CN1933265A - 单片2波长半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

单片2波长半导体激光器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种单片2波长半导体激光器及其制造方法，在单一衬底上配置红光半导体激光器和红外半导体激光器，并同时形成端面窗结构，其特征为：红外半导体激光器的第4包层(110)的氢浓度(1.5e18cm－3)高于第1半导体激光器的红光半导体激光器的第2包层(105)的氢浓度(1e18cm－3)，从而能实现红外半导体激光器的激活层中产生充分无序化的半导体激光器。

Description

单片2波长半导体激光器及其制造方法
发明领域
本发明涉及衬底上制作振荡波长不同的半导体激光器时容易形成端面窗的技术。
背景技术
当前盛行将DVD(数字多用途光盘)和CD(音频光盘)等光盘用作能记录大量信息的大容量光记录媒体，DVD使用振荡波长650nm的红光半导体激光器，CD则用振荡波长780nm的红外半导体激光器。
近年来，使用具有波长为650nm的红光半导体激光器和波长为780nm的半导体激光器两者的适应两种光盘的拾光器。已有的2波长半导体激光器，其主流为单一衬底上配置红光半导体激光器和红外半导体激光器的单片结构。
图4A、图4B、图4C、图4D示出已有的2波长半导体激光器的制造方法。
首先，如图4A所示，在第1导电型(n)GaAs衬底1上形成红外半导体激光器8的双异质结结构121。具体而言，在第1导电型(n)GaAs衬底1上淀积并形成第1导电型(n)GaAs缓冲层2、第1导电型AlGaInP包层3、由GaAs阱层和AlGaAs阻挡层组成的多量子阱结构的激活层4、第2导电型(p)AlGaInP包层5、第2导电型(p)GaInP中间层6、第2导电型(p)GaAs接触层7、第2导电型(p)AlGaAs层(未示出)。
接着，有选择地按条状去除上述第2导电型AlGaAs层后，如图4B所示那样蚀刻掉形成红光半导体器件15的双异质结结构的区域的所述红外半导体激光器8的双异质结结构。
接着，如图4C所示，在第1导电型GaAs衬底1上，形成红光半导体激光器15的双异质结结构122。具体而言，在第1导电型GaAs衬底1上淀积并形成第1导电型GaAs缓冲层9、第1导电型AlGaInP包层10、由GaInP阱层和AlGaInP阻挡层组成的多量子阱结构的激活层11、第2导电型AlGaInP包层12、第2导电型GaInP中间层13、第2导电型(p)GaAs接触层14。
接着，如图4D所示，去除红外半导体激光器8上的红光半导体激光器15后，形成端面窗结构，因而在除端面窗部以外的部分形成掩模，对端面窗部淀积ZnO后，在600℃下进行退火，使Zn有选择地扩散。这时，端面窗结构的红外半导体激光器8的双异质结结构的激活层、红光半导体激光器15的双异质结结构的激活层存在3e18cm-3左右的Zn。
作为上述2波长半导体激光器的同时形成端面窗结构的专利文献，可举出日本国专利公开2001-345514号公报。
在2波长半导体激光器的双异质结结构中，端面窗结构将ZnO作为扩散源，使Zn通过由磷作为V族母元素的AlGaInP组成的第2导电型包层侵入到激活层内，造成多量子阱结构的激活层的无序化。红光半导体激光器15的激活层11存在1e18cm-3或更大的Zn时，在600℃的较低温度产生无序化。另一方面，红外半导体激光器8的激活层4在与红光半导体激光器15的激活层11时相同的温度下，需要存在1e19cm-3或更大的高浓度的Zn。
这样，红外半导体激光器8的激活层4需要使Zn扩散成过剩，但同时形成端面窗结构时，对红外半导体激光器8的激活层4的Zn扩散不足，因而不充分产生无序化，存在不作为端面窗结构起作用的课题。
本发明的目的在于提供一种单片2波长半导体激光器及其制造方法，该激光器具有所希望的端面窗结构，即使在单一衬底上配置红光半导体激光器和红外半导体激光器并同时形成端面窗结构时，也在红外半导体激光器的激活层中产生充分无序化。
发明内容
为了解决上述课题，本发明第1方面的单片2波长半导体激光器，在第1导电型衬底上形成振荡波长不同的第1半导体激光器、第2半导体激光器，其中具有端面窗结构，并且第1导电型衬底上具有：包含第1导电型的第1包层、多量子阱结构的第1激活层、和第2导电型的第2包层的第1半导体激光器双异质结结构、以及包含第1导电型的第3包层、多量子阱结构的第2激活层、和第2导电型的第4包层的第2半导体激光器双异质结结构，其中，第2半导体激光器的第4包层的氢浓度高于第1半导体激光器的第2包层的氢浓度。
本发明第2方面的单片2波长半导体激光器是在第1方面中，相对于第1半导体激光器的第1导电型的第1包层的氢浓度，第2导电型的第2包层的氢浓度高；相对于第2半导体激光器的第1导电型的第3包层的氢浓度，第2导电型的第4包层的氢浓度高。
本发明第3方面的单片2波长半导体激光器的制造方法，具有以下工序：在第1导电型衬底上形成包含第1导电型的第1包层、多量子阱结构的第1激活层、第2导电型的第2包层、第2导电型的第1接触层的第1半导体激光器的双异质结结构的工序、蚀刻掉第1半导体激光器的部分双异质结结构的工序、形成包含第1导电型的第3包层、多量子阱结构的第2激活层、第2导电型的第4包层、第2导电型的第2接触层的第1半导体激光器的双异质结结构的工序、蚀刻掉第1半导体激光器的双异质结结构上形成的第2半导体激光器的双异质结结构的工序、在氢化物的氛围中进行退火的工序、以及在所述叠层结构的端面部形成杂质，并以进行热处理的方式使杂质同时扩散到所述第1激活层和第2激活层，从而形成端面窗结构的工序。
本发明第4方面的单片2波长半导体激光器是在第1方面中，第1半导体激光器的双异质结结构是红光半导体激光器，第2半导体激光器的双异质结结构是红外半导体激光器。
本发明第5方面的单片2波长半导体激光器的制造方法是在第3方面中，第1半导体激光器的双异质结结构是红光半导体激光器，第2半导体激光器的双异质结结构是红外半导体激光器。
本发明第6方面的单片2波长半导体激光器的制造方法是在第3方面中，第1半导体激光器的双异质结结构比第2半导体激光器的双异质结结构先形成。
本发明第7方面的单片2波长半导体激光器是在方面1中，第1半导体激光器的第1导电型的第1包层和第2导电型的第2包层、以及第2半导体激光器的第1导电型的第3包层和第2导电型的第4包层是包含磷的材料。
本发明第8方面的单片2波长半导体激光器的制造方法是在第3方面中，第1半导体激光器、第2半导体激光器中都将磷作为V族元素。
根据上述组成，制作波长不同的2个半导体激光器时，通过控制包层的氢浓度，促进窗区的Zn扩散，容易完成窗区的同时制作。
附图说明
图1A～图1C是示出本发明的2波长半导体激光器的制造方法前半工序的剖视图。
图2A～图2C是示出本发明的2波长半导体激光器的制造方法后半工序的剖视图。
图3是该实施方式完成的2波长半导体激光器的剖视图。
图4A～图4D是已有的2波长半导体激光器的制造工序图。
具体实施方式
下面，根据具体实施方式说明本发明的单片2波长半导体激光器的制造方法。
图3示出本发明的单片2波长半导体激光器。
作为红光半导体激光器15的双异质结结构122，在由n-GaAs组成的衬底101上的一部分，形成n-GaAs缓冲层102、n-AlGaInP包层103，并且添加Si作为n型杂质，杂质浓度为1e18cm-3左右。
在上述n-AlGaInP包层103上，形成由GaInP阱层和AlGaInP阻挡层组成的振荡波长为650nm的多量子阱结构的激活层(第1激活层)104。端面窗区的由GaInP阱层和AlGaInP阻挡层组成的振荡波长为650nm的多量子阱结构的激活层104的Zn浓度为3e18cm-3左右。
在上述振荡波长为650nm的多量子阱结构的激活层104上，形成p-AlGaInP包层(第2包层)105、p-GaInP中间层106、p-GaAs接触层107，并且添加Zn作为p型杂质，杂质浓度为1e18cm-3左右。
作为红外半导体激光器8的双异质结结构121，与红光半导体激光器15的双异质结结构相邻地在n-GaAs衬底101上形成添加1e18cm-3左右的Si的n-GaAs缓冲层102、n-AlGaInP包层(第3包层)108。
在上述n-AlGaInP包层108上，形成由GaAs阱层和AlGaAs阻挡层组成的振荡波长为780nm的多量子阱结构的激活层(第2激活层)109。
端面窗区的由GaAs阱层和AlGaAs阻挡层组成的振荡波长为780nm的多量子阱结构的激活层109的Zn浓度为1e19cm-3左右。
在上述由GaAs阱层和AlGaAs阻挡层组成的振荡波长为780nm的多量子阱结构的激活层109上，形成添加1e18cm-3左右的Zn的p-AlGaInP包层(第4包层)110、p-GaInP中间层111、p-GaAs接触层112。
这样，红光半导体激光器15的双异质结结构和红外半导体激光器8的双异质结结构为单片结构。
红光半导体激光器15的双异质结结构的p-AlGaInP包层105的氢浓度为1e18cm-3，红外半导体激光器8的双异质结结构的p-AlGaInP包层110的氢浓度为1.5e18cm-3，第4包层110的氢浓度高于第2包层105的氢浓度，Zn为容易扩散的状态。
接着，说明形成次序。
利用有机金属化学汽相淀积法(MOCVD)的外延生长法，如图1A所示，在偏离10度的n-GaAs衬底101上形成添加Si作为杂质的n-GaAs缓冲层102、n-AlGaInP包层103。所述n-GaAs缓冲层102、n-AlGaInP包层103的杂质浓度为1e18cm-3左右。
在n-AlGaInP包层103上，形成由GaInP阱层和AlGaInP阻挡层组成的振荡波长为650nm的多量子阱结构的激活层104。
在激活层104上，依次使添加Zn作为杂质的p-AlGaInP包层105、p-GaInP中间层106、p-GaAs接触层107外延生长，从而形成红光半导体激光器15的构成双异质结结构的叠层结构。p-AlGaInP包层105、p-GaInP中间层106、p-GaAs接触层107的Zn杂质浓度为1e18cm-3左右。
接着，蚀刻红光半导体激光器15的部分双异质结结构，并形成红外半导体激光器8的双异质结结构的生长部的区域。
接着，如图1B那样，形成添加Si作为杂质的n-AlGaInP包层108，其杂质浓度为1e18cm-3左右。在n-AlGaInP包层108上形成由GaAs阱层和AlGaAs层组成的振荡波长为780nm的多量子阱结构的激活层109。进而，在此激活层109上依次使添加Zn作为杂质的p-AlGaInP包层110、p-GaInP中间层111、p-GaAs接触层112外延生长，从而形成红外半导体激光器元件8的构成双异质结结构的叠层结构。杂质浓度为1e18cm-3左右。
接着，如图1C所示，利用蚀刻去除红光半导体激光器15的双异质结结构上生长的红外半导体激光器元件8的双异质结结构。
接着，在作为氢化物的砷化氢范围中用等于或高于500℃的温度进行退火，以提高p-AlGaInP层110的氢浓度。
这种处理在图2A～图2C所示的侧视图(谐振器纵向截面)的工序中进行。
图2A中，除发光端面附近的窗区118以外的部分上形成掩模113，在该区上，如114所示那样淀积ZnO膜，进而形成SiO2膜，作为盖层117。图中的括号外的符号对应于红光半导体激光器15，括号内的符号对应于红外半导体激光器8。此状态下用600℃进行退火，使作为杂质的Zn有选择地扩散，如图2B所示。详细而言，在上方形成ZnO膜114的窗区118中，来自ZnO膜114的Zn挤出下层的Zn或原样扩散到激活层104(或109)在整个端面形成高浓度Zn扩散区119从而使Zn在激活层104(或109)内扩散的区域成为MQW结构无序化的区域。
如图2C所示，利用以上的工序，红光半导体激光器15的双异质结结构的端面窗部115的Zn浓度为3e18cm-3，氢浓度为1e18cm-3左右，第2红外半导体激光器的双异质结结构的端面窗部116的Zn浓度为1e19cm-3，氢浓度为1.5e18cm-3左右。
端面窗部的PL(光致发光)波长对第1红光半导体激光器的双异质结结构为600nm，对第2红外半导体激光器的双异质结结构为730nm时，形成所希望的无序化状态。
根据诸发明人的专心研究，判明晶体中的氢浓度增加时，促进Zn的非激活化，形成端面窗部结构时的Zn的扩散速度加快，而且先形成的双异质结结构在接着形成双异质结结构时，氢散逸，所以第2导电型包层的Zn扩散速度变慢。
本发明中，由于红外半导体激光器的双异质结结构，使用由GaAs阱层和AlGaAs阻挡层组成的多量子阱激活层，解决比使用由GaInP阱层和AlGaInP阻挡层组成的多量子阱激活层的红光半导体激光器的双异质结结构Zn扩散带来的多量子阱结构无序化费时的问题，所以通过从红光半导体激光器的双异质结结构进行形成，使红外半导体激光器8的第2导电型的第4包层110的氢浓度为高于红光半导体激光器15的第2导电型的第2包层105的氢浓度的状态。最好使第4包层110的氢浓度与第2包层105的氢浓度之差大于或等于0.5e18cm-3。由此，无序化花费时间的红外半导体激光器的第2导电型包层的Zn扩散速度加快，单片2波长半导体激光器的所希望端面窗状态可同时形成。
再者，本发明中，通过在砷化氢氛围中进行退火，蓄意使晶体中的氢浓度增加。因此，能使第2导电型包层中的氢浓度提高，Zn的扩散速度加快，可缩短形成端面窗结构用的退火时间。
本发明提供一种在单一衬底上配置红光半导体激光器和红外半导体激光器，并且同时形成端面窗结构时红外半导体激光器的激活层也产生充分无序化，从而具有所希望的端面窗结构的2波长半导体激光器。

Claims (8)

1、一种单片2波长半导体激光器，在第1导电型衬底(101)上形成振荡波长不同的第1半导体激光器、第2半导体激光器，其特征在于，
具有端面窗结构，并且第1导电型衬底(101)上具有
包含第1导电型的第1包层(103)、多量子阱结构的第1激活层(104)、和第2导电型的第2包层(105)的第1半导体激光器双异质结构、以及
包含第1导电型的第3包层(108)、多量子阱结构的第2激活层(109)、和第2导电型的第4包层(110)的第2半导体激光器双异质结构；
第2半导体激光器的第4包层(110)的氢浓度高于第1半导体激光器的第2包层(105)的氢浓度。
2、如权利要求1中所述的单片2波长半导体激光器，其特征在于，
相对于第1半导体激光器的第1导电型的第1包层的氢浓度，第2导电型的第2包层的氢浓度高；相对于第2半导体激光器的第1导电型的第3包层的氢浓度，第2导电型的第4包层的氢浓度高。
3、一种单片2波长半导体激光器的制造方法，其特征在于，包括以下工序：
在第1导电型衬底(101)上形成包含第1导电型的第1包层(103)、多量子阱结构的第1激活层(104)、第2导电型的第2包层(105)、第2导电型的第1接触层(107)的第1半导体激光器(15)的双异质结结构的工序、
蚀刻掉第1半导体激光器(15)的部分双异质结结构的工序、
形成包含第1导电型的第3包层(108)、多量子阱结构的第2激活层(109)、第2导电型的第4包层(110)、第2导电型的第2接触层(112)的第2半导体激光器(8)的双异质结结构的工序、
蚀刻掉第1半导体激光器(15)的双异质结结构上形成的第2半导体激光器(8)的双异质结结构的工序、
在氢化物的氛围中进行退火的工序、以及
在所述叠层结构的端面部形成杂质，并以进行热处理的方式使杂质同时扩散到所述第1激活层(104)和第2激活层(109)，从而形成端面窗结构的工序。
4、如权利要求1中所述的单片2波长半导体激光器，其特征在于，
第1半导体激光器的双异质结结构是红光半导体激光器，第2半导体激光器的双异质结结构是红外半导体激光器。
5、如权利要求3中所述的单片2波长半导体激光器的制造方法，其特征在于，
第1半导体激光器的双异质结结构是红光半导体激光器，第2半导体激光器的双异质结结构是红外半导体激光器。
6、如权利要求3中所述的单片2波长半导体激光器的制造方法，其特征在于，
第1半导体激光器的双异质结结构比第2半导体激光器的双异质结结构先形成。
7、如权利要求1中所述的单片2波长半导体激光器，其特征在于，
第1半导体激光器的第1导电型的第1包层和第2导电型的第2包层、以及第2半导体激光器的第1导电型的第3包层和第2导电型的第4包层是包含磷的材料。
8、如权利要求3中所述的单片2波长半导体激光器的制造方法，其特征在于，
第1半导体激光器、第2半导体激光器中都将磷作为V族元素。
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