TW504880B - Semiconductor laser device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
504880 A7 B7 五、發明説明(1 相關申請案之交叉參照 此文件是根據2000年9月14日於日本專利局申請之JP 2000-279552優先權文件,該文件以引用的方式併入本文中。 發明背景 1.發明範疇 本發明係關於一種空氣脊狀式半導體雷射裝置及其製造 方法。特別是,本發明係關於一種使用壽命長且具備優異 射出電流和光輸出相關性的空氣脊狀式半導體雷射裝置及 其製造方法。 2 .相關技藝説明 現今存在多種波導結構之半導體雷射裝置。其已知結構 中,一種脊狀波導式的半導體雷射裝置,其容易製造的特 性常被拿來和嵌入式半導體雷射裝置比較。這種空氣脊狀 波導式半導體雷射裝置(此後,簡稱空氣脊狀半導體雷射裝 置)可依下列方法製造。第一:將上披覆層的上部以蝕刻方 式形成一脊狀帶。由於上覆蓋層下部突出之厚度的緣故, 將造成側向(水平方向)折射率的不同。所以,一具備側向 光侷限結構之波導裝置是可理解的。本空氣脊狀半導體雷 射裝置具有易形成光波導之優點,而且由於眞實折射率波 導其低内損之特性,只需較少電流即可進行操作。 參考.第6圖,以一包含銘鎵銦嶙(AlGalnP)的空氣脊狀式 半導體雷射裝置爲例來解釋其傳統結構。第6圖爲其剖面圖 。該傳統半導體雷射裝置爲一多層結構包含:一η型砷化鎵 (GaAs)基板52,依序成長於其上之數個磊晶層,包括由η -4- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
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型銘鎵銦磷(AlGalnP)組成之第一披覆層(下披覆層)54、一 鎵銦嶙(GalnP)組成之活性層5 6、一由ρ型銘鎵銦鱗 (AlGalnP)組成之第二披覆層(上披覆層)58、一由p型鎵銦 _(GaInP)組成之中間層59及一由p型砷化鎵(GaAs)組成之 接觸(覆蓋)層60。 其多層結構中,接觸層6 0、由p型鎵銦磷(GalnP)組成之 中間層59和第二披覆層58之上部均被蝕刻成一脊狀帶62。 換言之,第二披覆層58包含與接觸層6〇、中間層59共同 形成脊狀帶62之上層58a和位於該上層58a下方且突出於其 下端兩側之薄下層5 8 b。然後,以一層介電層(例如··二氧 化碎Si〇2)堆疊於第二披覆層下層58b與脊狀帶62側面上方 形成一保護層64。然而,脊狀帶62的上表面不能以保護層 覆蓋’以供電流射出之用。此外,一層p電極6 6形成於保 護層64且未被保護層64覆蓋之接觸層6〇上方;而且,一層 η電極68則形成於坤化鎵(GaAs)基板52之背面(圖面上之底 表面)。 此種傳統空氣脊狀型半導體氣體雷射裝置具有一預定工 作特性期間的致命問題。換言之,此裝置壽命短。例如: S需要一固定光輸出時,將造成工作時間越長所需工作電 泥愈大的問題。相對的,如果工作電流需要維持一定,其 光輸出將隨工作時間增長而遞減。此問題已顯示在特別是 由包含銘坤化鎵(AlGaAs)或鋁鎵銦磷(AlGalnP)材質所組成 的2氣脊狀半導體雷射裝置。 結果’此空氣脊狀式半導體雷射裝置應用於例如需要高
可靠度的光碟紀錄/再生裝置之光讀取頭有其困難之處。所 又目則僅應用於對可靠度需求較低之雷射指向器之領域。 於疋’南可靠度、長壽命之空氣脊狀式半導體氣體雷射 裝置有其需求。 在研究傳統空氣脊狀式半導體氣體雷射裝置過程中,發 明者認爲-個導致空氣脊狀式半導體雷射裝置壽命短的因 素如下,由於藉蝕刻作用所暴露的第二披覆層與介電層之 介面或其歐姆金屬(用於歐姆電極之金屬)於形成脊狀帶時 <化子性貝不穩足’當雷射作料’工作電流射出將加速 其披覆層結晶之劣〖。因此,發明者提出一利用磊晶成長 且其晶格常數接近第二披覆層之保護層來提高第二披覆層 (化學穩定度。此半導體雷射裝置以及其製造方法之發明 已經經實驗證明且在此提出專利申請。 發明概述 本發明的第-觀點是提供—空氣絲半導體雷射袭置, 其結構爲-介於第-披覆蓋(下披覆層)和第二披覆層(上披 覆層)之活性層’而此二披覆層其導電型互異。第二披覆層 包含-形成脊狀帶之上層和位於其上層下方且突出於其下 端兩侧之下層。—保護制披覆於第二披覆層下層之上表 ,和脊狀帶之側面,而脊狀帶之上表面則不予覆蓋。此空 氣脊狀式半導體雷射裝置,其保護層是由_種化合物半5 ,層以羞晶方式於第二披覆層下層上表面和脊狀帶侧面成 長而成。 本發明以此蟲晶成長的保護層來防止第二披覆層結晶劣 504880 A7
化之現象。於是’如需要固定光輸出時,随工 高工^電流和當工作電流維持—定,光輸“隨工=2 遞減等傳統性問題都不致發生。 時間 本發明不限定其多層結構的化合物半導體材質,其社 是由-活性層介於兩個不同導電型之披覆層以三明治:構 式所構成。此外,第二披覆層之成分亦無限制。/σ、形 構成此保護層的化合物半導體層最好其導電型異於第一 披覆層。如此一來,由於ρ_η接合處的隔離作用,此保護屑
裝 將形成一電流侷限區域導致較佳的射出電流與光輸柏二 特徵。 關 由於保護層直接以磊晶方式成長於第二披覆層之下層和 脊狀帶的側面,基於保護層和第二披覆層晶格吻合性的考 量,其晶格常數相近爲佳。若保護層和第二覆蓋層其晶格 帛數差異性爲6 %或以下則更佳。例如:一活性層介於兩勺 含鋁鎵銦磷(AlGalnP)的異導電型披覆層結構中,若第二披 覆層爲一鋁鎵銦鱗(AlGalnP)層,則保護層以包括坤化鎵 (GaAs)或鎵銦磷(GalnP)爲佳。 馨 其磊晶化合物半導體所構成之保護層厚度必須介於〇 15微 米和〇·3微米之間。 本發明者經實驗證明,如果其保護層厚度大於〇15微米, 發明之所述效應將可充分達成。因爲此保護層將改善第二 披覆層由於經蝕刻所造成的表面化學不穩定現象。其保護 層膜厚必須足夠,以達到穩定經蝕刻表面之功能。 因此,其保護層可經由MOCVD(有機金屬化學汽相沈積) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 504880 A7 B7
或其近似方法以磊晶方式均勻成長以達到其最低膜厚需求 ;亦就是大於或等於0.15微米。 另一方面,保護層厚度上限〇·3微米是基於半導體雷射裝 置製造流程的考量,係藉由選擇性區域成長方法,其保護 層需具備可以磊晶方式成長於第二披覆層的成分。例如: 如果第二披覆層包含鋁鎵銦磷(A1GaInP),則其保護層以包 含砷化鎵(GaAs)或鎵銦磷(GaInP)爲佳。假設上述材質使用 於包含鋁鎵銦磷(AlGalnP)的雷射多層結構,其第二披覆層 和保護層的晶格常數的差異性將小於或等於〇 6%,符合良 好磊晶成長的需象。 此多層化合物半導體的波段間隔小於其半導體雷射裝置 的振動波長,例如:包含鋁鎵銦磷(A1GaInP)的化合物半導 體的波段間隔爲650奈米(nm)。因此,由於化合物半導體保 護層光吸收所造成的光損失將會減少而降低其内損,此爲 本it氣脊狀波導結構之一優點。所以,其保護層的適當厚 度爲等於或小於0.3微米。相對的,如果保護層的厚度大於 0.3微米’本發明將難以增進其效應。 第二披覆層之下層的厚度以小於或等於〇·6微米爲佳。作 爲形成一低折射率區域的第二披覆層之下層的厚度決定係 基於以下的假想··目前半導體雷射工作特性惡化的原因尚 不明瞭。狹義上,其中一個導致工作特性惡化的因素是由 活性層自然射出之光將於介面以介面能量再結合進而導致 缺陷的增加。如果此假設爲眞,第二披覆層之下層的厚度 如果僅與一般半導體雷射裝置的披覆層厚度相同,則上述 • 8 - 本紙張尺歧 裝 訂 * 504880 A7 B7 五、發明説明(6 ) 效應將顯現於本發明中。 ,因此,既然一般半導體雷射裝置的厚度介於丨微米與2微 米之間,其化合物半導體保護層將可有效地使用於第二披 覆層(下層的厚度等於或小於2微米之半導體雷射裝置。尤 其當第二披覆層之下層的厚度等於或小於〇·6微米時,其形 成折射率波導之效應將被改善,而且於空氣脊狀式結構罕 見的低電流作用將被啓動,因此,將增加本發明的功效。 藉著以系晶方式成長於第二披覆層之下層表面和脊狀帶 側面的化合物半導體保護層,本空氣脊狀式半導體雷射裝 置之發明將較傳統空氣脊狀式雷射裝置顯著地提高工作壽 命。既然半導體雷射|置之發明彳?文良射ά電流和光輸: 的相關特性,相較於傳統隆起式半導體裝置,在相同的光 輸出條件下,可降低其工作電流。 圖式簡單説明 經由所示的本發明相關範例和其附圖説明,將可清楚地 瞭解與本發明相關之上述和其他的物件、特徵和優點。 圖1爲本發明具體實施例之空氣脊狀半導體雷射裝置的 面圖。 .圖2Α到圖2C爲本發明空氣脊狀半導體雷射裝置的各製造 流程步驟實施例之剖面圖。 ° 圖3爲供一實驗上比較用之比較式半導體雷射裝置結構剖 面圖。 圖4係顯示實驗一的結果之線圖,係此比較式半導體雷射 裝置其作用時間與惡化速率的相對應關係。 田 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21〇χ 297公釐) 裝 訂 -9- 五、發明説明(7 圖5係顯不實驗二的結果之線圖,係此樣本式半導體雷射 裝置其作用時間與惡化速率的相對應關係。 圖6爲傳統空氣脊狀半導體雷射裝置結構剖㊆圖。 較佳具體實施例説明 藉由參考附圖’將特定且精確地説明本發明之具體實施 例0 (2氣脊狀半導體雷射裝置範例)
裝 鬱 此爲本發明空氣脊狀半導體雷射裝置之具體實施例。圖^ 爲本發明貫例之2氣脊狀半導體雷射裝置的剖面圖。本具 缸實施例之半導體雷射裝置丨〇爲一包含鋁鎵銦磷(AlGainp) t空氣脊狀半導體雷射裝置。如圖丨所示,其多層結構將依 下列順序以磊晶方式成長於一 n型砷化鎵(GaAs)基板丨2上 。一膜厚1.5微米、載子密度5xl〇i7cm·3、由n型鋁鎵銦磷 (Al0.7GaInP)所構成的第一披覆層14 ; 一由鎵銦磷(GaInp) 所構成之活性層16 ; 一膜厚15微米、載子密度5xl〇17cm·3 、由p型銘鎵銦麟(Alo^GalnP)所構成的第二披覆層is ; — 由P型鎵銦鱗(GalnP)所構成的中間層19和一膜厚〇.3微米 、載子密度lxl019cm·3、由p型砷化鎵(GaAs)所組成的接觸 層(覆蓋層)20。 本多層結構中,其接觸層20、中間層19和第二披覆層18 的上邵經蚀刻成一脊狀帶2 2。換句話説,第二披覆層1 8包 含與接觸層20、中間層19共同構成脊狀帶22之上層18a和 一位於第二披覆層18的上層l8a下方且突出於其兩側之薄 下層18b。本實例中,第二覆蓋層18之下層18b的厚度,,t -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 504880 A7 _ B7 五、發明説明(8 ) "(參照圖1 )爲〇 . 3微米。 一膜厚0.15微米、載子密度5\1017〇111-3、由11型珅化鎵 (GaAs)所構成之保護層2 4 ’以系晶方式成長於下詹1 α的 上表面和脊狀帶2 2側面。基於作爲電流射出區域之考量, 脊狀帶上表面則不予保護層。 一具有和接觸層歐姆式接觸之金屬膜;如鈦/鉑/金 (Ti/Pt/Au)多層金屬膜,於保護層24和暴露於保護層24 之接觸層20邵分,形成一 p電極26。一歐姆接觸式金屬層 ,例如鍺化金/鎳/金(AuGe/Ni/Au)多層金屬膜,於η型砰化 鎵(GaAs)所構成的基板1 2背面(圖中之底表面)形成一 η電 極28。 (一半導體雷射裝置之製造方法範例) 此爲一應用本空氣脊狀半導體雷射裝置發明之製造方法 實施例。圖2Α到圖2C爲本發明空氣脊狀半導體雷射裝置 的各製造流程步驟實例之剖面圖。首先,如圖2 Α所示,其 多層結構將依下列順序利用有機金屬化學汽相沈積 (MOC VD)或其近似方法以蟲晶方式成長於一 η型坤化鎵 (GaAs)基板12上。一膜厚1.5微米、載子密度5xi〇17cm·3、 由η型鋁鎵銦磷(AlojGalnP)所構成的第一披覆層14 ; 一由 鎵銦鱗(GalnP)所構成之活性層16 ; —膜厚ι·5微米、載子 密度5xl017cnT3、由p型鋁鎵銦磷(AlojGalnP)所構成的第二 披覆層18 ; —由p型鎵銦嶙(GalnP)所構成的中間層19和一 膜厚0.3微米、載子密度lxl019cnT3、由p型砷化鎵(GaAs) 所組成的接觸層2 0。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 504880 A7 B7 五、發明説明(9 ) 然後,如圖2 B所示,一氮化矽(SiN)膜形成於接觸層20 上並將之圖案化作爲蝕刻罩幕3 0。然後,接觸層2 〇、中間 層19和第二披覆層18之上部經蝕刻形成脊狀帶22。此時, 第一披覆層18之下邵並未蚀刻而形成下層18b。第二披覆 層18經由此程序形成其上層18a ;其成爲脊形帶22的一部 份;和一位於脊狀帶22下方且突出於其脊狀帶22下端兩侧 、厚度0.3微米之下層18b。 如圖2C所示,接著利用蝕刻罩幕3〇作爲選擇區域成長方 法的屏障。一膜厚〇·15微米、載子密度5xl〇1、m-3、由η型 砷化鎵(GaAs)所構成之保護層24,利用有機金屬化學汽相 沈積法以磊晶方式成長於脊狀帶22側面和第二披覆層18之 下層18b的上表面。 接著移除蝕刻罩幕3 0,然後以一具有和接觸層歐姆式接 觸之鮝屬膜,例如鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)多層金屬膜,於保 護層24和暴露於保護層24之接觸層2〇部分,形成一p電極 26。此外,一歐姆接觸式金屬層,例如鍺化金/鎳/金 (AuGe/Ni/Au)多層金屬膜,於11型坤化鎵(GaAs)所構成的 基板12背面(圖中 <底面)形成一 n電極28。經此方法形成 如圖1所示之半導體雷射裝置1〇。 進行下列實驗以評估本半導體雷射裝置1〇之性能。 (實驗1) 首先’以一相同振盪器結構但無保護層2 4之半導體雷射 裝^0作爲-比較例Q如圖3所示’以_?電極直接成長於 第二披覆層的下層和脊狀帶的半導體雷射裝置(爾後稱爲比 -12 - I纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297U]-—-- 504880 A7 B7 五、發明説明(10 較式半導體雷射裝置)來進行實驗。 如圖3所示,此比較式半導體雷射裝置4 0,其多層結構 將依下列順序以磊晶方式成長於一 η型坤化鎵(GaAs)基板 12上。一由η型鋁鎵銦磷(Al〇.7GaInP)所構成的第一披覆層 ;一由鎵銦磷(GalnP)所構成之活性層16 ; —由p型鋁鎵銦 磷(AlwGalnP)所構成的第二披覆層is ; —由p型鎵銦磷 (GalnP)所構成的中間層19和一由p型砷化鎵(GaAs)所組成 的接觸層(覆蓋層)20 ;其與半導體雷射裝置1〇相同。此多 層結構中的接觸層20、中間層19和第二披覆層18的上部分 ,亦就是其上層18a,經由蝕刻形成一脊狀帶22 ;其與半 導體雷射裝置10相同。此比較式半導體雷射裝置4〇,以一 鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)多層金屬膜,於第二覆蓋層18之下層 18b的上表面和脊形帶22,形成一p電極26。此外,一鍺化 金/鎳/金(AuGe/Ni/Au)多層金屬膜,於n型砷化鎵(GaAs) 所構成的基板12背面形成一 η電極28。 此比·較式半導體雷射裝置4〇以固定光輸出連續操作,並 從起始作用時間開始量測每一作用電流,用以計算作用· 流的增加速率。其結果如圖4所示。圖4中,橫座標表示: 作用時間,縱座標表示相對於作用時間的劣化速在^ ’其"劣化速率"即類似於作用電流增加率。例如 = 率1 0%即意响在當時的所量測的作用電流爲i 、 在相同的錄出下,相料其初始値電^也就疋 。數字…”、…⑽⑽此比較式::;:1。% 本代表數字。 干等姐的實驗樣 13- B7 五、發明説明(n ) 由圖4可見,此比較式半導體雷射裝置的劣化速率明顯爲 南。最大的電流增加速率爲樣本2 〇的3 7 ·丨2 %且發生於開 始作用後300小時;最小値爲樣本19的12 〇8%。 如果定義當劣化速率達到2 〇%時將成爲不穩定狀態,從 圖4中若以此比較式半導體雷射裝置其劣化速率最低的樣本 19來評估其使用壽命約4〇〇小時。而當開始作用3〇〇小時時 ,樣本20的劣化速率已達37%,樣本16、17和18也都幾 乎處於不穩定狀態。 (實驗2 ) 本半導體雷射裝置實施例具有和半導體雷射裝置1〇相同 的結構(爾後稱爲”樣本式半導體雷射裝置”)並製成樣本工工 、12、13、14和15。每個樣本式半導體雷射裝置以固定 光輸出連續操作,並從起始作用時間開始量測每一作用電 流,用以計算作用電流的增加速率。其結果如圖5所示。數 子11、12、13、14和15爲此樣本式半導體的實驗樣本代 表數字。 由圖5可知,此樣本式半導體雷射裝置的劣化速率明顯低 於比較式半導體雷射裝置的劣化速率。最大的電流增加速 率爲樣本15的5.62%且發生於開始作用後5〇〇小時;最小値 爲樣本1 4的4.09%。 同實驗1 ’假設定義當劣化速率達到2 〇 %時將成爲不穩定 狀悲,攸圖5中若以此樣本式半導體雷射裝置其劣化速率相 對較高的樣本15來評估其使用壽命,則約3〇〇〇小時。 (實驗3) •14· B7 五、發明説明(12 ) 此外,製造五件具有二氧化矽(si〇2)保護層64且其結構 與傳統半導體雷射裝置5〇(如圖6所示)相同之半導體雷射 裝置(爾後稱爲”傳統式半導體雷射裝置”),以供進行如上 坭的實驗1和2之用。其結果顯示,五件傳統式半導體雷射 裝置於作用開始10小時之前均已無法振動。 田 ,於第二披覆層18之下層18b的上 使用以半導體磊晶方式形成的保護 由實驗1至3結果可知, 表面和脊狀帶2 2側面,植 層24將進行保護。相較於傳統式和比較式半導體雷射裝置 ,將顯著地提高其壽命。 此外,本半導體雷射裝置實施例亦改善其射出電流和光 輸出的相關特十生。相較於傳統空氣脊狀半導體雷射裝置, 在相同,的光輸出下,其所需工作電流少3毫安培(mA)。 此外由於生氣脊狀結構低内損的特性,其内損値可維 持與傳統空氣脊狀式半導體雷射裝置實質相同。因此,其 内知可較敗入式砷化鎵(GaAs)的一般嵌入式波導少。 、在上述那些實施例中,雖然以包含銘嫁鋼鱗⑷㈤np)的 半導體雷射裝置爲例來説明本發明。但本發明並不限定應 用於其半導體雷射裝置的材質。例如,包含銦磷(inp),包 口 i銦鱗(GalnP) ’包含銦鎵绅嶙(InGaAsp)或其他近似材
雖然本發明以其具相#特殊性的較佳形式來説明,但顯 仍有許多可能的改變與變化於其中。除了此特定性 外,/、要不脱離其範圍和精神,本發明均可加以應 -15-
Claims (1)
- 種文氣脊狀式半導體雷射裝置,包含一介於 .:、的第-披覆層與第二披覆層之間以三 ::目 二生層之結構;該第二披覆層包含一形成脊狀 二/仅於此上層下方且突出於上層下端兩側之下層;: 並〃成於居第一披覆層之下層的上表面和該脊狀帶除了 其上表面外的側面之保護層;其中: 、碌保護層爲一以磊晶方式成長於該第二披覆層之下層 2. 勺上表面和戎脊狀帶之側面的化合物半導體層。 如申請專利範圍第!項之半導體雷射裝置,其中該保護 b爲種其導黾型與該第二披覆層不同之一化合物半導 體層。 .如申凊專利範圍第1項之半導體雷射裝置,其中該保護 層和該第二披覆層的晶格常數的差異爲等於或小於6 %。 4 .如申請專利範圍第1項之半導體雷射裝置,其中該保護 層的膜厚爲介於〇.15微米和0.3微米之間。 5 .如申請專利範圍第1項之半導體雷射裝置,其中該第二 披覆層之下層的膜厚爲等於或小於〇 6微米。 6 .如申請專利範圍第1項之半導體雷射裝置,其中該結構 具有一介於該第一披覆層與該第二披覆層間而以三明治 形式形成之活性層;其披覆層爲包含鋁鎵銦磷 (AlGalnP)且導電型相異的化合物半導體;和包含坤化 鎵(GaAs)或鎵銦磷(GalnP)其中一項之該保護層。 7. —種製造空氣脊狀式半導體雷射裝置的方法,包括以下 步驟: -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 504880 A B c D 申請專利範圍 一形成多層結構之步驟;藉由磊晶成長法於一化合物 半導體基板形成均包含化合物半導體層之一第一披覆層 、一活性層、一第二披覆層和一接觸層’ 一蚀刻該多層結構的接觸層和第二披覆層的步驟;用 以形成一脊狀帶,其包含該接觸層、該第二披覆層的上 層和突出於其上層下端兩側之該第二披覆層的下層; 一以磊晶方式成長保護層之步驟;保護層包含與該第 二披覆層導電型相異之一化合物半導體層,以選擇性區 域方法成長於除了該接觸層之上表面之外的該第二披覆 層之上表面和該脊狀帶的側面之上;以及 一於該接觸層的上表面形成金屬膜之步驟;用與該接 觸層形成歐姆接觸之一電極。 17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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