CN1251372C - 半导体激光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能进行稳定的横模振荡，能射出具有优异远场图(F.F.P.)的激光的半导体激光元件，它包括依次叠层了第一导电型的半导体层、活性层和与所述第一导电型不同的第二导电型的半导体层的层状结构体，在所述活性层及其附近形成有限制光在宽度方向上扩散，将光引导到与该宽度方向垂直的方向上的波导路区域，波导路区域具有第一波导路区域和第二波导路区域，第一波导路区域是通过限制活性层的宽度，利用该活性层和其两侧的区域之间的折射率差，将光关闭在其所限制的活性层内的区域；第二波导路区域是通过在所述活性层中有效地设置折射率差来将光关闭的区域。

Description

半导体激光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种设有条形脊(凸部)的半导体激光元件，特别是涉及一种使用了GaN、AIN或InN或它们的混合晶即III-V族氮化物半导体(InbAldGa1-b-dN，0≤b，0≤d，b+d＜1)的半导体激光元件。
背景技术
现在，使用了氮化物半导体的半导体激光元件在应用于诸如能记录与重现DVD等高密度大容量的光盘系统中的需求正在日益增加。因此，在使用了氮化物半导体的半导体激光元件方面正积极地进行研究。使用了氮化物半导体的半导体激光元件能振荡并放出从紫外线至红色广阔光谱范围的可见光，预期其应用范围不仅仅局限于所述光盘系统的光源，还将广泛涉及激光打印机及光学网路等的光源等多领域。
特别是，在激光元件的结构方面已有各种研究且已为对横模能有较佳控制的结构也提出了许多建议。其中有脊形波导路结构被视为有发展前途且已被应用于世界上首次开始上市的氮化物半导体激光元件。
半导体激光元件的脊形波导路结构因结构简单可使其较易驱动激光振荡，但另一方面在进行大量生产时容易产生特性上的偏差。这是因为脊形波导路结构中凸形长条尺寸的变化会使特性改变，而凸形长条形状的偏差取决于蚀刻的精度，且凸形长条尺寸的精度无法高于其蚀刻的精度。另外，若就以可能遭受活性层中会有重大蚀刻损伤或将活性层表面露出于蚀刻环境中时会造成损伤的半导体材料制成的半导体激光元件而言，当完全折射率波导路型的半导体激光元件是通过比活性层还深的蚀刻而形成脊状物来制成时，由活性层内及其表面的蚀刻所导致的损伤会使激光特性变坏。因此，这种半导体激光元件必须为有效折射率型的波导路结构，而其中设置的长条的深度不会到达活性层。但就有效折射率型的波导路结构而言，由于上述长条形态的变化而导致元件特性变化显著，造成批量生产时元件特性的相当大变化。
为能将使用了氮化物半导体的半导体激光元件应用于以上所述的领域，必须设置一种可大量生产且品质稳定的元件。
但是，目前已知的激光元件在脊形波导路的形成上遇到障碍，这是因为通常脊形波导路的形成是首先生长构成元件的氮化物半导体，再蚀刻其上层来除去其氮化物半导体的一部分而形成用于构成波导路的脊(凸部)，如以上所述，蚀刻的精度对所制成的激光元件的元件特性有很大影响。也即因为横向模式是由构成脊形波导路的脊(凸部)的形态(特别是高度与宽度)来控制，且得到的激光的F.F.P(远场图)也因而决定，在利用蚀刻形成脊形波导路时蚀刻深度的控制误差为直接造成元件特性产生偏差的主要因素。
另外，诸如RIE(反应性离子蚀刻)等的干蚀刻技术已知可用于氮化物半导体的蚀刻方法中，但用此种蚀刻方法很难将蚀刻深度控制到能完全解决元件特性变化(偏差)的精度。
而且，近些年来元件的设计趋势是在元件结构内形成多个以几个原子层单位控制的层，诸如超晶格结构等。这也会助成由所述蚀刻精度所造成的元件特性变化。即，当形成构成元件结构的各层时要有极高的精度，如此很难使用其精度低于膜形成精度数位的蚀刻方法来达到形成脊与其他结构的复杂设计元件结构，因而造成改良元件特性的阻碍。
例如在形成一个折射率波导型结构且无须蚀刻活性层而在活性层上设置脊形波导路并具有高输出功率的使用了氮化物半导体的半导体激光元件时，蚀刻深度的精度必须控制在将位于脊正下方部分的活性层与其他部分活性层间的折射率的有效差保持在百分之一。为达到此一精度，若在活性层正上方的层为p型包层时，脊的形成必须藉蚀刻而蚀刻深度的精度应控制在0.01μm以内直到仅剩下极小部分的p型包层为止。另一方面，脊形波导路的宽度可有较低的精度，但必须以0.1μm的精度进行蚀刻。
另外，当使用RIE法(反应离子蚀刻法)来蚀刻氮化物半导体时，被蚀刻的层及其表面容易受损而引起元件特性与可靠性的恶化。在蚀刻方法中，可用湿蚀刻法及干蚀刻法进行蚀刻，不过尚未开发出能适用于氮化物半导体的湿蚀刻溶液。
如以上所述，高性能的使用了氮化物半导体的半导体激光元件是否可以大量生产且其特性的变化较少，在蚀刻工序中形成脊形波导路的精度对此有很大的影响，怎样以高精度来形成脊形波导路已成为极为重要的课题。
发明内容
鉴于以上所述问题的存在，本发明的目的在于：设置一种半导体激光元件或端面发光元件及其制造方法，使条状形态的半导体激光元件，既是具有其振荡和波导路特性均优异的谐振器的半导体激光元件，又是能获得稳定的横模控制，并能射出具有优异远场图(F.F.P)的激光束的半导体激光元件，并且即使在大量生产时该元件的特性也很少变化。
本发明的目的可以由具有以下所述结构的半导体激光元件来实现。
本发明的第一种半导体激光元件包括依次叠层了第一导电型半导体层、活性层和与所述第一导电型不同的第二导电型半导体层的层状结构体，在所述活性层及其附近形成有限制光在宽度方向上扩散并将光引导到与该宽度方向垂直的方向上的波导路区域，其特征在于：
所述波导路区域具有第一波导路区域和第二波导路区域；
所述第一波导路区域与所述第二波导路区域相比，由包含宽度更窄的活性层构成，其是通过该活性层和该活性层两侧的区域之间的折射率差来将光关闭在其所限制的活性层内的区域；
所述第二波导路区域是有效折射率型波导路区域。
这样，在上述构造的本发明的第一种半导体激光元件中，所述波导路区域具有第一波导路区域，在该第一波导路区域中，通过在活性层和该活性层两侧的区域之间中有效地设置折射率差来将光限制在该活性层内，所以在该第一波导路区域中能更可靠地抑制横模的产生，并且能可靠地进行光束控制，能发出有优异远场图(far field pattern)的激光。
另外，所述第一种半导体激光元件中具有第二波导路区域，其构成是在活性层中有效地形成具有高折射率的区域，在所述第二波导路区域中，可以不必使作为波导路而发挥功能的活性层直接露出到外部，能够延长元件的使用寿命并且能提高可靠性。因此，本发明的第一种半导体激光元件是将第一波导路区域与第二波导路区域的各个特征合在一起所形成的激光元件。
另外，在本发明的第一种半导体激光元件中，第一波导路区域中的活性层可以通过形成包括所述活性层的第一脊来构成，并且因而限制该活性层的宽度，并可通过在第二导电型层中形成第二脊而构成所述具有有效的高折射率的区域。
另外，在本发明的第一种半导体激光元件中，第一脊的形成也可以通过蚀刻第一脊的两侧直至所述第一导电型层露出为止，而第二脊的形成可以通过蚀刻所述第二脊的两侧并使所述第二导电型层仍保留在所述活性层上。
另外，在本发明的第一种半导体激光元件中，位于第二脊两侧活性层上第二导电型层的膜厚最好为0.1μm以下，如此能更可靠地控制横模。
再者，在本发明的第一种半导体激光元件中第二脊最好较第一脊长，如此可有更好的可靠性。
而且，在本发明的第一种半导体激光元件中第一波导路区域最好有一激光谐振器谐振器面，如此可获最佳远场图的激光。
另外，在本发明的第一种半导体激光元件中，也最好使用一方的谐振器面作为发射面，如此可获具有更佳远场图的激光。
而且，在本发明的第一种半导体激光元件中，第一波导路区域的长度最好为1μm以上。
而且，在本发明的第一种半导体激光元件中，第一导电型半导体层、活性层和所述第二导电型半导体层均可由氮化物半导体来制成。
而且，在所述半导体激光元件中，所述活性层可用含有In的氮化物半导体层来构成，如此激光可以在波长较短的可见光区域及紫外线区域内振荡。
另外，在本发明的第一种半导体激光元件中最好在第一脊的两侧面和第二脊的两侧面分别形成绝缘膜，该绝缘膜最好通过从铊(Ti)、钒(V)、锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)、钽(Ta)的各氧化物以及氮化硅(SiN)、氮化硼(BN)、炭化硅(SiC)、氮化铝(AlN)所形成的群中选择出来的至少一种来构成。
另外，本发明的第二种半导体激光元件在依次叠层了第一导电型层、活性层以及与该第一导电型层的导电型不同的第二导电型层的层状结构体上具有条形的波导路区域，其特征在于：
所述条形的波导路区域至少具有：
在谐振器方向，在条形的第二导电型层、活性层和第一导电型层的一部分内设置了条形波导路的第一波导路区域；以及在第二导电型层上设置脊的脊波导路型的第二波导路区域。
在此结构中，因本发明的激光元件包括具有元件可靠性优异的第二波导路区域C2及具有优异横向振荡控制能力及优异光束特性的第一波导路区域C1，成为发挥了其两方面特性的激光元件，可按照用途来设置各种激光元件且不必进行改变元件的复杂设计。在有效折射率型波导路中，一个条形脊形成于在活性层上的第二导电型层中，使得活性层保持在生长状态中，而当驱动元件时波导路不会恶化，因而有优异的元件可靠性。也因为是以深于活性层的蚀刻在波导路中设置折射率导引型的第一波导路区域C1因而造成波导路两侧的折射率差，可易于控制横向模式。如此设置激光元件的波导路可易于变更波导路的横向模式。在本说明书中，具有第一波导路区域的波导路将称为完全折射率型的波导路或完全折射率型波导路以避免与有效折射率型波导路相混淆。
另外，在本发明的第二种半导体激光元件中，所述第一波导路区域C1的完全折射率的达到是通过条形脊是将第一导电型层、活性层及第二导电型层均包括在内而设计的，而所述第二波导路区域C2的有效折射率的达到则是通过在第二导电型层设置的条形脊。利用这种结构，因第一波导路区域C1与第二波导路区域C2易于在激光元件中形成，于是，可用简单设计制造出有各种特性的激光元件。
另外，本发明的第三种半导体激光元件在依次叠层了第一导电型层、活性层以及与该第一导电型层的导电型不同的第二导电型层的层状结构体上具有条形的波导路区域，其特征在于：
所述条形的波导路区域至少具有：在谐振器方向，在所述第二导电型层上设置了条形的凸部的第二波导路区域；以及
在所述第二导电型层、所述活性层和所述第一导电型层的一部分上设置了条形的凸部的第一波导路区域。
利用这种结构，因条形的波导路区域是由其中有活性层的一部分被去掉的区域(第一波导路区域C1)及其中的活性层并未被去掉的区域(第二波导路区域C2)所构成，在去掉时对活性层造成的损伤可限制在一部分波导路中，因而改善了元件的可靠性。就易于受损且在去掉部分活性层时引起元件可靠性与特性恶化的半导体材料而言，可以通过设计第一波导路区域C1所占比例来获得具有所需可靠性与元件特性的激光元件，这是因为仅设置一部分第一波导路区域C1。改变第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的长度(构成波导路的比例)与位置也可以制造有各种特性的激光元件，特别是容易获得具有所需光束特性的激光元件。
另外，在所述第二与第三种半导体激光元件中，可以通过除去所述层状结构体的一部分及形成一个包括条形脊的脊波导路也可以构成所述第一波导路区域C1与第二波导路区域C2。通过这种结构，在由条形脊(条状的凸部)构成的脊波导路结构的激光元件中能够获得多种特性的激光元件。
另外，在所述第二与第三种半导体激光元件中，最好使所述第二波导路区域C2的条的长度较第一波导路区域C1为长。通过这种结构就可以用因形成第一波导路区域C1而使元件大为恶化的半导体材料，例如当活性层的一部分被去掉或露出时受损的半导体材料，制成有优异可靠性的激光元件。
另外，在所述第二与第三种半导体激光元件中最好该元件至少具有一个谐振器面形成于第一波导路区域C1的端部。以此种结构在一个谐振器面上设置有优异横向模式可靠性的第一波导路区域C1可较在其他位置设置第一波导路区域C1能更有效控制光的导引，因而可获具有各种特性的激光元件。
另外，在所述第二与第三种半导体激光元件中，在所述第一波导路区域C1端部上形成的谐振器面最好为射光平面。以此种结构通过设置在激光束发射平面上有优异横向模式控制性的第一波导路区域C1，可直接控制光束的特性并获得具有所期望的远场图及所期望的激光的纵横尺寸比的激光元件。
另外，在所述第二与第三种半导体激光元件中，在其端部有谐振器面的第一波导路区域C1长条的长度最好为1μm以上。通过这种结构可以达到对远场图及激光束纵横尺寸比更可靠的控制并获得特性变化较少的激光元件。
另外，所述第二与第三种半导体激光元件也可以在第一导电型层、活性层及第二导电型层中使用氮化物半导体来构成。此种结构可以使用很难在其中形成根据离子注入、再成长层的埋入结构的氮化物半导体来制成有各种特性的激光元件。因为当活性层的一部分是以在氮化物半导体中以蚀刻方法除去时，元件的使用寿命会大为缩短，很难使得包括完全折射率型的波导路且有部分活性层被除去的激光元件商业化。但因波导路的一部分变为第一波导路区域C1，可制造对横向模式有优异控制性的激光元件且仍保持元件寿命不会缩短。
另外，在所述第二与第三种半导体激光元件中也可以用含铟氮化物半导体的激光来构成活性层。通过这种结构可以制成具有从紫外线至可见光波长范围的激光元件。
另外，在所述第二与第三种半导体激光元件中，所述第一波导路区域C1可以包括n型氮化物半导体而所述第二波导路区域C2可以包括p型氮化物半导体。
另外，在所述第二与第三种半导体激光元件中第二波导路区域C2最好有一包括p型氮化物半导体的p型包层，而所述第二波导路区域的条形脊是在将该p型包层的厚度保持在小于0.1μm的情形下形成。通过这种结构可以制成有低临界电流与优异横向模式控性的激光元件。此处所说的p型包层厚度是指在并未形成脊的区域内p型包层的露出表面与p型包层下方邻接层介面间的距离而所谓「在活性层上方」是指在活性层与位于其上邻接层间介面上方的位置。也即活性层与p型包层在形成时是互相接触时，所述的露出表面是形成于p型包层内其深度保持在大于0而小于0.1μm的处。若如下面，实施例1中所述有一导引层形成于活性层与p型包层间时，所述的露出表面是形成于活性层与位于其上邻接层间介面的上方而在p型包层中厚度保持在0.1μm深处的下方或在活性层与p型包层之间的层中。
另外，所述第二与第三种半导体激光元件的结构也可以为氮化物半导体露出在所述第一波导路区域C1的条形脊的侧面及第二波导路区域C2条形脊的侧面，在该条形脊的侧面设置有绝缘膜，该绝缘膜的材料可选用包括至少一种铊、钒、锆、铌、铪与钽的氧化物及氮化硅、氮化硼、炭化硅与氮化铝等化合物。通过这种结构可以在使用了氮化物半导体的半导体激光元件的条形脊内设置具有良好的折射率差并且可以制成横向模式的控制性优异的条形的波导路区域的激光元件。
另外，在所述第二与第三种半导体激光元件中条形脊的宽度最好为1μm至3μm范围内。通过这种结构可以在所述第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的波导路层中形成横向模式的控制性优异的条形的波导路区域，因而可有在电流光学输出特性中无扭折的激光元件。
本发明的半导体激光元件的制造方法，能够通过以下所述的结构，来达成为本发明的目的。
本发明的半导体激光元件的制造方法，其特征在于：包括：使用氮化物半导体，形成依次叠层了第一导电型层、活性层和第二导电型层的层状结构体的叠层工序；在形成层状结构体之后，再形成条形的第一保护膜的工序；对没有形成所述第一保护膜的层状结构体部分进行蚀刻，在第二导电型层上形成条形脊的第一蚀刻工序；在该第一蚀刻工序中露出的表面的一部分上，通过第一保护膜而形成第三保护膜，并对未形成该第三保护膜的层状结构体部分进行蚀刻，在第一导电型层上形成条形脊的第二蚀刻工序；将与第一保护膜不同的材料即具有绝缘性的第二保护膜形成在所述条形脊的侧面以及由于蚀刻而露出的氮化物半导体表面上的工序；在形成第二保护膜之后，将第一保护膜除去的工序。
附图说明
下面，简要说明附图。
图1A为模式化地表示根据本发明实施例的激光元件构造的立体图。
图1B为该实施例的激光元件的第二波导路区域的剖视图。
图1C为实施例的激光元件的第一波导路区域的剖视图。
图2A为以往的技术激光元件在未形成脊前的模式剖视图。
图2B为以往的技术激光元件在形成脊后的剖视图。
图2C为图2B中标示″a″的部分的放大图。
图2D为图2B中标示″b″的部分的放大图。
图3A为表示本发明的实施例的激光元件的各层构造的立体图，图3B为图3A的侧视图。
图4A为本发明一变形例的激光元件的侧视图。
图4B为本发明其他变形例的激光元件的侧视图。
图5A至图5D是表示形成本发明的激光元件的脊的工序的立体图。
图5E为图5C中形成第二波导路区域的部分的剖视图。
图5F为图5D中形成第二波导路区域的部分的剖视图。
图6A至图6C表示以与图5A至5D中所示不同的方法形成的本发明的激光元件的脊的形成工序的立体图。
图7A至图7D是表示在本发明的激光元件中形成电极的工序的立体图。
图8为本发明的实施例1的激光元件的第二波导路区域的模式剖视图。
图9为本发明的实施例1的激光元件的第一波导路区域的剖视图。
图10是表示在有效折射率型的激光元件中的蚀刻深度和合格率的关系的曲线图。
图11是表示在有效折射率型的激光元件中的蚀刻深度和驱动电流的关系的曲线图。
图12是表示在有效折射率型的激光元件中的蚀刻深度和元件寿命的关系的曲线图。
图13A为本发明的实施例6的激光元件的立体图。
图13B为本发明的实施例6的激光元件的横向剖视图。
图14A为本发明的实施例7的激光元件的立体图。
图14B为本发明的实施例7的激光元件的第二波导路区域的剖视图。
图14C为本发明的实施例7的激光元件的第一波导路区域的剖视图。
图15A为本发明的实施例8的激光元件的立体图。
图15B为本发明的实施例8的激光元件的横向剖视图。
图16A至图16D是表示使用形成在晶片上的元件来制造本发明的激光元件的制造方法的立体图。
图17A、图17B是表示在本发明的激光元件的制造方法中，用于说明切割位置的模式剖视图。
图18是表示在本发明的激光元件的制造方法中，用于说明形成反射膜的工序的模式图。
具体实施方式
下面，将参照附图以优选实施例来说明本发明的半导体激光元件。
根据本发明的实施例的半导体激光元件有第一波导路区域C1与第二波导路区域C2作为条形的波导路区域，如图1A所示。
在此，第一波导路区域C1为一该处形成有一个脊(第一脊201)的波导路区域而包括一活性层3并在活性层3与位于其两侧的区域(此处为大气)间造成一折射率差，如图1C所示，因而将光限制在活性层3内。在本说明书中通过在活性层与其两侧区域间设置一实际折射率差而将光限制于该处的波导路区域将称为完全折射率型的波导路。
另外，第二波导路区域C2为一波导路区域在该处有一脊(第二脊202)形成于在活性层上的半导体层内而使得位于第二脊202下方活性层3的有效折射率高于在其两侧活性层的有效折射率，如图1B所示，因而将光限制在有较高有效折射率的活性层3中。在本说明书中通过在活性层与其两侧区域间设置一有效折射率差而将光限制在该处的波导路区域将称为有效折射率型波导路。
这样，本发明半导体激光的特征为在波导路中设置的完全折射率型的波导路与有效折射率型波导路。
作为具体结构，第二波导路区域C2的构造是形成一个由依次叠层的第一导电型层、活性层及与第一导电型不同的第二导电型层组成的层状结构体并在第二导电型层2上形成第二个条形脊202且其深度并不达到活性层而第一波导路区域C1的构造则是形成第一个条形脊201且包括第二导电型层2的一部分、活性层3与第一导电型层1在内。
这样，如上所述使波导路中有第一波导路区域C1与第二波导路区域C2可获得具有各种特性的半导体激光元件。在本发明的半导体激光元件中有第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的波导路可形成为各种形式，如图3与4所示。图3A为该激光元件一部分的立体图，其结构为通过除去所述层状结构体的一部分而形成条形脊。图3B为图3A箭头方向的剖视图。图4A与4B是表示与图3所示不同的波导路结构。
按照本发明，如图3与4所示，可用各种结构将第一波导路区域C1与第二波导路区域C2以各种安排方式置于向着谐振器的方向(条形脊的纵向)。本发明的半导体激光实际上也可以有除第一波导路区域C1与第二波导路区域C2外的波导路区域。例如与第一波导路区域C1和第二波导路区域C2不同的波导路区域203可置于第一波导路区域C1与第二波导路区域C2之间，如图4A所示。图3表示的结构为设置第一波导路区域C1而包括谐振器各谐振器面的一且设置第二波导路区域C2而包括其他谐振器面。图4A所示半导体激光元件的结构为构成第一波导路区域C1的第一脊201与构成第二波导路区域C2的第二个条形脊202是经由向着垂直方向(与谐振器垂直)所形成的波导路区域203而连接。因此，第一波导路区域C1与第二波导路区域C2可如图3所示继续向着谐振器方向形成或如图4A所示与夹在其间的另一区域共同形成。
另外，按照本发明的第一脊201与第二脊202的宽度并无必要相同。例如每个脊的侧面都是如图1与3中所示的倾斜状时，构成第一波导路区域C1的第一脊201的底部宽度与构成第二波导路区域C2的第二脊202的底部宽度不可避免地会互相不同。第一脊的侧面和第二脊的侧面最好能在同一平面中。图1与图3所示的条形脊虽为正常的凸型形态且其侧面倾斜而使得其宽度从底部向顶部减小，但脊也可以为倒反凸型形态而其宽度则是从底部向顶部增大，凸型的两面可为同样方式倾斜也可以为相对方式倾斜。
另外，第一脊201与第二脊202的顶部表面宽度可以不同。而且第一脊201与第二脊202的宽度后水平看来可以不同因而在第一脊201与第二脊202的相接处断续改变。
(谐振器的结构)
在本实施例的半导体激光元件中是通过除去所述层状结构体的一部分并形成脊来构成条形波导路。如图1与3中所示谐振器的结构与条形脊相同，其形成是对由第一导电型层1、活性层3与第二导电型层2所组成的层状结构体以蚀刻或其他方式除去将要成为脊的部分的两侧，这适用于所谓的脊波导路激光元件。按照本发明因为至少第一波导路区域C1与第二波导路区域C2是藉条形脊而设置，光束的特性可以改善，特别是远场图可被控制为欲有的形状，从椭圆形而成为真正圆形，因而可设置有不同特性的各种激光元件。如上所述条形脊并不限于如图1与3所示的正常凸型形态而可为倒反凸型形态或有垂直侧面的长条形。也即脊的形状可按照所需激光特性进行改变。
另外，在本发明的半导体激光元件中，当构成第一波导路区域C1与第二波导路区域C2时形成条形脊201与202后可以通过在脊的两侧再生成晶体而埋住脊。
如以上所述，因本发明采用具有条形脊的脊波导路结构，不但可降低生产成本而且可使第一波导路区域C1与第二波导路区域C2在波导路中有各种组合而制成有各种特性的激光元件。例如因为能控制光束的特性而不必使用束改正透镜或类似元件即可有满意的远场图。
在本发明的激光元件中，置于第一波导路区域C1与第二波导路区域C2中的第一与第二条形脊201，202的形态如图1B与1C中所示。
另外，本发明也适用于除激光振荡元件外的元件，例如发光二极管等端面发光元件等。此时，如图1所示结构的元件只要在振荡临界以下驱动元件即可将该元件用作一发光二极管以及使波导路倾斜于端面垂直的方向而非使波导路与端面垂直即可获得无需激光振荡而从端面发出光的元件。
(层状结构体的结构)
下面，将说明本实施例中由第一导电型层、活性层及第二导电型层所组成的层状结构体。
首先，在图1所示本实施例的半导体元件中分别在第一导电型层1与第二导电型层2中设置包层5，7并且将活性层3夹在包层5，7中即可将光限制在厚度的方向。于是，在层状结构体内设置一光学波导路区域，在该处通过脊将光限制于宽度方向(与厚度方向及谐振方向垂直)并通过包层5，7将光限制于厚度方向。在本发明的半导体激光元件中可使用以往的技术中已知的各种半导体材料，诸如GaAlAs系，InGaAsP系及GaAlInN系的材料。
在本发明的半导体激光元件中，条形的波导路区域是按照在第一导电型层与第二导电型层间及其附近的活性层中的脊而形成，长条的纵向与光的传播方向实质相同。也即当条形的波导路区域主要是由光被限制在其中的活性层所构成时，一部分在其附近扩散的光被进行导引因而可以在活性层与包层间形成一导引层而使得包括有导引层的区域被用作光学波导路层。
(第二波导路区域C2)
本发明的第二波导路区域C2为半导体激光元件中波导路内的一个有效折射率型区域。特别是条形脊201是形成在位于层状结构体活性层3上的第二导电型层2内而条形的波导路区域的形成是通过在活性层的平面方向(宽度方向)内设置有效折射率差。
在以往的有效折射率型激光元件内的波导路仅包括第二波导路区域C2，而条形脊202是如图2所示在形成半导体层后再用一蔽罩20蚀刻而形成。因条形脊202的形成是蚀刻至不到达活性层的深度而在活性层(波导路层)内设置有效折射率差，元件的特性全视长条的宽度Sw、脊的高度(长条的深度)Sh1及蚀刻所露出表面与如图2B所示活性层顶部平面间的距离Sh2而定，所以会有变化。此等因素在生产时会招致元件特性的严重变化。也即如图2C与图2D所示与蚀刻精度有关的脊高度(长条的深度)的误差Hd与长条宽度的误差Wd直接会造成元件特性的变化。这是因为在活性层(波导路层)中形成的波导路区域是使用对活性层(波导路层)中条形脊202对应于脊202的有效折射率差而设置，所以脊的形态对有效折射率差有重大影响。脊高度的误差Hd也是蚀刻所露出的表面与活性层顶部平面间距离的误差。当活性层顶部平面与蚀刻所露出表面间的距离Sh2过大时，有效折射率差会变小而造成对元件特性的重大影响，诸如对光的限制不足。如上所述因有效折射率全视活性层顶部平面与蚀刻所露出表面间的距离Sh2而定，该距离的变化会造成有效折射率的变化。
图10，11与12表示以往的技术有效折射率型激光元件通过的产品蚀刻深度检查、驱动电流与使用寿命的比率。从图中可知激光元件的特性对蚀刻深度极为敏感。
在本发明的激光元件中因蚀刻深度不到达活性层而形成的第二波导路区域C2为波导路的一部分，活性层不会因蚀刻第二波导路区域C2而造成损害，所以元件的可靠性因而改善。若为当活性层露出出来时对元件特性有重大关系的材料，设置第二波导路区域C2可使元件的可靠性不会恶化。
(第一波导路区域C1)
按照本发明除如前所述的第二波导路区域C2外并形成第一波导路区域C1作为条形的波导路区域可易于制成有各种特性的激光元件。这是由于通过形成条形脊201而有的包括层状结构体中活性层的一部分与第一导电型层1的第一波导路区域C1对横向模式的优异可控性的效果。
即，在所述第一波导路区域C1中，因光是通过在活性层与其两侧以第一脊限制活性层宽度的区域间的实际折射率差被进行局限，可以更有效地对光进行限制。
因此，可有效抑制振荡的不必要横向模式并更有效地控制横向模式。
按照本发明，如以上所述在一部分波导路区域内设置对横向模式的控制性优异的第一波导路区域C1可抑制第一波导路区域C1中的不必要振荡横向模式而改善整个元件对横向模式的可控性并容易获得具有各种光束特性的激光元件。
本发明的激光元件可以在一端形成第一波导路区域C1而包括激光谐振器的谐振器面，所以易于达到欲有形态的激光束。换言的，最好能形成激光谐振器面4使的符合如图3B，4A与4B中所示第一波导路区域C1的端面。这是因为当谐振器面附近的区域变成第一波导路区域C1时，光的横向模式在谐振器面上反射的前与后可进行控制而使得横向模式功能的控制在波导路中较在其他区域更有效。
另外，按照本发明使用第一波导路区域C1作为激光谐振器面及使用激光谐振器面作为发射面可获具有优异光束特性，诸如远场图，及优异激光束纵横尺寸比的激光元件。也因为以此种结构将第一波导路区域C1置于激光束发射平面上易于控制第一波导路区域C1中的横向模式而使得易于控制光束的特性。若第一波导路区域C1如图3与4所示是由第一条形脊201构成时，以高精度调整第一脊201的长条宽度可易于控制横向模式并获得欲有的光束特性。
此时，置于发射面上第一波导路区域C1的长度至少要为激光所发出光的一个波长，不过考虑到控制横模的功能，能有若干倍波长的长度更好，这样可达到欲有的光束特性。
具体地说，第一波导路区域C1的长度最好为1μm以上，这样对横模能有满意控制。当考虑到制造工序时，第一波导路区域C1的长度最好为5μm以上，因为此一长度可有较佳精度来形成条形脊(凸部)201。
另外，活性层的宽度(垂直于谐振器方向的长度)可为10μm，50μm以上，最好是100μm以上。以这样一种有一对正负电极透过一基体而相对的结构，活性层的宽度变为与晶片宽度相等。在一基体的同一边设置一对正负电极的结构，有一露出的表面形成其上第一导电型层的电极，其长度为晶片宽度减去被去掉而形成露出表面部分的宽度。
(波导路的构成)
本发明的激光元件特征为至少具有第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的波导路区域而使得不必修改整个元件设计而仅改变波导路区域的安排即可轻易修改该激光元件的特性。特别是如上所述将第一波导路区域C1置于谐振器面上即可轻易控制光束的特性及获得欲有的特性。也可设定第一波导路区域C1所占波导路的比例而使其中所露出活性层的侧面较第二波导路区域C2中者为小即可获较高可靠性的激光元件。这是因为在波导路中设置较大第二波导路区域C2可使活性层未受蚀刻损害的比例增高。因此，元件的使用寿命可延长且元件使用寿命的变化可减低。
当本发明的激光元件至少具有第一波导路区域C1与第二波导路区域C2作为波导路时，也可以有除第一波导路区域C1与第二波导路区域C2外的波导路区域形态。例如可用如图4A所示在所述第一波导路区域C1与第二波导路区域C2间形成一倾斜的平面表面203。如此可有一与第一波导路区域C1与第二波导路区域C2不同的波导路。再者，可以在波导路中各设置一个第一波导路区域C1与第二波导路区域C2或如图4B所示设置多个。也可以如图3与图4B所示在所述第一波导路区域C1与第二波导路区域C2间不置任何东西或有与图4A所示相反的倾斜而使第一波导路区域C1与第二波导路区域C2有一部分相互重叠。
本发明的激光元件的结构也可以为除第一波导路区域C1与第二波导路区域C2外再形成一第三波导路区域C3而使得活性层的侧面(波导路层侧面)204向着谐振器方向倾斜。图13A为该元件结构的立体图而图13B为上方包层7与活性层3相接处附近部分的剖视图。在此一结构中第三波导路区域C3与第二波导路区域C2共用上方包层7上的条形脊202，活性层(波导路层)的端面(侧面)204则为倾斜形态。在上述结构的激光元件中被侧面204导引的光通过调整谐振器方向AA与活性层方向BB间的角度α即可被完全反射，如图13B所示，而能将光导入第一波导路区域C1。尤其时当角度α为70°或更小时，端面204上谐振器AA方向光的入射角可设定在20°以上而可有整个反射且不会有损失。因此，角度α可依照应用设定在0至70°的范围内。例如当角度α为20°以下时，端面204上谐振器AA方向光的入射角可设定为70°以上，在此情形下可获无损失的整个反射。在所述第二波导路区域C2中，当在活性层(波导路层)中使用有效折射率差形成条形的波导路区域时，有在波导路区域外的光被导引而此一部分的光被反射在所述第二波导路区域C2的端面上。
在此情形下，当光的损失增大时，输出功率会减小而引起电流光学输出斜面效率的恶化。当第二波导路区域C2较第一波导路区域C1为宽时，在所述第二波导路区域C2与第一波导路区域C1间设置第三波导路区域C3会减少光的损失而能满意地导引与第一波导路区域C1相接处的光，如图13所示。
在本发明的激光元件中，构成第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的条形脊201，202可有不同宽度。改变长条的宽度可使束有不同的纵横尺寸比。因此，第一与第二脊可制成适于在本发明的激光元件中应用的宽度。宽度小时对宽度要有准确控制，这样也可达到使远场图接近真圆的特性或者按照宽度变更束的展开。特别是如图15所示当第二波导路区域C2中205部分的宽度逐渐减小时，可使与第一波导路区域C1相接处的长条宽度等于长条宽度Sw2，因此，可按照第一波导路区域C1的宽度抽出各种模式的激光束。在图15中所示第二波导路区域C2宽度逐渐减小的部分即为第三波导路区域C3。
在图15中为构成第二波导路区域C2而设置第一脊202，其宽度Sw1大于构成第一波导路区域C1的第一脊长条宽度Sw2，从而形成一个改变有效折射率时特性变化较少的波导路。在第三波导路区域C3中有一其长条宽度在波导路波中倾斜的区域205而将不同宽度的波导路区域顺利连接起来，因而将接点处的损失减至最小。构成第三波导路区域C3的脊可如图中所示放在活性层上方或在以对第一波导路区域C1类似的蚀刻而到达第一导电型层的一个深度处或位于二者之间。
这样，本发明构成第一波导路区域和第二波导路区域的条形脊可形成为各种形态，例如长条宽度向着长条方向(长条的纵向)改变的尖形形态。特别是如实施例1所述或图15所示在将第一波导路区域C1置于发光端的波导路结构中时，有较大宽度的第二波导路区域C2的形态可为长条宽度向着较窄的第一波导路区域C1渐减而减少波导路至两部分相接处的光。此种尖形长条可形成为每一波导路区域长条的一部分或长条的全部长度均为尖形形态或为其宽度向着两端减小的多个尖形长条的形态。
(氮化物半导体的长条)
下面，将对由第一导电型与第二导电型半导体及氮化物半导体活性层构成的本发明的半导体激光元件进行说明。
用于本发明的激光元件的氮化物半导体可为氮化镓、氮化铝或氮化铟或此等化合物混合晶体的III-V族氮化物半导体(InbAIdGa1-b-dN，0≤b、0≤d，b+d≤1)。也可以使用以硼作为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体。氮化物半导体可加上适当传导类型的杂质而成为欲有的传导类型。用于氮化物半导体中的n型杂质可使用IV或VI族元素，诸如硅、锗、锡、硫、氧、钛与锆而硅、锗或锡比较好，尤以硅为最好。p型杂质诸如铍、锌、锰、铬、镁、钙等也可使用，以使用镁为佳。下面，将说明以一个氮化物半导体激光作为本发明的激光元件的举例。此处所称的使用了氮化物半导体的半导体激光元件是指在构成层状结构体的第一导电型层、活性层及第二导电型层中，最好是在全部各层中，使用氮化物半导体的激光元件。例如氮化物半导体所制的包层是形成于第一导电型层与第二导电型层中而活性层则是形成于两个包层间而形成波导路。特别是第一导电型层包括n型氮化物半导体层，第二导电型层包括p型氮化物半导体而活性层包括含有In的氮化物半导体激光。
(活性层)
按照本发明，当本发明的半导体激光元件是以氮化物半导体构成时，在活性层中设置含有In的氮化物半导体层能够发出紫外线与可见区域内从蓝光至红光波长范围的激光束。当激光元件在活性层露出于大气时可能使含有In的氮化物半导体激光遭受严重损害，按照本发明此种对元件的损害可减至最小，因为该元件包括有由未到达活性层深度的第一脊202构成的第二波导路区域C2。这是因为铟的低溶点使得含铟的氮化物半导体易于分解与蒸发而在蚀刻时易受损害且在露出活性层后的工序中很难保持结晶性而造成元件使用寿命的缩短。
图12表示形成条形脊时蚀刻深度与元件寿命间的关系。从图中可看出，当蚀刻到达含有In的氮化物半导体活性层时，元件寿命会大为减低且露出活性层会导致激光元件可靠性的严重恶化。
因本发明的激光元件有第一波导路区域C1与第二波导路区域C2作为波导路，即使是当活性层露出于大气时会遭受特性恶化的使用了氮化物半导体的半导体激光元件也可以有优异的可靠性。这是因为用于构成第一波导路区域C1的第一脊201仅构成波导路的一部分而可防止元件可靠性的恶化。例如在本发明使用了氮化物半导体的半导体激光元件中将谐振器长度设定为约650μm而用于构成第一波导路区域C1的第一脊201的长度设定为10μm时，已证实元件不会因第一脊中活性层的露出而遭受可靠性的恶化且保证以5mW输出功率操作时可有数千小时的使用寿命。
在本发明使用了氮化物半导体的半导体激光元件中构成第一波导路区域C1或第二波导路区域C2的脊长条宽度最好设定在0.5至4μm范围内或在1至3μm范围内更佳，如此可以在稳定的横向模式及基本(单一)模式中振荡。当脊的长条宽度小于1μm时则很难形成脊，宽度为3μm或更大时则视激光振荡波长而定会引起横向模式中的多模式振荡，宽度为4μm或更大时则无法达到稳定横向模式。按照本发明，将宽度控制在1.2至2μm范内能进一步使高光学输出功率内的横向模式有效稳定化(有效抑制不必要横向模式振荡)。按照本发明将第一波导路区域C1或第二波导路区域C2脊的长条宽度设定在上述范围内为佳，若第一波导路区域C1是设置在谐振器平面发光边上时，第一波导路区域C1的条形脊201最好设定在上述范围内。本发明并不限于所述的窄长条结构而也可应用于宽度为5μm或更大的长条。在所述第一波导路区域C1是置于波导路端部上的结构中，第二波导路区域C2的长条宽度的设定比较自由而是主要藉第一波导路区域C1来控制激光束的特性。
在本发明的使用了氮化物半导体的半导体激光元件中，当第一波导路区域C1的端面被用作谐振器面时(发射面)，可获得具有优异横向模式可控性、远场图、纵横尺寸比及元件可靠性的激光元件。这是因为如以上所述通过蚀刻至深于活性层而在谐振器平面发光边上设置第一波导路区域C1，从而能获得各种形状与光点大小的激光束且能将发自激光元件的光在发出前即进行控制。
在此，活性层可有量子井结构且可为单一量子井或多个量子井。使用量子井结构可制成有优异发光效率的高功率激光元件与端面发光元件。用于构成第二波导路区域C2的第二个条形脊202的形成是以蚀刻深度不达到活性层的方式进行。在本说明书内所称第二个条形脊202是位于活性层上方系指以不达到活性层的蚀刻深度而形成。也即构成第二波导路区域C2的第二个条形脊202是位于活性层与在其上方与其接触的层间介面的上方。
作为氮化物半导体的活性层，最好为上述含铟的氮化物半导体，特别是最好使用以AlxInyGa1x-yN(0≤x≤1，0＜y≤1，x+y≤1)表示的氮化物半导体。在此情形下，此处所述的氮化物半导体最好用作量子井结构活性层中的井层。在从接近紫外线至可见绿光波长区域内(380nm至550nm)最好使用InyGa1-yN(0＜y≤1)。在更长的波长区域内(红色)也可用InyGa1-yN(0＜y≤0)，此时，改变铟的混合比y可发出所期望波长的激光束。在波长小于380nm的区域内，因相当于氮化镓GaN的禁带宽的波长为365nm，可隙能量要接近等于或大于氮化镓者始可，所以要使用AlxInyGa1-x-yN(0＜x≤1，0＜y≤1，x+y≤1)。
若活性层形成为量子井结构时，井层的厚度在10至300范围内，最好为20至200，如此可减少Vf与临界电流密度。把晶体考虑进去时，当厚度为20或更大时可获得品质较为均匀而且无太多厚度变化的层，将厚度限制在200内，晶体可以生长且瑕疵最少。活性层中井层的数量并无限制，可为一个或更多。当有四个或更多以厚度较大的层所构成的活性层时，活性层的总厚度将太大且Vf会增大。因此，最好将井层的厚度限制在100内而来限制活性层的厚度。若为高输出功率的光激励器或发光二极管时，将井层的数目设定在1至3个范围内可获得欲有的高发光效率元件。
井层也可以掺杂或不掺杂p型或n型杂质(受体或施体)。当使用含铟氮化物半导体作为井层时，增加n型杂质的浓度会降低结晶性，所以最好对n型杂质的浓度进行限制而可有良好结晶性的井层。特别是为求有最佳结晶性，井层最好不要掺杂超过5×1016/cm3浓度的n型杂质来生成。将n型杂质浓度保持在5×1016/cm3内系指非常低的n型杂质浓度而井层可视为实质上并无n型杂质。当井层掺有n型杂质时，将n型杂质浓度控制在1×1018/cm3至5×1016/cm3范围内可抑制结晶性的恶化并增大载流子浓度。
对阻挡层的成分并无限制且可使用与井层所用类似的氮化物半导体层。特别是可用诸如具有较井层的铟比例为低的氮化铟镓等含铟氮化物半导体或诸如氮化镓、AlGaN等含铝氮化物半导体。阻挡层的带隙能量必须高于井层者。特定成分为InβGa1-βN(0≤β＜1，α＞β)，GaN，AlγGa1-γN(0＜γ≤1)等，而最好为InβGa1-βN(0≤β＜1，α＞β)，GaN，如此可形成良好结晶性的阻挡层。这是因为直接在诸如AlGaN等的含铝氮化物半导体上生成含铟的氮化物半导体所制井层会导致低结晶性而最后造成井层的阻抗功能。在阻挡层中使用AlγGa1-γN(0＜γ≤1)时，通过在井层上设置含铝阻挡层并在井层下方设置由InβGa1-βN(0≤β＜1，α＞β)，GaN组成的多个阻挡层可避免上述问题。因此，在多个量子井结构中夹在活性层间的阻挡层并不限于单一的层(井层/阻挡层/井层)且两个或更多不同成分与/和杂质浓度的阻挡层可叠在一起，诸如井层/阻挡层(1)/阻挡层(2)/…/井层。在此，字母a代表井层中铟的比例，最好使阻挡层中铟β的比例低于井层中者，即α＞β。
阻挡层可掺杂也可不掺杂n型杂质，但最好是掺杂n型杂质。在掺杂时，阻挡层中n型杂质的浓度最好为5×1016/cm3或较高而低于1×1020/cm3。具体地说，若为不需要高输出功率的发光二极管LED时，n型杂质浓度最好在5×1016/cm3至2×1018/cm3范围内。就较高输出功率发光二极管与光激励器而言，掺杂最好在5×1017/cm3至1×1020/cm3范围内，更好是1×1018/cm3至5×1019/cm3范围内。有如此高掺杂浓度时，井层的生长最好不要掺杂或实质上并无n型杂质在内。n型杂质浓度与正常发光二极管、高功率发光二极管LED及高功率光激励器LD(输出功率范围为5至100mW)不同的理由是高输出功率元件要求较高载流子浓度能以较大电流驱动较高输出功率。如上所述的掺杂范围能使载流子有良好结晶性的高浓度。
与此相反，诸如较低功率的光激励器、发光二极管等的氮化物半导体元件时，活性层的一部分阻挡层可掺杂n型杂质或者整个阻挡层可以实质上不含n型杂质。当掺杂n型杂质时，可对活性层的全部阻挡层或部分阻挡层进行掺杂。当一部分阻挡层掺杂n型杂质时，最好对置于活性层中n型层边上的阻挡层进行掺杂。特别是当阻挡层Bn(n＝1，2，3…)为从n型层边起的第n层时，可将电子有效注入活性层并制成有优异发光效率与量子效率的元件。这也适用于井层及阻挡层。当阻挡层与活性层均被掺杂时，对从n型层边起第n层的阻挡层Bn(n＝1，2，3…)及第m层的井层Wm(m＝1，2，3…)进行掺杂，也即先对接近n型层的层进行掺杂，即可达到上述效果。
对阻挡层的厚度并无限制，其厚度最好不要超过500，特别是类似于活性层的10至300。
在本发明使用了氮化物半导体的半导体激光元件中的层状结构体最好包括n型氮化物半导体的第一导电型层及p型氮化物半导体的第二导电型层。特别是在此等类型层中分别设置n型包层与p型包层而形成波导路。此时可以在包层与活性层间形成一导引层与/或电子限制层。
(p型包层)
在本发明使用了氮化物半导体的半导体激光元件中最好以包括p型氮化物半导体(第一p型氮化物半导体)的p型包层作为第二或第一导电型层。如此则藉在与其中有p型包层的层不同传导类型的层中设置包括n型氮化物半导体的n-包层而将波导路形成于层状结构体中。在p型包层中所用的氮化物半导体仅需要其大小足以能限制光的折射率差，最好使用含铝的氮化物半导体层。此层可为单一层或多层的膜。特别是具有AlGaN与氮化镓叠在一起的超晶格结构可达到较佳结晶性，所以最好是这种结构。此层可掺杂或不掺杂p型杂质。对振荡在430至550nm范围较长波长的激光元件而言，包层最好以掺有p型杂质的氮化镓制成。对膜的厚度并无限制，厚度可以在100至2μm范围内，最好为500至1μm，如此可使该膜有满意的限光层功能。
另外，按照本发明可以在活性层与p型包层间设置下面，所述的电子限制层与/或光学导引层。当设置光学导引层时最好设置在n型包层与活性层间，也即活性层被夹在光学导引层中间的结构。如此造成SCH结构，使包层中铝成分的比例高于导引层中者而有一折射率差即可将光限制于该结构中。若包层与导引层为多层结构时，铝成分的比例以铝的平均比例来决定。
(p型电子限制层)
p型电子限制层置于活性层与p型包层间或者最好是置于活性层与p型光导引层间而发挥限制活性层中载流子的功能因而减少临界电流而易于振荡，该层为AlGaN制成。特别是在第二导电型层中设置p型包层与p型电子限制层可达到更有效的电子限制。使用AlGaN作为p型电子限制层时，掺入p型杂质即能可靠地达到上述功能，即使不掺杂也可以达到限制载流子的功能。膜的最小厚度为10，最好为20。使膜的厚度在500以内并将公式AlxGa1-xN中x的值设定为0以上，最好是0.2以上，即可满意地达到上述功能。n型载流子限制层也可以设置在m-型层边上而将电洞限制在活性层内。电洞的限制不需要做在电子限制时的偏置(从活性层的带隙差)即可完成。特别是可用与p型电子限制层类似的组合。为能达到良好的结晶性，此层可用不含铝的氮化物半导体形成且可使用与活性层的阻挡层类似的组合。在此情形下最好将限制最接近n型阻挡层载流子的n型载流子层置于活性层内或与活性层接触的n型层内。于是，通过设置与活性层接触的p型与n型载流子限制层可有效将载流子注入活性层或井层中。在另一形式中，可用活性层中与p型或n型层接触的层作为载流子限制层。
(p型导引层)
按照本发明通过设置一个将活性层夹在包层内一个位置而形成光学波导路的层即可用氮化物半导体形成良好波导路。在此情形下波导路厚度(活性层及在两侧的导引层)设定在6000以内用以抑制振荡临界电流的突然增大。最好使厚度在4500内可连续振荡并在基本模式中限定的临界电流上有较长使用寿命。两个导引层厚度以实质上同在100至1μm为佳，最佳在500至2000范围内能形成良好的光学波导路。导引层是以氮化物半导体制成且具有足以形成与在其外部将要设置的包层相较的波导路的带隙能量并且可为单膜或多层膜。使光学导引层有等于或大于活性层所有的带隙能量即可形成良好波导路。若为量子井结构时，带隙能量要大于井层者且最好大于阻挡层者。再者，设置大约10nm或大于光学导引层中活性层所发光的波长的带隙能量可以制成良好的光学波导路。
就p型光导引层而言，最好使用在370至470nm振荡波长范围内的未掺杂氮化镓及使用在较长波长范围内(450μm以上)的氮化铟镓/氮化镓多层结构。如此能增大由活性层与光学导引层所构成波导路的折射率因而增大包层的折射率差。在370nm以内的较短波长范围中，最好使用含铝氮化物半导体因其吸收边缘在365nm。特别是最好AlxGa1-xN(0＜x＜1)形成AlGaN/氮化镓所制的多层膜，也即彼等交互叠层的多层膜或每层均有超晶格结构的超晶格多层膜。n型导引层的构造与p型导引层类似。考虑活性层的能带隙而使用氮化镓、氮化铟镓并形成包括氮化铟镓与氮化镓交互叠层的多层膜且使向着活性层的铟成分减少即可制成满意的波导路。
(n型包层)
在本发明使用了氮化物半导体的半导体激光元件中用于n型包层内的氮化物半导体仅需与p型包层类似的足以限制光的折射率差且最好使用含铝的氮化物半导体。此层可为单一层或多层膜，特别是有相互叠层的AlGaN与氮化镓超晶格结构。n型包层的功能可用作载流子限制层与光限制层。若使用多层结构时，最好生成含铝，特别如上所述AlGaN，的氮化物半导体层。再者，此层可掺杂或不掺杂n型杂质而也可对一个构成层进行掺杂。对一个振荡在430至550nm范围内较长波长的激光元件而言，包层最好以掺有n型杂质的氮化镓制成。对膜的厚度并无限制，与p型包层类似，厚度在100至2μm范围内，最好是500至1μm，如此可使得膜成为良好的限光层。
在此，在使用了氮化物半导体的半导体激光元件内将条形脊放在含铝的氮化物半导体内并在露出的氮化物半导体表面与脊的侧面上设置一绝缘膜可有良好的绝缘。在绝缘膜上设置电极也可以制成不漏电的激光元件。这个因为目前几乎没有材料在含铝氮化物半导体层内能达到良好电阻接触而在半导体表面上形成绝缘膜与电极可有不漏电的良好绝缘。相较的下在不含铝的氮化物半导体层上设置电极时，在电极与氮化物半导体间则很容易有电阻接触。当电极透过绝缘膜形成于不含铝的氮化物半导体层上时，绝缘膜中的小孔则视绝缘膜与电极品质而定会造成漏电。为解决此一问题需要有其厚度足以设置所要求绝缘程度的绝缘膜或设计电极的形状与位置使的不与半导体表面重叠但这却对激光元件构造的设计会加上相当大的限制。脊的位置甚为重要，因为在形成脊时脊两侧所露出氮化物半导体表面的面积远大于脊的侧面而在此表面保证有满意的绝缘。于是，激光元件的设计有较大自由且可用各种形态的电极并可有较大自由来决定电极的位置，这对脊的形成极为有利。含铝氮化物半导体层最好用所述的AlGaN或AlGaN/氮化镓的超晶格多层结构。
在此，作为第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的条形形态第一脊201与第二脊202是去掉各脊的两侧而形成，如图1B与1C所示。脊202设置于上包层7上而上包层7在除脊以外区域中所露出的表面可决定蚀刻的深度。
(电极)
本发明的激光元件并不限于在条形脊与第二脊上设置电极的形态。如图1与图7所示，电极可设置于几乎用作第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的第一个条形脊201与第二个条形脊202的全部表面上。电极也可以仅设置在所述第二波导路区域C2上，如此能优先将载流子注入第二波导路区域C2。相反地，电极也可以仅设置于第一波导路区域C1上而波导路则分开在谐振器方向工作。
(绝缘膜)
在本发明的激光元件中若层状结构体的一部分被去掉且设置一个条形脊来形成谐振器时，最好将绝缘膜形成于长条的侧面及脊两侧的平面上(脊所在处的表面上)。例如图1所示的条形脊被设置后，绝缘膜的设置方式则是从脊的侧面延伸至脊两侧的表面。
若本发明的激光元件内使用氮化物半导体时，最好如图7、8、9所示设置第二保护膜162作为绝缘膜。
就第二保护膜而言，除二氧化硅材料外最好使用选自包括钛、钒、锆、铌、铪及钽族中至少一种元素的氧化物或氮化硅、氮化硼、碳化硅与氮化铝至少一种化合物，特别是最好使用锆或铪或氮化硼或碳化硅。这些材料中虽然有些可溶于氢氟酸，但用这些材料作为激光元件的绝缘层可有较二氧化硅埋入层更高的可靠性。若为以物理汽相或化学汽相淀积而成的氧化物薄膜时，因使元素与氧有化学量反应而形成氧化物通常较难，其作为氧化物薄膜绝缘的可靠性也较低。相较的下本发明所选元素以物理汽相或化学汽相淀积的氧化物及氮化硼、碳化硅或氮化铝等均较氧化硅有更高的绝缘可靠性。再者，当选用其折射率小于氮化物半导体的氧化物者时(例如除碳化硅以外者)，可有利地形成激光元件的埋入层。此外，当第一保护膜161是以氧化硅形成时，因氧化硅可用氢氟酸除去，如图7B所示仅在脊的顶部表面形成第一保护膜161并继续在第一保护膜161及脊的侧面与其两侧表面上形成第二保护层162(蚀刻阻止层)而选择性地去掉第一保护层161即可如图7C所示在除脊顶部表面外的表面上形成同一厚度的第二保护膜162。
另外，第二保护膜的厚度在500至1μm范围内，最好在1000至5000范围内。当厚度小于500时，形成电极时无法有足够的绝缘。当厚度大于1μm时，无法有保护膜的统一性及良好的绝缘膜。当厚度在上述较佳范围内时，可以在脊的侧面上形成与脊有折射率差的统一薄膜。
另外，第二保护层也可以以通过氮化物半导体埋入层而形成。若为半绝缘时，i型氮化物半导体，也即与波导路区域中脊的传导类型相对的类型，例如在实施例1中第二波导路区域C2中者，可用n型氮化物半导体所制的埋入层作为第二保护膜。作为埋入层的特别举例为通过诸如AlGaN的含铝氮化物半导体而设置与脊的折射率差或达到阻流层的功能即可将光限制在横向，通过含铟的氮化物半导体激光而设置光吸收系数差即可有激光元件的良好光学特性。当使用除半绝缘层外的i型层作为埋入层时，第二波导路区域可为一个与第二导电型不同的第一导电型埋入层。另一方面，在构成第一波导路区域的第一脊中，因条形形态的第一与第二导电型层形成于活性层的两侧，在第一导电型层中或第一导电型层与活性层两侧区域中形成与第一导电型不同的第二导电型埋入层而在第二导电型层中或第二导电型层与活性层两侧区域中形成与第二导电型不同的第一导电型埋入层。如以上所述，在所述第一波导路区域和第二波导路区域内可形成不同构造的埋入层。埋入层是形成于长条侧面的一部分上或者最好在整个表面上，也即与第二保护膜类似。此外，当埋入层形成于脊的侧面及脊两侧氮化物半导体的表面时，可以获得较佳的限光效应及节流效应。此种结构在形成埋入层并在埋入层形成一氮化物半导体层与/或构成波导路区域的长条与脊均已置入元件内后也可以使用。
本发明使用了氮化物半导体的半导体激光元件谐振器的长度可以在400至900μm范围内，在此情形下，控制两端镜的折射即可减少驱动电流。
(制造方法)
如以上所述，本发明的使用了氮化物半导体的半导体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导路区域C1及第二波导路区域C2的脊可制成高精度及高产量的本发明的激光元件的条形的波导路区域。该制造方法也可以制出高度可靠的激光元件。下面，对该制造方法进行详细说明。
另外，如图8与9所示，当制造一个具有在不同基体同一边所形成一对正与负电极的元件时，为能露出如图7所示在其上将要形成负电极的n型接触层，在蚀刻至该深度后再蚀刻形成条形的波导路区域。
(形成条形脊(凸部)的方法1)
图5是表示在其上形成氮化物半导体元件结构的一部分晶片的立体图用于说明按照本发明形成电极的工序。图6为一类似的图说明本发明另一实施例。图7是表示形成第二保护膜后的工序，图7B是表示图7A中第二波导路区域C2的剖视图而图7C是表示图7D中第二波导路区域C2的剖视图。按照本发明的制造方法，如图5A所示在叠层构成元件结构的各半导体层后在顶层上第二导电型层内的接触层8上形成一个条形形态的第一保护膜161。
第一保护膜161可为任何材料，只要有与氮化物半导体不同的蚀刻率即可，且无论是否为绝缘。例如可用氧化硅(包括二氧化硅)或光阻等，最好用较第二保护膜更能溶于酸的材料能分别出随后将要形成的第二保护膜的可溶性。酸最好用氢氟酸而氧化硅好用为与氢氟酸相容的材料。第一保护膜的长条宽度(W)要控制在1μm至3μm范围内。第一保护膜161的长条宽度大致相当于构成波导路区域脊的长条宽度。
图5A是表示形成于层状结构体表面上的第一保护膜161。也即在层状结构体整个表面形成第二保护膜后以石版影印法在第一保护膜表面形成一个欲有形状的蔽罩而在接触层8的表面上形成如图5A所示条形形态的第一保护膜161。
另外，也可以用抹去法形成图5A所示条形形态的第一保护膜161。也即在形成一个有条形形态缝隙的光阻后将第一保护膜形成于光阻的整个表面上再以溶解除去光阻而仅留下与接触层8相接触的第一保护膜161。用前述的蚀刻而不用抹去法形成条形形态的第一保护膜即可获得具有大致为垂直端面的良好形状长条。
接着，如图5B所示第一保护膜161用作蔽罩来蚀刻接触层8上未形成第一保护膜161的部分而按照直接位于第一保护膜161下面，保护膜的形状形成条形脊。蚀刻时激光元件的结构与特性会视停止蚀刻的位置而有所改变。
诸如以反应离子蚀刻的干蚀刻来蚀刻氮化物半导体层。蚀刻氧化硅的第一保护膜则最好使用诸如CF4的氟化合物。在第二工序中蚀刻氮化物半导体时则使用通常用于其他III-V族化合半导体的C12，CCl4及SiCl4，最好用对氧化硅选择性较高者。
接着，如图5C所示再形成第三保护膜163盖住条形脊的一部分。第三保护膜163可用对干蚀刻有阻力的已知阻膜，诸如光硬化树脂。此时被第三保护膜163盖住的条形脊变成构成第二波导路区域C2的第二脊202而构成第一波导路区域C1的第一脊201则是形成于未被第三保护膜盖住的区域内。所述的第三保护膜163与第一保护膜161是用来蚀刻层状结构体上未形成蔽罩的处，蚀刻的深度则为达到包层而形成不同深度的条形脊(第一脊)。
另外，图7A是表示与第一保护膜161不同绝缘材料的第二保护膜162形成于条形脊的侧面与由于蚀刻而露出层(图7中的包层5，7)的表面上。第一保护膜161是以与第二保护膜162不同的材料制成所以第一保护膜161与第二保护膜162被选择性地进行蚀刻。结果当仅有第一保护膜161被以氢氟酸去掉时，第二保护膜162可以在包层5，7表面上(已被蚀刻露出的氮化物半导体表面)与脊的侧面上继续形成，如图7B所示脊的顶部表面被打开。如上所述的继续形成第二保护膜162可保持高绝缘特性。此外，当第二保护膜162继续在第一保护膜161上形成时，膜在包层5，7上可有统一厚度所以不会发生因膜的不均匀厚度而有的电流浓集。因蚀刻在包层5，7中停止，第二保护膜162是形成于包层5，7表面(露出的顶部表面)下方。但事实上当蚀刻停止于包层5，7的下方时，第二保护膜则形成于蚀刻停止处的层上。
在下一步工序中如图7B所示第一保护膜161被以抹去法去掉，然后，在第二保护膜162与接触层8上形成电极而与接触层8有电接触。按照本发明因有条形开口的第二保护膜先在脊上形成，无必要仅在较窄长条宽度的接触层上形成电极而可形成大面积电极能从透过开口露出的接触层一直到第二绝缘膜。如此可选用能结合电阻接触功能的电极材料来形成将用于电阻接触的电极与用于搭接的电极结合于一起的电极。
在使用了氮化物半导体的半导体激光元件中形成条形的波导路区域时要使用干蚀刻因为湿蚀刻处理困难。因为在第一保护膜与氮化物半导体间的选择性在干蚀刻工序中甚为重要。二氧化硅用于第一保护膜中但在该层的顶部表面蚀刻停止处形成的第二保护膜中也使用二氧化硅时则无法达到充份绝缘且因其材料与第一保护膜的材料相同而很难仅去掉该保护膜。因此，第二保护膜要用二氧化硅以外的材料以保证本发明的第一保护膜的选择性。同时因为在形成第二保护膜后氮化物半导体并未被蚀刻，在第二保护膜与氮化物半导体间蚀刻率的差并不会造成问题。
(形成条形脊的方法2)
图16是表示在其上形成氮化物半导体元件结构的晶片一部分的立体图用以解释按照本发明形成半导体激光的工序。此一方法中的处理实质上与方法1中的处理类似，虽然在本方法中当谐器端面形成的同时，n型接触层也被露出出来而以蚀刻形成负电极。也即形成各部分的次序与方法1中者不同。在方法2中，首先将n型接触层露出出来(图16A)。此时谐振器的端面也同时形成。接着则如同方法1来形成条形脊、第一波导路区域和第二波导路区域及电极(图16B)。如上所述的先以蚀刻形成谐振器的端面也适用于以分裂法无法获得良好谐振器端面的情形。
在本发明的激光元件中，如上所述可有效形成构成第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的条形脊202而且电极也可以形成于层状结构体脊的表面上。
(蚀刻方法)
按照本发明的制造方法，当使用诸如反应离子蚀刻的干蚀刻作为蚀刻氮化物半导体层的方法时，最好使用诸如通常用于第一步工序的CF4氟气化合物来蚀刻氧化硅制成的第一保护膜。在第二步工序中蚀刻氮化物半导体时使用通常用于其他III-V族化合物半导体的诸如Cl2，CCl4与SiCl4等氯气化合物可使氧化硅有较高选择性所以很适用。
(芯片化)
图17是表示如前所述从晶片上的层状结构体制作晶片时切割位置的剖视图。图17A仅表示基体，图17B则表示分割基体与n型层的情形。每个在其中形成一对电极的区域被视为一个单元并如图所示从左至右编号为I，II，III与IV。图17A中的Ia，IIa与IVa的安排是第一波导路区域朝向右方而IIIa则是反方向。图17B中的Ib，IIb与IIIb的安排是第一波导路区域朝向右方而IVb则是反方向。在分割前此种单元的安排可视需要进行选择。
当沿着A-A线分割时，谐振器端面可因蚀刻而留下。在单元I与II中，谐振器反光边上的端面为沿A-A线分割后沿着B-B线分割时的分裂刻面。在单元II中谐振器发光边上的端面也为沿着D-D线分割时的分裂刻面。当沿C-C线分割时，IIIa与IVa中谐振器反光边上的端面同时形成分裂刻面。同样地当沿着E-E线分割时，IIIb与IVb中谐振器发光边上的端面同时形成分裂刻面。因此，元件的端面与谐振器端面视切割位置而定可形成蚀刻表面或分裂表面。
在此，为能达到如图17A所示使基体仅存在于Ia与IIa间Ia的谐振器端面与IIb的谐振器端面间的安排，如图16B所示已经以蚀刻形成谐振器端面的工作要再向下蚀刻主基体。向下蚀刻至基体的理由是防止半导体层在分割时断裂。若免去图16A所示的步骤而在单一蚀刻工序中露出出基体时，接近在较早蚀刻中已露出的活性层的表面会因长时间蚀刻而变得粗糙，因而很难获得良好的谐振器端面。当蚀刻分为两个步骤时，首先如图16A所示蚀刻至n型层然后，再蚀刻至基体，可形成良好谐振器端面且分割也较易。图16D是表示图16C所示的工作已在箭头所指位置切开。使用所述的两步骤蚀刻可形成图中的突出部D。当蚀刻至基体时需要朝向发射光的方向减少突出部D的长度。这是因为太宽的D(突出长度)会阻档从射出面所发的光而难以有良好的远场图。D较小时，至少在发光边上端面处较小时，即不会有问题。
(反射膜)
图18是表示在谐振器端面上形成一反射膜的模式图。处置已分成棒形的半导体而使如图18所示在反光边上的端面或发光边上的端面与反射膜相对，反射膜是以溅射或类似方式形成。以溅射形成反射膜且将半导体分为棒形并使切割面与反射膜相对时，即使膜为多层结构也可形成厚度一致不太会恶化的高品质反射膜。当此种反射膜用于要求高输出功率特别是多层结构的元件中时更为有效，如此可以制成能耐高输出功率的反射膜。该反射膜甚至可从电极上方溅射而延伸至侧边的谐振器端面。但是如此时则会消除形成棒形及使端面向上的优点，也无法有统一的膜，特别是若为多层膜时，因为膜是从旁边形成至端面上所以膜的品质会较差。此种反射膜可形成于反光端面与发光端面上或仅在一个端面上且可用不同的材料。
另外，按照本发明对诸如活性层与包层的其他元件结构并无限制且可使用各种的层结构。例如下面，实施例内所述的元件结构即可用为特定的元件结构。对电极也无限制，各种结构的电极均可使用。用于激光元件各层的氮化物半导体成分并无限制，可以使用InbAlcGa1-b-cN(0≤b，0≤d，b+d＜1)公式代表的氮化物半导体。
按照本发明，能适用已知的生成氮化物半导体的方法有诸如MOVPE、MOCVD(有机金属化学汽相成长法)、HVPE(卤素汽相成长法)及MBE(分子线汽相成长法)等。
实施例。
下面，的实施例是关于使用了氮化物半导体的半导体激光元件，但本发明的激光元件并不限于此一结构且本发明的技术也适用于各种半导体。
实施例1
下面，将说明激光元件的实施例1，特别是具有图8所示结构第二波导路区域C2与图9所示第一波导路区域C1的激光元件。
在实施例1中的基体为蓝宝石所制，也即与氮化物半导体不同的材料。也可以使用诸如氮化镓的氮化物半导体作为基体。一种绝缘基体诸如具有C平面、R平面或A平面等主要平面的蓝宝石与尖晶石(MgAl2O4)、碳化硅(包括6H，4H与3C)、硫化锌、氧化锌、砷化镓、硅或可与氮化物半导体晶格匹配的氧化物均可用作不同材料的基体，只要可以在基体上生成氮化物半导体即可。最好以蓝宝石与尖晶石作为不同材料的基体。不同材料的基体可有从常用的低指数倾斜平面(偏角)，在此情形下使用逐步偏角形态的基体可生成有良好结晶性的氮化镓基本层。
而且，使用不同材料基体时，在基体上生成氮化物半导体基本层后即以磨光或其他方式除去不同材料的基体而在形成元件结构前仅留下该基本层，然后，可用基本层作为单一的氮化物半导体基体或者在形成元件结构后也可以将不同材料的基体除去。
若如图8所示使用不同材料基体时，在其上形成缓冲层与基本层后形成元件结构可以有良好氮化物所制的元件结构。图8是表示第二波导路区域C2内元件结构的剖视图，图9是表示第一波导路区域C1中元件结构的剖视图。
(缓冲层102)
在实施例1中首先将具有直径两寸在C平面内主要平面的蓝宝石所制不同材料基体101置入MOVPE容器中，温度定在500℃，以TMG(TMG)与氨(NH3)形成厚度为200的氮化镓缓冲层。
(基本层103)
生成缓冲层102后将温度定在1050℃而以TMG与氨生成厚度为4μm未掺杂的氮化镓氮化物半导体层103。此层用作元件结构的基本层(用于生成膜的基体)。基本层也可以用外延横向蔓延生长方式(ELOG)以氮化物半导体形成，如此可生成有良好结晶性的氮化物半导体。ELOG系指伴随有横向生长的生长方法，也就是在一个不同材料基体上生长一氮化物半导体层后，其表面被一保护膜掩盖而在其上很难生长有条形形态与固定间隔的氮化物半导体，氮化物半导体则是从透过保护膜缝隙所露出的氮化物半导体表面新生长出来而盖住整个基体。也即当交互形成一个被蔽罩掩盖的区域与一个露出氮化物半导体的未被蔽罩掩盖的区域且氮化物半导体透过未被掩盖区域所露出的氮化物半导体表面再生长时，该层先向着厚度方向生长但随著生长的进行最终也朝横向生长而盖住被蔽罩所盖区域于是，盖住整个基体。
作为ELOG生长，也包括形成一开口而使基体表面露出于首先已在不同材料基体上所生成的氮化物半导体层且氮化物半导体从位于开口侧面处的氮化物半导体向边生长而形成一个膜。
按照本发明，可使用此一有各种变化的ELOG生长法。当使用ELOG生长法生成氮化物半导体时，横向生长形成的氮化物半导体有良好结晶性所以可获得具有整个良好结晶性的氮化物半导体层。
然后，将构成元件结构的后续各层叠层在氮化物半导体所制的基本层上。
(n型接触层104)
首先，以TMG、氨及硅烷作为杂质气体在氮化物半导体基体(基本层)103的上用1050℃的温度形成4.5μm厚掺有1×1018/cm3浓度硅的氮化镓所制n接触层3。
(防裂层105)
然后，以TMG、TMI(三甲铟)及氨用800℃的温度形成0.15μm厚In0.06Ga0.94N所制的防裂层105。并且，防裂层可以免去。
(n型包层106)
在以三甲铝、TMG与氨作为原料气体并以1050℃的温度生成厚度为25未掺杂的A1GaN生长层A后，三甲铝的供应停止而以硅烷气作为杂质气体而形成厚度为25掺有5×1018/cm3浓度硅的氮化镓层B。此一操作重复160次叠层A层与B层而形成总厚度为8000多层式(超晶格结构)n型包层106。此时，当未掺杂的AlGaN中铝的比例在0.05至0.3情形下，设置足以使包层工作的折射率差。
(n型光导引层107)
然后，以类似温度并使用TMG与氨作为原料气体而形成厚度为0.1μm未掺杂的氮化镓n型光导引层107。此层可掺杂n型杂质。
(活性层108)
然后，将温度定在800℃并以三甲铟、TMG与氨作为原料气体及硅烷气作为杂质气体而形成掺有5×1018/cm3浓度硅的In0.05Ga0.95N的阻挡层，其厚度为100。于是，停止供应硅烷气并形成厚度为50的未掺杂的In0.1Ga0.9N井层。此一作业重复三次形成多重量子井结构(M QW)的活性层108，其总厚度为550而最后一层为阻挡层。
(p型电子限制层109)
然后，以类似温度用TMA、TMG与氨作为原料气体及Cp2Mg作为杂质气体形成厚度为100掺有浓度为1×1019/cm3镁的AlGaNp型电子限制层109。可不设置此层虽然有此一电子限制层时其功能有助于减小临界。
(p型光导引层110)
然后，将温度定在1050℃以TMG与氨作为原料气体而形成厚度为750未掺杂的氮化镓所制p型光导引层110。
当生成p光导引层110作为未掺杂层时，从p型电子限制层109扩散的镁将镁的浓度增至5×1016/cm3而转变为p型层。另一方面也可以在生成时故意对此层掺入镁。
(p型包层111)然后，以1050℃的温度形成厚度为25的未掺杂的Al0.16Ga0.84N层，于是，停止供应三甲铝并以Cp2Mg形成厚度为25的掺杂镁的氮化镓层。此一作业进行重复而形成总厚度为0.6μm超晶格结构的p型包层111。以叠层的有不同带隙能量且其中至少具有一个包括铝的氮化物半导体组成的超晶格结构p型包层形成时，以所谓的调节掺杂，也即其中一层的掺杂程度重于另一层的掺杂程度，可改善结晶性。但在本发明中两层可有相似程度的掺杂。包层为超晶格结构包括含铝的氮化物半导体层，以AlxGa1-xN(0＜X＜1)较佳，最好是叠层的氮化镓与A1GaN超晶格结构。因超晶格结构的p型包层增大整个包层中铝的比例，包层的折射率会减小。也因为可增大带隙能量，所以非常有效地减小临界。同时因超晶格结构较非超晶格结构更能减少包层中产生的小坑，也可以减少短路的发生。
(p型接触层112)
最后，以1050℃的温度在p型包层111上形成掺有1×1020/cm3浓度镁的p型氮化镓所制p型接触层112，其厚度为150。p型接触层可用p型InxAlyGa1-x-yN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)来形成而最好用掺杂镁的氮化镓，如此，可与p型电极20有最好的电阻接触。因接触层112是将要形成电极处的层，能有1×1017/cm3或更高的载流子浓度较佳。若浓度低于1× 1017/cm3时则很难与电极有良好的电阻接触。以氮化镓成分形成接触层可易于与电极有良好的电阻接触。当反应结束后在反应容器中以700℃将晶片在氮环境中进行退火可进一步减少p型层的电阻。
以上面所述的叠层方式形成各氮化物半导体层后，将晶片从反应容器中取出。然后，在p型接触层的最上层表面形成二氧化硅保护膜，并且n型电极将要形成于其上的n型接触层104的表面被用四铝化硅气体并以反应离子蚀刻法进行蚀刻而露出出来，如图8所示。为达到对氮化物半导体深度蚀刻的目的，二氧化硅最适于用作保护膜。在n型接触层104露出的同时，将要成为谐振器面的活性层端面也被露出而使蚀刻端面成为谐振器面。
下面，将详细说明作为条形的波导路区域的第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的形成方法。首先以程式化数据处理器在最上面p型接触层(上接触层)8的整个表面形成厚度为0.5μm的氧化硅(主要为二氧化硅)第一保护膜。第一保护膜161是以图案法形成(见图5A)。第一保护膜161的图案制作是以影印石版术及反应离子蚀刻器具并以四氟化硅气体进行。然后，以第一保护膜161作为蔽罩来除去一部分p型接触层112与p型包层111使得在蔽罩两侧留下很薄的p型包层111而在活性层3上形成条形脊(见图5B)。结果形成构成第二波导路区域C2的第二脊202。该第二脊的形成是蚀刻一部分p型接触层112与p型包层111，对包层111的蚀刻深度为0.01μm。
接着，形成条形第二脊后在除第二脊的一部分外(构成第一波导路区域的部分)形成一光阻膜作为第三保护膜163(见图5C)。第一保护膜161仍保留在将要形成第二与第一波导路区域处脊的顶部表面。换用反应离子蚀刻器具后第三保护膜163与第一保护膜161用作蔽罩以四氟化硅气体来蚀刻将要形成第一波导路区域部分中第一保护膜161的两侧，蚀刻的深度要露出n型包层106而形成构成第一波导路区域C1的条形形态第一脊。条形第一脊的形成是将第一脊两侧的n型包层106进行蚀刻至其厚度变为0.2μm。
接着，除去第三保护膜。
然后，将其上形成有第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的晶片转至物理汽相淀积器具，厚度为0.5μm的氧化锆(主要为二氧化锆)第二保护膜162继续在第一保护膜161表面、第一与第二脊侧面、由于蚀刻而露出的p型包层111及n型包层106上(见图7A)。
形成第二保护膜162后，晶片被进行600℃的热处理。当第二保护膜是以二氧化硅以外的材料形成时，热处理的温度勿低于300℃，最好为400℃或更高但要低于形成第二保护膜后氮化物半导体分解的温度(1200℃)，这样可使第二保护膜较不会溶解于用于溶解第一保护膜的材料(氢氟酸)。
然后，将晶片浸入氢氟酸内除去第一保护膜161(抹去工序)。于是，在p型接触层112上的第一保护膜161被除去而露出p型接触膜112。第二保护膜162是以所述的处理形成于第一波导路区域C1与第二波导路区域C2上所形成条形第一脊201与第二脊202的侧面上及延续至该处脊两侧的表面上(位于第二脊两侧p型包层111的表面及位于第一脊两侧n型包层的表面)如图7C所示。
在P型接触层112上的第一保护膜161被除去后，在露出的p型接触层表面上形成镍/金所制p型电极120而与的作电阻接触。p型电极120如图8所示形成于第二保护膜162上方，其长条宽度为100μm。在实施例1中p型电极120仅形成于第一波导路区域C1与第二波导路区域C2中向着长条的方向，p型电极120的长度并不到达第二波导路区域C2的两端。形成第二保护膜162后，在与已露出n型接触层104上的长条平行方向形成钛/铝所制的n型电极21。
然后，将用于将要形成p型与n型电极引出电极处的区域加上蔽罩并形成二氧化硅与二氧化钛所制的多层介质膜164。除去蔽罩后在多层介质膜164中形成用于露出p型与n型电极的小孔。透过这些小孔在p型与n型电极上形成镍-钛-金(1000-1000-8000)所制的引出电极122，123。在实施例1中第二波导路区域C2中形成的活性层108宽度为200μm(与谐振器方向垂直方向的宽度)。导引层也形成类似宽度。
形成p型与n型电极后通过进一步蚀刻至露出基体而在所述第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的端部形成谐振器面。
在实施例1中的激光元件中谐振器的总长度为650μm而第一波导路区域C1的总长度为5μm，包括谐振器的一个端面在内。于是，第二波导路区域C2的总长度为645μm，包括另一端面在内。在以蚀刻形成的端面上形成二氧化硅与二氧化钛所制的多层介质膜。然后，将晶片的蓝宝石基体打磨成厚度为70μm并从基体边将的分成棒状，再将棒状晶片进一步分成各个元件而获得激光元件。
而且，在实施例1中是在被蚀刻的表面上形成多层介质膜而形成谐振器面，晶片可沿着氮化镓分裂表面(11-00)即M面而分成棒状，使用该表面为谐振器面。
以上述方式制作的实施例1的激光元件的已证实在波长405nm有30mW输出功率的连续振荡，在室温中的临界则为2.0kA/cm2。同时也获得具有良好远场图的束及1.5的纵横尺寸比，这表示用于光盘系统光源的理想光束特性。这种优异特性的达成是透过本发明的特点仅通过调整发光边上第一波导路区域C1脊的宽度而不去管其功能主要为一增益区的第二波导路区域C2长条的宽度即可发射出欲有光学特性的激光束。实施例1的激光元件也无5至30mW光学输出范围内的横向移位，所以有适用于光盘系统读写光源的有利特性。同时该激光元件以可与传统式折射率导引激光元件相较的30mW驱动时即有良好性能。
另外，在实施例1中，如图7C所示n型电极可设置在盖住第一波导路区域C1的长度上。此一结构可制成有优异光束特性与较长使用寿命的激光元件。
(实施例2)
本实施例中，激光元件的制造除第一波导路区域C1的长度为1μm外，其余均与实施例1中者类似。为形成此一小长度的第一波导路区域C1，使第一条形脊较谐振器的最终长度更长(例如数十μm至大约100μm)，然后，在所述第一波导路区域C1欲有长度的处蚀刻或分割基体。结果使得以稳定形状形成第二脊201较在实施例1中者难，虽然以此一长度仍可对横模有良好控制。第一波导路区域较短的长度也较实施例1可稍微改善元件的寿命。
(实施例3)
实施例3中的激光元件除在其两端各形成长度为5μm的第一波导路区域外(参考图4B)，其余构造与实施例1中者类似。也即实施例3的激光元件将第二波导路区域C2置于中间而第一波导路区域C1则位于其两侧，第一波导路区域C1包括谐振器端面。实施例3中激光元件的构造有与实施例1中者类似的远场图与纵横尺寸比。
(实施例4)
本实施例中激光元件除构成第二波导路区域C2的第二脊202的形成是藉蚀刻而在第二脊两侧留下500厚的p型导引层外，其余构造与实施例1中者类似。如此所获得的激光元件较实施例1中者有较低的临界也可以有与实施例1中类似的光束特性。
(实施例5)
实施例5的激光元件的构造除在所述第一波导路区域C1与第二波导路区域C2间设置一倾斜表面外，其余与实施例1中者类似(见图4A)。
即，在实施例5中，在所述第一波导路区域C1与第二波导路区域C2间交界内在位于第一脊两侧n型包层106表面与位于第二脊两侧p型包层111表面间蚀刻形成截面与n型包层106表面成90°的角度。
虽然以上述方式制造的激光元件在元件特性上较的实施例1中者会有些变化，但可获本发明良好远场图的效果并达到可靠性的改善。
(实施例6)
实施例6的激光元件的构造除如图13所示在所述第一波导路区域C1与第二波导路区域C2间设置一第三波导路区域C3外，其余与实施例1中者类似。特别是在实施例6的激光元件的中当第二脊202蚀刻的深度到达第二导电型层(p型包层111)后，当向下蚀刻至第一导电型层(n型包层106)而形成第一脊的同时也形成从谐振器AA方向有一20°角度α侧面204的第三波导路区域C3。因此，制成除有第一波导路区域C1与第二波导路区域C2外更有第三波导路区域C3的实施例6的激光元件的。在上述构造的实施例6的激光元件的中扩散在所述第二波导路区域C2活性层平面内且已被导引的光反射在第三波导路区域C3的端面204上且被导向第一波导路区域C1，所以该光会被顺利地导引。也即在谐振器方向被导引的光以(90°-α)的入射角落在侧面204上时，该光可以在侧204上有总反射并可被导入条形的波导路区域且无损失。在所述第二波导路区域C2与第三波导路区域C3中通过在第二导电型层(p型包层111)上的第二脊202而在活性层平面内设置有效折射率差且形成条形的波导路区域。在第三波导路区域C3中从第二脊正下方区域出来而被导引的光可理想地导入第一波导路区域C1。
如以上所述，在实施例6中，如上所述因侧面204倾斜于第一波导路区域C1中第一脊201的侧面，光可被顺利进行导引。侧面204与第二波导路区域C2间的交界处也可以如图13所示并无弯曲而直接连接至第二波导路区域C2。
这样，在实施例6的激光元件的中，如上所述因导入活性层平面内条形的波导路区域中或在所述第二波导路区域C2中来自该处的光能有效导入第一波导路区域C1，元件特性可予改善。在实施例6的激光元件中特别可减小电流浓度的临界而改善斜面效率。
(实施例7)
实施例7中激光元件的构造除以两步骤构成第一波导路区域C1及以两步骤形成侧面外，其余与实施例1中者类似。
即，在实施例7中，以不到达活性层的蚀刻深度形成条形脊后在将要形成第一波导路区域处一个较脊的长条宽度更宽的脊向下蚀刻至n型包层106而形成两阶式的脊。
在此，图14A是表示实施例7的激光元件的结构立体图，图14C为第一波导路区域C1的剖视图而图14B则为第二波导路区域C2的剖视图。在图14A所示的实施例7的激光元件的中，第一波导路区域C1是形成为包括宽度为Sw1上脊与宽度为Sw2下脊的两阶式脊。在所述第一波导路区域C1内，因活性层位于下脊内且活性层3的宽度是依下脊的宽度Sw2而定，实质上波导路可视为是由下脊形成。实施例7的结构较的实施例1中形成第一脊时更易于控制下脊的宽度Sw2，因此，可准确形成第一波导路区域活性层的宽度。这是因为当以图5所示方法形成构成第一波导路区域C1的第一脊201时是用单一蔽罩分两步骤的蚀刻进行，一个步骤是在与以往的已形成的第二脊共用部分与其下方部分间的交界内形成而第二次蚀刻深度则到达第一导电型层而使得无法准确控制下方部分的宽度。
但是，按照实施例7在与第二脊的共同蚀刻工序中蚀刻上脊后，下脊的形成是用与形成上脊时不同的蔽罩进行蚀刻。因此，下脊可有准确宽度而位于下脊内的活性层3也有准确的宽度。
因此，按照本实施例可制成与实施例1中有同样特性的激光元件且在制造时变化较少。即，实施例7的激光元件有利于制造。
(实施例8)
实施例8的激光元件的结构有在所述第一波导路区域与第二波导路区域间的第三波导路区域而第三波导路区域的构成与实施例6中者不同。
具体地说，在实施例8的激光元件的结构中的第三波导路区域C3是由在p型包层111与p型接触层112上的第三脊构成，如图15A所示，第三脊向着第一波导路区域减小其宽度。
即，按照实施例8，形成第三波导路区域能够将宽度不同的第一波导路区域与第二波导路区域进行连接而不必分别改变波导路宽度。
在此，图1SA为实施例8的激光元件的结构的立体图而图15B为活性层的剖视图。在图15B中第二脊底部的宽度为Sw1而第一脊活性层部分的宽度为Sw2。
在此，图15B中的假想线(点划线)是第二脊与第三脊在活性层横断平面上的投影。因第二波导路区域与第三波导路区域的波导路是通过在对应于第二脊与第三脊的活性层内设置有效折射率差而构成，该假想线(点划线)实质上可视为表示第二波导路区域与第三波导路区域的波导路。
上述制造的实施例8的激光元件的结构有与实施例1类似的优异特性。
(实施例9)
实施例9为以与实施例1不同的方法制造类似于实施例1结构激光元件的举例。
即，在实施例9中第二脊是在已形成第一脊后才形成。
具体地说，在形成叠层的各层后，如图5A所示在层状结构体表面上形成条形第一保护膜161。然后，如图6A所示在除第一保护膜161的一部分外(将要形成第一波导路区域处)形成第三保护膜163并将第一保护膜161的两侧蚀刻至露出下方包层5(n型包层106)的深度而如图6B所示形成第一脊201。然后，在暂时除去第三保护膜163后，如图6C所示形成第三保护膜163盖住第一脊201，在此情形下除第一保护膜161两侧部分外将要形成第二波导路区域的部分至少由第一保护膜及第三保护膜163中的一个所掩盖。造成此一状态后再将未被第一保护膜161与第三保护膜163盖住的区域蚀刻至未到达活性层的深度。
此时，将构成第一波导路区域C1与第二波导路区域C2的脊的宽度与高度定在与实施例1类似的值。然后，将第一波导路区域C1上的第三保护膜163除去而仅留下成为条形蔽罩的第一保护膜161，接着进行类似于实施例1的后续处理而在长条的侧面上及从该处继续的氮化物半导体层表面上形成第二保护膜(埋入层)。于是，即获得与实施例1类似的激光元件。按照上述实施例9的方法，虽然处理工序次数较实施例1的方法有所增加，但可制出与实施例1类似的激光元件。
(实施例10)
实施例10为使用氮化物半导体基体制造激光元件的举例，其基本置的构成有图8所示结构的第二波导路区域C2及图9所示结构的第一波导路区域C1。
(基体101)
在实施例10中使用以下述方式制造的厚度为80μm的氮化镓氮化物半导体基体。
在此，首先，准备一个425μm厚直径为2寸及主要平面在C平面上而取向扁平表面在A平面的蓝宝石基体作为在氮化物半导体上生长的不同材料基体。晶片后放入一金属有机化学汽相淀积(MOCVD)反应容器中。然后，将温度定在510℃并使用氢作为载流子气体及氨与TMG作为原料气体在蓝宝石基体上形成200厚的低温生长氮化镓缓冲层，接着将温度定至1050℃使用TMG与氨作为原料气体生成2.5μm厚未掺杂的氮化镓基本层。在从与蓝宝石基体取向扁平表面(A平面)垂直方向θ＝0.3°的方向形成若干个每个6μm宽相互平行的长条形二氧化硅蔽罩而使蔽罩间之间隔(蔽罩小孔)为14μm。然后，将基体放回MOCVD器具而生成15μm厚未掺杂的氮化镓。在此一工序中，选择性地透过蔽罩小孔生成的氮化镓主要生在蔽罩小孔内的纵向(厚度方向)及蔽罩上的横向而形成盖住蔽罩与蔽罩小孔的基本层。以上述方式生成的基本层中可减少横向生成氮化物半导体层内穿通错位的发生。特别是穿通错位发生的情形为在蔽罩小孔上与蔽罩中心周围从蔽罩两侧横向到达正在生长中氮化物半导体前部相接处的错位密度增至大约1010/cm2时除其中心部分外蔽罩上的错位密度减至约108/cm2。
然后，将晶片放入卤素汽相磊晶(HVPE)器具内而在基本层上生成约100μm厚未掺杂的氮化镓(生长至约100μm厚的层即称为厚膜层)。然后，将不同材料的基体、低温生长的缓冲层、基本层及一部分厚膜层除去仅留下厚膜层(单一化)而获得80μm厚的氮化镓基体层。虽然以HVPE形成的厚膜层也可以用氮化镓以外的氮化物半导体制成，但最好使用氮化镓或氮化铝，这样容易生成按照本发明有良好结晶性的厚氮化物半导体层。不同材料的基体可以在下面，所说的形成元件结构后或形成波导路或电极后除去。当不同材料的基体在将晶片分割成棒形或晶片前除去时，氮化物半导体的分裂平面(近似六边形系统的{11-00}M平面，{1010}A平面，{0001}C平面)在切割或分裂成晶片时可以进行使用。
(基本层102)
在氮化物半导体基体上形成一大约15μm厚的基本层102而使得也可以横向生长。形成时可使用在制作氮化物半导体基体时所用类似于基本层的条形二氧化硅蔽罩。
(缓冲层103)
接着，在基本层102上形成未掺杂的AlGaN(铝的比例为0.01)所制缓冲层103。虽然若使用横向生长的基体为氮化镓所制或使用横向生长所形成的基本层为氮化镓所制时可以免去缓冲层103，但最好还是形成缓冲层103因为使用热膨胀系数较氮化镓低的氮化物半导体，也即AlaGa1-aN(0＜a≤1)或此类材料所制的缓冲层103可减少有小坑的发生。也即当一种氮化物半导体如同基本层102的情形生成在伴随有横向生长的另一种类型氮化物半导体上时就可能出现小坑，缓冲层103有防止出现小坑的效果。
而且，缓冲层103所含铝的比例也最好为0＜a＜0.3，如此可形成有良好结晶性的缓冲层。形成缓冲层103后可形成一其成分类似于缓冲层的n型接触层，如此也可以给予n型接触层104缓冲效果。也即当至少具有一个缓冲层形成在横向生成层(氮化镓基体)与构成元件结构的氮化物半导体层之间或在元件结构内活性层与横向生成层(氮化镓基体)之间时，缓冲层103会灭少小坑并改善元件的特性，缓冲层最好在元件结构内基体边下方包层与横向生成层(氮化镓基体)之间。
当缓冲层也执行n型接触层的功能时，其中含铝的比例最好在0.1以内而可有与电极的良好电阻接触。形成于基本层102上的缓冲层可类似于上述形成于不同材料基体上的缓冲层以300至900℃范围内的低温生成，温度在800至1200℃范围内的单一晶体生长可改善减少小坑的效果。再者，缓冲层103可掺杂n型或p型杂质，也可以不掺杂，不过最好是不掺杂而生长能有良好的结晶性。若设置两个或更多缓冲层时，可变更n型或p型杂质浓度与/或铝的比例来形成此等层。
(n型接触层104)
在缓冲层103上形成4μm厚掺杂有3×1018/cm3浓度硅的Al0.01Ga0.99N所制的n型接触层104。
(防裂层105)
在n型接触层104上形成0.15μm厚In0.06Ga0.94N所制的防裂层105。
(n型包层106)
在防裂层105上形成总厚度为1.2μm超晶格结构的n型包层106。
具体地说，n型包层106是以交互叠层膜厚25的未掺杂Al0.05Ga0.95N层和膜厚25、掺有1×1019/cm3浓度硅的氮化镓GaN层的方式形成。
(n型光导引层107)
在n型包层106上形成0.15μm厚未掺杂的氮化镓n型光导引层107。
(活性层108)
在n型光导引层107上形成总厚度为550的多重量子井结构活性层108。
活性层108是以140厚掺有5×1018/cm3浓度硅的In0.05Ga0.95N所制的阻挡层(B)与50厚未掺杂的In0.13Ga0.87N所制井层(W)而以(B)-(W)-(B)-(W)-(B)的次序形成。
(p型电子限制层109)
在活性层108上形成100膜厚的掺有1×1020/cm3浓度镁的p型Al0.3Ga0.7N所制p型电子限制层109。
(p型光导引层110)
在p型电子限制层109上形成0.15μm膜厚的掺有1×1018/cm3浓度镁的p型氮化镓所制p型光导引层110。
(p型包层111)
在光导引层110上形成一个总厚度0.45μm的超晶格结构p型包层111。
p型包层111的形成是叠层25膜厚的未掺杂的Al0.05Ga0.95N与掺有1 ×1020/cm3浓度镁的氮化镓层。
(p接触层112)
在p型包层111上形成掺有2×1020/cm3浓度镁150膜厚的n-氮化镓所制p型接触层112。
如以上所述，形成从n型接触层104至p型接触层112的元件结构后，n型接触层104被露出出来并进行蚀刻而形成该31及第二波导路区域C2且在第一脊与第二脊侧面及伸至其处的氮化物半导体层表面上形成第二保护膜162(埋入层)，其情形与实施例1类似。此时将第二脊两侧的p型光导引层110蚀刻至使膜变为0.1μm厚的深度而形成构成第二波导路区域C2的第二脊。
下面，将说明形成实施例10的激光元件的谐振器面的方法。在实施例10中通过放置一对激光元件并使的在与一对称平面的对称安排中相对即可有效形成谐振器面。
特别是在10μm长的第一波导路区域C1(一对相耦合激光元件的第一波导路区域)(图17B中IIIb与IVb部分)的两侧各形成每个为645μm长的第二波导路区域C2。
第二波导路区域C2两侧上的外端面在蚀刻使n型接触层露出时也同时形成。
然后，与实施例1相似在n型接触层104与p型接触层112的表面形成n型电极121与p型电极120。
接着在已露出的整个表面，包括第二波导路区域的端面及构成波导路区域各脊的侧面在内，形成介质多层膜所制的绝缘膜(反射膜)164。
如此形成的绝缘膜164在所述第二波导路区域C2的端面有反射膜的功能而在其他部分则有绝缘膜功能(特别是防止pn电极间短路的功能)。在实施例10中p型电极120形成于p型接触层的一部分上，其宽度较p型接触层112长条的宽度小而不似图8与9中所示者。p型电极120仅形成在所述第二波导路区域向着长条方向的顶部而与第二波导路区域C2的端部有一小段距离。
虽然将n型与p型电极上的一部分绝缘膜164除去使电极露出而形成在电极表面上有电连接的增耗垫电极122，123。
接着在10μm的第一波导路区域C1中心周围(图17B E-E线所指者)沿着M表面将氮化物半导体分裂成棒形，再沿着与元件间分裂M平面垂直的A平面向着与谐振器平行的方向将此等棒分裂而获得晶片。
上述所获得的激光晶片有大约5μm长的第一波导路区域C1与645μm长的第二波导路区域C2，第一波导路区域C1的端面用作发光边，与实施例1中者类似。
上述所获得的激光元件有2.5kA/cm2的临界电流密度及室温4.5V的临界电压连同用于所射出激光束的405nm振荡波长与1.5的纵横尺寸比。在30mW连续振荡时，该激光元件可以在高输出功率上操作1000小时或更长。该激光元件能在5mW至80mW输出范围连续振荡并有适用于此一输出范围中光盘系统光源的光束特性。
(实施例11)
在实施例11中，激光元件的构造是用80μm厚的掺硅n-氮化镓作为基体101而不是用实施例10中的未掺杂80μm厚的氮化镓。掺硅n型氮化镓的制成是在不同材料基体上形成一个低温生长缓冲层并形成一个伴随有横向生长的基本层且以卤素汽相磊晶术形成一个100μm厚的掺硅n型氮化镓厚膜，然后，除去不同材料基体。
在实施例11中以掺硅Al0.01Ga0.99N所制的缓冲层103是形成于n型氮化镓基体101上而其上与实施例1类似已经形成叠层的从n型接触层104到p型接触层112的各层。
然后，以蚀刻形成一分隔槽而露出p型接触层112的表面以便界定将要形成的元件波导路区域位置。在实施例11中与实施例1不同的是不需要空间用于在露出的n型接触层表面上形成n型电极以便于基体两侧制成相对电极的结构而不必在同一边形成一对正与负的电极。所以邻接的元件较的实施例9更能靠近。
而且，在实施例11中，以蚀刻露出n型接触层来界定不同区域，但也可以不用蚀刻而以下述方式达成结构的相对安排。形成分隔槽时可使n型接触层与基体间的层露出或者形成分隔槽而露出基体。再者，若藉露出基体来形成分隔槽时，可将基体蚀刻至中途而露出基体。并不需要为每一元件界定一个区域时，如实施例9所述可形成一个区域共同构成两个元件或三个元件(例如图17A与17B所示的III与IV部分即是共同形成者)。
同样在与导光方向垂直的方向可连续形成若干区域而不必在元件间形成分隔槽。
以蚀刻深于活性层方式形成分隔槽并沿槽(如图17A与17B所示的A-A部分)分割可避免活性层因分割而裂开成片。
在实施例11中，每一元件的区域均分开而成个别元件。然后，与实施例10类似形成构成波导路区域的条形脊并在对应于每一元件的每一区形成第一波导路区域C1与第二波导路区域C2。第一波导路区域的长条长度为10μm。
接着，与实施例10类似仅在所述第二波导路区域C2内p型接触层表面上形成其宽度小于p型接触层宽度的条形p型电极。条形p型电极的长度不要到达构成第二波导路区域C2的第二脊的端面而要与的稍微隔开。
然后，在基体背面(相对于其上形成元件结构的基体表面)形成一n型电极。接着与实施例10类似在形成元件结构处基体边的整个表面上形成一介质多层膜的绝缘膜(反射膜)164且在有一部分p型电极露出情形下形成一增耗垫电极与相对的p型电极电连接。
最后，在位于第一波导路区域C1中心处的D-D切割位置垂直于谐振器的方向沿着元件间A-A切割位置的基体M平面分裂而分成棒形并沿垂直于分裂平面的A平面在元件间进行分裂而获得晶片形式的激光元件。
上述获得的激光元件有在所述第一波导路区域C1端部处的分裂表面及在所述第二波导路区域C2端部其上有反射膜的蚀刻端面作为谐振器面并能够有激光振荡。所述的激光元件有与实施例10中类似的优异激光特性。
(实施例12)
实施例12的激光元件的制成是在蚀刻至n型接触层的同时形成谐振器端面并在实施例10中蚀刻至基体后沿着图17A所示I与II中的AA切割表面将谐振器面间的基体分开。此时从谐振器端面突出部分的尺寸定为3μm。上述所获得的激光元件有与实施例10类似的元件特性与光学特性的优异激光特性。
(比较例1)
比较例1所制的激光元件有形成在其全部长度上的第二波导路区域C2但并不形成第一波导路区域C1。
在比较例1中，构成元件的各层类似于实施例1的相互叠层。然后，如图5B所示以第一保护膜161作为蔽罩而形成第二个条形脊从元件的一个端面伸至另一端面。
然后，在形成于第一脊整个长度上及其被蚀刻露出的两侧表面上的第一脊侧面形成二氧化锆的保护膜。然后，将晶片浸入氢氟酸中而以抹去法除去第一保护膜161。于是，与实施例1类似形成谐振器面与电极而获得仅有构成第二波导路区域C2第二脊的比较例1的激光元件的。
在如上所述制造的比较例1的激光元件的中很难有效抑制不必要的横向模式而降低横向模式的稳定性且会经常发生在电流-光学输出特性中的扭折。
特别是在较大光学输出功率的高输出范围内，例如光盘系统中书写资料所需的30mW输出功率，可能会发生横向模式的移位。也因为元件特性对第一个条形脊尺寸精度的敏感性，元件间会有很大变化而难以改善生产量，如图10所示。激光束光点的纵横尺寸比大部分在2.5至3.0范围内，这意味著相当低的生产量，除非纵横尺寸比的可接收标准能在2.0或更低。
下面，将说明为本发明的激光元件构造效果(激光元件使用寿命、驱动电流及横向模式的可控性)所作调查的结果。
在调查中使用类似于实施例1的元件构造(半导体叠层结构)来制造不同脊高度的激光元件并改变蚀刻深度且对该激光元件的使用寿命、驱动电流及横向模式可控性进行确定。
图12是表示不同蚀刻深度激光元件的使用寿命(测试时的光学输出功率为30mW)。
如图12所示，当蚀刻深度接近p型包层与p型光导引层的边界时，元件的寿命最长但当蚀刻深度减小时寿命也变短。当蚀刻接近p型包层与p型光导引层的边界时，激光元件突然下降，这表示当条形的波导路区域是蚀刻至到达活性层的深度而形成时对元件寿命发生重大不良影响。所示在考虑元件寿命时，以蚀刻深度不到达p型电子限制层为较好。也可以了解当脊是在p型包层与p型光导引层间交界处上方与下方蚀刻至0.1μm范围内的深度而形成时可有很长的使用寿命。当考虑在厚度方向对光的限制时，蚀刻的深度最好勿到达p型导引层。在这一方面，蚀刻深度最好是到达p型包层与p型光导引层介面上方0.1μm。
图10是表示不同蚀刻深度合格率的曲线图。从图10可看出蚀刻深度深于p型包层与p型光导引层介面上方0.1μm的点时可有高接受比率。图10所示的合格率是表示有振荡能力的元件以5mW振荡于基本单一横向模式内的比例而此时波导路区域的长条宽度为1.8μm。
对留在脊两侧的p型包层蚀刻至0.1μm或更大深度时会突然发生扭折而导致合格率的大幅下降。
图11是表示作为蚀刻深度函数的驱动电压(光学输出为30mW)，调查时波导路区域宽度定在1.8μm。从图11可清楚看出当蚀刻深于活性层边p型光导引层的中点时(厚度方向的中点)，不管蚀刻的深度为何驱动电流均保持为恒定的50mA。当蚀刻深度从p型光导引层中点减小时，p型包层与p型光导引层交界处上方的电流逐渐增至0.1μm而当p型包层与p型光导引层交界处上方的蚀刻深度浅于0.1μm时(使脊的两侧保持0.1μm厚度或较厚的p型包层的蚀刻深度)，电流会突然增大。当蚀刻至剩下0.25μm厚度或较厚的p型包层时即无法达到30mW的光学输出。
(比较例2)
比较例2中所制造的激光元件有形成于其整个长度上的第一波导路区域而无实施例1中的第二波导路区域。
在比较例2中，构成元件结构的各层与实施例1类似也是叠层起来。接着如图5A所示构成第一波导路区域C1的条形脊的形成是先形成条形的第一保护膜161再对第一保护膜两侧的区域蚀刻至到达下包层5的深度。然后，在脊的顶部表面与侧面及其被蚀刻露出的两侧表面上形成二氧化锆的保护膜。接着将晶片浸入氢氟酸中而以抹去法除去第一保护膜161。然后，与实施例1相似形成谐振器面与电极而获得仅有第一波导路区域C1及图9所示断面结构的激光元件。在比较例2中条形脊的形成与比较例1的第一波导路区域C1类似是将留在脊两侧的p型包层蚀刻至使其厚度为0.2μm的深度。
如此所获得的激光元件较实施例1中者使用寿命较短因为长条的形成是蚀刻至深于活性层而无法制造出实际有用的激光元件因其仅有图12所示的短使用寿命。
产业上应用的可能性
本发明的激光元件有第一波导路区域C1与第二波导路区域C2用作在谐振器方向的波导路，所以能设置优异的元件可靠性与横向模式控制性。本发明进行简单的设计修改也可以设置有各种元件特性的激光元件。
另外，以往，在一些相冲突的项目诸如同时在横向模式中有元件可靠性与稳定振荡的实际实很难达到优异元件特性的情形下，本发明的激光元件具有优异的生产率、可靠性及元件特性。再者，在一部分谐振器面发光边上设置第一波导路区域C1能获得具有各种光点形状与各种纵横尺寸比的激光束。因此，本发明能达到各种光束特性并且有扩展激光元件应用范围的重大效果。
以往，在使用了氮化物半导体的半导体激光元件中，晶体的再生及、质子等离子的注入很困难，所以仅有条形激光元件可以达到良好的生产量与生产率，而且，如果具有含In的氮化物半导体的活性层露出到空气中，，会有相当大的损害，元件使用寿命会大幅度降低，所以仅能选用有效折射率型的激光元件。但与此相比，本发明的激光元件具有第一波导路区域C1和第二波导路区域C2，所以能达成对横向模式的控制及有优异的光束特性并保证元件的可靠性。另外，其元件的结构也允许即使是大量生产也能以优异的产品合格率来进行制造，使利用了氮化物半导体的半导体激光元件的应用及其迅速普及成为可能。而且，能提供当用作高录制密度光盘系统的光源时，在用于数据读出时(5mW)及数据写入时(30mW)的两方面的光输出功率范围内，并无横向模式移位，而且即使以30mW驱动也能超过1000小时的优异激光元件，作为光源，纵横尺寸比为1.0～1.5的范围。

Claims (25)

1.一种半导体激光元件，包括依次叠层了第一导电型半导体层、活性层和与所述第一导电型不同的第二导电型半导体层的层状结构体，在所述活性层及其附近形成有限制光在宽度方向上扩散并将光引导到与该宽度方向垂直的方向上的波导路区域，其特征在于：
所述波导路区域具有第一波导路区域和第二波导路区域；
所述第一波导路区域与所述第二波导路区域相比，由包含宽度更窄的活性层构成，其是通过该活性层和该活性层两侧的区域之间的折射率差来将光关闭在其所限制的活性层内的区域；
所述第二波导路区域是有效折射率型波导路区域。
2.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述第一波导路区域中的活性层通过形成包括所述活性层的第一脊来使该活性层的宽度比所述第二波导路区域的窄，
所述有效折射率型波导路区域是在所述第二导电型层上具有第二脊的脊波导路。
3.如权利要求2所述的半导体激光元件，其特征在于：
所述第一脊具有包括所述第一导电型层之一部分的高度，；
所述第二脊两侧的活性层由所述第二导电型层的一部分覆盖。
4.如权利要求2～3中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述第二脊比所述第一脊长。
5.如权利要求1～4中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述第一波导路区域包括激光谐振器的一方的谐振器面。
6.如权利要求5所述的半导体激光元件，其特征在于：将所述一方的谐振器面作为射出面。
7.如权利要求1～6中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述第一波导路区域的长度为1μm以上。
8.如权利要求1～7中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述第一导电型半导体层、所述活性层和所述第二导电型半导体层分别由氮化物半导体形成。
9.如权利要求1～8中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述活性层由含In的氮化物半导体层构成。
10.如权利要求1～9中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：在所述第一脊的两侧面和所述第二脊的两侧面分别形成绝缘膜，该绝缘膜由从Ti、V、Zr、Nb、Hf、Ta的各氧化物以及SiN、BN、SiC、AlN所形成的群中选择出来的至少一种来构成。
11.一种半导体激光元件，在依次叠层了第一导电型层、活性层以及与该第一导电型层的导电型不同的第二导电型层的层状结构体上具有条形的波导路区域，其特征在于：
所述条形的波导路区域至少具有：
在谐振器方向，在条形的第二导电型层、活性层和第一导电型层的一部分内设置了条形波导路的第一波导路区域；以及在第二导电型层上设置脊的脊波导路型的第二波导路区域。
12.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于：所述第一波导路区域由设置在第一导电型层上的条形的凸部形成。
13.一种半导体激光元件，在依次叠层了第一导电型层、活性层以及与该第一导电型层的导电型不同的第二导电型层的层状结构体上具有条形的波导路区域，其特征在于：
所述条形的波导路区域至少具有：在谐振器方向，在所述第二导电型层上设置了条形的凸部的第二波导路区域；以及
在所述第二导电型层、所述活性层和所述第一导电型层的一部分上设置了条形的凸部的第一波导路区域。
14.如权利要求11～13中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述条形的波导路区域是脊波导路型，所述第二波导路区域的条形的凸部或者第二导电型层的脊被连续设置在第一波导路区域。
15.如权利要求11～14中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述第二波导路区域中的脊或者条形的长度比所述第一波导路区域长。
16.如权利要求11～15中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述半导体激光元件的谐振器面内，至少一个谐振器面形成在所述第一波导路区域的端部。
17.如权利要求16所述的半导体激光元件，其特征在于：形成在所述第一波导路区域的端部上的谐振器面是射出面。
18.如权利要求16或17所述的半导体激光元件，其特征在于：在所述端部具有谐振器面的第一波导路区域的条形长度至少为1μm以上。
19.如权利要求11～18中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述第一导电型层、活性层、第二导电型层使用氮化物半导体。
20.如权利要求19所述的半导体激光元件，其特征在于：所述活性层是包含In的氮化物半导体层。
21.如权利要求19或20所述的半导体激光元件，其特征在于：所述第一半导体层具有n型氮化物半导体，所述第二半导体层具有p型氮化物半导体。
22.如权利要求21所述的半导体激光元件，其特征在于：所述第二波导路区域具有包括p型氮化物半导体的p型包层，并且第二波导路区域的脊或者条形凸部的下端被设置在使该p型包层的膜厚成为在0.1μm以下且在比活性层更靠上的位置上。
23.如权利要求19～22中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：氮化物半导体露出在第一波导路区域的条形凸部侧面及第二波导路区域的脊或者条形凸部侧面上，在该条形凸部的侧面设置有绝缘膜，该绝缘膜由包含从Ti、V、Zr、Nb、Hf、Ta构成的群中选择的至少一种元素的氧化物，或者由从SiN、BN、SiC、AlN构成的群中选择的至少一种所构成。
24.如权利要求19～23中任意1项所述的半导体激光元件，其特征在于：所述条形凸部的宽度为1μm以上3μm以下。
25.一种半导体激光元件的制造方法，其特征在于：具有：
使用氮化物半导体，形成依次叠层了第一导电型层、活性层和第二导电型层的层状结构体的叠层工序；
在形成了层状结构体之后，形成条形的第一保护膜的工序；
对没有形成所述第一保护膜的层状结构体部分进行蚀刻，在第二导电型层上形成条形凸部的第一蚀刻工序；
在该第一蚀刻工序中露出的表面的一部分上，通过第一保护膜而形成第三保护膜，并对未形成该第三保护膜的层状结构体部分进行蚀刻，在第一导电型层上形成条形凸部的第二蚀刻工序；
将与第一保护膜不同的材料即具有绝缘性的第二保护膜形成在所述条形凸部侧面以及由于蚀刻而露出的氮化物半导体表面上的工序；在形成了第二保护膜之后，将第一保护膜除去的工序。
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