专利名称：半导体激光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器件以及制造该器件的方法，以及特别涉及种用于增加光限制因数(OCF)的半导体激光器件和制造该器件的方法。
背景技术：
使用GaN的半导体激光器件作为用于在和/或从高密度光信息存储介质上记录和/或复制数据的光学系统光源而被引起注意，这种高密度光信息存储介质将替代DVD，例如蓝光光盘(blue-ray disc，BD)和先进的光盘(advanced optical disc，AOD)。
为了作为光学系统的光源使用，在高温高输出情况下该半导体激光器件应保持长的使用寿命。因此，半导体激光器件的运行电流和电压应很低。此外，为了减小半导体激光器件的运行电流和电压，应确保输入电荷的高光增益。因此，大量的光场应分布在半导体激光器件的有源层上，因为激光振荡通常通过从来自外部输入的电流获得增益而产生以及当振荡模和增益区域大部分重叠时激光振荡需要小量的电流。
根据半导体激光器的工作原理，通过结合电子和空穴来产生光发射，以及光子生成通过位于激光谐振腔两侧的镜面而反馈以产生激光。因此，有源区的电和光限制应当同时产生。
当OCF增加时，在相同输入电流下获得光模式的增益增加，导致半导体激光器的振荡临界电流减少。此外，降低的临界电流使工作电流降低，导致半导体激光器的寿命增长。
由尺寸差异和折射率分布导致的OCF与材料的厚度和成分有关。
在增加OCF的传统方法中，包层的厚度增加或包层中的Al含量增加，从而增加了有源层和包层的折射率差异。
然而，当AlGaN基包层中的Al含量增加以减小包层的折射率时，在外延生长过程中产生了裂纹或者包层的厚度不能增加超过预定厚度。当具有少量Al的包层的厚度增加时，半导体激光器件的垂直电阻迅速增加，因此驱动电压增加，换句话说，工作电流增加。结果，生长温度增加，导致生长工艺过程中有源层的劣化。
如上所述，具有大量Al和大厚度的包层出现了裂纹生成和工作电压升高的问题。此外，增加包层的Al含量或厚度的方法增加了光模的不对称性，导致远场图形不对称性的增加而减小了信噪比(SNR)。
发明内容
本发明提供一种具有充分的光限制效果而没有增加包层的厚度或Al组分的半导体激光器件。
根据本发明的一方面，提供一种包括衬底、有源层、位于衬底和有源层之间的第一包层、位于有源层上的第二包层、以及包括金属波导层并且形成在第二包层上的第一电极层的半导体激光器件，上述金属波导层由具有比第二包层更小折射率的金属制成，其中形成第一电极层作为波导工作。
第一电极层可以包括金属波导层和金属接触层，该金属接触层位于第二包层和金属波导层之间。
这里，金属波导层可以由选自锂、钠、钾、铬、钴、钯、铜、金、铱、铂、镍、铑和银中的任何一种制成。
在另一个例子中，第一电极层可以只包括金属波导层，其作为接触层和波导工作。
这里，金属波导层可以由钯、银、铑、铜和镍中选择的至少任何一种制成。
半导体激光器件可以进一步包括各自位于第一包层与有源层之间和第二包层与有源层之间的第一波导层和第二波导层。
该半导体激光器件可以进一步包括第二包层和第一电极层之间的欧姆层。
该半导体激光器件可以进一步包括脊，其中这里的脊通过在除了脊对应的部分外的剩余部分中蚀刻到第二包层或第二波导层的任何厚度而形成。
这里，欧姆接触层可以在相应于脊的第二包层部分和第一电极层之间形成。
半导体激光器件可以进一步包括覆盖通过蚀刻以形成脊和脊的侧壁而暴露出来的第二包层表面的保护层。
缓冲层可以在衬底和第一包层之间形成。
在缓冲层上可以形成梯形结构，以及在缓冲层上可以形成第二电极层。
通过参考附图详细描述其示范实施例，本发明的上述和其他特征和优点将变得更加明显，其中图1是根据本发明第一实施例的半导体激光器件堆叠结构的截面图；图2是根据本发明第二实施例的半导体激光器件堆叠结构的截面图；图3是根据光子能的金(Au)的吸收系数和折射率的图示；图4是传统半导体激光器件中的模式剖面，其中通过使用AlGaN/GaN超晶格形成厚度0.5um的p型包层，以及通过在其上使用钯而形成1500的厚度的电极层；以及图5是根据本发明的模式剖面，其中通过使用AlGaN/GaN超晶格形成厚度0.25um的p型包层，以及根据本发明的第一实施例作为第一电极层的电极层通过在其上使用钯而形成1500的厚度以作为金属接触层和金属波导层工作。
具体实施例方式
现在参考附图对本发明进行更充分的描述，图中示出了本发明的示范实施例。
在根据本发明的半导体激光器件中，包括金属波导层的电极层作为波导工作，该波导层由比包层折射率小的金属形成，因此该电极层同时作为金属接触层和波导工作。这里，电极层可以由比包层折射率小的金属波导层形成，或者电极层可以由包括金属接触层和金属波导层的多层(两层或更多层)形成。
根据本发明第一实施例和第二实施例的半导体激光器件是根据本发明的半导体激光器件的例子，因此，该些半导体激光器件并不限定本发明的范围。
图1是根据本发明第一实施例的半导体激光器件堆叠结构的截面图，和图2是根据本发明第二实施例的半导体激光器件堆叠结构的截面图。
参考图1和图2，根据本发明的半导体激光器件包括衬底10和堆叠在衬底10上的缓冲层20、第一包层30、第一波导层41、有源层45、第二波导层47、以及第二包层50。一欧姆接触层60可以形成在第二包层50上。此外，第一电极层70或170、例如P型电极层堆叠在欧姆接触层60上。这里，第一电极层70或170与有源层45和第二包层50平行。
大体上，衬底、SiC衬底或GaN衬底可以用作衬底10。
缓冲层20可以由GaN基III-V族氮化物化合物半导体层制成，并作为接触第二电极层77的接触层，第二电极层77例如是下文描述的n型电极层。例如，缓冲层20可以由n-GaN层形成。然而，缓冲层20没有限制为GaN基层，而是可以由能够振荡激光的其他III-V族化合物半导体层形成。
第一和第二包层30和50可以由具有预定折射率的GaN/AlGaN超晶格层制成；然而，第一和第二包层30和50可以由能够振荡激光的其他化合物半导体层制成。例如，第一包层30可以由n-AlGaN/n-GaN、n-AlGaN/GaN或AlGaN/n-GaN半导体层制成，以及第二包层50可以由p-AlGaN/p-GaN、p-AlGaN/GaN或AlGaN/p-GaN半导体层制成。此外，第一和第二包层30和50可以由n-AlGaN半导体层和p-AlGaN半导体层制成。
第二包层50可以形成1um或更小的厚度。
相对于传统半导体激光器件中包层的厚度增加或Al含量大，在根据本发明的半导体激光器件中，第二包层50的厚度可以减少，以增加光限制因数(OCF)。这是因为第一电极层70或170作为在半导体激光器件中的波导工作，所以得到足够的OCF。
第一和第二波导层41和47由具有比第一和第二包层30和50更高折射率的材料制成。第一和第二波导层41和47可以由GaN基III-V族化合物半导体层制成。例如，第一波导层41由n-AlGaN层制成，且第二波导层47由p-AlGaN层制成。
有源层45可以由振荡激光的任何材料制成，优选具有小临界电流和工作电流的材料。有源层45可以形成为多量子阱和单量子阱中的任何一种结构。
例如，有源层45由GaN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中的任何一个制成。由p-AlGaN制成的电子阻塞层(EBL)(未示出)可以在有源层45和第二波导层47之间形成。EBL的能隙在其他层中是最大的，因此EBL阻止电子迁移到p型半导体层。
第二波导层47、第二包层50以及欧姆接触层60在有源层45上形成，以及在这些半导体层上形成脊90以形成脊波导结构。在下文中，将描述在根据本发明的半导体激光器件中形成脊90的方法。
在于衬底10上形成缓冲层20、第一包层30、第一波导层41、有源层45、第二波导层47、第二包层50以及欧姆接触层60后，通过在层的一部分上蚀刻至缓冲层20的任何厚度而形成梯级结构。这里，形成梯级结构以在缓冲层20上形成第二电极层77，例如n型电极层。因此，在缓冲层20的暴露部分上形成第二电极层77。
接着，除了相应于脊90部分的剩余部分被蚀刻至第二包层50、或包层50和第二波导层47的任何厚度以暴露第二包层50的该部分。这里，相应于脊90的第二包层50的该部分不被蚀刻。脊结构和形成脊波导结构的技术对于本领域的技术人员来说是公知的，从而省略其描述。
第一波导层41和第一包层30由与第二波导层47和第二包层50的导电类型相反的化合物半导体层制成。换句话说，当第一波导层41和第一包层30是n型化合物半导体层时，第二波导层47和第二包层50是p型化合物半导体层。这里，欧姆接触层60例如可以是p-GaN层。在其他情况下，当第一波导层41和第一包层30是p型化合物半导体层时，第二波导层47和第二包层50是n型化合物半导体层。在此，欧姆接触层60例如可以是n-GaN层。此后，第一波导层41和第一包层30是n型化合物半导体层以及其他层是相应半导体类型的层将被作为例子描述。
保护层形成在围绕脊90和脊90侧壁的第二包层50或第二波导层47部分的表面上。保护层由包括硅、铝、锆和钽中至少一种的氧化物制成。
第一电极层70或170在脊波导结构上形成，在脊波导结构上形成有保护层。
图1和2中的半导体激光器件以脊结构形成；然而，根据本发明的半导体激光器件可以不具有脊结构。
参考图1，第一电极层70由两层的多层形成，例如，用于欧姆接触的金属接触层71和在其上形成并作为波导的金属波导层75。金属接触层71的中心部分接触在脊90上的欧姆接触层60。
金属波导层75由具有比包层(更特别是第二包层50)对于发光波长的折射率更小的金属制成。例如，金属波导层75由选自锂、钠、钾、铬、钴、钯、铜、金、铱、镍、铂、铑和银中的至少任何一种金属制成。
上述金属具有比第二包层50小的对于蓝光波长带的折射率，换句话说是对于400nm的波长带。
这里，金属接触层71的折射率小于第二包层50的折射率，以及金属波导层75的折射率小于金属接触层71的折射率。
在根据本发明的第一实施例的半导体激光器件中，金属接触层71和欧姆接触层60作为接触工作，以及具有小折射率的金属波导层75作为波导工作。
在根据本发明的第二实施例的半导体激光器件中，用于第一电极层170形成金属波导层175以同时作为接触层和波导工作，代替在根据本发明第一实施例的半导体激光器件中的第一电极层70。这里，第一电极层170，换句话说，金属波导层175由具有比第二包层50更小折射率的金属制成。例如，第一电极层170由钯、银、铑、铜和镍中的至少任何一种金属制成。
如上所述，根据本发明的半导体激光器件包括在第一电极层70或170中的金属波导层75或175，该金属波导层由具有比第二包层50更小折射率的金属制成以作为波导工作。
因此，根据本发明的半导体激光器件能在不增加包层中Al含量或增加包层厚度的情况下实现足够的光限制。
换句话说，通过在第一电极层70或170中包括作为波导工作的金属波导层75或175，根据本发明的半导体激光器件能增加OCF并减少位于有源层45之上的第二包层50的厚度，因此激光器的光效率和半导体激光器件的电特性可以被改善。
此外，作为波导工作的第一电极层70或170能够减少在光模波导中所需的包层中Al含量和包层的厚度，因此半导体激光器件的工作电压可以降低。
由于以下原因，第一电极层70或170可以制成作为波导工作。
图3示出了根据光子能量的金(Au)的吸收系数和折射率。在图3的图中，0.8ev的光子能量相应于大约1.55um的波长，以及3ev的光子能量相应于大约400nm的波长。
如图3的图中所示，金属具有对长波的高吸收系数，因此金属层不能在长波下作为波导工作。
考虑金属这样的吸收特性，通过将半导体激光器件形成为光模不延伸到金属电极层，从而使光模和金属层的结合最小化。
然而，金属对大约40nm的短波长具有低吸收系数，如图3的图中所示。
根据本发明的半导体激光器件利用金属在短波长带中的这种低吸收特性。因为金属对大约400nm的短波长的光吸收非常低，所以由金属形成的电极层能作为光波导工作。
这里，为了将电极层作为光波导工作，电极层的金属波导层应该由具有比包层的折射率小的金属形成，更具体地，该包层位于电极层和有源层之间，该折射率是针对从半导体激光器件中产生的激光束的波长的折射率。
大多数金属具有比AlGaN基材料小的对400nm短波长的折射率。
因此，当通过使用对于半导体激光器件的发光波长具有比第二包层50小的折射率和足够低的吸收系数的金属而将根据本发明的半导体激光器件的第一电极层70或170形成为包括金属波导层75或175以及通过减少第二包层50的厚度而使得第一电极层70或170作为波导工作时，根据本发明的半导体激光器件的OCF得以增加。此外，第一电极层70或170的波导作用可以减少光模波导中所需的包层厚度和包层中的Al含量，因此能降低工作电压。
此外，当第一电极层70或170作为波导工作时，可以大大提高光模的对称性。
图4示出一种常规半导体激光器件中的模式剖面，其中通过使用AlGaN/GaN超晶格将p型包层形成0.5um的厚度，以及通过在其上使用钯将电极层形成1500的厚度。图5示出一种根据本发明的模式剖面，其中通过使用AlGaN/GaN超晶格将p型包层形成0.25um的厚度，以及通过在其上使用钯将根据本发明第一实施例作为第一电极层的电极层形成1500的厚度以作为金属接触层和金属波导层工作。
因为电极层的折射率比p型包层的折射率小得多，电极层的折射率超出图4和图5中图表的标度，因此没有显示出来。
图4的图表示出传统半导体激光器件的光模剖面，其中p型包层的厚度被增加以增加OCF。图5的图表示出根据本发明的半导体激光器件的光模剖面，其中p型包层的厚度相比传统半导体激光器件减少了一半以及电极层由钯、银、铑、铜和镍中任何一种金属制成用于作为接触层和波导运行。
如图4和图5中的图表所示，当p型包层的厚度减少了一半以及电极层作为波导运行时，半导体激光器件的OCF从2.4％增加到2.7％。换句话说，OCF增加了12.5％。这里，OCF对应计算出的光剖面和有源层(更特别是量子阱)的重叠系数。
此外，与传统半导体激光器件相比，通过将p型包层的厚度减少大约一半以及因为薄的厚度而减小了器件的垂直电阻，可以改善在外延生长过程中的裂纹问题，因此驱动电压、即工作电流可以减小。
此外，在根据本发明的半导体激光器件中的光模对称性可以得到改善。
在图5的图表中，示出了根据本发明的半导体激光器件的光模剖面，其中一个电极层作为金属接触层和金属波导层工作。在形成根据本发明的半导体激光器件时，在该半导体激光器件中包括金属接触层和金属波导层的电极层作为接触和波导工作，由于p型包层厚度的减小而减少了裂纹和电阻，该半导体激光器件还提高了OCF以及光模的对称性。
例如，当通过使用钯制成根据本发明的半导体激光器件的电极层作为波导工作以及p型包层的厚度是其中形成AlGaN/GaN的p型包层以及在其上形成钯电极层的传统半导体激光器件中的一半时，根据本发明的半导体激光器件由于该半导体激光器件具有双层电极层而产生卓越性能。在这种情况下，OCF增加而将振荡电流减少约20％。此外，通过将p型包层的厚度减少一半，电阻减少约30％。
根据本发明的半导体激光器件的结构并没有被限制在根据本发明第一和第二实施例的半导体激光器件。
换句话说，除了第一电极层70或170(例如p型电极层)作为光波导工作并且第一电极层70或170的金属波导层75或175由具有比第二包层50(例如，位于有源层45和第一电极层70或170之间的p型包层)小的折射率的金属制成，根据本发明的半导体激光器件的半导体层的材料和堆叠结构可以变化。
如上所述，根据本发明的半导体激光器件形成作为波导运行的电极层，因此改进了OCF。
因此，OCF增加而包层的厚度减小。通过增加OCF，振荡电流和工作电流减小以及半导体激光器件的使用寿命增加，同时最大输出也增加了。
此外，根据本发明的半导体激光器件能够改进OCF，而不会产生传统半导体激光器件中包层中Al含量或包层厚度增加的问题。
更特别的是，裂纹的生成通过减小张力而减少，该张力在外延生长过程中施加到包层上，以及通过在由减小包层厚度而减少在形成有源层之后在高温下的暴露周期而防止有源层的劣化。
p型包层是大多数半导体激光器件中电阻的主要来源；然而，在根据本发明的半导体激光器件中p型包层的厚度减小，因此电阻减小以及工作电流减小。此外，由焦耳热产生的热量减少，因此在高温和高输出下的工作特性被改善以及在高速下的调制运行被改善。
此外，光模的对称性通过减小包层厚度而改善，因此改善了远场图形的对称性。因此，在记录表面上的光斑形状变得对称，导致在使用根据本发明的半导体激光器件作为光源的系统中SNR的改善。
当本发明被具体示出以及参考其示范实施例描述时，应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明精神和范围的情况下，在形式和细节上做出的各种改变对于本领域的技术人员来说都是显而易见的。
权利要求
1.一种半导体激光器件，包括衬底；有源层；位于所述衬底和所述有源层之间的第一包层；位于所述有源层上的第二包层；以及包括金属波导层并且形成在所述第二包层上的第一电极层，所述金属波导层由具有比第二包层更小折射率的金属制成，其中所述第一电极层被形成作为波导工作。
2.根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述第一电极层包括金属波导层；以及金属接触层，该金属接触层位于所述第二包层和所述金属波导层之间。
3.根据权利要求2的半导体激光器件，其中所述金属波导层由锂、钠、钾、铬、钴、钯、铜、金、铱、镍、铂、铑和银中选择的至少任何一种制成。
4.根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述第一电极层只包括作为接触层和波导工作的所述金属波导层。
5.根据权利要求4的半导体激光器件，其中所述金属波导层由钯、银、铑、铜和镍中选择的至少任何一种制成。
6.根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述有源层由GaN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN中选择的任何一种形成，并具有多量子阱或单量子阱中的任何一种结构。
7.根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述第一和第二包层是相反导电类型的化合物半导体层并且由GaN/AlGaN超晶格结构和AlGaN中任何一种形成。
8.根据权利要求1的半导体激光器件，进一步包括各自位于所述第一包层与所述有源层之间和所述有源层与所述第二包层之间的第一波导层和第二波导层。
9.根据权利要求8的半导体激光器件，其中所述第一和第二波导层是相反导电类型的GaN基III-V族化合物半导体层。
10.根据权利要求9的半导体激光器件，进一步包括脊，其中该脊通过在除了对应所述脊的部分外的剩余部分中蚀刻到所述第二包层或所述第二波导层的任何厚度而形成。
11.根据权利要求1的半导体激光器件，进一步包括所述第二包层和所述第一电极层之间的欧姆接触层。
12.根据权利要求1的半导体激光器件，进一步包括脊，其中该脊通过在除了对应所述脊的部分外的剩余部分中蚀刻到所述第二包层的任何厚度而形成。
13.根据权利要求12的半导体激光器件，进一步包括在相应于所述脊的所述第二包层的部分和所述第一电极层之间的欧姆接触层。
14.根据权利要求13的半导体激光器件，其中所述欧姆接触层是n-GaN层和p-GaN层中的任何一种。
15.根据权利要求12的半导体激光器件，进一步包括覆盖通过蚀刻以形成所述脊和所述脊的侧壁而露出的所述第二包层表面的保护层。
16.根据权利要求15的半导体激光器件，其中所述保护层由包括选自硅、铝、锆和钽中的至少任何一种元素的氧化物制成。
17.根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述衬底选自蓝宝石衬底、SiC衬底、和GaN衬底中任何一种。
18.根据权利要求1的半导体激光器件，进一步包括在所述衬底和所述第一包层之间的缓冲层。
19.根据权利要求18的半导体激光器件，其中所述缓冲层是GaN基III-V族氮化物化合物半导体层。
20.根据权利要求18的半导体激光器件，其中在所述缓冲层上形成一梯级结构，以及在所述缓冲层上形成一第二电极层。
全文摘要
本发明涉及一种在不增加包层的厚度或Al含量的情况下具有充分的光限制效果的半导体激光器件。提供的半导体激光器件包括衬底、有源层、位于有源层和衬底之间的第一包层、位于有源层上的第二包层、以及包括金属波导层并且形成在第二包层上的第一电极层，该金属波导层由比第二包层的折射率小的金属制成，其中形成第一电极层作为波导工作。
文档编号H01S5/223GK1661870SQ200510065668
公开日2005年8月31日 申请日期2005年2月18日 优先权日2004年2月18日
发明者河镜虎, 郭准燮, 李成男, 蔡程惠 申请人:三星电子株式会社