具有电流限制层的半导体激光 二极管及其制造方法 【技术领域】
本发明设计一种半导体激光二极管及其制造方法，并且特别涉及一种具有脊形波导的半导体激光二极管及其制造方法。
背景技术
半导体激光二极管产生具有窄宽度频率和尖锐方向性的激光光束，因此主要用于诸如光通信、多重通信(multiple communication)和空间通信(space communication)的领域中。另外，半导体激光二极管广泛地用于诸如光通信的通信领域中的数据传输或数据记录和读取，以及诸如光盘播放器(CDP)和数字化视频光盘播放器(DVDP)的设备。
半导体激光器的广泛应用是由于其可以在有限的空间内保持激光光束的发射特性，而且半导体激光二极管是一种紧密器件并具有小的发射临界电流值。采用半导体激光二极管地工业领域数量的增加导致对具有进一步减小的临界电流值的半导体激光二极管需求的增加。即，需要制造能够允许低电流发射并具有更长寿命的优良半导体激光二极管。
图1为具有设计用于减小激光发射的临界电流的脊形波导结构的传统半导体激光二极管的截面图。参照图1，在蓝宝石衬底10上沉积由第一和第二区域R1和R2定义的n型GaN层12。在第一区域R1中的n型GaN层12上顺序沉积n型AlGaN/GaN层24、n型GaN波导层26、有源层28(即，InGaN层)、p型GaN波导层30和p型AlGaN/GaN层32。n型GaN波导层26和p型GaN波导层30的折射率大于n型AlGaN/GaN层24和p型AlGaN/GaN层32的折射率，但小于有源层28的折射率。p型AlGaN/GaN层32具有脊形波导结构，该结构由凸出的p型AlGaN/GaN层32的上部中央起形成。凸出的中央的侧面与周边部分垂直，并且其上部是垂直于侧面的平面。
p型AlGaN/GaN层32的凸出脊形波导结构限制了注入电流，从而减小了有源层28中用于激光发射的共振区。P型GaN层34沉积在p型AlGaN/GaN层32的凸出脊形波导上，并且p型AlGaN/GaN层32的整个表面由保护层36覆盖。另外，p型GaN层34除中央部分外的侧面部分与保护层36相接触。p型电极38沉积在保护层36上，以与p型GaN层34的暴露表面相接触。n型GaN层12在第二区域R2中比在第一区域R1中形成得更短，并且n型电极37沉积在第二区域R2中的n型GaN层12上。
传统的半导体激光二极管具有限制大量注入电流以减小共振宽度的脊形结构，因此同不具有脊形结构的现有半导体激光二极管相比，减小了激光发射的临界电流值。
然而，在蓝宝石衬底的一部分被轻微蚀刻以形成脊形部分时(即，如图2所示脊的高度很矮)，脊的角很难阻断激光光束的光分布(opticalprofile)，从而减小了光损失。然而，这很难增加p型AlGaN/GaN层32和p型GaN层34的电阻，并使得经p型GaN层34注入的电流在其到达有源层28之前扩散得比脊的宽度更宽。结果，共振区域A1的宽度被扩宽，这将使临界电流值增大。
另外，如图3所示，蓝宝石衬底的一部分被蚀刻掉较厚，脊的高度变长，脊周围的盖层就具有很薄的厚度，电流的扩散被禁止，并且发射的临界值减小。结果，共振区域A2的宽度减小。然而，光分布与脊的侧面相接触，这将导致光损失。
【发明内容】
本发明提供了一种具有脊形波导结构的半导体激光二极管，其中注入有源层的电流密度分布被减小，并且光分布不与脊形波导结构的角相接触。
根据本发明的一个方面，提供一种半导体激光二极管，包括：衬底；第一材料层，沉积于该衬底上；有源层，沉积于该第一材料层上，并且发射激光光束；以及，第二材料层，沉积于该有源层上，并且包括由该有源层凸出的脊形部分，以及通过向该脊形部分的周边部分注入离子形成的、从而限制注入该有源层的电流的电流限制层。
该第一材料层包括：第一化合物半导体层，沉积于该衬底上；第一盖层，沉积于该第一化合物半导体层上；以及，第一波导层，沉积于该第一盖层上，并且具有比该第一盖层的折射率大的折射率。
优选该第一化合物半导体层为n型GaN基III/V族氮化物半导体层，而该第一盖层为n型AlGaN/GaN层。
优选该第一波导层的折射率小于该有源层的折射率，并且为GaN基III/V族化合物半导体层。
该有源层可为GaN基III/V族氮化物化合物半导体层，该GaN基III/V族氮化物化合物半导体层为InxAlyGa1-x-yN层(0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1)。
该第二材料层包括：第二波导层，沉积于该有源层上；第二盖层，沉积于该第二波导层，其具有比该第二波导层小的折射率，并且具有脊形部分；以及，第二化合物半导体层，沉积于该脊形部分上。
优选该第二波导层的折射率小于该有源层的折射率，并且为GaN基III/V族氮化物半导体层。
优选该第二盖层为p型AlGaN/GaN层，而该第二化合物半导体层为p型GaN基III/V族氮化物半导体层。
该第一化合物半导体层还包括其上部上的n型电极。
优选该衬底为蓝宝石衬底。
优选该半导体激光二极管还包括该第二盖层和该第二化合物半导体层上的保护层，并且还包括该第一化合物半导体层和该保护层上的电极。
根据本发明的另一方面，提供一种制造半导体激光二极管的方法，该方法包括：在衬底上顺序形成第一材料层、有源层和第二材料层，并且蚀刻该第二材料层的一部分以形成由该第二材料层凸出的脊形部分；以及，通过向该第二材料层的脊形部分的周边部分注入离子形成电流限制层，以限制注入该有源层的电流。
优选当顺序形成第一材料层、有源层和第二材料层，并且蚀刻该第二材料层的一部分时，该脊形部分通过在第二材料层上设置掩模并且使用离子束蚀刻该第二材料层至不导致激光光束的大量损失范围内的深度而形成。
在形成该电流限制层期间，该电流限制层通过在该脊形部分上设置掩模并以预定的角度在该脊形部分的周边部分上照射离子束，而在该脊形部分的周边部分形成至预定的深度。
在形成该电流限制层期间，以范围在5至60度内的倾斜角度照射离子束，优选为15度。
优选该第一材料层是这样的结构，其中第一化合物半导体层、第一盖层和第一波导层顺序沉积在衬底上，该第一波导层具有比该第一盖层的折射率大的折射率。
优选该第一化合物半导体层为n型GaN基III/V族氮化物半导体层，而该第一盖层为n型AlGaN/GaN层。
优选该第一波导层由折射率小于该有源层的折射率的材料形成，例如为GaN基III/V族化合物半导体层。
优选该有源层为GaN基III/V族氮化物化合物半导体层，该GaN基III/V族氮化物化合物半导体层为InxAlyGa1-x-yN层(0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1)。
第二材料层通过在该有源层上顺序沉积第二波导层和第二盖层并在该脊形部分上沉积第二化合物半导体层而形成，该第二盖层具有比该第二波导层的折射率小的折射率，并且为该脊形部分的开始。
优选在顺序形成第一材料层、有源层和第二材料层，并且蚀刻该第二材料层的一部分时，该脊形部分通过在第二盖层上设置掩模并且使用离子束蚀刻该第二盖层至不导致激光光束的大量损失范围内的深度而形成。
在形成该电流限制层期间，该脊形部分通过在该第二盖层上设置掩模并以预定的角度在该第二盖层上照射离子束，而形成至预定的深度。
在形成该电流限制层期间，以范围在5至60度内的倾斜角度照射离子束，优选为15度。
优选该第二盖层为p型AlGaN/GaN层，而该第二化合物半导体层为p型GaN基III/V族氮化物化合物半导体层。
优选该第一化合物半导体层在其上部具有n型电极，而该衬底为蓝宝石衬底。
优选还在该第二盖层和该第二化合物半导体层上沉积保护层。
优选还在该第一化合物半导体层和该保护层上沉积p型电极。
优选该第二波导由折射率小于有源层的材料形成，例如为GaN基III/V族化合物半导体层。
如上所述，在根据本发明的半导体激光二极管及其制造方法中，电流限制层通过向脊形部分的周边部分注入离子形成。因此，可在保持光分布的同时减小光损失。另外，电流的分布宽度被减小以降低共振临界电流，从而减小近场图案的尺寸，并改善半导体激光二极管的性能。
【附图说明】
本发明的上述目的与优点将通过参照附图对其优选实施例进行详细描述而变得明显易懂，附图中：
图1为传统半导体激光二极管结构的截面图；
图2为具有浅深度脊的其中电流共振宽度被展宽的传统半导体激光二极管的截面图；
图3为具有深深度脊的其中产生了光损失的传统半导体激光二极管的截面图；
图4为根据本发明的半导体激光二极管的截面图；
图5A至5E为说明根据本发明的制造半导体激光二极管的方法的半导体激光二极管的截面图；
图6A(a)至(c)分别为传统半导体激光二极管的结构的图表、注入(a)的半导体激光二极管的电流的近场图案模式的照片、以及(a)的半导体激光二极管的电流密度分布的曲线；以及
图6B(a)至(c)分别为根据本发明的半导体激光二极管的结构的图表、注入(a)的半导体激光二极管的电流的近场图案模式的照片、以及(a)的半导体激光二极管的电流密度分布的曲线。
【具体实施方式】
下面，将结合附图详细描述具有电流限制层的半导体激光二极管及其制造方法。为清楚起见，半导体激光二极管的每一层的宽度和高度均被放大。
图4为半导体激光二极管的截面图。参照图4，半导体激光二极管包括衬底50，并且包括顺序沉积在衬底50上的第一材料层61、有源层56、以及第二材料层63。
第一材料层61沉积在衬底50上，并且包括具有台阶的第一化合物半导体层52、沉积在第一化合物半导体层52上的第一盖层54和沉积在第一盖层54上的第一波导层53。n型电极51形成在第一化合物半导体层52的台阶处。
通常，衬底50为高电阻率的蓝宝石衬底。第一化合物半导体层52由GaN基III/V族氮化物化合物半导体层形成，更加优选地由n型GaN层形成。然而，用于第一化合物半导体层52的材料不限于上述化合物，例如，其可以是由能够发射激光的III/V族的不同材料形成的化合物半导体层。优选地，第一盖层54为具有预定折射率的n型AlGaN/GaN层，但也可以是能够发射激光的其它种类的化合物半导体层。
第一波导层53由折射率小于有源层56的材料形成，优选地为GaN基III/V族化合物半导体层。有源层56可由能够发射激光的任意材料层形成，优选地为具有低临界电流值并能够发射稳定的横模模式的激光光束的材料层。另外，优选有源层56为包括预定量的Al的GaN基III/V族氮化物半导体层InxAlyGa1-x-y(0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1)。
第二材料层65沉积于第二波导层55上，并且在其中央具有凸出的脊形部分69。第二材料层65包括沉积于有源层56上的第二波导层55、折射率小于第二波导层55的第二盖层58、以及沉积于脊形部分69上的第二化合物半导体层64。第一和第二波导层53和55分别由n型GaN层和p型GaN层形成。当第一盖层54为n型化合物半导体层时，第二盖层58由p型化合物半导体层形成，而当第一盖层54为p型化合物半导体层时，第二盖层58由n型化合物半导体层形成。例如，若第一盖层54为n型AlGaN/GaN层时，第二盖层58由p型AlGaN/GaN层形成。类似地，当第一化合物半导体层52为n型化合物半导体层时，第二化合物半导体层64由p型化合物半导体形成，反之亦然。例如，若第一化合物半导体层52由n型GaN层形成时，第二化合物半导体层64由p型GaN层形成。
根据本发明优选实施例的半导体激光二极管包括形成于脊形部分69周围的预定厚度的电流限制层60。电流限制层60通过以预定角度在第二盖层58的脊形部分69周围的第二盖层58的表面照射离子束获得。电流限制层60具有与第二化合物半导体层64相同的折射率，但具有比第二化合物半导体层64更大的电阻，因此可以在保持光分布的同时独立地控制电流密度分布。
如上所述，对于传统的半导体激光二极管，脊形部分69一定具有较深的深度，用于减小电流密度分布的损失，而必须具有较浅的深度，用于减小光分布的损失。为解决这种矛盾，根据本发明的半导体激光二极管还包括电流限制层60，以改变沉积于脊形部分69上的第二化合物半导体层64的属性，并同时保持脊形部分69的物理深度，从而空间上将脊形部分由其周边部分分出。这是基于光分布和电流密度分布分别受物质的折射率和电阻的影响。
脊形部分69与有源区56的表面垂直地凸出。离子沿有源层56的水平方向由脊形部分69周围的第二盖层58的表面至脊形部分69的底部注入至一定深度，从而形成电流限制层60。图4中以“A”表示的圆为穿透区域，通过该区域，穿过脊形部分69的电流密度分布的宽度被明显减小，以降低临界电流并抑制光损失。在本发明的优选实施例中，离子喷淋法被用于将离子注入第二盖层58中，这将在下面参照图5A和5B详细描述。电流限制层60的深度形成得比第二盖层58的厚度浅。例如，优选地，当脊形部分69的宽度为约2μm时，穿透区域A的宽度形成为约0.5μm。
另外，保护层68可沉积于第二盖层58和第二化合物半导体层64上，而p型电极57可沉积于保护层68和由保护层68覆盖的第二化合物半导体层64的表面的一部分上。另外，n型电极51在本发明中沉积于第一化合物半导体层52的台阶上，但也可形成于衬底50的下部，以面对p型电极57。在此情况下，优选衬底由碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)形成。
图5A至图5E为说明根据本发明的半导体激光二极管的制造方法的半导体激光二极管的截面图。
首先，如图5A所示，第一化合物半导体层52、第一盖层54、第一波导层53、有源层56、第二波导层55和第二盖层58顺序沉积在衬底50上。接着在所得结构上设置掩模67a，并且在所得结构上顺序进行曝光处理、显影处理和蚀刻工艺，从而对所得结构构图，如图5B所示。接着，仅在第二盖层58上如图5C所示地设置掩模67b，所得的结构以离子束进行蚀刻。结果，脊形部分69被形成为由第二盖层58的中央部分起沿有源层56表面的垂直方向凸出，如图5D所示。
参照图5E，掩模67b也设置在脊形部分69上，并且将离子束由掩模67b的上方以预定角度入射在第二盖层58的表面上，使得离子束在脊形部分69的周边部分上和底的内部照射至预定的深度。结果，离子穿透脊形部分69周围的第二盖层58的表面，但未进入由掩模67b覆盖的脊形部分的部分，从而形成电流限制层60。每个离子束的倾斜角度可以在约5°至约60°的范围内，而且优选为约15°。可以通过根据脊形部分69的宽度改变倾斜角度来调整电流限制区A的宽度，电流限制区A是形成在脊形部分69的下部内。倾斜角度可通过控制蚀刻设备或晶片台的位置来改变。
电流限制层60通过由脊形部分69的起始点至平行于有源层56的平面的底表面穿透离子束而形成。因此，可以在保持脊形部分69的物理宽度的同时，明显减小注入电流的通道。
与传统的离子注入法不同，离子喷淋法以几百个eV的较低能量将离子注入至目标内。因此，离子注入脊形部分69较浅，但注入的离子在脊形部分69的底面上扩散。从而，在形成电流限制层60时优选采用离子喷淋法。另外，离子喷淋法还可用于将离子注入至有预定倾斜角度的衬底50中，这使得可以有效地扩宽电流限制层60的宽度，以达到脊形部分69的底的内部。有效的离子注入使离子穿透脊形部分69的底面宽度的一半，以形成电流限制层60。
图6A(a)至(c)分别为传统半导体激光二极管的结构图，注入至(a)的半导体激光二极管内的电流的近场图案的模式的照片，以及(a)的半导体激光二极管的电流密度分布图。在图6A(a)中，附图标记与参照图2和3描述的传统半导体激光二极管的部件的附图标记相同。
图6B(a)至(c)分别为根据本发明的半导体激光二极管的结构图，注入至(a)的半导体激光二极管内的电流的近场图案的模式的照片，以及(a)的半导体激光二极管的电流密度分布图。在图6B(a)中，附图标记与参照图4描述的根据本发明的半导体激光二极管的部件的附图标记相同。
参照图6B(a)，为形成根据本发明优选实施例的半导体激光二极管的电流限制层60，在离子束电压为700V，离子束电流约400mA，对衬底50的倾角为15度，离子喷淋时间为60秒，且氧气被用作形成离子的气体的条件下进行离子喷淋法。
通过比较图6A(a)和6B(a)中所示的结构，根据本发明优选实施例的图6B(a)所示的半导体激光二极管还包括脊形部分的起始点周围的第二化合物半导体层58上的电流限制层60。在图6A(a)的传统半导体激光二极管中，经脊形部分注入的电流抵达有源层28而宽度未减小。然而，在根据本发明的半导体激光二极管中，通过脊形部分69的电流的宽度由于电流限制层60而减小，并且如图6B(a)所示抵达有源层56。
参照图6A(b)和6B(b)，传统半导体激光二极管的近场模式，即电流密度分布，具有1.70μm的宽度，而根据本发明的半导体激光二极管的电流密度分布则具有1.17μm的宽度。这表现出注入根据本发明的半导体激光二极管的电流的电流密度分布的宽度比注入传统半导体激光二极管的电流的电流密度分布的宽度还要窄，如图6A(c)和6B(c)中所示。从而，注入根据本发明的半导体激光二极管的电流的量减小，并且临界电流值也减小。然而，在这种情况下，脊形部分69的宽度与传统的半导体激光二极管的脊形部分的宽度相同，因此不会产生光损失。
在根据本发明的半导体激光二极管及其制造方法中，使用浅深度的脊形波导来减小光损失，并且经脊形波导注入的电流的分布宽度也利用电流限制层减小，该电流限制层通过将离子注入脊形波导的起始点的周边部分形成，从而减小了有源层中发射的激光光束的宽度。激光光束宽度的减小导致了近场模式的尺寸和发射临界电流的减小。因此，可以制造性能优于传统的半导体激光二极管的半导体激光二极管。
虽然本发明已通过参照其优选实施例具体地演示和说明，但本领域技术人员应理解，在不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的条件下，可对本发明在形式和细节上做各种变化。
如上所述，根据本发明的半导体激光二极管及其制造方法的优点在于注入有源层的电流的分布宽度可被利用浅脊形部分由于通过向脊形部分的周边部分注入离子获得的电流限制层而减小。结果，可制造具有低发射临界电流和改进的性能的半导体激光二极管。