專利名稱：半導體激光元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及在通訊、激光打印機、激光醫療、激光加工等當中優選使用的、能夠做高輸出動作的實際折射率波導型半導體激光元件。
在圖4A中，在n型GaAs基板1上，經過順次晶體成長，做成n型AlGaAs包層2、n型AlGaAs光波導層3、n型AlGaAs載波阻擋層4、GaAs/AlGaAs量子阱活性層5、p型AlGaAs載波阻擋層6、和p型AlGaAs光波導層7的一部。接著如圖4B所示，在成長的外延基板(エピ基板)上、具體說在p型AlGaAs光波導層7a上的預定區域，用真空鍍膜和光刻技術形成SiO2帶狀掩膜8。然后，如圖4B所示，在SiO2帶狀掩膜8的形成區域以外的區域，經選擇成長做成n型AlGaAs折射率控制層9。接著除去SiO2帶狀掩膜8后，如圖4C所示，通過順次晶體成長做成剩余的p型AlGaAs光波導層7b、p型AlGaAs包層10和p型HGaAs接觸層11。藉此制造DCH-SAS型LD。再有，由p型AlGaAs光波導層7a和p型AlGaAs光波導層7b形成一個光波導層7。
在這樣的DCH-SAS型LD中，通過將比光波導層7折射率更低的半導體材料埋入光波導層7作為折射率控制層9，在光波導層7內未形成折射率控制層9的帶狀區域(以下有時也稱為“窗”)R1中，沿與活性層5平行的方向(帶狀窗R1的寬度的方向)還形成有效折射率的差。藉此，激光在帶狀窗R1的寬度方向被封閉，從而得到低閾值高效率的單一橫向型振蕩。
另外，在圖4A～4C所示的用選擇成長的制造方法中，除加工精度低的蝕刻工序，能夠用MOCVD、MOMBE、MBE等晶體成長法具有的高控制性形成折射率控制層9。
晶體成長技術一般有高的控制性。然而，在成長開始之后對曝露在大氣中的基板造成特異的不穩定，例如在成長開始之后造成成長速度的降低，過度時發生不引起成長的停歇時間。在上述的用選擇成長的半導體激光元件的制造方法中，在曝露于大氣中的外延基板上直接成長折射率控制層9。因此，由于停歇時間的發生等使折射率控制層9的膜厚變得不穩定，結果存在帶狀窗R1寬度方向的有效折射率差再現性不良的問題。特別是在折射率控制層9的膜厚設計薄的場合，此問題更為突出。
本發明是一種半導體激光元件，是在活性層的至少一側設具有活性層禁帶寬度以上的禁帶寬度的光波導層，在光波導層外側設具有光波導層禁帶寬度以上的禁帶寬度的包層，在光波導層或光波導層和包層之間，設經選擇成長埋入的、具有帶狀窗的折射率控制層的實際折射率波導型半導體激光元件，其特征在于，對于埋入的折射率控制層設先行選擇成長的半導體層，作為上述半導體層的材料，選擇使得包含半導體層和折射率控制層的疊層部分中半導體層的膜厚變化造成的有效折射率的變化量，比折射率控制層的膜厚變化造成的有效折射率的變化量更小那樣的材料。
按照本發明，在折射率控制層先行選擇成長半導體層。因此，能夠在半導體層的成長中使成長穩定化，從而能夠提高接續成長的折射率控制層的膜厚控制性。另外，在包含半導體層和折射率控制層的疊層部分中，半導體層的膜厚變化造成的有效折射率的變化量，比折射率控制層的膜厚變化造成的有效折射率的變化量更小。因此，即使由于停歇時間的發生等產生半導體層的膜厚減小，也能將對上述疊層部分的有效折射率的影響抑制得比不用半導體層時更小。因而，包含半導體層和折射率控制層的2個位置的疊層部分的有效折射率，和包含夾在2個位置的疊層部分的窗的疊層部分的有效折射率之差的波動，在半導體激光元件間變小。
藉此，能夠實現選擇成長形成的折射率控制層的膜厚控制性高、有效折射率差的再現性好、制造成品率提高的半導體激光元件。
另外，本發明在將包含上述半導體層和上述折射率控制層的疊層部分的有效折射率和包含上述折射率控制層的窗的疊層部分的有效折射率之差取作有效折射率差時，上述半導體層的膜厚變化造成的有效折射率差的變化量在5×10-6/nm以下為佳。
按照本發明，將低折射率半導體層導入光波導層內造成的有效折射率的減低效果和光波導層全體厚度增加造成的有效折射率上升效果大致相抵。晶體成長按照相當于10nm～50nm的成長而變得穩定。因此，半導體層的膜厚變化造成的有效折射率差的變化量設計成5×10-6/nm以下，使有效折射率差實際不在半導體層膜厚中受到影響，而由形成所希望膜厚的折射率控制層控制。因而能夠實現選擇成長形成的折射率控制層的膜厚控制性高、有效折射率差的再現性好、制造成品率提高的半導體激光元件。
另外，本發明折射率控制層的膜厚在300nm以下更為有效，因此優選此范圍。
按照本發明，即使是形成薄的折射率控制層、停歇時間的發生等對有效折射率差賦予大的影響時，也能正確再現該膜厚。因而能夠提高選擇成長形成的折射率控制層的膜厚控制性、再現性良好地形成有效折射率差、從而能夠實現制造成品率的提高。
按照本發明，在對有效折射率的影響被抑制變小的半導體層的成長中使晶體成長穩定化，提高接續成長的折射率控制層的膜厚控制性，藉此能夠再現性良好地控制窗的橫向有效折射率差。
圖1是顯示本發明一個實施例的半導體激光元件結構的剖面圖。
圖2是顯示在圖1所示半導體激光元件的疊層結構中，改變由AlXGa1-XAs構成的半導體層30的Al組成(X)時，半導體層30的厚度和有效折射率的關系的曲線圖。
圖3A～3C是顯示圖1所示半導體激光元件的制造方法的剖面圖。
圖4A～4C是說明現有技術的剖面圖。
圖1是顯示本發明一個實施例的半導體激光元件結構的剖面圖。在本實施例中，取使用半導體緩沖層的DCH-SAS型激光元件為例進行說明。半導體激光元件是在n型GaAs基板21上，將n型Al0.09Ga0.91As包層22、n型GaAs光波導層23、n型Al0.40Ga0.60As載波阻擋層24、In0.18Ga0.82As/GaAs量子阱活性層25、p型Al0.40Ga0.60As載波阻擋層26、和p型GaAs光波導層27、p型Al0.09Ga0.91As包層28、和p型GaAs接觸層29順次疊層構成的。
在半導體激光元件中，活性層25發出的光在半導體激光元件的2個端面(圖1與紙面平行的2個端面)間諧振，由一方端面(反射率低的一方端面)發射，而在與諧振方向(圖1紙面垂直方向)垂直的面(圖1與紙面平行的面)中，縱向(圖1紙面中上下方向)夾在折射率比活性層25和光波導層23、27小的上下包層22、28中，橫向(圖1紙面中左右方向)封閉在由有效折射率比光波導層27小的折射率控制層31夾著的沿諧振方向帶狀延伸的區域(以下稱為“窗”)R21中。折射率控制層31具有與周圍相反的導電型(本實施例中是n型)，因此阻礙載波的注入，活性層25中的發光自體被限制在窗21的近旁，但由于光學上再被封閉，所以具有有效折射率的差。
再有，所謂有效折射率，指的是在由折射率不同的多數個層構成的部分中，光實際感受的折射率。在本實施例中，所謂具有有效折射率的差，含義是在半導體激光元件的波導部分(圖1中大致由雙點劃線包圍的部分)的有效折射率、和位于波導部分兩側(圖1中為左右兩側)的2個疊層部分的有效折射率間具有差值。
本發明的發明點是采用這樣的半導體層30的材料(組成)，使得在折射率控制層31之下設半導體層30時，即，使該半導體層30的厚度在半導體激光元件間變動，包含半導體層30的疊層部分的有效折射率不變動。由于將外延成長折射率控制層31曝露在大氣中后成長初期的膜厚控制困難，所以本發明的發明人發現了存在這樣的半導體層30，它使得即使膜厚變動，疊層體32的有效折射率也不變動。本發明對于折射率控制層31，在初期預先外延成長形成該半導體層30，以謀求包含半導體層30的疊層部分的有效折射率的穩定化。
另外，在p型GaAs光波導層27內，在n型Al0.06Ga0.94As半導體層30上設置疊層n型Al0.09Ga0.91As折射率控制層31構成的疊層體32。該疊層體32具有帶狀區域R21。所謂帶狀區域，是不設半導體層30和折射率控制層31的區域。
圖2是顯示在圖1所示半導體激光元件的疊層結構中，改變由AlXGa1-XAs構成的半導體層30的Al組成(X)時，半導體層30的厚度和有效折射率的關系的曲線圖。由圖2可知，將Al組成取為X＝0.06時，即使半導體層30的膜厚變化，有效折射率也是一定的。
這樣，如果確定了半導體激光元件的疊層結構，則按其對設在光波導層內的半導體層的組成(折射率)和變化膜厚時的有效折射率進行模擬，就能使半導體層的組成最佳化。而且能夠由BPM#CAD(OptiwaveCorporation制)等求出有效折射率。
在本實施例中，由于使用了能將在光波導層27內導入比該光波導層27折射率更低的半導體層30造成的有效折射率減低效果、和光波導層27全體厚度增加造成的有效折射率上升效果相抵的半導體層30，所以即使如圖2所示半導體層30的膜厚變化時，也能使窗R21外側的有效折射率一定。因而帶狀區域R21寬度方向的有效折射率的差，也與半導體層30的膜厚無關而保持一定。
圖3A～3C是顯示圖1所示的激光元件的制造方法的剖面圖。首先如圖3A所示，在n型GaAs基板21上，用MOCVD等使順次晶體成長n型Al0.09Ga0.91As構成的厚度2.6μm的包層22、n型GaAs構成的厚度0.48μm的光波導層23、n型Al0.40Ga0.60As構成的厚度0.03μm的載波阻擋層24、In0.18Ga0.82As/GaAs量子阱活性層25、p型Al0.40Ga0.60As構成的厚度0.03μm的載波阻擋層26、和p型GaAs構成的光波導層的一部27a。
在AlGaAs系材料中，隨著Al組成的增加，禁帶寬度也有增加的傾向。在本實施例中，光波導層23、27的禁帶寬度比量子阱活性層25的禁帶寬度大，而且包層22、28和載波阻擋層24、26的各禁帶寬度比光波導層23、27大。
然后將晶體成長后的基板由晶體成長裝置取出，投入例如電子束真空鍍膜裝置，如圖4B所示，以厚度0.1μm全面形成例如由SiO2構成的掩膜18，然后用光刻技術除去形成帶狀窗的中央區域以外的掩膜，形成帶狀掩膜8。由于該掩膜18極薄，所以用現有的光刻技術也能以高精度再現性良好地形成。
接著，將帶有掩膜18的基板返回晶體成長裝置，在光波導層的一部27a上，選擇成長n型Al0.06Ga0.94As構成的厚度0.01μm的半導體層30和n型Al0.09Ga0.91As構成的厚度0.08μm的折射率控制層31，此時如圖4B所示，得到在附著掩膜18的區域不進行晶體成長的層構成。
接著，用例如氫氟酸除去掩膜18，然后如圖4C所示，使光波導層27的剩余部分27b晶體成長，形成p型GaAs構成的厚度0.48μm的光波導層27。進而使p型Al0.09Ga0.91As構成的厚度0.83μm的包層28和p型GaAs構成的厚度0.3μm的接觸層29順次晶體成長。
然后，在形成帶狀窗R21的部分形成掩膜18，再經選擇成長形成由半導體層30和折射率控制層31構成的疊層體32，然后，通過選用除去掩膜18的方法，使得能夠高精度再現性良好地控制夾在由半導體層30和折射率控制層31構成的疊層體32中的窗R21高度方向和寬度方向的尺寸。然后通過半導體層30和折射率控制層31構成的疊層體32的選擇成長，就能夠以高成品率制造振蕩閾值和橫向型穩定性優良的半導體激光元件。
再有，掩膜18的材料不限于SiO2，只要是例如SiN等能夠選擇成長的材料均可。
按照以上的本實施例，由于折射率控制層31上先行選擇成長半導體層30，因此，在半導體層30的成長中能夠使成長穩定化，從而能夠提高接續成長的折射率控制層31的膜厚控制性。另外，在包含半導體層30和折射率控制層31的疊層部分中，半導體層30的膜厚變化造成的有效折射率的變化量，比折射率控制層31的膜厚變化造成的有效折射率的變化量更小。因此，即使由于停歇時間的發生等產生半導體層30的膜厚減小，也能將對上述疊層部分的有效折射率的影響抑制得比不用半導體層30時更小。因而，包含半導體層30和折射率控制層31的2個位置的疊層部分的有效折射率，和包含夾在2個位置的疊層部分的窗R21的疊層部分的有效折射率之差的波動，在半導體激光元件間變小。
藉此，能夠實現選擇成長形成的折射率控制層31的膜厚控制性高、有效折射率的差的再現性好、制造成品率高的半導體激光元件。
另外，在將包含上述半導體層30和上述折射率控制層31的疊層部分的有效折射率和包含上述折射率控制層31的窗的疊層部分的有效折射率之差取作有效折射率的差時，上述半導體層30的膜厚變化造成的有效折射率差的變化量在5×10-6/nm以下為佳。
在上述半導體激光元件中，將低折射率半導體層30導入光波導層27內造成的有效折射率的減低效果和光波導層27全體厚度增加造成的有效折射率上升效果大致相抵。晶體成長按照相當于10nm～50nm的成長而變得穩定。因此，半導體層30的膜厚變化造成的有效折射率差的變化量設計成5×10-6/nm以下，因此，有效折射率差實際不在半導體層膜厚中受到影響，而由形成所希望膜厚的折射率控制層31控制。因而能夠實現選擇成長形成的折射率控制層31的膜厚控制性高、有效折射率差的再現性好、制造成品率提高的半導體激光元件。
另外，折射率控制層31的膜厚在300nm以下更為有效，因此優選此范圍。
如上所述，如果形成薄的折射率控制層31，則即使停歇時間的發生等對有效折射率差賦予大的影響時，也能正確再現該膜厚。因而能夠提高選擇成長形成的折射率控制層31的膜厚控制性、再現性良好地形成有效折射率差、從而能夠實現制造成品率的提高。
另外，在本實施例中，使用載波阻擋層24、26，但即使是在沒有載波阻擋層24、26的場合，同樣通過適宜確定半導體層30的組成(折射率)，達到即使半導體層25的膜厚變化，也能將窗R21的有效折射率保持一定。另外，在本實施例中，是在光波導層27內形成半導體層30和折射率控制層31，但也可以在光波導層27和包層28之間形成。
本發明在不脫離其精神或主要特征的情況下，可以以其它各種各樣的方式實施。因而上述實施例不過僅僅是在一切方面做出示例，本發明的范圍顯示在權利要求的范圍中，在本說明書中沒有任何限制。而且，屬于權利要求范圍的變型和變更全部是在本發明的范圍內。
權利要求
1.半導體激光元件，在活性層的至少一側設具有活性層禁帶寬度以上的禁帶寬度的光波導層，在光波導層外側設具有光波導層禁帶寬度以上的禁帶寬度的包層，在光波導層或光波導層和包層之間，設經選擇成長埋入的、具有帶狀窗的折射率控制層的實際折射率波導型半導體激光元件中，其特征在于，對于埋入的折射率控制層設先行選擇成長的半導體層，作為上述半導體層的材料，選擇使得包含半導體層和折射率控制層的疊層部分中半導體層的膜厚變化造成的有效折射率的變化量，比折射率控制層的膜厚變化造成的有效折射率的變化量更小那樣的材料。
2.權利要求1所述的半導體激光元件，其特征在于，在將包含上述半導體層和上述折射率控制層的疊層部分的有效折射率和包含上述折射率控制層的窗的疊層部分的有效折射率之差取作有效折射率差時，上述半導體層的膜厚變化造成的有效折射率差的變化量在5×10-6/nm以下。
3.權利要求1或2所述的半導體激光元件，其特征在于，折射率控制層的膜厚在300nm以下。
全文摘要
本發明的目的是，提供一種選擇成長形成的折射率控制層的膜厚控制性高、有效折射率差的再現性好、制造成品率高的半導體激光元件。在活性層25的至少一側設具有活性層25的禁帶寬度以上的禁帶寬度的光波導層27，在光波導層27外側設具有光波導層27的禁帶寬度以上的禁帶寬度的包層28，在光波導層27上，設經選擇成長埋入的、具有帶狀窗R21的折射率控制層31的實際折射率波導型半導體激光元件中，折射率控制層31埋入光波導層27，在埋入的折射率控制層31上設先行選擇成長的半導體層30，在包含半導體層30和折射率控制層31的疊層部分中，半導體層30的膜厚變化造成的有效折射率的變化量，比折射率控制層31的膜厚變化造成的有效折射率的變化量更小。
文檔編號H01S5/20GK1407677SQ0214227
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月29日 優先權日2001年8月31日
發明者藤本毅, 室清文, 小磯武 申請人:三井化學株式會社