专利名称：半导体激光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有端面窗结构的半导体激光元件及其制造方法。
背景技术：
近年，在以视频播放器为首的各种领域中，以大存储容量为特长的光信息记录再生用DVD驱动器正在快速地普及。另一方面，高倍速的写入用途变得广泛起来，寻求作为光源使用的半导体激光元件的光输出的进一步提高。
为了高输出工作时的稳定工作、确保可靠性，一般使用实折射率波导型结构，在激光端面部形成能带间隙比放射的激光光束更大的窗结构。由此，可以抑制因从端面涂敷膜和激光端面之间的界面能级的发热而造成的激光劣化。
近年，在保障高输出工作的激光元件中，端面窗结构的形成成为必要的技术。对于端面窗结构的制造方法，在日本专利特开2001-210907号公报中记载有一般的制造方法。对于以往技术中的红色激光元件的端面窗结构的制造方法，参照图4A～4C以记载在日本专利特开2001-210907号公报中的方法为例进行说明。
首先如图4A所示，在由GaAs构成的n型基板21上，采用有机金属汽相外延生长(以下，称为MOVPE法)法，顺序层叠由GaAs构成的n型缓冲层22、由AlGaInP构成的n型包覆层(cladding layer)23、活性层(有源层)(振荡波长为650nm的多重量子阱构造)24、由AlGaInP构成的p型第1包覆层25、由GaInP构成的蚀刻停止层26、由AlGaInP构成的p型第2包覆层27、由GaInP构成的p型中间层28、以及由GaAs构成的p型接触层29。
接着，使用溅射装置等成膜装置使ZnO层淀积在整个晶片上(未图示)，利用光致抗蚀剂，如图4B所示，以仅在窗结构形成区域留下ZnO层30的方式进行构图。接着，使绝缘膜31淀积在整个晶片上，采用使Zn向结晶中扩散的适当的温度以及时间，使来自于ZnO层30的Zn固相扩散。由此，如图4C所示，在扩散了Zn的区域中，通过结晶生长引起成膜后的活性层24的无序化，形成能带间隙比活性层24更大的端面窗结构区域32。
在此，由于窗结构形成区域上的p型GaAs接触层29起到Zn扩散控制层的作用，从而可以对端面部形成稳定的窗结构。进而，通过抑制过剩的Zn扩散，可以抑制其后形成条纹(stripe)时GaInP蚀刻停止层26的削减，能够得到与增益部相同的条纹形状。
但是，随着激光光束的高输出化，存在如下问题。
(1)向活性层部的谐振器方向的Zn扩散的扩展其结果，因损耗增大，域值、工作电流的增加或低能带间隙差区域的产生造成可靠性降低。
(2)高浓度Zn扩散引起的低电阻化由于Zn浓度比激光增益(gain)区域高，当电流注入时电流更容易流向端面部，由此产生热，使能带间隙变小，容易造成端面损伤。
(3)高浓度Zn引起的折射率的变化通过向端面部扩散Zn，造成因包覆层折射率变化引起的光散射，造成增益部的激光扩展角和射出端面的扩展角变化或光损耗。
对于这些问题的解决方案，记载在日本专利特开2004-259943号公报或者日本专利特开2001-94206号公报中。在日本专利特开2004-259943号公报中，记载了制作窗结构时，通过将As原子掺杂到第2导电型层，抑制问题(1)这样的向增益区域的活性层扩散杂质，同时能够形成端面窗结构。
在日本专利特开2001-94206号公报中，记载了通过在端面部的p型GaAs上进行n型GaAs的选择生长、退火，基于挤出Si的效果形成端面窗结构。由此，解决了问题(1)，而且向端面部的p型层扩散Si，从而还解决了问题(2)的低电阻化的问题。
但是，即使使用日本专利特开2004-259943号公报、日本专利特开2001-94206号公报中记载的方法，也难以避免问题(3)所列举的在增益部与端面窗结构区域中发生折射率差的问题。特别是，使与增益部的导电型不同的杂质扩散到端面部，是激光振荡时引起与以往通过Zn扩散形成窗结构的情形不同的扩展角的动作或特性变化的原因。
发明内容
本发明的目的在于解决上述以往的问题，提供一种半导体激光元件，具有抑制在增益部和端面窗结构区域中发生的折射率差的端面窗结构，即使在高输出工作时也可以得到稳定的元件特性、高可靠性。
本发明目的还在于提供一种半导体激光元件的制造方法，在形成折射率变化小的端面窗结构的同时抑制低电阻化，且抑制向谐振器方向的Zn扩散。
为了解决上述问题，本发明的半导体激光元件，其特征在于，包括第1导电型的半导体基板；第1导电型的包覆层，设置在上述半导体基板上；活性层，具有设置在上述第1导电型的包覆层上的多重量子阱结构；第2导电型的第1包覆层，设置在上述活性层上；第2导电型的第2包覆层，设置在上述第1包覆层上，形成沿谐振器方向延长的脊状波导；第2导电型的接触层，设置在上述第2导电型的第2包覆层上；以及端面窗结构，杂质扩散到谐振器方向的端面部的活性层区域中，从而与作为该端面部以外的部分的增益区域相比较，能带间隙扩大；在上述第2导电型的包覆层中，与上述端面窗结构的区域的杂质浓度相比较，上述增益区域的杂质浓度相同或更大。
本发明的半导体激光元件的制造方法，其特征在于，包括以下工序在半导体基板上，顺序结晶生长第1导电型的包覆层、活性层、第2导电型的第1包覆层、第2导电型的第2包覆层、以及第2导电型的接触层的工序；仅在谐振器方向的端面部，淀积不含第2导电型杂质的扩散力源的工序；利用退火使上述扩散力源产生的应力起作用，扩散来自内部的杂质，从而形成端面窗结构的工序；在沿谐振器方向延长的脊状的波导中，形成上述第2包覆层的工序；除去上述端面窗结构区域中的上述第2导电型的接触层的工序；以及在形成在上述脊状的波导中的第2导电型的第2包覆层的侧面以及两侧的区域形成第1导电型的阻挡层的工序。
图1A是本发明实施方式的半导体激光元件的立体图。
图1B是沿图1A中的A-A’线的剖面图。
图1C是沿图1A中的B-B’的剖面图。
图2A是表示同一半导体激光元件的制造工序的立体图。
图2B是表示上接同一半导体激光元件的图2A的制造工序的立体图。
图2C是表示上接同一半导体激光元件的图2B的制造工序的立体图。
图2D是表示上接同一半导体激光元件的图2C的制造工序的立体图。
图3是表示同一半导体激光元件中的Zn的SIMS分布的图。
图4A表示现有技术的半导体激光元件的制造工序的立体图。
图4B表示上接同一半导体激光元件的图4A的制造工序的立体图。
图4C表示上接同一半导体激光元件的图4B的制造工序的立体图。
具体实施例方式
本发明的半导体激光元件，包括第1导电型的包覆层、具有多重量子阱结构的活性层、第2导电型的第1包覆层的层叠结构、形成脊状的波导的第2导电型的第2包覆层、第2包覆层上的第2导电型的接触层；并设置有端面窗结构，杂质扩散到谐振器方向的端面部的活性层区域中，从而与作为该端面部以外的部分的增益区域相比较，能带间隙扩大。然后，由于在第2导电型的包覆层中，将增益区域中的杂质浓度调整为与端面窗结构的区域中的杂质浓度相比，相同或更大，因此，在增益部和端面窗结构区域中的折射率差变小，能够得到扩展角变化或损耗小的激光特性，即使在高输出工作时也可以得到稳定的元件特性。
在上述结构的本发明的半导体激光元件中，优选上述第2导电型的包覆层的载流子和上述端面窗结构的杂质是同一元素。
上述第2导电型的包覆层的载流子可以是Zn或者Mg。
另外，上述增益区域中的上述第2导电型的层的载流子浓度，优选设定为(接触层的浓度)≥(第2包覆层的浓度)≥(第1包覆层的浓度)的关系。
上述第2导电型的接触层优选由载流子浓度为8×1018～5×1019cm-3的单层膜或者多层膜形成。
上述第2导电型的第2包覆层的载流子浓度优选在1.5×1018cm-3以下。
上述第2导电型的第1包覆层的载流子浓度优选在1×1018cm-3以下。
另外，优选上述端面窗结构的区域的活性层，堆积着浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3的第2导电型的杂质。
另外，在上述端面窗结构的区域中，优选第2导电型的杂质扩散到上述第1导电型的包覆层。
另外，向上述端面窗结构的区域中的上述第1导电型的包覆层扩散的杂质深度，优选在2μm以内。
本发明的半导体激光元件的制造方法，包括以下工序在半导体基板上形成构成谐振器的层叠结构；其后，使不含第2导电型的杂质的扩散力源仅淀积在谐振器方向的端面部；通过由退火使上述扩散力源产生的应力起作用，扩散来自内部的杂质，从而形成端面窗结构。若采用该制造方法，不使用含有第2导电型的杂质的层作为杂质扩散力源，而使激光内部的载流子向活性层扩散来进行无序化，从而大量的载流子未扩散到端面部，因此不仅可以抑制端面部的低电阻，而且折射率变化小，形成向谐振器方向的Zn扩散小的端面窗结构，因此能够得到扩展角变化或损耗小的激光特性，且可以确保高输出工作时的可靠性。
在上述结构的本发明的半导体激光元件的制造方法中，能够如下通过上述端面部中的杂质扩散形成端面窗结构从上述第2导电型的接触层的上部，将上述第2导电型的第2包覆层以及上述第2导电型的接触层中的杂质挤出，从而使杂质向上述活性层扩散。
另外，形成在上述端面部的杂质扩散力源由从Si、SiN、SiO2、TiO2、Ta2O5、NbO、以及氢化非晶硅中选择的任一单层或者这些的多层膜构成。
通过上述杂质扩散力源的作用而扩散的杂质的扩散浓度优选在1×1017cm-3以上。
另外，优选利用向上述端面部扩散杂质来形成端面窗结构，是将退火温度设定在400～800℃的范围内来进行。
另外，优选利用向上述端面部扩散杂质来形成端面窗结构，是将杂质向谐振器方向的扩散相对于上述扩散力源的宽度限制在15μm以内的扩展来进行的。
下面参照
本发明的实施方式。
图1A是表示本发明实施方式的半导体激光元件的结构的立体图。图1B是沿图1A中的A-A’线的剖面图，图1C是沿图1A中的B-B’的剖面图。
该半导体激光器如图1A、1B所示，在由GaAs构成的n型OFF基板1上采用MOCVD法形成有由GaAs构成的n型缓冲层2、由(AlxGa1-x)yIn1-yP构成的n型包覆层3、由GaInP类材料构成的活性层4、由(AlxGa1-x)yIn1-yP构成的p型第1包覆层5、由GaInP构成的蚀刻停止层6、由(AlxGa1-x)yIn1-yP构成的形成脊(ridge)的p型第2包覆层7、由GaInP构成的p型中间层8、由GaAs构成的p型接触层9、以及由AlInP构成的n型电流阻挡层10。活性层4例如是GaInP/AlGaInP多重量子阱结构活性层(振荡波长650nm)。但是，在激光器端面部，删除了p型接触层9。
在激光器端面部中，形成了从活性层4到该活性层4之上的层即p型第1包覆层5、蚀刻停止层6、p型第2包覆层7、以及p型中间层8中扩散了Zn的端面窗结构区域11。
在上述结构中，通过存在于激光元件内的Zn的浓度差引起Zn的扩散而形成端面窗结构区域11。为此，若从光学性看，则对激光振荡做出贡献的部分和端面窗结构区域11的折射率等价或者差别小。端面部还抑制流向高电阻化的端面部的电流。
通常，在通过Zn固相扩散来形成窗结构时，窗部的p型包覆层中的Zn浓度比对激光振荡做出贡献的增益部高一个数量级。为此，相对于激光增益部发生折射率变化，还由于杂质浓度高而变为低电阻。对此，通过应用本实施方式的上述结构，能够抑制端面窗结构区域11的Zn浓度的上升。为此，避免了低电阻化，由此能够抑制向端面部的电流流入。还因为Zn扩散的向谐振器方向的扩展小，且在窗区域中的杂质浓度低，因此可以制造出能够抑制自由载流子吸收，波导损耗小的激光元件。
接着，对上述结构的半导体激光元件的制造方法进行说明。图2A～图2D是表示本实施方式的制造方法的工序的立体图。
首先如图2A所示，使用MOCVD法在n型OFF基板1上顺序形成n型缓冲层2、n型包覆层3、活性层4、p型第1包覆层5、蚀刻停止层6、p型第2包覆层7、p型中间层8、以及p型接触层9。
本实施方式中，在成膜时的p型层中设置Zn浓度差。各层的Zn浓度为p型第1包覆层5为7×1017cm-3、p型第2包覆层7为1×1018cm-3、p型接触层9为9×1018cm-3。这样，以载流子浓度随着从活性层4到之上的层的方式，使用含有Zn的气体进行成膜来掺杂Zn。
接着，在p型接触层9上，使用溅射装置在整个面上淀积Si膜(未图示)。接着使用照相平版印刷术(光刻)和蚀刻将该Si膜构图，如图2B所示，形成距离端面仅剩20μm的Si膜12。蚀刻使用例如采用CF4类气体的RIE来进行。其后使用CVD法在整个面上淀积SiO2膜13。
接着，用退火炉以600℃进行热处理，如图2C所示，使从形成在活性层4上的p型第1包覆层5到p型GaAs接触层9中存在的Zn，扩散到n型包覆层3，使活性层4混晶化，从而在两个端面形成端面窗结构区域11。
Si膜12的膜厚例如设定为100nm，以便使其对基板1作用的应力变强，而且在淀积作为覆盖膜使用的SiO2膜13时不被剥离。使SiO2膜13起到用于防止激光增益部退火时P元素等升华的覆盖膜的作用。通过这样的淀积应力强的膜，能够在退火时产生使该区域的p型层内的Zn向活性层4扩散的驱动力，形成基于活性层4无序化的窗结构。
接着，利用氟酸类药液除去在整个晶片上淀积的SiO2膜13、Si膜12。接着，为了形成脊，使用照相平版印刷技术、干式蚀刻技术形成SiO2膜的条纹图形的掩膜(未图示)。
接着，如图2D所示，将条纹状的SiO2膜作为掩膜，蚀刻p型接触层9、p型中间层8、以及p型第2包覆层7，直到蚀刻停止层6为止而形成脊。蚀刻例如同时进行使用电感耦合型等离子体或者反应性等离子体的干式蚀刻和湿式蚀刻。
其后，使用照相平版印刷技术形成用于仅在端面部的Zn扩散区域蚀刻p型接触层9的掩膜(未图示)，进行条纹状的SiO2膜以及p型接触层9(GaAs层)的蚀刻。由此，如图1A、1B所示，p型接触层9的端面部被除去。在此，作为腐蚀剂例如使用硫酸类的蚀刻液。其后，除去用于蚀刻p型接触层9的掩膜。
接着，如图1A所示使电流阻挡层10生长，其后，除去位于脊条纹上的SiO2膜。
如上所述，采用本实施方式的制造方法，能够在端面的窗区域和增益部之间形成Zn浓度差小的端面窗结构。
为了形成端面窗结构，p型层的载流子浓度设定是重要的。本实施方式中，对于p型第1包覆层5、蚀刻停止层6、p型第2包覆层7、p型中间层8以及p型接触层9设置Zn载流子浓度差。即，作为一个例子，若如下设定Zn载流子浓度p型第1包覆层5为7×1017cm-3、p型第2包覆层7为1×1018cm-3、然后p型接触层9为9×1018cm-3，则随着从活性层向上方离开而成为高浓度。
由此，通过使Si膜12淀积在p型接触层9上并进行退火，如图3的Zn的SIMS分布(实线)所示，通过基于这种应力的向p型层的扩散和基于退火的浓度梯度的平衡化，使Zn的扩散发生在活性层4以及n型包覆层3的一部分。通过该Zn扩散，端面部的活性层4被无序化。
另外，本实施方式中，如图3的Zn的SIMS分布所示，相对于增益部的包覆层内的Zn浓度，窗部的包覆层内部的Zn浓度降低2×1017cm-3左右，窗部被高电阻化。
由于形成窗结构时的热履历、其后结晶生长的热履历，在增益部也发生Zn扩散，因此包覆层的Zn浓度设定需要加入可靠性设定。载流子是Zn时，优选p型第1包覆层5((AlxGa1-x)yIn1-yP)的浓度在1×1018cm-3以下、p型第2包覆层((AlxGa1-x)yIn1-yP)的浓度在1.5×1018cm-3以下、p型接触层9(GaAs)的浓度在8×1018～5×1019cm-3的范围。
另外，因为向增益部的Zn扩散对可靠性的影响，杂质的扩散浓度的增大对结晶性劣化、可靠性的影响，因向增益部的谐振器方向的杂质扩展引起的激光光束的形状、扩展角控制这几点，退火温度优选在400～800℃的范围内。
由于上述特性面的影响，优选向端面部扩散的杂质的扩散浓度，在活性层部为1×1018～5×1018cm-3的范围。
进而，优选将向增益部的谐振方向的杂质扩展调整到15μm以内。
另外，对于形成能够对应高输出化的窗结构，优选至少在p型第1包覆层5和p型第2包覆层7之间设置1×1017cm-3以上的浓度差。
而且，即使不设置载流子浓度差，也可以通过施加应力产生Zn扩散。
另外，由于只要是对基板应力高的膜就会产生载流子的扩散，所以用于窗结构形成的扩散力源可以淀积SiN或Ta2O3等电介质膜、或者其他能够溅射的膜，但优选淀积含有Si的膜。因此，作为扩散力源能够由从Si、SiN、SiO2、TiO2、Ta2O5、NbO或者氢化非晶硅等中选择的单层或者这些的多层膜构成。
进而，在上述例子中，将Zn作为第2导电型的载流子，但使用Mg或其他的成为第2导电型的杂质，也能够得到同样的效果。
另外，在上述例子中，对红色激光器的情况进行阐述，但对于需要以红外激光器、青紫色激光器为首的窗结构的化合物类的所有半导体激光，也可以应用本发明。
权利要求
1.一种半导体激光元件，其特征在于，包括第1导电型的半导体基板；第1导电型的包覆层，设置在上述半导体基板上；活性层，具有设置在上述第1导电型的包覆层上的多重量子阱结构；第2导电型的第1包覆层，设置在上述活性层上；第2导电型的第2包覆层，设置在上述第1包覆层上，形成沿谐振器方向延长的脊状波导；第2导电型的接触层，设置在上述第2导电型的第2包覆层上；以及端面窗结构，杂质扩散到谐振器方向的端面部的活性层区域中，从而与作为该端面部以外的部分的增益区域相比较，能带间隙扩大；在上述第2导电型的包覆层中，与上述端面窗结构的区域的杂质浓度相比较，上述增益区域的杂质浓度相同或更大。
2.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，上述第2导电型的包覆层的载流子和上述端面窗结构的杂质是同一元素。
3.如权利要求2所述的半导体激光元件，其特征在于，上述第2导电型的包覆层的载流子是Zn或者Mg。
4.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，上述增益区域中的上述第2导电型的层的载流子浓度被设定为接触层的浓度≥第2包覆层的浓度≥第1包覆层的浓度的关系。
5.如权利要求4所述的半导体激光元件，其特征在于，上述第2导电型的接触层由载流子浓度为8×1018～5×1019cm-3的单层膜或者多层膜形成。
6.如权利要求4所述的半导体激光元件，其特征在于，上述第2导电型的第2包覆层的载流子浓度在1.5×1018cm-3以下。
7.如权利要求4所述的半导体激光元件，其特征在于，上述第2导电型的第1包覆层的载流子浓度在1×1018cm-3以下。
8.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，上述端面窗结构的区域中的活性层，堆积着浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3的第2导电型的杂质。
9.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，在上述端面窗结构的区域中，第2导电型的杂质扩散到上述第1导电型的包覆层。
10.如权利要求9所述的半导体激光元件，其特征在于，向上述端面窗结构的区域中的上述第1导电型的包覆层扩散的杂质深度在2μm以内。
11.一种半导体激光元件的制造方法，其特征在于，包括以下工序在半导体基板上，顺序结晶生长第1导电型的包覆层、活性层、第2导电型的第1包覆层、第2导电型的第2包覆层、以及第2导电型的接触层的工序；仅在谐振器方向的端面部，淀积不含第2导电型杂质的扩散力源的工序；利用退火使上述扩散力源产生的应力起作用，扩散来自内部的杂质，从而形成端面窗结构的工序；在沿谐振器方向延长的脊状的波导中，形成上述第2包覆层的工序；除去上述端面窗结构的区域中的上述第2导电型的接触层的工序；以及在形成在上述脊状的波导中的第2导电型的第2包覆层的侧面以及两侧的区域，形成第1导电型的阻挡层的工序。
12.如权利要求11所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于，上述端面部中的基于杂质扩散的端面窗结构的形成，是通过从上述第2导电型的接触层的上部，将上述第2导电型的第2包覆层以及上述第2导电型的接触层中的杂质挤出，从而使杂质向上述活性层扩散来进行的。
13.如权利要求11所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于，形成在上述端面部的扩散力源由从Si、SiN、SiO2、TiO2、Ta2O5、NbO、以及氢化非晶硅中选择的任一单层或者这些的多层膜构成。
14.如权利要求13所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于，通过上述扩散力源的作用而扩散的杂质的扩散浓度在1×1017cm-3以上。
15.如权利要求11所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于，利用向上述端面部扩散杂质来形成端面窗结构，是将退火温度设定在400～800℃的范围内来进行的。
16.如权利要求11所述的半导体激光元件的制造方法，其特征在于，利用向上述端面部扩散杂质来形成端面窗结构，是将杂质向谐振器方向的扩散相对于上述扩散力源的宽度限制在15μm以内的扩展来进行的。
全文摘要
一种半导体激光元件，包括第1导电型的半导体基板(1)；第1导电型的包覆层(3)，设置在半导体基板上；活性层(4)，设置在第1导电型的包覆层上；第2导电型的第1包覆层(5)，设置在活性层上；第2导电型的第2包覆层(7)，设置在第1包覆层上，形成沿谐振器方向延长的脊状波导；第2导电型的接触层(9)，设置在第2导电型的第2包覆层上；端面窗结构(11)，杂质扩散到谐振器方向的端面部的活性层区域，能带间隙比作为该端面部以外的部分的增益区域扩大；在第2导电型的包覆层中，与端面窗结构的区域的杂质浓度相比，增益区域的杂质浓度相同或更大。形成折射率变化小的端面窗结构，电阻比以往高，抑制向谐振器方向的Zn扩散。
文档编号H01S5/34GK1979982SQ200610153128
公开日2007年6月13日 申请日期2006年12月7日 优先权日2005年12月7日
发明者鹿岛孝之, 牧田幸治, 吉川兼司 申请人:松下电器产业株式会社