半導體激光元件的制造方法

專利名稱：半導體激光元件的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種設有條形脊(凸部)的半導體激光元件，特別是涉及一種使用了GaN、AIN或InN或它們的混合晶即III-V族氮化物半導體(InbAldGa1-b-dN，0≤b，0≤d，b+d＜1)的半導體激光元件。
背景技術：
現在，使用了氮化物半導體的半導體激光元件在應用于諸如能記錄與重現DVD等高密度大容量的光盤系統中的需求正在日益增加。因此，在使用了氮化物半導體的半導體激光元件方面正積極地進行研究。使用了氮化物半導體的半導體激光元件能振蕩并放出從紫外線至紅色廣闊光譜范圍的可見光，預期其應用范圍不僅僅局限于所述光盤系統的光源，還將廣泛涉及激光打印機及光學網路等的光源等多領域。
特別是，在激光元件的結構方面已有各種研究且已為對橫模能有較佳控制的結構也提出了許多建議。其中有脊形波導路結構被視為有發展前途且已被應用于世界上首次開始上市的氮化物半導體激光元件。
半導體激光元件的脊形波導路結構因結構簡單可使其較易驅動激光振蕩，但另一方面在進行大量生產時容易產生特性上的偏差。這是因為脊形波導路結構中凸形長條尺寸的變化會使特性改變，而凸形長條形狀的偏差取決于蝕刻的精度，且凸形長條尺寸的精度無法高于其蝕刻的精度。另外，若就以可能遭受活性層中會有重大蝕刻損傷或將活性層表面露出于蝕刻環境中時會造成損傷的半導體材料制成的半導體激光元件而言，當完全折射率波導路型的半導體激光元件是通過比活性層還深的蝕刻而形成脊狀物來制成時，由活性層內及其表面的蝕刻所導致的損傷會使激光特性變壞。因此，這種半導體激光元件必須為有效折射率型的波導路結構，而其中設置的長條的深度不會到達活性層。但就有效折射率型的波導路結構而言，由于上述長條形態的變化而導致元件特性變化顯著，造成批量生產時元件特性的相當大變化。
為能將使用了氮化物半導體的半導體激光元件應用于以上所述的領域，必須設置一種可大量生產且品質穩定的元件。
但是，目前已知的激光元件在脊形波導路的形成上遇到障礙，這是因為通常脊形波導路的形成是首先生長構成元件的氮化物半導體，再蝕刻其上層來除去其氮化物半導體的一部分而形成用于構成波導路的脊(凸部)，如以上所述，蝕刻的精度對所制成的激光元件的元件特性有很大影響。也即因為橫向模式是由構成脊形波導路的脊(凸部)的形態(特別是高度與寬度)來控制，且得到的激光的F.F.P(遠場圖)也因而決定，在利用蝕刻形成脊形波導路時蝕刻深度的控制誤差為直接造成元件特性產生偏差的主要因素。
另外，諸如RIE(反應性離子蝕刻)等的干蝕刻技術已知可用于氮化物半導體的蝕刻方法中，但用此種蝕刻方法很難將蝕刻深度控制到能完全解決元件特性變化(偏差)的精度。
而且，近些年來元件的設計趨勢是在元件結構內形成多個以幾個原子層單位控制的層，諸如超晶格結構等。這也會助成由所述蝕刻精度所造成的元件特性變化。即，當形成構成元件結構的各層時要有極高的精度，如此很難使用其精度低于膜形成精度數位的蝕刻方法來達到形成脊與其他結構的復雜設計元件結構，因而造成改良元件特性的阻礙。
例如在形成一個折射率波導型結構且無須蝕刻活性層而在活性層上設置脊形波導路并具有高輸出功率的使用了氮化物半導體的半導體激光元件時，蝕刻深度的精度必須控制在將位于脊正下方部分的活性層與其他部分活性層間的折射率的有效差保持在百分的一。為達到此一精度，若在活性層正上方的層為p型包層時，脊的形成必須藉蝕刻而蝕刻深度的精度應控制在0.01μm以內直到僅剩下極小部分的p型包層為止。另一方面，脊形波導路的寬度可有較低的精度，但必須以0.1μm的精度進行蝕刻。
另外，當使用RIE法(反應離子蝕刻法)來蝕刻氮化物半導體時，被蝕刻的層及其表面容易受損而引起元件特性與可靠性的惡化。在蝕刻方法中，可用濕蝕刻法及干蝕刻法進行蝕刻，不過尚未開發出能適用于氮化物半導體的濕蝕刻溶液。
如以上所述，高性能的使用了氮化物半導體的半導體激光元件是否可以大量生產且其特性的變化較少，在蝕刻工序中形成脊形波導路的精度對此有很大的影響，怎樣以高精度來形成脊形波導路已成為極為重要的課題。

發明內容
鑒于以上所述問題的存在，本發明的目的在于設置一種半導體激光元件或端面發光元件及其制造方法，使條狀形態的半導體激光元件，既是具有其振蕩和波導路特性均優異的諧振器的半導體激光元件，又是能獲得穩定的橫模控制，并能射出具有優異遠場圖(F.F.P)的激光束的半導體激光元件，并且即使在大量生產時該元件的特性也很少變化。
本發明的目的可以由具有以下所述結構的半導體激光元件來實現。
本發明的第一種半導體激光元件包括依次疊層了第一導電型的半導體層、活性層以及與所述第一導電型不同的第二導電型的半導體層的層狀結構體，在所述活性層及其附近形成有限制光向寬度方向擴散，將光引導到與該寬度方向垂直的方向上的波導路區域，所述波導路區域具有第一波導路區域和第二波導路區域；所述第一波導路區域是通過限制所述活性層的寬度，利用該活性層與該活性層兩側的區域之間的折射率差，將光關閉在其所限制的活性層內的區域；所述第二波導路區域是通過在所述活性層中有效地設置折射率差來將光關閉的區域。
這樣，在上述構造的本發明的第一種半導體激光元件中，所述波導路區域具有第一波導路區域，在該第一波導路區域中，通過在活性層和該活性層兩側的區域之間中有效地設置折射率差來將光限制在該活性層內，所以在該第一波導路區域中能更可靠地抑制橫模的產生，并且能可靠地進行光束控制，能發出有優異遠場圖(far field pattern)的激光。
另外，所述第一種半導體激光元件中具有第二波導路區域，其構成是在活性層中有效地形成具有高折射率的區域，在所述第二波導路區域中，可以不必使作為波導路而發揮功能的活性層直接露出到外部，能夠延長元件的使用壽命并且能提高可靠性。因此，本發明的第一種半導體激光元件是能將第一波導路區域與第二波導路區域的各個特征合在一起來具有的本發明第。
另外，在本發明的第一種半導體激光元件中，第一波導路區域中的活性層可以通過形成包括所述活性層的第一脊來構成，并且因而限制該活性層的寬度，并可通過在第二導電型層中形成第二脊而構成所述具有有效的高折射率的區域。
另外，在本發明的第一種半導體激光元件中，第一脊的形成也可以通過蝕刻第一脊的兩側直至所述第一導電型層露出為止，而第二脊的形成可以通過蝕刻所述第二脊的兩側并使所述第二導電型層仍保留在所述活性層上。
另外，在本發明的第一種半導體激光元件中，位于第二脊兩側活性層上第二導電型層的膜厚最好為0.1μm以下，如此能更可靠地控制橫模。
再者，在本發明的第一種半導體激光元件中第二脊最好較第一脊長，如此可有更好的可靠性。
而且，在本發明的第一種半導體激光元件中第一波導路區域最好有一激光諧振器諧振器面，如此可獲最佳遠場圖的激光。
另外，在本發明的第一種半導體激光元件中，也最好使用一方的諧振器面作為發射面，如此可獲具有更佳遠場圖的激光。
而且，在本發明的第一種半導體激光元件中，第一波導路區域的長度最好為1μm以上。
而且，在本發明的第一種半導體激光元件中，第一導電型半導體層、活性層和所述第二導電型半導體層均可由氮化物半導體來制成。
而且，在所述半導體激光元件中，所述活性層可用含有In的氮化物半導體層來構成，如此激光可以在波長較短的可見光區域及紫外線區域內振蕩。
另外，在本發明的第一種半導體激光元件中最好在第一脊的兩側面和第二脊的兩側面分別形成絕緣膜，該絕緣膜最好通過從鉈(Ti)、釩(V)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉿(Hf)、鉭(Ta)的各氧化物以及氮化硅(SiN)、氮化硼(BN)、炭化硅(SiC)、氮化鋁(AlN)所形成的群中選擇出來的至少一種來構成。
另外，本發明的第二種半導體激光元件在依次疊層了第一導電型層、活性層以及與該第一導電型層不同的第二導電型層的層狀結構體上具有條形的波導路區域，其特征在于所述條形的波導路區域在諧振器方向，至少具有根據完全折射率設置了條形波導路的第一波導路區域C1；和根據有效折射率設置了條形波導路的第二波導路區域C2。
在此結構中，因本發明的激光元件包括具有元件可靠性優異的第二波導路區域C2及具有優異橫向振蕩控制能力及優異光束特性的第一波導路區域C1，成為發揮了其兩方面特性的激光元件，可按照用途來設置各種激光元件且不必進行改變元件的復雜設計。在有效折射率型波導路中，一個條形脊形成于在活性層上的第二導電型層中，使得活性層保持在生長狀態中，而當驅動元件時波導路不會惡化，因而有優異的元件可靠性。也因為是以深于活性層的蝕刻在波導路中設置折射率導引型的第一波導路區域C1因而造成波導路兩側的折射率差，可易于控制橫向模式。如此設置激光元件的波導路可易于變更波導路的橫向模式。在本說明書中，具有第一波導路區域的波導路將稱為完全折射率型的波導路或完全折射率型波導路以避免與有效折射率型波導路相混淆。
另外，在本發明的第二種半導體激光元件中，所述第一波導路區域C1的完全折射率的達到是通過條形脊是將第一導電型層、活性層及第二導電型層均包括在內而設計的，而所述第二波導路區域C2的有效折射率的達到則是通過在第二導電型層設置的條形脊。利用這種結構，因第一波導路區域C1與第二波導路區域C2易于在激光元件中形成，于是，可用簡單設計制造出有各種特性的激光元件。
另外，本發明的第三種半導體激光元件在依次疊層了第一導電型層、活性層以及與該第一導電型層不同的第二導電型層的層狀結構體上具有條形的波導路區域，其特征在于所述條形的波導路區域在諧振器方向至少具有在所述第二導電型層中去掉第二電型層的一部分，設置有條形脊的第二波導路區域C2；和在所述第一導電型層中去掉所述第一導電型層、活性層及第二導電型層的一部分，設置有條形脊的第一波導路區域C1。利用這種結構，因條形的波導路區域是由其中有活性層的一部分被去掉的區域(第一波導路區域C1)及其中的活性層并未被去掉的區域(第二波導路區域C2)所構成，在去掉時對活性層造成的損傷可限制在一部分波導路中，因而改善了元件的可靠性。就易于受損且在去掉部分活性層時引起元件可靠性與特性惡化的半導體材料而言，可以通過設計第一波導路區域C1所占比例來獲得具有所需可靠性與元件特性的激光元件，這是因為僅設置一部分第一波導路區域C1。改變第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的長度(構成波導路的比例)與位置也可以制造有各種特性的激光元件，特別是容易獲得具有所需光束特性的激光元件。
另外，在所述第二與第三種半導體激光元件中，可以通過除去所述層狀結構體的一部分及形成一個包括條形脊的脊波導路也可以構成所述第一波導路區域C1與第二波導路區域C2。通過這種結構，在由條形脊(條狀的凸部)構成的脊波導路結構的激光元件中能夠獲得多種特性的激光元件。
另外，在所述第二與第三種半導體激光元件中，最好使所述第二波導路區域C2的條的長度較第一波導路區域C1為長。通過這種結構就可以用因形成第一波導路區域C1而使元件大為惡化的半導體材料，例如當活性層的一部分被去掉或露出時受損的半導體材料，制成有優異可靠性的激光元件。
另外，在所述第二與第三種半導體激光元件中最好該元件至少具有一個諧振器面形成于第一波導路區域C1的端部。以此種結構在一個諧振器面上設置有優異橫向模式可靠性的第一波導路區域C1可較在其他位置設置第一波導路區域C1能更有效控制光的導引，因而可獲具有各種特性的激光元件。
另外，在所述第二與第三種半導體激光元件中，在所述第一波導路區域C1端部上形成的諧振器面最好為射光平面。以此種結構通過設置在激光束發射平面上有優異橫向模式控制性的第一波導路區域C1，可直接控制光束的特性并獲得具有所期望的遠場圖及所期望的激光的縱橫尺寸比的激光元件。
另外，在所述第二與第三種半導體激光元件中，在其端部有諧振器面的第一波導路區域C1長條的長度最好為1μm以上。通過這種結構可以達到對遠場圖及激光束縱橫尺寸比更可靠的控制并獲得特性變化較少的激光元件。
另外，所述第二與第三種半導體激光元件也可以在第一導電型層、活性層及第二導電型層中使用氮化物半導體來構成。此種結構可以使用很難在其中形成根據離子注入、再成長層的埋入結構的氮化物半導體來制成有各種特性的激光元件。因為當活性層的一部分是以在氮化物半導體中以蝕刻方法除去時，元件的使用壽命會大為縮短，很難使得包括完全折射率型的波導路且有部分活性層被除去的激光元件商業化。但因波導路的一部分變為第一波導路區域C1，可制造對橫向模式有優異控制性的激光元件且仍保持元件壽命不會縮短。
另外，在所述第二與第三種半導體激光元件中也可以用含銦氮化物半導體的激光來構成活性層。通過這種結構可以制成具有從紫外線至可見光波長范圍的激光元件。
另外，在所述第二與第三種半導體激光元件中，所述第一波導路區域C1可以包括n型氮化物半導體而所述第二波導路區域C2可以包括p型氮化物半導體。
另外，在所述第二與第三種半導體激光元件中第二波導路區域C2最好有一包括p型氮化物半導體的p型包層，而所述第二波導路區域的條形脊是在將該p型包層的厚度保持在小于0.1μm的情形下形成。通過這種結構可以制成有低臨界電流與優異橫向模式控性的激光元件。此處所說的p型包層厚度是指在并未形成脊的區域內p型包層的露出表面與p型包層下方鄰接層介面間的距離而所謂「在活性層上方」是指在活性層與位于其上鄰接層間介面上方的位置。也即活性層與p型包層在形成時是互相接觸時，所述的露出表面是形成于p型包層內其深度保持在大于0而小于0.1μm的處。若如下面，實施例1中所述有一導引層形成于活性層與p型包層間時，所述的露出表面是形成于活性層與位于其上鄰接層間介面的上方而在p型包層中厚度保持在0.1μm深處的下方或在活性層與p型包層之間的層中。
另外，所述第二與第三種半導體激光元件的結構也可以為氮化物半導體露出在所述第一波導路區域C1的條形脊的側面及第二波導路區域C2條形脊的側面，在該條形脊的側面設置有絕緣膜，該絕緣膜的材料可選用包括至少一種鉈、釩、鋯、鈮、鉿與鉭的氧化物及氮化硅、氮化硼、炭化硅與氮化鋁等化合物。通過這種結構可以在使用了氮化物半導體的半導體激光元件的條形脊內設置具有良好的折射率差并且可以制成橫向模式的控制性優異的條形的波導路區域的激光元件。
另外，在所述第二與第三種半導體激光元件中條形脊的寬度最好為1μm至3μm范圍內。通過這種結構可以在所述第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的波導路層中形成橫向模式的控制性優異的條形的波導路區域，因而可有在電流光學輸出特性中無扭折的激光元件。
本發明的半導體激光元件的制造方法，能夠通過以下所述的結構，來達成為本發明的目的。
本發明的半導體激光元件的制造方法，其特征在于包括使用氮化物半導體，形成依次疊層了第一導電型層、活性層和第二導電型層的層狀結構體的疊層工序；在形成層狀結構體之后，再形成條形的第一保護膜的工序；對沒有形成所述第一保護膜的層狀結構體部分進行蝕刻，在第二導電型層上形成條形脊的第一蝕刻工序；在該第一蝕刻工序中露出的表面的一部分上，通過第一保護膜而形成第三保護膜，并對未形成該第三保護膜的層狀結構體部分進行蝕刻，在第一導電型層上形成條形脊的第二蝕刻工序；將與第一保護膜不同的材料即具有絕緣性的第二保護膜形成在所述條形脊的側面以及由于蝕刻而露出的氮化物半導體表面上的工序；在形成第二保護膜之后，將第一保護膜除去的工序。
本發明提供一種半導體激光元件的制造方法，其特征在于，包括在n型GaN基板上依次疊層至少由氮化物半導體構成的第一導電型層、活性層和第二導電型層的工序；在由所述工序疊層的晶片上，將規定波導路區域的長度的分隔槽形成為槽的底面比活性層更深的工序；在所述第二導電型層上設置條形凸部，形成由有效折射率關住光的第二波導路的工序；在所述條形凸部下設置包含活性層的條形凸部，形成由完全折射率關住光的第一波導路的工序；將所述晶片以分裂面成為諧振器面的方式在所述分隔槽分裂的分裂工序。
在半導體激光元件的制造方法中，優選所述分隔槽和波導路通過蝕刻形成。
在半導體激光元件的制造方法中，優選所述分隔槽的底面被形成為使所述n型GaN基板露出。
在半導體激光元件的制造方法中，優選所述分裂面是M面。
在半導體激光元件的制造方法中，優選包括在所述分裂工序中將所述晶片形成為棒狀后在A面分裂而切片化的工序。
在半導體激光元件的制造方法中，優選包括以夾住所述n型GaN基板而使電極對置的方式形成電極的工序。
在半導體激光元件的制造方法中，優選所述n型GaN基板通過HVPE形成。
本發明提供一種半導體激光元件，其利用所述的半導體激光元件的制造方法制造。


下面，簡要說明附圖。
圖1A為模式化地表示根據本發明實施例的激光元件構造的立體圖。
圖1B為該實施例的激光元件的第二波導路區域的剖視圖。
圖1C為實施例的激光元件的第一波導路區域的剖視圖。
圖2A為以往的技術激光元件在未形成脊前的模式剖視圖。
圖2B為以往的技術激光元件在形成脊后的剖視圖。
圖2C為圖2B中標示″a″的部分的放大圖。
圖2D為圖2B中標示″b″的部分的放大圖。
圖3A為表示本發明的實施例的激光元件的中各層構造的立體圖，圖3B為圖3A的側視圖。
圖4A為本發明一變形例的激光元件的側視圖。
圖4B為本發明其他變形例的激光元件的側視圖。
圖5A至圖5D是表示形成本發明的激光元件的脊的工序的立體圖。
圖5E為圖5C中形成第二波導路區域的部分的剖視圖。
圖5F為圖5D中形成第二波導路區域的部分的剖視圖。
圖6A至圖6C表示以與圖5A至5D中所示不同的方法形成的本發明的激光元件的脊的形成工序的立體圖。
圖7A至圖7D是表示在本發明的激光元件中形成電極的工序的立體圖。
圖8為本發明的實施例1的激光元件的第二波導路區域的模式剖視圖。
圖9為本發明的實施例1的激光元件的第一波導路區域的剖視圖。
圖10是表示在有效折射率型的激光元件中的蝕刻深度和合格率的關系的曲線圖。
圖11是表示在有效折射率型的激光元件中的蝕刻深度和驅動電流的關系的曲線圖。
圖12是表示在有效折射率型的激光元件中的蝕刻深度和元件壽命的關系的曲線圖。
圖13A為本發明的實施例6的激光元件的立體圖。
圖13B為本發明的實施例6的激光元件的橫向剖視圖。
圖14A為本發明的實施例7的激光元件的立體圖。
圖14B為本發明的實施例7的激光元件的第二波導路區域的剖視圖。
圖14C為本發明的實施例7的激光元件的第一波導路區域的剖視圖。
圖15A為本發明的實施例8的激光元件的立體圖。
圖15B為本發明的實施例8的激光元件的橫向剖視圖。
圖16A至圖16D是表示使用形成在晶片上的元件來制造本發明的激光元件的制造方法的立體圖。
圖17A、圖17B是表示在本發明的激光元件的制造方法中，用于說明切割位置的模式剖視圖。
圖18是表示在本發明的激光元件的制造方法中，用于說明形成反射膜的工序的模式圖。
具體實施例方式
下面，將參照附圖以優選實施例來說明本發明的半導體激光元件。
根據本發明的實施例的半導體激光元件有第一波導路區域C1與第二波導路區域C2作為條形的波導路區域，如圖1A所示。
在此，第一波導路區域C1為一該處形成有一個脊(第一脊201)的波導路區域而包括一活性層3并在活性層3與位于其兩側的區域(此處為大氣)間造成一折射率差，如圖1C所示，因而將光限制在活性層3內。在本說明書中通過在活性層與其兩側區域間設置一實際折射率差而將光限制于該處的波導路區域將稱為完全折射率型的波導路。
另外，第二波導路區域C2為一波導路區域在該處有一脊(第二脊202)形成于在活性層上的半導體層內而使得位于第二脊202下方活性層3的有效折射率高于在其兩側活性層的有效折射率，如圖1B所示，因而將光限制在有較高有效折射率的活性層3中。在本說明書中通過在活性層與其兩側區域間設置一有效折射率差而將光限制在該處的波導路區域將稱為有效折射率型波導路。
這樣，本發明半導體激光的特徵為在波導路中設置的完全折射率型的波導路與有效折射率型波導路。
作為具體結構，第二波導路區域C2的構造是形成一個由依次疊層的第一導電型層、活性層及與第一導電型不同的第二導電型層組成的層狀結構體并在第二導電型層2上形成第二個條形脊202且其深度并不達到活性層而第一波導路區域C1的構造則是形成第一個條形脊201且包括第二導電型層2的一部分、活性層3與第一導電型層1在內。
這樣，如上所述使波導路中有第一波導路區域C1與第二波導路區域C2可獲得具有各種特性的半導體激光元件。在本發明的半導體激光元件中有第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的波導路可形成為各種形式，如圖3與4所示。圖3A為該激光元件一部分的立體圖，其結構為通過除去所述層狀結構體的一部分而形成條形脊。圖3B為圖3A箭頭方向的剖視圖。圖4A與4B是表示與圖3所示不同的波導路結構。
按照本發明，如圖3與4所示，可用各種結構將第一波導路區域C1與第二波導路區域C2以各種安排方式置于向著諧振器的方向(條形脊的縱向)。本發明的半導體激光實際上也可以有除第一波導路區域C1與第二波導路區域C2外的波導路區域。例如與第一波導路區域C1和第二波導路區域C2不同的波導路區域203可置于第一波導路區域C1與第二波導路區域C2之間，如圖4A所示。圖3表示的結構為設置第一波導路區域C1而包括諧振器各諧振器面的一且設置第二波導路區域C2而包括其他諧振器面。圖4A所示半導體激光元件的結構為構成第一波導路區域C1的第一脊201與構成第二波導路區域C2的第二個條形脊202是經由向著垂直方向(與諧振器垂直)所形成的波導路區域203而連接。因此，第一波導路區域C1與第二波導路區域C2可如圖3所示繼續向著諧振器方向形成或如圖4A所示與夾在其間的另一區域共同形成。
另外，按照本發明的第一脊201與第二脊202的寬度并無必要相同。例如每個脊的側面都是如圖1與3中所示的傾斜狀時，構成第一波導路區域C1的第一脊201的底部寬度與構成第二波導路區域C2的第二脊202的底部寬度不可避免地會互相不同。第一脊的側面和第二脊的側面最好能在同一平面中。圖1與圖3所示的條形脊雖為正常的凸型形態且其側面傾斜而使得其寬度從底部向頂部減小，但脊也可以為倒反凸型形態而其寬度則是從底部向頂部增大，凸型的兩面可為同樣方式傾斜也可以為相對方式傾斜。
另外，第一脊201與第二脊202的頂部表面寬度可以不同。而且第一脊201與第二脊202的寬度后水平看來可以不同因而在第一脊201與第二脊202的相接處斷續改變。
(諧振器的結構)在本實施例的半導體激光元件中是通過除去所述層狀結構體的一部分并形成脊來構成條形波導路。如圖1與3中所示諧振器的結構與條形脊相同，其形成是對由第一導電型層1、活性層3與第二導電型層2所組成的層狀結構體以蝕刻或其他方式除去將要成為脊的部分的兩側，這適用于所謂的脊波導路激光元件。按照本發明因為至少第一波導路區域C1與第二波導路區域C2是藉條形脊而設置，光束的特性可以改善，特別是遠場圖可被控制為欲有的形狀，從橢圓形而成為真正圓形，因而可設置有不同特性的各種激光元件。如上所述條形脊并不限于如圖1與3所示的正常凸型形態而可為倒反凸型形態或有垂直側面的長條形。也即脊的形狀可按照所需激光特性進行改變。
另外，在本發明的半導體激光元件中，當構成第一波導路區域C1與第二波導路區域C2時形成條形脊201與202后可以通過在脊的兩側再生成晶體而埋住脊。
如以上所述，因本發明采用具有條形脊的脊波導路結構，不但可降低生產成本而且可使第一波導路區域C1與第二波導路區域C2在波導路中有各種組合而制成有各種特性的激光元件。例如因為能控制光束的特性而不必使用束改正透鏡或類似元件即可有滿意的遠場圖。
在本發明的激光元件中，置于第一波導路區域C1與第二波導路區域C2中的第一與第二條形脊201，202的形態如圖1B與1C中所示。
另外，本發明也適用于除激光振蕩元件外的元件，例如發光二極管等端面發光元件等。此時，如圖1所示結構的元件只要在振蕩臨界以下驅動元件即可將該元件用作一發光二極管以及使波導路傾斜于端面垂直的方向而非使波導路與端面垂直即可獲得無需激光振蕩而從端面發出光的元件。
(層狀結構體的結構)下面，將說明本實施例中由第一導電型層、活性層及第二導電型層所組成的層狀結構體。
首先，在圖1所示本實施例的半導體元件中分別在第一導電型層1與第二導電型層2中設置包層5，7并且將活性層3夾在包層5，7中即可將光限制在厚度的方向。于是，在層狀結構體內設置一光學波導路區域，在該處通過脊將光限制于寬度方向(與厚度方向及諧振方向垂直)并通過包層5，7將光限制于厚度方向。在本發明的半導體激光元件中可使用以往的技術中已知的各種半導體材料，諸如GaAlAs系，InGaAsP系及GaAlInN系的材料。
在本發明的半導體激光元件中，條形的波導路區域是按照在第一導電型層與第二導電型層間及其附近的活性層中的脊而形成，長條的縱向與光的傳播方向實質相同。也即當條形的波導路區域主要是由光被限制在其中的活性層所構成時，一部分在其附近擴散的光被進行導引因而可以在活性層與包層間形成一導引層而使得包括有導引層的區域被用作光學波導路層。
(第二波導路區域C2)本發明的第二波導路區域C2為半導體激光元件中波導路內的一個有效折射率型區域。特別是條形脊201是形成在位于層狀結構體活性層3上的第二導電型層2內而條形的波導路區域的形成是通過在活性層的平面方向(寬度方向)內設置有效折射率差。
在以往的有效折射率型激光元件內的波導路僅包括第二波導路區域C2，而條形脊202是如圖2所示在形成半導體層后再用一蔽罩20蝕刻而形成。因條形脊202的形成是蝕刻至不到達活性層的深度而在活性層(波導路層)內設置有效折射率差，元件的特性全視長條的寬度Sw、脊的高度(長條的深度)Sh1及蝕刻所露出表面與如圖2B所示活性層頂部平面間的距離Sh2而定，所以會有變化。此等因素在生產時會招致元件特性的嚴重變化。也即如圖2C與圖2D所示與蝕刻精度有關的脊高度(長條的深度)的誤差Hd與長條寬度的誤差Wd直接會造成元件特性的變化。這是因為在活性層(波導路層)中形成的波導路區域是使用對活性層(波導路層)中條形脊202對應于脊202的有效折射率差而設置，所以脊的形態對有效折射率差有重大影響。脊高度的誤差Hd也是蝕刻所露出的表面與活性層頂部平面間距離的誤差。當活性層頂部平面與蝕刻所露出表面間的距離Sh2過大時，有效折射率差會變小而造成對元件特性的重大影響，諸如對光的限制不足。如上所述因有效折射率全視活性層頂部平面與蝕刻所露出表面間的距離Sh2而定，該距離的變化會造成有效折射率的變化。
圖10，11與12表示以往的技術有效折射率型激光元件通過的產品蝕刻深度檢查、驅動電流與使用壽命的比率。從圖中可知激光元件的特性對蝕刻深度極為敏感。
在本發明的激光元件中因蝕刻深度不到達活性層而形成的第二波導路區域C2為波導路的一部分，活性層不會因蝕刻第二波導路區域C2而造成損害，所以元件的可靠性因而改善。若為當活性層露出出來時對元件特性有重大關系的材料，設置第二波導路區域C2可使元件的可靠性不會惡化。
(第一波導路區域C1)按照本發明除如前所述的第二波導路區域C2外并形成第一波導路區域C1作為條形的波導路區域可易于制成有各種特性的激光元件。這是由于通過形成條形脊201而有的包括層狀結構體中活性層的一部分與第一導電型層1的第一波導路區域C1對橫向模式的優異可控性的效果。
即，在所述第一波導路區域C1中，因光是通過在活性層與其兩側以第一脊限制活性層寬度的區域間的實際折射率差被進行局限，可以更有效地對光進行限制。
因此，可有效抑制振蕩的不必要橫向模式并更有效地控制橫向模式。
按照本發明，如以上所述在一部分波導路區域內設置對橫向模式的控制性優異的第一波導路區域C1可抑制第一波導路區域C1中的不必要振蕩橫向模式而改善整個元件對橫向模式的可控性并容易獲得具有各種光束特性的激光元件。
本發明的激光元件可以在一端形成第一波導路區域C1而包括激光諧振器的諧振器面，所以易于達到欲有形態的激光束。換言的，最好能形成激光諧振器面4使的符合如圖3B，4A與4B中所示第一波導路區域C1的端面。這是因為當諧振器面附近的區域變成第一波導路區域C1時，光的橫向模式在諧振器面上反射的前與后可進行控制而使得橫向模式功能的控制在波導路中較的在其他區域更有效。
另外，按照本發明使用第一波導路區域C1作為激光諧振器面及使用激光諧振器面作為發射面可獲具有優異光束特性，諸如遠場圖，及優異激光束縱橫尺寸比的激光元件。也因為以此種結構將第一波導路區域C1置于激光束發射平面上易于控制第一波導路區域C1中的橫向模式而使得易于控制光束的特性。若第一波導路區域C1如圖3與4所示是由第一條形脊201構成時，以高精度調整第一脊201的長條寬度可易于控制橫向模式并獲得欲有的光束特性。
此時，置于發射面上第一波導路區域C1的長度至少要為激光所發出光的一個波長，不過考慮到控制橫模的功能，能有若干倍波長的長度更好，這樣可達到欲有的光束特性。
具體地說，第一波導路區域C1的長度最好為1μm以上，這樣對橫模能有滿意控制。當考慮到制造工序時，第一波導路區域C1的長度最好為5μm以上，因為此一長度可有較佳精度來形成條形脊(凸部)201。
另外，活性層的寬度(垂直于諧振器方向的長度)可為10μm，50μm以上，最好是100μm以上。以這樣一種有一對正負電極透過一基體而相對的結構，活性層的寬度變為與晶片寬度相等。在一基體的同一邊設置一對正負電極的結構，有一露出的表面形成其上第一導電型層的電極，其長度為晶片寬度減去被去掉而形成露出表面部分的寬度。
(波導路的構成)本發明的激光元件特徵為至少具有第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的波導路區域而使得不必修改整個元件設計而僅改變波導路區域的安排即可輕易修改該電射元件的特性。特別是如上所述將第一波導路區域C1置于諧振器面上即可輕易控制光束的特性及獲得欲有的特性。也可設定第一波導路區域C1所占波導路的比例而使其中所露出活性層的側面較第二波導路區域C2中者為小即可獲較高可靠性的激光元件。這是因為在波導路中設置較大第二波導路區域C2可使活性層未受蝕刻損害的比例增高。因此，元件的使用壽命可延長且元件使用壽命的變化可減低。
當本發明的激光元件至少具有第一波導路區域C1與第二波導路區域C2作為波導路時，也可以有除第一波導路區域C1與第二波導路區域C2外的波導路區域形態。例如可用如圖4A所示在所述第一波導路區域C1與第二波導路區域C2間形成一傾斜的平面表面203。如此可有一與第一波導路區域C1與第二波導路區域C2不同的波導路。再者，可以在波導路中各設置一個第一波導路區域C1與第二波導路區域C2或如圖4B所示設置多個。也可以如圖3與圖4B所示在所述第一波導路區域C1與第二波導路區域C2間不置任何東西或有與圖4A所示相反的傾斜而使第一波導路區域C1與第二波導路區域C2有一部分相互重疊。
本發明的激光元件的結構也可以為除第一波導路區域C1與第二波導路區域C2外再形成一第三波導路區域C3而使得活性層的側面(波導路層側面)204向著諧振器方向傾斜。圖13A為該元件結構的立體圖而圖13B為上方包層7與活性層3相接處附近部分的剖視圖。在此一結構中第三波導路區域C3與第二波導路區域C2共用上方包層7上的條形脊202，活性層(波導路層)的端面(側面)204則為傾斜形態。在上述結構的激光元件中被側面204導引的光通過調整諧振器方向AA與活性層方向BB間的角度α即可被完全反射，如圖13B所示，而能將光導入第一波導路區域C1。尤其時當角度α為70°或更小時，端面204上諧振器AA方向光的入射角可設定在20°以上而可有整個反射且不會有損失。因此，角度α可依照應用設定在0至70°的范圍內。例如當角度α為20°以下時，端面204上諧振器AA方向光的入射角可設定為70°以上，在此情形下可獲無損失的整個反射。在所述第二波導路區域C2中，當在活性層(波導路層)中使用有效折射率差形成條形的波導路區域時，有在波導路區域外的光被導引而此一部分的光被反射在所述第二波導路區域C2的端面上。
在此情形下，當光的損失增大時，輸出功率會減小而引起電流光學輸出斜面效率的惡化。當第二波導路區域C2較第一波導路區域C1為寬時，在所述第二波導路區域C2與第一波導路區域C1間設置第三波導路區域C3會減少光的損失而能滿意地導引與第一波導路區域C1相接處的光，如圖13所示。
在本發明的激光元件中，構成第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的條形脊201，202可有不同寬度。改變長條的寬度可使束有不同的縱橫尺寸比。因此，第一與第二脊可制成適于在本發明的激光元件中應用的寬度。寬度小時對寬度要有準確控制，這樣也可達到使遠場圖接近真圓的特性或者按照寬度變更束的展開。特別是如圖15所示當第二波導路區域C2中205部分的寬度逐漸減小時，可使與第一波導路區域C1相接處的長條寬度等于長條寬度Sw2，因此，可按照第一波導路區域C1的寬度抽出各種模式的激光束。在圖15中所示第二波導路區域C2寬度逐漸減小的部分即為第三波導路區域C3。
在圖15中為構成第二波導路區域C2而設置第一脊202，其寬度Sw1大于構成第一波導路區域C1的第一脊長條寬度Sw2，從而形成一個改變有效折射率時特性變化較少的波導路。在第三波導路區域C3中有一其長條寬度在波導路波中傾斜的區域205而將不同寬度的波導路區域順利連接起來，因而將接點處的損失減至最小。構成第三波導路區域C3的脊可如圖中所示放在活性層上方或在以對第一波導路區域C1類似的蝕刻而到達第一導電型層的一個深度處或位于二者之間。
這樣，本發明構成第一波導路區域和第二波導路區域的條形脊可形成為各種形態，例如長條寬度向著長條方向(長條的縱向)改變的尖形形態。特別是如實施例1所述或圖15所示在將第一波導路區域C1置于發光端的波導路結構中時，有較大寬度的第二波導路區域C2的形態可為長條寬度向著較窄的第一波導路區域C1漸減而減少波導路至兩部分相接處的光。此種尖形長條可形成為每一波導路區域長條的一部分或長條的全部長度均為尖形形態或為其寬度向著兩端減小的多個尖形長條的形態。
(氮化物半導體的長條)下面，將對由第一導電型與第二導電型半導體及氮化物半導體活性層構成的本發明的半導體激光元件進行說明。
用于本發明的激光元件的氮化物半導體可為氮化鎵、氮化鋁或氮化銦或此等化合物混合晶體的III-V族氮化物半導體(InbAIdGa1-b-dN，0≤b、0≤d，b+d≤1)。也可以使用以硼作為III族元素或以砷或磷取代V族的一部分氮所制成的混合晶體。氮化物半導體可加上適當傳導類型的雜質而成為欲有的傳導類型。用于氮化物半導體中的n型雜質可使用IV或VI族元素，諸如硅、鍺、錫、硫、氧、鈦與鋯而硅、鍺或錫比較好，尤以硅為最好。p型雜質諸如鈹、鋅、錳、鉻、鎂、鈣等也可使用，以使用鎂為佳。下面，將說明以一個氮化物半導體激光作為本發明的激光元件的舉例。此處所稱的使用了氮化物半導體的半導體激光元件是指在構成層狀結構體的第一導電型層、活性層及第二導電型層中，最好是在全部各層中，使用氮化物半導體的激光元件。例如氮化物半導體所制的包層是形成于第一導電型層與第二導電型層中而活性層則是形成于兩個包層間而形成波導路。特別是第一導電型層包括n型氮化物半導體層，第二導電型層包括p型氮化物半導體而活性層包括含有In的氮化物半導體激光。
(活性層)按照本發明，當本發明的半導體激光元件是以氮化物半導體構成時，在活性層中設置含有In的氮化物半導體層能夠發出紫外線與可見區域內從藍光至紅光波長范圍的激光束。當激光元件在活性層露出于大氣時可能使含有In的氮化物半導體激光遭受嚴重損害，按照本發明此種對元件的損害可減至最小，因為該元件包括有由未到達活性層深度的第一脊202構成的第二波導路區域C2。這是因為銦的低溶點使得含銦的氮化物半導體易于分解與蒸發而在蝕刻時易受損害且在露出活性層后的工序中很難保持結晶性而造成元件使用壽命的縮短。
圖12表示形成條形脊時蝕刻深度與元件壽命間的關系。從圖中可看出，當蝕刻到達含有In的氮化物半導體活性層時，元件壽命會大為減低且露出活性層會導致激光元件可靠性的嚴重惡化。
因本發明的激光元件有第一波導路區域C1與第二波導路區域C2作為波導路，即使是當活性層露出于大氣時會遭受特性惡化的使用了氮化物半導體的半導體激光元件也可以有優異的可靠性。這是因為用于構成第一波導路區域C1的第一脊201僅構成波導路的一部分而可防止元件可靠性的惡化。例如在本發明使用了氮化物半導體的半導體激光元件中將諧振器長度設定為約650μm而用于構成第一波導路區域C1的第一脊201的長度設定為10μm時，已證實元件不會因第一脊中活性層的露出而遭受可靠性的惡化且保證以5mW輸出功率操作時可有數千小時的使用壽命。
在本發明使用了氮化物半導體的半導體激光元件中構成第一波導路區域C1或第二波導路區域C2的脊長條寬度最好設定在0.5至4μm范圍內或在1至3μm范圍內更佳，如此可以在穩定的橫向模式及基本(單一)模式中振蕩。當脊的長條寬度小于1μm時則很難形成脊，寬度為3μm或更大時則視激光振蕩波長而定會引起橫向模式中的多模式振蕩，寬度為4μm或更大時則無法達到穩定橫向模式。按照本發明，將寬度控制在1.2至2μm范內能進一步使高光學輸出功率內的橫向模式有效穩定化(有效抑制不必要橫向模式振蕩)。按照本發明將第一波導路區域C1或第二波導路區域C2脊的長條寬度設定在上述范圍內為佳，若第一波導路區域C1是設置在諧振器平面發光邊上時，第一波導路區域C1的條形脊201最好設定在上述范圍內。本發明并不限于所述的窄長條結構而也可應用于寬度為5μm或更大的長條。在所述第一波導路區域C1是置于波導路端部上的結構中，第二波導路區域C2的長條寬度的設定比較自由而是主要藉第一波導路區域C1來控制激光束的特性。
在本發明的使用了氮化物半導體的半導體激光元件中，當第一波導路區域C1的端面被用作諧振器面時(發射面)，可獲得具有優異橫向模式可控性、遠場圖、縱橫尺寸比及元件可靠性的激光元件。這是因為如以上所述通過蝕刻至深于活性層而在諧振器平面發光邊上設置第一波導路區域C1，從而能獲得各種形狀與光點大小的激光束且能將發自激光元件的光在發出前即進行控制。
在此，活性層可有量子井結構且可為單一量子井或多個量子井。使用量子井結構可制成有優異發光效率的高功率激光元件與端面發光元件。用于構成第二波導路區域C2的第二個條形脊202的形成是以蝕刻深度不達到活性層的方式進行。在本說明書內所稱第二個條形脊202是位于活性層上方系指以不達到活性層的蝕刻深度而形成。也即構成第二波導路區域C2的第二個條形脊202是位于活性層與在其上方與其接觸的層間介面的上方。
作為氮化物半導體的活性層，最好為上述含銦的氮化物半導體，特別是最好使用以AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤1，0＜y≤1，x+y≤1)表示的氮化物半導體。在此情形下，此處所述的氮化物半導體最好用作量子井結構活性層中的井層。在從接近紫外線至可見綠光波長區域內(380nm至550nm)最好使用InyGa1-yN(0＜y≤1)。在更長的波長區域內(紅色)也可用InyGa1-yN(0＜y≤0)，此時，改變銦的混合比y可發出所期望波長的激光束。在波長小于380nm的區域內，因相當于氮化鎵GaN的禁帶寬的波長為365nm，可隙能量要接近等于或大于氮化鎵者始可，所以要使用AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y≤1)。
若活性層形成為量子井結構時，井層的厚度在10至300范圍內，最好為20至200，如此可減少Vf與臨界電流密度。把晶體考慮進去時，當厚度為20或更大時可獲得品質較為均勻而且無太多厚度變化的層，將厚度限制在200內，晶體可以生長且瑕疵最少。活性層中井層的數量并無限制，可為一個或更多。當有四個或更多以厚度較大的層所構成的活性層時，活性層的總厚度將太大且Vf會增大。因此，最好將井層的厚度限制在100內而來限制活性層的厚度。若為高輸出功率的光激勵器或發光二極管時，將井層的數目設定在1至3個范圍內可獲得欲有的高發光效率元件。
井層也可以摻雜或不摻雜p型或n型雜質(受體或施體)。當使用含銦氮化物半導體作為井層時，增加n型雜質的濃度會降低結晶性，所以最好對n型雜質的濃度進行限制而可有良好結晶性的井層。特別是為求有最佳結晶性，井層最好不要摻雜超過5×1016/cm3濃度的n型雜質來生成。將n型雜質濃度保持在5×1016/cm3內系指非常低的n型雜質濃度而井層可視為實質上并無n型雜質。當井層摻有n型雜質時，將n型雜質濃度控制在1×1018/cm3至5×1016/cm3范圍內可抑制結晶性的惡化并增大載流子濃度。
對阻擋層的成分并無限制且可使用與井層所用類似的氮化物半導體層。特別是可用諸如具有較井層的銦比例為低的氮化銦鎵等含銦氮化物半導體或諸如氮化鎵、AlGaN等含鋁氮化物半導體。阻擋層的帶隙能量必須高于井層者。特定成分為InβGa1-βN(0≤β＜1，α＞β)，GaN，AlγGa1-γN(0＜γ≤1)等，而最好為InβGa1-βN(0≤β＜1，α＞β)，GaN，如此可形成良好結晶性的阻擋層。這是因為直接在諸如AlGaN等的含鋁氮化物半導體上生成含銦的氮化物半導體所制井層會導致低結晶性而最后造成井層的阻抗功能。在阻擋層中使用AlγGa1-γN(0＜γ≤1)時，通過在井層上設置含鋁阻擋層并在井層下方設置由InβGa1-βN(0≤β＜1，α＞β)，GaN組成的多個阻擋層可避免上述問題。因此，在多個量子井結構中夾在活性層間的阻擋層并不限于單一的層(井層/阻擋層/井層)且兩個或更多不同成分與/和雜質濃度的阻擋層可疊在一起，諸如井層/阻擋層(1)/阻擋層(2)/…/井層。在此，字母a代表井層中銦的比例，最好使阻擋層中銦β的比例低于井層中者，即α＞β。
阻擋層可摻雜也可不摻雜n型雜質，但最好是摻雜n型雜質。在摻雜時，阻擋層中n型雜質的濃度最好為5×1016/cm3或較高而低于1×1020/cm3。具體地說，若為不需要高輸出功率的發光二極管LED時，n型雜質濃度最好在5×1016/cm3至2×1018/cm3范圍內。就較高輸出功率發光二極管與光激勵器而言，摻雜最好在5×1017/cm3至1×1020/cm3范圍內，更好是1×1018/cm3至5×1019/cm3范圍內。有如此高摻雜濃度時，井層的生長最好不要摻雜或實質上并無n型雜質在內。n型雜質濃度與正常發光二極管、高功率發光二極管LED及高功率光激勵器LD(輸出功率范圍為5至100mW)不同的理由是高輸出功率元件要求較高載流子濃度能以較大電流驅動較高輸出功率。如上所述的摻雜范圍能使載流子有良好結晶性的高濃度。
與此相反，諸如較低功率的光激勵器、發光二極管等的氮化物半導體元件時，活性層的一部分阻擋層可摻雜n型雜質或者整個阻擋層可以實質上不含n型雜質。當摻雜n型雜質時，可對活性層的全部阻擋層或部分阻擋層進行摻雜。當一部分阻擋層摻雜n型雜質時，最好對置于活性層中n型層邊上的阻擋層進行摻雜。特別是當阻擋層Bn(n＝1，2，3…)為從n型層邊起的第n層時，可將電子有效注入活性層并制成有優異發光效率與量子效率的元件。這也適用于井層及阻擋層。當阻擋層與活性層均被摻雜時，對從n型層邊起第n層的阻擋層Bn(n＝1，2，3…)及第m層的井層Wm(m＝1，2，3…)進行摻雜，也即先對接近n型層的層進行摻雜，即可達到上述效果。
對阻擋層的厚度并無限制，其厚度最好不要超過500，特別是類似于活性層的10至300。
在本發明使用了氮化物半導體的半導體激光元件中的層狀結構體最好包括n型氮化物半導體的第一導電型層及p型氮化物半導體的第二導電型層。特別是在此等類型層中分別設置n型包層與p型包層而形成波導路。此時可以在包層與活性層間形成一導引層與/或電子限制層。
(p型包層)在本發明使用了氮化物半導體的半導體激光元件中最好以包括p型氮化物半導體(第一p型氮化物半導體)的p型包層作為第二或第一導電型層。如此則藉在與其中有p型包層的層不同傳導類型的層中設置包括n型氮化物半導體的n-包層而將波導路形成于層狀結構體中。在p型包層中所用的氮化物半導體僅需要其大小足以能限制光的折射率差，最好使用含鋁的氮化物半導體層。此層可為單一層或多層的膜。特別是具有AlGaN與氮化鎵疊在一起的超晶格結構可達到較佳結晶性，所以最好是這種結構。此層可摻雜或不摻雜p型雜質。對振蕩在430至550nm范圍較長波長的激光元件而言，包層最好以摻有p型雜質的氮化鎵制成。對膜的厚度并無限制，厚度可以在100至2μm范圍內，最好為500至1μm，如此可使該膜有滿意的限光層功能。
另外，按照本發明可以在活性層與p型包層間設置下面，所述的電子限制層與/或光學導引層。當設置光學導引層時最好設置在n型包層與活性層間，也即活性層被夾在光學導引層中間的結構。如此造成SCH結構，使包層中鋁成分的比例高于導引層中者而有一折射率差即可將光限制于該結構中。若包層與導引層為多層結構時，鋁成分的比例以鋁的平均比例來決定。
(p型電子限制層)p型電子限制層置于活性層與p型包層間或者最好是置于活性層與p型光導引層間而發揮限制活性層中載流子的功能因而減少臨界電流而易于振蕩，該層為AlGaN制成。特別是在第二導電型層中設置p型包層與p型電子限制層可達到更有效的電子限制。使用AlGaN作為p型電子限制層時，摻入p型雜質即能可靠地達到上述功能，即使不摻雜也可以達到限制載流子的功能。膜的最小厚度為10，最好為20。使膜的厚度在500以內并將公式AlxGa1-xN中x的值設定為0以上，最好是0.2以上，即可滿意地達到上述功能。n型載流子限制層也可以設置在m-型層邊上而將電洞限制在活性層內。電洞的限制不需要做在電子限制時的偏置(從活性層的帶隙差)即可完成。特別是可用與p型電子限制層類似的組合。為能達到良好的結晶性，此層可用不含鋁的氮化物半導體形成且可使用與活性層的阻擋層類似的組合。在此情形下最好將限制最接近n型阻擋層載流子的n型載流子層置于活性層內或與活性層接觸的n型層內。于是，通過設置與活性層接觸的p型與n型載流子限制層可有效將載流子注入活性層或井層中。在另一形式中，可用活性層中與p型或n型層接觸的層作為載流子限制層。
(p型導引層)按照本發明通過設置一個將活性層夾在包層內一個位置而形成光學波導路的層即可用氮化物半導體形成良好波導路。在此情形下波導路厚度(活性層及在兩側的導引層)設定在6000以內用以抑制振蕩臨界電流的突然增大。最好使厚度在4500內可連續振蕩并在基本模式中限定的臨界電流上有較長使用壽命。兩個導引層厚度以實質上同在100至1μm為佳，最佳在500至2000范圍內能形成良好的光學波導路。導引層是以氮化物半導體制成且具有足以形成與在其外部將要設置的包層相較的波導路的帶隙能量并且可為單膜或多層膜。使光學導引層有等于或大于活性層所有的帶隙能量即可形成良好波導路。若為量子井結構時，帶隙能量要大于井層者且最好大于阻擋層者。再者，設置大約10nm或大于光學導引層中活性層所發光的波長的帶隙能量可以制成良好的光學波導路。
就p型光導引層而言，最好使用在370至470nm振蕩波長范圍內的未摻雜氮化鎵及使用在較長波長范圍內(450μm以上)的氮化銦鎵/氮化鎵多層結構。如此能增大由活性層與光學導引層所構成波導路的折射率因而增大包層的折射率差。在370nm以內的較短波長范圍中，最好使用含鋁氮化物半導體因其吸收邊緣在365nm。特別是最好AlxGa1-xN(0＜x＜1)形成AlGaN/氮化鎵所制的多層膜，也即彼等交互疊層的多層膜或每層均有超晶格結構的超晶格多層膜。n型導引層的構造與p型導引層類似。考慮活性層的能帶隙而使用氮化鎵、氮化銦鎵并形成包括氮化銦鎵與氮化鎵交互疊層的多層膜且使向著活性層的銦成分減少即可制成滿意的波導路。
(n型包層)在本發明使用了氮化物半導體的半導體激光元件中用于n型包層內的氮化物半導體僅需與p型包層類似的足以限制光的折射率差且最好使用含鋁的氮化物半導體。此層可為單一層或多層膜，特別是有相互疊層的AlGaN與氮化鎵超晶格結構。n型包層的功能可用作載流子限制層與光限制層。若使用多層結構時，最好生成含鋁，特別如上所述AlGaN，的氮化物半導體層。再者，此層可摻雜或不摻雜n型雜質而也可對一個構成層進行摻雜。對一個振蕩在430至550nm范圍內較長波長的激光元件而言，包層最好以摻有n型雜質的氮化鎵制成。對膜的厚度并無限制，與p型包層類似，厚度在100至2μm范圍內，最好是500至1μm，如此可使得膜成為良好的限光層。
在此，在使用了氮化物半導體的半導體激光元件內將條形脊放在含鋁的氮化物半導體內并在露出的氮化物半導體表面與脊的側面上設置一絕緣膜可有良好的絕緣。在絕緣膜上設置電極也可以制成不漏電的激光元件。這個因為目前幾乎沒有材料在含鋁氮化物半導體層內能達到良好電阻接觸而在半導體表面上形成絕緣膜與電極可有不漏電的良好絕緣。相較的下在不含鋁的氮化物半導體層上設置電極時，在電極與氮化物半導體間則很容易有電阻接觸。當電極透過絕緣膜形成于不含鋁的氮化物半導體層上時，絕緣膜中的小孔則視絕緣膜與電極品質而定會造成漏電。為解決此一問題需要有其厚度足以設置所要求絕緣程度的絕緣膜或設計電極的形狀與位置使的不與半導體表面重疊但這卻對激光元件構造的設計會加上相當大的限制。脊的位置甚為重要，因為在形成脊時脊兩側所露出氮化物半導體表面的面積遠大于脊的側面而在此表面保證有滿意的絕緣。于是，激光元件的設計有較大自由且可用各種形態的電極并可有較大自由來決定電極的位置，這對脊的形成極為有利。含鋁氮化物半導體層最好用所述的AlGaN或AlGaN/氮化鎵的超晶格多層結構。
在此，作為第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的條形形態第一脊201與第二脊202是去掉各脊的兩側而形成，如圖1B與1C所示。脊202設置于上包層7上而上包層7在除脊以外區域中所露出的表面可決定蝕刻的深度。
(電極)本發明的激光元件并不限于在條形脊與第二脊上設置電極的形態。如圖1與圖7所示，電極可設置于幾乎用作第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的第一個條形脊201與第二個條形脊202的全部表面上。電極也可以僅設置在所述第二波導路區域C2上，如此能優先將載流子注入第二波導路區域C2。相反地，電極也可以僅設置于第一波導路區域C1上而波導路則分開在諧振器方向工作。
(絕緣膜)在本發明的激光元件中若層狀結構體的一部分被去掉且設置一個條形脊來形成諧振器時，最好將絕緣膜形成于長條的側面及脊兩側的平面上(脊所在處的表面上)。例如圖1所示的條形脊被設置后，絕緣膜的設置方式則是從脊的側面延伸至脊兩側的表面。
若本發明的激光元件內使用氮化物半導體時，最好如圖7、8、9所示設置第二保護膜162作為絕緣膜。
就第二保護膜而言，除二氧化硅材料外最好使用選自包括鈦、釩、鋯、鈮、鉿及鉭族中至少一種元素的氧化物或氮化硅、氮化硼、碳化硅與氮化鋁至少一種化合物，特別是最好使用鋯或鉿或氮化硼或碳化硅。這些材料中雖然有些可溶于氫氟酸，但用這些材料作為激光元件的絕緣層可有較二氧化硅埋入層更高的可靠性。若為以物理汽相或化學汽相淀積而成的氧化物薄膜時，因使元素與氧有化學量反應而形成氧化物通常較難，其作為氧化物薄膜絕緣的可靠性也較低。相較的下本發明所選元素以物理汽相或化學汽相淀積的氧化物及氮化硼、碳化硅或氮化鋁等均較氧化硅有更高的絕緣可靠性。再者，當選用其折射率小于氮化物半導體的氧化物者時(例如除碳化硅以外者)，可有利地形成激光元件的埋入層。此外，當第一保護膜161是以氧化硅形成時，因氧化硅可用氫氟酸除去，如圖7B所示僅在脊的頂部表面形成第一保護膜161并繼續在第一保護膜161及脊的側面與其兩側表面上形成第二保護層162(蝕刻阻止層)而選擇性地去掉第一保護層161即可如圖7C所示在除脊頂部表面外的表面上形成同一厚度的第二保護膜162。
另外，第二保護膜的厚度在500至1μm范圍內，最好在1000至5000范圍內。當厚度小于500時，形成電極時無法有足夠的絕緣。當厚度大于1μm時，無法有保護膜的統一性及良好的絕緣膜。當厚度在上述較佳范圍內時，可以在脊的側面上形成與脊有折射率差的統一薄膜。
另外，第二保護層也可以以通過氮化物半導體埋入層而形成。若為半絕緣時，i型氮化物半導體，也即與波導路區域中脊的傳導類型相對的類型，例如在實施例1中第二波導路區域C2中者，可用n型氮化物半導體所制的埋入層作為第二保護膜。作為埋入層的特別舉例為通過諸如AlGaN的含鋁氮化物半導體而設置與脊的折射率差或達到阻流層的功能即可將光限制在橫向，通過含銦的氮化物半導體激光而設置光吸收系數差即可有激光元件的良好光學特性。當使用除半絕緣層外的i型層作為埋入層時，第二波導路區域可為一個與第二導電型不同的第一導電型埋入層。另一方面，在構成第一波導路區域的第一脊中，因條形形態的第一與第二導電型層形成于活性層的兩側，在第一導電型層中或第一導電型層與活性層兩側區域中形成與第一導電型不同的第二導電型埋入層而在第二導電型層中或第二導電型層與活性層兩側區域中形成與第二導電型不同的第一導電型埋入層。如以上所述，在所述第一波導路區域和第二波導路區域內可形成不同構造的埋入層。埋入層是形成于長條側面的一部分上或者最好在整個表面上，也即與第二保護膜類似。此外，當埋入層形成于脊的側面及脊兩側氮化物半導體的表面時，可以獲得較佳的限光效應及節流效應。此種結構在形成埋入層并在埋入層形成一氮化物半導體層與/或構成波導路區域的長條與脊均已置入元件內后也可以使用。
本發明使用了氮化物半導體的半導體激光元件諧振器的長度可以在400至900μm范圍內，在此情形下，控制兩端鏡的折射即可減少驅動電流。
(制造方法)如以上所述，本發明的使用了氮化物半導體的半導體激光元件可有良好的特性。再者，以下述工序制造形成第一波導路區域C1及第二波導路區域C2的脊可制成高精度及高產量的本發明的激光元件的條形的波導路區域。該制造方法也可以制出高度可靠的激光元件。下面，對該制造方法進行詳細說明。
另外，如圖8與9所示，當制造一個具有在不同基體同一邊所形成一對正與負電極的元件時，為能露出如圖7所示在其上將要形成負電極的n型接觸層，在蝕刻至該深度后再蝕刻形成條形的波導路區域。
(形成條形脊(凸部)的方法1)圖5是表示在其上形成氮化物半導體元件結構的一部分晶片的立體圖用于說明按照本發明形成電極的工序。圖6為一類似的圖說明本發明另一實施例。圖7是表示形成第二保護膜后的工序，圖7B是表示圖7A中第二波導路區域C2的剖視圖而圖7C是表示圖7D中第二波導路區域C2的剖視圖。按照本發明的制造方法，如圖5A所示在疊層構成元件結構的各半導體層后在頂層上第二導電型層內的接觸層8上形成一個條形形態的第一保護膜161。
第一保護膜161可為任何材料，只要有與氮化物半導體不同的蝕刻率即可，且無論是否為絕緣。例如可用氧化硅(包括二氧化硅)或光阻等，最好用較第二保護膜更能溶于酸的材料能分別出隨后將要形成的第二保護膜的可溶性。酸最好用氫氟酸而氧化硅好用為與氫氟酸相容的材料。第一保護膜的長條寬度(W)要控制在1μm至3μm范圍內。第一保護膜161的長條寬度大致相當于構成波導路區域脊的長條寬度。
圖5A是表示形成于層狀結構體表面上的第一保護膜161。也即在層狀結構體整個表面形成第二保護膜后以石版影印法在第一保護膜表面形成一個欲有形狀的蔽罩而在接觸層8的表面上形成如圖5A所示條形形態的第一保護膜161。
另外，也可以用抹去法形成圖5A所示條形形態的第一保護膜161。也即在形成一個有條形形態縫隙的光阻后將第一保護膜形成于光阻的整個表面上再以溶解除去光阻而僅留下與接觸層8相接觸的第一保護膜161。用前述的蝕刻而不用抹去法形成條形形態的第一保護膜即可獲得具有大致為垂直端面的良好形狀長條。
接著，如圖5B所示第一保護膜161用作蔽罩來蝕刻接觸層8上未形成第一保護膜161的部分而按照直接位于第一保護膜161下面，保護膜的形狀形成條形脊。蝕刻時激光元件的結構與特性會視停止蝕刻的位置而有所改變。
諸如以反應離子蝕刻的干蝕刻來蝕刻氮化物半導體層。蝕刻氧化硅的第一保護膜則最好使用諸如CF4的氟化合物。在第二工序中蝕刻氮化物半導體時則使用通常用于其他III-V族化合半導體的Cl2，CCl4及SiCl4，最好用對氧化硅選擇性較高者。
接著，如圖5C所示再形成第三保護膜163蓋住條形脊的一部分。第三保護膜163可用對干蝕刻有阻力的已知阻膜，諸如光硬化樹脂。此時被第三保護膜163蓋住的條形脊變成構成第二波導路區域C2的第二脊202而構成第一波導路區域C1的第一脊201則是形成于未被第三保護膜蓋住的區域內。所述的第三保護膜163與第一保護膜161是用來蝕刻層狀結構體上未形成蔽罩的處，蝕刻的深度則為達到包層而形成不同深度的條形脊(第一脊)。
另外，圖7A是表示與第一保護膜161不同絕緣材料的第二保護膜162形成于條形脊的側面與由于蝕刻而露出層(圖7中的包層5，7)的表面上。第一保護膜161是以與第二保護膜162不同的材料制成所以第一保護膜161與第二保護膜162被選擇性地進行蝕刻。結果當僅有第一保護膜161被以氫氟酸去掉時，第二保護膜162可以在包層5，7表面上(已被蝕刻露出的氮化物半導體表面)與脊的側面上繼續形成，如圖7B所示脊的頂部表面被打開。如上所述的繼續形成第二保護膜162可保持高絕緣特性。此外，當第二保護膜162繼續在第一保護膜161上形成時，膜在包層5，7上可有統一厚度所以不會發生因膜的不均勻厚度而有的電流濃集。因蝕刻在包層5，7中停止，第二保護膜162是形成于包層5，7表面(露出的頂部表面)下方。但事實上當蝕刻停止于包層5，7的下方時，第二保護膜則形成于蝕刻停止處的層上。
在下一步工序中如圖7B所示第一保護膜161被以抹去法去掉，然后，在第二保護膜162與接觸層8上形成電極而與接觸層8有電接觸。按照本發明因有條形開口的第二保護膜先在脊上形成，無必要僅在較窄長條寬度的接觸層上形成電極而可形成大面積電極能從透過開口露出的接觸層一直到第二絕緣膜。如此可選用能結合電阻接觸功能的電極材料來形成將用于電阻接觸的電極與用于搭接的電極結合于一起的電極。
在使用了氮化物半導體的半導體激光元件中形成條形的波導路區域時要使用干蝕刻因為濕蝕刻處理困難。因為在第一保護膜與氮化物半導體間的選擇性在干蝕刻工序中甚為重要。二氧化硅用于第一保護膜中但在該層的頂部表面蝕刻停止處形成的第二保護膜中也使用二氧化硅時則無法達到充份絕緣且因其材料與第一保護膜的材料相同而很難僅去掉該保護膜。因此，第二保護膜要用二氧化硅以外的材料以保證本發明的第一保護膜的選擇性。同時因為在形成第二保護膜后氮化物半導體并未被蝕刻，在第二保護膜與氮化物半導體間蝕刻率的差并不會造成問題。
(形成條形脊的方法2)圖16是表示在其上形成氮化物半導體元件結構的晶片一部分的立體圖用以解釋按照本發明形成半導體激光的工序。此一方法中的處理實質上與方法1中的處理類似，雖然在本方法中當諧器端面形成的同時，n型接觸層也被露出出來而以蝕刻形成負電極。也即形成各部分的次序與方法1中者不同。在方法2中，首先將n型接觸層露出出來(圖16A)。此時諧振器的端面也同時形成。接著則如同方法1來形成條形脊、第一波導路區域和第二波導路區域及電極(圖16B)。如上所述的先以蝕刻形成諧振器的端面也適用于以分裂法無法獲得良好諧振器端面的情形。
在本發明的激光元件中，如上所述可有效形成構成第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的條形脊202而且電極也可以形成于層狀結構體脊的表面上。
(蝕刻方法)按照本發明的制造方法，當使用諸如反應離子蝕刻的干蝕刻作為蝕刻氮化物半導體層的方法時，最好使用諸如通常用于第一步工序的CF4氟氣化合物來蝕刻氧化硅制成的第一保護膜。在第二步工序中蝕刻氮化物半導體時使用通常用于其他III-V族化合物半導體的諸如Cl2，CCl4與SiCl4等氯氣化合物可使氧化硅有較高選擇性所以很適用。
(芯片化)圖17是表示如前所述從晶片上的層狀結構體制作晶片時切割位置的剖視圖。圖17A僅表示基體，圖17B則表示分割基體與n型層的情形。每個在其中形成一對電極的區域被視為一個單元并如圖所示從左至右編號為I，II，III與IV。圖17A中的Ia，IIa與IVa的安排是第一波導路區域朝向右方而IIIa則是反方向。圖17B中的Ib，IIb與IIIb的安排是第一波導路區域朝向右方而IVb則是反方向。在分割前此種單元的安排可視需要進行選擇。
當沿著A-A線分割時，諧振器端面可因蝕刻而留下。在單元I與II中，諧振器反光邊上的端面為沿A-A線分割后沿著B-B線分割時的分裂刻面。在單元II中諧振器發光邊上的端面也為沿著D-D線分割時的分裂刻面。當沿C-C線分割時，IIIa與IVa中諧振器反光邊上的端面同時形成分裂刻面。同樣地當沿著E-E線分割時，IIIb與IVb中諧振器發光邊上的端面同時形成分裂刻面。因此，元件的端面與諧振器端面視切割位置而定可形成蝕刻表面或分裂表面。
在此，為能達到如圖17A所示使基體僅存在于Ia與IIa間Ia的諧振器端面與IIb的諧振器端面間的安排，如圖16B所示已經以蝕刻形成諧振器端面的工作要再向下蝕刻主基體。向下蝕刻至基體的理由是防止半導體層在分割時斷裂。若免去圖16A所示的步驟而在單一蝕刻工序中露出出基體時，接近在較早蝕刻中已露出的活性層的表面會因長時間蝕刻而變得粗糙，因而很難獲得良好的諧振器端面。當蝕刻分為兩個步驟時，首先如圖16A所示蝕刻至n型層然后，再蝕刻至基體，可形成良好諧振器端面且分割也較易。圖16D是表示圖16C所示的工作已在箭頭所指位置切開。使用所述的兩步驟蝕刻可形成圖中的突出部D。當蝕刻至基體時需要朝向發射光的方向減少突出部D的長度。這是因為太寬的D(突出長度)會阻檔從射出面所發的光而難以有良好的遠場圖。D較小時，至少在發光邊上端面處較小時，即不會有問題。
(反射膜)
圖18是表示在諧振器端面上形成一反射膜的模式圖。處置已分成棒形的半導體而使如圖18所示在反光邊上的端面或發光邊上的端面與反射膜相對，反射膜是以濺射或類似方式形成。以濺射形成反射膜且將半導體分為棒形并使切割面與反射膜相對時，即使膜為多層結構也可形成厚度一致不太會惡化的高品質反射膜。當此種反射膜用于要求高輸出功率特別是多層結構的元件中時更為有效，如此可以制成能耐高輸出功率的反射膜。該反射膜甚至可從電極上方濺射而延伸至側邊的諧振器端面。但是如此時則會消除形成棒形及使端面向上的優點，也無法有統一的膜，特別是若為多層膜時，因為膜是從旁邊形成至端面上所以膜的品質會較差。此種反射膜可形成于反光端面與發光端面上或僅在一個端面上且可用不同的材料。
另外，按照本發明對諸如活性層與包層的其他元件結構并無限制且可使用各種的層結構。例如下面，實施例內所述的元件結構即可用為特定的元件結構。對電極也無限制，各種結構的電極均可使用。用于激光元件各層的氮化物半導體成分并無限制，可以使用InbAlcGa1-b-cN(0≤b，0≤d，b+d＜1)公式代表的氮化物半導體。
按照本發明，能適用已知的生成氮化物半導體的方法有諸如MOVPE、MOCVD(有機金屬化學汽相成長法)、HVPE(鹵素汽相成長法)及MBE(分子線汽相成長法)等。
實施例。
下面，的實施例是關于使用了氮化物半導體的半導體激光元件，但本發明的激光元件并不限于此一結構且本發明的技術也適用于各種半導體。
實施例1下面，將說明激光元件的實施例1，特別是具有圖8所示結構第二波導路區域C2與圖9所示第一波導路區域C1的激光元件。
在實施例1中的基體為藍寶石所制，也即與氮化物半導體不同的材料。也可以使用諸如氮化鎵的氮化物半導體作為基體。一種絕緣基體諸如具有C平面、R平面或A平面等主要平面的藍寶石與尖晶石(MgAl2O4)、碳化硅(包括6H，4H與3C)、硫化鋅、氧化鋅、砷化鎵、硅或可與氮化物半導體晶格匹配的氧化物均可用作不同材料的基體，只要可以在基體上生成氮化物半導體即可。最好以藍寶石與尖晶石作為不同材料的基體。不同材料的基體可有從常用的低指數傾斜平面(偏角)，在此情形下使用逐步偏角形態的基體可生成有良好結晶性的氮化鎵基本層。
而且，使用不同材料基體時，在基體上生成氮化物半導體基本層后即以磨光或其他方式除去不同材料的基體而在形成元件結構前僅留下該基本層，然后，可用基本層作為單一的氮化物半導體基體或者在形成元件結構后也可以將不同材料的基體除去。
若如圖8所示使用不同材料基體時，在其上形成緩沖層與基本層后形成元件結構可以有良好氮化物所制的元件結構。圖8是表示第二波導路區域C2內元件結構的剖視圖，圖9是表示第一波導路區域C1中元件結構的剖視圖。
(緩沖層102)在實施例1中首先將具有直徑兩寸在C平面內主要平面的藍寶石所制不同材料基體101置入MOVPE容器中，溫度定在500℃，以TMG(TMG)與氨(NH3)形成厚度為200的氮化鎵緩沖層。
(基本層103)生成緩沖層102后將溫度定在1050℃而以TMG與氨生成厚度為4μm未摻雜的氮化鎵氮化物半導體層103。此層用作元件結構的基本層(用于生成膜的基體)。基本層也可以用外延橫向蔓延生長方式(ELOG)以氮化物半導體形成，如此可生成有良好結晶性的氮化物半導體。ELOG系指伴隨有橫向生長的生長方法，也就是在一個不同材料基體上生長一氮化物半導體層后，其表面被一保護膜掩蓋而在其上很難生長有條形形態與固定間隔的氮化物半導體，氮化物半導體則是從透過保護膜縫隙所露出的氮化物半導體表面新生長出來而蓋住整個基體。也即當交互形成一個被蔽罩掩蓋的區域與一個露出氮化物半導體的未被蔽罩掩蓋的區域且氮化物半導體透過未被掩蓋區域所露出的氮化物半導體表面再生長時，該層先向著厚度方向生長但隨著生長的進行最終也朝橫向生長而蓋住被蔽罩所蓋區域于是，蓋住整個基體。
作為ELOG生長，也包括形成一開口而使基體表面露出于首先已在不同材料基體上所生成的氮化物半導體層且氮化物半導體從位于開口側面處的氮化物半導體向邊生長而形成一個膜。
按照本發明，可使用此一有各種變化的ELOG生長法。當使用ELOG生長法生成氮化物半導體時，橫向生長形成的氮化物半導體有良好結晶性所以可獲得具有整個良好結晶性的氮化物半導體層。
然后，將構成元件結構的后續各層疊層在氮化物半導體所制的基本層上。
(n型接觸層104)首先，以TMG、氨及硅烷作為雜質氣體在氮化物半導體基體(基本層)103的上用1050℃的溫度形成4.5μm厚摻有1×1018/cm3濃度硅的氮化鎵所制n接觸層3。
(防裂層105)然后，以TMG、TMI(三甲銦)及氨用800℃的溫度形成0.15μm厚In0.06Ga0.94N所制的防裂層105。并且，防裂層可以免去。
(n型包層106)在以三甲鋁、TMG與氨作為原料氣體并以1050℃的溫度生成厚度為25未摻雜的AlGaN生長層A后，三甲鋁的供應停止而以硅烷氣作為雜質氣體而形成厚度為25摻有5×1018/cm3濃度硅的氮化鎵層B。此一操作重復160次疊層A層與B層而形成總厚度為8000多層式(超晶格結構)n型包層106。此時，當未摻雜的AlGaN中鋁的比例在0.05至0.3情形下，設置足以使包層工作的折射率差。
(n型光導引層107)然后，以類似溫度并使用TMG與氨作為原料氣體而形成厚度為0.1μm未摻雜的氮化鎵n型光導引層107。此層可摻雜n型雜質。
(活性層108)然后，將溫度定在800℃并以三甲銦、TMG與氨作為原料氣體及硅烷氣作為雜質氣體而形成摻有5×1018/cm3濃度硅的In0.05Ga0.95N的阻擋層，其厚度為100。于是，停止供應硅烷氣并形成厚度為50的未摻雜的In0.1Ga0.9N井層。此一作業重復三次形成多重量子井結構(MQW)的活性層108，其總厚度為550而最后一層為阻擋層。
(p型電子限制層109)然后，以類似溫度用TMA、TMG與氨作為原料氣體及Cp2Mg作為雜質氣體形成厚度為100摻有濃度為1×1019/cm3鎂的AlGaNp型電子限制層109。可不設置此層雖然有此一電子限制層時其功能有助于減小臨界。
(p型光導引層110)然后，將溫度定在1050℃以TMG與氨作為原料氣體而形成厚度為750未摻雜的氮化鎵所制p型光導引層110。
當生成p光導引層110作為未摻雜層時，從p型電子限制層109擴散的鎂將鎂的濃度增至5×1016/cm3而轉變為p型層。另一方面也可以在生成時故意對此層摻入鎂。
(p型包層111)然后，以1050℃的溫度形成厚度為25的未摻雜的Al0.16Ga0.84N層，于是，停止供應三甲鋁并以Cp2Mg形成厚度為25的摻雜鎂的氮化鎵層。此一作業進行重復而形成總厚度為0.6μm超晶格結構的p型包層111。以疊層的有不同帶隙能量且其中至少具有一個包括鋁的氮化物半導體組成的超晶格結構p型包層形成時，以所謂的調節摻雜，也即其中一層的摻雜程度重于另一層的摻雜程度，可改善結晶性。但在本發明中兩層可有相似程度的摻雜。包層為超晶格結構包括含鋁的氮化物半導體層，以AlxGa1-xN(0＜X＜1)較佳，最好是疊層的氮化鎵與AlGaN超晶格結構。因超晶格結構的p型包層增大整個包層中鋁的比例，包層的折射率會減小。也因為可增大帶隙能量，所以非常有效地減小臨界。同時因超晶格結構較非超晶格結構更能減少包層中產生的小坑，也可以減少短路的發生。
(p型接觸層112)最后，以1050℃的溫度在p型包層111上形成摻有1×1020/cm3濃度鎂的p型氮化鎵所制p型接觸層112，其厚度為150。p型接觸層可用p型InxAlyGa1-x-yN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)來形成而最好用摻雜鎂的氮化鎵，如此，可與p型電極20有最好的電阻接觸。因接觸層112是將要形成電極處的層，能有1×1017/cm3或更高的載流子濃度較佳。若濃度低于1×1017/cm3時則很難與電極有良好的電阻接觸。以氮化鎵成分形成接觸層可易于與電極有良好的電阻接觸。當反應結束后在反應容器中以700℃將晶片在氮環境中進行退火可進一步減少p型層的電阻。
以上面所述的疊層方式形成各氮化物半導體層后，將晶片從反應容器中取出。然后，在p型接觸層的最上層表面形成二氧化硅保護膜，并且n型電極將要形成于其上的n型接觸層104的表面被用四鋁化硅氣體并以反應離子蝕刻法進行蝕刻而露出出來，如圖8所示。為達到對氮化物半導體深度蝕刻的目的，二氧化硅最適于用作保護膜。在n型接觸層104露出的同時，將要成為諧振器面的活性層端面也被露出而使蝕刻端面成為諧振器面。
下面，將詳細說明作為條形的波導路區域的第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的形成方法。首先以程式化數據處理器在最上面p型接觸層(上接觸層)8的整個表面形成厚度為0.5μm的氧化硅(主要為二氧化硅)第一保護膜。第一保護膜161是以圖案法形成(見圖5A)。第一保護膜161的圖案制作是以影印石版術及反應離子蝕刻器具并以四氟化硅氣體進行。然后，以第一保護膜161作為蔽罩來除去一部分p型接觸層112與p型包層111使得在蔽罩兩側留下很薄的p型包層111而在活性層3上形成條形脊(見圖5B)。結果形成構成第二波導路區域C2的第二脊202。該第二脊的形成是蝕刻一部分p型接觸層112與p型包層111，對包層111的蝕刻深度為0.01μm。
接著，形成條形第二脊后在除第二脊的一部分外(構成第一波導路區域的部分)形成一光阻膜作為第三保護膜163(見圖5C)。第一保護膜161仍保留在將要形成第二與第一波導路區域處脊的頂部表面。
換用反應離子蝕刻器具后第三保護膜163與第一保護膜161用作蔽罩以四氟化硅氣體來蝕刻將要形成第一波導路區域部分中第一保護膜161的兩側，蝕刻的深度要露出n型包層106而形成構成第一波導路區域C1的條形形態第一脊。條形第一脊的形成是將第一脊兩側的n型包層106進行蝕刻至其厚度變為0.2μm。
接著，除去第三保護膜。
然后，將其上形成有第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的晶片轉至物理汽相淀積器具，厚度為0.5μm的氧化鋯(主要為二氧化鋯)第二保護膜162繼續在第一保護膜161表面、第一與第二脊側面、由于蝕刻而露出的p型包層111及n型包層106上(見圖7A)。
形成第二保護膜162后，晶片被進行600℃的熱處理。當第二保護膜是以二氧化硅以外的材料形成時，熱處理的溫度勿低于300℃，最好為400℃或更高但要低于形成第二保護膜后氮化物半導體分解的溫度(1200℃)，這樣可使第二保護膜較不會溶解于用于溶解第一保護膜的材料(氫氟酸)。
然后，將晶片浸入氫氟酸內除去第一保護膜161(抹去工序)。于是，在p型接觸層112上的第一保護膜161被除去而露出p型接觸膜112。第二保護膜162是以所述的處理形成于第一波導路區域C1與第二波導路區域C2上所形成條形第一脊201與第二脊202的側面上及延續至該處脊兩側的表面上(位于第二脊兩側p型包層111的表面及位于第一脊兩側n型包層的表面)如圖7C所示。
在P型接觸層112上的第一保護膜161被除去后，在露出的p型接觸層表面上形成鎳/金所制p型電極120而與的作電阻接觸。p型電極120如圖8所示形成于第二保護膜162上方，其長條寬度為100μm。在實施例1中p型電極120僅形成于第一波導路區域C1與第二波導路區域C2中向著長條的方向，p型電極120的長度并不到達第二波導路區域C2的兩端。形成第二保護膜162后，在與已露出n型接觸層104上的長條平行方向形成鈦/鋁所制的n型電極21。
然后，將用于將要形成p型與n型電極引出電極處的區域加上蔽罩并形成二氧化硅與二氧化鈦所制的多層介質膜164。除去蔽罩后在多層介質膜164中形成用于露出p型與n型電極的小孔。透過這些小孔在p型與n型電極上形成鎳-鈦-金(1000-1000-8000)所制的引出電極122，123。在實施例1中第二波導路區域C2中形成的活性層108寬度為200μm(與諧振器方向垂直方向的寬度)。導引層也形成類似寬度。
形成p型與n型電極后通過進一步蝕刻至露出基體而在所述第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的端部形成諧振器面。
在實施例1中的激光元件中諧振器的總長度為650μm而第一波導路區域C1的總長度為5μm，包括諧振器的一個端面在內。于是，第二波導路區域C2的總長度為645μm，包括另一端面在內。在以蝕刻形成的端面上形成二氧化硅與二氧化鈦所制的多層介質膜。然后，將晶片的藍寶石基體打磨成厚度為70μm并從基體邊將的分成棒狀，再將棒狀晶片進一步分成各個元件而獲得激光元件。
而且，在實施例1中是在被蝕刻的表面上形成多層介質膜而形成諧振器面，晶片可沿著氮化鎵分裂表面(11-00)即M面而分成棒狀，使用該表面為諧振器面。
以上述方式制作的實施例1的激光元件的已證實在波長405nm有30mW輸出功率的連續振蕩，在室溫中的臨界則為2.0kA/cm2。同時也獲得具有良好遠場圖的束及1.5的縱橫尺寸比，這表示用于光盤系統光源的理想光束特性。這種優異特性的達成是透過本發明的特點僅通過調整發光邊上第一波導路區域C1脊的寬度而不去管其功能主要為一增益區的第二波導路區域C2長條的寬度即可發射出欲有光學特性的激光束。實施例1的激光元件也無5至30mW光學輸出范圍內的橫向移位，所以有適用于光盤系統讀寫光源的有利特性。同時該激光元件以可與傳統式折射率導引激光元件相較的30mW驅動時即有良好性能。
另外，在實施例1中，如圖7C所示n型電極可設置在蓋住第一波導路區域C1的長度上。此一結構可制成有優異光束特性與較長使用壽命的激光元件。
(實施例2)本實施例中，激光元件的制造除第一波導路區域C1的長度為1μm外，其余均與實施例1中者類似。為形成此一小長度的第一波導路區域C1，使第一條形脊較諧振器的最終長度更長(例如數十μm至大約100μm)，然后，在所述第一波導路區域C1欲有長度的處蝕刻或分割基體。結果使得以穩定形狀形成第二脊201較在實施例1中者難，雖然以此一長度仍可對橫模有良好控制。第一波導路區域較短的長度也較實施例1可稍微改善元件的壽命。
(實施例3)
實施例3中的激光元件除在其兩端各形成長度為5μm的第一波導路區域外(參考圖4B)，其余構造與實施例1中者類似。也即實施例3的激光元件將第二波導路區域C2置于中間而第一波導路區域C1則位于其兩側，第一波導路區域C1包括諧振器端面。實施例3中激光元件的構造有與實施例1中者類似的遠場圖與縱橫尺寸比。
(實施例4)本實施例中激光元件除構成第二波導路區域C2的第二脊202的形成是藉蝕刻而在第二脊兩側留下500厚的p型導引層外，其余構造與實施例1中者類似。如此所獲得的激光元件較實施例1中者有較低的臨界也可以有與實施例1中類似的光束特性。
(實施例5)實施例5的激光元件的構造除在所述第一波導路區域C1與第二波導路區域C2間設置一傾斜表面外，其余與實施例1中者類似(見圖4A)。
即，在實施例5中，在所述第一波導路區域C1與第二波導路區域C2間交界內在位于第一脊兩側n型包層106表面與位于第二脊兩側p型包層111表面間蝕刻形成截面與n型包層106表面成90°的角度。
雖然以上述方式制造的激光元件在元件特性上較的實施例1中者會有些變化，但可獲本發明良好遠場圖的效果并達到可靠性的改善。
(實施例6)實施例6的激光元件的構造除如圖13所示在所述第一波導路區域C1與第二波導路區域C2間設置一第三波導路區域C3外，其余與實施例1中者類似。特別是在實施例6的激光元件的中當第二脊202蝕刻的深度到達第二導電型層(p型包層111)后，當向下蝕刻至第一導電型層(n型包層106)而形成第一脊的同時也形成從諧振器AA方向有一20°角度α側面204的第三波導路區域C3。因此，制成除有第一波導路區域C1與第二波導路區域C2外更有第三波導路區域C3的實施例6的激光元件的。在上述構造的實施例6的激光元件的中擴散在所述第二波導路區域C2活性層平面內且已被導引的光反射在第三波導路區域C3的端面204上且被導向第一波導路區域C1，所以該光會被順利地導引。也即在諧振器方向被導引的光以(90°-α)的入射角落在側面204上時，該光可以在側204上有總反射并可被導入條形的波導路區域且無損失。在所述第二波導路區域C2與第三波導路區域C3中通過在第二導電型層(p型包層111)上的第二脊202而在活性層平面內設置有效折射率差且形成條形的波導路區域。在第三波導路區域C3中從第二脊正下方區域出來而被導引的光可理想地導入第一波導路區域C1。
如以上所述，在實施例6中，如上所述因側面204傾斜于第一波導路區域C1中第一脊201的側面，光可被順利進行導引。側面204與第二波導路區域C2間的交界處也可以如圖13所示并無彎曲而直接連接至第二波導路區域C2。
這樣，在實施例6的激光元件的中，如上所述因導入活性層平面內條形的波導路區域中或在所述第二波導路區域C2中來自該處的光能有效導入第一波導路區域C1，元件特性可予改善。在實施例6的激光元件中特別可減小電流濃度的臨界而改善斜面效率。
(實施例7)實施例7中激光元件的構造除以兩步驟構成第一波導路區域C1及以兩步驟形成側面外，其余與實施例1中者類似。
即，在實施例7中，以不到達活性層的蝕刻深度形成條形脊后在將要形成第一波導路區域處一個較脊的長條寬度更寬的脊向下蝕刻至n型包層106而形成兩階式的脊。
在此，圖14A是表示實施例7的激光元件的結構立體圖，圖14C為第一波導路區域C1的剖視圖而圖14B則為第二波導路區域C2的剖視圖。在圖14A所示的實施例7的激光元件的中，第一波導路區域C1是形成為包括寬度為Sw1上脊與寬度為Sw2下脊的兩階式脊。在所述第一波導路區域C1內，因活性層位于下脊內且活性層3的寬度是依下脊的寬度Sw2而定，實質上波導路可視為是由下脊形成。實施例7的結構較的實施例1中形成第一脊時更易于控制下脊的寬度Sw2，因此，可準確形成第一波導路區域活性層的寬度。這是因為當以圖5所示方法形成構成第一波導路區域C1的第一脊201時是用單一蔽罩分兩步驟的蝕刻進行，一個步驟是在與以往的已形成的第二脊共用部分與其下方部分間的交界內形成而第二次蝕刻深度則到達第一導電型層而使得無法準確控制下方部分的寬度。
但是，按照實施例7在與第二脊的共同蝕刻工序中蝕刻上脊后，下脊的形成是用與形成上脊時不同的蔽罩進行蝕刻。因此，下脊可有準確寬度而位于下脊內的活性層3也有準確的寬度。
因此，按照本實施例可制成與實施例1中有同樣特性的激光元件且在制造時變化較少。即，實施例7的激光元件有利于制造。
(實施例8)實施例8的激光元件的結構有在所述第一波導路區域與第二波導路區域間的第三波導路區域而第三波導路區域的構成與實施例6中者不同。
具體地說，在實施例8的激光元件的結構中的第三波導路區域C3是由在p型包層111與p型接觸層112上的第三脊構成，如圖15A所示，第三脊向著第一波導路區域減小其寬度。
即，按照實施例8，形成第三波導路區域能夠將寬度不同的第一波導路區域與第二波導路區域進行連接而不必分別改變波導路寬度。
在此，圖15A為實施例8的激光元件的結構的立體圖而圖15B為活性層的剖視圖。在圖15B中第二脊底部的寬度為Sw1而第一脊活性層部分的寬度為Sw2。
在此，圖15B中的假想線(點劃線)是第二脊與第三脊在活性層橫斷平面上的投影。因第二波導路區域與第三波導路區域的波導路是通過在對應于第二脊與第三脊的活性層內設置有效折射率差而構成，該假想線(點劃線)實質上可視為表示第二波導路區域與第三波導路區域的波導路。
上述制造的實施例8的激光元件的結構有與實施例1類似的優異特性。
(實施例9)實施例9為以與實施例1不同的方法制造類似于實施例1結構激光元件的舉例。
即，在實施例9中第二脊是在已形成第一脊后才形成。
具體地說，在形成疊層的各層后，如圖5A所示在層狀結構體表面上形成條形第一保護膜161。然后，如圖6A所示在除第一保護膜161的一部分外(將要形成第一波導路區域處)形成第三保護膜163并將第一保護膜161的兩側蝕刻至露出下方包層5(n型包層106)的深度而如圖6B所示形成第一脊201。然后，在暫時除去第三保護膜163后，如圖6C所示形成第三保護膜163蓋住第一脊201，在此情形下除第一保護膜161兩側部分外將要形成第二波導路區域的部分至少由第一保護膜及第三保護膜163中的一個所掩蓋。造成此一狀態后再將未被第一保護膜161與第三保護膜163蓋住的區域蝕刻至未到達活性層的深度。
此時，將構成第一波導路區域C1與第二波導路區域C2的脊的寬度與高度定在與實施例1類似的值。然后，將第一波導路區域C1上的第三保護膜163除去而僅留下成為條形蔽罩的第一保護膜161，接著進行類似于實施例1的后續處理而在長條的側面上及從該處繼續的氮化物半導體層表面上形成第二保護膜(埋入層)。于是，即獲得與實施例1類似的激光元件。按照上述實施例9的方法，雖然處理工序次數較實施例1的方法有所增加，但可制出與實施例1類似的激光元件。
(實施例10)實施例10為使用氮化物半導體基體制造激光元件的舉例，其基本置的構成有圖8所示結構的第二波導路區域C2及圖9所示結構的第一波導路區域C1。
(基體101)在實施例10中使用以下述方式制造的厚度為80μm的氮化鎵氮化物半導體基體。
在此，首先，準備一個425μm厚直徑為2寸及主要平面在C平面上而取向扁平表面在A平面的藍寶石基體作為在氮化物半導體上生長的不同材料基體。晶片后放入一金屬有機化學汽相淀積(MOCVD)反應容器中。然后，將溫度定在510℃并使用氫作為載流子氣體及氨與TMG作為原料氣體在藍寶石基體上形成200厚的低溫生長氮化鎵緩沖層，接著將溫度定至1050℃使用TMG與氨作為原料氣體生成2.5μm厚未摻雜的氮化鎵基本層。在從與藍寶石基體取向扁平表面(A平面)垂直方向θ＝0.3°的方向形成若干個每個6μm寬相互平行的長條形二氧化硅蔽罩而使蔽罩間之間隔(蔽罩小孔)為14μm。然后，將基體放回MOCVD器具而生成15μm厚未摻雜的氮化鎵。在此一工序中，選擇性地透過蔽罩小孔生成的氮化鎵主要生在蔽罩小孔內的縱向(厚度方向)及蔽罩上的橫向而形成蓋住蔽罩與蔽罩小孔的基本層。以上述方式生成的基本層中可減少橫向生成氮化物半導體層內穿通錯位的發生。特別是穿通錯位發生的情形為在蔽罩小孔上與蔽罩中心周圍從蔽罩兩側橫向到達正在生長中氮化物半導體前部相接處的錯位密度增至大約1010/cm2時除其中心部分外蔽罩上的錯位密度減至約108/cm2。
然后，將晶片放入鹵素汽相磊晶(HVPE)器具內而在基本層上生成約100μm厚未摻雜的氮化鎵(生長至約100μm厚的層即稱為厚膜層)。然后，將不同材料的基體、低溫生長的緩沖層、基本層及一部分厚膜層除去僅留下厚膜層(單一化)而獲得80μm厚的氮化鎵基體層。雖然以HVPE形成的厚膜層也可以用氮化鎵以外的氮化物半導體制成，但最好使用氮化鎵或氮化鋁，這樣容易生成按照本發明有良好結晶性的厚氮化物半導體層。不同材料的基體可以在下面，所說的形成元件結構后或形成波導路或電極后除去。當不同材料的基體在將晶片分割成棒形或晶片前除去時，氮化物半導體的分裂平面(近似六邊形系統的{11-00}M平面，{1010}A平面，{0001}C平面)在切割或分裂成晶片時可以進行使用。
(基本層102)在氮化物半導體基體上形成一大約15μm厚的基本層102而使得也可以橫向生長。形成時可使用在制作氮化物半導體基體時所用類似于基本層的條形二氧化硅蔽罩。
(緩沖層103)接著，在基本層102上形成未摻雜的AlGaN(鋁的比例為0.01)所制緩沖層103。雖然若使用橫向生長的基體為氮化鎵所制或使用橫向生長所形成的基本層為氮化鎵所制時可以免去緩沖層103，但最好還是形成緩沖層103因為使用熱膨脹系數較氮化鎵低的氮化物半導體，也即AlaGa1-aN(0＜a≤1)或此類材料所制的緩沖層103可減少有小坑的發生。也即當一種氮化物半導體如同基本層102的情形生成在伴隨有橫向生長的另一種類型氮化物半導體上時就可能出現小坑，緩沖層103有防止出現小坑的效果。
而且，緩沖層103所含鋁的比例也最好為0＜a＜0.3，如此可形成有良好結晶性的緩沖層。形成緩沖層103后可形成一其成分類似于緩沖層的n型接觸層，如此也可以給予n型接觸層104緩沖效果。也即當至少具有一個緩沖層形成在橫向生成層(氮化鎵基體)與構成元件結構的氮化物半導體層之間或在元件結構內活性層與橫向生成層(氮化鎵基體)之間時，緩沖層103會滅少小坑并改善元件的特性，緩沖層最好在元件結構內基體邊下方包層與橫向生成層(氮化鎵基體)之間。
當緩沖層也執行n型接觸層的功能時，其中含鋁的比例最好在0.1以內而可有與電極的良好電阻接觸。形成于基本層102上的緩沖層可類似于上述形成于不同材料基體上的緩沖層以300至900℃范圍內的低溫生成，溫度在800至1200℃范圍內的單一晶體生長可改善減少小坑的效果。再者，緩沖層103可摻雜n型或p型雜質，也可以不摻雜，不過最好是不摻雜而生長能有良好的結晶性。若設置兩個或更多緩沖層時，可變更n型或p型雜質濃度與/或鋁的比例來形成此等層。
(n型接觸層104)在緩沖層103上形成4μm厚摻雜有3×1018/cm3濃度硅的Al0.01Ga0.99N所制的n型接觸層104。
(防裂層105)在n型接觸層104上形成0.15μm厚In0.06Ga0.94N所制的防裂層105。
(n型包層106)在防裂層105上形成總厚度為1.2μm超晶格結構的n型包層106。
具體地說，n型包層106是以交互疊層膜厚25的未摻雜Al0.05Ga0.95N層和膜厚25、摻有1×1019/cm3濃度硅的氮化鎵GaN層的方式形成。
(n型光導引層107)在n型包層106上形成0.15μm厚未摻雜的氮化鎵n型光導引層107。
(活性層108)在n型光導引層107上形成總厚度為550的多重量子井結構活性層108。
活性層108是以140厚摻有5×1018/cm3濃度硅的In0.05Ga0.95N所制的阻擋層(B)與50厚未摻雜的In0.13Ga0.87N所制井層(W)而以(B)-(W)-(B)-(W)-(B)的次序形成。
(p型電子限制層109)在活性層108上形成100膜厚的摻有1×1020/cm3濃度鎂的p型Al0.3Ga0.7N所制p型電子限制層109。
(p型光導引層110)在p型電子限制層109上形成0.15μm膜厚的摻有1×1018/cm3濃度鎂的p型氮化鎵所制p型光導引層110。
(p型包層111)在光導引層110上形成一個總厚度0.45μm的超晶格結構p型包層111。
p型包層111的形成是疊層25膜厚的未摻雜的Al0.05Ga0.95N與摻有1×1020/cm3濃度鎂的氮化鎵層。
(p接觸層112)在p型包層111上形成摻有2×1020/cm3濃度鎂150膜厚的n-氮化鎵所制p型接觸層112。
如以上所述，形成從n型接觸層104至p型接觸層112的元件結構后，n型接觸層104被露出出來并進行蝕刻而形成該31及第二波導路區域C2且在第一脊與第二脊側面及伸至其處的氮化物半導體層表面上形成第二保護膜162(埋入層)，其情形與實施例1類似。此時將第二脊兩側的p型光導引層110蝕刻至使膜變為0.1μm厚的深度而形成構成第二波導路區域C2的第二脊。
下面，將說明形成實施例10的激光元件的諧振器面的方法。在實施例10中通過放置一對激光元件并使的在與一對稱平面的對稱安排中相對即可有效形成諧振器面。
特別是在10μm長的第一波導路區域C1(一對相耦合激光元件的第一波導路區域)(圖17B中IIIb與IVb部分)的兩側各形成每個為645μm長的第二波導路區域C2。
第二波導路區域C2兩側上的外端面在蝕刻使n型接觸層露出時也同時形成。
然后，與實施例1相似在n型接觸層104與p型接觸層112的表面形成n型電極121與p型電極120。
接著在已露出的整個表面，包括第二波導路區域的端面及構成波導路區域各脊的側面在內，形成介質多層膜所制的絕緣膜(反射膜)164。
如此形成的絕緣膜164在所述第二波導路區域C2的端面有反射膜的功能而在其他部分則有絕緣膜功能(特別是防止pn電極間短路的功能)。在實施例10中p型電極120形成于p型接觸層的一部分上，其寬度較p型接觸層112長條的寬度小而不似圖8與9中所示者。p型電極120僅形成在所述第二波導路區域向著長條方向的頂部而與第二波導路區域C2的端部有一小段距離。
雖然將n型與p型電極上的一部分絕緣膜164除去使電極露出而形成在電極表面上有電連接的增耗墊電極122，123。
接著在10μm的第一波導路區域C1中心周圍(圖17B E-E線所指者)沿著M表面將氮化物半導體分裂成棒形，再沿著與元件間分裂M平面垂直的A平面向著與諧振器平行的方向將此等棒分裂而獲得晶片。上述所獲得的激光晶片有大約5μm長的第一波導路區域C1與645μm長的第二波導路區域C2，第一波導路區域C1的端面用作發光邊，與實施例1中者類似。
上述所獲得的激光元件有2.5kA/cm2的臨界電流密度及室溫4.5V的臨界電壓連同用于所射出激光束的405nm振蕩波長與1.5的縱橫尺寸比。在30mW連續振蕩時，該激光元件可以在高輸出功率上操作1000小時或更長。該激光元件能在5mW至80mW輸出范圍連續振蕩并有適用于此一輸出范圍中光盤系統光源的光束特性。
(實施例11)在實施例11中，激光元件的構造是用80μm厚的摻硅n-氮化鎵作為基體101而不是用實施例10中的未摻雜80μm厚的氮化鎵。摻硅n型氮化鎵的制成是在不同材料基體上形成一個低溫生長緩沖層并形成一個伴隨有橫向生長的基本層且以鹵素汽相磊晶術形成一個100μm厚的摻硅n型氮化鎵厚膜，然后，除去不同材料基體。
在實施例11中以摻硅Al0.01Ga0.99N所制的緩沖層103是形成于n型氮化鎵基體101上而其上與實施例1類似已經形成疊層的從n型接觸層104到p型接觸層112的各層。
然后，以蝕刻形成一分隔槽而露出p型接觸層112的表面以便界定將要形成的元件波導路區域位置。在實施例11中與實施例1不同的是不需要空間用于在露出的n型接觸層表面上形成n型電極以便于基體兩側制成相對電極的結構而不必在同一邊形成一對正與負的電極。所以鄰接的元件較的實施例9更能靠近。
而且，在實施例11中，以蝕刻露出n型接觸層來界定不同區域，但也可以不用蝕刻而以下述方式達成結構的相對安排。形成分隔槽時可使n型接觸層與基體間的層露出或者形成分隔槽而露出基體。再者，若藉露出基體來形成分隔槽時，可將基體蝕刻至中途而露出基體。并不需要為每一元件界定一個區域時，如實施例9所述可形成一個區域共同構成兩個元件或三個元件(例如圖17A與17B所示的III與IV部分即是共同形成者)。
同樣在與導光方向垂直的方向可連續形成若干區域而不必在元件間形成分隔槽。
以蝕刻深于活性層方式形成分隔槽并沿槽(如圖17A與17B所示的A-A部分)分割可避免活性層因分割而裂開成片。
在實施例11中，每一元件的區域均分開而成個別元件。然后，與實施例10類似形成構成波導路區域的條形脊并在對應于每一元件的每一區形成第一波導路區域C1與第二波導路區域C2。第一波導路區域的長條長度為10μm。
接著，與實施例10類似僅在所述第二波導路區域C2內p型接觸層表面上形成其寬度小于p型接觸層寬度的條形p型電極。條形p型電極的長度不要到達構成第二波導路區域C2的第二脊的端面而要與的稍微隔開。
然后，在基體背面(相對于其上形成元件結構的基體表面)形成一n型電極。接著與實施例10類似在形成元件結構處基體邊的整個表面上形成一介質多層膜的絕緣膜(反射膜)164且在有一部分p型電極露出情形下形成一增耗墊電極與相對的p型電極電連接。
最后，在位于第一波導路區域C1中心處的D-D切割位置垂直于諧振器的方向沿著元件間A-A切割位置的基體M平面分裂而分成棒形并沿垂直于分裂平面的A平面在元件間進行分裂而獲得晶片形式的激光元件。
上述獲得的激光元件有在所述第一波導路區域C1端部處的分裂表面及在所述第二波導路區域C2端部其上有反射膜的蝕刻端面作為諧振器面并能夠有激光振蕩。所述的激光元件有與實施例10中類似的優異激光特性。
(實施例12)實施例12的激光元件的制成是在蝕刻至n型接觸層的同時形成諧振器端面并在實施例10中蝕刻至基體后沿著圖17A所示I與II中的AA切割表面將諧振器面間的基體分開。此時從諧振器端面突出部分的尺寸定為3μm。上述所獲得的激光元件有與實施例10類似的元件特性與光學特性的優異激光特性。
(比較例1)比較例1所制的激光元件有形成在其全部長度上的第二波導路區域C2但并不形成第一波導路區域C1。
在比較例1中，構成元件的各層類似于實施例1的相互疊層。然后，如圖5B所示以第一保護膜161作為蔽罩而形成第二個條形脊從元件的一個端面伸至另一端面。
然后，在形成于第一脊整個長度上及其被蝕刻露出的兩側表面上的第一脊側面形成二氧化鋯的保護膜。然后，將晶片浸入氫氟酸中而以抹去法除去第一保護膜161。于是，與實施例1類似形成諧振器面與電極而獲得僅有構成第二波導路區域C2第二脊的比較例1的激光元件的。
在如上所述制造的比較例1的激光元件的中很難有效抑制不必要的橫向模式而降低橫向模式的穩定性且會經常發生在電流-光學輸出特性中的扭折。
特別是在較大光學輸出功率的高輸出范圍內，例如光盤系統中書寫資料所需的30mW輸出功率，可能會發生橫向模式的移位。也因為元件特性對第一個條形脊尺寸精度的敏感性，元件間會有很大變化而難以改善生產量，如圖10所示。激光束光點的縱橫尺寸比大部分在2.5至3.0范圍內，這意味著相當低的生產量，除非縱橫尺寸比的可接收標準能在2.0或更低。
下面，將說明為本發明的激光元件構造效果(激光元件使用壽命、驅動電流及橫向模式的可控性)所作調查的結果。
在調查中使用類似于實施例1的元件構造(半導體疊層結構)來制造不同脊高度的激光元件并改變蝕刻深度且對該激光元件的使用壽命、驅動電流及橫向模式可控性進行確定。
圖12是表示不同蝕刻深度激光元件的使用壽命(測試時的光學輸出功率為30mW)。
如圖12所示，當蝕刻深度接近p型包層與p型光導引層的邊界時，元件的壽命最長但當蝕刻深度減小時壽命也變短。當蝕刻接近p型包層與p型光導引層的邊界時，激光元件突然下降，這表示當條形的波導路區域是蝕刻至到達活性層的深度而形成時對元件壽命發生重大不良影響。所示在考慮元件壽命時，以蝕刻深度不到達p型電子限制層為較好。也可以了解當脊是在p型包層與p型光導引層間交界處上方與下方蝕刻至0.1μm范圍內的深度而形成時可有很長的使用壽命。當考慮在厚度方向對光的限制時，蝕刻的深度最好勿到達p型導引層。在這一方面，蝕刻深度最好是到達p型包層與p型光導引層介面上方0.1μm。
圖10是表示不同蝕刻深度合格率的曲線圖。從圖10可看出蝕刻深度深于p型包層與p型光導引層介面上方0.1μm的點時可有高接受比率。圖10所示的合格率是表示有振蕩能力的元件以5mW振蕩于基本單一橫向模式內的比例而此時波導路區域的長條寬度為1.8μm。
對留在脊兩側的p型包層蝕刻至0.1μm或更大深度時會突然發生扭折而導致合格率的大幅下降。
圖11是表示作為蝕刻深度函數的驅動電壓(光學輸出為30mW)，調查時波導路區域寬度定在1.8μm。從圖11可清楚看出當蝕刻深于活性層邊p型光導引層的中點時(厚度方向的中點)，不管蝕刻的深度為何驅動電流均保持為恒定的50mA。當蝕刻深度從p型光導引層中點減小時，p型包層與p型光導引層交界處上方的電流逐漸增至0.1μm而當p型包層與p型光導引層交界處上方的蝕刻深度淺于0.1μm時(使脊的兩側保持0.1μm厚度或較厚的p型包層的蝕刻深度)，電流會突然增大。當蝕刻至剩下0.25μm厚度或較厚的p型包層時即無法達到30mW的光學輸出。
(比較例2)比較例2中所制造的激光元件有形成于其整個長度上的第一波導路區域而無實施例1中的第二波導路區域。
在比較例2中，構成元件結構的各層與實施例1類似也是疊層起來。接著如圖5A所示構成第一波導路區域C1的條形脊的形成是先形成條形的第一保護膜161再對第一保護膜兩側的區域蝕刻至到達下包層5的深度。然后，在脊的頂部表面與側面及其被蝕刻露出的兩側表面上形成二氧化鋯的保護膜。接著將晶片浸入氫氟酸中而以抹去法除去第一保護膜161。然后，與實施例1相似形成諧振器面與電極而獲得僅有第一波導路區域C1及圖9所示斷面結構的激光元件。在比較例2中條形脊的形成與比較例1的第一波導路區域C1類似是將留在脊兩側的p型包層蝕刻至使其厚度為0.2μm的深度。
如此所獲得的激光元件較實施例1中者使用壽命較短因為長條的形成是蝕刻至深于活性層而無法制造出實際有用的激光元件因其僅有圖12所示的短使用壽命。
產業上應用的可能性本發明的激光元件有第一波導路區域C1與第二波導路區域C2用作在諧振器方向的波導路，所以能設置優異的元件可靠性與橫向模式控制性。本發明進行簡單的設計修改也可以設置有各種元件特性的激光元件。
另外，以往，在一些相沖突的項目諸如同時在橫向模式中有元件可靠性與穩定振蕩的實際實很難達到優異元件特性的情形下，本發明的激光元件具有優異的生產率、可靠性及元件特性。再者，在一部分諧振器面發光邊上設置第一波導路區域C1能獲得具有各種光點形狀與各種縱橫尺寸比的激光束。因此，本發明能達到各種光束特性并且有擴展激光元件應用范圍的重大效果。
以往，在使用了氮化物半導體的半導體激光元件中，晶體的再生及、質子等離子的注入很困難，所以僅有條形激光元件可以達到良好的生產量與生產率，而且，如果具有含In的氮化物半導體的活性層露出到空氣中，，會有相當大的損害，元件使用壽命會大幅度降低，所以僅能選用有效折射率型的激光元件。但與此相比，本發明的激光元件具有第一波導路區域C1和第二波導路區域C2，所以能達成對橫向模式的控制及有優異的光束特性并保證元件的可靠性。另外，其元件的結構也允許即使是大量生產也能以優異的產品合格率來進行制造，使利用了氮化物半導體的半導體激光元件的應用及其迅速普及成為可能。而且，能提供當用作高錄制密度光盤系統的光源時，在用于數據讀出時(5mW)及數據寫入時(30mW)的兩方面的光輸出功率范圍內，并無橫向模式移位，而且即使以30mW驅動也能超過1000小時的優異激光元件，作為光源，縱橫尺寸比為1.0～1.5的范圍。
權利要求
1.一種半導體激光元件的制造方法，其特征在于，包括在n型GaN基板上依次疊層至少由氮化物半導體構成的第一導電型層、活性層和第二導電型層的工序；在由所述工序疊層的晶片上，將規定波導路區域的長度的分隔槽形成為槽的底面比活性層更深的工序；在所述第二導電型層上設置條形凸部，形成由有效折射率關住光的第二波導路的工序；在所述條形凸部下設置包含活性層的條形凸部，形成由完全折射率關住光的第一波導路的工序；將所述晶片以分裂面成為諧振器面的方式在所述分隔槽分裂的分裂工序。
2.如權利要求1所述的半導體激光元件的制造方法，其特征在于，所述分隔槽和波導路通過蝕刻形成。
3.如權利要求1或2所述的半導體激光元件的制造方法，其特征在于，所述分隔槽的底面被形成為使所述n型GaN基板露出。
4.如權利要求1所述的半導體激光元件的制造方法，其特征在于，所述分裂面是M面。
5.如權利要求4所述的半導體激光元件的制造方法，其特征在于，包括在所述分裂工序中將所述晶片形成為棒狀后在A面分裂而切片化的工序。
6.如權利要求1所述的半導體激光元件的制造方法，其特征在于，包括以夾住所述n型GaN基板而使電極對置的方式形成電極的工序。
7.如權利要求1所述的半導體激光元件的制造方法，其特征在于，所述n型GaN基板通過HVPE形成。
8.一種半導體激光元件，其利用權利要求1～7中任一項所述的半導體激光元件的制造方法制造。
全文摘要
本發明提供一種半導體激光元件的制造方法，其特征在于，包括在n型GaN基板上依次疊層至少由氮化物半導體構成的第一導電型層、活性層和第二導電型層的工序；在由所述工序疊層的晶片上，將規定波導路區域的長度的分隔槽形成為槽的底面比活性層更深的工序；在所述第二導電型層上設置條形凸部，形成由有效折射率關住光的第二波導路的工序；在所述條形凸部下設置包含活性層的條形凸部，形成由完全折射率關住光的第一波導路的工序；將所述晶片以分裂面成為諧振器面的方式在所述分隔槽分裂的分裂工序。
文檔編號H01S5/343GK1877934SQ20061009583
公開日2006年12月13日 申請日期2001年4月25日 優先權日2000年6月8日
發明者松村拓明 申請人:日亞化學工業株式會社