专利名称：半导体激光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及在通讯、激光打印机、激光医疗、激光加工等当中优选使用的、能够做高输出动作的实际折射率波导型半导体激光元件。
在图4A中，在n型GaAs基板1上，经过顺次晶体成长，做成n型AlGaAs包层2、n型AlGaAs光波导层3、n型AlGaAs载波阻挡层4、GaAs/AlGaAs量子阱活性层5、p型AlGaAs载波阻挡层6、和p型AlGaAs光波导层7的一部。接着如图4B所示，在成长的外延基板(エピ基板)上、具体说在p型AlGaAs光波导层7a上的预定区域，用真空镀膜和光刻技术形成SiO2带状掩膜8。然后，如图4B所示，在SiO2带状掩膜8的形成区域以外的区域，经选择成长做成n型AlGaAs折射率控制层9。接着除去SiO2带状掩膜8后，如图4C所示，通过顺次晶体成长做成剩余的p型AlGaAs光波导层7b、p型AlGaAs包层10和p型HGaAs接触层11。藉此制造DCH-SAS型LD。再有，由p型AlGaAs光波导层7a和p型AlGaAs光波导层7b形成一个光波导层7。
在这样的DCH-SAS型LD中，通过将比光波导层7折射率更低的半导体材料埋入光波导层7作为折射率控制层9，在光波导层7内未形成折射率控制层9的带状区域(以下有时也称为“窗”)R1中，沿与活性层5平行的方向(带状窗R1的宽度的方向)还形成有效折射率的差。藉此，激光在带状窗R1的宽度方向被封闭，从而得到低阈值高效率的单一横向型振荡。
另外，在图4A～4C所示的用选择成长的制造方法中，除加工精度低的蚀刻工序，能够用MOCVD、MOMBE、MBE等晶体成长法具有的高控制性形成折射率控制层9。
晶体成长技术一般有高的控制性。然而，在成长开始之后对曝露在大气中的基板造成特异的不稳定，例如在成长开始之后造成成长速度的降低，过度时发生不引起成长的停歇时间。在上述的用选择成长的半导体激光元件的制造方法中，在曝露于大气中的外延基板上直接成长折射率控制层9。因此，由于停歇时间的发生等使折射率控制层9的膜厚变得不稳定，结果存在带状窗R1宽度方向的有效折射率差再现性不良的问题。特别是在折射率控制层9的膜厚设计薄的场合，此问题更为突出。
本发明是一种半导体激光元件，是在活性层的至少一侧设具有活性层禁带宽度以上的禁带宽度的光波导层，在光波导层外侧设具有光波导层禁带宽度以上的禁带宽度的包层，在光波导层或光波导层和包层之间，设经选择成长埋入的、具有带状窗的折射率控制层的实际折射率波导型半导体激光元件，其特征在于，对于埋入的折射率控制层设先行选择成长的半导体层，作为上述半导体层的材料，选择使得包含半导体层和折射率控制层的叠层部分中半导体层的膜厚变化造成的有效折射率的变化量，比折射率控制层的膜厚变化造成的有效折射率的变化量更小那样的材料。
按照本发明，在折射率控制层先行选择成长半导体层。因此，能够在半导体层的成长中使成长稳定化，从而能够提高接续成长的折射率控制层的膜厚控制性。另外，在包含半导体层和折射率控制层的叠层部分中，半导体层的膜厚变化造成的有效折射率的变化量，比折射率控制层的膜厚变化造成的有效折射率的变化量更小。因此，即使由于停歇时间的发生等产生半导体层的膜厚减小，也能将对上述叠层部分的有效折射率的影响抑制得比不用半导体层时更小。因而，包含半导体层和折射率控制层的2个位置的叠层部分的有效折射率，和包含夹在2个位置的叠层部分的窗的叠层部分的有效折射率之差的波动，在半导体激光元件间变小。
藉此，能够实现选择成长形成的折射率控制层的膜厚控制性高、有效折射率差的再现性好、制造成品率提高的半导体激光元件。
另外，本发明在将包含上述半导体层和上述折射率控制层的叠层部分的有效折射率和包含上述折射率控制层的窗的叠层部分的有效折射率之差取作有效折射率差时，上述半导体层的膜厚变化造成的有效折射率差的变化量在5×10-6/nm以下为佳。
按照本发明，将低折射率半导体层导入光波导层内造成的有效折射率的减低效果和光波导层全体厚度增加造成的有效折射率上升效果大致相抵。晶体成长按照相当于10nm～50nm的成长而变得稳定。因此，半导体层的膜厚变化造成的有效折射率差的变化量设计成5×10-6/nm以下，使有效折射率差实际不在半导体层膜厚中受到影响，而由形成所希望膜厚的折射率控制层控制。因而能够实现选择成长形成的折射率控制层的膜厚控制性高、有效折射率差的再现性好、制造成品率提高的半导体激光元件。
另外，本发明折射率控制层的膜厚在300nm以下更为有效，因此优选此范围。
按照本发明，即使是形成薄的折射率控制层、停歇时间的发生等对有效折射率差赋予大的影响时，也能正确再现该膜厚。因而能够提高选择成长形成的折射率控制层的膜厚控制性、再现性良好地形成有效折射率差、从而能够实现制造成品率的提高。
按照本发明，在对有效折射率的影响被抑制变小的半导体层的成长中使晶体成长稳定化，提高接续成长的折射率控制层的膜厚控制性，藉此能够再现性良好地控制窗的横向有效折射率差。
图1是显示本发明一个实施例的半导体激光元件结构的剖面图。
图2是显示在图1所示半导体激光元件的叠层结构中，改变由AlXGa1-XAs构成的半导体层30的Al组成(X)时，半导体层30的厚度和有效折射率的关系的曲线图。
图3A～3C是显示图1所示半导体激光元件的制造方法的剖面图。
图4A～4C是说明现有技术的剖面图。
图1是显示本发明一个实施例的半导体激光元件结构的剖面图。在本实施例中，取使用半导体缓冲层的DCH-SAS型激光元件为例进行说明。半导体激光元件是在n型GaAs基板21上，将n型Al0.09Ga0.91As包层22、n型GaAs光波导层23、n型Al0.40Ga0.60As载波阻挡层24、In0.18Ga0.82As/GaAs量子阱活性层25、p型Al0.40Ga0.60As载波阻挡层26、和p型GaAs光波导层27、p型Al0.09Ga0.91As包层28、和p型GaAs接触层29顺次叠层构成的。
在半导体激光元件中，活性层25发出的光在半导体激光元件的2个端面(图1与纸面平行的2个端面)间谐振，由一方端面(反射率低的一方端面)发射，而在与谐振方向(图1纸面垂直方向)垂直的面(图1与纸面平行的面)中，纵向(图1纸面中上下方向)夹在折射率比活性层25和光波导层23、27小的上下包层22、28中，横向(图1纸面中左右方向)封闭在由有效折射率比光波导层27小的折射率控制层31夹着的沿谐振方向带状延伸的区域(以下称为“窗”)R21中。折射率控制层31具有与周围相反的导电型(本实施例中是n型)，因此阻碍载波的注入，活性层25中的发光自体被限制在窗21的近旁，但由于光学上再被封闭，所以具有有效折射率的差。
再有，所谓有效折射率，指的是在由折射率不同的多数个层构成的部分中，光实际感受的折射率。在本实施例中，所谓具有有效折射率的差，含义是在半导体激光元件的波导部分(图1中大致由双点划线包围的部分)的有效折射率、和位于波导部分两侧(图1中为左右两侧)的2个叠层部分的有效折射率间具有差值。
本发明的发明点是采用这样的半导体层30的材料(组成)，使得在折射率控制层31之下设半导体层30时，即，使该半导体层30的厚度在半导体激光元件间变动，包含半导体层30的叠层部分的有效折射率不变动。由于将外延成长折射率控制层31曝露在大气中后成长初期的膜厚控制困难，所以本发明的发明人发现了存在这样的半导体层30，它使得即使膜厚变动，叠层体32的有效折射率也不变动。本发明对于折射率控制层31，在初期预先外延成长形成该半导体层30，以谋求包含半导体层30的叠层部分的有效折射率的稳定化。
另外，在p型GaAs光波导层27内，在n型Al0.06Ga0.94As半导体层30上设置叠层n型Al0.09Ga0.91As折射率控制层31构成的叠层体32。该叠层体32具有带状区域R21。所谓带状区域，是不设半导体层30和折射率控制层31的区域。
图2是显示在图1所示半导体激光元件的叠层结构中，改变由AlXGa1-XAs构成的半导体层30的Al组成(X)时，半导体层30的厚度和有效折射率的关系的曲线图。由图2可知，将Al组成取为X＝0.06时，即使半导体层30的膜厚变化，有效折射率也是一定的。
这样，如果确定了半导体激光元件的叠层结构，则按其对设在光波导层内的半导体层的组成(折射率)和变化膜厚时的有效折射率进行模拟，就能使半导体层的组成最佳化。而且能够由BPM#CAD(OptiwaveCorporation制)等求出有效折射率。
在本实施例中，由于使用了能将在光波导层27内导入比该光波导层27折射率更低的半导体层30造成的有效折射率减低效果、和光波导层27全体厚度增加造成的有效折射率上升效果相抵的半导体层30，所以即使如图2所示半导体层30的膜厚变化时，也能使窗R21外侧的有效折射率一定。因而带状区域R21宽度方向的有效折射率的差，也与半导体层30的膜厚无关而保持一定。
图3A～3C是显示图1所示的激光元件的制造方法的剖面图。首先如图3A所示，在n型GaAs基板21上，用MOCVD等使顺次晶体成长n型Al0.09Ga0.91As构成的厚度2.6μm的包层22、n型GaAs构成的厚度0.48μm的光波导层23、n型Al0.40Ga0.60As构成的厚度0.03μm的载波阻挡层24、In0.18Ga0.82As/GaAs量子阱活性层25、p型Al0.40Ga0.60As构成的厚度0.03μm的载波阻挡层26、和p型GaAs构成的光波导层的一部27a。
在AlGaAs系材料中，随着Al组成的增加，禁带宽度也有增加的倾向。在本实施例中，光波导层23、27的禁带宽度比量子阱活性层25的禁带宽度大，而且包层22、28和载波阻挡层24、26的各禁带宽度比光波导层23、27大。
然后将晶体成长后的基板由晶体成长装置取出，投入例如电子束真空镀膜装置，如图4B所示，以厚度0.1μm全面形成例如由SiO2构成的掩膜18，然后用光刻技术除去形成带状窗的中央区域以外的掩膜，形成带状掩膜8。由于该掩膜18极薄，所以用现有的光刻技术也能以高精度再现性良好地形成。
接着，将带有掩膜18的基板返回晶体成长装置，在光波导层的一部27a上，选择成长n型Al0.06Ga0.94As构成的厚度0.01μm的半导体层30和n型Al0.09Ga0.91As构成的厚度0.08μm的折射率控制层31，此时如图4B所示，得到在附着掩膜18的区域不进行晶体成长的层构成。
接着，用例如氢氟酸除去掩膜18，然后如图4C所示，使光波导层27的剩余部分27b晶体成长，形成p型GaAs构成的厚度0.48μm的光波导层27。进而使p型Al0.09Ga0.91As构成的厚度0.83μm的包层28和p型GaAs构成的厚度0.3μm的接触层29顺次晶体成长。
然后，在形成带状窗R21的部分形成掩膜18，再经选择成长形成由半导体层30和折射率控制层31构成的叠层体32，然后，通过选用除去掩膜18的方法，使得能够高精度再现性良好地控制夹在由半导体层30和折射率控制层31构成的叠层体32中的窗R21高度方向和宽度方向的尺寸。然后通过半导体层30和折射率控制层31构成的叠层体32的选择成长，就能够以高成品率制造振荡阈值和横向型稳定性优良的半导体激光元件。
再有，掩膜18的材料不限于SiO2，只要是例如SiN等能够选择成长的材料均可。
按照以上的本实施例，由于折射率控制层31上先行选择成长半导体层30，因此，在半导体层30的成长中能够使成长稳定化，从而能够提高接续成长的折射率控制层31的膜厚控制性。另外，在包含半导体层30和折射率控制层31的叠层部分中，半导体层30的膜厚变化造成的有效折射率的变化量，比折射率控制层31的膜厚变化造成的有效折射率的变化量更小。因此，即使由于停歇时间的发生等产生半导体层30的膜厚减小，也能将对上述叠层部分的有效折射率的影响抑制得比不用半导体层30时更小。因而，包含半导体层30和折射率控制层31的2个位置的叠层部分的有效折射率，和包含夹在2个位置的叠层部分的窗R21的叠层部分的有效折射率之差的波动，在半导体激光元件间变小。
藉此，能够实现选择成长形成的折射率控制层31的膜厚控制性高、有效折射率的差的再现性好、制造成品率高的半导体激光元件。
另外，在将包含上述半导体层30和上述折射率控制层31的叠层部分的有效折射率和包含上述折射率控制层31的窗的叠层部分的有效折射率之差取作有效折射率的差时，上述半导体层30的膜厚变化造成的有效折射率差的变化量在5×10-6/nm以下为佳。
在上述半导体激光元件中，将低折射率半导体层30导入光波导层27内造成的有效折射率的减低效果和光波导层27全体厚度增加造成的有效折射率上升效果大致相抵。晶体成长按照相当于10nm～50nm的成长而变得稳定。因此，半导体层30的膜厚变化造成的有效折射率差的变化量设计成5×10-6/nm以下，因此，有效折射率差实际不在半导体层膜厚中受到影响，而由形成所希望膜厚的折射率控制层31控制。因而能够实现选择成长形成的折射率控制层31的膜厚控制性高、有效折射率差的再现性好、制造成品率提高的半导体激光元件。
另外，折射率控制层31的膜厚在300nm以下更为有效，因此优选此范围。
如上所述，如果形成薄的折射率控制层31，则即使停歇时间的发生等对有效折射率差赋予大的影响时，也能正确再现该膜厚。因而能够提高选择成长形成的折射率控制层31的膜厚控制性、再现性良好地形成有效折射率差、从而能够实现制造成品率的提高。
另外，在本实施例中，使用载波阻挡层24、26，但即使是在没有载波阻挡层24、26的场合，同样通过适宜确定半导体层30的组成(折射率)，达到即使半导体层25的膜厚变化，也能将窗R21的有效折射率保持一定。另外，在本实施例中，是在光波导层27内形成半导体层30和折射率控制层31，但也可以在光波导层27和包层28之间形成。
本发明在不脱离其精神或主要特征的情况下，可以以其它各种各样的方式实施。因而上述实施例不过仅仅是在一切方面做出示例，本发明的范围显示在权利要求的范围中，在本说明书中没有任何限制。而且，属于权利要求范围的变型和变更全部是在本发明的范围内。
权利要求
1.半导体激光元件，在活性层的至少一侧设具有活性层禁带宽度以上的禁带宽度的光波导层，在光波导层外侧设具有光波导层禁带宽度以上的禁带宽度的包层，在光波导层或光波导层和包层之间，设经选择成长埋入的、具有带状窗的折射率控制层的实际折射率波导型半导体激光元件中，其特征在于，对于埋入的折射率控制层设先行选择成长的半导体层，作为上述半导体层的材料，选择使得包含半导体层和折射率控制层的叠层部分中半导体层的膜厚变化造成的有效折射率的变化量，比折射率控制层的膜厚变化造成的有效折射率的变化量更小那样的材料。
2.权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，在将包含上述半导体层和上述折射率控制层的叠层部分的有效折射率和包含上述折射率控制层的窗的叠层部分的有效折射率之差取作有效折射率差时，上述半导体层的膜厚变化造成的有效折射率差的变化量在5×10-6/nm以下。
3.权利要求1或2所述的半导体激光元件，其特征在于，折射率控制层的膜厚在300nm以下。
全文摘要
本发明的目的是，提供一种选择成长形成的折射率控制层的膜厚控制性高、有效折射率差的再现性好、制造成品率高的半导体激光元件。在活性层25的至少一侧设具有活性层25的禁带宽度以上的禁带宽度的光波导层27，在光波导层27外侧设具有光波导层27的禁带宽度以上的禁带宽度的包层28，在光波导层27上，设经选择成长埋入的、具有带状窗R21的折射率控制层31的实际折射率波导型半导体激光元件中，折射率控制层31埋入光波导层27，在埋入的折射率控制层31上设先行选择成长的半导体层30，在包含半导体层30和折射率控制层31的叠层部分中，半导体层30的膜厚变化造成的有效折射率的变化量，比折射率控制层31的膜厚变化造成的有效折射率的变化量更小。
文档编号H01S5/20GK1407677SQ0214227
公开日2003年4月2日 申请日期2002年8月29日 优先权日2001年8月31日
发明者藤本毅, 室清文, 小矶武 申请人:三井化学株式会社