半導體激光器件和半導體激光器件制造方法

專利名稱：半導體激光器件和半導體激光器件制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體激光器件和半導體激光器件制造方法，所述半導體激光器件在諧振器(resonator)面上設置有特定結構的保護膜。
背景技術：
在實際應用中，高輸出化合物半導體激光器件例如被用于光盤或者磁光盤(magneto-optical disk)的寫入。圖I中的(A)和(B)是示出了一般的化合物半導體激光器件的結構的示意性剖面圖。圖I中的(A)示出了在激光條紋(laser stripe)的垂直方向上的結構，圖I中的(B)示出了在激光條紋的水平方向上的結構。圖I中的半導體激光器件10具有形成于基板11上的n型熔覆層(claddinglayer) 12、量子講發光層13和p型熔覆層14。在p側和n側分別形成有p側電極15和n側電極16。半導體激光器件10具有前端面17和后端面18，它們用作相互面對的諧振器面。在前端面17和后端面18每一者上分別形成有端面保護膜。在前端面(光出射側端面)17上沉積有氧化鋁(Al2O3)單層膜19作為端面保護膜，而在后端面(光反射側端面)18上沉積有由氧化鋁(Al2O3) 20和氧化鈦(TiO2) 21組成的多層膜作為端面保護膜。隨著與更高輸出有關的工作電流的增大，如上所述的化合物半導體激光器件就出現了端面劣化的問題。研究結果表明光出射部的損壞導致了突然劣化。光出射部的劣化是由如下原因引起的形成于半導體與保護膜之間界面處的非發光式復合能級(non-radiative recombination level)吸收光，并且在光出射部中產生了過度發熱。人們認為出現上述非發光式復合能級的主要原因包括半導體的氧化、在半導體與保護膜之間界面處存在的晶體缺陷，等等。為了解決這些問題，曾經提出了通過改變端面保護膜的材料來獲得改善的各種技術(例如參見專利文獻I至7)。專利文獻I披露了一種半導體激光器件在該半導體激光器件中，保護膜結構設置有多孔膜/致密膜，并且使用SiN、BN、AlN和GaN作為保護膜材料。專利文獻2披露了一種半導體激光器件在該半導體激光器件中，保護膜結構是同軸取向晶體/異軸取向晶體，并且使用氮化物作為保護膜材料。專利文獻3披露了一種半導體激光器件在該半導體激光器件中，保護膜結構是單層的異軸取向晶體，并且使用氮化物作為保護膜材料。專利文獻4披露了一種半導體激光器件在該半導體激光器件中，保護膜結構是六方晶系結構，并且使用ZnO、AIN、GaN和BN作為保護膜材料。專利文獻5披露了一種半導體激光器件在該半導體激光器件中，保護膜結構是、局部非晶的，并且使用AlN作為保護膜材料。專利文獻6披露了一種半導體激光器件在該半導體激光器件中，保護膜結構是同軸晶體，并且使用Al-O-N和AlN作為保護膜材料。專利文獻7披露了一種半導體激光器件在該半導體激光器件中，保護膜結構是結晶膜，并且使用AlmGaxInyBzN作為保護膜材料。相關技術參考專利文獻專利文獻I:日本專利特許公報第3774503號專利文獻2:特開公報第JP-A-2008-182208號
專利文獻3:特開公報第JP-A-2009-76858號專利文獻4:特開公報第JP-A-2006-203162號專利文獻5:特開公報第JP-A-2007-103814號專利文獻6:特開公報第JP-A-2007-273951號專利文獻7:特開公報第JP-A-2000-49410號

發明內容
本發明要解決的問題雖然如上所述在已經提出的半導體激光器件中都使用了氮化物材料作為端面保護膜的材料，但是膜結構采用了各種各樣的結構形式。在這些半導體激光器件中，仍然難以可靠地抑制由于界面氧化和畸變出現(distortion application)而導致的端面劣化。因此，本發明的目的在于提供一種半導體激光器件，該半導體激光器件能夠可靠地抑制由于界面氧化和畸變出現而導致的端面劣化，本發明的目的還在于提供這種半導體激光器件的制造方法。解決問題的手段根據本發明的第一個方面，半導體激光器件包括具有相互面對的諧振器面的激光結構部，還包括形成于所述相互面對的諧振器面中的至少一者上的保護膜，其中所述保護膜是由具有多段結構的氮化物電介質膜形成的，所述多段結構的晶體結構從與所述諧振器面相接觸的那一側起包含非晶層和多晶層。根據本發明的第二個方面，半導體激光器件制造方法包括第一步和第二步，在所述第一步中形成具有相互面對的諧振器面的激光結構部，在所述第二步中在所述相互面對的諧振器面中的至少一者上形成保護膜，其中所述保護膜是由具有多段結構的氮化物電介質膜形成的，所述多段結構的晶體結構從與所述諧振器面相接觸的那一側起包含非晶層和
多晶層。本發明的效果根據本發明，能夠可靠地抑制由于界面氧化和畸變出現而導致的端面劣化。


圖I是示出了一般的化合物半導體激光器件的結構的示意性剖面圖。
圖2是示出了本發明實施例的化合物半導體激光器件的結構的示意性剖面圖。圖3不出了用明場STEM(掃描透射電子顯微鏡；Scanning Transmission ElectronMicroscope)得到的在GaAs半導體端面上的AlN保護膜的截面圖像。圖4 是用明場 TEM (透射電子顯微鏡；Transmission Electron Microscope)得到的在GaAs半導體端面上的AlN保護膜的截面圖像以及電子衍射圖像。圖5示出了化合物半導體的帶隙與纖鋅礦型(wurtzite type) AlN的晶格失配度(lattice mismatching)之間的關系。圖6示出了 GaN化合物半導體的端面AlN的高分辨率TEM圖像。圖7示出了在具有端面保護膜的半導體激光器件中激光工作時間與 激光輸出劣化率之間的關系。圖8示出了在GaN基半導體和AlGaInP基半導體中由于AlN覆蓋膜而導致的畸變的TEM圖像。
具體實施例方式下面將參照附圖來說明本發明的實施例。按照下面的順序進行說明。I、半導體激光器件的結構示例2、TEM圖像分析3、六方晶系的鑒別方法4、具有端面保護膜的半導體激光器件的工作時間的評估I、半導體激光器件的結構示例圖2中的(A)和(B)是示出了本發明實施例的化合物半導體激光器件的結構的示意性剖面圖。圖2中的(A)示出了在激光條紋的垂直方向上的結構。圖2中的(B)示出了在激光條紋的水平方向上的結構。圖2中的半導體激光器件100設置有形成于基板101上的n型熔覆層102、量子阱發光層103和p型熔覆層104。在p側和n側分別形成有p側電極105和n側電極106。半導體激光器件100具有前端面(第一端面)108和后端面(第二端面)109，前端面108和后端面109將激光結構部107形成為諧振器，并且前端面108和后端面109作為相互面對的諧振器面。在前端面108和后端面109每一者上形成有端面保護膜。上述前端面對應于第一端面，上述后端面對應于第二端面。在本實施例的半導體激光器件100中，通過從前端面108側將非晶氮化物膜111和多晶氮化物膜112堆疊起來而構成的第一電介質保護膜110被形成為前端面(光出射側端面)108上的端面保護膜。與前端面那一側類似，在后端面(光反射側端面)109上形成有通過從后端面109側將非晶氮化物膜121和多晶氮化物膜122堆疊起來而構成的第二電介質保護膜120。例如，將氮化鋁AlN用于第一電介質保護膜110和第二電介質保護膜120。這樣的非晶層可以包含微晶體。以這樣的方式，在本實施例中，非晶氮化物膜111和非晶氮化物膜121被形成得分別與作為諧振器的激光結構部107的前端面108和后端面109接觸，并且在非晶氮化物膜Ill和非晶氮化物膜121上分別形成有多晶氮化物膜112和多晶氮化物膜122。由于非晶氮化物膜111和非晶氮化物膜121被形成為分別與前端面108和后端面109接觸，所以消除了對半導體的供氧，從而抑制了半導體界面的氧化，并且由于上述非晶膜因而減少了施加給半導體界面的畸變。例如，非晶氮化物膜111和非晶氮化物膜121每一者均被形成為具有被設為5nm
以下的膜厚度。半導體激光器件100設置有由氧化物或氮化物制成的第三電介質保護膜113，該第三電介質保護膜113被沉積于前端面108側以便保護第一電介質保護膜110。具體地，第三電介質保護膜113形成于第一電介質保護膜110的多晶氮化物膜112的與非晶氮化物膜111接觸的那一側的相反側。 在后端面109側，形成有多層結構膜125，該多層結構膜125包括由氧化物或氮化物形成的電介質膜123-1和123-2且還包括氧化鈦(TiO2)膜124-1和124-2。具體地，在后端面109側，在第二電介質保護膜120的與多晶層122相接觸的那一側形成有多層結構膜125，該多層結構膜125是通過重復堆疊多層電介質膜而設置成的。具體而言，多層結構膜125形成于第二電介質保護膜120的多晶氮化物膜122的與非晶氮化物膜121接觸的那一側的相反側。例如，使用氧化硅(SiO2)或者氧化鋁(Al2O3)作為電介質膜123-1和電介質膜123-2。現在說明半導體激光器件10的制造方法的示例。例如，如圖2中的(A)中所示，在n型(例如GaAs)基板101上形成與GaAs晶格匹配的n-InGaP熔覆層102，并且在n_InGaP熔覆層102與n型基板101之間夾有GaAs緩沖層(未圖不)。接著，用IrvxGaxAsyP1I勢壘層和InzGai_zAs量子阱層形成量子阱發光層103。另外,形成與GaAs基板晶格匹配的p_InGaP熔覆層104,還形成p_GaAs光波導層和p-GaAs覆蓋層。上述這些層是用MOVPE法或氣體源MBE法或CBE法依次形成的。接著，通過例如把氧化物膜用作掩模利用光刻處理來形成脊狀體(ridge)。在該蝕刻過程中可以使用諸如濕式蝕刻、RIE或RIBE等任意方法。進行上述蝕刻過程并在P-InGaP熔覆層104中的某處停止蝕刻，使得完全去除P-GaAs光波導層并且未到達量子阱發光層103。接著，使用上述被用作蝕刻掩模的氧化物膜作為選擇性生長用掩模，從而用MOVPE法進行n-InGaP電流限制層(未圖示)的選擇性生長。然后，從生長爐中取出晶片，并且通過蝕刻過程把上述用作選擇性生長用掩模的氧化物膜去除。接著，通過MOVPE法或MBE法形成p-GaAs接觸層。在形成P側歐姆電極105和n側歐姆電極106之后，通過劈開法(cleavagemethod)獲得了具有預定的諧振器長度的激光器件。然后，如圖2中的(B)所示，沉積AlN保護膜110和AlN保護膜120。通過使用Al靶材并在Ar和N2氣體環境中進行DC濺射，來完成上述AlN膜的沉積。
本發明不限于該制造方法。在制造方法上沒有限制，可以使用采用Al靶材或AlN靶材的RF濺射法，或者可以使用ECR濺射法或EB蒸發法等。然后，在前端面108側沉積第三電介質保護膜113作為第一電介質保護膜110的
保護膜。在后端面109側沉積由SiO2和TiO2制成的多層結構膜125作為第一電介質保護膜110的保護膜。2、TEM圖像分析對如上所述制造出來的半導體激光器件100的GaAs半導體端面部進行分析。圖3和圖4示出了 GaAs半導體端面上的AlN保護膜的剖面TEM圖像。圖3不出了用明場STEM(掃描透射電子顯微鏡；Scanning Transmission ElectronMicroscope)得到的在GaAs半導體端面上的AlN保護膜的剖面圖像。圖4中的(A)示出了用明場TEM (透射電子顯微鏡；Transmission ElectronMicroscope)得到的在GaAs半導體端面上的AlN保護膜的剖面圖像，圖4中的(B)示出了電子衍射圖像。在圖3中，示出了在GaAs半導體130的界面處形成有大約3nm的非晶AlN膜131，并且在表面層上形成有多晶AlN膜132。在圖4中，多晶AlN膜133的晶體結構被鑒別為六方結構(纖鋅礦型)。3、六方晶系的鑒別方法下面說明將多晶AlN膜的晶體結構鑒別為六方結構(纖鋅礦型)的鑒別方法。參照表1，該表I示出了 AlN晶體結構的面間距以及端面AlN膜的面間距的測量值。AlN晶體的可能的晶體結構是閃鋅礦型(zinc blende type)(立方晶系)和纖鋅礦型(六方晶系)。根據各種結構中的面間距的文獻值與被測樣品的面間距之間的比較來鑒別晶體結構。如表I中所示，測量得到的面間距與纖鋅礦型(六方晶系)的面間距非常一致，因此 本覆蓋膜中的多晶AlN被鑒別為六方晶系。表IAlN晶體結構的面間距以及端面AlN膜的面間距的測量值
權利要求
1.一種半導體激光器件，其包括 激光結構部，所述激光結構部具有相互面對的諧振器端面；以及 保護膜，所述保護膜形成于所述相互面對的諧振器端面中的至少一者上， 其中，所述保護膜是由具有多段結構的氮化物電介質膜形成的，所述多段結構的晶體結構從與所述諧振器端面相接觸的那一側起包含非晶層和多晶層。
2.根據權利要求I所述的半導體激光器件，其中，所述保護膜的所述多晶層具有六方晶系晶體結構。
3.根據權利要求2所述的半導體激光器件，其中，半導體的晶格常數a與所述保護膜中的所述六方晶系晶體結構的晶格常數a之間的晶格失配度為50%以上。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的半導體激光器件，其中，所述保護膜包含氮化物材料，所述氮化物材料的帶隙能高于活性層的帶隙能。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的半導體激光器件，其中， 對于形成于光出射側的第一端面上的所述保護膜，在該保護膜的所述多晶層的與所述非晶層相接觸的那一側的相反側上形成有電介質保護膜。
6.根據權利要求I至5中任一項所述的半導體激光器件，其中， 對于形成于光反射側的第二端面上的所述保護膜，在該保護膜的所述多晶層的與所述非晶層相接觸的那一側的相反側上通過重復堆疊多層電介質膜設置有多層結構膜， 所述光反射側的第二端面與所述光反射側的第一端面是相互面對的。
7.一種半導體激光器件制造方法，其包括以下步驟 第一步形成具有相互面對的諧振器面的激光結構部；以及 第二步在所述相互面對的諧振器面中的至少一者上形成保護膜， 其中，所述保護膜是由具有多段結構的氮化物電介質膜形成的，所述多段結構的晶體結構從與所述諧振器面相接觸的那一側起包含非晶層和多晶層。
8.根據權利要求7所述的半導體激光器件制造方法，其中，所述保護膜的所述多晶層具有六方晶系晶體結構。
9.根據權利要求8所述的半導體激光器件制造方法，其中，半導體的晶格常數a與所述保護膜中的所述六方晶系晶體結構的晶格常數a之間的晶格失配度為50%以上。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的半導體激光器件制造方法，其中，所述保護膜包含氮化物材料，所述氮化物材料的帶隙能高于活性層的帶隙能。
全文摘要
本發明涉及半導體激光器件和半導體激光器件制造方法。所述半導體激光器件能夠可靠地抑制由于界面氧化和畸變出現而導致的端面劣化。所述半導體激光器件設置有具有相互面對的諧振器端面(108、109)的激光結構部(107)，還設置有形成于所述相互面對的諧振器端面中的至少一者上的保護膜(110、120)。所述保護膜(110、120)是由具有多段結構的氮化物電介質膜形成的，所述多段結構的晶體結構從與所述諧振器端面相接觸的那一側起包含非晶層(111、121)和多晶層(112、122)。
文檔編號H01S5/028GK102714393SQ201180005910
公開日2012年10月3日 申請日期2011年11月11日 優先權日2010年11月19日
發明者丹下貴志, 冨谷茂隆 申請人:索尼公司