一例常规单片多波长激光器件。应该注意的是，在本申请的附图中，相同的或对应的部分都采用相同的参考数字来标注。此外，在本申请的附图中，为了简洁附图，在长度、厚度、宽度以及其它等等的尺寸关系都可以适当变化，并没有表示实际的尺寸关系。
在图4所示的单片多波长激光器件中，在一个主表面向[110]方向偏离结晶(001)平面15°的n型GaAs倾斜衬底601上，以并行的方式制成适用于CD的激光部分602和适用于DVD的激光部分603。
在CD激光部分602中，相继制成了一层n型GaAs缓冲层604，一层n型Al0.5Ga0.5As包层605，一层n型Al0.2Ga0.7As引导层606，一层有源层607，一层p型Al0.3Ga0.7As引导层608，一层p型Al0.5Ga0.5As第一包层609，以及一层p型GaAs刻蚀中止层(etch stop layer)610。在p型GaAs刻蚀中止层610上，相继制成了一层脊形p型Al0.5Ga0.5As第二包层611和一层p型GaAs盖子层(cap layer)612，并且脊的两边都埋在n型GaAs电流阻挡层613中。
在DVD激光部分603中，相继制成了一层n型GaAs缓冲层614，一层n型GaInP缓冲层615，一层n型(Al0.7Ga0.3)0.5IN0.5P包层616，一层未掺杂的(Al0.5Ga0.5)0.5IN0.5P引导层617，一层有源层618，一层未掺杂(Al0.5Ga0.5)0.5IN0.5P引导层619，一层p型(Al0.7Ga0.3)0.5IN0.5P第一包层620，以及一层p型GaInP刻蚀中止层621。在p型GaInP刻蚀中止层621上，相继制成了一层脊形p型(Al0.7Ga0.3)0.5IN0.5P第二包层622，一层p型GaInP中间层623，以及一层p型GaAs盖子层624，并且脊的两边都埋在n型GaAs电流阻挡层613中。
在CD激光部分602和DVD激光部分603中的p型GaAs的盖子层612和624上，分别相继制成一层p型欧姆电极625和一层Mo/Au电极626。。在n型GaAS衬底601的背面制成一层n型欧姆电极627。
在CD激光部分602和DVD激光部分603之间制成一个激光部分隔离槽628，其深度达到衬底601，从而使得两个激光部分相互间电气绝缘。各个单片多波长激光器件沿着芯片分离槽629与晶片相分离。
以上述方式所制成的图4所示单片双波长半导体激光器件可采用它的n型电极边向上安装在一个子管脚(sub-mount)上，还将它的p型电极边安装在该子管脚的表面上。随后，将子管脚固定在指定的晶体管管座上。
采用如图4所示的GaAs埋没层613的包含损耗引导结构的单片双波长半导体激光器件最好能够容易地同时制成在CD激光部分和DVD激光部分的两种埋没层。然而，在该损耗引导的结构中，由于在波导中的大损耗，以及使在光拾取头的热设计以及其它的许可范围明显变窄，增加了激光器件的工作电流。因此，较佳的是采用，通过使用诸如AlInP材料的电流阻挡层或者允许适用于CD的激光器的光和适用于DVD的激光器的光透过的介质层，这样一个真实引导结构。
然而，在AlInP用于电流阻挡层的情况下，在CD激光部分中的脊两边的电流阻挡层的生长很慢，从而难以控制完全埋没脊的生长条件。此外，由于在CD和DVD激光部分中的p型GaAS盖子层上已经生长的所不需要的AlInP层是不平坦的形状，这就难以控制去除所不需要部分的处理条件。在介质薄膜用于电流阻挡层的情况下，介质层自身的热传导率比半导体晶体要低，因此热辐射效率就变差了，从而就难以保持高温特性以及确保特别是在DVD激光部分中的可靠性，因为它原始不具有好的温度特性。
在CD和DVD的各个激光部分中，由于来自外部光学系统所反射光的干扰会产生反馈光的噪声。为了能减小这种噪声，就希望在各个激光部分中采用一种自振荡的结构。该自振荡的结构可以通过以水平方向调整在脊的内外有效折射率中的差异ΔN，以及在有源层中的光学限制因子Γ来实现。然而，适用于产生自振荡的ΔN和Γ设计范围在激光器件的可靠性改善以及工作电流降低方面具有折中关系。
                              发明内容
考虑了以上所讨论的现有技术的状态，本发明的一个目的是容易地提供一个单片多波长激光器件，它具有保持着的可靠性以及改善了工作电流，减小了反馈光噪声，以及其它等等。
根据本发明，单片多波长激光器件包括在单个GaAS衬底上制成的一个第一波长的激光部分和一个第二波长的激光部分，其中，第一波长的激光部分包括一个真实引导结构，第二波长的激光部分包括一个损耗引导结构。在第一波长的激光部分中所包含的一个脊部分的每一边的埋没层较佳的是采用双层结构来制成，该结构包括一层厚度大于0.03μm和小于0.05μm的GaAs层，以及一层折射率低于脊部分的折射率的绝缘介质薄膜。
在第一波长处于大约780nm的波长带宽中和第二波长处于大约650nm的波长带宽的情况下，在这类多波长激光器件中，与常规的器件相比较，波导的损耗是可以减小的，并且工作电流是可以降低的，因为第一波长的激光部分具有真实引导结构。由于在第一波长的激光部分中水平发出激光的模式是通过采用具有低的折射率的绝缘介质薄膜来限制光的结构获得的，所以就希望GaAs层和AlGaAs层能尽量薄，使之不会影响水平模式。
希望低折射率的绝缘介质薄膜所具有的折射率为1至2。也就是说，由于在第一波长激光部分中脊部分的材料所具有的折射率在3.2至3.4的范围中，所以就希望绝缘介质薄膜能具有低于脊部分材料的折射率，从而将光限制于发出激光的谐振器中。可以选择氮化硅薄膜或二氧化硅薄膜作为绝缘介质薄膜来使用。
较佳的是低折射率的绝缘介质薄膜所具有的厚度在0.1μm和小于0.2μm的范围内。在第二波长的激光部分中制成低折射率的其它绝缘介质薄膜的情况下，由于与半导体晶体相比较，绝缘介质薄膜呈现出低的导热性从而使得热辐射变差，所以将绝缘介质薄膜可以制的更薄，以防止第二波长的激光部分中的温度性能和可靠性变差。
较佳的是，GaAs衬底表面具有向[110]方向倾斜(001)平面5°至25°范围内的偏置角(off-angle)。这是为了调整第二波长激光部分的波长以及改善第一波长和第二波长两个激光部分的可结晶性，从而改善激光器件的特性。该偏置角较佳为10°至20°，最好的是13°至18°。
在制造根据本发明的单片多波长激光器件的方法中，低折射率的绝缘介质薄膜较佳的是在150°至400°范围中的薄膜沉积温度中制成，并且最好是150°至250°的温度范围中。
较佳的是，在第一波长和第二波长的激光部分中的各个脊的部分是由多层结构来埋没的，该多层结构是由一层GaAs层，一层AlxGa1-xAs(0.4≤x≤0.7)刻蚀中止层以及一层GaAs电流阻挡层制成的。也较佳的是，在埋没第一波长的激光部分的脊部分的多层结构中，基于氨的蚀刻剂常用于GaAs电流阻挡层，以及基于氢氟酸的蚀刻剂常用于刻蚀中止层，以选择性的蚀刻各个层，使得刻蚀在各自的底层上停止，并且随后所露出的在第一波长的激光部分中的脊部分被低折射率的绝缘介质薄膜所埋没。
本发明的上述以及其它目的、性能、方面和优点将从以下结合附图的本发明的详细讨论中变得更加清晰。
                              附图说明
图1是显示根据本发明第一实施例的单片双波长半导体激光器件的剖面示意图。
图2A至2M是显示适用于制造图1所示的激光器件的处理工艺的剖面示意图。
图3是显示根据本发明第二实施例的单片双波长半导体激光器件的剖面示意图。
图4是显示常规单片双波长半导体激光器件的剖面示意图。
                              具体实施方式
根据本发明者的实验情况，已经发现，与损耗引导结构相比较，真实引导结构在脊的内外以水平方向上的有效折射率中的差异ΔN和在有源层中的光学限制因子Γ都具有非常窄的可允许的设计范围，实际上，难以适当地控制它们。特别是，在DVD激光部分最好不采用真实引导结构。
然而，根据本发明者的研究，发明者认为，在CD激光部分可以采用真实引导结构，因为，在CD激光部分中产生自振荡的ΔN和Γ的可允许设计范围是宽的，与真实波导结构或损耗引导结构无关。
(第一实施例)
图1的示意性剖面图显示了根据本发明第一实施例的单片双波长半导体激光器件。在该半导体激光器件中，在一个主表面向[110]方向偏离结晶(001)平面15°的n型GaAs倾斜衬底101上，以并行的方式制成适用于CD的激光部分102和适用于DVD的激光部分103，且各自包括一个脊结构。CD激光部分102包括一个台阶部分104和一个真实引导结构，在该引导结构中，脊部分的任一边都埋没在一层绝缘介质薄膜105中，该绝缘介质薄膜具有比脊部分更低的折射率。另一方面，DVD激光部分103包括一个损耗引导结构，在该波导的结构中，脊部分的任一边都埋没在初始n型的GaAS晶体131和133中。
图2A至2M所示的示意性剖面图显示了制造如图1所示的多波长激光器件的方法的实例。
首先，正如图2A所示，在一个主表面向[110]方向偏离结晶(001)平面15°的n型GaAs倾斜衬底101上，进行MOCVD(有机金属化学气相沉积)，以形成一个CD激光部分的半导体层叠结构。特别是，相继再形成一层n型GaAs缓冲层106，一层n型Al0.5Ga0.5As包层107，一层Al0.3Ga0.7As引导层108，一层具有一个MQW(多量子阱)结构的有源层109，一层p型Al0.3Ga0.7As引导层110，一层p型Al0.5Ga0.5As第一包层111，一层p型GaAs刻蚀中止层112，一层p型Al0.5Ga0.5As第二包层113，以及一层p型GaAs盖子层114。
接着，正如图2B所示，为了形成适用于DVD激光部分的半导体层叠结构，进行光刻，在CD激光部分的结构上形成规定宽度的带状光刻胶图形(未显示)。使用光刻图形作为掩膜，在p型GaAs盖子层114，p型Al0.5Ga0.5As第二包层113，p型GaAs刻蚀中止层112，p型Al0.5Ga0.5As第一包层111，未掺杂型Al0.3Ga0.7As引导层110，有源层109，未掺杂Al0.3Ga0.7As引导层108，n型Al0.5Ga0.5As包层107，以及n型GaAs缓冲层106上进行湿法刻蚀，将衬底的表面115露出至规定的宽度。
在图2C中，进行MBE(分子束外延)，以在露出的衬底表面115上形成DVD激光部分的半导体层叠结构。特别是，该结构包括相继形成的：一层n型GaAs缓冲层116，一层n型GaInP缓冲层117，一层n型(Al0.7Ga0.3)0.5IN0.5P包层118，一层未掺杂的(Al0.5Ga0.5)0.5IN0.5P引导层119，一层具有一个MQW结构的有源层120，一层未掺杂(Al0.5Ga0.5)0.5IN0.5P引导层121，一层p型(Al0.7Ga0.3)0.5IN0.5P第一包层122，一层p型GaInP刻蚀中止层123，一层p型(Al0.7Ga0.3)0.5IN0.5P第二包层124，一层p型GaInP中间层125，以及一层p型GaAs盖子层126。
在图2D中，进行光刻和湿法刻蚀，以去除已经形成在CD激光部分的半导体层叠结构上的DVD激光部分的半导体层叠结构中所不需要的部分。同时，形成一个深度达到衬底101的激光部分隔离槽127，使得CD激光部分102和DVD激光部分103相互间电气绝缘，还形成了一个芯片的分离槽128。
之后，在图2E中，在CD和DVD激光部分的两个p型GaAs盖子层114和126上形成一个3至4μm宽度带状的SiO2掩膜(未显示)。随后，对CD激光部分的p型第二包层113和p型盖子层114，以及DVD激光部分的p型第二包层124，p型GaInP中间层125和p型GaAs盖子层126，进行处理，用干法刻蚀至所规定的脊形宽度。此外，还进行湿法刻蚀，以修整各个脊的形状。
在图2F中，进行MOCVD，以相继形成一层n型GaAs层131，一层n型Al0.4Ga0.6As刻蚀中止层132，以及一层n型GaAs电流阻挡层133，使得CD激光部分的脊部分129的任一边和DVD激光部分的脊部分130的任一边都埋没在这些层中。
在图2G中，通过光刻，在CD和DVD激光部分上形成具有带状窗口的光刻图形137，该窗口在CD和DVD激光部分之间电气绝缘用的隔离槽127上方和芯片分离用的隔离槽128上方开口。随后，通过湿法刻蚀有选择性地去除n型GaAs层131，n型Al0.4Ga0.6As刻蚀中止层132，和n型GaAs电流阻挡层133，从而形成这些隔离槽127和128。
在图2H中，去除光刻图形137，且随后在CD激光部分的脊部分任一边形成以一层绝缘介质薄膜填满的隔离槽，通过光刻来形成并行于脊的带状开孔的光刻图形138。之后，采用基于胺的刻蚀剂来有选择性地去除n型GaAs电流阻挡层133，接着，采用氢氟酸有选择性地去除n型Al0.4Ga0.6As刻蚀中止层132。值得注意的是，光刻图形138在DVD激光部分上有一开孔，且在CD激光部分上的开孔的刻蚀也同时施加于在DVD激光部分上的开孔。
之后，正如图2I所示，在去除了光刻掩膜138的露出表面上，采用等离子体CVD(化学气相沉积)来形成具有低折射率(折射率：1至2)的绝缘介质薄膜105，例如，氮化硅(SiNx)保护薄膜。尽管绝缘介质薄膜105可以是采用等离子体CVD所形成的SiO2薄膜，但是必需注意到薄膜沉积的温度。
首先，需要高于150℃的温度，作为薄膜沉积温度的下限，以确保介质薄膜105的折射率和强度。另一方面，从防止在许多半导体层中的杂质的再扩散的观念出发，就需要该温度能低于半导体层的生长温度，作为薄膜沉积温度的上限，并且该温度最好是低于400℃。
此外，在绝缘介质薄膜和半导体层之间的热膨胀系数中存在着差异，并且绝缘介质薄膜的高的沉积温度会引起该绝缘介质薄膜的剥落。为了能防止这类剥落，较佳的是，在低于250℃的衬底温度下进行薄膜沉积处理。
之后，正如图2J所示，进行光刻，以正好在CD和DVD激光部分中的脊部分的上方形成具有带状开孔的光刻图形139。
使用光刻图形139作为掩膜，采用所规定的刻蚀剂来部分去除绝缘介质薄膜105，并随后采用基于胺的刻蚀剂来选择性刻蚀n型GaAs层131，使刻蚀终止在它的底层上，正如图2K所示。
在采用蒸镀的方法在刻蚀的区域上形成Au/AuZn的p型欧姆电极层134以之后，去除光刻图形时，只在CD和DVD激光部分中各自的脊部分129和130形成p型的欧姆电极134，正如图2L所示。
在p型的欧姆电极134上，采用光刻和湿法刻蚀的方法，形成一层Mo/Au电极图形，正如图2M所示，以识别CD和DVD激光部分以及激光的光发射方向。值得注意的是，可以采用基于碘的刻蚀剂来刻蚀Au层，以及采用基于胺的刻蚀剂来刻蚀Mo层。之后，从衬底的背面抛光所获得的晶片，使之大约为100μm厚，并且在衬底101的背面形成一层n型的欧姆电极136。
这样，就制成了第一实施例的单片双波长半导体激光器件，在该器件中，CD激光部分具有真实引导结构，而DVD激光部分具有损耗引导结构(见图1)。
作为一例比较的实例，也制成一个单片双波长半导体激光器件，在该器件中，两个激光部分都具有损耗引导结构，CD激光部分的脊部分采用与DVD激光部分的脊部分相同的方法来埋没。
包括分别形成的上述实施例和比较实例波长激光器件的晶片一一划分成多个条形，并且将每一条的划分的边采用反射薄膜来涂覆。之后，每一个条再划分成多个芯片，并且这些芯片一一安装在管脚中，以测量激光器件的特性。
其结果是，在第一实施例和比较实例中，CD激光部分以5mW的光输出所发出激光的波长为782nm。此外，在第一实施例和比较实例中，DVD激光部分以4mW的光输出所发出激光的波长为656nm。
对于在DVD激光部分中工作电流来说，在第一实施例和比较实例中几乎获得了相同的特性。然而，CD激光部分的工作电流，在第一实施例中以5mW的光输出为30mA，而在比较实例中则为60mA，显示出在第一实施例中的工作电流小于在比较实例中的工作电流30mA。第一实施例的激光器件和比较实例中的激光器件具有大致相同的可靠性，尽管在可靠性方面前者呈现出稍微好于后者。
此外，以5mW光输出和以反馈光的质量在0.01％至10％的范围内的条件，来测量相对强度噪声(RIN)，在第一实施例和比较实例中，都可以观察到CD和DVD激光部分都处于25℃和70℃时具有低于-130dB/Hz的良好噪声特性。
(第二实施例)
图3所示的剖面示意图显示了根据本发明第二实施例的单片双波长半导体激光器件。第二实施例的激光器件与第一实施例的激光器件不同之处，仅在于在图2J所示的DVD激光部分的脊部分上的光刻图形139的开孔变宽，来额外地去除在n型GaAs电流阻挡层132上的绝缘介质薄膜105。在根据第二实施例的DVD激光部分中，没有热传导率低于半导体晶体的热传导率的绝缘介质薄膜，从而即使与第一实施例的激光器件相比较，也可以获得更好的热辐射性，以及进一步改善激光器件的可靠性。
值得注意的是，在上述的实施例中采用了一个主表面以向[110]方向偏离结晶(001)平面15°偏置角度倾斜的n型GaAs倾斜衬底，目的是调整DVD激光部分发出激光波长使之落在适用于DVD标准的波长650nm附近，以及改善CD和DVD激光部分的结晶性能。
为了能够调整DVD激光部分发出激光的波长，就需要大于5°的偏置角度。在大约5°至大约25°的偏置角度下，最好是在10°至20°的范围内，可以获得改善CD和DVD激光部分的结晶性的效果。更佳的是，如果使用具有偏置角度为13°至18°的倾斜衬底，就能够获得满意的激光器件的特性。
正如以上所讨论的。根据本发明，通过在CD激光部分制成一个真实引导结构和在DVD激光部分制成一个损耗引导结构，就能够获得具有保持的可靠性，以及改善的工作电流，降低的反馈光噪声和其它等等特性的单片多波长激光器件。
尽管已经详细地讨论和解释了本发明，但是仍应该清楚地理解到：上述讨论仅仅只是本发明的说明和实例，并不是限制本发明，本发明的精神和范围只由附加的权利要求的条款所限制。

Claims (7)

1.一种单片多波长激光器件，该器件包括：制成在单个GaAs衬底的表面上的一个第一波长的激光部分和一个第二波长的激光部分，其特征在于，所述第一波长的激光部分包括一个真实引导结构，而所述第二波长的激光部分包括一个损耗引导结构，其中，所述第一波长的激光部分所包括的脊部分的任一边的埋没层是采用双层结构制成的，该双层结构包括：一层厚度大于0.03μm和小于0.05μm的GaAs层，以及一层折射率低于脊部分的折射率的绝缘介质薄膜。
2.如权利要求1所述单片多波长激光器件，其特征在于，所述绝缘介质薄膜所具有的折射率在1至2的范围内。
3.如权利要求1所述单片多波长激光器件，其特征在于，所述具有低折射率的绝缘介质薄膜是由氮化硅薄膜或二氧化硅薄膜所制成的。
4.如权利要求1所述单片多波长激光器件，其特征在于，所述具有低折射率的绝缘介质薄膜的厚度在0.1μm至0.2μm的范围内。
5.如权利要求1所述单片多波长激光器件，其特征在于，所述GaAs衬底的表面具有向[110]方向偏离(001)平面5°至25°范围内的偏置角度。
6.一种制成权利要求1所述单片多波长激光器件的方法，其特征在于，所述具有低折射率绝缘介质薄膜是在150℃至400℃范围内的薄膜沉积温度下制成的。
7.如权利要求6所述制成单片多波长激光器件的方法，其特征在于，所述具有低折射率的绝缘介质薄膜的薄膜沉积温度是在150℃至250℃范围内。
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