CN1467891A - 半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器包括：衬底；形成在衬底上的双异质结构，双异质结构包括形成在衬底上的第一覆盖层、形成在第一覆盖层上的有源层以及形成在有源层上的第二覆盖层，第二覆盖层的上表面上具有条形突起，突起具有侧壁基本上垂直地形成在衬底表面上的上部和线宽大于上部线宽的台阶形下部；以及除了突起的上表面，从突起的侧面延伸到第二覆盖层上表面形成的电流阻挡层。

Description

半导体激光器及其制造方法
相关申请的交叉参考
本申请基于并要求2002年6月3日的日本专利申请No.2002-161814的优先权，在这里作为参考引入它的全部内容。
技术领域
本发明涉及具有脊形电流聚集部分的半导体激光器，特别涉及通过改变形状得到的半导体激光器及其制造方法。
背景技术
近些年来，现已开发出了在双异质结构中具有脊形电流聚集部分(脊部)的半导体激光器作为具有短波长和高输出的光源。在这种类型的激光器中，为了得到靶激光特性，严格控制脊宽度很重要。特别是，在用做CD-R或DVD-R的高输出光源的半导体激光器中，需要减小脊宽度以及严格控制脊宽度。
然而，在通常使用的湿腐蚀工艺中，腐蚀处理之后脊侧面具有顺序的锥形。因此，当减小脊宽度时，发生了由于上脊宽度减小导致的操作电压升高并且发生光输出-电流特性扭曲的问题。
还应该注意必须严格控制脊部的宽度和高度。在现有技术中，腐蚀终止层嵌在覆盖层的中间，对覆盖层的腐蚀终止于腐蚀终止层，由此控制了脊部的高度。通过湿腐蚀可以进行该腐蚀，但是诸如反应离子腐蚀(RIE)的干腐蚀很难保证通过使用腐蚀终止层停止腐蚀。因此，必须使用湿腐蚀进行腐蚀以便形成脊，在实际操作中，脊形状不能防止具有顺序的锥形。
如上所述，通常，在具有脊部的半导体激光器中，很难形成垂直的脊部侧面，这是妨碍高输出激光器实现的一个因素。因此，需要一种高输出的半导体激光器及其制造方法，其脊部侧面为垂直的，并能防止光输出-电流特性发生扭曲。
发明简述
根据本发明的第一方案，提供一种半导体激光器，包括：
衬底；
形成在衬底上的双异质结构，双异质结构包括形成在衬底上的第一覆盖层、形成在第一覆盖层上的有源层以及形成在有源层上的第二覆盖层，第二覆盖层的上表面上具有条形突起，突起具有侧壁基本上垂直地形成在衬底表面上的上部和线宽大于上部线宽的台阶形下部；以及
除了突起的上表面，从突起的侧面延伸到第二覆盖层上表面形成的电流阻挡层。
此外，根据本发明的第二方案，提供一种半导体激光器，包括：
第一导电类型的化合物半导体衬底；
形成在化合物半导体衬底上的双异质结构，双异质结构具有依次形成在化合物衬底上的第一导电类型的覆盖层、有源层、第二导电类型的第一覆盖层、第二导电类型的腐蚀终止层以及第二导电类型的第二覆盖层，第二覆盖层具有形成在双异质结构上表面上的电流聚集部分作为条形突起，电流聚集部分具有侧壁基本上垂直地形成在衬底上的第一脊部和线宽大于大于第一脊部线宽台阶形第二脊部；以及
除了第一脊部的上表面，从第一和第二脊部的侧面延伸到第二导电类型的第一覆盖层形成的电流阻挡层。
此外，根据本发明的第三方案，提供一种半导体激光器的制造方法，包括：
通过在衬底上依次形成第一覆盖层、有源层以及第二覆盖层形成侧壁双异质结构；
通过反应离子腐蚀法选择性地腐蚀第二覆盖层到一半，形成侧壁相对于衬底具有基本上垂直形状的条形突起；
在突起的侧面上形成侧壁绝缘膜；以及
使用侧壁绝缘膜作为掩模，并通过湿腐蚀法部分地去掉第二覆盖层的剩余上表面。
附图简介
图1A示出了根据第一实施例红半导体激光器的元件结构剖面图；
图1B示出了在形成图1A中n型InAlP层25上的各层之前半导体激光器的透视图；
图2A到2D依次示出了根据第一实施例半导体激光器的制造步骤的剖面图；
图3示出了检查脊部台阶的高度和宽度之间关系和光输出-电流特性中抑制扭曲效果的结果表；
图4示出了根据第二实施例红半导体激光器的元件结构的剖面图；
图5A和5B顺序示出了图4中示出的激光器的制造步骤的剖面图；
图6示出了第一实施例的修改例的剖面图；
图7示出了第二实施例的修改例的剖面图。
本发明的详细说明
在详细介绍实施例之前，将介绍下面实施例的效果。
根据各实施例，通过使用RIE作为腐蚀可以垂直地形成脊侧壁，形成电流聚集部分(脊部)。此时，通过RIE没有腐蚀形成脊的所有覆盖层部分，但通过RIE腐蚀了它的主要部分，对剩余部分进行湿腐蚀。由此，可以抑制由于RIE造成的损伤，同时通过RIE保持了垂直的侧面。
更具体地，不进行第一RIE直到达到腐蚀终止层，但在达到腐蚀终止层之前停止。由此，可以得到垂直于脊部的侧壁形状。形成侧壁绝缘膜之后，通过湿腐蚀剩余的覆盖层，腐蚀可确保停止在腐蚀终止层中，此后对腐蚀终止层进行湿腐蚀，由此除去脊部之外的腐蚀终止层。
通过第二腐蚀(湿腐蚀)形成的脊宽度大于通过第一腐蚀(RIE)形成的脊宽度，并具有锥形。然而，通过充分地扩大第一腐蚀深度并减小第二腐蚀深度，脊宽度可以基本上认为是通过第一腐蚀得到的上侧上的脊宽度。由于通过RIE可以确定该宽度，并且不具有锥部，因此根据设计可以严格地控制。
如上所述，根据实施例，可以实现具有垂直脊形和窄脊宽度的激光结构，可以限制光输出-电流特性中的扭曲，并且可以实现高输出。
下面参考附图介绍根据本发明的各实施例。
(第一实施例)
根据本发明的第一实施例的红半导体激光器结构如图1A和1B所示。n型GaAs缓冲层11、n型InGaAlP覆盖层13、由未掺杂的InGaAlP/InGaP组成的MQW有源层4、p型InGaAlP覆盖层15形成在n型GaAs衬底10上。如图1B所示，在p型InGaAlP覆盖层15上形成条形脊部，条形脊部由p型InGaP腐蚀终止层16、p型InGaAlP覆盖层17以及p型InGaP帽盖层18组成。
脊部起电流聚集部分的作用，它的侧面基本上处理为垂直。此外，p覆盖层17的底部和腐蚀终止层16具有比其它任何区域宽的宽度。脊部的侧面可以嵌入n型InAlP阻挡层25，p型GaAs接触层26形成在脊部的帽盖层18上，并平坦化阻挡层25和它的表面。此外，p侧电极27形成在接触层26上，n侧电极28形成在衬底10的背面。
下面参考图2A到2D介绍根据本实施例的激光器的制造方法。
首先，如图2A所示，0.5μm厚的n型GaAs缓冲层11生长在250μm厚的GaAs衬底10上。然后，在缓冲层11上生长1.2μm厚的n型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆盖层13、由未掺杂的0.05μm厚的In0.5(Ga0.55Al0.45)0.5P/In0.5Ga0.5P组成的MQW有源层14、0.2μm厚的p型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆盖层15、0.01μm厚的p型InGaP腐蚀终止层16、以及0.9μm厚的p型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆盖层17，由此形成双异质结构。此外，0.1μm厚的p型InGaP帽盖层18生长在p覆盖层17上。还应该注意在相同室中通过MOCVD法连续地生长各层11到18。
随后，0.2μm厚的SiO2膜淀积在帽盖层18上，使用抗蚀剂掩模构图该SiO2膜，由此形成2.0μm宽度的SiO2掩模21，如图2B所示。然后，该SiO2掩模21用于通过RIE分别垂直地处理0.1μm和0.8μm的p型InGaP帽盖层18和p型InGaAlP覆盖层17。由此，形成2.0μm宽度的第一脊。使用含Cl的腐蚀气体在1Pa压力和250W的RF功率条件下进行该RIE。应该注意脊通常形成有1.0到2.5μm的宽度。
然后，如图2C所示，通过自对准SiN膜(侧壁绝缘膜)22形成在第一脊侧壁上。具体地，0.5μm的SiN膜淀积在整个表面上，然后回蚀(etchback)。由此，0.4μm厚的SiN膜留在脊侧壁上。
此后，如图2D所示，侧壁绝缘膜22作为掩模，使用磷酸腐蚀脊周围0.1μm的p型InGaAlP覆盖层17，然后使用含Br的液体腐蚀p型InGaP腐蚀终止层16。当使用磷酸时，由于与InGaP相比腐蚀InGaAlP的速度相当快，可以确保仅除去RIE之后留下的P覆盖层17。当使用含Br的液体时，与InGaAlP相比腐蚀InGaP的速度相当快，可以确保除去腐蚀终止层16，同时P覆盖层15的厚度不减少。
用形成在脊部上的侧壁绝缘膜22进行湿腐蚀。该湿腐蚀具有表面取向相关性。如果进行腐蚀同时不保护侧壁绝缘膜22，那么形成脊部的覆盖层17的侧壁可以变形成锥形。
此外，不进行RIE腐蚀覆盖层17直到露出腐蚀终止层16，但露出腐蚀终止层16之前立即停止，然后通过湿腐蚀进行剩余覆盖层17的腐蚀。因此，可以确保覆盖层17的腐蚀停止在腐蚀终止层16上。此外，由于也对腐蚀终止层16进行湿腐蚀，因此没有损坏下面的P覆盖层15。
此后，通过干腐蚀仅选择性地除去了侧壁绝缘膜22，然后使用SiO2掩模21外延地生长n型In0.5Al0.5P阻挡层25直到0.2μm厚。由于n型In0.5Al0.5P层没有生长在SiO2掩模21上，它可以选择性地淀积在p型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆盖层15上。
此外，除去脊部上部分上的SiO2掩模21之后，淀积p型GaAs接触层26并对表面进行平坦化。此后，蒸发p电极(含Zn的Au)27，通过抗蚀剂掩模形成上电极。此外，抛光GaAs衬底10以得到100μm的厚度，然后形成n电极(含Ge的Au)28，由此得到图1所示的结构。
之后，在Ar气氛中450℃进行退火150分钟。此外，以脊部分具有通过振荡频率确定的预定长度的方式分开晶片并形成芯片。
如上所述，根据本实施例，通过RIE形成脊部的主要部分，脊部分的侧壁具有垂直的形状，上脊宽度可以根据设计值变窄。因此，与湿腐蚀不同，上脊宽度没有比需要的窄。由此，可以抑制操作电压的升高，可以实现高输出。此外，台阶部分的作用可以防止光输出-电流特性产生扭曲。
顺便提及，虽然通过湿腐蚀处理了脊部的底部，由于腐蚀深度较小，即使该部分具有锥形也不会产生问题。为了实现高输出激光器，需要使脊部的底部高度小于上部的垂直部分的高度。
相反，当通过RIE腐蚀脊部的底部时，在下面的p覆盖层15中产生腐蚀损伤。在本实施例中，湿腐蚀脊部的底部可以防止发生腐蚀损伤。
下面介绍检查脊部的台阶尺寸的结果。在图2A所示的结构中，通过形成0.25μm厚的p覆盖层15和1.15μm的p覆盖层17得到样品，通过RIE处理1.6μm宽的p覆盖层17形成脊部。此时，产生脊下部中剩余的台阶高度和宽度改变的样品，可以观察到光输出-电流特性中产生的扭曲程度。图3示出了结果。
图3示出了防止扭曲度与台阶高度和宽度之间的关系，其变化为0.4、0.7和1.0μm。“优秀”表示没有扭曲，“差”表示有扭曲。“良好”表示没有扭曲但输出降低。
从图3所示的结果中，高度必须小于1.0μm，希望为0.7μm或更低。此外，宽度必须小于0.7μm，希望为0.4μm或更低。
根据数据在一些情况中，台阶的高度与p覆盖层7的厚度比不小于50％(例如，台阶高度为1.0μm时，台阶宽度为0.7μm，p覆盖层的厚度为1.15μm)，但希望减小到50％或50％以下，同时确保余量。
(第二实施例)
在根据本发明的第二实施例的红半导体激光器中，阻挡层45由SiO2形成，如图4所示。
n型GaAs缓冲层31、n型InGaAlP覆盖层33、由未掺杂的InGaAlP/InGaP组成的MQW有源层34、p型InGaAlP覆盖层35形成在n型GaAs衬底30上，由p型InGaP腐蚀终止层36、p型InGaAlP覆盖层37、p型InGaP帽盖层38以及p型GaAs接触层46组成的条形脊部形成其上。
脊部的侧面基本上处理为垂直，p覆盖层37的底部和腐蚀终止层36具有比其它任何区域宽的宽度。脊部的侧面可以嵌入SiO2膜(阻挡层)45，并平坦化该表面。此外，p侧电极47形成在脊部的接触层46和SiO2膜45上，n侧电极48形成在衬底10的背面。
下面参考图5A和5B介绍根据本实施例的激光器的制造方法。
首先，和以上提到的第一实施例类似，0.5μm厚的n型GaAs缓冲层31、1.2μm厚的n型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆盖层33、由未掺杂的In0.5(Ga0.55Al0.45)0.5P/In0.5Ga0.5P组成的0.05μm厚的MQW有源层34、0.2μm厚的p型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆盖层35、0.01μm厚的p型InGaP腐蚀终止层36、0.9μm厚的p型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P覆盖层37，以及0.1μm厚的p型InGaP帽盖层38生长在250μm厚的n型GaAs基板30上。
以上介绍的步骤与第一实施例中的完全相同。然后，0.1μm厚的p型GaAs接触层46进一步生长在帽盖层38上。应该注意在相同室中通过MOCVD法连续地生长各层31到38和46。
随后，0.2μm厚的SiO2膜淀积在接触层46上，使用抗蚀剂掩模构图该SiO2膜，由此形成2.0μm宽度的SiO2掩模41，如图5A所示。然后，该SiO2掩模41用于分别垂直地处理0.1μm，0.1μm和0.8μm的p型GaAs接触层46，p型InGaP帽盖层38，和p型InGaAlP覆盖层37。由此，形成2.0μm宽度的第一脊。
然后，如图5B所示，通过自对准SiO2膜(侧壁绝缘膜)42形成在第一脊侧壁上。具体地，0.5μm的SiO2膜淀积在整个表面上，然后回蚀。由此，0.4μm的SiO2膜留在脊侧壁上。
此后，侧壁绝缘膜42作为掩模，使用磷酸腐蚀脊周围0.1μm的p型覆盖层37，然后使用含Br的液体腐蚀p型InGaP腐蚀终止层36。此时，与第一实施例类似，通过使用磷酸腐蚀可以确保仅除去RIE之后完整留下的P型覆盖层17，通过使用含Br的液体的腐蚀可以确保除去腐蚀终止层16，同时P覆盖层15的厚度不减少。此外，由于用提供的侧壁绝缘膜42进行湿腐蚀，可以防止脊的垂直侧壁部分成为锥形。
此后，除去侧壁绝缘膜42之后，旋转涂覆SiO2阻挡层45使其具有1.1μm的厚度然后淀积。此外，回蚀0.1μm的SiO2阻挡层45的整个表面，仅露出脊的上部。然后，在接触层46上蒸发p电极(含Zn的Au)47，通过抗蚀剂掩模形成上电极。此外，抛光GaAs基板30以得到100μm的厚度，然后形成n电极(含Ge的Au)48，由此得到图4所示的结构。
之后，在Ar气氛中450℃进行退火15分钟来进行热处理。此外，以脊部分具有通过振荡频率确定的预定长度的方式分开晶片并形成芯片。
在本实施例中，通过RIE形成脊部的大部分，根据设计值上脊宽度可以类似地变窄，与通过湿腐蚀形成的情况不同，上脊宽度没有比需要的窄。因此，可以得到与第一实施例相同的优点。此外，由于电流阻挡层45由漏电流特性优良的绝缘膜形成，因此可以实现较高的输出。
(修改)
应该注意本发明不限于以上介绍的实施例。虽然需要脊部的垂直侧面，但本发明不限于完全垂直的侧面，即使侧面稍微倾斜，只要它们基本上接近垂直状态就不会发生任何问题。此外，形成双异质结构的材料根本不是仅限于InGaAlP基材料，可以根据说明书适当地改变。此外，腐蚀终止层的材料不限于InGaP，可以使用相对于覆盖层具有腐蚀选择性的任何材料。
此外，虽然提供了腐蚀终止层以便严格地控制脊部的高度，但当通过RIE腐蚀覆盖层能严格控制深度时可以省略腐蚀终止层(参见图6)。
对于侧壁绝缘膜，示出了形成脊部的台阶之后去掉它的例子，但可以通过完整保留侧壁绝缘膜形成电流阻挡层(参见图7)。
此外，相对于本实施例中的有源层，衬底面定为n型，相对面定为p型，它们可以互换。
如上详细说明的，根据本发明的各实施例，可以实现侧面具有垂直形状的脊部，台阶可以提供到脊底部，可以抑制半导体激光器中光输出-电流特性中的扭曲，可以实现较高的输出。
此外，本领域的技术人员容易实现附加的优点和修改。因此，在广义上，本发明不限于具体的细节和显示的各实施例及这里介绍的。因此，可以进行各种修改同时不脱离附带的权利要求书和它们的等效物限定的总的发明概念的精神或范围。

Claims (20)

1.一种半导体激光器，包括：
衬底；
形成在衬底上的双异质结构，双异质结构包括形成在衬底上的第一覆盖层、形成在第一覆盖层上的有源层以及形成在有源层上的第二覆盖层，第二覆盖层的上表面上具有条形突起，突起具有侧壁基本上垂直地形成在衬底表面上的上部和线宽大于上部线宽的台阶形下部；以及
除了突起的上表面，从突起的侧面延伸到第二覆盖层上表面形成的电流阻挡层。
2.根据权利要求1的半导体激光器，其中突起的上部高度大于下部的高度。
3.根据权利要求1的半导体激光器，其中第二覆盖层包括厚度方向中间的腐蚀终止层，突起提供在腐蚀终止层上的第二覆盖层上。
4.根据权利要求1的半导体激光器，其中突起的下部高度小于1.0μm。
5.根据权利要求1的半导体激光器，其中由突起的下部形成的台阶的横向突起长度小于0.7μm。
6.根据权利要求1的半导体激光器，其中电流阻挡层为与第二覆盖层导电类型不同的半导体层。
7.根据权利要求1的半导体激光器，其中电流阻挡层为绝缘层。
8.一种半导体激光器，包括：
第一导电类型的化合物半导体衬底；
形成在化合物半导体衬底上的双异质结构，双异质结构具有依次形成在化合物衬底上的第一导电类型的覆盖层、有源层、第二导电类型的第一覆盖层、第二导电类型的腐蚀终止层以及第二导电类型的第二覆盖层，第二覆盖层具有形成在双异质结构上表面上的电流聚集部分作为条形突起，电流聚集部分具有侧壁基本上垂直地形成在衬底上的第一脊部和线宽大于大于第一脊部线宽的台阶形的第二脊部；以及
除了第一脊部的上表面，从第一和第二脊部的侧面延伸到第二导电类型的第一覆盖层的上表面形成的电流阻挡层。
9.根据权利要求8的半导体激光器，其中第一脊部的高度大于第二脊部的高度。
10.根据权利要求8的半导体激光器，其中其中第二脊部的高度小于1.0μm。
11.根据权利要求8的半导体激光器，其中由第二脊部形成的台阶的横向突起长度小于0.7μm。
12.根据权利要求8的半导体激光器，其中电流阻挡层为第一导电类型的半导体层。
13.根据权利要求8的半导体激光器，其中电流阻挡层为绝缘层。
14.一种半导体激光器的制造方法，包括：
通过在衬底上依次形成第一覆盖层、有源层以及第二覆盖层形成双异质结构；
通过反应离子腐蚀法选择性地腐蚀第二覆盖层到一半，形成相对于衬底具有基本上垂直形状的条形突起；
在突起的侧面上形成侧壁绝缘膜；以及
使用侧壁绝缘膜作为掩模，并通过湿腐蚀法部分地去掉第二覆盖层的剩余上表面。
15.根据权利要求14的半导体激光器的制造方法，其中所述形成侧壁绝缘膜包括通过淀积绝缘膜并回蚀绝缘膜在突起的侧面上留下绝缘膜。
16.根据权利要求14的半导体激光器的制造方法，其中衬底为第一导电类型的化合物半导体衬底，第一覆盖层为第一导电类型，第二覆盖层为第二导电类型。
17.根据权利要求16的半导体激光器的制造方法，其中所述形成第二覆盖层包括依次形成为第二导电类型的第一子覆盖层、为第二导电类型的腐蚀终止层、以及为第二导电类型的第二子覆盖层，
所述通过反应离子腐蚀法选择性腐蚀第二覆盖层到一半包括通过反应离子腐蚀法选择性腐蚀第二导电类型的第二子覆盖层到它的层厚度的一半，以及
所述通过湿腐蚀法部分地除去第二覆盖层的剩余的上表面包括通过湿腐蚀法除去第二子覆盖层的剩余部分。
18.根据权利要求14的半导体激光器的制造方法，还包括通过湿腐蚀法部分地除去第二覆盖层的剩余上表面之后，在突起的侧面上形成电流阻挡层。
19.根据权利要求18的半导体激光器的制造方法，其中在所述突起的侧面上形成电流阻挡层包括通过完整保留侧壁绝缘膜形成电流阻挡层。
20.根据权利要求18的半导体激光器的制造方法，其中在所述突起的侧面上形成电流阻挡层包括除去侧壁绝缘膜之后形成电流阻挡层。
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