TW504880B - Semiconductor laser device and method of manufacturing the same - Google Patents

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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)

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）