专利名称：脊形波导半导体激光二极管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及到半导体激光二极管及其制作方法，更确切地讲，涉及到脊形波导半导体激光二极管及其制作方法。
背景技术：
半导体激光器广泛地用于通讯领域如光通讯，或如CD播放器(CDP)、DVD播放器(DVDP)之类的设备作为传输数据或读写数据的工具。
如上所述，由于各种原因半导体激光器得到了广泛应用，尤其是，例如它有能力将激光器特性保持在适当的有限空间中，这就使之能小型化，更重要的是它具有产生激光振荡的小临界电流值。
由于能使用半导体激光器的工业领域增多，对半导体激光器的需要增大，具有小临界电流值的半导体激光器也就有了良好的销路。
因此，已开发了或已在开发降低临界电流值的半导体激光器。图1表示上述半导体激光器的一个实例，图中表示带有脊形波导以降低激光振荡临界电流值的常规半导体激光二极管。
参见图1，在蓝宝石衬底10上有一n-GaN层12。n-GaN层12可分为第一区R1和第二区R2。在第一区R1上相继形成n-AlGaN/GaN层24、n-GaN波导层26、有源层(InGaN层)28、p-GaN波导层30和p-AlGaN/GaN层32。n-AlGaN/GaN层24和p-AlGaN/GaN层32的折射率低于n-GaN波导层26和p-GaN波导层30。而n-GaN波导层26和p-GaN波导层30的折射率也低于有源层28。p-AlGaN/GaN层32有一脊形部分，其中间的上部是突起的。突起部分的侧面与其周围的表面是垂直的，突起部分的上表面是平的且与侧面垂直。电流流过p-AlGaN/GaN层32的宽度受突起部分的限制。因此，确定了有源层28中激光振荡的谐振区。在p-AlGaN/GaN层32突起部分的顶部形成有p-GaN层34。p-AlGaN/GaN层32暴露出来的整个表面覆盖有保护层36。p-GaN层34的两端，除了作为电流通道的中间部分外，与保护层36接触。在保护层36上制作p型电极38，它与p-GaN层34露出的整个表面接触。
比第一区R1低的n-GaN层12的第二区R2上做有n型电极40。
如上所述，在常规的激光二极管中，谐振宽度受脊形结构的限制，使得激光振荡的临界电流值低于非脊形结构。然而，如图2所示，在制作脊形时因浅腐蚀而使脊形部分的高度做得较低时，p-AlGaN/GaN层32的电阻和p-GaN层34的电阻大大增加，流过p-GaN层34的电流在到达有源层28前在脊形宽度上散开。结果，谐振区A1变宽，使得激光振荡的临界电流值增大。另一方面，如图3所示，当制作脊形时因深腐蚀而使脊形较高及脊形周围的p-AlGaN/GaN层32较薄时，可防止电流分散，但是在激光振荡期间脊形下面的部分也是光波导的一部分。这就会发生光损失，因而临界电流值增大。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种脊形波导半导体激光二极管，设计增大谐振宽度而保持临界电流值不变，并防止在常规的脊形结构中因脊形下面的部分在谐振时包括在光波导中而发生的光损失。
本发明的另一个目的是提供一种制作半导体激光二极管的方法。
为达到第一个目的，本发明提供了一种半导体激光二极管，其脊形突起部分垂直于有源层，有源层做在发生受激发射的第一和第二材料层中，第一和第二材料层分别制作在有源层的上面和下面，其折射率比有源层低，半导体激光二极管经脊形部分与一个电极接触，脊形的侧面做成至少有不同梯度的两部分。脊形靠近有源层的部分随接近有源层而变宽。宽度向有源层方向增加的脊形部分C2，与宽度恒定的脊形部分C1之比，C2/C1，不大于2/1，优选地为1/2或1/3。发生受激发射的第一材料层包括在衬底上形成的第一化合物半导体层；在第一化合物半导体层上形成的第一包层；以及在第一包层上形成的第一波导层，第一波导层的折射率大于第一包层。发生受激发射的第二材料层包括在有源层上形成的第二波导层；在第二波导层上形成的第二包层，第二包层的折射率小于第二波导层并包含脊形部分；在整个脊形的上表面上形成第二化合物半导体层。在第一化合物半导体层上制作电极，其极性不同于制作在脊形上者。高阻宝石衬底是由碳化硅SiC制成的。
为达到第二个目的，本发明提供了一种制作半导体激光二极管的方法，在这种半导体激光二极管中，垂直于有源层的脊形突起部分制作在发射激光的第一和第二材料层中，第一和第二材料层分别制作在有源层的上面和下面，其折射率低于有源层，脊形部分与一个电极与相连，脊形的侧面做成至少有不同梯度的两部分。脊形靠近有源层的部分其宽度随接近有源层而增大。脊形部分被制作成使其宽度向有源层方向逐渐增加的部分C2与宽度恒定部分C1之比，C2/C1，不大于2/1。更优选地，脊形部分被制作成使比值C2/C1，即宽度向有源层方向逐渐增加的部分C2与宽度恒定部分C1之比为1/2或1/3。脊形部分按照如下步骤制成在第一材料层上制作用于形成脊形的掩模图形；用掩模图形做腐蚀掩模来腐蚀第二材料层，直至第二材料层达到预定厚度；除去掩模图形。在这里，是将离子束以预定的角度斜射到第二材料层上来进行腐蚀的。斜射角度为10～70°，优选地为30°。在衬底上形成第一化合物半导体层。在第一化合物半导体层上形成第一包层。在第一包层上形成第一波导层，其折射率大于第一包层。发生受激发射的第二材料层按照如下步骤制成在有源层上形成第二波导层；在第二波导层上形成第二包层，其折射率小于第二波导层并包含脊形部分；在脊形部分的整个上表面上形成第二化合物半导体层。在第一化合物半导体层上制作与有源层隔离的电极，其极性不同于制作在脊形上的电极。在衬底的底面上制作电极，其极性不同于制作在脊形上的电极。
在本发明的脊形波导半导体激光二极管中，脊形部分被制成宽度恒定的部分及与之相连的宽度向有源层方向增大的部分。这样，就防止了因电流分散而致谐振宽度增大，也防止了在常规脊形结构中因脊形下面的部分包含在光波导中而在谐振期间发生的光损失。因此，可进一步降低激光振荡的临界电流值。
参照附图对一优选实施方案的详细描述可以更明显地看到本发明的上述目的和优点，在这些附图中图1为常规脊形波导半导体激光二极管的剖面图；图2和3为常规脊形波导半导体激光二极管的剖面图，表示产生的问题；图4为本发明一个实施方案的脊形波导半导体激光二极管的剖面图；图5为图4的脊形波导半导体激光二极管的剖面图，表示半导体激光二极管的激射特性；图6为常规脊形波导半导体激光二极管和本发明脊形波导半导体激光二极管的电学性质图；图7～11为说明图4所示脊形波导半导体激光二极管制作方法的剖面图。
具体实施例方式
现在参见附图详细描述本发明实施方案的脊形波导半导体激光二极管和制作这种半导体激光二极管的方法。为了清楚起见，图中各层或区域的厚度被夸大了。
首先，参照图4～6描述本发明一个实施方案的脊形波导半导体激光二极管。参见图4，在高阻衬底40上形成第一化合物半导体层42。高阻衬底40为蓝宝石衬底。优选地，第一化合物半导体层42为直接跃迁型半导体层，为GaN基的III-V族氮化物半导体层。更优选地，第一化合物半导体层42为n-GaN层。第一化合物半导体层42可为能发射激光的不同的III-V族化合物半导体层。由于不必限制跃迁的类型，第一化合物半导体层42可为包括在上述这组化合物半导体层中的间接跃迁型材料层。第一化合物半导体层42的一部分被腐蚀至预定的深度，在腐蚀区上制作导电层55。导电层55用作n型电极。第一化合物半导体层42的其余部分与腐蚀部分有一台阶差，其上形成有第一包层44。优选地，第一包层44为具有预定折射率的n-AlGaN/GaN层。然而，第一包层44可为发生受激发射的不同的化合物制成的半导体层。在第一包层44上形成谐振层46。实际发生受激发射的谐振层46是由第一波导层46a、有源层46b和第二波导层46c组成的，它们相继形成在第一包层44上。第一和第二波导层46a和46c的折射率低于有源层46b，且优选地为GaN基的III-V族化合物半导体层。更优选地，第一和第二波导层46a和46c为n-GaN和p-GaN。有源层46b可为能发生受激发射的任何材料层。然而优选的是，有源层46b为这样的材料层，使得激光器具有低临界电流值并可得到稳定的水平模式特性。更优选地，有源层46b由含预定百分比铝的AlGaN制成。在谐振层46上形成第二包层48，其折射率低于第二波导层46c，在垂直于谐振层46表面的方向上第二包层48有一脊形突起。在突起上面形成有第二化合物半导体层50。除了注入的导电杂质不同外，第二包层48与第一包层44是相同的。于是，如果第一包层44为n型的化合物半导体层，则第二包层48，如上所述，为掺有p型导电杂质但具有与第一包层44相同特性的化合物半导体层。如果第一包层44为p型化合物半导体层，第二包层48则为掺有n型导电杂质但具有与第一包层44相同特性的化合物半导体层。这个规则也适用于第二化合物半导体层50。于是，如果第二化合物半导体层50为p型化合物半导体层，第一化合物半导体层42则为掺有n型导电杂质但具有与第二化合物半导体层50相同特性的化合物半导体层。脊形部分至少有两个侧面，每个侧面有变化的梯度，亦即为圆形。例如，脊形部分是由两部分组成的，即在带有有源层的谐振层46方向上具有第一梯度的第一部分C1和梯度不同于第一部分C1的第二部分C2。第一部分C1的侧面理想地与有源层表面完全垂直，但在制作期间可不完全垂直于有源层表面。在第二部分C2两侧有一斜坡B。在脊形部分，宽度向有源层方向增大的部分C2与宽度恒定部分C1的比值C2/C1可为2/1的极大值。然而，优选的比值C2/C1为1/2或1/3，并可低达1/10。第一和第二部分是连贯的。在第二包层48第一部分C1的整个上表面上形成第二化合物半导体层50。
优选地，第一部分C1始于第二包层48脊形的上表面。然而，在此说明书中，按照制作工艺特性，脊形是在淀积了第二化合物半导体层50后制作的，为了方便起见，将第二化合物半导体层50考虑作脊形的一部分，而将第一部分C1考虑作始于第二化合物半导体层50的表面。第二化合物半导体层50包含在脊形部分中丝毫不改变激光二极管的特性。
第二包层48的上表面盖有保护层52，它在第二化合物半导体层50两端上延伸预定的距离，因而与第二化合物半导体层50对称地接触。在保护层52上制作与第二化合物半导体层50的一部分接触的导电层54。导电层54为p型电极。
此时，尽管图中未示出，也可这样来设计激光二极管，使得脊形部分具有上述的特性，而电极分别做在谐振层46的上面和下面，彼此相对。例如，高阻衬底40可替换为碳化硅(SiC)，n型电极可做在高阻衬底40的底面上，与p型电极相对。
参见图5，在本发明实施方案的半导体激光二极管中，脊形部分与第二包层48的水平区域间不是以直角相接，而是有平缓斜坡。这样，脊形部分的第一部分C1就防止了经脊形部分上表面的第二化合物半导体层注入电流的分散。这样，如可由近场图形A3看到的，谐振宽度W被限制为脊形宽度，并且也防止了因常规脊形结构中脊形下面的部分在谐振期间包含在光波导中而发生的光损失。
按照这些特性，也可预言本发明实施方案的半导体激光二极管的临界电流值比常规的半导体激光二极管降低。由图6可以证实这一预言。
图6表示如上所述的本发明实施方案的半导体激光二极管和图1的常规半导体激光二极管的临界电流值曲线。在图6中，第一条曲线G1表示本发明激光二极管的临界电流值，曲线G2表示常规激光二极管的临界电流值。
参照第一和第二条曲线G1和G2，可以看到，在常规激光二极管中约在250mA处开始有效的激光振荡，而在本发明的半导体激光二极管中则在75mA处开始有效的激光振荡。
因此，本发明实施方案的激光二极管具有上述的优点，也具有比常规激光二极管低得多的临界电流值。
现在描述上述本发明实施方案的半导体激光二极管的制作方法。参见图7，在高阻衬底40上形成发生受激发射的第一材料层42和44、谐振层46、以及发生受激发射的第二材料层48和50。优选地，高阻衬底40为蓝宝石衬底，第一材料层42和44是在高阻衬底40上相继形成的第一化合物半导体层42和第一包层44。优选地，第一化合物半导体层42由III-V族化合物，例如，直接跃迁的GaN基氮化物半导体层制成。例如，第一化合物半导体层42由n-GaN制成是优选的。优选地，第一包层44由n-AlGaN/GaN制成。谐振层46是在第一包层44上相继形成第一波导层46a、有源层46b和第二波导层46c来得到的。优选地，第一和第二波导层46a和46c为掺相反导电类型杂质的化合物半导体层，其折射率高于第一包层44、低于有源层46b。例如，第一波导层46a由n-GaN制成，第二波导层46c由p-GaN制成是优选的。有源层46b为可发生受激发射的III-V族化合物半导体层或是将预定的有源材料添加至III-V族化合物半导体中的化合物半导体层。优选地，有源层46b为含预定百分比铝的GaN基III-V族氮化物化合物半导体层。例如，有源层46b由AlGaN制成是优选的用于激光振荡的第二材料层48和50是在谐振层46上相继形成第二包层48和第二化合物半导体层50而成的，其折射率都低于第二波导层46c。第二包层48是与第一包层相同的化合物半导体层，除了注入的导电杂质类型不同外。例如，第二包层48由p-AlGaN/GaN制成是优选的。优选地，第二化合物半导体层50除了掺以不同导电类型的杂质外与第一化合物半导体层相同。这样，第二化合物半导体层50由p-GaN制成是优选的。
接下来，在第二化合物半导体层50的整个表面上制作掩模层(未示出)，然后刻图形制成掩模图形M，它盖住第二化合物半导体层50的预定区域，露出其余区域。掩模图形M可为软掩模图形，例如光敏膜图形，也可为硬掩模图形，例如钼(Mo)图形或氧化硅膜(SiO2)图形。在第二化合物半导体层50和第二包层48相继进行腐蚀时，此掩模图形M用做腐蚀掩模。优选地，对第二化合物半导体层50和第二包层48进行干法腐蚀。更优选地，将腐蚀离子束I以预定的角度(θ)斜射到第二化合物半导体层50的表面上来腐蚀第二化合物半导体层50和第二包层48。优选地，腐蚀离子束I的斜射角为10～70°，更优选地，为30°角。控制腐蚀装置的位置或控制片台的位置可得到这样的斜射条件。在这样的斜射条件下进行腐蚀，直至腐蚀掉第二化合物半导体层50的露出部分以及使第二包层48的露出部分达到预定厚度。此后，去掉掩模M。由于除了被掩模图形M盖住的部分外第二包层48被腐蚀至预定深度，在去掉掩模图形M后，第二包层48被掩模图形M盖住的部分就成为突起状，如图8所示。用这种办法，第二包层48被制成具有一个垂直于谐振层46表面的突起部分的脊形波导，其上形成有第二化合物半导体层50。
参见图8，第二包层48的突起部分，即脊形部分做成侧面具有第一梯度的第一部分C1以及侧面具有第二梯度的第二部分，第二梯度的角度不同于第一部分。优选地，第二部分C2做成其宽度随接近谐振层46而增大。优选地，对第二包层48进行腐蚀，使得第二部分C2与第一部分C1之比，C2/C1，不大于2/1。这样，虽然可将脊形做成比值C2/C1为1/1，但将脊形的比值C2/C1做成1/2或1/3是更优选的。由于第二部分C2的上述特性，第二部分C2的侧面有一平缓的斜坡B，第一部分C1经其与第二包层48的水平区域相连。
因为平缓的斜坡B是斜射腐蚀特有的，射到脊形侧面的离子束在碰到脊形侧面后有一些被反射，而与离脊形远一些的第二包层48的表面部分碰撞。因此，第二包层48离脊形远一些的部分比其离脊形近的部分腐蚀得快，使得脊形部分具有上述的特征。
参见图9，在第二包层48中设有包含脊形部分的第一区R1和不包含脊形部分的第二区R2。这样的分区也适用于第二包层48下面的材料层，如第一化合物半导体层42。接下来，在整个第二包层48表面制作光敏膜(未示出)，使其厚度足以覆盖脊形部分，然后刻图形，形成露出第二区R2的光敏膜图形56。用光敏膜图形56作腐蚀掩模，相继腐蚀第二包层的第二区R2以及其下的材料层。此处，进行腐蚀直至腐蚀去第一化合物半导体层42的一部分，相当于其第二区R2具有预定的厚度。此后，除去光敏图形56。这样，如图10所示，在第二区R2中，在第一化合物半导体层42上相继形成的材料层被除去，第一化合物半导体层42的第二区也被腐蚀至预定的厚度，使得在第一化合物半导体层42的第一区和第二区R2间形成一台阶差。然后，如图11所示，在第二包层48上制作保护膜52，使之延伸至第二化合物半导体层50的某些表面区域，并与第二化合物半导体层50对称地接触。在第一化合物半导体层42的腐蚀区上也制作有与谐振层46隔离的导电层55。导电层54用作p型电极，它与形成在谐振层46上的发生受激发射的材料层48和50接触。导电层55用作n型电极，它与形成在高阻衬底40与谐振层46之间的发生受激发射的材料层42和44接触。
虽然图中未示出，电极可分别制作在谐振层的上面和下面。例如，可用碳化硅SiC替换高阻衬底材料40，对于这种情形，作为n型电极的导电层55可制作在SiC衬底的底面上。
虽然已参照特定的实施方案对本发明做了描述，此实施方案必须不被解释为限制本发明的范围，而只是本发明的优选实例。因此，一个本领域的普通技术人员显然可对上述实施方案做出各种修改而没有背离本发明的构思与范围。例如，可改变发生受激发射的谐振层或材料层的结构而仍然保持脊形的上述特性。本发明的构思也可用于各种激光二极管，如增益波导激光二极管或折射率波导激光二极管。
如上所述，在本发明的脊形波导半导体激光二极管中，脊形部分做成宽度均匀的部分和宽度向有源层增大的部分，这两部分是相连的。这样就防止了因电流的分散而使谐振宽度增大，也防止了在常规脊形结构中因脊形下面的部分也包含在光波导中而在谐振期间产生的光损失。因此，可进一步降低激光振荡的临界电流值。
权利要求
1.一种半导体激光二极管，其垂直于有源层的脊形突起部分制作在发生受激发射的第一和第二材料层之一上，第一和第二材料层分别形成在有源层的上面和下面，其折射率低于有源层，半导体激光二极管经脊形部分与一个电极接触，脊形部分的侧面至少做成不同梯度的两部分。
2.权利要求1的半导体激光二极管，其特征在于，脊形靠近有源层的部分随接近有源层而变宽。
3.权利要求2的半导体激光二极管，其特征在于，脊形宽度向有源层增大的部分C2与宽度恒定部分C1之比，C2/C1，不大于2/1。
4.权利要求3的半导体激光二极管，其特征在于，脊形宽度向有源层增大的部分C2与宽度恒定部分C1之比，C2/C1，为1/2。
5.权利要求1的半导体激光二极管，其特征在于，发生受激发射的第一材料层包括在衬底上形成的第一化合物半导体层；在第一化合物半导体层上形成的第一包层；在第一包层上形成的第一波导层，第一波导层的折射率大于第一包层的折射率。
6.权利要求1的半导体激光二极管，其特征在于，发生受激发射的第二材料层包括在有源层上形成的第二波导层；在第二波导层上形成的第二包层，第二包层的折射率小于第二波导层的折射率，并包含脊形部分；在脊形部分的整个上表面上形成的第二化合物半导体层。
7.权利要求5的半导体激光二极管，其特征在于，在第一化合物半导体层上制作的电极，其极性不同于制作在脊形部分上的电极。
8.权利要求5的半导体激光二极管，其特征在于，在衬底的底面上制作的电极，其极性不同于制作在脊形部分上的电极。
9.权利要求1的半导体激光二极管，其特征在于，衬底为高阻蓝宝石衬底。
10.权利要求5或8的半导体激光二极管，其特征在于，衬底由碳化硅SiC或氮化镓GaN制成。
11.一种制作半导体激光二极管的方法，在半导体激光二极管，其特征在于其垂直于有源层的脊形突起部分制作在发射激光的第一和第二材料层之一上，第一和第二材料层分别形成在有源层的上面和下面，其折射率低于有源层的折射率，一个电极与脊形部分相连，其中脊形部分的侧面至少做成不同梯度的两部分。
12.权利要求11的方法，其特征在于，脊形靠近有源层的部分C2随接近有源层而变宽。
13.权利要求11的方法，其特征在于，脊形部分被做成使脊形宽度向有源层逐渐增大的部分C2与宽度恒定部分C1之比，C2/C1，不大于2/1。
14.权利要求13的方法，其特征在于，脊形部分被做成使脊形宽度向有源层逐渐增大的部分C2与宽度恒定部分C1之比，C2/C1，为1/2。
15.权利要求11的方法，其特征在于，脊形部分按照以下步骤制作在第一材料层上制作形成脊形的掩模图形；用此掩模图形作腐蚀掩模来腐蚀第二材料层，直至第二材料层达到预定厚度；除去掩模图形，其中第二材料层的腐蚀是将离子束以预定的角度斜射至第二材料层表面来进行的。
16.权利要求15的方法，其特征在于，斜射角为10～70°，优选地为30°。
17.权利要求11的方法，还包括在衬底上形成第一化合物半导体层；在第一化合物半导体层上形成第一包层；在第一包层上形成第一波导层，第一波导层的折射率大于第一包层的折射率。
18.权利要求11或15的方法，其特征在于，发生受激发射的第二材料层按照以下步骤制作在有源层上形成第二波导层；在第二波导层上形成第二包层，第二包层的折射率小于第二波导层的折射率，并包含脊形部分；在脊形的整个上表面上形成第二化合物半导体层。
19.权利要求17的方法，其特征在于，在第一化合物半导体层上制作与有源层隔离的电极，其极性不同于制作在脊形部分上的电极。
20.权利要求17的方法，其特征在于，在衬底的底面制作电极，其极性不同于制作在脊形部分上的电极。
全文摘要
提供了一种脊形波导半导体激光二极管及其制作方法。在半导体激光二极管中,其垂直于有源层的脊形突起部分制作在发生受激发射的第一和第二材料层之一上,第一和第二材料层分别形成在有源层的上面和下面,其折射率低于有源层,半导体激光二极管经脊形部分与一个电极接触,其中的脊形部分的侧面至少做成不同梯度的两部分。
文档编号H01S5/323GK1360377SQ0112456
公开日2002年7月24日 申请日期2001年8月10日 优先权日2000年12月20日
发明者郭准燮, 赵济熙 申请人:三星电机株式会社