專利名稱：半導(dǎo)體激光器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器及其制造方法，例如，涉及具有氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體激光器及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常以氮化鎵(GaN)為代表的III族元素氮化物半導(dǎo)體已經(jīng)被關(guān)注作為用于發(fā)光二極管(LED)或激光二極管(LD)的材料，這是因?yàn)樗鼈兡軌蚋咝实匕l(fā)射藍(lán)紫色。在它們之中，期待405nm帶的LD作為用于大容量光盤裝置的光源，這是因?yàn)樗鼈兣c現(xiàn)有的650nm 帶的LD相比能夠進(jìn)一步約束光束。近年來，隨著寬屏電視機(jī)的普及，已經(jīng)增加了對于藍(lán)紫再現(xiàn)系統(tǒng)LD的要求，以高品質(zhì)地再現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像。使用GaN的藍(lán)紫LD的主要劣化因素包括逐步劣化，其中以與GaAs和InP型激光器相同的方式由于電流供給導(dǎo)致有源層劣化；和災(zāi)變性光學(xué)劣化(catastrophic optical degradation, COD)斷裂，其中腔面意外地劣化。特別地，由于難以在器件制造完成后通過操作測試檢測到引起造成意外劣化的COD斷裂，因此重要的是，將LD設(shè)計(jì)為不引起COD斷裂。例如，在日本專利申請公開 No. 2000-133875、Hei-08 (1996) -330669,2002-57406 和 2001-135889中描述了用于抑制COD斷裂的背景技術(shù)。在日本專利申請公開No. 2000-133875中描述的半導(dǎo)體激光器件包括半導(dǎo)體襯底、形成在半導(dǎo)體襯底上的有源層和在其間夾著有源層的一對包覆層，其中，通過在制造激光器結(jié)構(gòu)之后僅將包含ZnO的膜形成到半導(dǎo)體激光器的諧振器的至少一個(gè)腔面，而不進(jìn)行熱處理，使腔面附近的自然超晶格無序。在日本專利申請公開No. 08(1996)-330669中描述的半導(dǎo)體激光器至少包括有源層以及第一和第二包覆層，所述第一和第二覆層在其間夾著有源層并且其帶隙大于有源層的帶隙，其中，在諧振器的縱向方向上延伸的帶狀激發(fā)區(qū)域被布置為其長度沒有到達(dá)諧振器腔面，至少一個(gè)異質(zhì)緩沖層設(shè)置在第一包覆層和帽層之間，所述帽層的帶隙小于第一包覆層的帶隙并且形成在激發(fā)區(qū)域中的第一包覆層上，所述異質(zhì)緩沖層的帶隙介于這兩者之間，并且至少一個(gè)異質(zhì)緩沖層沒有位于諧振器的縱向方向上夾著激發(fā)區(qū)域的諧振器腔面附近，從而減少了注入到諧振器腔面附近的電流的量。在日本專利申請公開No. 2002-57406中描述的腔面非注入型半導(dǎo)體激光器中，包括具有上下包覆層的有源層和帽層的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)堆疊在半導(dǎo)體襯底上方，設(shè)置在有源層上部中的包覆層部分形成為臺面帶形狀以構(gòu)成脊?fàn)畈▽?dǎo)，并且形成脊?fàn)畈▽?dǎo)的包覆層的臺面高度被使得低于作為脊?fàn)畈▽?dǎo)的端面處的電流注入部分和設(shè)置在其附近的非電流注入部分的在諧振器內(nèi)形成脊?fàn)畈▽?dǎo)的包覆層的臺面高度，抑制電流注入的結(jié)構(gòu)設(shè)置在包覆層的臺面高度較低的部分上方，并且設(shè)置在端面處和其附近的非電流注入部分中的低臺面高度的包覆層區(qū)域中的臺面底部的寬度等于作為電流注入部分的在諧振器內(nèi)部構(gòu)成脊?fàn)畈▽?dǎo)的包覆層區(qū)域中的臺面底部寬度。在日本專利申請公開No. 2001-135889中描述的BH型帶狀波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器中， BH型帶狀波導(dǎo)具有有源層或附著到有源層的光導(dǎo)層以及由具有小于有源層或者形成在其上或者其下的光導(dǎo)層的折射率的折射率的第一半導(dǎo)體材料形成的包覆層，至少一個(gè)端面用作形成光學(xué)諧振器的鏡面，形成通過使用在用作鏡面的端面上嵌入式生長而形成的半導(dǎo)體材料形成的窗結(jié)構(gòu)，該窗結(jié)構(gòu)具有與帶狀波導(dǎo)中的包覆層相同的第一半導(dǎo)體材料層，在從有源層末端延伸到設(shè)置在其上和下面的第一半導(dǎo)體材料層之間的鏡面的區(qū)域中設(shè)置帶隙大于半導(dǎo)體激光器的振蕩激光光能的第二半導(dǎo)體材料層來替代有源層和至少寬度與有源層相同的光導(dǎo)層。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明給出以下分析。通常認(rèn)為COD斷裂是由于以下機(jī)制引起的。端面溫度升高使半導(dǎo)體熔融并且由于以下過程引起COD斷裂(a)端面附近的有源層中吸收激光，從而增加有源層的溫度；(b) 由于溫度的增加導(dǎo)致帶隙減小從而進(jìn)一步增加吸收；和(c)有源層的溫度進(jìn)一步增加。為了抑制COD斷裂，(1)認(rèn)為有效的是，形成其中有源層帶隙僅在端面附近增加的窗結(jié)構(gòu)。通過提供窗結(jié)構(gòu)，減少了端面處的激光吸收。結(jié)果，抑制了端面處的溫度的增加并且能夠抑制COD斷裂。另外，( 還認(rèn)為有效的是，形成非電流注入?yún)^(qū)域，在該區(qū)域中，電流沒有流到端面附近的有源層。通過在端面處提供非電流注入?yún)^(qū)域，抑制電流在端面附近流動(dòng)。結(jié)果，可以抑制由于激光吸收等等導(dǎo)致的端面處的溫度的增加，以抑制COD斷裂。一種增加端面附近的帶隙的方法包括使端面附近的量子阱有源層無序的方法，如在例如日本專利申請公開No. 2000-133875的技術(shù)中那樣。例如，通過以下步驟執(zhí)行上述方法將諸如的雜質(zhì)或空穴從外延表面僅擴(kuò)散到端面附近并且將阱層和勢壘層的構(gòu)成元素彼此擴(kuò)散。因?yàn)榱孔于鍩o序從而形成混合晶體，所以在引起互擴(kuò)散的區(qū)域中，帶隙增加。 該方法利用了構(gòu)成元素的互擴(kuò)散容易出現(xiàn)在諸如GaAs和InP的通常的III-V族半導(dǎo)體中。 然而，因?yàn)闃?gòu)成元素間的結(jié)合在氮化物半導(dǎo)體中較強(qiáng)，所以難以產(chǎn)生這種互擴(kuò)散。因此，基本上不能夠通過無序來形成窗結(jié)構(gòu)，并且該方法不可應(yīng)用于氮化物半導(dǎo)體激光器。另一方面，當(dāng)在端面附近形成非電流注入?yún)^(qū)域時(shí)，如在例如根據(jù)日本專利申請公開 No. Hei08(1996)-330669、2002-57406 和 2001-135889 的技術(shù)中一樣，利用光刻。在非電流注入?yún)^(qū)域中，沒有形成反轉(zhuǎn)分布并且吸收損失增加。因此，為了使激光振蕩效率的降低最小，需要通過光刻將非電流注入?yún)^(qū)域的寬度精確地控制為在吸收損失沒有導(dǎo)致不期望的效果的范圍內(nèi)。然而，由于半導(dǎo)體襯底上方的氮化物半導(dǎo)體與襯底在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)方面不同，因此晶圓產(chǎn)生卷曲。當(dāng)產(chǎn)生卷曲時(shí)，光刻的精度和再現(xiàn)性降低，并且極難精確地控制晶圓平面內(nèi)的非電流注入?yún)^(qū)域的寬度。特別是在大直徑晶圓的情況下，卷曲的效果尤為明顯。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種半導(dǎo)體激光器，其包括半導(dǎo)體襯底；和諧振器，所述諧振器形成在半導(dǎo)體襯底上方并且包含氮化物半導(dǎo)體層。施加在諧振器端面附近區(qū)域上的應(yīng)變小于施加在端面附近區(qū)域之間的區(qū)域上的應(yīng)變。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種半導(dǎo)體激光器，其包括半導(dǎo)體襯底；和諧振器，所述諧振器形成在半導(dǎo)體襯底上方并且包含氮化物半導(dǎo)體層。諧振器中進(jìn)行激光振蕩的端面的下端不接觸所述半導(dǎo)體襯底。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種制造半導(dǎo)體激光器的方法，其包括在半導(dǎo)體襯底上方形成作為諧振器的前體的氮化物半導(dǎo)體層；將進(jìn)行激光振蕩的諧振器端面形成到氮化物半導(dǎo)體層；和移除半導(dǎo)體襯底的位于端面下方的部分。本發(fā)明具有以下效果中的至少一個(gè)。在本發(fā)明中，通過當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體層經(jīng)受應(yīng)變時(shí)帶隙減小來形成窗結(jié)構(gòu)。即，通過保持諧振器端面的下端不接觸半導(dǎo)體襯底來使端面附近的帶隙增加得多于其它區(qū)域中的帶隙。半導(dǎo)體襯底和氮化物半導(dǎo)體層的線性膨脹系數(shù)不同。例如，當(dāng)半導(dǎo)體襯底包括硅并且氮化物半導(dǎo)體層包括GaN時(shí)，因?yàn)镚aN的線性膨脹系數(shù)為5. 6 X ΙΟ^/Γ1而Si的線性膨脹系數(shù)為4. ΖΧΚΤ/Γ1，所以接觸半導(dǎo)體襯底的區(qū)域中的氮化物半導(dǎo)體層經(jīng)受拉伸應(yīng)變。另一方面，施加在不接觸半導(dǎo)體襯底的區(qū)域中的氮化物半導(dǎo)體層上的應(yīng)變大大減小。因此，與接觸半導(dǎo)體襯底得區(qū)域中得氮化物半導(dǎo)體層相比，在不接觸半導(dǎo)體襯底的區(qū)域中的氮化物半導(dǎo)體層的帶隙增加得更多，并且可以形成窗結(jié)構(gòu)。采用該構(gòu)造，可以控制不接觸半導(dǎo)體襯底的端面附近的激光吸收，并且可以抑制COD斷裂。在本發(fā)明中，可以通過制造半導(dǎo)體襯底同時(shí)獲得窗結(jié)構(gòu)和非電流注入結(jié)構(gòu)。即，可以很大地節(jié)省光刻步驟。這能夠提高半導(dǎo)體激光器的可靠性、再現(xiàn)性和產(chǎn)率。這在使用大直徑半導(dǎo)體襯底的情況下是尤為有利的。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器的諧振器端面方向上的示意性平面圖；圖2是垂直于根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器的兩個(gè)端面的示意性步驟視圖；圖3Α至圖3C是用于說明制造示例1中的半導(dǎo)體激光器的方法的示意性步驟視圖，其中，圖3Α示出形成諧振器的步驟，圖;3Β示出圖3Α中所示的步驟之后的步驟并且圖3C 示出圖:3Β中所示的步驟之后的步驟。圖4D至圖4F是用于說明制造示例1中的半導(dǎo)體激光器的方法的示意性步驟視圖，其中，圖4D示出形成第一電極的步驟，圖4Ε示出圖4D中所示的步驟之后的步驟，并且圖4F示出圖4Ε中所示的步驟之后的步驟；圖5G至圖51是用于說明制造示例1中的半導(dǎo)體激光器的方法的示意性步驟視圖，其中，圖5G示出形成氮化物半導(dǎo)體層中的溝槽開口的步驟，圖5Η示出圖5G中所示的步驟之后的步驟，并且圖51示出圖5Η中所示的步驟之后的步驟；并且圖6J至圖6L是用于說明制造示例1中的半導(dǎo)體激光器的方法的示意性步驟視1 圖，其中，圖6J示出完成激光器件的步驟，圖6Κ示出圖6J中所示的步驟之后的步驟，并且圖6L示出圖6Κ中所示的步驟之后的步驟。
具體實(shí)施方式
在優(yōu)選實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底具有位于諧振器端面下方的凹陷區(qū)域，使得半導(dǎo)體襯底不接觸諧振器。在優(yōu)選實(shí)施例中，凹陷區(qū)域?qū)?yīng)于用于諧振器的非電流注入?yún)^(qū)域和窗區(qū)域的位置。在優(yōu)選實(shí)施例中，諧振器具有下包覆層和形成在下包覆層上方的有源層。從諧振器的下表面處不接觸半導(dǎo)體襯底的區(qū)域的端面開始的長度小于下包覆層的厚度。在優(yōu)選實(shí)施例中，從諧振器的下表面處不接觸半導(dǎo)體襯底的區(qū)域的端面開始的長度小于20 μ m。在優(yōu)選實(shí)施例中，半導(dǎo)體激光器還具有與諧振器電耦合的第一電極和與半導(dǎo)體襯底電耦合的第二電極。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過利用在形成端面時(shí)形成的氮化物半導(dǎo)體層中的開口來移除半導(dǎo)體襯底的一部分。將要描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器。圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器的諧振器端面方向上的示意性平面圖。圖2是垂直于根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器的兩個(gè)端面(沿著脊延伸方向)的示意性剖視圖。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器100包括半導(dǎo)體襯底101和形成在半導(dǎo)體襯底101上方并且包括氮化物半導(dǎo)體層的諧振器102。進(jìn)行激光振蕩的諧振器端面102 處的下端10 不接觸半導(dǎo)體襯底101。半導(dǎo)體襯底101具有位于諧振器端面102下方的凹陷區(qū)域101a，以不接觸下端10加。凹陷區(qū)域IOla優(yōu)選地形成在諧振器102的整個(gè)寬度上。即，優(yōu)選的是，通過設(shè)置凹陷區(qū)域101a，半導(dǎo)體襯底101不支撐諧振器端面102附近的區(qū)域。凹陷區(qū)域IOla對應(yīng)于窗區(qū)域和非電流注入?yún)^(qū)域。在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器100中，例如，諧振器102包括緩沖層 103、下包覆層014、下光限制層105、有源層(多量子阱層)106、帽層107、上光限制層108、 上包覆層109和接觸層110。上包覆層109和接觸層110形成為脊形狀。第一電極111電耦合在接觸層110上方(優(yōu)選地，在整個(gè)上表面上)，并且第二電極112電耦合在半導(dǎo)體襯底101下方(優(yōu)選地，整個(gè)下表面或者在對應(yīng)于第一電極111的區(qū)域中)。在這種情況下， 半導(dǎo)體襯底101具有導(dǎo)電性，并且通過第一電極111和第二電極112將電流提供給半導(dǎo)體激光器100。保護(hù)層113形成在上光限制層108的上表面和脊的側(cè)面。在諧振器的下表面102b中，優(yōu)選地根據(jù)窗區(qū)域的寬度和非電流注入端面的寬度設(shè)置不接觸半導(dǎo)體襯底101的長度(非接觸區(qū)域Y的長度L)，即凹陷區(qū)域IOla距離諧振器端面的深度。優(yōu)選地，根據(jù)非電流注入端面的寬度，非接觸區(qū)域Y的長度L不小于下包覆層 104的厚度。如果非接觸區(qū)域Y的長度L比下包覆層104的厚度短，則由于下包覆層104中電流的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致非注入效果減小。根據(jù)窗區(qū)域的寬度，非接觸區(qū)域Y的長度L優(yōu)選地小于20 μ m,更優(yōu)選地為15 μ m或更小。如果非接觸區(qū)域Y的長度L比20 μ m長，則窗區(qū)域中的吸收損失過大，從而導(dǎo)致振蕩效率降低。另外，振蕩器在非接觸區(qū)域Y處沒有由半導(dǎo)體襯底101支撐。因此，當(dāng)非接觸區(qū)域Y的長度L比20 μ m長時(shí)，當(dāng)施加外部應(yīng)力時(shí)，諧振器端面附近容易斷裂。當(dāng)電極111和112形成在半導(dǎo)體激光器100上方和下方時(shí)，在電流供給期間，電流通過半導(dǎo)體襯底101從第二電極112流向有源層106。然而，由于諧振器102的兩個(gè)端面不接觸半導(dǎo)體襯底101，因此電流沒有在兩個(gè)端面附近的非接觸區(qū)域Y中流動(dòng)。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以同時(shí)獲得窗結(jié)構(gòu)和非電流注入結(jié)構(gòu)。另外，施加在不接觸半導(dǎo)體襯底101的區(qū)域上方的諧振器102的非接觸區(qū)域Y(特別地，有源層106)上的拉伸應(yīng)變小于施加在接觸半導(dǎo)體襯底101的區(qū)域上方的諧振器102 的接觸區(qū)域X(特別地，有源層106)上的拉伸應(yīng)變。因此，非接觸區(qū)域Y的帶隙大于接觸區(qū)域X中的帶隙，并且抑制了非接觸區(qū)域Y中的激光的吸收。這提供了窗結(jié)構(gòu)。以下示出根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光器100的示例。例如，可以通過如下結(jié)構(gòu)構(gòu)造半導(dǎo)體激光器100 堆疊作為半導(dǎo)體襯底101的η型Si襯底、作為緩沖層103的 AlN(5nm)/GaN(IOnm)超晶格緩沖層(Si濃度4X 1018cm_3，厚度:2μπι)、作為下包覆層104 的Si摻雜η型Al0. ^9N包覆層(Si濃度:4X IO17cm-3,厚度2 μ m)、作為下光限制層105 的Si摻雜η型GaN(Si濃度4X 1017cm_3，厚度0. 1 μ m)光限制層、作為有源層106的具有ΙηαΑει^Μ厚度3nm)阱層和Si摻雜LatllGiia99N勢壘層(Si濃度1 X IO18CnT3，厚度 4nm)的3周期多量子阱(MQff)有源層、作為帽層107的Mg摻雜ρ型Al0.2Ga0.8N帽層(Mg濃度:2 X IO19cnT3，厚度:10nm)、作為上光限制層108的Mg摻雜ρ型GaN光限制層(Mg濃度 IX IO19cnT3，厚度:0. Iym)、作為上包覆層109的ρ型Altl. A^19N包覆層(厚度0. 8 μ m)和作為接觸層110的Mg摻雜ρ型GaN接觸層(Mg濃度1 X IO20cnT3，厚度0. 02 μ m)。例如， 第一電極111可以形成為P型電極并且第二電極可以形成為η型電極。另外，例如，保護(hù)層 113可以由硅氧化物膜形成?？紤]到氮化物半導(dǎo)體的晶體生長，Si襯底的平面方向優(yōu)選地為諸如(111)、 (100)、(110) “211)或(311)的平面方向。本發(fā)明中抑制COD斷裂的效果沒有在性質(zhì)上依賴于Si襯底的平面的方向。這是因?yàn)楸景l(fā)明中通過利用拉伸應(yīng)力施加在形成在Si襯底上方的氮化物半導(dǎo)體有源層上來形成窗結(jié)構(gòu)。然后，將要描述根據(jù)本發(fā)明的制造半導(dǎo)體激光器的方法。首先，在半導(dǎo)體襯底上方形成作為諧振器前體的氮化物半導(dǎo)體層。然后，蝕刻氮化物半導(dǎo)體層來形成諧振器端面。然后，通過利用在形成諧振器端面時(shí)制造的氮化物半導(dǎo)體層中的開口來部分地移除半導(dǎo)體襯底的位于諧振器端面下方的區(qū)域，以形成凹陷區(qū)域?？梢岳梦g刻作為部分地移除半導(dǎo)體襯底的方法。還可以在與形成諧振器端面的步驟相同的步驟中形成凹陷區(qū)域。這可以減少制造半導(dǎo)體激光器的工藝中的步驟數(shù)。在以下示例中將更詳細(xì)地描述制造方法。[示例][半導(dǎo)體激光器的制造]制造如上述示例所示的半導(dǎo)體激光器。圖3Α至圖6L是用于說明制造半導(dǎo)體激光器的方法的示意性步驟圖。圖3Α至圖4Ε是諧振器端面方向的示意性平面圖并且圖4F至圖6L是沿著垂直于諧振器端面的平面的示意性剖視圖。使用具有平面方向(111)的η型硅襯底作為半導(dǎo)體襯底101。為了制造器件結(jié)構(gòu)， 使用300hl^下的金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)設(shè)備。使用氫氣和氮?dú)獾臍怏w混合物作為載氣，并且分別使用三甲基鎵(TMG)、三甲基鋁(TMA)和三甲基銦(TMI)作為fei、Al和h源， 并且使用硅烷(SiH4)作為η型摻雜劑并使用雙環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)用于ρ型摻雜劑。在將η型硅襯底101裝載到MOVPE設(shè)備中之后，硅襯底的溫度在隊(duì)載氣中增加，在達(dá)到生長溫度的情況下供應(yīng)13族開始材料、摻雜劑和NH3,并且在η型硅襯底上方連續(xù)沉積各前體層即，如上所述的緩沖層103至接觸層110，以制造諧振器的前體(圖3A)。在襯底溫度為1080°C，TMG供應(yīng)量為58 μ mol/分鐘并且NH3供應(yīng)量為0. 36mol/分鐘的條件下，生長GaN。在襯底溫度為1080°C，TMA供應(yīng)量為36 μ mol/分鐘，TMG供應(yīng)量為58 μ mol/分鐘并且NH3供應(yīng)量為0. 36mol/分鐘的條件下，生長AlGaN。在襯底溫度為800°C，TMG供應(yīng)量為8 μ mol/分鐘并且NH3供應(yīng)量為0. 36mol/分鐘的條件下，生長hGaNMQW。在形成阱層時(shí)將TMI供應(yīng)量調(diào)節(jié)為48 μ mol/分鐘并且在形成勢壘層時(shí)將TMI供應(yīng)量調(diào)節(jié)為3 μ mol/分鐘。在諧振器前體上方形成SW2膜121 (圖3A)，并且通過光刻將SW2膜121形成為寬度為1.3μπι的SiO2S 121a(圖3B)。使用SiO2帶121a作為掩模通過干法蝕刻部分地移除上包覆層109和接觸層110的前體層，以形成脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)(圖3C)。然后，移除SW2帶121a并且在晶圓的整個(gè)表面上方再次沉積SW2膜作為保護(hù)膜 113。然后，厚地涂覆抗蝕劑并且通過在氧等離子體中的回蝕形成脊?fàn)铐敳?。在通過緩沖氫氟酸移除脊?fàn)铐敳縎iA膜之后，通過電子束沉積Pd/Pt并且通過剝離形成第一電極111。然后，移除抗蝕劑(圖4D)。然后，在600°C下，在氮?dú)鈿夥罩袘?yīng)用快速熱退火(RTA) 30秒來形成ρ歐姆電極。 然后，通過濺射沉積50nm的TiUOOnm的Pt和2 μ m的Au來形成蓋電極122 (圖4E)。然后，通過在晶圓的整個(gè)表面上方進(jìn)行濺射來形成SiA膜123，并且在SiA膜123 上方涂覆抗蝕劑124。然后，垂直于帶在抗蝕劑IM上形成用于形成諧振器端面的溝槽開口 125。然后，通過干法蝕刻移除暴露于溝槽開口 125的SiO2膜123。在這種情況下，溝槽開口 125的溝槽寬度被限定為5μπι并且相鄰溝槽開口 125之間的距離被設(shè)置為諧振器長度為400 μ m。然后，通過打磨(milling)移除溝槽開口 125中暴露的蓋電極122和第一電極 111(圖5G)。接著，移除抗蝕劑124(圖5H)。然后，使用SiO2膜123作為掩模通過氯干法蝕刻來蝕刻氮化物半導(dǎo)體層103至110 和Si襯底101的一部分，以形成諧振器的激光器端面。然后，通過使用保持在80°c的25% 的TMAH(四甲基氫氧化銨)水溶液來濕法蝕刻激光器端面和暴露的Si襯底101。通過使用 TMAH的蝕刻移除激光器端面下方區(qū)域中的Si襯底的一部分，以形成凹陷區(qū)域101a，并且移除通過氯干法蝕刻導(dǎo)致的激光器端面處的受損層(圖51)。在用TMAH進(jìn)行濕法蝕刻之后，對晶圓的一部分進(jìn)行取樣，并且通過顯微電致發(fā)光光束直徑測量來測量有源層106的發(fā)射波長。結(jié)果，在接觸Si襯底101的區(qū)域(參照圖2 中的接觸區(qū)域X)上的有源層的發(fā)射波長為403nm時(shí)，凹陷區(qū)域101a(參照圖2中的非接觸區(qū)域Y)上方的有源層中的發(fā)射波長為406nm。因此，確認(rèn)的是，通過形成凹陷區(qū)域101a增加帶隙，以在端面附近的有源層106中形成窗結(jié)構(gòu)。然后，通過CVD在晶圓的整個(gè)表面上方沉積厚度為0. 5 μ m的SiO2膜126以形成諧振器端面的保護(hù)膜。然后，通過光刻來在SW2 film 1 中形成用于結(jié)合焊盤電極的開口 126a,以暴露蓋電極122 (圖6J)。然后，將Si襯底101的后表面拋光以將晶圓的厚度減小至100 μ m，然后在Si襯底的后表面上依次氣相沉積5nm的Ti、20nm的AlUOnm的Ti和500nm的Au，以形成第二電極 112(圖 6K)。然后，通過溝槽開口 125將Si襯底101分成條形，并且每個(gè)條被分成單獨(dú)的器件，以制造半導(dǎo)體激光器100(圖6L)。最后，以罐(CAN)封裝密封半導(dǎo)體激光器100，以獲得激光器封裝。[對于閾值電流和斜率效率的測量]制造具有不同長度L的其中諧振器的下表面不接觸半導(dǎo)體襯底的非接觸區(qū)域的半導(dǎo)體激光器，并且測量每個(gè)半導(dǎo)體激光器的斜率效率。當(dāng)用TMAH進(jìn)行濕法蝕刻時(shí)調(diào)節(jié)非接觸區(qū)域的長度L。表1示出每個(gè)半導(dǎo)體激光器的振蕩閾值電流Ith的平均值和斜率效率的平均值。每個(gè)平均值是數(shù)目為20的測量到的平均值的平均值。[表 1]
非接觸區(qū)域的長振蕩閾值電流斜率效率度(μηι)(HlA)(W/A)示例12311.2示例25341.3示例310331.1示例415321.1比較示例120420.7當(dāng)非接觸區(qū)域的長度L為2μπι至15μπι時(shí)，振蕩閾值電流為31mA至34mA并且斜率效率為1. 1W/A至1. 3W/A，并且它們是恒定的。然而，當(dāng)非接觸區(qū)域的長度L增加至20 μ m 時(shí)，振蕩閾值電流增加到高達(dá)42mA并且斜率效率減小為低至0. 7W/A。認(rèn)為的是，因?yàn)橛捎诖皡^(qū)域的寬度和非電流注入?yún)^(qū)的寬度的增加導(dǎo)致內(nèi)部損耗增加，所以振蕩閾值電流增加并且斜率效率降低。另外，對于非接觸區(qū)域的長度L為20 μ m的半導(dǎo)體激光器，觀察到，整個(gè)器件的大約10%沒有進(jìn)行激光器振蕩。當(dāng)通過掃描型電子顯微鏡觀察振蕩失敗的器件的外觀，確認(rèn)的是，氮化物半導(dǎo)體層在端面附近發(fā)生變形或斷裂。估計(jì)因?yàn)樵诜墙佑|區(qū)域中沒有通過襯底支撐諧振器，所以在工藝期間施加外部應(yīng)力時(shí)往往會造成斷裂，并且因?yàn)楫?dāng)非接觸區(qū)域長時(shí)這種趨勢變得明顯，所以在長度為20 μ m時(shí)器件出現(xiàn)故障。[靜電放電測試和自動(dòng)輸出控制測試]對于其中諧振器的下表面不接觸半導(dǎo)體襯底并且非接觸區(qū)域的長度L不同的半導(dǎo)體激光器，執(zhí)行靜電放電(ESD)測試和自動(dòng)功率控制(APC)測試，以確認(rèn)各半導(dǎo)體激光器的耐久性?；跈C(jī)器模型進(jìn)行ESD測試。在非接觸區(qū)域的長度LSOym的半導(dǎo)體激光器中， ESD電平為大約30V。相反，在非接觸區(qū)域的長度為2μπι至15μπι的半導(dǎo)體激光器中，ESD 電平穩(wěn)定并且獲得大約90V的值。當(dāng)觀察斷裂后的半導(dǎo)體激光器時(shí)，在任何器件中觀察到發(fā)射端面的異常，并且發(fā)現(xiàn)由于瞬時(shí)施加電壓導(dǎo)致的COD斷裂。對于非接觸區(qū)域的長度為 Oym的半導(dǎo)體激光器，認(rèn)為因?yàn)闆]有形成窗結(jié)構(gòu)和非電流注入結(jié)構(gòu)，因此在較低ESD電壓下造成COD斷裂。在30mW、CW下、在80°C的環(huán)境溫度中進(jìn)行用于確認(rèn)長時(shí)間可靠性的APC測試1000 小時(shí)。在非接觸區(qū)域的長度為2 μ m至15 μ m的半導(dǎo)體激光器中，確認(rèn)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)1000小時(shí)。 另一方面，在非接觸區(qū)域的長度為Oym的半導(dǎo)體激光器中，在大約一半器件中產(chǎn)生意外劣化。通過觀察劣化的器件，確認(rèn)在各器件中都存在發(fā)射端面的COD斷裂。根據(jù)以上內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)通過形成長于0 μ m且短于20 μ m的非接觸區(qū)域(凹陷區(qū)域)， 獲得了抑制了 COD斷裂的高可靠性的半導(dǎo)體激光器。雖然已經(jīng)參照上述實(shí)施例描述了本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器及其制造方法，但是將清楚的是，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，而是各種修改、變化和改進(jìn)包括在本發(fā)明范圍內(nèi)的上述實(shí)施例中并且都是基于本發(fā)明的基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)思的。另外，對于要求保護(hù)的本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的各種公開元件，能夠進(jìn)行各種組合、替代或選擇。本發(fā)明的其他主題、目的和擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)將從包括其在要求保護(hù)的權(quán)利要求的范圍中的本發(fā)明的整個(gè)公開內(nèi)容變得清楚。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器，包括 半導(dǎo)體襯底；和諧振器，所述諧振器包含氮化物半導(dǎo)體層，所述諧振器形成在所述半導(dǎo)體襯底上方， 其中施加在所述諧振器端面附近的區(qū)域上的應(yīng)變小于施加在所述端面附近的區(qū)域之間的區(qū)域上的應(yīng)變。
2.一種半導(dǎo)體激光器，包括 半導(dǎo)體襯底；和諧振器，所述諧振器包含氮化物半導(dǎo)體層，所述諧振器形成在所述半導(dǎo)體襯底上方， 其中進(jìn)行激光振蕩的諧振器端面的下端不接觸所述半導(dǎo)體襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其中所述半導(dǎo)體襯底具有位于所述諧振器端面下方的凹陷區(qū)域，使得所述半導(dǎo)體襯底不接觸所述諧振器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體激光器，其中所述凹陷區(qū)域?qū)?yīng)于所述諧振器的窗區(qū)域和非電流注入?yún)^(qū)域的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器，其中所述諧振器具有下包覆層和形成在所述下包覆層上方的有源層，并且其中從所述諧振器的下表面中不接觸所述半導(dǎo)體襯底的區(qū)域的端面開始的長度不小于所述下包覆層的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器，其中從所述諧振器的下表面中不接觸所述半導(dǎo)體襯底的區(qū)域的端面開始的長度小于20 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，還包括與所述諧振器電耦合的第一電極和與所述半導(dǎo)體襯底電耦合的第二電極。
8.—種制造半導(dǎo)體激光器的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上方形成作為諧振器的前體的氮化物半導(dǎo)體層； 在所述氮化物半導(dǎo)體層上形成進(jìn)行激光振蕩的所述諧振器的端面；和移除所述半導(dǎo)體襯底的位于所述端面下方的部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造半導(dǎo)體激光器的方法，其中通過利用在形成所述端面時(shí)形成的所述氮化物半導(dǎo)體層中的開口，來移除所述半導(dǎo)體襯底的一部分。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體激光器及其制造方法，其包括半導(dǎo)體襯底；和諧振器，其形成在半導(dǎo)體襯底上方并且包含氮化物半導(dǎo)體層。施加在諧振器端面附近區(qū)域上的應(yīng)變小于施加在端面附近區(qū)域之間的區(qū)域上的應(yīng)變。
文檔編號H01S5/16GK102237634SQ20111010728
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者笹岡千秋 申請人:瑞薩電子株式會社