半导体激光装置及其制造方法

专利名称：半导体激光装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光装置，特别涉及纵向波型(振荡
模)(longitudinal mode)为多模式(multimode)的半导体激光装置(包括自 激振荡型)。
背景技术：
近年来，作为在对于光磁盘及光磁气记录磁盘等记录媒体的光学记录 装置及光学读出装置等中使用的光拾取光源，大多使用半导体激光元件。 光拾取光源的用途跨越录音机用、PC(personal computer)用及车载用等 各个领域，光磁盘市场正在不断扩大。尤其是应用在汽车导航装置的车载 方面的愿望较强烈，能够再生CD(小型磁盘)及DVD(数码电视磁盘)即再 生所有磁盘的光拾取装置的需要正在扩大。
对车载用光拾取装置的要求是(1)光拾取装置的小型化、(2)抑制信号劣 化(低噪音化)、以及(3)保证可在低温到高温下这样较广的范围内进行动作 的动作温度。
首先，(l)为了使光拾取装置小型化，较为有效的方法是减少光学部品 的个数，使装置简单。例如，实现将DVD用的带宽是650nm的红色半导 体激光和CD用的带宽是780nm的红外线半导体激光集成在同一半导体 基板上的单片半导体激光的方法就是其中一个方法。这不仅能够使多个半 导体激光汇集在一个基板上，降低制造所需的时间和成本，而且能够在红 色半导体激光和红外线半导体激光之间共用瞄准仪(collimator)和光束分 离器(beam splitter)等光学部品，有利于实现装置的小型化。
其次，(2)关于抑制信号劣化(低噪音化)，首先，对产生噪音的主要原 因加以说明。当将半导体激光用作,fe磁盘系统的光源时，聚集在光磁盘上 的激光在光磁盘的盘面上反射之后，再次被反馈到激光射出端。此时，光
磁盘如同复合谐振器那样作用。这里，由于由复合谐振器决定的纵向波型 (振荡模)的振荡波长、和由半导体激光自身的谐振器面决定的纵向波型(振 荡模)的振荡波长在形成各自的谐振器的光程长度上存在有差异，因此彼此 的波长不同。而且，'由复合谐振器效果带来的实效端面反射率也因光程长 度的不同而产生变动。所以，在某动作状态下，由复合谐振器决定的纵向 波型(振荡模)的振荡阈值电流值小于由激光自身决定的纵向波型(振荡模) 的振荡阈值电流值，造成振荡模式有时会产生变化。此时，因来自光磁盘 的反射返回光而使纵向波型(振荡模)产生振荡模竞争，使光输出不稳定， 造成产生噪音的结果。该噪音被称为返回光噪音。如果将该噪音大小换算
为相对噪音强度(Relative Intensity Noise: RIN)之后的值大于一120dB / Hz的话，就会对实际上的使用带来不便。
为了降低半导体激光中的返回光噪音，较为有效的方法是让半导体激 光进行多纵向波型(振荡模)动作。多纵向波型(振荡模)动作是指产生激光振 荡的波长(振荡波长)不是单一波长，而是由多条振荡波长构成的激光振荡 状态。由于在让半导体激光进行多纵向波型(振荡模)动作时，难以产生振 荡模竞争，很容易产生过量的噪音，因此能够实现受到从光磁盘反射的返 回光影响较小的低噪音特性。
为了产生多模式振荡，只要让半导体激光以脉冲状动作即可。为了让 半导体激光以脉冲状动作，只要用高频重叠电路脉冲驱动激光即可，此时， 由于需要追加新的驱动电路，使得部品的个数增加，因此对光拾取的小型 化或成本方面带来不利。并且，在最近的汽车中除了装载对半导体激光元 件进行高速调制的高频重叠模块以外，还装载有很多使用高频的装备品(例 如，ETC机器(Electronic Toll Collection system))。因此，有可能产生因 机器之间的频率共振而引起的机器误动作等问题。故而，很难说让半导体 激光元件高速调制的方法是最佳的方法。
为了不用高频重叠电路，让激光驱动为脉冲状，较为有效的方法是利 用半导体激光中的自激振荡现象。在自激振荡型激光中，需要由激光自身 来激发形成在波导路中的激光的吸收区域，使该光吸收量变少，最终形成 为透明(吸收饱和)的可饱和吸收体。当吸收体成为透明时，波导路的损失 变小，光输出急剧增大。由于当光输出增大时，在受激发射中消耗的活性
层的载流子数目也会增加，使载流子急剧丢失，因此最终造成载流子数目 不足，激光振荡停止。所以，自激振荡型激光的光输出即使在进行直流偏 置动作时，也能够相对于时间进行脉冲状动作，获得多纵向波型(振荡模) 振荡。并且，由于在自激振荡动作的半导体激光中，活性层的载流子密度 也随时间振动，因此活性层的折射率随时间变化。由于当活性层的折射率 变化时，发光波长会产生变化，因此每个振荡光谱的线幅也会增大，结果 能够降低与从光磁盘反射的返回光的干扰性。作为为了抑制信号劣化(低噪 音化)，能够不用高频重叠电路，来降低过量的噪音的小型低噪音的光源， 自激振荡型激光非常重要。
其次，(3)为了保证较广范围的动作温度，需要提高半导体激光元件自 身的温度特性。专利文献l的方法作为其中的一个方法而被众所周知。在
专利文献1中，记载有通过使覆盖层的杂质浓度为8xl(^cnrs以上，来提 高半导体激光元件的温度特性的方法。
专利文献1特开平5 — 202080号公报
如上所述，为了实现(l)光拾取装置的小型化、及(2)抑制信号劣化(低 噪音化)，期望着将自激振荡型激光应用在集成型半导体激光装置中(例如， 两波长半导体激光装置)。
但是，当为了实现(3)保证较广范围的动作温度，如上述专利文献l中 所述，使覆盖层的杂质浓度为8xl0i cnrs以上时，虽然在高温下的温度特 性良好，但是相反会产生不能获得稳定的自激振荡这样的问题。而且，当 覆盖层的杂质浓度较高时，激光装置制作工序中的受热历程会使杂质扩散 到活性层中，还会对可靠性造成不良影响。

发明内容
如上所鉴，本发明的目的在于将半导体激光元件提供为集成型半导 体激光装置使用，该半导体激光元件能够在低温到高温这样的较广的温度 范围内，使纵向波型(振荡模)稳定地维持多模式振荡(包括自激振荡)特性、 温度特性及可靠性。
为了达到上述目的，本案发明者们如上述专利文献l中所述，对在提 高覆盖层的杂质浓度时，自激振荡变得不稳定的原因进行了探讨，得到了下述认识。
艮P，在自激振荡型激光中，如上所述，由于需要将可饱和吸收体形成 在波导路中，因此通常将可饱和吸收体形成在活性层中。此时，通过使传 播波导路的波导光的光分布在横方向上大幅度扩展到电流约束层下的活性 层，来在电流约束层下的活性层形成可饱和吸收体。该电流约束层下的活 性层区域最初作为对激光进行吸收的吸收体工作，但因激光自身的光激励 而在活性层中形成电子空穴对，从而造成光吸收逐渐变弱。由于在光吸收 变弱时，波导路损失变小，因此光输出增大，在该电流约束层下的活性层 区域中，电子空穴对越发被激起，使得光吸收变得更弱，最终对于激光成 为透明。结果是光输出急剧增大，光输出增强为脉冲状。由于当光输出象 这样增强时，被激励的电子空穴对因受激发射带来的再结合而失去，因此 形成有可饱和吸收体的电流约束层下的活性层区域再次作为吸收体工作。 从而能够获得光输出随着时间以脉冲状进行振动的自激振荡现象。
虽然为了实现自激振荡型激光，最重要的是如何让电流约束层下的活 性层作为可饱和吸收体作用，但是当如上述专利文献l那样，覆盖层的杂 质浓度较高时，载流子的扩散距离会变长，电流会扩展到电流约束层下的 活性层。由于这样的电流也会对激光振荡造成不良影响，使可饱和吸收体 的形成变得困难或不可能，因此难以获得稳定的自激振荡特性。
艮口，本案发明者们得知为了能够抑制电流扩展(也就是说，稳定地形成 可饱和吸收体)，维持稳定的自激振荡且能够确保温度特性及可靠性，必须 要设定覆盖层的杂质浓度。
本发明为基于上述各点的发明，具体地说，本发明所涉及的半导体激 光装置为在同一第一导电型半导体基板上包括用第一波长发光的第一双异 质结构、和用与上述第一波长不同的第二波长发光的第二双异质结构的半 导体激光装置。上述第一双异质结构具有第一之第一导电型覆盖层、形成 在上述第一之第一导电型覆盖层上的第一活性层、和形成在上述第一活性 层上的第一之第二导电型覆盖层。上述第二双异质结构具有第二之第一导 电型覆盖层、形成在上述第二之第一导电型覆盖层上的第二活性层、和形 成在上述第二活性层上的第二之第二导电型覆盖层。上述第一之第二导电 型覆盖层和上述第二之第二导电型覆盖层由同一材料构成且彼此具有不同
的杂质浓度。
根据本发明的半导体激光装置，由于在构成各个发光元件的每个双异 质结构中，第二导电型覆盖层具有不同的杂质浓度，因此能够使各个第二 导电型覆盖层的杂质浓度最佳化，以能够抑制活性层中的横方向的电流扩 展(也就是说，稳定地形成可饱和吸收体)，维持稳定的自激振荡且能够确 保温度特性及可靠性。所以，能够获得具有多个半导体激光元件的集成型 半导体激光装置，该半导体激光元件能够在低温到高温这样的较广的温度 范围内，使纵向波型(振荡模)稳定地维持多模式振荡(包括自激振荡)特性、 温度特性及可靠性。
当在本发明的半导体激光装置中，上述第一之第一导电型覆盖层、上 述第一之第二导电型覆盖层、上述第二之第一导电型覆盖层及上述第二之
第二导电型覆盖层分别含有AlGalnP时，能够使装置的制造工序单纯化， 并且能够在包含红外线的两波长半导体激光装置中提高红外线激光的温度 特性。
当在本发明的半导体激光装置中，上述第一活性层含有GaAs，上述 第二活性层含有GalnP时，能够获得可再现性良好的红外线及红色两波 长自激振荡型低噪音激光。此时，当使上述第一之第二导电型覆盖层的杂 质浓度为Cpl，上述第二之第二导电型覆盖层的杂质浓度为Cp2，具有 CpKCp2的关系时，能够确实地使第一及第二双异质结构各自的第二导 电型覆盖层的杂质浓度最佳化。
当在本发明的半导体激光装置中，使上述第一之第二导电型覆盖层的
杂质浓度为Cpl，具有Cpl〈7xi0i cnrs的关系时，能够确实地使第一双
异质结构的第二导电型覆盖层的杂质浓度最佳化。
当在本发明的半导体激光装置中，使上述第二之第二导电型覆盖层的 杂质浓度为Cp2，具有lxl0i7cnr3〈Cp2〈8xl0i7cnr3的关系时，能够确
实地使第二双异质结构的第二导电型覆盖层的杂质浓度最佳化。
当在本发明的半导体激光装置中，上述第一活性层含有GaAs，上述 第二活性层含有GalnP时，最好当使上述第一之第二导电型覆盖层的杂 质浓度为Cpl，使上述第二之第二导电型覆盖层的杂质浓度为Cp2时，具 有lxl0i7cnr3〈Cpl〈Cp2〈7xl0"cnr3的关系。这样一来，能够在低温
到高温这样的较广的温度范围内，使红外线及红色两波长自激振荡型低噪 音激光各自的纵向波型(振荡模)稳定地维持多模式振荡(包括自激振荡)特 性、温度特性及可靠性。
当在本发明的半导体激光装置中，在上述第一之第二导电型覆盖层形 成有第一隆起部，在上述第二之第二导电型覆盖层形成有第二隆起部，在 上述第一隆起部的两侧壁及上述第二隆起部的两侧壁分别形成有电流约束 层时，能够在第一及第二双异质结构的每一结构中，确实地关住水平横方 向的光。
本发明所涉及的半导体激光装置的制造方法，是在第一导电型半导体 基板上集成有用不同波长发光的多个发光元件的半导体激光装置的制造方 法。该半导体激光装置的制造方法，包括在上述第一导电型半导体基板 上的上述多个发光元件各自的形成区域中依次形成第一导电型覆盖层、活 性层及第二导电型覆盖层的工序，以及将上述多个发光元件各自的上述第 二导电型覆盖层图案化为台形，来形成隆起部的工序。上述多个发光元件 各自的上述第二导电型覆盖层由同一材料构成且彼此具有不同的杂质浓 度。
艮口，本发明的半导体激光装置的制造方法为用以制造上述本发明的第 一半导体激光装置的方法，能够获得上述效果。 (发明的效果)
使用本发明，能够将半导体激光元件提供为集成型半导体激光装置使 用，该半导体激光元件能够在低温到高温这样的较广的温度范围内，使纵 向波型(振荡模)稳定地维持多模式振荡(包括自激振荡)特性、温度特性及可 靠性。
附图
的简单说明
图l(a)为本发明的第一实施例所涉及的半导体激光装置的剖面结构的 示意图，图l(b)为本发明的第一实施例所涉及的半导体激光装置的红外线 激光部的活性层的剖面结构的示意图，图l(c)为本发明的第一实施例所涉 及的半导体激光装置中的红色激光部的活性层的剖面结构的示意图。
图2(a) 图2(d)为表示当使本发明的第一实施例所涉及的半导体激光
装置中的红外线激光部的p型第一覆盖层的杂质浓度为lxl0i cnr3、 4xl017cnr3、 7xl017cnr3、 lxl018cnr3时的振荡光谱特性图，图2(e) 图 2(h)为表示当使本发明的第一实施例所涉及的半导体激光装置中的红色激 光部的p型第一覆盖层的杂质浓度为lxlOi化nr3、 5xlOi7cm-3、 8xl0i cnr3、 lxl018cnr3时的振荡光谱特性图。
图3为表示本发明的第一实施例所涉及的半导体激光装置的活性层中 的增益系数g的动作载流子密度n的依存性的图。
图4(a)为表示当使本发明的第一实施例所涉及的半导体激光装置中的 红外线激光部的p型第一覆盖层的杂质浓度为lxl0i cnr3、 4xl0i cm-3、 7xlOi7cnr3、 Ixl0i8cnr3时85。C的电流一光输出特性图，图4(b)为表示当 使本发明的第一实施例所涉及的半导体激光装置中的红色激光部的p型第 一覆盖层的杂质浓度为lxl017cm-3、 5xl017cm-3、 8xl017cm-3、 lxl0^cnr3 时85°C的电流一 光输出特性图。
图5(a) 图5(c)为表示本发明的一实施例所涉及的半导体激光装置的 制造方法的各工序的剖面图。
图6(a) 图6(c)为表示本发明的一实施例所涉及的半导体激光装置的 制造方法的各工序的剖面图。
图7为表示本发明的一实施例所涉及的半导体激光装置的制造方法的 一工序的剖面图。
(符号的说明)
IOO —红外线激光部；101 — n型GaAs基板；102—n型GaAs缓冲 层；103—n型(AlGa)InP第一覆盖层；104—活性层；1040g—(AlGa)InP 第一引导层；1041w — GaAs第一阱层；1042b — (AlGa)InP第一阻挡层； 1043w — GaAs第二阱层；1044b — (AlGa)InP第二阻挡层；1045w — GaAs 第三阱层；1046g—(AlGa)InP第二引导层；105—p型(AlGa)InP第一覆 盖层；106—p型GalnP蚀刻停止层；107—p型(AlGa)InP第二覆盖层； 108—p型GalnP中间层；109 — n型GaAs电流约束层；110 —p型GaAs 接触层；111 一隆起条(ridge stripe); 130 —红色激光部；132 —n型GaAs 缓冲层；133 — n型(AlGa)InP覆盖层；134 —活性层；1340g—(AlGa)InP 第一引导层；1341w—GalnP第一阱层；1342b — (AlGa)InP第一阻挡层；
1343w — GalnP第二阱层；1344b — (AlGa)InP第二阻挡层；1345w — GalnP第三阱层；1346b — (AlGa)InP第三阻挡层；1347w—GalnP第四 阱层；1348b — (AlGa)InP第四阻挡层；1349w—GalnP第五阱层；1350g —(AlGa)InP第二引导层；135—p型(AlGa)InP第一覆盖层；136—p型 GalnP蚀刻停止层；137—p型(AlGa)InP第二覆盖层；138 — p型GalnP 中间层；140—p型GaAs接触层；141一隆起条；501 —抗蚀剂图案；502 一抗蚀剂图案；503 —氧化硅膜。
具体实施方式
(实施例)
以下，参照附图对本发明的一实施例所涉及的半导体激光装置及其制 造方法加以说明。
图l(a)为表示本发明的一实施例所涉及的半导体激光装置的剖面结构 的一个例子的示意图。如图Ka)所示，本实施例的半导体激光装置为将红 外线激光部100和红色激光部130装载在同一 n型GaAs基板101上的 单片两波长激光装置。
首先，如图l(a)所示，在红外线激光部100中，在n型GaAs基板 101上，与红色激光部130分开，从下向上依次叠层有n型GaAs缓冲层 102(厚度为0.4pm)、 n型(AlGa)InP覆盖层103(厚度为2.0!im)、活性层 104、 p型(AlGa)InP第一覆盖层105(厚度为0.83irni)、 p型GalnP蚀刻 停止层106(厚度为90人)、p型(AlGa)InP第二覆盖层107(厚度为0.6!im)、 p型GalnP中间层108(厚度为O.ljim)及p型GaAs接触层110(厚度为 0.2pm)。来实现活性层104被n型覆盖层103、和p型覆盖层105及107 夹着的双异质结构。
这里，如图l(b)所示，活性层104为阱数为3层的量子阱活性层。具 体地说，活性层104由从下向上依次设置的3个GaAs阱层1045w、1043w 及1041w(各自的厚度为30人，合计厚度为90A)分别夹着两个(AlGa)InP 阻挡层1044b及1042b(各自的厚度为50人)而成，且具有这五层叠层结构 从下方和上方被两个(AlGa)InP弓l导层1040g及1046g(各自的厚度为 130人)夹着的结构。即，从下侧(n型(AlGa)InP覆盖层103侧)依次叠层有
(AlGa)InP引导层1046g、 GaAs阱层1045w、 (AlGa)InP阻挡层1044b、 GaAs阱层1043w、 (AlGa)InP阻挡层1042b、 GaAs阱层1041w及 (AlGa)InP引导层1040g。另外，在活性层104中位于最上层的(AlGa)InP 引导层1040g之上形成有p型(AlGa)InP第一覆盖层105。
并且，如图l(a)所示，p型(AlGa)InP第二覆盖层107、 p型GalnP 中间层108及p型GaAs接触层110作为用以关住水平横方向的光及进行 电流约束的隆起条111而被加工为台型条状。在隆起条111的两侧形成有 n型GaAs电流约束层109(厚度为0.3pm)，来构成约束注入到活性层104 中的电流的区域的电流约束结构。这里，使电流约束层109下表面(换句话 说，隆起条111的下面)到活性层104上表面的距离(剩余厚度)为d"另外， 由于蚀刻停止层106的厚度与第一覆盖层105的厚度相比，为薄到可以忽 视的程度，因此在(h中不含蚀刻停止层106的厚度。
构成本实施例的红外线激光部100的各层的材料组成比例如如下所 示。n型(AlGa)InP覆盖层103、 p型(AlGa)InP第一覆盖层105及p型 (AlGa)InP第二覆盖层107分别为(Ak7Gao.3)o.5ilno.49P。并且，构成活 性层104的(AlGa)InP阻挡层1042b及1044b为(Al0.4 GaQ.6) o.51 Ino.49P。
并且，在本实施例中，红外线激光部100的隆起条111底部的宽度(条 宽)为2irni，剩余厚度(h(也就是，p型(AlGa)InP第一覆盖层105的厚度) 为0.83，。
其次，在红色激光部130中，其基本结构也与红外线激光部100 —样。 即，如图l(a)所示，在红色激光部130中，在与红外线激光部IOO共通的 n型GaAs基板101上，与红外线激光部100分开，从下向上依次叠层有 n型GaAs缓冲层132(厚度为1.2pm)、 n型(AlGa)InP覆盖层133(厚度 为1.2tim)、活性层134、p型(AlGa)InP第一覆盖层135(厚度为0.41pm)、 p型GalnP蚀刻停止层136(厚度为60人)、p型(AlGa)InP第二覆盖层 137(厚度为0.58irni)、p型GalnP中间层138(厚度为O.ltim)及p型GaAs 接触层140(厚度为0.2irni)。来实现活性层134被n型覆盖层133、和p 型覆盖层135及137夹着的双异质结构。
这里，如图l(c)所示，活性层134为阱数为5层的量子阱活性层。具 体地说，活性层134由从下向上依次设置的5个GalnP阱层1349w、1347w、 1345w、 1343w及1341w(各自的厚度为60A，合计厚度为300A) 分别夹着4个(AlGa)InP阻挡层1348b、 1346b、 1344b及1342b(各自的 厚度为60人)而成，且具有这九层叠层结构从下方和上方被两个(AlGa)InP 引导层1350g及1340g(各自的厚度为700人)夹着的结构。艮P，从下侧(n 型(AlGa)InP覆盖层133侧)依次叠层有(AlGa)InP引导层1350g、GalnP 阱层1349w、 (AlGa)InP阻挡层1348b、 GalnP阱层1347w、 (AlGa)InP 阻挡层1346b、 GalnP阱层1345w、 (AlGa)InP阻挡层1344b、 GaJnP 阱层1343w、 (AlGa)InP阻挡层1342b、 GalnP阱层1341w及(AlGa)InP 引导层1340g。另外，在活性层134中位于最上层的(AlGa)InP弓i导层 1340g之上形成有p型(AlGa)InP第一覆盖层135。
并且，与红外线激光部IOO—样，如图l(a)所示，p型(AlGa)InP第 二覆盖层137、 p型GalnP中间层138及p型GaAs接触层140作为用 以关住水平横方向的光及进行电流约束的隆起条141而被加工为台型条 状。在隆起条141的两侧形成有n型GaAs电流约束层109(厚度为 0.3tim)，来构成约束注入到活性层134中的电流的区域的电流约束结构。 这里，使电流约束层109下表面(换句话说，隆起条141的下表面)到活性 层134上表面的距离(剩余厚度)为d2。另外，由于蚀刻停止层136的厚度 与第一覆盖层135的厚度相比，为薄到可以忽视的程度，因此在d2中不 含蚀刻停止层136的厚度。
构成本实施例的红色激光部130的各层的材料组成比例如如下所示。 n型(AlGa)InP覆盖层133、 p型(AlGa)InP第一覆盖层135及p型 (AlGa)InP第二覆盖层137分别为(Ak Gao.s) G.5i Ino.幼P。并且，构成活 性层134的(AlGa)InP引导层1340g及1350g、和构成活性层134的 (AlGa)InP阻挡层1342b、 1344b、 1346b及1348b分别为(Alo.5Gao.5) 0.51 In0.49P。并且，构成活性层134的GalnP阱层1349w、 1347w、 1345w、 1343w及1341w为Gao.43Ino.57P。
并且，在本实施例中，红色激光部130的隆起条141底部的宽度(条 宽)为4iim，剩余厚度d2(也就是，p型(AlGa)InP第一覆盖层135的厚度) 为0.41jim。
另外，在本实施例中，同时形成红外线激光部100的隆起条111、和
红色激光部130的隆起条141。并且，对于电流约束层109，在红外线激 光部100及红色激光部130中也是同时形成的。
而且，在p型GaAs接触层110及140、和电流约束层109各自上形 成有p型电极，在n型GaAs基板101的背面形成有n型电极，对图示加 以了省略。对于这些p型电极及n型电极，在红外线激光部100及红色激 光部130中也是同时形成的。
如上所述，本实施例的半导体激光装置为包括红外线激光部100及红 色激光部130的单片两波长激光装置。
图2(a) 图2(d)表示在这样的半导体激光装置中，当使红外线侧的p 型(AlGa)InP第一覆盖层105的杂质浓度为lx，cm-3、 4xl0"cm-3、 7xl0i cnr3、 lxl0i8cm-3时的振荡光谱特性，图2(e) 图2(h)表示当使红 色侧的p型(AlGa)InP第一覆盖层135的杂质浓度为lxlOi cnr3、 5xl0i7cm-3、 8xl0"cm-3、 lxl018cnr3时的振荡光谱特性。不管是红外线 激光，还是红色激光，测定条件都是室温、CW(Continuous Wave)5mW。
另夕卜，向p型(AlGa)InP第一覆盖层105及p型(AlGa)InP第一覆盖 层135分别注入的注入杂质例如为Zn或Mg、或者这两方。并且，当在p 型(AlGa)InP第一覆盖层105及p型(AlGa)InP第一覆盖层135各自中的 杂质浓度不均一时，将各层内的平均浓度看作各层的杂质浓度。
如图2(a) 图2(d)所示，关于红外线激光，在杂质浓度为l 7xl0"cnr3的范围内呈现了良好的多模式特性，但是在杂质浓度为 lxl0iscnrs时，多模式特性降低。
另一方面，如图2(e) 图2(h)所示，关于红色激光，当随着杂质浓度 上升，振荡光谱的半值全宽变窄，杂质浓度成为lxl0iscnrs时，几乎成为 单模式(single mode)。
另外，为了在85。C的高温动作中获得多模式振荡，需要在室温动作下， 使振荡光谱的半值全宽在0.5nm以上。其理由是在高温下时，动作电流值 增大，结果使可饱和吸收体变小且后述的微分增益下降，从而难以产生自 激振荡的原因。
其次，对在图2(a) 图2(h)所示的试验结果中，在红外线激光和红色 激光之间的振荡光谱的半值全宽产生差异的情况、以及振荡光谱的半值全 宽随着杂质浓度的增大而减少的情况加以说明。
图3表示活性层中的增益系数g的动作载流子密度n的依存性。具体 地说，图3表示用在红外线激光的活性层中的GaAs的增益系数、和用在 红色激光的活性层中的GalnP的增益系数。
如图3所示，GalnP的微分增益dg / dn小于GaAs的微分增益dg / dn。微分增益较小的意思是指光子的变动(振动)相对于载流子的变动较 小。在自激振荡中，较重要的是增大载流子和光子的相互作用，让振动持 久。故而，能够认为由于微分增益较小的GalnP(红色激光)的振动小于 GaAs(红外线激光)的振动，因此GalnP(红色激光)的振荡光谱的半值全宽 变得窄于GaAs(红外线激光)。
如图3所示，动作载流子密度n较高的区域的微分增益小于动作载流 子密度n较低的区域的微分增益。目卩，由于当动作电流也就是动作载流子 密度n较高时，难以产生自激振荡，因此动作载流子密度n较高的区域的 振荡光谱的半值全宽窄于动作载流子密度n较低的区域的振荡光谱的半值 全宽。
当(AlGa)InP第一覆盖层的杂质浓度较高时，与该杂质浓度较低时相 比，在将载流子从该第一覆盖层注入活性层之前，载流子就已经在该第一 覆盖层内扩散了。这样一来，由于可饱和吸收体减少，即使为较少的注入 电流，也能够进行激光振荡，因此激光振荡时的光输出的峰值功率(peak power)变小。结果是由于因受激发射而失去的载流子减少，载流子的振幅 变小，因此向更高能级激起的载流子减少。从而使能够振荡的光的半值全 宽减少，使波长范围(也就是，振荡光谱的半值全宽)减少。
如上所述，能够认为振荡光谱的大小是由活性层的微分增益及 (AlGa)InP第一覆盖层的杂质浓度分别决定的。
图4(a)表示在本实施例的半导体激光装置中，当使红外线侧的p型 (AlGa)InP第一覆盖层105的杂质浓度为lxl0"cm-3、 4xl0i7cm-3、 7xlO"cm-3、 lxl0iScm^时85。C的电流一光输出特性。图4(b)表示在本实 施例的半导体激光装置中，当使红色侧的p型(AlGa)InP第一覆盖层135 的杂质浓度为lxl017cm-3、 5xlO"cm.3、 8xlO"cm.3、 lx，cm.3时85 。C的电流一光输出特性。
如图4(a)所示，关于红外线激光，虽然电流值随着杂质浓度的减少而
增力n，但是能够在杂质浓度为1 10xl0"cnrs的范围内获得不会热饱和的 良好的电流一光输出特性。能够认为这是因为活性层GaAs与覆盖层 AlGalnP之间的带隙差AEg较大而使从活性层漏向覆盖层的泄漏电流变 小，因而呈现出良好的温度特性之故。另外，在本案中，良好的温度特性 的意思是指在85。C的电流一光输出特性中，光输出相对于电流是线性的， 不会产生弯曲和热饱和等的意思。
另一方面，如图4(b)所示，关于红色激光，与红外线激光一样，电流 值随着杂质浓度的减少而大幅度增加，特别是在杂质浓度成为lxl0"cm-3 时，微分效率(Se)下降。对于红色激光而言，杂质浓度对于温度特性的影 响较大，为了改善温度特性，需要尽可能较高的杂质浓度。
正如从上述图2(a) 图2(h)的多模式特性的试验结果、和图4(a)及图 4(b)的电流一光输出特性的试验结果所得知的，关于红外线激光，从多模 式特性的观点出发，需要满足p型(AlGa)InP第一覆盖层105的杂质浓度 〈7xl0i cm^的关系。而关于红色激光，为了实现稳定的多模式特性，需 要满足p型(AlGa)InP第一覆盖层135的杂质浓度〈8xl0"cn"的关系。 为了改善温度特性，需要满足p型(AlGa)InP第一覆盖层135的杂质浓度 >1><1017 ^3的关系。
因此，鉴于上述结果，关于红外线激光，为了使其能够满足多模式特 性及温度特性这两个特性，只要满足p型(AlGa)InP第一覆盖层105的杂 质浓度〈7xl0i cnrs的关系即可。并且，关于红色激光，为了使其能够满 足多模式特性及温度特性这两个特性，只要满足1xl0"cm-s〈p型 (AlGa)InP第一覆盖层135的杂质浓度〈8xl0i cnr3的关系即可。
并且，如果从本实施例的激光装置为两波长激光装置这样的观点出发 的话，最好满足lxl0i7cmf3〈红外线侧的p型(AlGa)InP第一覆盖层105 的杂质浓度<红色侧的p型(AlGa)InP第一覆盖层135的杂质浓度< 7xl0i cnrs的关系。这是因为在红色激光中，为了在可维持多模式特性的 范围内改善温度特性，需要尽可能较高的杂质浓度，但是在红外线激光中， 只要为可维持多模式特性的范围内的杂质浓度即可之故。
另外，虽然在本实施例的激光装置中，能够考虑到lxlOi cnr^红色
侧的p型(AlGa)InP第一覆盖层135的杂质浓度<红外线侧的p型 (AlGa)InP第一覆盖层105的杂质浓度〈7xl0i cnr3这样的情况，但是因 下述理由，应当尽量避免这种情况。即，在红外线激光中，由于活性层104 的GaAs阱层1041w的上端(GaAs阱层1041w)与p型(AlGa)InP第一覆 盖层105的下端之间的距离(也就是说，(AlGa)InP引导层1040g的膜厚 130人)较短，因此当p型(AlGa)InP第一覆盖层105的杂质浓度较高时， 杂质向活性层104扩散，因结晶性的下降和非发光再结合中心的增加而使 可靠性劣化，故而最好尽可能使p型(AlGa)InP第一覆盖层105的杂质浓 度较低。另一方面，在红色激光中，由于活性层134的GalnP阱层1341w 的上端与p型(AlGa)InP第一覆盖层135的下端之间的距离(也就是说， (AlGa)InP引导层1340g的膜厚700人)较长，因此即使p型(AlGa)InP第 一覆盖层135的杂质浓度较高，也不会产生因杂质向活性层134扩散而引 起的可靠性劣化。所以，应该使红外线侧的p型(AlGa)InP第一覆盖层105 的杂质浓度低于红色侧的p型(AlGa)InP第一覆盖层135的杂质浓度。
如上所述，为了在本实施例的两波长激光装置中，同时满足红色激光 及红外线激光各自的多模式特性、温度特性及可靠性，最好满足 lxl0i cm^〈红外线侧的p型(AlGa)InP第一覆盖层105的杂质浓度<红 色侧的p型(AlGa)InP第一覆盖层135的杂质浓度〈7xl(^cnr3的关系。 这样一来，能够获得可进行85。C的高温动作的低噪音激光。
以下，参照附图对本发明的一实施例所涉及的半导体激光装置的制造 方法加以说明。
图5(a) 图5(c)、图6(a) 图6(c)及图7为表示本发明的一实施例所 涉及的半导体激光装置的制造方法的各工序的剖面图。
首先，如图5(a)所示，利用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor D印osition)法或MBE(Molecular Beam Epitaxial)法，在例如以从(IOO) 面朝
方向倾斜10。的面为主面的n型GaAs基板101上依次形成n 型GaAs缓冲层102(厚度为0.4—、 n型(Alo.7Ga。.3) 0.5iIn0.49P覆盖层 103(厚度为2.0imi)、量子阱活性层104(具体地说，为(Al。.4Ga。.6)。.5;JnQ.49P 引导层1046g(厚度为130人)、GaAs阱层1045w(厚度为30A)、(Alo.4Ga0.6) o.51InQ.49P阻挡层1044b(厚度为50A)、 GaAs阱层1043w(厚度为30A)、
(Al0.4Gao.6) g.51InG.49P阻挡层1042b、 GaAs阱层1041w(厚度为30A)及 (Alo.4Ga0.6) o.51In().49P引导层1040g的叠层体)、p型(Alo.7Gao.3) 0.51Ino.49P 第一覆盖层105(厚度为0.83imi)、 p型GalnP蚀刻停止层106(厚度为 90A)、 p型(Al。.7Gao.3) 。.5iIn。.49P第二覆盖层107(厚度为0.6—、 p型 Ga0.51Ino.49P中间层108(厚度为O.limi)及p型GaAs接触层IIO(厚度为 0.2iim)o
另夕卜，在本实施例中，将多层量子阱结构用在了活性层104中，也可 以代替它，使用单层量子阱结构或块状(bulk)结构。并且，并不特别限定 活性层104的导电型，既可以是p型，也可以是n型，或者也可以是未掺 杂型。
在本实施例中，如上所述，需要使红外线激光的p型(Alo.7Gao.3) 0.51Ina49P第一覆盖层105的杂质浓度低于后述的红色激光的p型 (Ak7GaG.3) 0.5lLqo.幼P第一覆盖层135的杂质浓度。这样一来，由于红外 线激光的第一覆盖层105的杂质浓度较低，抑制了杂质扩散到活性层104 的情况，因此能够防止可靠性劣化。这里，当使包括p型(Ak7Gao.3) 0.51InQ.49P第一覆盖层105的红外线激光的叠层结构形成在包括p型 (Ak7GaG.3) G.51InG.49P第一覆盖层135的红色激光的叠层结构之前时，有 利于提高红色激光的可靠性。理由如下。即，这是因为假设先形成红色激 光的叠层结构的话，则由于红色激光的p型(Al。.7Ga。.3) Q.51InQ.49P第一覆 盖层135的杂质浓度较高、和该第一覆盖层135过多地接受用以在形成红 色激光的叠层结构之后形成红外线激光的叠层结构的热，而促进了杂质从 该第一覆盖层135向活性层134的扩散，结果造成了红色激光的可靠性劣 化的缘故。故而，从可靠性的观点出发，需要满足红外线激光的第一覆盖 层105的杂质浓度<红色激光的第一覆盖层135的杂质浓度的关系、及在 形成红色激光的叠层结构之前先形成红外线激光的叠层结构这样的条件。
其次，如图5(b)所示，在从MOCVD反应炉或MBE反应炉中取出基 板101之后，利用光刻在红外线激光形成区域形成抗蚀剂图案501，然后， 以抗蚀剂图案501为掩模，利用硫酸类或盐酸类蚀刻液，除去没有被抗蚀 剂图案501掩模的区域的接触层110、中间层108、 p型第二覆盖层107、 蚀刻停止层106、 p型第一覆盖层105、活性层104、 n型覆盖层103及
缓冲层102。
其次，如图5(c)所示，在除去了抗蚀剂图案501之后，利用MOCVD 法或MBE法，在n型GaAs基板101上形成n型GaAs缓冲层132(厚 度为1.2!im)、 n型(Ak7Gao.3) o.51In。.49P覆盖层133(厚度为1.2iim)、量子 阱活性层134(具体地说，为(Ak5Ga。.5) o.51In,P引导层1350g(厚度为 700A)、 Gao.43lno.57P阱层1349w(厚度为60A)、 (Ak5Ga。.5)o.51Ino.49P阻 挡层1348b(厚度为60A)、 GaQ.43In。.57P阱层1347w(厚度为60A)、 (Alo.5Ga0.5) 051In0.49P阻挡层1346b(厚度为60A)、 Ga0.43In0.57P阱层 1345w(厚度为60A)、 (Ak5Gao.5) 。.51Ino.49P阻挡层1344b(厚度为60A)、 Ga0.43InQ.57P阱层1343w(厚度为60A)、 (AlQ.5Ga。.5) 。.51In。.49P阻挡层 1342b(厚度为60A)、 Ga。.43In。.57P阱层1341w(厚度为6oA)及(Al。.sGao.5) 0.5iIno.49P引导层1340g(厚度为700A)的叠层体)、p型(Alo.7Ga0.3) 0.51in。.49P第一覆盖层135(厚度为0.41tim)、p型GalnP蚀刻停止层136(厚 度为60A)、 p型(Alo.7Gao.3) 。.51InQ.49P第二覆盖层137(厚度为0.58!im)、 p型Ga。.51Ino.49P中间层138(厚度为O.l!im)及p型GaAs接触层140(厚 度为0.2iim)。
其次，如图6(a)所示，在从MOCVD反应炉或MBE反应炉中取出基 板101之后，利用光刻在红色激光形成区域形成抗蚀剂图案502，然后， 以抗蚀剂图案502为掩模，利用硫酸类或盐酸类蚀刻液，除去没有被抗蚀 剂图案502掩模的区域的接触层140、中间层138、 p型第二覆盖层137、 蚀刻停止层136、 p型第一覆盖层135、活性层134、 n型覆盖层133及 缓冲层132。
其次，如图6(b)所示，在除去了抗蚀剂图案502之后，在大气压下利 用热CVD法(例如，370°C)，在p型GaAs接触层110及140各自上沉积 例如厚度为0.3iim的氧化硅膜503，然后，利用光刻和干蚀刻技术将氧化 硅膜503图案化，形成条状掩模。接着，以该条状氧化硅膜503为掩模， 依次选择地蚀刻p型GaAs接触层110及140、 p型GalnP中间层108 及138、和p型AlGalnP第二覆盖层107及137。来在具有异质结构的 基板101上的红外线激光形成区域及红色激光形成区域各自中形成台状隆 起。另外，在形成台状隆起时，既可以代替干蚀刻技术，使用湿蚀刻技术， 或者也可以将干蚀刻技术和湿蚀刻技术组合在一起使用。
其次，在将基板101再次放入MOCVD反应炉或MBE反应炉之后， 如图6(c)所示，以氧化硅膜503为掩模，选择性地让n型GaAs电流约束 层109(厚度为0.3iim)成长。
其次，在从MOCVD反应炉或MBE反应炉中取出基板101之后，如 图7所示，利用例如氟酸类蚀刻液除去氧化硅膜503。由此，能够获得本 发明的一实施例所涉及的两波长半导体激光装置。
如上所述，根据本实施例，由于在构成红色激光及红外线激光的每一 个的各双异质结构中p型覆盖层具有不同的杂质浓度，因此能够使各p型 覆盖层的杂质浓度最佳化，以便能够抑制各活性层中的横方向的电流扩散 (也就是说，稳定地形成可饱和吸收体)，维持稳定的自激振荡且能够确保 温度特性及可靠性。故而，能够获得具有多个半导体激光元件的集成型半 导体激光装置，该半导体激光元件能够在低温到高温这样较广的温度范围 内，使纵向波型(振荡模)稳定地维持多模式振荡(包括自激振荡)特性、温度 特性及可靠性。
另外，在本实施例中，以红色及红外线领域的两波长半导体激光装置 作为了对象，对发光波长的种类(数目)及组合并不作特别限定。具体地说， 虽然将红色激光用作以相对较短的波长发光的发光元件，但是也可以代替 它，使用其它激光。并且，虽然将红外线激光用作以相对较长的波长发光 的发光元件，但是也可以代替它，使用其它激光。
并且，在本实施例中，不用说对活性层及覆盖层等各半导体层的构成 材料及基板的构成材料并不作特别限定。具体地说，虽然将(Alo.7Gao.3) o.51Ino.49P用作了红外线激光的n型(AlGa)InP覆盖层103、P型(AlGa)InP 第一覆盖层105及p型(AlGa)InP第二覆盖层107，但是对红外线激光的 各覆盖层103、 105及107的材料并不作特别限定。不过，最好将与红色 激光的n型(AlGa)InP覆盖层133、 p型(AlGa)InP第一覆盖层135及P 型(AlGa)InP第二覆盖层137相同的材料用作红外线激光的各覆盖层 103、 105及107的材料。作为这些覆盖层材料，当使用了(Al。/zGao.3) 0.51InQ.49P时，例如与使用了含GaAs的AlGaAs时相比，能够降低高温
时(例如，85。C)的动作电流。并且，在将相同材料用作红色激光及红外线
激光各自的隆起部(p型第二覆盖层107及137)的材料时，由于能够利用
蚀刻同时形成两隆起部，因此能够提高生产性。
并且，在本实施例中，最好在各激光元件的隆起部侧壁形成同一半导 体层。这样一来，由于能够通过同一结晶生长过程来在隆起侧壁上形成光 关闭层(电流约束层)，因此能够减少结晶成长次数，从而，能够谋求元件 制作过程的简单化。
并且，在本实施例中，在隆起条111及141各自的两侧设置有n型 GaAs电流约束层109，也可以代替它，设置由其它半导体层构成的电流 约束层，例如，设置AUnP电流约束层。或者，也可以代替n型GaAs电 流约束层109，在隆起条111及141各自的两侧形成电介质层，例如SiN 层、Si02层、Ti02层或Ak03层中的任意一层或它们中的两层以上的叠层 体。
(工业上的利用可能性)
本发明为实现能够在低温到高温这样较广的温度范围内，使纵向波型 (振荡模)稳定地维持多模式振荡(包括自激振荡)特性、温度特性及可靠性的 集成型半导体激光装置的发明，特别是，本发明作为要求高温动作的光磁 盘系统领域等的激光光源等非常有用。
权利要求
1、一种半导体激光装置，在同一第一导电型半导体基板上包括用第一波长发光的第一双异质结构、和用与上述第一波长不同的第二波长发光的第二双异质结构，其特征在于上述第一双异质结构具有第一之第一导电型覆盖层、形成在上述第一之第一导电型覆盖层上的第一活性层、和形成在上述第一活性层上的第一之第二导电型覆盖层；上述第二双异质结构具有第二之第一导电型覆盖层、形成在上述第二之第一导电型覆盖层上的第二活性层、和形成在上述第二活性层上的第二之第二导电型覆盖层；上述第一之第二导电型覆盖层和上述第二之第二导电型覆盖层由同一材料构成且彼此具有不同的杂质浓度。
2、 根据权利要求l所述的半导体激光装置，其特征在于上述第一之第一导电型覆盖层、上述第一之第二导电型覆盖层、上述 第二之第一导电型覆盖层及上述第二之第二导电型覆盖层分别含有AlGalnP。
3、 根据权利要求l所述的半导体激光装置，其特征在于 上述第一活性层含有GaAs， 上述第二活性层含有GalnP。
4、 根据权利要求3所述的半导体激光装置，其特征在于 当使上述第一之第二导电型覆盖层的杂质浓度为Cpl，使上述第二之第二导电型覆盖层的杂质浓度为Cp2时，具有Cpl〈Cp2的关系。
5、 根据权利要求l所述的半导体激光装置，其特征在于 当使上述第一之第二导电型覆盖层的杂质浓度为Cpl时，具有Cpl<7X1017cm-3的关系。
6、 根据权利要求l所述的半导体激光装置，其特征在于 当使上述第二之第二导电型覆盖层的杂质浓度为Cp2时，具有IX1017cm-3 < Cp2 < 8 X 1017cm-3的关系。
7、 根据权利要求3所述的半导体激光装置，其特征在于 当使上述第一之第二导电型覆盖层的杂质浓度为Cpl，使上述第二之第二导电型覆盖层的杂质浓度为Cp2时，具有lX10i7Cnr3<Cpl<Cp2 〈7X10^cm-3的关系。
8、 根据权利要求1 7中的任意一项所述的半导激光装置，其特征在于在上述第一之第二导电型覆盖层形成有第一隆起部， 在上述第二之第二导电型覆盖层形成有第二隆起部。
9、 根据权利要求8所述的半导体激光装置，其特征在于 在上述第一隆起部的两侧壁及上述第二隆起部的两侧壁分别形成有电流约束层。
10、 一种半导体激光装置的制造方法，是在第一导电型半导体基板上 集成有用不同波长发光的多个发光元件的半导体激光装置的制造方法，其 特征在于该半导体激光装置的制造方法，包括在上述第一导电型半导体基板 上的上述多个发光元件各自的形成区域中依次形成第一导电型覆盖层、活 性层及第二导电型覆盖层的工序，以及将上述多个发光元件各自的上述第二导电型覆盖层图案化为台形，来 形成隆起部的工序；上述多个发光元件各自的上述第二导电型覆盖层由同一材料构成且彼 此具有不同的杂质浓度。
全文摘要
本发明公开了一种半导体激光装置及其制造方法。在将红外线激光部(100)和红色激光部(130)装载在同一n型GaAs基板(101)上的单片两波长激光装置中，红外线激光部(100)的p型第一覆盖层(105)和红色激光部(130)的p型第一覆盖层(135)由同一材料构成且彼此具有不同的杂质浓度。
文档编号H01S5/22GK101185211SQ200680018439
公开日2008年5月21日 申请日期2006年12月14日 优先权日2006年3月31日
发明者中山久志, 木户口勋, 村泽智, 藤本康弘, 高山彻 申请人:松下电器产业株式会社