專利名稱:半導(dǎo)體激光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光元件。
背景技術(shù):
為增大硬盤裝置(HDD =Hard disc Drive,硬盤驅(qū)動)的存儲容量而需要向磁盤的微小區(qū)域?qū)懭胄盘枴榧却_保信號的熱穩(wěn)定性又于微小區(qū)域記錄信號而需要熱性穩(wěn)定的記錄媒體,但如此一來會產(chǎn)生覆寫需要較強(qiáng)的磁場的問題。當(dāng)前在現(xiàn)有的GMR(Giant Magneto Resistance,巨磁電阻)方式下記錄密度趨于飽和,因而希望實(shí)現(xiàn)“熱助記錄”方式。“熱助記錄”方式為以激光二極管(半導(dǎo)體激光元件)為熱源暫時性減弱保持磁場的力而進(jìn)行寫入的方式。
[先前技術(shù)文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)]
[專利文獻(xiàn)I]日本專利特開2006-269581號公報
[非專利文獻(xiàn)]
[非專利文獻(xiàn) 1]H.C. Casey Jr. , D. D. Sell, and M. B. Panish, “Refractive index of AlxGa1^Asbetween I. 2 and I. 8eV,,,Applied Physics Letters, Vol. 24, No. 2, 63-65(1974)
[非專利文獻(xiàn) 2]Hidenao Tanaka, Yuichi Kawamura, and Hajime Asahi, “Refractive indices of In0 49Ga0 51_XA1XP lattice matched to GaAs”,Journal of Applied Physics59 (3),985-986(1986)發(fā)明內(nèi)容
[發(fā)明所欲解決的問題]
為與現(xiàn)有的滑動觸頭制作步驟保持親和性,“熱助記錄”方式的記錄裝置中所使用的半導(dǎo)體激光元件與先前的光讀頭用的半導(dǎo)體激光元件不同,需要以較小的芯片尺寸獲得較高的輸出。
此外,半導(dǎo)體激光元件的安裝空間有限,因不同的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計,也有時不僅需要實(shí)現(xiàn)先前的半導(dǎo)體激光元件的通常的TE (Tranverse Electric,橫電)偏光,還要實(shí)現(xiàn) TM(Tranverse Magnetic,橫磁)偏光。
本發(fā)明的目的在于提供一種適于高輸出化的半導(dǎo)體激光元件。
[解決問題的技術(shù)手段]
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光元件包括p型包覆層及n型包覆層;p側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層,其等夾在上述P型包覆層及n型包覆層之間;活性層,其夾在上述p側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層之前,且包含至少一個量子井層。上述p型包覆層及n型包覆層分別包含 (AlxlGa(1_xl))Q.51Ina49P層(0彡xl彡I)。上述p側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層分別包含Alx2Ga(1_x2) As層(0彡x2彡1),且上述量子井層包含AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層(0彡x3彡1,0彡y彡0. 3)。而且,上述AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層具有P組成x3相對于As組成(l_x3)的比x3/(l_x3)滿足 1/4以下的組成。
如量子井層為AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層般包含砷系化合物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體激光元件中,若由例如作為磷系化合物半導(dǎo)體的InGaAlP形成導(dǎo)引層,則存在量子井層的折射率與導(dǎo)引層的折射率的差過大的顧慮。如此一來,光封閉效果過大,從而導(dǎo)致激光諧振器端面部分上的光密度變大。其結(jié)果,易于引起端面光學(xué)損傷(COD :Catastrophic Optical Damage, 災(zāi)變性光學(xué)損傷)。
端面光學(xué)損傷是指在為使半導(dǎo)體激光以高輸出進(jìn)行動作而增加注入電流的情形時,因自身的光輸出而導(dǎo)致激光諧振器端面受到破壞的現(xiàn)象。端面光學(xué)損傷是限制高輸出化的主要原因。
端面的光學(xué)損傷以如下方式產(chǎn)生。在半導(dǎo)體激光的端面(解理面)存在多個界面態(tài)。當(dāng)電子與空穴經(jīng)由該界面態(tài)進(jìn)行非發(fā)光再耦合時,伴隨再耦合而釋放的能量成為熱量。 半導(dǎo)體中隨著溫度上升,該能隙變窄,因此被釋放的數(shù)量加熱的端面的能隙變窄。在半導(dǎo)體激光內(nèi)部電子與空穴再耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)釋放光因端面的能隙變窄而被吸收并再次成為熱量,從而使端面的能隙變得更窄。通過該重復(fù),端面快速地成為高溫、熔融而停止振蕩。
本發(fā)明的構(gòu)成中,量子井層包含作為砷系化合物半導(dǎo)體的AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層,p 側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層分別包含作為砷系化合物半導(dǎo)體的Alx2Ga(1_x2)As層(0彡x2彡I)。 因此,與由作為磷系化合物半導(dǎo)體的InGaAlP形成導(dǎo)引層的情形相比,可減小導(dǎo)引層與量子井層的折射率差。其結(jié)果,可防止光封閉效果變得過大,從而可降低激光諧振器端面部分上的光密度。由此,可抑制端面光學(xué)損傷,從而可實(shí)現(xiàn)高輸出化。
進(jìn)而,形成p側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層的Alx2Ga(1_x2)As(0彡x2彡I)層由于帶隙的調(diào)整幅度較大,因此出射光束的設(shè)計較為容易。例如,可輸出橫剖面的縱橫比接近I的光束, 即橫剖面接近圓形的光束。
此外,上述構(gòu)成中,量子井層包含AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3 層(OS x3 < 1,OS y < 0. 3)。 AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3與作為量子井層使用的其他材料例如InGaP相比帶隙較小。因此,可增大包覆層與活性層之間的帶隙差。由此,可實(shí)現(xiàn)溫度特性良好、即在溫度變化時閾值電流或動作電流的變動較少的半導(dǎo)體激光元件。
此外,本發(fā)明的構(gòu)成中,上述AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層具有P組成x3相對于As組成 (l-x3)的比x3/(l-x3)滿足1/4以下的組成。其原因在于,若P組成x3相對于As組成 (l-x3)的比x3/(l-x3)大于1/4,則會因P組成的增大而導(dǎo)致在量子井層中產(chǎn)生的拉伸畸變增大,從而存在產(chǎn)生裂痕或泄漏電流的顧慮。
在量子井層包含AlGaAsP層的半導(dǎo)體激光元件中,包覆層通常由AlGaAs層形成。本發(fā)明的構(gòu)成中,量子井層由AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層形成,相對于此,包覆層由 (AlxlGa(1_xl))a51Ina49P層形成。因此,可增大包覆層與活性層之間的帶隙差,從而可提高溫度特性。此外,如以下詳細(xì)說明般,由于易于使鋅擴(kuò)散,因此易于制作端面窗口結(jié)構(gòu)。
為抑制端面光學(xué)損傷(COD)而考慮制作使鋅等雜質(zhì)在激光諧振器端面部分?jǐn)U散而擴(kuò)大活性層的帶隙的端面窗口結(jié)構(gòu)。為制作該端面窗口結(jié)構(gòu),于使鋅等雜質(zhì)擴(kuò)散的情形時,若應(yīng)擴(kuò)散雜質(zhì)的區(qū)域含有磷則可加快擴(kuò)散速度。
如上所述,本發(fā)明的構(gòu)成中,p型包覆層及n型包覆層分別包含含有磷的(AlxlGa(1_xl))a51Ina49P層。因此,易于使鋅等雜質(zhì)擴(kuò)散,從而易于制作端面窗口結(jié)構(gòu)。由此, 可實(shí)現(xiàn)適于高輸出化的半導(dǎo)體激光元件。此外,由于使In組成相對于(AlxlGa(1_xl))組成的比為0. 49/0. 51,因此p型包覆層及n型包覆層與GaAs基板晶格匹配,從而可獲得聞品質(zhì)的結(jié)晶。其結(jié)果,可獲得可靠性高的半導(dǎo)體激光元件。
具體而言,上述半導(dǎo)體激光元件較佳為具有上述Alx2Ga(1_x2)As層滿足x2彡0. 4的組成。其原因在于,若x2小于0. 4,則即便于激光諧振器端面部分制作端面窗口結(jié)構(gòu),亦無法充分?jǐn)U大端面部分上的活性層的帶隙。
對該方面更詳細(xì)地進(jìn)行說明。當(dāng)在激光諧振器端面部分制作端面窗口結(jié)構(gòu)時,端面部分上的活性層的帶隙成為導(dǎo)引層的帶隙與量子井層的帶隙的平均值。因此,為通過制作端面窗口結(jié)構(gòu)而充分?jǐn)U大端面部分上的活性層的帶隙,必須使導(dǎo)引層的帶隙為特定值 (具體而言為I. 8eV)以上。另一方面,Al組成x2越大則形成導(dǎo)引層的Alx2Ga(1_x2)As層的帶隙越大。而且,通過使Al組成x2為0. 4以上,可使導(dǎo)引層的帶隙為上述特定值以上。
在半導(dǎo)體激光元件的安裝空間有限的情形時,也有時需要TM模式振蕩。該情形時,上述半導(dǎo)體激光兀件,具體而言上述AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層較佳為具有P組成x3相對于 As組成(l-x3)的比x3/(l-x3)滿足1/9以上且1/4以下的組成。根據(jù)該構(gòu)成,在活性層產(chǎn)生拉伸畸變,與TE模式(Tranverse Electric)相比可提高TM (Tranverse Magnetic)模式的比率(強(qiáng)度比)。量子井層的晶格常數(shù)越小,則可在量子井層產(chǎn)生越大的拉伸畸變。P組成相對于As組成的比越大則形成量子井層的AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層的晶格常數(shù)越小。
P組成相對于As組成的比較佳為1/9以上的原因在于,若該比未達(dá)1/9,則在量子井層中產(chǎn)生的拉伸畸變不充分,因此與TE模式相比難以增大TM模式的比率。另一方面,P 組成相對于As組成的比較佳為1/4以下的原因在于,如上所述若該比大于1/4,則因P組成增大而導(dǎo)致在量子井層產(chǎn)生的拉伸畸變增大,從而存在產(chǎn)生裂痕或泄漏電流的顧慮。
在需要TE模式振蕩的情形時,減少AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層中的P組成即可。該情形時,較佳為制造上使P組成為零。
此外,從壽命的觀點(diǎn)考慮,較佳為量子井層未含有Al。即,從壽命的觀點(diǎn)考慮,較佳為 y = O。
此外,具體而言,上述半導(dǎo)體激光元件較佳為振蕩波長為770nm以上且830nm以下,且上述量子井層的膜厚為9nm以上且14nm以下。
其原因在于,為使半導(dǎo)體激光元件以TM模式振蕩,增厚活性層以減小TE模式與TM 模式的相對振蕩閾值電流即可。在上述量子井層中的Al組成(y)為0時,在振蕩波長為 770nm以上且830nm以下的范圍內(nèi)成為TM模式。
此外,具體而言較佳為,上述半導(dǎo)體激光元件在激光諧振器的端面部分形成有擴(kuò)大上述活性層的帶隙的端面窗口結(jié)構(gòu)。當(dāng)在激光諧振器的端面部分形成有端面窗口結(jié)構(gòu)時,可在該端面部分?jǐn)U大活性層的帶隙。因此,在內(nèi)部電子與空穴再耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)釋放光難以在激光諧振器的端面部分被吸收,因而可抑制發(fā)熱。由此,可抑制端面光學(xué)損傷,從而可實(shí)現(xiàn)高輸出化。
從量產(chǎn)性的觀點(diǎn)考慮,較佳為端面窗口結(jié)構(gòu)通過在激光諧振器的端面部分選擇性地擴(kuò)散例如Zn而形成。也可使用在激光諧振器的端面部分埋入其他材料(例如與包覆層為相同的材料)或者使端面部分的活性層變薄的方法等形成端面窗口結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光元件包括包含磷系化合物半導(dǎo)體的P型包覆層及η型包覆層;夾在上述P型包覆層與η型包覆層之間且包含砷系化合物半導(dǎo)體的P側(cè)導(dǎo)引層及η側(cè)導(dǎo)引層;以及夾在上述P側(cè)導(dǎo)引層與η側(cè)導(dǎo)引層之間且包含含有砷系化合物半導(dǎo)體的量子井層的活性層。
本發(fā)明的一實(shí)施方式中,上述半導(dǎo)體激光元件為包含GaAs基板且以TM模式振蕩者ο
本發(fā)明的一實(shí)施方式中,上述半導(dǎo)體激光元件的諧振器長度為200μπι以上且 600 μ m以下。
本發(fā)明的一實(shí)施方式中,上述半導(dǎo)體激光元件的芯片寬度為50 μ m以上且250 μ m 以下。
本發(fā)明的一實(shí)施方式中,上述半導(dǎo)體激光元件的芯片厚度為30 μ m以上且150 μ m 以下。
圖1是用以說明本發(fā)明的一實(shí)施方式的半導(dǎo)體激光二極管的構(gòu)成的俯視圖。
圖2是沿圖1的II-II線的剖面圖。
圖3是沿圖1的III-III線的剖面圖。
圖4是用以說明上述半導(dǎo)體激光二極管的活性層的構(gòu)成的圖解剖面圖。
圖5是用以說明包覆層、導(dǎo)引層及活性層的帶隙的能帶圖,圖5A是表示本實(shí)施方式的帶隙的能帶圖,圖5B是表示導(dǎo)引層包含InGaAlP的情形時的帶隙的能帶圖。
圖6是用以說明包覆層、導(dǎo)引層及活性層的帶隙的能帶圖,圖6(a)是表示諧振器端面部間的中央部的各層的帶隙的能帶圖,圖6(b)是表示形成在諧振器端面部的端面窗口結(jié)構(gòu)中的各層的帶隙的能帶圖。
圖7是表示半導(dǎo)體激光二極管的制造步驟的剖面圖。
圖8是表示半導(dǎo)體激光二極管的制造步驟的剖面圖。
圖9是表示半導(dǎo)體激光二極管的制造步驟的剖面圖。
圖10是表示半導(dǎo)體激光二極管的制造步驟的剖面圖。
[符號的說明]
1基板
2半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)
3η型電極
4P型電極
10活性層
11η型半導(dǎo)體層
12P型半導(dǎo)體層
13η型GaAs緩沖層
14η 型(Alxl(^h1))a51Ina49P 包覆層
15η 側(cè) Alx2Ga(1_x2)AS 導(dǎo)引層
16ρ 側(cè) Alx2Ga(1_x2)AS 導(dǎo)引層
17p 型(AlxlGa(H1))a51Ina49P 包覆層
18P型InGaP帶不連續(xù)緩和層
19P型GaAs接觸層
40端面窗口結(jié)構(gòu)
70半導(dǎo)體激光二極管
221量子井層
222阻障層具體實(shí)施方式
以下,參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖I是用以說明本發(fā)明的一實(shí)施方式的半導(dǎo)體激光二極管的構(gòu)成的俯視圖,圖2 是沿圖I的II-II線的剖面圖,圖3是沿圖I的III-III線的剖面圖。
該半導(dǎo)體激光二極管70為法布里-珀羅型,其包括基板I ;半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體2, 其通過結(jié)晶成長而形成在基板I上;n型電極3,其以接觸于基板背面(與半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體2為相反側(cè)的表面)的方式形成;以及p型電極4,其以接觸于半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體2的表面的方式形成。
基板I在該實(shí)施方式中由GaAs單晶基板構(gòu)成。GaAs基板I的表面的面方位相對于(100)面而具有10°的傾斜角。形成半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體2的各層磊晶成長在基板I上。 磊晶成長是指在保持來自基底層的晶格的連續(xù)性的狀態(tài)下的結(jié)晶成長。與基底層的晶格不匹配通過結(jié)晶成長的層的晶格的畸變吸收,從而保持與基底層的界面上的晶格的連續(xù)性。
半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體2包括活性層10、n型半導(dǎo)體層ll、p型半導(dǎo)體層12、n側(cè)導(dǎo)引層15及p側(cè)導(dǎo)引層16。n型半導(dǎo)體層11相對于活性層10而配置在基板I側(cè),p型半導(dǎo)體層12相對于活性層10而配置在p型電極4側(cè)。n側(cè)導(dǎo)引層15配置在n型半導(dǎo)體層11與活性層10之間,p側(cè)導(dǎo)引層16配置在活性層10與p型半導(dǎo)體層12之間。這樣形成雙異質(zhì)結(jié)。從n型半導(dǎo)體層11經(jīng)由n側(cè)導(dǎo)引層15向活性層10注入電子,并從p型半導(dǎo)體層12 經(jīng)由P側(cè)導(dǎo)引層16向活性層10注入空穴。這些電子與空穴在活性層10中再耦合而產(chǎn)生光。
n型半導(dǎo)體層11由從基板I側(cè)依序疊層n型GaAs緩沖層13 (例如IOOnm厚)及n 型(AlxlGafxD)a51Ina49P包覆層(0彡xl彡I) 14 (例如3000nm厚)而構(gòu)成。另一方面,p型半導(dǎo)體層12由在p型導(dǎo)引層16上疊層p型(AlxlGa(1_xl))Q.51InQ.49P包覆層(0彡xl彡1)17(例如1600nm厚)、p型InGaP帶不連續(xù)緩和層18 (例如50nm厚)及p型GaAs接觸層19 (例如300nm厚)而構(gòu)成。
n型GaAs緩沖層13是為提高GaAs基板I與n型(AlxlGa(1_xl))a51 Ina49P包覆層14 的粘結(jié)性而設(shè)置的層。n型GaAs緩沖層13通過在GaAs摻雜例如作為n型摻雜劑的Si而形成n型半導(dǎo)體層。
p型GaAs接觸層19為用以獲取與p型電極4歐姆接觸的低電阻層。p型GaAs接觸層19通過在GaAs摻雜例如作為p型摻雜劑的Zn而形成p型半導(dǎo)體層。
n型包覆層14與p型包覆層17是產(chǎn)生將來自活性層10的光封閉在其等之間的光封閉效果的層。n 型(AlxlGa(1_xl))Q.51InQ.49P 包覆層 14 通過在(AlxlGa(1_xl))Q.51InQ.49P 摻雜例如作為η型摻雜劑的Si而形成η型半導(dǎo)體層。ρ型(AlxlGa(H1))a51Ina49P包覆層17 通過在(AlxlGa(^))a51Ina49P摻雜例如作為ρ型摻雜劑的Si而形成ρ型半導(dǎo)體層。η型 (AlxlGa (1-χ ))ο.5149 包復(fù)層 14 與 η 側(cè)導(dǎo)弓I層 15 相 t匕帶隙較覓,ρ 型(AlxlGa(1—xl))0 51In0 49P 包覆層17與ρ側(cè)導(dǎo)引層16相比帶隙較寬。由此,可進(jìn)行良好的光封閉及載流子封閉,從而可實(shí)現(xiàn)高效的半導(dǎo)體激光二極管。
為可實(shí)現(xiàn)高輸出化,重要的是抑制端面光學(xué)損傷。由此,較佳為如后述般通過在激光諧振器端面部分?jǐn)U散鋅等雜質(zhì)而制作擴(kuò)大活性層10的帶隙的端面窗口結(jié)構(gòu)40。為制作端面窗口結(jié)構(gòu)40,在擴(kuò)散鋅等雜質(zhì)的情形時,若應(yīng)擴(kuò)散雜質(zhì)的區(qū)域不包含磷則擴(kuò)散速度較速。該實(shí)施方式中,η型包覆層14及ρ型包覆層17分別包含含有磷的(AlxlGa(H1))a51Ina49P 層。因此,易于使鋅等雜質(zhì)擴(kuò)散,因而易于制作端面窗口結(jié)構(gòu)40。由此,可實(shí)現(xiàn)適于高輸出化的半導(dǎo)體激光二極管。
此外,該實(shí)施方式中的η型包覆層14及ρ型包覆層17使h組成相對于 (AlxlGa(1_xl))組成的比為0. 49/0. 51,因此與GaAs基板1晶格匹配,從而可獲得高品質(zhì)的結(jié)晶。其結(jié)果,可獲得可靠性高的半導(dǎo)體激光元件。
η側(cè)導(dǎo)引層15包含Alx2Ga(1_x2)As (0彡x2彡1)層(例如50nm厚),且通過疊層在 η型半導(dǎo)體層11上而構(gòu)成。ρ側(cè)導(dǎo)引層16包含Alx2Ga(1_x2)AS (0彡x2彡1)層(例如50nm 厚),且通過疊層在活性層10上而構(gòu)成。
η側(cè)Alx2Gaa_x2)As導(dǎo)引層15及ρ側(cè)Alx2Ga(1_x2)As導(dǎo)引層16為在活性層10產(chǎn)生光封閉效果的半導(dǎo)體層,且與包覆層14、17—起形成向活性層10的載流子封閉結(jié)構(gòu)。由此, 活性層10中的電子及空穴的再耦合的效率提高。
Alx2Ga(1_x2)As的折射率對應(yīng)于Al組成x2而發(fā)生變化。例如,當(dāng)入射光的能量(光子能量)為1. 38eV時,x2 = 0的情形時的折射率(GaAs的折射率)成為3. 590, x2 = 1的情形時的折射率(AlAs的折射率)成為2. 971 (參照上述非專利文獻(xiàn)1)。因此,AlxGa(1_x)As 中,折射率的調(diào)整幅度較寬。
形成η側(cè)導(dǎo)引層15及ρ側(cè)導(dǎo)引層17的Alx2Gaa_x2)As (0彡x2彡1),如上所述由于帶隙(折射率)的調(diào)整幅度較大,因此出射光束的設(shè)計較為容易。例如,可輸出橫剖面的縱橫比接近1的光束,即橫剖面接近圓形的形狀的光束。
形成導(dǎo)引層15、16的Alx2Ga(1_x2)AS層較佳為具有滿足x2彡0. 4的組成。其原因在于,當(dāng)x2小于0. 4時,即便在激光諧振器端面部分制作端面窗口結(jié)構(gòu),亦無法充分?jǐn)U大端面部分上的活性層的帶隙。下文敘述關(guān)于此的詳細(xì)情況。
活性層10具有例如包含AlGaAsP的多重量子井(MQW :multiple-quantum well) 結(jié)構(gòu),其為用以通過電子與空穴再耦合而產(chǎn)生光且使該產(chǎn)生的光放大的層。
活性層10在該實(shí)施方式中如圖4所示具有如下多重量子井結(jié)構(gòu),該多重量子井結(jié)構(gòu)由包含非摻雜AlyGaa_y)ASa_x3)Px3層(0彡x3彡1,0彡y彡0. 3)的量子井(well)層(例如13nm厚)221與包含非摻雜Alx4Ga(1_x4)As層(0彡x4彡1)層的阻障(barrier)層(例如7nm厚)222交替重復(fù)疊層復(fù)數(shù)個周期而構(gòu)成。無畸變狀態(tài)下的AWaAsP層的晶格常數(shù)小于GaAs基板1的晶格常數(shù),因此在包含AlyGa(1_y)ASx3Pa_x3)層的量子井層221產(chǎn)生拉伸應(yīng)力(拉伸畸變)。由此,半導(dǎo)體激光二極管70可以TM模式振蕩。另外,TM模式的輸出光成為磁場方向與光傳輸方向垂直(電場方向與光傳輸方向平行)的TM波。
量子井層221的膜厚較佳為9nm以上且14nm以下。其原因在于,為以TM模式振蕩,增厚活性層以減小TE模式與TM模式的相對振蕩閾值電流即可。
于使半導(dǎo)體激光二極管70以TE模式振蕩的情形時,減小量子井層221中的P組成即可。該情形時,較佳為制造上使P組成為零。
形成量子井層221的AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3與作為量子井層使用的其他材料例如 InGaP相比帶隙較小。因此,可增大包覆層14、17與活性層10之間的帶隙差。由此,可實(shí)現(xiàn)溫度特性良好、即在溫度發(fā)生變化時閾值電流或動作電流的變動較少的半導(dǎo)體激光二極管。
形成量子井層221的AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層,較佳為具有P組成X3相對于As組成 (l-x3)的比x3/(l-x3)滿足1/4以下的組成。其原因在于,若使該比大于1/4,則因P組成增大而導(dǎo)致在量子井層221產(chǎn)生的拉伸畸變增大,從而存在產(chǎn)生裂痕或泄漏電流的顧慮。
進(jìn)而,AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層較佳為具有P組成x3相對于As組成(l_x3)的比x3/ (l-x3)滿足1/9以上的組成。其原因在于,與TE模式相比提高TM模式的比率(強(qiáng)度比)。 為使半導(dǎo)體激光元件70以TM模式振蕩而必須在量子井層221產(chǎn)生拉伸畸變。量子井層 221的晶格常數(shù)越小,可在量子井層221產(chǎn)生越大的拉伸畸變。P組成相對于As組成的比越大,則形成量子井層221的AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層的晶格常數(shù)越小。
如圖3所示,p型半導(dǎo)體層12中的p型包覆層17、p型帶不連續(xù)緩和層18及p型接觸層19通過除去其一部分而形成脊?fàn)顥l紋30。更具體而言,蝕刻除去p型包覆層17、p 型帶不連續(xù)緩和層18及p型接觸層19的一部分而形成觀察橫剖面時呈大致矩形的脊?fàn)顥l紋30。
p型接觸層19的側(cè)面、p型帶不連續(xù)緩和層18的露出面及(AlxlGa(1_xl))a51 Ina49P 包覆層17的露出面由電流阻擋層6覆蓋。
半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體2包括由脊?fàn)顥l紋30的長度方向兩端的解理面形成的一對端面(解理面)31、32。該一對端面31、32相互平行。這樣,通過n側(cè)導(dǎo)引層15、活性層10及 P側(cè)導(dǎo)引層16而形成設(shè)上述一對端面31、32為諧振器端面的法布里-珀羅諧振器。S卩,在活性層10產(chǎn)生的光一面在諧振器端面31、32之間往返,一面通過感應(yīng)釋放而放大。然后, 經(jīng)放大的光的一部分從諧振器端面31、32作為激光光出射至元件外。
諧振器長度例如為200 iim以上且600 iim以下,該實(shí)施方式中為300 iim。此外, 該半導(dǎo)體激光二極管70的芯片寬度例如為50iim以上且250iim以下,該實(shí)施方式中為 120 u m。此外,芯片厚度例如為30 ii m以上且150 u m以下,該實(shí)施方式中為50 u m。
n型電極3包含例如AuGe/Ni/Ti/Au合金,且以該AuGe側(cè)配置在基板I側(cè)的方式歐姆接合于基板I。P型電極4以覆蓋p型接觸層19及電流阻擋層6的露出面的方式形成。 P型電極4包含例如Ti/Au合金,且以該Ti側(cè)配置在p型接觸層19上的方式歐姆接合于p 型接觸層19。如圖I及圖2所示,在諧振器的端面部分形成擴(kuò)大活性層10的帶隙的端面窗口結(jié)構(gòu)40。該端面窗口結(jié)構(gòu)40通過例如在諧振器的端面部分?jǐn)U散鋅(Zn)而形成。
根據(jù)該構(gòu)成,將n型電極3及p型電極4連接于電源,并從n型半導(dǎo)體層11及p 型半導(dǎo)體層12將電子及空穴注入至活性層10,由此可在該活性層10內(nèi)產(chǎn)生電子及空穴的再率禹合,從而可產(chǎn)生例如振蕩波長為770nm以上且830nm以下的光。該光一面沿導(dǎo)引層15、 16在諧振器端面31、32之間往返一面通過感應(yīng)釋放而放大。然后,從作為激光出射端面的諧振器端面31向外部出射輸出更多的激光。
圖5A是用以說明包覆層14、17、導(dǎo)引層15、16及活性層10的各層的帶隙的能帶圖。圖5B是用以說明由作為磷系化合物半導(dǎo)體的InGaAlP形成導(dǎo)引層的情形時的各層的帶隙的能帶圖。
該實(shí)施方式的半導(dǎo)體激光二極管70中,活性層10內(nèi)的量子井層221包含作為砷系化合物半導(dǎo)體的AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層(0彡x3彡1,0彡y彡0. 3)。該實(shí)施方式的半導(dǎo)體激光二極管70中,包覆層14、17由磷系化合物半導(dǎo)體((AlxlGa(1_xl)) a 51In0.49P (0. 5彡xl彡I) )形成,另一方面,導(dǎo)引層15、16不由磷系化合物半導(dǎo)體而由砷系化合物半導(dǎo)體(Alx2Ga(1_x2) As(0彡x2彡I))形成。
如對圖5A及圖5B加以對比所示,在由作為砷系化合物半導(dǎo)體的Alx2Ga(1_x2)As形成導(dǎo)引層15、16的情形時(圖5A),與由作為磷系化合物半導(dǎo)體的InGaAlP形成導(dǎo)引層的情形時(圖5B)相比,可減小導(dǎo)引層15、16的帶隙Eu。因此,本實(shí)施方式的半導(dǎo)體激光二極管 70中,可減小導(dǎo)引層15、16的帶隙Eu與量子井層221的帶隙Eg的差(Eu-Eg)。
通常,在為半導(dǎo)體的情形時,帶隙差越小則折射率差越小,因此可防止光封閉效果變得過大,從而可緩和激光諧振器端面部分上的光密度。由此,可抑制端面光學(xué)損傷,從而可實(shí)現(xiàn)高輸出化。此夕卜,Alx2Ga(1_x2)As導(dǎo)引層15、16與包含InGaAlP的導(dǎo)引層相比熱傳導(dǎo)率較高,因此也具有可效率佳地散發(fā)熱量的優(yōu)點(diǎn)。由此,在可使半導(dǎo)體激光二極管70的控制穩(wěn)定化的方面,也有助于抑制端面光學(xué)損傷。
圖6(a)是表示諧振器端面部間的中央部的各層的帶隙的能帶圖。圖6(b)是表示形成在諧振器端面部的端面窗口結(jié)構(gòu)中的帶隙的能帶圖。
上述實(shí)施方式中,在諧振器的端面部分形成有擴(kuò)大活性層10的帶隙的端面窗口結(jié)構(gòu)40。因此,如圖6(b)所示,在諧振器的端面部分中,活性層10的帶隙Eg成為諧振器中央部的活性層10的帶隙Eg(參照圖6(a))與導(dǎo)引層15、16(阻障層222)的帶隙Eu(參照圖6(a))的平均值。即,在諧振器的端面部分中,與這些中間部分相比,活性層10的帶隙 Eg變大。因此,在內(nèi)部電子與空穴再耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)釋放光難以在諧振器的端面部分被吸收,從而可抑制發(fā)熱。由此,可抑制端面光學(xué)損傷的產(chǎn)生,從而可實(shí)現(xiàn)高輸出化。
詳細(xì)說明形成導(dǎo)引層15、16的Alx2Ga(1_x2)As層較佳為具有滿足x2彡0. 4的組成的原因。當(dāng)在激光諧振器端面部分制作端面窗口結(jié)構(gòu)40時,端面部分上的活性層10的帶隙成為導(dǎo)引層15、16的帶隙與量子井層221的帶隙的平均值。因此,為提供制作端面窗口結(jié)構(gòu)40而充分?jǐn)U大端面部分的活性層10的帶隙,必須使導(dǎo)引層15、16的帶隙成為特定值 (具體而言為I. 8eV左右)以上。另一方面,就形成導(dǎo)引層15、16的Alx2Ga(1_x2)As層的帶隙而言,其中所含的Al組成越多,即x2越大則其帶隙越大。而且,可通過使x2為0. 4以上而使導(dǎo)引層15、16的帶隙為上述特定值以上。
圖7 圖10是表示圖I 圖3所示的半導(dǎo)體激光二極管70的制造方法的橫剖面圖。
受限,如圖7所不,在GaAs基板I上通過有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(M0CVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition)而依序成長 n 型 GaAs 緩沖層 13、n 型(AlxlGa(1_xl) )o.5iIno.49P 包覆層 14、n 側(cè) Al x2Ga(卜 x2)As 導(dǎo)引層15、活性層10、p側(cè) Alx2Ga(卜 x2) As導(dǎo)引層16、p型(AlxlGa(H1))a51Ina49P包覆層17、p型InGaP帶不連續(xù)緩和層18及P型GaAs接觸層19。另外,活性層10通過使包含AlyGa(1_y)ASa_x3)Px3層的量子井層221與包含 Alx4Ga(1_x4)As層的阻障層222交替重復(fù)疊層復(fù)數(shù)個周期進(jìn)行成長而形成。
其次,參照圖1在相當(dāng)于半導(dǎo)體激光二極管70的端面附近的區(qū)域使SiO(氧化鋅) 圖案化。然后,以例如500 650°C進(jìn)行約8小時的退火處理,由此使Si在相當(dāng)于半導(dǎo)體激光二極管70的端面附近的區(qū)域擴(kuò)散。此時,以使Si的擴(kuò)散越過活性層10及η側(cè)導(dǎo)引層 15到達(dá)η型包覆層14的方式進(jìn)行退火處理。由此,在相當(dāng)于半導(dǎo)體激光二極管70的端面附近的區(qū)域形成端面窗口結(jié)構(gòu)40。
繼而,將ZnO層除去。然后,如圖8所示將條紋狀的絕緣膜作為遮罩M進(jìn)行蝕刻, 由此將P型GaAs接觸層19、InGaP帶不連續(xù)緩和層18及ρ型(Alxlfet(1_xl)) α 51 Ina49P包覆層17的一部分除去。如此一來,如圖9所示,形成在頂面疊層有遮罩層M的脊?fàn)顥l紋30。
然后,如圖10所示,使電流阻擋層6在表面成膜。此時,遮罩層M作為遮罩發(fā)揮功能。因此,脊?fàn)顥l紋30的頂面未由電流阻擋層6覆蓋。
其后,將遮罩層M除去。繼而,以覆蓋電流阻擋層6及P型GaAs接觸層19的露出面的方式,形成與P型GaAs接觸層19歐姆接觸的P型電極4。此外,形成與GaAs基板1 歐姆接觸的η型電極3。
以上,對本發(fā)明的一實(shí)施方式進(jìn)行了說明,但本發(fā)明可進(jìn)而以其他形態(tài)實(shí)施。例如,也可設(shè)為在量子井層中未添加P而以TE模式振蕩的半導(dǎo)體激光二極管。
此外,可在權(quán)利要求書中記載的事項的范圍內(nèi)實(shí)施各種設(shè)計變更。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光元件,其包括P型包覆層及n型包覆層;P側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層,其等夾在上述p型包覆層及n型包覆層之間;以及活性層,其夾在上述P側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層之間,且包含至少一個量子井層;且上述P型包覆層及n型包覆層分別包含(AlxlGa(1_xl))a51 Ina49P層(0彡xl彡I),上述P側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層分別包含Alx2Ga(1_x2)As層(0彡x2彡I),上述量子井層包含AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層(0彡x3彡1,0彡y彡0. 3),上述AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層具有P組成x3相對于As組成(l_x3)的比x3/(l-x3)滿足 1/4以下的組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體激光元件,其特征在于上述Alx2Ga(1_x2)As層具有滿足x2彡0. 4的組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的半導(dǎo)體激光元件,其特征在于上述AlyGa(1_y)As(1_x3)Px3層具有P組成x3相對于As組成(l_x3)的比x3/(l-x3)滿足 1/9以上且1/4以下的組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體激光元件,其特征在于振蕩波長為770nm以上且830nm以下,且上述量子井層的膜厚為9nm以上且14nm以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體激光元件,其特征在于在激光諧振器的端面部分形成有擴(kuò)大上述活性層的帶隙的端面窗口結(jié)構(gòu)。
6.一種半導(dǎo)體激光元件,其包括P型包覆層及n型包覆層,其等包含磷系化合物半導(dǎo)體;P側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層,其等夾在上述p型包覆層及n型包覆層之間,且包含砷系化合物半導(dǎo)體;以及活性層,其夾在上述P側(cè)導(dǎo)引層及n側(cè)導(dǎo)引層之間,且包含含有砷系化合物半導(dǎo)體的量子井層。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述的半導(dǎo)體激光元件,其特征在于該半導(dǎo)體激光元件包含GaAs基板,且以TM模式振蕩。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述的半導(dǎo)體激光元件,其特征在于諧振器長度為200 u m以上且600 u m以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述的半導(dǎo)體激光元件,其特征在于芯片寬度為50 ii m以上且250 u m以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述的半導(dǎo)體激光元件,其特征在于芯片厚度為30 ii m以上且150 u m以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種適于高輸出化的半導(dǎo)體激光元件。半導(dǎo)體激光二極管(70)包括基板(1);及半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體(2),其通過結(jié)晶成長而形成在基板(1)上。半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體(2)包括n型(Alx1Ga(1-x1))0.51In0.49P包覆層14及p型(AIx1Ga(1-x1))0.51In0.49P包覆層(17);n側(cè)Alx2Ga(1-x2)As導(dǎo)引層(15)及(p)側(cè)Alx2Ga(1-x2)As導(dǎo)引層(16),其等夾在這些包覆層(14)、(17)之間;以及活性層(10),其夾在這些導(dǎo)引層(15)、(16)之間。活性層(10)由包含AlyGa(1-y)As(1-x3)Px3層的量子井層(221)與包含Alx4Ga(1-x4)As層的阻障層(222)交替重復(fù)疊層復(fù)數(shù)個周期而構(gòu)成。
文檔編號B82Y20/00GK102545057SQ20111042417
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者西岡義人, 野間亞樹, 阿久津稔 申請人:羅姆股份有限公司