半导体激光元件及其制造方法.pdf

一种半导体激光元件，包括：第一导电型的覆层；有源层；第二导电型的第一覆层；由第二导电型的第二覆层和第二导电型的盖层构成的脊，它们从第一覆层侧开始按照这种顺序层叠在第二导电型的第一覆层上；形成在除脊顶部以外的脊侧面上的电介质膜；以及覆盖所述脊的金属电极层，其中盖层的底面宽度和第二覆层的顶面宽度几乎相等。由盖层构成的凸起的宽度可形成得比现有技术中的小，因此，可以减少厚膜电极形成之后出现在脊侧面上的空洞部。因此，激光振荡时产生的热量变得很容易散逸，并可获得激光特性和可靠性均提高的激光元件。

1.  一种半导体激光元件，包括：第一导电型的覆层；有源层；第二导电型的第一覆层；由从第一覆层侧开始顺序层叠在第二导电型的第一覆层上的第二导电型的第二覆层和第二导电型的盖层构成的脊；形成在除脊顶部以外的脊侧面上的电介质膜；以及覆盖所述脊的金属电极层，其中盖层的底面宽度和第二覆层的顶面宽度近似相等。

2.  根据权利要求1所述的半导体激光元件，其中盖层的底面宽度和第二覆层的顶面宽度之间的差别处于+0.4μm至-0.4μm的范围内。

3.  根据权利要求1所述的半导体激光元件，进一步包括形成为覆盖整个脊以提供金属电极层的金的厚膜电极。

4.  根据权利要求1所述的半导体激光元件，其中所述第二覆层为P型GaAlAs层并且所述盖层为P型GaAs层。

5.  根据权利要求1所述的半导体激光元件，其中所述第二覆层是由多种元素构成并在厚度方向上元素的构成比率变化的层。

6.  根据权利要求5所述的半导体激光元件，其中所述第二覆层包括至少一种不同于形成盖层的元素，并且所述元素在第二覆层与所述盖层相接触的区域内并且沿着盖层的方向变少。

7.  根据权利要求5所述的半导体激光元件，其中所述第二覆层为P型GaAlAs层并且所述盖层为P型GaAs层。

8.  根据权利要求7所述的半导体激光元件，其中第二覆层中的Al以一种方式被包括，即在沿着第二覆层的厚度方向距顶部1/3内的区域中，对应Al和Ga总量的Al构成比率变化0.1或更小的差别。

9.  根据权利要求7所述的半导体激光元件，其中与盖层相接触的第二覆层部分具有对应Al和Ga总量处于0.38至0.46范围内的Al构成比率，并在第二覆层中具有最低Al构成比率。

10.  根据权利要求5所述的半导体激光元件，其中第二覆层的构成比率连续变化。

11.  根据权利要求10所述的半导体激光元件，其中所述构成比率在第二覆层的厚度方向上线性变化。

12.  根据权利要求5所述的半导体激光元件，其中第二覆层的上端比下端宽，并且在第二覆层中构成比率变化的区域中变宽。

13.  根据权利要求5所述的半导体激光元件，进一步包括设置在第一覆层和第二覆层之间的蚀刻阻止层。

14.  根据权利要求13所述的半导体激光元件，其中所述蚀刻阻止层为GaAs层。

15.  根据权利要求5所述的半导体激光元件，其中所述电介质膜具有1.4至2.2范围内的折射率以及1000至3000范围内的膜厚。

16.  根据权利要求15所述的半导体激光元件，其中所述电介质膜为SiO₂膜或SiN膜。

17.  一种半导体激光元件，包括：第一导电型的覆层；有源层；第二导电型的第一覆层；由从第一覆层侧开始顺序层叠在第二导电型的第一覆层上的第二导电型的第二覆层和第二导电型的盖层构成的脊；形成在除脊顶部以外的脊侧面上的电介质膜；以及覆盖所述脊的金属电极层，其中所述第二覆层是一成分比率在厚度方向上变化的层。

18.  一种制造半导体激光元件的方法，包括步骤：(a)在第一导电型的覆层上顺序生长有源层、第二导电型的第一覆层、第二导电型的第二覆层以及第二导电型的盖层；(b)蚀刻盖层和第二覆层，使得盖层的底面宽度和第二覆层的顶面宽度变得近似相等；(c)在除脊顶部以外的脊侧面上形成电介质膜；以及(d)用金属电极层覆盖所述脊。

19.  根据权利要求18所述的半导体激光元件的制造方法，其中步骤(b)包括步骤：蚀刻盖层和第二覆层使得所述脊具有盖层的檐；蚀刻所述盖层的檐使得盖层的底面宽度和第二覆层的顶面宽度变得近似相等。

20.  根据权利要求19所述的半导体激光元件的制造方法，其中所述第二覆层为P型GaAlAs层并且所述盖层为P型GaAs层，使用能够蚀刻GaAs而不会蚀刻GaAlAs的蚀刻剂来蚀刻所述檐。

21.  根据权利要求20所述的半导体激光元件的制造方法，其中所述蚀刻剂为铵基蚀刻剂。

22.  根据权利要求18所述的半导体激光元件的制造方法，其中所述第二覆层是由多种元素构成并且元素构成比率在厚度方向上变化的层，并且所述步骤(b)包括步骤：干蚀刻所述盖层和第二覆层，之后使用包括HF的蚀刻剂进行湿蚀刻。

23.  根据权利要求22所述的半导体激光元件的制造方法，其中通过等离子CVD方法形成所述电介质膜。

24.  根据权利要求22所述的半导体激光元件的制造方法，其中通过溅射方法或电镀方法形成一部分金属电极层。

25.  一种用于制造半导体激光元件的方法，其包括步骤：在第一导电型的覆层上顺序生长有源层、第二导电型的第一覆层、由多种元素构成并且元素构成比率变化的第二导电型的第二覆层、以及第二导电型的盖层；干蚀刻盖层和第二覆层，之后借助包括HF的蚀刻剂进行湿蚀刻；在除脊顶部以外的脊侧面上形成电介质膜；以及用金属电极层覆盖所述脊。

半导体激光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体激光元件及其制造方法。特别地，本发明涉及一种用于CD-R/RW、DVD-R/RW等的高功率半导体激光元件及其制造方法。
作为一种降低材料成本并减少制造工序中步骤数目的方法，使用高功率半导体激光结构中俗称的空气脊(air ridge)结构已经变得非常普遍。
本发明能提供一种半导体激光元件，其中已经增加了脊部分中金属电极层的粘结性，以改善空气脊结构中的散热效率和温度特性。
背景技术
图7A至7D为示出根据现有技术的GaAs/GaAlAs基红外红色激光元件的制造方法的示意透视图。
首先，如图7A所示，缓冲层2、第一N型GaAlAs覆层(clad layer)3、第二N型GaAlAs覆层4、有源层5、第一P型GaAlAs覆层6、GaAs蚀刻阻止层7、第二P型GaAlAs覆层8、以及P型GaAs盖层(cap layer)9按此顺序被层叠在N型GaAs衬底(晶片)1上，其中通过汽相沉积方法(如MOCVD)来生长各层。在此，尽管在图中示出了单个的半导体激光元件，但在实际中以晶片单位的方式进行生产。
其次，如图7B所示，用于形成脊(电流通路)的掩模10被设置在P型GaAs盖层9上。能够抵抗所用蚀刻方法的材料适用于所述掩模。在此，在干蚀刻的情况下，由能够抵抗干蚀刻的薄膜(如SiO₂薄膜)形成的掩模用作脊部形成的掩模。
再者，如图7C所示，通过干蚀刻或湿蚀刻技术蚀刻整个P型GaAs盖层9并将第二P型GaAlAs覆层8蚀刻至接近GaAs蚀刻阻止层7，以便形成粗略形态的脊(该蚀刻称为第一蚀刻)。在此，该脊成为激光振荡的电流通路。
随后，如图7D所示，通过HF进一步蚀刻第二P型GaAlAs覆层8，所述HF是一种能够仅蚀刻第二P型GaAlAs覆层8而不会蚀刻GaAs的蚀刻剂(该蚀刻称为第二蚀刻)。该蚀刻用于脊的宽度，以便能够获得所需激光特性。在此情况中，由HF进行的蚀刻自然地被GaAs蚀刻阻止层7所阻止，并由此使得脊部的宽度依赖于蚀刻时间周期的长度。
接下来，在图8A至8G所示的连续工序中形成P侧电极。在下文，参照图8A至8G说明该工序。
首先，为了防止电流在脊两侧的表面上流过，最初在包括脊整个表面的晶片表面上形成具有绝缘特性的电介质膜(SiN，SiO₂等)11，以便具有大约1000至2000(图8A)的厚度。在此，电介质膜11也具有在激光束发射的同时稳定NFP(near field pattern，近场图案)的作用。
其次，盖层除顶部之外的部分由抗蚀剂12所保护(图8B)。
接下来，仅蚀刻电介质膜11并将其从P型GaAs盖层9的上部除去(图8C)，以便使电流仅流经脊的内部。同时，P型GaAs盖层9两侧上的电介质膜11被部分地过蚀刻，如图8C所示。
进一步，第一金属电极层13由AuZn形成，以便使P型GaAs盖层9与金的厚膜电极在欧姆条件下接触(图8D)。
此后，移除抗蚀剂12(图8E)，并由Mo/Au形成第二金属电极层(阻挡/芯片焊接电极)14(图8F)。同时，如图8F所示，所述第二金属电极层14仅形成在P型GaAs盖层9两侧的电介质膜11上。这是因为第二金属电极层14很难形成在电介质膜11和P型GaAs盖层9两侧之间形成的阶梯(檐的直接下方部分，即顶层侧边部分)附近。
接下来，通过电镀方法，在包括脊的晶片表面上形成金的厚膜电极16(图8G)，以便具有大约2μm至3μm的厚度。通过电镀形成所述厚膜电极16，因为电流从第二金属电极层14的表面上流过，并由此使得厚膜电极16比通过沉积方法生长可以获得更好的覆盖性(coverage)。
在此之后，抛光晶片的N衬底侧(背面)以将所述晶片调节至所需厚度，并随后在N衬底侧上形成N侧电极，以便完成如图9所示形成有多个激光元件的激光晶片18。
接下来，如图9所示，激光晶片18被分割成具有与谐振器长度相对应的预定宽度的条19。此后，具有预定反射率的保护膜被形成在两光出射端面上，并将每个条19分割成单个的激光元件(芯片)(未示出)。
在此，根据上述相同的方法获得的半导体激光元件也在日本未决专利公报No.2003-86902中予以说明。
另外，根据上述类似的方法获得的半导体激光元件，尽管其不具有空气脊结构，但也在日本未决专利公报No.HEI11(1999)-135884中予以说明。
根据现有技术，如上述图8F中所示，P型GaAs盖层9具有位于P型GaAs盖层9下面的部分9′。这些部分9′的下部分15在第二金属电极层14形成的同时位于顶层的后面，并因此使得第二金属电极层14变得比其他部分薄得多或未形成在所述下部分15中。在此情况中，很难通过电镀在第二金属电极层14很薄或不存在的区域上形成所述厚膜电极16，因此如图8G所示，出现空洞部17。
这些空洞部是空气层，并且由于这些空洞部使得激光振荡时产生的热量很难散出，因此激光元件的温度特性以及可靠性恶化。
发明内容
本发明提供一种半导体激光元件，其包括：第一导电型的覆层；有源层；第二导电型的第一覆层；由第二导电型的第二覆层和第二导电型的盖层构成的脊，它们从第一覆层侧开始按照这个顺序层叠在第二导电型的第一覆层上；形成在除脊顶部以外的脊侧面上的电介质膜；以及覆盖所述脊的金属电极层，其中第二导电型的盖层底面的宽度和第二导电型的第二覆层顶面的宽度近似相等。
进一步，本发明提供一种半导体激光元件，包括：第一导电型的覆层；有源层；第二导电型的第一覆层；由第二导电型的第二覆层和第二导电型的盖层构成地脊，它们从第一覆层侧开始按照这个顺序层叠在第二导电型的第一覆层上；形成在除脊顶部以外的脊侧面上的电介质膜；以及覆盖所述脊的金属电极层，其中所述第二导电型的第二覆层是一成分比率在其厚度方向上变化的层。
另外，本发明提供一种制造半导体激光元件的方法，包括步骤：(a)在第一导电型的覆层上，顺序生长有源层、第二导电型的第一覆层、第二导电型的第二覆层以及第二导电型的盖层；(b)蚀刻第二导电型的盖层和第二导电型的第二覆层，使得第二导电型的盖层底面宽度和第二导电型的第二覆层顶面宽度变得近似相等；(c)在除脊顶部以外的脊侧面上形成电介质膜；以及(d)用金属电极层覆盖所述脊。
进一步，本发明提供一种用于制造半导体激光元件的方法，其包括步骤：在第一导电型的覆层上，顺序生长有源层、第二导电型的第一覆层、由多种元素构成并且元素构成比率变化的第二导电型的第二覆层、以及第二导电型的盖层；干蚀刻盖层和第二覆层，之后借助包括HF的蚀刻剂进行湿蚀刻；在除脊顶部以外的脊侧面上形成电介质膜；以及用金属电极层覆盖所述脊。
根据下文给出的详细说明，本发明的这些和其他目的将变得更加显而易见。可是，应当理解，仅仅是通过说明的方式给出所述详细说明和特定实施例，同时指出本发明的优选实施例，而对于本领域技术人员来讲，根据该详细说明，在本发明精神和范围内的各种变化和修改都是显而易见的。
附图说明
图1为示出根据本发明的半导体激光元件的示意透视图；
图2A和2B为根据实施例1的半导体激光元件中主要部件的放大图；
图3为根据实施例2的半导体激光元件中主要部件的放大图；
图4A至4D为根据实施例3的半导体激光元件中主要部件的放大图；
图5A和5B为根据实施例3的半导体激光元件中盖层外围的示意图；
图6A和6B为根据实施例4的半导体激光元件中主要部件的放大图；
图7A至7D为示出半导体激光元件制造方法的示意透视图；
图8A至8G为示出根据现有技术的半导体激光元件的P侧电极制造方法的示意透视图；
图9为示出半导体激光元件制造方法的示意透视图。
具体实施方式
在本发明的说明书中，第一导电型表示N型或P型。另一方面，第二导电型在第一导电型为N型的情况下表示P型，并且在第一导电型为P型情况下表示N型。尽管在以下说明中，第一导电型为N型，但其当然也可以是P型。
首先，本发明的半导体激光元件至少配置有第一P型覆层、第二P型覆层和P型盖层。形成这些层中每一个的材料没有特定的限制，而可以使用任何公知的材料。例如，GaAlAs/GaAs、InGaAsP/GaAs、AlGaInP/GaP、InGaP/GaAs、AlGaInP/GaAs、GaAsSb/GaAs等可以作为形成第一和第二P型覆层以及P型盖层的材料组合。
优选地，第二P型覆层包括多种元素，并由在厚度方向上构成比率(混合晶体的比率)变化的层制成。例如，第二P型覆层优选地包括至少一个不同于形成P型盖层的元素，并且构成比率(composition ratio)按照一种方式变化，即，这种不同元素的比率变得更小，所述第二P型覆层和P型盖层相接触的区域变得更接近P型盖层。另外，所述构成比率的变化优选是连续的，并更优选地该变化是线性的。
具体而言，在第二P型覆层为P型GaAlAs层以及P型盖层为P型GaAs层的情况下，优选地以一种方式包含Al，即在沿着第二P型覆层的厚度方向距顶部1/3内的区域中(更优选在距顶部1/7和1/4之间的区域中)，对应Al和Ga总量的构成比率变化了0.1或更小的差别。构成比率的差别更优选地为0.05或更小。进一步，与P型盖层相接触的部分优选地具有对应Al和Ga总量处于0.38至0.46范围内的Al构成比率，并在第二P型覆层中具有最低Al构成比率。更优选地，Al构成比率为0.42。
进一步，Se、Te、Si、Ge、C等可引作为构成半导体激光元件的各层提供N型的杂质，而Zn、C等可引作提供P型的杂质。在此，C可用作依据具体条件提供P型或N型的杂质。依据层和半导体激光器所需功能的兼容性，可以适当地确定各层的膜厚和杂质浓度。
除上述P型覆层和P型盖层外，根据本发明的半导体激光器可以具有P型覆层下面的有源层、用于控制流入P型盖层中有源层中电流的电流阻止层、有源层和P型覆层之间的光引导层、有源层下方的N型覆层、N型覆层下方的缓冲层、以及第一和第二P型覆层之间的蚀刻阻止层。根据适用于第一和第二P型覆层和P型盖层的材料，可以适当地选择形成这些层中每一个的材料。
蚀刻之后第一P型覆层的厚度可通过具有蚀刻阻止层(例如GaAs层)予以精确控制。由于这种精确的控制，也能控制激光辐射角度。
进一步，上述层中的每一个被常规地形成在衬底上。任何公知的衬底都能用于所述衬底，并可引入诸如GaAs衬底、Si衬底、玻璃衬底、蓝宝石衬底等。所述衬底可以具有任一导电类型，N型或P型。
在此，形成在所述衬底上的上述层的每一个可通过一种公知方法层叠，如MOCVD方法、MBE方法、LPE方法、蒸发方法、溅射方法等。
另外，根据本发明，层叠在第一P型覆层上的第二P型覆层和P型盖层构成脊。所述脊在垂直于谐振器长度的方向上具有预定宽度，并沿谐振器长度的方向延伸。
另外，所述P型盖层的底面宽度和第二P型覆层的顶面宽度近似相等。在此，除两层的宽度完全相等的情况外，近似相等还包括这样一种情况，即两层的宽度彼此接近达到一种程度，即在所述脊侧面和下文说明的厚膜电极之间的P型盖层下方形成的空洞部变得足够小，而不会影响激光器件的可靠性。具体而言，P型盖层的底面宽度和上述第二P型覆层顶面宽度之间的差别优选地处于+0.4μm至-0.4μm的范围内。更优选地，所述差别处于+0.2μm至-0.2μm的范围内。
以下的方法可引作形成脊的方法。
(A)可引入一种方法，其中用于形成脊的掩模被形成在P型盖层上，并使用该掩模顺序蚀刻P型盖层和第二P型覆层，并随后优先蚀刻P型盖层。根据后一蚀刻，P型盖层的檐(即P型盖层下面的部分)可被形成得更小。所述蚀刻方法可以是湿蚀刻方法或干蚀刻方法。另外，可根据P型盖层和第二P型覆层的材料适当选择用于蚀刻的蚀刻剂。
(B)在第二P型覆层由在厚度方向上构成比率变化的层所形成的情况下，引入下面的方法。
更确切地说，用于形成所述脊的掩模被形成在P型盖层上，并使用该掩模顺序蚀刻P型盖层和第二P型覆层，随后优先蚀刻所述P型盖层以形成脊。根据后一蚀刻，P型盖层下方的部分能被形成得更小。前一蚀刻方法可以是湿蚀刻方法或干蚀刻方法。所述后一蚀刻方法优选为湿蚀刻方法。另外，根据P型盖层和第二P型覆层的材料，可以适当选择用于蚀刻的蚀刻剂。特别地，在后一蚀刻方法为湿蚀刻方法的情况时，由于厚度方向上构成比率的变化，使得第二P型覆层的蚀刻率可在厚度方向上变化。另外，在构成比率变化为连续或线性的情况时，蚀刻之后第二P型覆层的形态具有连续或线性平滑变化。特别地，线性变化提供脊的最佳形态，所述脊的宽度以一种不太显著或很渐进的方式予以变化，并因此使得矫正形成在顶层下方的金属电极层的问题成为可能。
进一步，在第二P型覆层为P型GaAlAs层、P型盖层为P型GaAs层、以及在沿着第二P型覆层的厚度方向的上部分的1/3内的区域中(更优选地为距顶部的1/7至1/4的区域内)以构成比率变化0.1或更少的方式包含Al的情况下，所述第二P型覆层的顶部宽度可被形成为接近P型盖层的宽度。因此，P型盖层下方部分中产生的空洞部能被形成得更小。在此，在所述区域中Al构成比率变化大于1/3的情况下，接近有源层的部分对激光束的近场图案造成不利影响，使得近场图案不稳定，因此这种情况不可取。
另外，在构成比率的变化为0.05或更小的情况中，所述空洞部能被形成得更小。进一步，当第二P型覆层为这样一层，即与P型盖层接触的部分相比于其他部分具有0.38至0.46范围内的最低Al构成比率时，所述空洞部能被形成得更小。在Al构成比率低于0.38的情况时，通过如HF进行的湿蚀刻变得不稳定，使得脊侧面具有不规则形状，并将HF方式的蚀刻进程限制成几乎为零，因此这种情况是不可取的。
利用了具有低Al构成比率的层的低蚀刻率，以及Al构成比率相对于其位置(从第二P型覆层开始朝向P型盖层)的减少，以便改善顶层下方部分的状况，见下文。
在此，构成脊的第二P型覆层的宽度优选地上端比下端宽，并且在上述第二P型覆层中构成比率变化的区域中较宽。在这样的构造中，P型盖层下方部分中所产生的空洞部可被形成得较小。在此，第二P型覆层的上端宽度优选地与P型盖层的下端宽度相等或尽可能地接近。进一步，所述第二P型覆层的上端宽度优选地比该层的下端宽度大1.1至1.5倍。
电介质膜被形成在除脊顶部以外的脊侧面上。该电介质膜具有用于防止电流流经除脊以外部分的电流变窄功能。尽管该电介质膜的材料没有特定的限制，但半导体膜(如Si)或绝缘膜(如SiN或SiO₂)是优选的。Si膜与AlGaAs覆层具有高粘结性，使得激光束的NFP和FFP(far field pattern，远场图案)稳定。相比于SiO₂膜，SiN膜具有大的热膨胀系数，并且该热膨胀系数接近于GaAlAs覆层的热膨胀系数，并因此使得在脊部中很难出现压力扭曲，进而导致可靠性的增加。电介质膜的厚度通常处于0.1μm至0.4μm的范围内，并优选地处于0.15μm至0.25μm的范围内。另外，例如，CVD方法、溅射方法、等离子CVD方法等可引作形成电介质膜的方法。等离子CVD方法允许形成的电介质膜覆盖顶层下方部分而没有间隙，展示良好覆盖性。
该电介质膜优选地具有1.4至2.2范围内的折射率以及1000至4000(或3000)范围内的膜厚。所述电介质膜具有此特定范围内的折射率，并因此能够增加脊的外部和内部之间的折射率差别。因此，在激光发射的同时可以获得光抑制效应(light containment effect)。特别地，优选地使用上述特定范围内的电介质膜，以便在激光发射时稳定近场图案。在此，设定上述特定范围，因为厚膜在获得光抑制效应中具有良好特性，而热传导在膜变得太厚的情况时变差。
脊覆盖有金属电极层。由公知材料制成的层可用作该金属电极层，并且例如，可引入金属层(如Al或Cu)或层叠体(如Mo/Au，Cr/Au，Mo/Au或Au/Zn)。在此，依据所述脊的形成，没有被上述电介质膜或金属电极层覆盖的区域可以存在于脊的表面上。所述金属电极层具有使驱动电流流经半导体激光元件的功能，以及散除光发射时所产生热量的功能。另外，通过电镀形成金属电极层，并因此能够形成厚金属层，由此进一步改善了散热效率。
另外，一金属层可置于脊的顶部上，以便使P型盖层和金属电极层欧姆连接。AuZn、AuBe等可引作这种金属层的一个实例。例如，蒸发方法、CVD方法或溅射方法可引作形成金属电极层和金属层的方法。在这些方法中，所述溅射方法相比于蒸发方法允许覆盖性的改善，并由此消除了构成脊侧面的部分中金属电极层下方的空洞部。
进一步，厚膜电极通常形成在包括覆盖有金属电极层的脊的整个表面上。该厚膜电极具有大约2μm至3μm范围内的厚度，并由Au、Mo/Au等制成。
在根据本发明的上述半导体激光元件中，存在于脊侧面上的空洞部的体积相比于现有技术可减少大约50％或更多，或大约90％或更多。因此，能够获得抑制由所述空洞部所引起的温度特性恶化和可靠性降低的效果。
在此，常规地，如图9所示，在晶片18上同时形成多个半导体激光元件，并在上述各构成要素形成之后，所述晶片被分割成具有谐振器长度的宽度的条19。在此之后，具有预定反射率的保护膜被形成在两光出射端面上，并随后将条19分割成单个的激光元件(芯片)。
实施例
以下，进一步详细地说明根据本发明的实施例，尽管本发明并不限于下面的实施例。
实施例1
图1为示出根据本发明的半导体激光元件的示意透视图。
下面参照图7A至7D描述图1中半导体激光元件的制造方法。
首先，如图7A所示，缓冲层2、第一N型GaAlAs覆层3、第二N型GaAlAs覆层4、有源层5、第一P型GaAlAs覆层6、GaAs蚀刻阻止层7、第二P型GaAlAs覆层8、以及P型GaAs盖层9按此顺序被层叠在N型GaAs衬底(晶片)1上，其中根据汽相沉积方法如MOCVD生长各层。在此，尽管在图中示出了单个半导体激光元件，但在实际制造中以晶片单位进行。
其次，如图7B所示，用于脊(电流通路)形成的掩模10被设置在P型GaAs盖层9上。能够抵抗所用蚀刻方法的材料被用于所述掩模。在此，在干蚀刻的情况时，由能够抵抗干蚀刻的膜(如SiO₂膜)形成的掩模被用作脊形成的掩模。
再者，如图7C所示，通过诸如干蚀刻或湿蚀刻的技术蚀刻整个P型GaAs盖层9，并将第二P型GaAlAs覆层8蚀刻至邻近GaAs蚀刻阻止层7，以形成粗略形态的脊(该蚀刻称为第一蚀刻)。在此，该脊成为激光振荡的电流通路。
随后，如图7D所示，利用HF进一步蚀刻第二P型GaAlAs覆层8，所述HF为一种能够仅蚀刻第二P型GaAlAs覆层8而不会蚀刻GaAs的蚀刻剂(该蚀刻称为第二蚀刻)。该蚀刻的结果是，调整了脊的宽度以便能够获得所需激光特性。在此情况中，使用HF的蚀刻自然地被GaAs蚀刻阻止层7所阻止，并由此使得脊的宽度依赖于使用HF的蚀刻时间周期的长度。
在第二蚀刻完成之后，接着使用仅能蚀刻GaAs的铵基蚀刻剂在P型GaAs盖层9上实行进一步的蚀刻，并由此获得图1中的半导体激光元件。
上述蚀刻执行了仅能移除P型GaAs盖层9的凸起部分的足够长的时间周期。具体而言，蚀刻执行至P型GaAs盖层9的下部宽度Wc变为等于或略大于P型GaAs盖层直接下方的第二P型GaAlAs覆层8的上部宽度Wr的程度。具体而言，期望建立-0.4μm≤(Wr-Wc)≤0.4μm的关系式。特别地，当Wr-Wc等于0μm时，本发明的效果被最大化，并在此情况中，脊在其顶部不具有任何凸起，并由此可在近似整个脊上形成Mo/Au的第二金属电极层，如图2A所示。因此，在此之后通过镀金形成的厚膜电极20覆盖了包括脊的整个晶片，而几乎没有间隙(没有空洞部)。
在此，作为蚀刻P型GaAs盖层9的凸起的结果，图7D中所示的GaAs蚀刻阻止层7消失了。可是，第一P型GaAlAs覆层6直接位于GaAs蚀刻阻止层7的下方，并且该第一P型GaAlAs覆层6未被蚀刻。因此，不会影响激光元件的振荡。
另外，如图2A所示，在P型GaAs盖层9的两侧上存在着不具有电介质膜11或MO/Au的第二金属电极层14的部分。这些部分在借助电镀金形成厚膜电极20的同时被电镀液蚀刻，从而在P型GaAs盖层9中局部地产生被蚀刻部分90。由此，尽管脊和第一金属电极层13之间的接触部分99的面积略微变小，但是在关系式：-0.4μm≤(Wr-Wc)≤0.4μm成立的范围内，元件阻抗的增加和工作电压的增加可以忽略。
在此，如图2B所示，当处于0μm＜(Wr-Wc)≤0.4μm的情况时，凸起9″(进而，在这种情况中一个凸起的长度大约为0.2μm或更小)略微地残留在所述脊上。可是，凸起的这种长度成为根据现有技术的凸起长度(每个大约为0.4μm)的几乎一半或更小，并且凸起下方部分的面积变得更小。因此，如图2B所示，Mo/Au的第二金属电极层14可被形成在处于凸起9″大约紧下方的部分上。相应地，在借助电镀金形成厚膜电极20后出现的空洞部17′比根据现有技术出现的空洞部更加细微，并相对于现有技术可以确保充分的散热效应。
在此，在这种情况中，尽管被蚀刻部分90在P型GaAs盖层9中以与图2A中相同的方式被产生，但相对于图2A中所示的情况，其充分确保了所述脊和第一金属电极层13之间的接触部分99的面积，并因此没有引起与元件电阻增加或工作电压增加有关的问题。
另外，在0.4μm＞(Wr-Wc)的情况中，不存在凸起，并且在通过电镀金形成厚膜电极20之后没有出现空洞部17′。可是，所述脊和第一金属电极层13之间的接触部分99的面积被降至一个很大的程度，并由此从元件电阻增加的观点以及从工作电压增加的观点来看是不可取的。
相应地，如上所述，期望P型GaAs盖层9的下部宽度Wc和P型GaAs盖层直接下方的第二P型GaAlAs覆层8的上部宽度Wr之间的关系为-0.4μm≤(Wr-Wc)≤0.4μm。特别地，上述关系的更优选范围为-0.2μm≤(Wr-Wc)≤0.2μm。
在此，根据以下方法执行P侧电极的形成。
首先，在包括整个脊的晶片表面上形成具有大约1000至2000厚度的、具有绝缘特性的电介质膜(SiN或SiO₂)11，以便防止电流流经脊两侧的表面。
其次，用抗蚀剂保护除P型GaAs盖层9顶部之外的部分。
随后，仅蚀刻P型GaAs盖层9上部上的电介质膜11并将其移除，使得电流仅流经脊的内部。同时，过度蚀刻P型GaAs盖层9两侧上的电介质膜11部分。
进一步，形成AuZn的第一金属电极层13，以便使P型GaAs盖层9和金的厚膜电极欧姆接触。
在此之后，移除抗蚀剂，随后在晶片表面上形成Mo/Au的第二金属电极层(阻挡层/芯片焊接电极)14。
接下来，通过电镀方法，在包括脊的晶片表面上形成大约2μm至3μm厚度的金的厚膜电极20。
实施例2
图3为示出根据实施例2的半导体激光元件的示意透视图。
实施例2是用于形成所述脊的第一蚀刻和第二蚀刻都为湿蚀刻情况时的一个实例。
在实施例2中，除了用于形成脊的掩模为抗蚀剂掩模以及第一蚀刻是使用硫酸系蚀刻剂的湿蚀刻以外，按照与实施例1中相同的方式制造半导体激光元件。
在实施例2中，所述第一蚀刻为湿蚀刻，并因此如图3所示，P型GaAs盖层9完成时具有微小角度的形状。在实施例2中，期望P型GaAs盖层的下部宽度Wc和P型GaAs盖层直接下方的第二P型GaAlAs覆层8的上部宽度Wr之间的关系与实施例1中同样为-0.4μm≤(Wr-Wc)≤0.4μm。
实施例3
下面参照图4A至4D以及5A至5B描述根据实施例3的半导体激光元件的制造方法。
首先，如图4A所示，缓冲层2、N型GaAlAs覆层3a、有源层5、第一P型GaAlAs覆层(具有0.5的Al构成比率)6、GaAs蚀刻阻止层7、第二P型GaAlAs覆层8、以及P型GaAs盖层(具有0.75μm厚度)9按此顺序被层叠在N型GaAs衬底(晶片)1上，其中按照汽相沉积方法(如MOCVD)生长各层。在此，尽管在图中示出了单个半导体激光元件，但在实际中以晶片单位进行制造。
按照一种方式形成上述第二P型GaAlAs覆层8，即其厚度为0.13μm和在与第一P型GaAlAs覆层6隔开1μm的部分8a中Al构成比率为0.5，并且在剩余部分8b中Al构成比率在0.47和0.42的范围内连续变化。
其次，用于形成脊(电流通路)的掩模10被设置在P型GaAs盖层9上。能够抵抗所用蚀刻方法的材料被用于所述掩模。在此，当为干蚀刻时，由抵抗干蚀刻的膜(如SiO₂膜)制成的掩模被用作形成脊的掩模。
接下来，如图4B所示，通过干蚀刻或湿蚀刻技术蚀刻整个P型GaAs盖层9，并将第二P型GaAlAs覆层8蚀刻至GaAs蚀刻阻止层7的附近，以产生粗略形状的脊(该蚀刻成为第一蚀刻)。在此，该脊成为激光振荡的电流通路。
随后，如图4C和4D所示，通过HF进一步蚀刻第二P型GaAlAs覆层8，所述HF为一种能够仅蚀刻第二P型GaAlAs覆层8而不会蚀刻GaAs的蚀刻剂(该蚀刻称为第二蚀刻)。该蚀刻的结果是，具有低Al构成比率的第二P型GaAlAs覆层8由于其低蚀刻率而变成图4D所示的形状。
接下来，在包括整个脊的晶片表面上形成具有大约1000至2000厚度的、具有绝缘特性的电介质膜(SiN或SiO₂)11，以便防止电流流经脊两侧的表面。其次，用抗蚀剂保护除了P型GaAs盖层9顶部之外的部分。随后，仅蚀刻P型GaAs盖层9上部上的电介质膜11并将其移除，使得电流仅流经脊的内部。同时，过度蚀刻P型GaAs盖层9两侧上的电介质膜11部分。进一步，形成AuZn的第一金属电极层13，以便使P型GaAs盖层9和金的厚膜电极欧姆接触。在此之后，移除抗蚀剂，随后通过电镀在晶片表面上形成Mo/Au的第二金属电极层(阻挡层/芯片焊接电极)14(图5A)。
在本实施例中，平滑地形成凸起使得第一金属电极层形成为平滑以延伸至凸起下面的部分，并因此使得在电镀时电流从第一金属电极层的表面流向所述凸起下方的部分，由此改善了第二金属电极层的形成而使其形成在凸起下方的部分上(图5A)。
接下来，通过电镀方法在包括脊的晶片表面上形成大约2μm至3μm厚度的金的厚膜电极20(图5B)。
根据实施例3，形成脊侧面的空洞部16的体积比图7G中所示现有技术的空洞部小。
实施例4
除用溅射方法层置第二金属电极层14外，以与实施例3中的相同方式形成根据本实施例的半导体激光元件(图6A和6B)。在实施例4中，可以消除形成所述脊侧面的空洞部。
根据本发明，由盖层构成的凸起的宽度可形成得比现有技术中的小，因此，可以减少厚膜电极形成之后出现在脊侧面上的空洞部。因此，激光振荡时产生的热量变得很容易散逸，并可获得激光特性和可靠性均提高的激光元件。特别地，根据本发明，能够获得具有空气脊结构的高功率半导体激光元件。