專利名稱：半導體二極管激光器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體二極管激光器，這種激光器有一個半導體本體，該半導體本體有一個第一導電型的半導體襯底，襯底上依次配置有至少一第一導電型的第一覆層、一發(fā)出輻射的激活層和一第二導電型的第二覆層，半導體襯底和第二覆層設(shè)有供流裝置，作為激活層一部份的激活區(qū)位于一條形區(qū)底下，以足夠大的電流強度在激活區(qū)內(nèi)產(chǎn)生相干電磁輻射，該條形區(qū)的縱向基本上垂直于位于激活區(qū)外的鏡面，在鏡面與激活區(qū)之間的中間層中則設(shè)置有一輻射波導，該輻射體位于介在第三和第四覆層之間的輻射導引層中，將輻射導引層光學耦合到鏡面上。本發(fā)明還涉及制造這類半導體二極管激光器的一種方法，這種方法是在半導體襯底上依次配置至少一第一導電型的第一覆層、一發(fā)出輻射的激活層和一第二導電型的第二覆層。
這類半導體二極管激光器屬于所謂NAM(非吸收鏡)型，由于在高功率輻射的情況下產(chǎn)生的鏡面劣化程度較小，因而特別適用作高功率半導體二極管激光器。這類激光器，特別是當用GaAs/AlGaAs材料制造時，用作光記錄系統(tǒng)[例如數(shù)字光記錄(DOR)系統(tǒng)]的寫入激光器非常合適。
從H.Naito等人在1988年8月29日至9月1日在美國波士頓召開的第十一屆I、E、E、E、(電氣與電子工程師協(xié)會)國際半導體激光器會議的會議文集，文件L-2第150-151頁中發(fā)表的題為“100毫瓦帶非吸收反射鏡的GaAlAs掩埋式雙脊襯底激光器的高可靠性相干波運行”可以了解到這種半導體二極管激光器及其制造方法的情況。該文章公開了一種半導體二極管激光器，該激光器的輻射波導在中間區(qū)中橫方向上借助于一有效折射率的臺階形成，所產(chǎn)生的電磁輻射，有一部分被位于所產(chǎn)生的輻射的增強分布斷面(amplification profile)內(nèi)的輻射波導兩側(cè)的輻射吸收層所吸收。輻射波導是在輻射導引層中形成的，輻射導引層則位于充滿著吸收層溝道的第三覆層上。該方法利用LPE(液相外延)形成(特別是)該第三覆層。
實踐證明，這種半導體二極管激光器的缺點在于，光功率極高時，反射鏡會劣化。這就是說，特別是在上述那種希望激光器發(fā)出高功率的應(yīng)用中，要進一步抑制反射鏡的劣化，甚至可以采用更多的合適的半導體二極管激光器，從而對激光器的壽命和功率都帶來有利的影響。
本發(fā)明的目的特別是提供一種反射鏡不會劣化或基本上不會劣化因而能產(chǎn)生高功率長壽命的半導體二極管激光器。本發(fā)明的目的還在于提供一種制造合乎要求的半導體二極管激光器的方法。
本發(fā)明特別是基于這樣的認識，即在上述已知的激光器中，所產(chǎn)生的電磁輻射中有一部分在鏡面附近的輻射波導兩側(cè)被吸收。
為達到本發(fā)明的目的，本說明書開端所述的那種半導體二極管激光具有這樣的特點輻射波導是通過設(shè)在輻射導引層中的裝置(means)限定在橫向方向上的，借助于該裝置，在輻射波導兩側(cè)形成有效折射率的一個臺階，且所有位于輻射波導增強分布斷面內(nèi)各層的各部分，它們的禁帶寬度都大于激活層。由于輻射導引層中存在形成有效折射率臺階的裝置，因而電磁輻射在輻射波導中是橫向封閉的。由于位于輻射波導的增強分布斷面內(nèi)各層的各部分(即各輻射導引層、第三和第四覆層的各部份)，其禁帶寬度都大于激活層，因而本發(fā)明半導體二極管激光器的中間區(qū)中沒有或基本上沒有吸收電磁輻射的現(xiàn)象發(fā)生。由于采取了這些措施，避免了反射鏡附近的吸收現(xiàn)象，從而防止了反射鏡因溫度升高或吸收輻射產(chǎn)生反應(yīng)而帶來的劣化。所以，本發(fā)明的半導體二極管激光器能產(chǎn)生高功率，且由于抑制了反射鏡的劣化，因而使用壽命長。根據(jù)本發(fā)明，這種激光器的制造方法的特征在于，在條形中間區(qū)內(nèi)至少腐蝕除去激活層和覆蓋層，并在中間層內(nèi)，以如下方式至少敷設(shè)一輻射導引層和第四覆層，使得輻射導引層光學耦合到激活區(qū)上，且在敷設(shè)第四覆層之前，在輻射導引層中的橫向形成一輻射波導，方法是在輻射導引層提供一裝置，借助于該裝置在該輻射波導兩側(cè)形成有效折射率的臺階。用本發(fā)明的方法可制取很好地滿足要求的半導體二極管激光器。
在本發(fā)明半導體二極管激光器的第一實施例中，輻射波導兩側(cè)的有效折射率臺階小于大約0.01。在有效折射率臺階如此小的情況下，橫向基模在實用所要求的寬度約1微米-7微米之間、且輻射導引層和第三和第四覆層的厚度和組成為通常實用值(這是可以計算出來的，而且最好這樣做)的輻射波導中受惠。在激活區(qū)兩側(cè)，可形成折射率的臺階，由于在那里的各吸收區(qū)的存在，所產(chǎn)生的電磁輻射的部分吸收對橫向基模相當有利。激活區(qū)旁邊出現(xiàn)的輻射吸收不影響或基本上不影響鄰接鏡面的中間區(qū)，因而該輻射吸收不影響反射鏡劣化。
在本發(fā)明半導體二極管的另一個實施例中，所述的裝置的構(gòu)成是減小輻射波導兩側(cè)第二輻射導引層的厚度。形成一有利變型方案，即從輻射波導的橫截面來看，它的斷面呈臺階形，該層的下邊基本是平的，上邊處臺階的高度比輻射導引層的厚度小。輻射導引層的厚度，舉例說，在0.10和0.40微米之間時，臺階的高度最好在0.02和0.10微米之間。在輻射導引層由例如Al0.31Ga0.69As組成且厚度為0.30微米，各覆層由Al0.41Ga0.59As組成且輻射波導寬度約4微米的情況下，當臺階高度為0.05微米時有效折射率的臺階約為4＊10-3，臺階高度為0.10微米時有效折射率臺階約為8＊10-3。這種臺階形的斷面可以在第二輻射導引層上借助于條形掩模用濕法化學蝕刻法形成，即將掩模外的一部分輻射導引層腐蝕掉。在本發(fā)明方法的第一實施例中，同時采用陽極氧化法，將掩模外輻射導引層的部分厚度轉(zhuǎn)化成半導體材料氧化物層，同時或以后，在蝕刻工序中將該層用針對輻射導引層選取的蝕刻劑溶解掉。這樣，視一些陽極氧化工序和蝕刻工序的具體情況而定，將輻射導引層按極其精確的方式局部制得較薄。在本發(fā)明半導體二極管激光器值得推薦的方案中，輻射導引層設(shè)置在激活層與第一或第二覆層之間于是得到叫做LOC(大光腔)式的半導體二極管激光器，因此激活區(qū)中產(chǎn)生的電磁輻射就部分出現(xiàn)在另一輻射導引層的鄰接部分。當這另一輻射導引層處在激活層下方時就是特別有利的。在這種情況下，該另一輻射導引層同時可作為中間區(qū)的輻射導引層。這樣就簡化了本發(fā)明半導體二極管激光器的制造過程現(xiàn)在減少了需要在中間區(qū)除去和敷設(shè)的薄層的數(shù)量。此外，輻射波導與激活區(qū)之間的光連接非常好，即低耗連接。另外還有一個很大的好處由于已經(jīng)有了輻射導引層，且無需另外進行生長工序，因而蝕刻之后在中間區(qū)形成各薄層的工序只需要一個生長工藝。
在本發(fā)明半導體二極管的另一個實施例中，所述裝置構(gòu)成如下輻射波導兩側(cè)輻射導引層的組分是至少在該層的部分厚度上以如下方式加以改變，即使得輻射波導兩側(cè)形成有效折射率的臺階。此外，在該實施例中，沒有或基本上沒有吸收所產(chǎn)生的電磁輻射的現(xiàn)象出現(xiàn)，同時有效折射率的臺階確保了輻射的橫向?qū)б?。該臺階最好要小得使橫向基模構(gòu)成最穩(wěn)定的模。為達到該目的，需要變更組分(對Ⅲ-Ⅴ半導體材料來說約為1原子%)，這個變更比起在掩埋式異質(zhì)型輻射波導中以可重現(xiàn)的方式仍然可獲得的組分變更要小。在對本實施例有益的變化方案中，輻射波導兩側(cè)第二輻射導引層的組分是通過攙雜劑的出現(xiàn)而改變的。摻雜劑可以簡單的方式以足夠低的濃度加入。為此，可在輻射導引層中局部進行例如擴散攙雜或注入攙雜。對上一個實施例增設(shè)輻射導引層(最好位于激活區(qū)下方)的作法也適用于本實施例。
在本發(fā)明半導體二極管激光器的一個重要實施例中，其中一個覆層在條形區(qū)內(nèi)的厚度大于在該區(qū)外的厚度，區(qū)外設(shè)有輻射吸收層，輻射吸收層的禁帶寬度幾乎與激活層的相等，激活層是第一導電型的，與毗鄰的覆層形成阻流p-n結(jié)，且位于另一輻射導引層或激活層增強斷面內(nèi)，本實施例半導體二極管激光器的特征在于，第一覆層的厚度基本上是均勻的，第二覆層在條形區(qū)的厚度大于在該區(qū)兩側(cè)的厚度，且輻射吸收層位于第二覆層的條形區(qū)兩側(cè)，并與第二覆層形成阻流p-n結(jié)。在這種半導體二極管激光器中，橫模在輻射發(fā)射區(qū)內(nèi)很穩(wěn)定，且對橫向基模是很有利的。這種半導體二極管激光器還具有這種一大優(yōu)點，即第一覆層、激活層、輻射導引層、輻射吸收層和第二覆層可以用MOVPE(金屬有機汽相外延生長)法生長技術(shù)形成。鑒于中間區(qū)中的半導體層也可以用MOVPE法形成，因而半導體二極管激光器的一大優(yōu)點是它可只用MOVPE生長技術(shù)來制造。這個優(yōu)點非常重要，因為MOVPE是特別適宜以工業(yè)規(guī)模制造半導體二極管激光器的生長技術(shù)。本實施例范圍內(nèi)的第一變化方案的特征在于，第二覆層由第二導電型的半導體層構(gòu)成，其中，在該層部分厚度的條形區(qū)形成有MESA(臺式結(jié)構(gòu))，在MESA兩側(cè)敷有吸收層。按照本發(fā)明，這種變化方案的制造過程是這樣的形成各薄層(包括第三覆層在內(nèi))，然后用條形掩模將MESA蝕刻入后一層中，并除去掩模外該薄層的部分厚度;在MESA兩側(cè)提供第二導電型輻射吸收層;然后借助掩模進行蝕刻，除去中間區(qū)中的各薄層，包括激活層;在第一輻射導引層中形成輻射波導之后，在中間區(qū)中提供第四覆層。本實施例范圍內(nèi)的第二變化方案的特征在于，第二覆層由兩個第二導電型的半導體層構(gòu)成，這兩半導體層彼此在條形區(qū)中鄰接，且在條形區(qū)外被輻射吸收層所隔開。按照本發(fā)明，這個變化方案的制造過程如下在這兩半導體層的第一半導體層形成之后(這一層選取較小的厚度)，在其上提供輻射吸收層;然后借助于掩模除去條形區(qū)內(nèi)的后一層;在除去掩模之后，提供這兩個半導體層的第二半導體層;接著，借助掩模，用蝕刻方法除去中間層中包括激活層在內(nèi)的各層;然后在第一輻射導引層中形成輻射波導，再在中間區(qū)中形成第四覆層。
在本發(fā)明半導體二極管激光器的第四實施例中，第四覆層是第二導電型的，且至少一第一導電型的另一覆層配置在第四覆層上，該另一覆層至少在中間區(qū)內(nèi)與第四覆層形成阻流p-n結(jié)。這樣的半導體二極管激光器的優(yōu)點在于，各載流子基本上不可能到達靠近輻射波導的中間區(qū)，從而避免在電流流過半導體二極管激光器的情況下，形成輻射波導的有效折射率的臺階發(fā)生變化。在前一實施例的第一變化方案的情況下，第四和另一覆層也可以在輻射吸收層頂部的條形區(qū)兩側(cè)形成。這具有這樣的好處，在條形區(qū)兩側(cè)可形成附加的阻流p-n結(jié)，而不致使此變化方案的制造過程復雜化。
本發(fā)明的半導體二極管激光器特別適宜獲取盡可能對稱的電磁輻射發(fā)射束，同時該發(fā)射束的功率高。為達到此目的，本發(fā)明的半導體二極管激光器具有這樣的特點輻射波導的寬度小于激活區(qū)的寬度。因為輻射波導的厚度不能太大，因而還可以通過選取較小的輻射波導寬度來獲取較對稱的激光束。應(yīng)該指出的是，輻射波導的厚度是已經(jīng)比其寬度小許多倍，因此激光束垂直于輻射波導的發(fā)射角比平行于輻射波導的發(fā)射角大幾倍。減小輻射波導的寬度時，平行于輻射波導的發(fā)射角就擴大了。
現(xiàn)在就兩個實施例參照附圖更全面地說明本發(fā)明的內(nèi)容。附圖中

圖1示出了本發(fā)明半導體二極管激光器的第一實施例的示意圖，其部分為透視圖，部分為剖視圖。
圖2和3示出了圖1的半導體二極管激光器分別沿Ⅱ-Ⅱ線和Ⅲ-Ⅲ線截取的剖面;
圖4a至4c示出了制造圖1所示的半導體二極管激光器所使用的掩模的平面圖;
圖5a至5g示出了圖1的半導體二極管激光器在連續(xù)各制造階段平行于圖1圖面的剖面，剖面的位置按需要分別示于圖4a至4c中;
圖6示出了本發(fā)明半導體二極管激光器第二實施例的示意圖，其部分為透視圖，部分為剖視圖;
圖7和8示出了圖6的半導體二極管激光器分別沿圖6的Ⅶ-Ⅶ線和Ⅷ-Ⅷ線截取的剖面圖;
圖9a至9c示出了制造圖6所示的半導體激光器所使用的掩模的平面圖;
圖10a至10g示出了圖6的半導體二極管激光器在連續(xù)各制造階段平行于圖6圖面的剖面，剖面的位置按需要分別示于圖9a至9c中。
圖1示出了本發(fā)明半導體二極管激光器第一實施例的示意圖，其部分為透視圖，部分為剖視圖。圖2和3示出了本實施例的半導體二極管激光器分別沿圖1的Ⅱ-Ⅱ線和Ⅲ-Ⅲ線截取的剖面圖。該半導體二極管激光器包括一半導體本體30，半導體本體30有一個第一導電型的襯底區(qū)域10，在本實施例系由單晶砷化鎵組成，其上設(shè)有一連接導體11，第一導電型在這里為n型。此外，在條形區(qū)13內(nèi)依次配置有第一導電型(在此為n型)的、厚度基本上均勻的第一覆層1、第一導電型(在此為n型)的在本實施例中與輻射導引層2′重合的另一輻射導引層2、一激活層3、第二導電型(在此為p型)的第二覆層4和p導電型的接觸層20，20上設(shè)有連接導體21。在條形區(qū)13下方的激活層3中配置有激活區(qū)13′，在激活區(qū)13′中，由于足夠高的電流強度，在條形共振腔內(nèi)第一覆層1與第二覆層4間的p-n結(jié)正向方向上產(chǎn)生相干電磁輻射，所述條形共振腔在鏡面35與36之間形成，且在本實施例中包括激活區(qū)13′、輻射導引層2的下層部分和在區(qū)14下面的兩個輻射波導15。在條形區(qū)13兩側(cè)，在第二覆層4上依次設(shè)有第一導電型(在此為n型)的輻射吸收層9、第二導電型(在此為p型)的第四覆層6、和另兩個分別為第一導電型(規(guī)此為n型)和第二導電型(在此為p型)的覆層7和8，以及連接導體21。它們在厚度上依次減小。吸收層9對激活區(qū)13′中的橫向基橫有相當有利的影響，而該層與第二覆層4之間形成的p-n結(jié)25和覆層6與7之間形成的p-n結(jié)26阻礙分布在激活區(qū)13′兩側(cè)的電流分散。輻射波導15設(shè)在中間區(qū)17、19和幅射導引層2′之中，中間區(qū)17、19位于區(qū)18與鏡面35、36之間，幅射導引層2′位于第三覆層1′(在本實施例中與第一覆層1重合)與第四覆層6之間。在本實施例中，第三覆層1′的厚度基本是均勻的。按照本發(fā)明，本實施例的半導體二極管激光器具有這樣一些大優(yōu)點，例如，輻射波導15與激活區(qū)13′之間的光學耦合良好，制造方法簡單(僅需少量蝕刻層和生長薄層)，并可以采用MOVPE生長技術(shù)。第二覆層6與另一覆層7之間形成的阻流p-n結(jié)26使中間區(qū)17、19中的折射率免受各載流子的影響。此外，該阻流作用阻止了中間區(qū)中的復合過程，從而減輕了反射鏡的劣化。在本實施例中，另一輻射導引層2位于激活區(qū)3底下，按照本發(fā)明，這具有這樣的好處，即除去中間區(qū)17、19中的激活層3時，不但無需除去另一輻射導引層2，而且還可把它用作輻射導引層2′。按照本發(fā)明，輻射波導15是借助于設(shè)在輻射導引層2′中的裝置12形成的，通過這種方式，在輻射波導15兩邊形成有效折射率的臺階，所產(chǎn)生的電磁輻射有一部分即在該臺階處散射。由于在中間區(qū)17、19中對所產(chǎn)生的輻射沒有被吸收，因而本發(fā)明阻止了反射鏡的劣化。在本實施例中，裝置12主要是通過減小輻射波導15兩側(cè)的輻射導引層2′的厚度形成的。所形成的臺階的高度為400埃。這樣的臺階可簡單地用掩模進行蝕刻，最好是在蝕刻之前或過程中進行陽極氧化，在這個過程中，采用經(jīng)選擇的蝕刻劑，使所形成的氧化物溶解在蝕刻劑中，但半導體材料不溶解。輻射波導15的寬度約3微米，長度相當于中間區(qū)17、19的寬度，約為10微米，條形區(qū)13的長度和寬度則分別為300微米和4微米。通過把輻射波導15的寬度選得小于條形區(qū)13的寬度，按照本發(fā)明就可以得出對稱性較大、輸出功率高且以橫向基模工作的放射輻射束。半導體本體的尺寸約為300×320平方微米。在本實施例中，第二覆層4在條形區(qū)13內(nèi)的厚度大于其兩側(cè)設(shè)有輻射吸收層9處的厚度。厚度的這種局部加大是通過在第二覆層4的條形區(qū)14面積上形成MESA獲取的。這就是說，第二覆層4開始可以扁平層形成，這能采用例如MOVPE來完成，這樣做有好處。吸收層9也能借助于MOVPE形成。激活區(qū)13′的寬度較大，且還存在另一個輻射導引層2，因而在激活區(qū)13′中能產(chǎn)生高功率的輻射。參看下表即可看出本實施例各半導體層的性能。連接導體包括通常為GaAs/AlGaAs所用的金屬或金屬合金，其厚度為常規(guī)厚度。
層 半導體 類型 攙雜濃度 厚度(原子/立方厘米) (微米)10 GaAs(襯底) N 2×10183501，1′ Al0.4Ga0.6As N 2×101812，2′ Al0.3Ga0.7As N 2×10180.33 Al0.1Ga0.9As 0.154 Al0.4Ga0.6As P 2×10181.5(0.2)6 Al0.4Ga0.6As P 2×10180.57 Al0.4Ga0.6As N 2×10170.68 Al0.4Ga0.6As P 2×10170.69 GaAs N 2×10170.420 GaAs P 2×10181現(xiàn)在參照圖4和5說明如何按照本發(fā)明制造上述半導體二極管激光器。圖4示出了在制造過程中先后使用的掩模40、41、42的平面圖。這些掩模40、41、42的尺寸根據(jù)待形成的半導體二極管激光器的尺寸以及其中各區(qū)的尺寸選取。圖5示出了圖1的半導體二極管激光器在連續(xù)的各制造階段中的剖面，剖面的位置按需要在圖4中示出。將(001)GaAs襯底10拋光和蝕刻之后，借助于MOVPE生長技術(shù)，在該襯底上依次按下列順序形成以下各層第一覆層1，輻射導引層2.2′，激活層3，第二覆層4和接觸20。各層的厚度、組分和導電類型按上表選取。n型攙雜源采用SiH4，P型攙雜源采用DEZn(二乙基鋅)。接著，用濺射法敷上0.7微米厚的SiO2層60(見圖5a)。在此層中，在相應(yīng)于待形成的半導體本體30的區(qū)內(nèi)形成條形掩模40(見圖4a)。然后將掩模40外的半導體層20和8除去，或用一般的蝕刻劑蝕刻，使其厚度減小。接著，用MOVPE法在掩模40外形成輻射吸收層9。圖5b和5c分別示出了在區(qū)18和17內(nèi)所得出的結(jié)構(gòu)的截面，如圖4a所示。然后借助于光致抗蝕劑和光刻蝕法形成掩模41，如圖4b所示。將區(qū)17和18中這個掩模以外部分腐蝕掉，以除去輻射吸收層9、第二覆層4和激活層。得出的這些區(qū)中結(jié)構(gòu)的剖面示于圖5d。接著提供光致抗蝕劑掩模41、42(見圖4c)，該掩模包括位于中間區(qū)17、19中的條形區(qū)42。通過陽極氧化將掩模外的輻射導流層2的一小部分(約400埃)轉(zhuǎn)化成半導體氧化物材料層，再將其用水稀釋的銨溶液除去(見圖5e)。除去光致抗蝕劑和清理干凈之后，借助于MOVPE在SiO2的掩模40外按以下順序形成各層第四覆層6、另一覆層7和另一覆層8。圖5f和5g示出了所得出的結(jié)構(gòu)沿圖4a所示的各線的剖面。除去掩模層60之后，按一般方式形成連接導體，于是在劈裂工序之后(在此工序中形成鏡面)就得出圖1的半導體二極管激光器。在本發(fā)明的方法中，在輻射導引層2′中設(shè)置了裝置12，在此情況下，輻射導引層2′與輻射導引層2重合，借助于該裝置在待形成的輻射波導15兩側(cè)形成有效折射率臺階，所產(chǎn)生的輻射就在該臺階處部分散射。這個方法的好處在于可以采用MOVPE生長技術(shù)。輻射導引層2，2′重合且它們位于激活層3底下，且有這樣的好處，即，簡化了制造方法一方面，待蝕刻的薄層的數(shù)目較小，另一方面，待形成的層的總數(shù)也減小了。在中間區(qū)17、19內(nèi)第二輻射導引層2′中形成臺階形斷面的工序可用簡單方式進行處理。按本發(fā)明使用的陽極氧化法是通過有選擇地蝕刻第二輻射導引層2′除去所形成的半導體氧化物材料層的，這個方法的好處是能用可控的精確調(diào)節(jié)手段形成輻射波導15的有效折射率臺階。本發(fā)明的方法還具有這樣的好處，即區(qū)18內(nèi)的半導體層也可借助于MOVPE形成。因此本發(fā)明的方法提供了只采用MOVPE作為各半導體層的生長技術(shù)制造本發(fā)明的半導體二極管激光器的可能性。鑒于MOVPE技術(shù)的上述優(yōu)點，因此本發(fā)明的方法是特別合適的方法。
圖6示出了本發(fā)明半導體二極管激光器的第二實施例的示意圖，其部分為透視圖，部分為剖視圖。該半導體二極管激光器包括一半導體本體30，半導體半體30具有第一導電型(在此為n型)的襯底區(qū)10，在本實施例中系由砷化鎵單晶組成，還有一連接導體11。在該襯底上，在條形區(qū)13內(nèi)依次配置有第一導電型(在此為n型)的且在本實施例中與另一輻射導引層2重合的輻射導引層2′、激活輻射發(fā)射層3、由兩個第二導電型(在此為p型)的半導體層4、8組成的第二覆層以及具有連接導體21的p導電型接觸層20，所有這些層也都在條形區(qū)13兩側(cè)延伸。在本實施例中，另一輻射導引層2位于激活區(qū)3底下，這按照本發(fā)明，具有第一實施例所述的那些優(yōu)點。第一導電型(在此為n型)的輻射吸收層9位于半導體層4和8之間的條形區(qū)13的兩側(cè)。條形輻射發(fā)射激活區(qū)13′位于區(qū)13底下的激活層3中。輻射波導15位于激活區(qū)13′與鏡面35、36之間的中間區(qū)17、19中，其中輻射導引層2′位于第三覆層1′與第四覆層1重合，其厚度在輻射波導15的部分基本上是均勻的。輻射波導15將激活區(qū)13′光學地連接到鏡面35、36，且借助于設(shè)在輻射導引層2′中的裝置12形成，通過這種方式，在輻射波導15兩側(cè)形成一有效折射率的臺階，所形成的部分電磁輻射即在該臺階上散射。這具有談到第一實施例時所述的那此優(yōu)點。在本實施例中，裝置12也由減小輻射波導15兩側(cè)的第二輻射波導層2′的厚度形成的。所形成的臺階的高度為400埃。本實施例的半導體二極管激光器及其各區(qū)的尺寸都和第一實施例中的一樣。在本實施例中，厚覆層4在條形區(qū)14中的厚度也比其兩側(cè)設(shè)有輻射吸收層9處的厚度大，輻射吸收層9與第二覆層4形成阻流p-n結(jié)25，這具有談到第一實施例時所提到的那些優(yōu)點。厚度上的這種局部加大在于第二覆層4、8由兩個半導體層4，8形成，半導體層4，8是第二導電型(在此為p型)的，它們在條形區(qū)13的部分彼此毗鄰，且在13的兩側(cè)彼此由輻射吸收層9分開。第二覆層和輻射吸收層可借助于例如MOVPE形成，這樣做有好處。在條形區(qū)14內(nèi)，激活層3中得到對所產(chǎn)生的輻射起折射率制導的作用，所以該輻射有一部分被吸收，從而抑制了較高的橫模。此外，由于條形區(qū)的寬度較大，而能產(chǎn)生較高的功率。按照本發(fā)明，而且在本實施例中，第四覆層6(在本實施例中，第四覆層6為第二導電型，在此為p型)設(shè)有另一第一導電型(在此為n型)的覆層，該覆層與第四覆層6形成阻流p-n結(jié)26，這具有談到第一實施例時所述的那些優(yōu)點。圖7和8示出了本實施例的半導體二極管激光器的剖面，該諸剖面是分別沿圖6的Ⅶ-Ⅶ線和Ⅷ-Ⅷ線截取的。本實施例各半導體層的性質(zhì)參看上表。其各連接導體與第一實施例中的一樣。
現(xiàn)在參看圖9和10說明如何按照本發(fā)明制造上述導體二極管激光器。圖9示出了依次在制造過程中使用的掩模41、42、50的平面圖。這些掩模的尺寸與第一實施例中的一樣。圖10示出了圖7的半導體二極管激光器在制造過程中連續(xù)各階段的剖面，剖面的位置按需要示于圖9中。在拋光和蝕刻(001)GaAs襯底10之后，借助于MOVPE生長技術(shù)在襯底10上依次按下列順序形成以下各層第一覆層1，在本實施例中與另一輻射導引層2重合的輻射導引層2′，激活層3，第二導電型(在此為p型)的厚度約為0.3微米31半導體層4和輻射吸收層9。然后按第一實施例給出的一覽表選擇各層的組分和導電類型，這里不另行說明。接著，用濺射法敷法上0.3微米厚的SiO2層60(見圖10a)。在該層中，在對應(yīng)于半導體本體30的區(qū)內(nèi)形成掩模41(見圖9a)。然后用一般蝕刻劑除去掩模41外的半導體層3，4和9(見圖10b)。借助于光致抗蝕劑和光刻蝕法再形成掩模41、42，如圖9b所示。接著，借助于陽極氧化法將掩模外的輻射導引層2′的一小部分(約400埃)轉(zhuǎn)化成半導體氧化物材料層，然后將此半導體氧化物材料在用水稀釋的銨溶液中除去(見圖10c)。除去光致抗蝕劑和清理干凈之后，借助于MOVPE在含SiO2的掩模41外依次形成第四覆層6和另一覆層7。圖10d示出了在中間區(qū)17、19部分得到的結(jié)構(gòu)的剖面。除去掩模層41、42之后，借助于光蝕刻法和蝕刻法在掩模層60中形成圖9c所示的掩模50。借助于蝕刻劑，例如選擇性蝕刻劑，除去條形區(qū)13內(nèi)的輻射吸收層9(見圖10e)。除去光致抗蝕劑和掩模層并清理干凈之后，借助于MOVPE方法依次形成厚約1微米且與半導體層4-齊形成第二覆層的第二導電型半導體層8和接觸層20。圖9c所示部分的最終結(jié)構(gòu)的剖面如圖10f和10g所示。形成各連接導體和完成劈裂工序之后，就得出圖7的半導體二極管激光器。在本發(fā)明的方法中，在第二輻射導引層2′(在此情況下第二輻射導引層2′與第一輻射導引層2重合)中，裝置12設(shè)置在第二輻射導引層2中，借助于要在該層中形成的輻射波導15兩側(cè)的裝置12形成有效折射率的臺階，所產(chǎn)生的輻射即在該臺階上部分散射。這種方法也具有第一實施例的制造半導體二極管激光器方法的優(yōu)點。按照本發(fā)明這個實施例的方法也具有區(qū)18內(nèi)的各半導體層可借助于MOVPE形成的優(yōu)點。因此根據(jù)本發(fā)明的方法也可以只用MOPVE作為各半導體層的生長技術(shù)來制取本實施例的本發(fā)明的半導體二極管激光器。
應(yīng)該指出，在圖4和9所示的各掩模中，只示出了制造半導體二極管激光器所需用的圖形。實際上，該圖形是可以互換的，且適宜制取毗鄰著的半導體二極管激光器的二維矩陣。
本發(fā)明并不局限于上述諸實施例，因為在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士是可以對上述實施例進行多種修改和更改的。舉例說，用以形成輻射波導的臺階形斷面也可以在輻射導引層下側(cè)形成，也可以在該層的上側(cè)和下側(cè)都形成。另一種可能的變化方案是在條形區(qū)內(nèi)，通過借助于第一覆層吸收輻射，獲得折射率制導作用，該第一覆層有一溝道，且位于阻流和輻射吸收層的上方。為達到此目的需用的溝道只設(shè)在條形區(qū)中。舉例說，令輻射導引層出現(xiàn)在第一覆層上，而輻射吸收層位于所述輻射導引層增強斷面內(nèi)的條形區(qū)兩側(cè)。然后按上述實施例同樣的方式在中間區(qū)中形成輻射波導。其它變化方案則特別可在不使用上述實施例所述的半導體材料或組成時采用。舉例說，激活區(qū)兩側(cè)的輻射吸收層可用非吸收層代替，非吸收層的半導體料選得使其禁帶寬度大于激活層的禁帶寬度，且在激活區(qū)兩側(cè)按中間區(qū)類似的方式形成有效折射率的臺階。因此，在激活區(qū)兩側(cè)沒有吸收現(xiàn)象，因而這種半導體二極管激光器的起動電流較低，激光器的效率較高。如果將該有效折射率的臺階也制得相當小則可獲得在橫向基模工作的激光器。如果將激活區(qū)制造得窄一些就可以使啟動電流低一些。此外，當輻射波導也較窄時，激活區(qū)就能與輻射波導很好地耦合。另外，阻流作用也可以不用阻流p-n結(jié)而用一個或多個高阻半導體層實現(xiàn)。此外，在第一覆層與半導體襯底之間可以設(shè)所謂緩沖層。雖然起碼分立的二極管激光器的供流裝置大部分由設(shè)有導電層的高攙雜層或區(qū)組成，在該層和區(qū)上設(shè)有例如導線形式的連接導體，這些裝置還可以裝設(shè)其它公知的供流裝置，例如電子束等。在上述各實施例中，每次都出現(xiàn)兩個中間區(qū)，每次都有一輻射波導位于其中。但也可以僅在一中間區(qū)中形成一輻射波導。然后令激活層和第一輻射導引層毗連其中一個鏡面。接著就可以在該鏡面上采取反射鏡的防劣化的措施，例如設(shè)反射鏡涂層。
本發(fā)明也不局限于諸實施例中提出的方法。雖然采用MOVPE生長技術(shù)是本發(fā)明的一大優(yōu)點，但本發(fā)明的方法還可以采用其它生長技術(shù)，例如VPE(汽相外延法)、MBE(分子束外延法)、CBE(化學分子束外延法)或上述LPE(液相外延)法。在上述第一覆層是由充斥一溝道的半導體層在條形區(qū)中和條形區(qū)旁邊形成的變化方案中，甚至需要使用LPE法。此外還可以在本發(fā)明的方法中在第二輻射導引層設(shè)“就地”應(yīng)用的裝置。這可以通過例如下述方法實現(xiàn)，在使該層例如借助于輻射束生長時，改變待形成的輻射波導兩側(cè)的組分。這個改型可以針對例如形成混合晶體的元素或攙雜元素進行。
權(quán)利要求
1.一種半導體二極管激光器，包括一半導體本體(30)，該半導體本體具有第一導電型半導體襯底(10)，半導體襯底(10)上依次配置有至少一第一導電型的第一覆層(1)、一激活輻射發(fā)射層3和一第二導電型的第二覆層(4)；半導體襯底(10)和第二覆層(4)在激活區(qū)(13′)內(nèi)設(shè)有供流裝置(8、11、21)，激活區(qū)(13′)是激活層(3)的一部分，位于條形區(qū)(13)底下，且其縱向基本上垂直于位于激活區(qū)(13′)外的鏡面(35，36)，在激活區(qū)(13′)中由于在正向方向上具有足夠高的電流強度，而產(chǎn)生相干電磁輻射，且在激活區(qū)(13′)中，在鏡面(35，36)與激活區(qū)(13′)之間的中間區(qū)(17，19)中配置有輻射波導(15)，輻射波導(15)將激活區(qū)(13′)光學耦合到鏡面(35，36)上，且出現(xiàn)在位于第三覆層(1′)與第四覆層(6)之間的輻射導引層(2′)中；其特征在于，輻射波導(15)借助于配置在輻射導引層(2′)中的裝置(12)在橫向確定，這樣在輻射導引層(2′)中在輻射波導(15)兩側(cè)形成有效折射率的臺階，且位于輻射波導(15)的增強斷面內(nèi)的層(1′，2′，6)的各部分，它們的禁帶寬度都比激活層(3)的大。
2.如權(quán)利要求1所述的半導體二極管激光器，其特征在于，形成輻射波導(15)的折射率臺階小于大約0.01。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導體二極管激光器，其特征在于，裝置(12)的存在要點是將輻射導引層(2′)在輻射波導(15)兩側(cè)的厚度減小。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的半導體二極管激光器，其特征在于，第三覆層(1′)的厚度基本上是均勻的，從橫切輻射波導(15)的截面看起，輻射導引層(2′)的斷面呈臺階形斷面，層(2′)的下邊基本上扁平，位于上邊的臺階的高度比輻射導引層(2′)的厚度小。
5.如權(quán)利要求3所述的半導體二極管激光器，其特征在于，輻射導引層(2′)的厚度在0.10與0.40微米之間，臺階的高度在0.01與0.1微米之間，輻射波導(15)的寬度在1與7微米之間。
6.如以上任一權(quán)利要求所述的半導體二極管激光器，其特征在于，裝置(12)是因輻射波導(15)兩側(cè)的輻射導引層(2′)的組分至少在一部分厚度上發(fā)生變化而形成的，以這種方式在輻射波導(15)兩側(cè)形成有效折射率的臺階。
7.如權(quán)利要求6所述的半導體二極管激光器，其特征在于，裝置(12)是使輻射波導兩側(cè)或該波導區(qū)的輻射引層(2′)的組分因攙雜元素的存在而改變形成的。
8.如以上任一權(quán)利要求所述的半導體二極管激光器，其特征在于，在激活層(3)與第一(1)和第二(4)覆層中之一的中間有另一輻射導引層(2)。
9.如以上任一權(quán)利要求所述的半導體二極管激光器，其特征在于，另一輻射導引層(2)位于第一覆層(1)與激活層(3)之間，且輻射導引層(2′)與另一輻射導引層(2)彼此重合以及第一覆層(1)與第三覆層(1′)彼此重合。
10.如以上任一權(quán)利要求所述的半導體二極管激光器，其特征在于，其中，覆層(1，4)之一在條形區(qū)(13)內(nèi)的厚度大于該區(qū)外的厚度，該區(qū)外設(shè)有一輻射吸收層(9)，其禁帶寬度基本上等于激活層(3)的禁帶寬度，它是第一導電型的，與一毗鄰的覆層(1，4)形成阻流p-n結(jié)(25)，且位于另一輻射導引層(2)或激活層(3)的增強斷面內(nèi);其特征在于，第一覆層(1)的厚度基本上均勻，第二覆層在條形區(qū)內(nèi)的厚度大于其兩側(cè)的厚度，且輻射吸收層(9)位于第二覆層(4)上條形區(qū)(13)兩側(cè)，且與該該層形成阻流p-n結(jié)(25)。
11.如權(quán)利要求10所述的半導體二極管激光器，其特征在于，第二覆層由第二導電型的一個半導體層(4)構(gòu)成，其中，在條形區(qū)(13)范圍內(nèi)，半導體層的部分厚度上形成有MESA(16)，輻射吸收層(9)即位于MESA的兩側(cè)。
12.如權(quán)利要求10所述的半導體二極管激光器，其特征在于，第二覆層(4，8)由兩個第二導電型的半導體層(4)，(8)構(gòu)成，兩者在條形區(qū)(13)內(nèi)彼此鄰接，在條形區(qū)外被輻射吸收層(9)彼此分開。
13.如權(quán)利要求9、10、11或12所述的半導體二極管激光器，其特征在于，第四覆層(6)為第二導電型，其中設(shè)有至少另一個第一導電型的覆層(7)，覆層(7)至少在中間區(qū)(17，19)中與第四覆層(6)形成阻流p-n結(jié)。
14.如以上任一權(quán)利要求所述的半導體二極管激光器，其特征在于，輻射波導(15)的寬度小于激活區(qū)(13′)的寬度。
15.制造以上任一權(quán)利要求所述的半導體二極管激光器一種方法，該方法是依次在半導體襯底(10)上設(shè)置至少第一導電型的第一覆層(1)，一激活幅射發(fā)射層(3)、第二導電型的第二覆層(4);其特征在于，在條形中間區(qū)(17，19)內(nèi)用蝕刻法除去至少該激活層(3)和覆蓋層(4，8)，并在條形中間區(qū)(17，19)內(nèi)提供輻射導引層(2′)和第四覆層(6)，使得輻射導引層(2′)光學耦合到激活區(qū)(13′)，其特征還在于，在形成第四覆層(16)之前，在輻射導引層(2′)中設(shè)裝置(12)，以便在橫向形成輻射波導(15)，借助該裝置12在輻射波導兩側(cè)形成有效折射率的臺階。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，在形成激活層(3)之前，在條形中間區(qū)(17，19)內(nèi)形成輻射導引層(2，2′)，蝕刻除去激活層(3)和覆蓋層(4，8)，然后在條形中間區(qū)(17，19)中，在輻射導引層(2，2′)中形成輻射波導(15)。
17.如權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，第一覆層(1)的厚度基本上均勻，輻射導引層(2′)覆有條形掩模(42)，并同時應(yīng)用陽極氧化在掩模(42)處把其部分厚度轉(zhuǎn)化成半導體氧化物材料層，同時或在以后將此半導體氧化物材料層在蝕刻工序中用蝕刻劑溶解掉，蝕刻劑可按輻射導引層(2′)進行選擇。
18.如權(quán)利要求15、16或17所述的方法，其特征在于，第二覆層(4)是通過設(shè)半導體層(4)形成的，其中，在與輻射導體(15)成一直線配置的條形區(qū)(13)的表面形成有MESA(16)，半導體層(4)通過蝕刻所述區(qū)(13)兩側(cè)減薄，且在蝕除層(2，3，4，9)之前，在中間區(qū)(17，19)中，在MESA(16)，半導體層(4)通過蝕刻所述區(qū)(13)兩側(cè)減薄，且在蝕除層(2，3，4，9)之前，在中間區(qū)(17，19)中，在MESA(16)兩側(cè)設(shè)第一導電型的輻射吸收層(9)。
19.如權(quán)利要求15、16或17所述的方法，其特征在于，第二覆層(4，8)是通過設(shè)兩個第二導電型的半導體層(4，8)形成的，同時，在形成這些層(4)(8)的第一層(4)之后，形成第一層電型的輻射吸收層(9)，再借助于掩膜(50)在與輻射波導(15)配置成一直線的條形區(qū)(13)表面將輻射吸收層(9)腐蝕掉，然后除去掩模(50)，形成這些層(4)(8)的第二層(8)。
全文摘要
本發(fā)明半導體二極管激光器的反射鏡區(qū)17、19中包括第一覆層1′、輻射導引層2′和第三覆層6。在2′中，利用在其中的裝置12形成輻射波導15，而形成有效折射率臺階。位于15增強斷面的層1′、2′、6的禁帶寬度大于層3。反射鏡區(qū)中無輻射吸收，劣化減少，激光器的功率高壽命長。裝置12通過減小波導兩側(cè)導引層2′的厚度或通過攙雜改變層2′的組分形成。折射率臺階足夠小時，可使反射鏡區(qū)17、19的橫向模穩(wěn)定。本發(fā)明方法只需使用MOVPE生長技術(shù)。
文檔編號H01S5/16GK1052576SQ9010996
公開日1991年6月26日 申請日期1990年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月12日
發(fā)明者揚·奧普舒爾, H·P·M·M·安布羅修斯 申請人:菲利浦光燈制造公司