CN1879267A - 半导体激光器及其制法 - Google Patents

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Abstract

本发明的半导体激光器例如，在基板上叠层由具有与基板(1)的劈开面不平行的劈开面的氮化物材料构成，包括活性层(5)的半导体叠层部(9)，形成射出激光的共振器端面(6)。而且，在共振器端面附近，在基板与活性层之间具有金属层部(5)。结果，即便在基板与半导体叠层部之间产生裂纹，由于该裂纹被金属层部阻止，不会延伸到共振器端面的活性层，所以共振器端面可以得到没有裂纹的劈开面，减少吸收损失，能够得到低工作电流驱动且可靠性高的半导体激光器。

Description

半导体激光器及其制法
技术领域
本发明涉及具备由具有与基板的劈开面不平行的劈开面的材料构成的半导体叠层部的半导体激光器及其制法。
背景技术
伴随着近年来光记录密度的提高，也要求用于读取等的半导体激光器短波长化，对于高密度DVD等的用途正在积极地开发氮化物半导体激光器。氮化物半导体激光器例如如图6所示，在蓝宝石基板51上，形成有由n型半导体层52、活性层54、p型半导体层53构成的半导体叠层部59。为使电流狭窄而将p型半导体层53刻蚀成带状，在p型半导体层53的最上表面上形成有p电极58，另一方面n型半导体层52一部分具有露出面，在露出面上形成有n电极57。而且，在与半导体叠层部59的叠层面垂直的方向上形成有共振器端面56(参照专利文献1)。
专利文献1：日本专利特开平08-097502号公报(图3)
发明内容
一般地，半导体激光器在通过注入电流而产生的光在共振器端面反复反射得到放大后，使放大光主要从共振器端面的一方射出。而且，为实现半导体激光器的低阈值化和低工作电流驱动化，需要极力减少在共振器端面的光吸收。为达到此目的，共振器端面一般使用沿着用于半导体叠层部的结晶材料的劈开面的面。但是，在氮化物半导体激光器中，存在着即便在用于半导体叠层部的氮化物材料的劈开面方向上形成的共振器端面也不发生激光振荡，或者即便当发生激光振荡时工作电流也变得很大那样的问题。
即，作为氮化物半导体激光器用的基板，一般使用适合于氮化物材料生长的蓝宝石基板等。但是，根据基板的不同，可以具有与构成半导体叠层部的氮化物材料的劈开面不平行的劈开面，也可以在基板自身中不存在劈开面。所以，即便用半导体叠层部的劈开面形成共振器端面，也在与劈开面不平行的基板的剖面中引入许多裂纹。而且，在该基板中产生的裂纹传播到半导体叠层部的劈开面，导致半导体叠层部的劈开面也不能使用的结果。既然这样使半导体叠层部和基板接触，就不能避免裂纹传播，在导体叠层部不能得到良好的劈开面。因此，在共振器端面的光损失增加，不能充分发挥放大作用，不会发生激光振荡，或者增加了工作电流。
另一方面，作为别的共振器端面的形成方法，不是使用劈开面形成共振器端面，而是通过对共振器端面形成处的半导体叠层部进行干刻蚀试图人工地得到共振器端面。但是，即便使用干刻蚀，表面加工也存在着界限，不能得到与劈开面同等程度的面形状。进一步，当干刻蚀时进行等离子体处理，但是也存在着在处理中由于等离子体使共振器端面受到损伤导致可靠性等恶化的担心。
本发明的目的是解决这样的问题，减少共振器端面中的吸收损失，得到低工作电流驱动并且高可靠性的半导体激光器。此外，本发明的其它目的是提供用于得到上述低工作电流驱动并且高可靠性的半导体激光器的制法。
本发明的半导体激光器至少具有基板、设置在该基板上且由具有与该基板的劈开面不平行的劈开面的材料构成、包括活性层的半导体叠层部；和在共振器端面附近位于上述基板与上述活性层之间的金属层部。
这里，具有与该基板的劈开面不平行的劈开面的材料指的是具有与基板和劈开面平行的劈开面的材料以外的所有材料，当基板自身没有劈开面时，包括如果半导体叠层部是具有劈开面的材料则无论哪种材料都可以的情况。此外，共振器端面附近意味着至少包括射出激光的共振器端面，也可以直到在此以外的区域形成金属层部。
此外，优选上述金属层部包括构成半导体叠层部的原子。根据该构成，不使活性层的结晶性恶化，又能够防止制造工序复杂化。
本发明的半导体激光器的制法的特征在于，在基板上形成由具有与该基板的劈开面不平行的劈开面的材料构成、包括活性层的半导体叠层部之后，熔融上述半导体叠层部的一部分并形成金属层部，此后通过在该金属层部分劈开，由此形成共振器端面。
更具体地说，其特征在于，当形成上述金属层部时，通过从作为与半导体叠层部的叠层面相反的面的基板背面照射激光进行熔融，形成金属层部。由此能够简便地熔融半导体叠层部，也不会使制造工序复杂化。
根据本发明，因为在共振器端面附近位于基板与活性层之间具有金属层部，所以基板与活性层不直接接触。因此，当与半导体叠层部的劈开面一致地形成共振器端面时，在基板上生成的裂纹被金属层部吸收，不会传播到半导体叠层部侧，在活性层中不产生裂纹。所以，能够将活性层的共振器端面作为镜面。此外，与通过干刻蚀等进行人工加工的共振器端面相比能够进行更好的镜面化。因此，能够减少端面损失，得到低工作电流驱动的半导体激光器。
此外，根据本发明的制法，因为通过与金属层部一致地劈开而形成共振器端面，所以在基板上生成的裂纹被金属层部吸收，不会传播到半导体叠层部，在半导体叠层部中不产生裂纹。所以，能够将半导体叠层部的共振器端面作为镜面。进一步，因为在形成半导体叠层部后熔融半导体叠层部的一部分，所以已经叠层的半导体叠层部也不会受到任何影响，能够得到品质优良的半导体叠层部。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的半导体激光器的斜视图。
图2是与图1的半导体激光器的共振器端面垂直的方向上的剖面图。
图3A～3C是图1的半导体激光器的共振器端面的示意图，和其它实施方式的共振器端面的示意图。
图4A～4C是表示本发明的半导体激光器的制造工序的示意图，是表示与共振器端面垂直的剖面图的示意图。
图5是本发明的实施例的半导体激光器的共振器端面的示意图。
图6是说明现有的半导体激光器的斜视图。
符号说明
1 基板
4 活性层
5 金属层部
6 共振器端面
9 半导体叠层部
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
例如如图1所示，本发明的半导体激光器具有基板1；和在基板1上叠层由具有与基板1的劈开面不平行的劈开面的氮化物材料构成、包括活性层5的半导体叠层部9被叠层，形成有射出激光的共振器端面6。而且，在共振器端面6附近，在基板1与活性层4之间具有金属层部5。
金属层部5在共振器端面6附近，位于基板1与活性层4之间，具有当劈开时，防止从基板1生成的裂纹到达叠层在其上方的半导体叠层部、特别是活性层4的作用。这里，共振器端面6附近意味着至少包括射出激光的端面部分，也可以是金属层部5形成到在此以外的区域。
通过***该金属层部5，基板1与活性层4不直接接触。所以，图1的半导体激光器的共振器端面侧的示意图如图3A所示，当将半导体叠层部9的劈开面作为共振器端面6时，由于与基板的劈开面不同而产生的裂纹11，由于存在金属层部5，不会传播到上方的半导体叠层部9中。因此，在半导体叠层部9中不产生裂纹11，能够将半导体叠层部9、特别是活性层4作为镜面，能够抑制共振器端面6中的吸收损失。此外，与用干刻蚀等进行人工加工得到的端面相比，能够进行更好的镜面化，能够减少端面损失，得到低工作电流驱动的半导体激光器。
关于金属层部5的与激光共振器方向和半导体叠层部9的叠层方向垂直的方向的宽度T，在图3A所示的例子中与芯片宽度C相同，但是例如如图3B所示，金属层部5的宽度T也可以比芯片宽度C小，但是优选在规定电流注入区域的台面(mesa)带状部的带宽S以上。即，如果裂纹11在活性层4中的光密度高的区域中传播，则几乎没有共振器端面中的吸收损失。而且，该光密度高的区域大致与带宽S相同，如果金属层部5的宽度T具有在此以上的宽度，则必然能够减少吸收损失。
进一步，在图1、图3A和图3B所示的例子中，与基板接触的半导体叠层部9的一部分成为金属层部5，但是不一定要与基板1接触，例如如图3C所示，也可以在到活性层4之间的某层的任一位置上形成金属层部5。
优选金属层部5包括构成半导体叠层部9的原子。根据该构成，难以使活性层4的结晶性恶化，此外，制造工序变得容易。即，当包括构成半导体叠层部9的原子时，通过在生长半导体叠层部9后熔融半导体叠层部9的一部分，能够形成金属层部5。所以，对半导体叠层部9的结晶性没有任何影响，能够维持品质优良的半导体叠层部9。此外，如后所述，通过只追加从基板1的背面熔融半导体叠层部9的一部分的程序，能够形成包括构成半导体叠层部9的原子的金属层部5，不会导致制造工序的复杂化。具体地说，当半导体叠层部9由AlxGayIn1-x-yN系化合物材料构成时，Ga、Al、In或它们的合金形成金属层部5，当使用其它材料时也能够同样地进行考虑。其中，优选如上所述在半导体叠层部9生长后形成，但不限于此。
此外，与图1的共振器端面垂直的方向的剖面图如图2所示，从共振器端面6向着内部方向形成有金属层部5，但是优选从该两个共振器端面6向着半导体激光器的内部方向的合计长度W(＝W1+W2)在共振器长度L的一半以下。这样说是因为当增大W时，在基板1与半导体叠层部9的界面上的粘合面积降低。而且，若W为共振器长度L的一半以上，则在封装化程序等之中，基板1剥离的概率急剧地增大。另一方面，如后所述，宽度W(＝W1+W2)具有劈开的精度以上的宽度，但是优选能够在劈开面上确实地形成金属层部5。
基板1例如使用将c面作为主面的蓝宝石基板，但不限于此，也可以是将其它面作为主面的蓝宝石基板。此外，基板1可以是绝缘基板、p型或n型，此外，材料也不限于蓝宝石，也可以是碳化硅(SiC)基板等其它材料。进一步，如后所述，由于从背面照射通过YAG激光器等产生的光，所以优选是不吸收从照射用激光器13发出的光的材料。
半导体叠层部9是具有与基板1的劈开面不平行的劈开面的材料，具有活性层4，形成在基板1上。其中，对半导体叠层部9的材料系没有限定，但是在氮化物材料的情况下，特别容易满足具有与基板1的劈开面不平行的劈开面的材料的要求。所谓的氮化物材料指的是由AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)的通式表示的氮化物材料。例如，当使用将c面作为主面的蓝宝石基板，形成包括GaN的半导体叠层部9，形成共振器端面时，相对于GaN的劈开面一般为M面，c面蓝宝石基板的劈开面也为M面，但是它们没有平行的关系。此外，当使用将(0112)面作为主面的蓝宝石基板时，基板的劈开面为R面，但是不与作为GaN的劈开面的M面平行。所以，具有这种关系的情况全部包括在本发明的范围内。其中，在具有劈开面与基板不平行的劈开面的材料中，意味着具有劈开面与基板平行的劈开面的材料以外的所有材料，包括当基板自身没有劈开面时，如果是具有劈开面的材料则可以是任一种材料的情况。即，当使用没有劈开面而具有裂开面那样的基板时，无论使用哪种材料作为半导体叠层部9都在本发明的范围内。此外，优选以夹着活性层4的方式形成第一导电型半导体层2和第二导电型半导体层3，构成双异质(Double hetero)结提高发光效率。
活性层4可以是由堆(bulk)构造产生，或者具有单一量子势阱和多重量子势阱等的构造等，而不管其种类。当采用量子势阱构造时，在势阱层中使用带隙小的层，在屏蔽层中使用带隙大的层，例如，在势阱层中用InGaN层，在屏蔽层中用GaN层等。
第一导电型半导体层2为n型或p型，既可以是单层也可以是多层，也根据要求适当地调整膜厚。例如，在图5所示的实施例中，形成由n型GaN接触层2a、n型AlxGayN覆盖层2b、n型GaN引导层2c构成的三层构造，但是不一定需要各层，或者能够形成发挥接触层和覆盖层两功能的单层。此外，既可以具有超晶格构造，也可以进一步具有持有其它功能的层。
此外，也可以在第一导电型半导体层2与基板1之间***缓冲层12。缓冲层12具有缓和基板与第一导电型半导体层2的晶格不匹配等的作用，优选是由AlxGayIn1-x-yN构成的材料，但不限于此。
第二导电型半导体层3具有与第一导电型半导体层2相反的导电型，既可以是单层也可以是多层，也根据要求适当地调整膜厚。例如，在图5所示的实施例中，形成由p型Alx′Gay′N电子势垒层3a、p型GaN引导层3b、p型AlxGayN覆盖层3c、p型GaN接触层3d构成的四层构造，但是也可以是发挥接触层和覆盖层两种功能的单层。此外，既可以具有超晶格构造，也可以进一步具有持有其它功能的层。此外，由于只叠层p型半导体层，非活性的情况很多，所以例如，优选通过对半导体叠层部9中成为p型的半导体层实施退火等，进行活性化。当退火时，也可以将SiO2和Si3N4等保护膜设置在第二导电型半导体层4的整个表面上，也可以不设置保护膜。此外，退火条件也可以在能够进行适当活性化的必要条件下实施。此外，也可以用退火以外的方法进行活性化，特别是也可以在不需要活性化的情况下予以省略。
为了使上述活性层4、第一导电型半导体层2和第二导电型半导体层3的各层形成为n型，在MOCVD法中，作为H2Se、SiH4、GeH4、TeH4等杂质原料气体在反应气体内混入Se、Si、Ge、Te可实现。为了成为p型，作为EtCp2Mg和DMZn的有机金属气体在原料气体中混入Mg和Zn。但是在n型的情况下即便不混入杂质，因为当成膜时N容易蒸发，自然地成为n型，所以也可以利用该性质。
此外，在图1～图3所示的例子中，在第一导电型半导体层2中，一部分露出的面上形成有第一电极7，在形成带状的第二导电型半导体层3的最上表面形成有第二电极8。其中，带状台面刻蚀和第一导电型半导体层2的露出面的形成是例如在C12和BC13的混合气体的气氛下通过反应性离子刻蚀等的干刻蚀等进行的。
第一电极7在第一导电型半导体层2的露出面上进行电连接，第二电极8在第二导电型半导体层3上进行电连接。例如，当与各电极接触的层为n型时，由Ti/Al、Ti/Au等构成，当为p型时，由Pd/Au、Ni/Au等构成，但是不限于此。在图5所示的实施例中，第一电极7在作为第一导电型半导体层2的露出面的由n型GaN构成的接触层2a上通过Ti/Al形成，第二电极8在第二导电型半导体层3的最表面的由p型GaN构成的接触层3d上通过Pd/Au形成。
下面，一面参照图4A～4B一面说明本发明的制法。图4A～4C是表示本发明的制造工序的从与共振器端面垂直的方向看的剖面图。本发明的制法是在基板1上形成由与劈开面不同的材料构成的具有活性层4的半导体叠层部9后，熔解半导体叠层部9的一部分形成金属层部5，此后，以分断金属层部5的方式劈开，形成共振器端面6的制法。此外，关于重复的说明，因为与上述相同所以这里省略其说明。
首先，如图4A所示，在基板1上形成由具有与基板1的劈开面不平行的劈开面的材料构成、具有活性层4的半导体叠层部9。它们例如通过MOCVD法等生长，但是也可以是MBE法，也可以是其它的生长方法。此外，在形成半导体叠层部9后，进行退火处理，适当地进行带状刻蚀、台面刻蚀、电极形成、基板背面的抛光等。
下面，如图4B所示，使位于上述基板1与活性层4之间的上述半导体叠层部9的一部分熔解。考虑使用照射用激光器等进行熔融，如后所述能够通过调整激光的输出、照射时间等适当地进行熔融区域的厚度调整。在图4B所示的例子中，通过YAG激光器和激元激光器等的照射用激光器13使半导体叠层部9的一部分熔融。这时，需要只能够熔融半导体叠层部9的一部分的输出，此外，从基板1的背面进行照射，但是优选能够减轻对半导体叠层部9的损伤。进一步，为了避免基板吸收，优选照射用激光器13使用比与基板1的带隙对应的波长长的波长。进一步，优选使用比与在半导体叠层部9中，构成熔融的层的材料的带隙对应的波长短的波长，能够确实地熔融所要的层。此外，如果是比与活性层的带隙相当的波长长的波长，则对活性层完全不产生影响。
例如，当熔融由GaN构成的层时，能够使用YAG激光器或激元激光器，但是当熔融AlxGayN层时，由于YAG激光器的光不被AlxGayN层吸收，所以不能够熔融AlxGayN层。所以，此时，需要使用激元激光器等波长比AlxGayN层短的激光器。相反地，如果在基板侧使用GaN层，在活性层侧使用AlxGayN层，同时使用YAG激光器，则能够对活性层侧没有影响而只在基板侧形成金属层部。
此后，如图4C所示，通过沿熔融的金属层部5使用激光划片和金刚石划片等进行劈开，形成射出激光的共振器端面6。此时，优选金属层部5的宽度W(＝W1+W2)在共振器长度L的一半以下。这样说是，由于当增大W时在基板与半导体叠层部的界面上的粘合面积降低，而且，当W为共振器长度L的一半以上时，在封装化过程等中，基板剥离的概率急剧地增大。另一方面，如图4C所示，宽度W(＝W1+W2)在划片时，如果不具有划片精度以上的宽度(约10μm)，则也会发生产生划片偏离不能够在共振器端面6上形成金属层部5的情况。所以，特别优选W在10μm以上并在共振器长度L的一半以下。
实施例
图5是从在下面的实施例中制作的半导体激光器的共振器端面方向看的示意图。在蓝宝石基板1上，通过MOCVD法将TMG、TMA、TMI、NH3作为原料，例如使由n型GaN构成的缓冲层12生长约0.01～0.2μm，将温度加高到约700～1200℃，使作为第一导电型半导体层2的，由相同组成的n型GaN构成的接触层2a生长约0.01～10μm，使由n型AlxGayN(例如，x＝0.10，x+y＝1)构成的覆盖层2b生长约0.01～2μm，使由n型GaN构成的引导层2c生长约0.01～0.3μm。下面，使由非掺杂或n型或p型In1-yGayN(例如，y＝0.9，x＝0)构成的势阱层和由GaN构成的屏蔽层构成的活性层4生长合计约0.001～0.2μm的厚度。接着，使作为第一导电型半导体层3的，由p型AlxGayN(例如，x＝0.20，x+y＝1)构成的电子势垒层3a生长约0.01～0.3μm，使由p型GaN构成的引导层3b生长约0.01～0.3μm，使由p型AlxGayN(例如，x＝0.10，x+y＝1)构成的覆盖层3c生长约0.01～2μm，进一步使由p型GaN构成的接触层3d生长约0.05～2μm的厚度。
其中在接触层3d的整个表面上设置SiO2保护膜，进行约400～800℃、20～60分钟的退火。当退火完成时，设置抗蚀剂膜等掩膜，在C12和BC13的混合气体的气氛下进行反应性离子刻蚀(干刻蚀)，刻蚀成带状直到露出p型覆盖层3c为止。接着，在带状部上设置抗蚀剂膜等掩膜，再次进行干刻蚀和台面刻蚀，直到露出n型接触层2a为止。接着，通过溅射和蒸镀等形成Pd、Au等金属膜，在p型接触层3d上形成第二电极8，在露出的n型接触层2a上通过溅射和蒸镀等形成Ti、Al等金属膜，形成第一电极7。
此后，通过研磨基板1的背面侧，使基板1变薄。此后，从基板1的背面使用YAG激光器，熔解由GaN构成的缓冲层12，形成由Ga构成的金属层部5。而且，沿熔解的金属层部5用金刚石进行划片并劈开，形成共振器端面6，通过溅射等在共振器端面6上设置未图示的保护膜。最后，也在与射出方向平行方向的共振器方向上进行划片并芯片化，形成半导体激光器。
其中，在图5所示的实施例中，使用YAG激光器11熔融GaN低温缓冲层12，作为该低温缓冲层12的构成金属的Ga形成金属层部5，但是如已经说明那样不限于这种构成。例如，既可以形成金属层部5直到接触层2a的一部分为止，也可以熔融在直到活性层4之间的某个层并形成金属层部5。此外，当形成不仅由GaN而且由InGaN系化合物和AlGaN系化合物等构成的层时，金属层部5不限于Ga，也可以是In与Ga和Al与Ga的合金。
本发明如使用氮化物半导体的蓝色系等的短波长的半导体激光器那样，通过在基板与叠层的半导体层的劈开面不平行时也能够得到高特性的半导体激光器，能够用于CD、DVD、DVD-ROM、CD-R/RW等的传感器(pick up)用光源等。

Claims (7)

1.一种半导体激光器，其特征在于，至少具有：基板；设置在该基板上、由具有与该基板的劈开面不平行的劈开面的材料构成、包括活性层的半导体叠层部；和在共振器端面附近，位于所述基板与所述活性层之间的金属层部。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：所述金属层部包括构成半导体叠层部的原子。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：所述金属层部形成为其宽度比发光带宽且比半导体芯片的宽度窄。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：所述金属层部形成在与所述基板接触的半导体叠层部上。
5.一种半导体激光器的制法，其特征在于：在基板上形成由具有与该基板的劈开面不平行的劈开面的材料构成、包括活性层的半导体叠层部后，熔融所述半导体叠层部的一部分并形成金属层部，之后沿该金属层部劈开，由此形成共振器端面。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器的制法，其特征在于：当形成所述金属层部时，通过从作为与半导体叠层部的叠层面相反的面的基板背面照射激光进行熔融，形成金属层部。
7.根据权利要求5所述的半导体激光器的制法，其特征在于：设定所述激光的波长，使其比对应于活性层的带隙的波长长，且比对应于熔融的半导体层的带隙的波长短。
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