半导体激光器件、其制造方法和该 制造方法中使用的夹具 【发明背景】
【发明领域】
本发明涉及一种半导体激光器件。特别是，本发明涉及一种设置在半导体激光器件的发光表面上的保护膜结构、其制造方法以及该制造方法中使用的夹具。
相关技术的说明
已知涉及本发明的现有技术是一种半导体激光器件，它具有只覆盖一部分发光表面而不是完全覆盖发光表面的保护膜，其中发光表面至少包括有源层区域。
由于保护膜只覆盖半导体激光器件的一部分发光表面，因此与完全覆盖发光表面的保护膜的情况相比减少了保护膜中产生的应力。这减少了对有源层的损伤和防止保护膜的剥离(例如参见日本未审专利公报No.8-97496(1996))。
半导体激光器件的发光表面容易被从半导体激光器件本身发射的激光束氧化。发光表面的氧化趋于有害地影响半导体激光器件的可靠性和使用寿命。
为了防止发光表面的氧化，利用真空汽相淀积在发光表面上形成氧化膜如Al2O3，作为保护膜。
然而，在利用汽相淀积形成Al2O3保护膜时，在刚刚开始汽相淀积之后，由用于保护膜地氧化物材料的分解产生的氧分子的分压增加。在汽相淀积期间由分解产生的氧分子撞击发光表面或者与发光表面结合，由此损伤发光表面。特别是，在半导体激光器件的有源层及其周边层含有铝时，这种损伤进一步恶化。
因此，通常在形成氧化物保护膜之前，利用汽相淀积在发光表面上形成Si薄膜。形成Si薄膜一般不可能由于汽相淀积中材料的分解而产生氧。
同时，半导体激光器件包括设置在其正面和背面上的一对金电极。通常，正面电极被构图成非对称形状，用于在主发光表面一侧和半导体激光器件的背面之间进行识别。另一方面，考虑到关于构图的劳力和成本，背面电极一般设置在半导体激光器件的整个背面上。
在这种情况下，背面电极的边缘暴露于发光表面，因而前述Si薄膜接触背面电极的边缘。利用与背面电极接触的Si薄膜，通过为了利用汽相淀积形成保护膜而加热使作为电极材料的金扩散到Si薄膜中。如果金扩散到Si薄膜中并到达用作半导体激光器件的发光点的有源层区域，则与金没有扩散到Si薄膜中的情况相比，半导体激光器件的最大输出减少到低于上述情况的一半。这大大降低了半导体激光器件的可靠性。
如果保护膜设置成部分地覆盖发光表面以便不接触背面电极的边缘，则可以防止金的扩散。然而，局限于一部分发光表面的保护膜形成区致使难以充分地保护发光表面。
【发明内容】
鉴于上述原因，本发明提供一种包括保护膜的半导体激光器件，能够抑制电极材料的扩散和充分地保护发光表面。
根据本发明，提供一种半导体激光器件，包括：其上层叠包括有源层的半导体薄膜的半导体衬底；分别设置在衬底的相对表面上的一对电极；在暴露有源层和至少一个电极的边缘的衬底侧面上限定的发光表面；和覆盖发光表面的保护膜，该保护膜在电极边缘上的厚度小于在有源层上的厚度。
随着保护膜厚度增加，趋于促进电极材料在保护膜上的扩散。即使利用完全覆盖发光表面的保护膜，也可以同时实现抑制电极材料的扩散和充分保护发光表面，这是因为保护膜在电极边缘上的厚度小于在有源层上的厚度，如上所述。
附图简述
图1是根据本发明第一实施例的半导体激光器件的透视图；
图2是图1中所示的半导体激光器件的侧视图；
图3是图2中所示的部分A的放大图；
图4(a)、4(b)、5(c)6(a)-6(d)和7(e)是用于解释根据第一实施例的半导体激光器件的制造工艺的示意图；
图8是在根据第一实施例半导体激光器件的制造工艺中使用的夹具的透视图；
图9是表示安装在图8中所示的夹具上和在固定器中以叠置关系容纳的激光条的示意图；
图10是表示在根据本发明的半导体激光器件的制造工艺中使用的另一夹具的透视图；
图11是表示安装在图10中所示的夹具上和在固定器中以叠置关系容纳的激光条的示意图；
图12是表示在根据本发明的半导体激光器件的制造工艺中使用的又一夹具的透视图；
图13是表示安装在图12中所示的夹具上和在固定器中以叠置关系容纳的激光条的示意图；和
图14是根据本发明第二实施例的半导体激光器件的侧视图。
优选实施例的说明
根据本发明的半导体激光器件，包括：其上层叠包括有源层的半导体薄膜的半导体衬底；分别设置在衬底的相对表面上的一对电极；在暴露有源层和至少一个电极的边缘的衬底侧面上限定的发光表面；和覆盖发光表面的保护膜，该保护膜在电极边缘上的厚度小于在有源层上的厚度。
在根据本发明的半导体激光器件中，包括有源层的半导体薄膜具有如下结构：有源层夹在p型包层和n型包层之间。更具体地说，半导体薄膜具有这样的结构，即GaAlAs的有源层夹在GaAlAs的p型包层和GaAlAs的n型包层之间。
半导体衬底例如是GaAs衬底。保护膜具有叠层结构，例如包括由Al2O3、SiO2和TiO2中的一种材料构成的层和Si层。电极对例如由金构成。
在根据本发明的半导体激光器件中，保护膜的厚度从有源层向电极的边缘逐渐减小。利用这种设置，保护膜的厚度不是急剧变化的，因而与只有覆盖电极边缘的一部分保护膜具有较小厚度的情况相比，提高了保护膜的强度。
在根据本发明的半导体激光器件中，保护膜可以具有包括由Al2O3、SiO2和TiO2中的一种材料构成的层和Si层的叠层结构，其中该保护膜与发光表面接触并且它在电极边缘上的厚度比在有源层上的厚度小，并且电极可以由金构成。在这种情况下，Si层可以具有从有源层向电极边缘逐渐减小的厚度。
利用这种布置，Si层接触发光表面，因而可以防止由于汽相淀积期间如Al2O3、SiO2或TiO2等材料的分解产生的氧分子撞击发光表面或者与发光表面结合，从而损伤发光表面。此外，Si层在电极边缘上的厚度小于在有源层上的厚度，因此可以抑制电极材料(金)在Si薄膜中的扩散的常规问题。
由Al2O3、SiO2和TiO2中的一种材料构成的层在电极边缘上的厚度小于在有源层上的厚度，这与Si层一样，或者可以以均匀厚度设置在Si层上。就是说，保护膜具有上述多层结构，通过减小覆盖电极边缘的至少一部分Si层的厚度可以抑制电极材料(金)的扩散。
覆盖电极边缘的部分Si层优选具有小于约20埃的厚度，更优选小于约10埃，目的是为了抑制电极材料(金)的扩散。如果Si层部分的厚度为约20埃或以上，则促进了电极材料(金)的扩散。例如，在Si层部分的厚度为约40埃时，在大多数情况下扩散到达有源层区域。例如，在Si层部分的厚度为约20埃时，在有些情况下扩散到达有源层区域。
根据本发明的另一方案，提供一种制造上述本发明的半导体激光器件的方法，包括以下步骤：在其上层叠了包括有源层的半导体薄膜的半导体衬底的相对面上形成一对电极；在暴露有源层和至少一个电极的边缘的半导体衬底侧面上限定发光表面；和利用汽相淀积在发光表面上形成保护膜；其中保护膜形成步骤包括以下步骤：利用与电极边缘相隔预定距离的夹具屏蔽电极边缘，以便间接地屏蔽电极边缘使其在汽相淀积期间不暴露于汽相淀积源，由此形成的保护膜在电极边缘上的厚度小于在有源层上的厚度。
根据本发明的另一个方案，提供一种制造上述半导体激光器件的方法，包括以下步骤：提供一种激光条，该激光条具有分别在暴露其有源层和其电极边缘的其相反侧面上限定的发光表面；利用汽相淀积在激光条的各个发光表面上形成保护膜；和分割形成有保护膜的激光条；其中保护膜形成步骤包括以下步骤：利用与电极边缘相隔预定距离的夹具屏蔽电极边缘，以便间接地屏蔽暴露于激光条的发光表面的电极边缘使其在汽相淀积期间不暴露于汽相淀积源，由此形成的保护膜在电极边缘上的厚度小于在有源层上的厚度。
在本发明中，术语“激光条”指的是其上层叠包括有源层的半导体薄膜的条状半导体衬底，并且其包括设置在其相反表面上的多对电极以及在暴露有源层和电极边缘的其相反侧面上限定的发光表面。
在这些制造方法中，进行汽相淀积，同时电极边缘被与电极边缘隔开预定距离的夹具屏蔽。因此，汽相淀积材料少量地引入到电极边缘和夹具之间的空间中。这样，保护膜形成为完全覆盖发光表面并具有在电极边缘上的较小厚度。
在上述制造方法中，被夹具屏蔽的部分发光表面不限于电极边缘，而是可以包括除了暴露有源层的部分发光表面以外的发光表面的任何部分。
由于防止在电极边缘上形成保护膜，因此用于保护膜的汽相淀积材料不会到达电极表面。因此，可以防止在电极表面上形成不想要的膜。
在常规半导体激光器件制造方法中，在汽相淀积期间，汽相淀积材料引入到互相堆叠的半导体激光器件的相对电极之间限定的小空间中，因此保护膜还可能形成在电极表面上。在电极表面上形成保护膜使得将半导体激光器件结合到模片如散热器上很困难，或者不能将导线连接到电极表面，由此在半导体激光器件的组件中产生电连接故障。因此，在常规半导体激光器件制造方法中，在形成保护膜之后应该除去形成在电极表面上的保护膜的不需要的部分。相反，上述本发明的制造方法避免了这个操作。
在上述本发明的制造方法中，预定距离可以为约25-40μm。如果该距离小于约25μm，则在用夹具屏蔽电极边缘的步骤中发光表面被夹具损伤的概率更高。如果该距离大于40μm，则不可能充分地屏蔽电极边缘使其不受汽相淀积影响。
在上述本发明的制造方法中，保护膜可以各具有叠层结构，该叠层结构包括由Al2O3、SiO2和TiO2中的一种材料构成的层和Si层。在这种情况下，Si层可以通过汽相淀积形成，同时利用夹具屏蔽电极边缘。利用这种布置，由于形成Si层而不可能由于汽相淀积期间材料的分解产生氧分子，而且Si层的形成先于由Al2O3、SiO2或TiO2构成的层的形成，因此可以防止在利用汽相淀积形成保护膜期间损伤发光表面。
此外，在用于形成Si膜的汽相淀积期间用夹具屏蔽电极边缘。因此，至少Si膜具有在电极边缘上的较小厚度，因而抑制了电极材料的扩散。
根据本发明的另一方案，提供一种在上述本发明的制造方法中使用的夹具，它包括：其上放置半导体衬底或激光条的基座，其中半导体衬底或激光条上的电极与基座相对；从基座的边缘笔直突出的屏蔽部件，用于屏蔽暴露于半导体衬底或激光条的发光表面的电极边缘；其中当半导体衬底或激光条放在基座上时，屏蔽部件与半导体衬底或激光条的电极边缘隔开预定距离。
在上述本发明的夹具中，预定距离可以为约25-40μm。如果该距离小于约25μm，则半导体衬底或激光条不容易安装在夹具上，因此半导体衬底或激光条的发光表面可能被损伤。如果该距离大于40μm，则不可能充分地屏蔽电极边缘使其不受汽相淀积影响。结果是，更大量的汽相淀积材料引入在屏蔽部件和电极边缘之间限定的空间中，因此汽相淀积材料淀积在电极边缘上的厚度大于预定厚度。这里的预定厚度小于约20埃。
在上述本发明的夹具中，屏蔽部件具有一定高度，以便当半导体衬底或激光条放在基座上时，屏蔽部件的上边缘处于比暴露于发光表面的半导体衬底或激光条的有源层低的水平上。利用这种布置，可以确保屏蔽需要与汽相淀积隔离的一部分半导体衬底或激光条，同时可以确保不被屏蔽的一部分半导体衬底或激光条(即暴露于发光表面的有源层)暴露于汽相淀积源。
在上述本发明的夹具中，基座可以是矩形的，并且屏蔽部件可包括两个屏蔽部件，它们分别以相反关系从基座的相对边缘笔直突出。利用这种布置，分别从矩形基座的相对边缘笔直突出的两个屏蔽部件使半导体衬底或激光条在基座上的设置更容易。结果是，电极的充相对边缘能够以更高的精度与屏蔽部件隔开预定距离。
下面参照附图更详细地介绍根据本发明实施例的半导体激光器件。在下列实施例中，相同部件用相同的参考标记表示。
第一实施例
下面参照图1-3介绍根据本发明第一实施例的半导体激光器件。图1是根据第一实施例的半导体激光器件的总体结构的透视图，图2是图1中所示的半导体激光器件的侧视图。图3是图2中的部分A的放大图。
如图1-3所示，根据第一实施例的半导体激光器件1包括：其上层叠包括有源层2的半导体薄膜3的半导体衬底4、分别设置在半导体衬底4的相对面上的正面电极5和背面电极6、分别在暴露有源层2和背面电极6的相对边缘的半导体衬底4相反侧上限定的发光表面7、和分别覆盖发光表面7的保护膜8。保护膜8在背面电极6上的厚度小于在有源层2上的厚度。
保护膜8各具有包括Si膜9和Al2O3膜10的叠层结构，并具有预定反射系数。正面电极5和背面电极6由金构成。
接着，下面参照图4(a)-9介绍图1-3中所示半导体激光器件1的制造方法。
首先，如图4(a)所示，沿着预定线将激光器晶片30分割成多个条形激光条31。激光条31各包括一组半导体激光器件1，这些半导体激光器件都没有形成保护膜8(参见图1-3)，而是已经分别在其正面和背面各形成有正面电极5和背面电极(未不出)。
接着，如图4(b)所示，将激光条31分别安装在如图8所示的膜形成夹具40上并安装在固定器50中。这样，膜形成夹具40和激光条31以交替层叠关系被容纳在固定器50中。当激光条31容纳在固定器50中时，各个激光条31的前侧面31a和后侧面31b在相同方向取向。
如图8所示，膜形成夹具40各包括其上将要放置激光条31的矩形平面部分(基座)41和从平面部分41的相对边缘笔直突出的壁(屏蔽部件)42。放置在固定器50中的激光条31和膜形成夹具40之间的位置关系示于图9中。
更具体地说，通过激光条31放置在膜形成夹具40的平面部分41上，激光条31的前侧面31a和后侧面31b分别与膜形成夹具40的壁42隔开约25-40μm的距离。即，膜形成夹具40的平面部分41的宽度W1设定为由约50到80μm加上激光条31的宽度W2的值，其中宽度W2是从前侧面31a到后侧面31b测量的。
壁42的高度如此确定，使得当激光条31安装在膜形成夹具40上时，壁42的上边缘处于比暴露于激光条31的侧面的有源层2低的水平上。
接下来，如图5(c)所示，将其中容纳激光条31和膜形成夹具40的固定器50安装在真空汽相淀积装置60中的旋转固定器61中。此时，容纳在固定器50中的激光条31的前侧面31a(见图4(b))与真空汽相淀积装置60中的汽相淀积源62相对。
将固定器50安装在旋转固定器61中之后，通过排气管64对真空汽相淀积装置60的腔室63进行抽真空。当达到预定真空度时，从汽相淀积源62蒸发汽相淀积材料，开始膜形成。
现在，参照图6(a)到6(d)和7(e)介绍用于膜形成的工艺。在图6(a)到6(d)和7(e)中，只示出了激光条，没有示出膜形成夹具和固定器。
首先，如图6(a)所示，以约1埃/秒的膜形成速度在激光条31的前侧面31a上形成Si膜9。当覆盖有源层2的一部分Si膜的厚度达到约20埃时，完成膜形成。
此时，暴露于激光条31的前侧面31a的背面电极6的边缘以及其周边被与前侧面31a隔开的膜形成夹具40的壁42屏蔽(见图9)，由此间接地屏蔽它不暴露于汽相淀积源(见图5(c))。这样，防止了在背面电极6的边缘及其周边上形成膜，因此Si膜9在背面电极6的边缘上具有不大于10埃的厚度。抑制在背面电极6边缘上形成膜可以防止汽相淀积材料到达至少背面电极6的表面，因此避免了在背面电极6的表面上形成不希望的膜。
接着，如图6(b)所示，在Si膜9上以约30埃/秒的膜形成速度形成Al2O3膜10。覆盖有源层2的一部分Al2O3膜的厚度达到约500-1000埃时，完成膜形成。结果是，提供了包括Si膜9和Al2O3膜10的保护膜8。
在形成Al2O3膜10时，背面电极6的边缘及其周边间接地被膜形成夹具40的壁42屏蔽而不暴露于汽相淀积源，因此可以防止在背面电极6的边缘及其周边上形成膜，这与形成Si膜9时一样。这样，Al2O3膜在背面电极6的边缘上具有不大于约100埃的厚度。
在激光条31的前侧面31a上如此形成保护膜8之后，使真空淀积装置(见图5(c))的旋转固定器61旋转，以便使激光条31的后侧面31b(见图4(b))与汽相淀积源62处于相对关系。
接着，如图6(c)和6(d)所示，利用与在前侧面31a上形成保护膜8时相同的方式，在每个激光条31的后侧面31b上形成Si膜9和Al2O3膜10，用于在后侧面31b上形成保护膜8。
然后，从真空汽相淀积装置60(见图5(c))的旋转固定器61中取出固定器50，并且从固定器50中取出各具有设置在其前侧面31a和后侧面31b上的保护膜8的激光条31(见图4(b))。
之后，如图7(e)所示，沿着预定线将如此取出的每个激光条31分割成多个半导体激光器件1。
在如此制造的半导体激光器件1中，覆盖背面电极6边缘的部分Si膜9非常薄，其厚度不大于约10埃。因此，即使在形成Al2O3膜10时加热背面电极6，构成背面电极6的金也不会扩散到Si膜9中。
此外，保护膜8形成为完全覆盖发光表面7。因此，充分地保护了发光表面7。尤其是，覆盖有源层2的保护膜8的Si膜部分和Al2O3膜部分分别具有预定厚度，因此充分地保护了有源层2。
由于Si膜9置于发光表面7和Al2O3膜10之间，与只由Al2O3膜构成的保护膜相比，可以改变保护膜8的反射系数。然而，Si膜9的厚度为约20埃，因此提供Si膜9不会影响保护膜8的反射系数。保护膜8的反射系数即使改变也能通过适当控制Al2O3膜10的厚度而调整到预定值。
膜形成夹具40的结构不限于图8中所示的结构，还可以是如图10或12所示的结构。
图10中所示的膜形成夹具70如此构成，即其壁从其平面部分71的相对边缘不仅向前侧突出而且向后侧突出。激光条31分别安装在各具有前述结构的膜形成夹具70上，并以堆叠关系容纳在固定器50中。固定器50中的激光条31和膜形成夹具70之间的位置关系示于图11中。
如上所述，膜形成夹具70的壁72还从平面部分71向背面一侧突出，因此在激光条31的前侧面31a和后侧面31b上的正面电极和背面电极的边缘被与正面电极和背面电极的边缘隔开的壁72屏蔽。
因此，即使正面电极5和背面电极6的边缘暴露于发光表面7，也可以防止电极材料(金)扩散到Si膜9中，因为Si膜9(见图6(a))在正面电极5和背面电极6的边缘上具有较小厚度。
此外，用于保护膜8的汽相淀积材料不会淀积在正面电极5和背面电极6的表面上。这就不再需要除去形成在电极上的不需要的膜部分。
图12中所示的膜形成夹具80如此构成，即其壁82只从其平面部分81的相对边缘之一笔直突出。激光条31分别安装在各具有前述结构的膜形成夹具80上，并以叠置关系容纳在固定器50中。固定器50中的激光条31和膜形成夹具80之间的位置关系示于图13中。
采用膜形成夹具80用于在激光条31的前侧面31a和后侧面31b的任一个上形成Si膜9(见图6(a))。
第二实施例
下面参照图14介绍根据本发明第二实施例的半导体激光器件。图14是根据第二实施例的半导体激光器件的侧视图。
根据第二实施例的半导体激光器件21包括分别设置在发光表面27上的保护膜28a和28b，其中发光表面27限定在其相对侧面上。这些保护膜当中，设置在半导体激光器件21的前侧面上的保护膜28a是低反射率膜，并且设置在半导体激光器件21的后侧面上的保护膜28b是高反射率膜。这样，提高了从前侧面发射的光的输出。半导体激光器件21具有与根据第一实施例的半导体激光器件1(见图1-3)基本相同的结构，除了保护膜28a、28b的设置之外。
在前侧面上的保护膜28a具有不高于约15％的反射系数，而后侧面上的保护膜28b具有不低于约85％的反射系数。
前侧面上的保护膜28a包括在发光表面27上按顺序堆叠的约20埃厚的Si膜9和约700埃到1600埃厚的Al2O3膜10。另一方面，后侧面上的保护膜28b包括在发光表面27上按顺序堆叠的约20埃厚的Si膜9a、约1950埃厚的Al2O3膜10a、约1950埃厚的Si膜9b、约1950埃厚的Al2O3膜10b、约1950埃厚的Si膜9c和约3900埃厚的Al2O3膜10c。保护膜28a、28b的各个膜的厚度这里定义为在有源层2上测量的值。
保护膜28a、28b的各个膜的厚度是在假设振荡波长(λ)为约7800埃的条件下计算的。Al2O3膜的折射率(n)为约1.60，半导体激光器件21的折射率(n)为约3.50。保护膜28a、28b的各个膜的形成是利用与第一实施例中基本相同的方式实现的，因此Si膜9、9a在背面电极26边缘上的厚度比在有源层22上的厚度小。这样，可以防止作为背面电极26的材料的金扩散到Si膜9、9a中。
根据本发明，保护膜在电极边缘上具有比在有源层上小的厚度，因此可以抑制电极材料的扩散和充分地保护发光表面。