Полупроводниковое лазерное устройство и способ его изготовления

Изобретение предлагает лазерное устройство, способное выполнять колебания в устойчивой поперечной моде и выдавать лазерный луч с превосходной диаграммой направленности в дальней зоне. Первое полупроводниковое лазерное устройство содержит многослойную структуру, в которой полупроводниковый слой проводимости первого типа, активный слой и полупроводниковый слой проводимости второго типа, которая отличается от проводимости первого типа, расположены последовательно, и волноводную зону для направления луча света в направлении, перпендикулярном направлению ширины, посредством ограничения расхождения луча в направлении ширины. Волноводная зона включает зону первого волновода и зону второго волновода. В зоне первого волновода луч локализован внутри активного слоя вследствие разницы в показателе преломления между активным слоем и зонами на обеих сторонах посредством ограничения ширины активного слоя, и в зоне второго волновода луч локализован посредством обеспечения эффективной разницы в показателе преломления в активном слое. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к полупроводниковому лазерному устройству, имеющему сформированный полосковый гребень. В частности, данное изобретение относится к полупроводниковому лазерному устройству, в котором используются GaN, AlN, InN или полупроводниковое соединение нитридов элементов группы III-IV (In_bAl_dGa_1-b-dN, 0≤b, 0≤d, b+d<1), которое является кристаллом, представляющим смесь указанных соединений.

Уровень техники

В последнее время нитридные полупроводниковые лазерные устройства приобрели повышенный спрос для применения в системах с оптическими дисками, такими как DVD, которые обеспечивают запись и воспроизведение большого количества информации с большой плотностью. В соответствии с этим, были выполнены большие исследовательские работы в области нитридных полупроводниковых лазерных устройств. За счет способности выполнять колебания и излучать видимый свет в широком диапазоне от ультрафиолетового до красного предполагается широкое применение нитридных полупроводниковых лазерных устройств, например, в качестве источников света для лазерных принтеров оптических сетей, а также в системах с оптическими дисками.

В частности, были проведены различные исследования структуры лазерного устройства и были предложены многие структуры, которые обеспечивают предпочтительное управление поперечной модой. Среди них в качестве перспективной считается структура с гребенчатым волноводом и она используется в нитридных полупроводниковых лазерных устройствах, которые первыми были предложены на рынке.

Гребенчатая волноводная структура для полупроводникового лазерного устройства упрощает возбуждение лазерных колебаний за счет простой структуры, хотя вероятно изменение характеристики устройства во время массового производства. Это обусловлено тем, что характеристики изменяются при изменении размеров мезаполоски в случае гребенчатой волноводной структуры, в то время как точность размеров мезаполоски определяется точностью травления, и точность размеров мезаполоски не может быть выше точности травления. В случае изготовления полупроводникового лазерного устройства из полупроводникового материала, для которого вероятно значительное повреждение при травлении в активном слое или повреждение, обусловленное воздействием на поверхность активного слоя среды травления, характеристики лазера ухудшаются вследствие повреждения при травлении в активном слое или на поверхности активного слоя, когда полупроводниковое лазерное устройство волноводного типа с идеальным показателем преломления изготавливается посредством травления глубже, чем активный слой с образованием тем самым гребней. Поэтому такое полупроводниковое лазерное устройство необходимо изготавливать со структурой волноводного типа с показателем эффективного преломления, в которой полоски формируются на глубине, которая не достигает активного слоя. Однако в случае структуры волноводного типа с показателем эффективного преломления становятся значительными изменения характеристик устройства вследствие изменения указанной конфигурации полосок, что приводит к значительному разбросу характеристик во время массового производства.

Для использования нитридного полупроводникового лазерного устройства в указанных выше областях обязательно необходимо создать устройство, которое можно изготавливать в больших количествах со стабильным качеством.

Однако структура известных в настоящее время лазерных устройств является узким местом при формировании гребенчатого волновода. Это обусловлено тем, что во время формирования гребенчатого волновода посредством выращивания нитридного полупроводника, который образует устройство, а затем удаления части нитридного полупроводника с помощью травления верхнего слоя с созданием тем самым гребня, который образует волновод, точность травления имеет большое воздействие на характеристики лазерного устройства, полученного указанным образом. То есть, поскольку поперечная мода зависит от конфигурации, в частности высоты и ширины, гребня, который образует гребенчатый волновод, и тем самым определяется диаграмма направленности в дальней зоне лазерного луча, погрешность в управлении глубиной травления при формировании гребенчатого волновода является основным фактором, который непосредственно влияет на разброс характеристик устройства.

Для травления нитридного полупроводника известна технология сухого травления, такого как реактивное ионное травление, однако при этой технологии травления трудно управлять глубиной травления с такой точностью, чтобы полностью решить проблему изменения характеристик устройства.

В последние годы наблюдается тенденция к конструкции устройств, имеющих множество слоев, которые имеют толщину в несколько атомов, как в случае структуры со сверхрешеткой. Это также приводит к изменению характеристик устройств вследствие точности травления. В частности, при формировании слоев, которые образуют структуру устройства, слои формируют с очень большой точностью и трудно получить структуру устройства специальной конструкции путем формирования гребня или другой структуры с помощью технологии травления, имеющей точность ниже точности формирования пленки на несколько порядков, что является преградой для улучшения характеристик устройств.

Например, при формировании нитридного полупроводникового лазера, имеющего большую выходную мощность в структуре волноводного типа с показателем преломления, где гребенчатый волновод создан на активном слое без травления активного слоя, точностью глубины травления необходимо управлять так, чтобы удерживать эффективную разницу в показателе преломления между частью активного слоя точно под гребнем и другой частью активного слоя в пределах одной сотой. Для обеспечения такой точности гребень необходимо формировать с помощью травления, в то время как управление глубиной с точностью внутри 0,01 мкм до очень небольшой части плакировочного слоя р-типа остается, в случае, если слой точно над активным слоем является плакировочным слоем р-типа. С другой стороны, ширина гребенчатого волновода может иметь меньшую точность, однако его необходимо вытравливать с точностью 0,1 мкм.

Когда используется процесс реактивного ионного травления для травления нитридного полупроводника, то слой, экспонированный травлением, и его поверхность могут быть повреждены, что приводит к ухудшению характеристик устройства и надежности. Травление можно выполнять в процессе влажного травления, а также в процессе сухого травления, хотя раствор для влажного травления, который был бы применим к нитридным полупроводникам, не разработан.

Как указывалось выше, возможность массового производства нитридного полупроводникового лазерного устройства, имеющего большие функциональные возможности, с небольшим разбросом характеристик, сильно зависит от точности формирования гребенчатого волновода в процессе травления, и, что чрезвычайно важно, необходимо формировать гребенчатый волновод с высокой точностью.

С учетом указанного выше, изобретатели данного изобретения изобрели лазерное устройство, или устройство с излучением света из торцевой поверхности, и способ его изготовления, которое даже в случае полупроводникового лазерного устройства с полосковой структурой и несмотря на полупроводниковое лазерное устройство имеет резонатор с превосходными характеристиками колебаний и волноводными характеристиками, обеспечивает устойчивое управление поперечной модой и способно излучать лазерный луч с превосходной диаграммой направленности в дальней зоне, с небольшим разбросом характеристик устройств даже при массовом производстве.

Сущность изобретения

Задача данного изобретения может быть решена с помощью полупроводникового лазерного устройства, согласно данному изобретению, имеющего указанную ниже конструкцию.

Первое полупроводниковое лазерное устройство, согласно данному изобретению, содержит слоистый материал, состоящий из полупроводникового слоя проводимости первого типа, активного слоя и полупроводникового слоя проводимости второго типа, которая отличается от проводимости первого типа, которые расположены последовательно, с волноводной зоной, сформированной для направления светового луча в направлении, перпендикулярном направлению ширины, посредством ограничения распространения света в направлении ширины в активном слое и вблизи него, при этом волноводная зона имеет зону первого волновода и зону второго волновода, при этом зона первого волновода является зоной, где свет локализован внутри ограниченного активного слоя с помощью разницы показателя преломления между активным слоем и зонами на обеих сторонах активного слоя посредством ограничения ширины активного слоя, а зона второго волновода является зоной, где свет локализован в ней посредством обеспечения эффективной разницы в показателе преломления в активном слое.

В первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, выполненном указанным выше образом, поскольку волноводная зона имеет зону первого волновода, где свет заключен внутри активного слоя посредством обеспечения разницы показателя преломления между активным слоем и зонами на обеих сторонах активного слоя, колебания в поперечной моде могут быть подавлены более надежно в зоне первого волновода и за счет этого можно надежно управлять излучаемым лазерным лучом, имеющим превосходную диаграмму направленности в дальней зоне.

В первом полупроводниковом лазерном устройстве, который имеет зону второго волновода, созданную посредством формирования зоны, которая имеет высокий показатель эффективного преломления в активном слое, поскольку волновод можно формировать без экспонирования активного слоя, который служит в качестве волновода, непосредственно наружу во второй волновод, можно увеличить срок службы устройства и улучшить надежность. Таким образом, полупроводниковое лазерное устройство, согласно данному изобретению, имеет совместные признаки зоны первого волновода и зоны второго волновода.

В первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, активный слой в зоне первого волновода может быть выполнен посредством формирования первого гребня, который включает активный слой, за счет чего ограничивается ширина активного слоя, а зона, имеющая эффективно более высокий показатель преломления, можно создавать посредством формирования второго гребня в слое проводимости второго типа.

Кроме того, в первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, первый гребень может быть сформирован посредством травления обеих сторон первого гребня, пока не будет экспонирован слой проводимости первого типа, а второй гребень можно формировать посредством травления обеих сторон второго гребня, так что слой проводимости второго типа остается на активном слое.

В первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, толщина слоя проводимости второго типа, расположенного на активном слое на обеих сторонах второго гребня, предпочтительно составляет 0,1 мкм или менее, что обеспечивает возможность более надежного управления поперечной модой.

Кроме того, в первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, второй гребень предпочтительно длиннее первого гребня, что обеспечивает возможность дополнительного улучшения надежности.

Кроме того, в первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, зона первого волновода предпочтительно включает одну резонансную торцевую поверхность лазерного резонатора, что обеспечивает возможность получения лазерного луча с превосходной диаграммой направленности в дальней зоне.

Кроме того, в первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, предпочтительно использовать одну торцевую резонансную поверхность в качестве плоскости излучения света, что обеспечивает возможность получения лазерного луча с превосходной диаграммой направленности в дальней зоне.

В первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, длина зоны первого волновода предпочтительно равна 1 мкм или более.

Кроме того, в первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, полупроводниковый слой первого типа проводимости, активный слой и полупроводниковый слой второго типа проводимости можно формировать из нитридного полупроводника.

Кроме того, в первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, активный слой можно образовывать из нитридного полупроводникового слоя, который включает In, что обеспечивает возможность колебаний лазера в видимом диапазоне относительно коротких длин волн и в ультрафиолетовом диапазоне.

В первом полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, предпочтительно формировать изолирующие пленки на обеих сторонах первого гребня и на обеих сторонах второго гребня, при этом изолирующие пленки выполнены из материала, выбранного из группы, состоящей из оксидов Ti, V, Zr, Nb, Hf и Та и соединений SiN, BN, SiC и AlN.

Второе полупроводниковое лазерное устройство, согласно данному изобретению, содержит слоистый материал, который состоит из слоя проводимости первого типа, активного слоя и слоя проводимости второго типа, которая отличается от проводимости первого типа, расположенных последовательно, при этом зона полоскового волновода имеет, по меньшей мере, зону C₁ первого волновода, в которой создан полосковый волновод на основе показателя абсолютного преломления, и зону С₂ второго волновода, в которой создан полосковый волновод на основе показателя эффективного преломления, которые расположены в направлении резонатора. В этой конструкции, поскольку лазерное устройство, согласно данному изобретению, имеет зону С₂ второго волновода, имеющую превосходную надежность устройства, и зону C₁ первого волновода, имеющую превосходную управляемость поперечными колебаниями и отличные характеристики луча, то лазерное устройство объединяет обе эти характеристики, что обеспечивает возможность создания различных лазерных устройств в соответствии с применением без трудоемкой модификации конструкции устройства. В волноводе с показателем эффективного преломления полосковый гребень, сформированный в слое проводимости второго типа, расположенном на активном слое, обеспечивает возможность удерживания активного слоя в состоянии роста, так что волновод не ухудшается во время работы устройства, что обеспечивает превосходную надежность устройства. Кроме того, поскольку зона C₁ первого волновода, основанного на показателе преломления, создается в волноводе посредством травления глубже, чем активный слой, за счет чего образуется разница показателя преломления на обеих сторонах зоны волновода, то можно легко управлять поперечной модой. Это обеспечивается тем, что волновод лазерного устройства обеспечивает возможность простого изменения поперечной моды в волноводе. В данном описании волновод, который имеет зону первого волновода, в последующем называется волноводом с показателем полного преломления или волноводом с показателем абсолютного преломления для избежания путаницы с волноводом с показателем эффективного преломления.

Во втором полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, показатель абсолютного преломления зоны С₁ первого волновода обеспечивается с помощью полоскового гребня, который создается так, чтобы включать слой проводимости первого типа, активный слой и слой проводимости второго типа, а показатель эффективного преломления зоны С₂ второго волновода обеспечивается с помощью полоскового гребня, который создается в слое проводимости второго типа. При этой конструкции, поскольку зону С₁ первого волновода и зону С₂ второго волновода можно легко формировать в лазерном устройстве, то можно легко выполнять лазерные устройства с разными характеристиками с помощью простой конструкции.

Третье полупроводниковое лазерное устройство, согласно данному изобретению, содержит слоистый материал, который состоит из слоя проводимости первого типа, активного слоя и слоя проводимости второго типа, которая отличается от проводимости первого типа, расположенных последовательно, и снабжен волноводной зоной полосковой конфигурации, при этом волноводная полосковая зона имеет, по меньшей мере, зону второго волновода, где часть слоя проводимости второго типа удалена и создан полосковый гребень в слое проводимости второго типа, и зону C₁ первого волновода, где части слоя проводимости второго типа, активный слой и слой проводимости первого типа удалены и создан полосковый гребень в слое проводимости первого типа, которые расположены в направлении резонатора. При такой конструкции, поскольку зона полоскового волновода состоит из зоны (зоны С₁ первого волновода), где часть активного слоя удалена, и зоны (зоны С₂ второго волновода), где активный слой не удален, то повреждение активного слоя, обусловленное удалением, может ограничиваться внутри части волновода, что улучшает надежность устройства. Для полупроводникового материала, который сильно подвергается повреждению, уменьшению надежности и характеристик устройства, обусловленным частичным удалением активного слоя, можно создать лазерное устройство, имеющее желаемые надежность и характеристики, посредством выбора доли зоны C₁ первого волновода, поскольку зона C₁ первого волновода создается только частично. Кроме того, посредством изменения длины (пропорции создаваемого волновода) и положения зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода можно легко создавать лазерные устройства с разными характеристиками, и в частности, лазерные устройства, имеющие желаемые характеристики луча.

Во втором и третьем полупроводниковом лазерном устройстве зона C₁ первого волновода и зона C₂ второго волновода могут быть также выполнены посредством удаления части слоистой структуры и формирования гребенчатого волновода, содержащего полосковый гребень. При этой конструкции можно изготавливать лазерные устройства с гребенчатой волноводной структурой, содержащей полосковый гребень, с различными характеристиками.

Во втором и третьем полупроводниковом лазерном устройстве предпочтительно выполнять полоску зоны С₂ второго волновода длиннее, чем зоны C₁ первого волновода. При этой конструкции можно изготавливать лазерное устройство, имеющее превосходную надежность, из полупроводникового материала, который претерпевает большее ухудшение вследствие формирования зоны C₁ первого волновода, например, из полупроводникового материала, который повреждается, когда часть активного слоя удаляется или подвергается воздействию атмосферы.

Кроме того, во втором и третьем полупроводниковом лазерном устройстве предпочтительно формировать, по меньшей мере, одну из торцевых резонансных поверхностей полупроводникового лазерного устройства на конце зоны С₁ первого волновода. При такой конструкции посредством образования зоны C₁ первого волновода, имеющей превосходную управляемость поперечной модой, на одной из торцевых резонансных поверхностей можно более эффективно управлять направлением света, чем в случае создания зоны C₁ первого волновода в другом месте, что обеспечивает возможность получения лазерных устройств, имеющих различные характеристики.

Кроме того, во втором и третьем полупроводниковом лазерном устройстве торцевая резонансная поверхность, сформированная на конце зоны C₁ первого волновода, предпочтительно является плоскостью излучения света. При этой конструкции за счет создания зоны C₁ первого волновода, которая имеет превосходную управляемость поперечной модой в плоскости излучения лазерного луча, можно непосредственно управлять характеристиками лазера и получать лазерное устройство, имеющее желаемую диаграмму направленности в дальней зоне и коэффициент формы лазерного луча.

Кроме того, во втором и третьем полупроводниковом лазерном устройстве длина полоски зоны C₁ первого волновода, которая имеет торцевую резонансную поверхность на своем конце, предпочтительно составляет 1 мкм или более. При этой конструкции обеспечивается более надежное управление диаграммой направленности в дальней зоне и коэффициентом формы лазерного луча и можно получать лазерные устройства с меньшим разбросом характеристик.

Второе и третье полупроводниковое лазерное устройство может быть создано также с использованием нитридного полупроводника в слое проводимости первого типа, активном слое и слое проводимости второго типа. Эта конструкция обеспечивает возможность создания лазерных устройств, имеющих различные характеристики, из нитридного полупроводника, в котором трудно создавать скрытую структуру повторно выращиваемого слоя с помощью ионной имплантации. Поскольку срок службы устройства значительно сокращается, когда часть активного слоя удаляется посредством травления или т.п. в нитридном полупроводнике, то трудно создать коммерческое лазерное устройство, содержащее волновод с показателем полного преломления, в котором часть активного слоя удалена. Однако, поскольку одна часть волновода образована зоной C₁ первого волновода, то можно создавать лазерные устройства, имеющие превосходную управляемость поперечной модой при одновременном обеспечении несокращения срока службы.

Во втором и третьем полупроводниковом лазерном устройстве активный слой может также состоять из нитридного полупроводникового лазера, который включает In. При этой конструкции можно создавать лазерное устройство, которое работает в диапазоне волн от ультрафиолетового до видимого света.

Кроме того, во втором и третьем полупроводниковом лазерном устройстве зона C₁ первого волновода может включать нитридный полупроводник n-типа, а зона С₂ второго волновода может включать нитридный полупроводник p-типа.

Кроме того, во втором и третьем полупроводниковом лазерном устройстве зона C₂ второго волновода предпочтительно имеет плакировочный слой р-типа, который включает нитридный полупроводник p-типа, а полосковый гребень зоны второго волновода сформирован при сохранении толщины плакировочного слоя p-типа менее 0,1 мкм. При такой конструкции можно изготавливать лазерное устройство, имеющее небольшой пороговый ток и превосходную управляемость поперечной модой. В данном случае глубина плакировочного слоя p-типа относится к расстоянию между экспонированной поверхностью плакировочного слоя p-типа в зоне, где не образован гребень, и границей раздела со смежным слоем ниже плакировочного слоя p-типа, и "выше активного слоя" означает место над границей раздела между активным слоем и смежным слоем, расположенным выше. То есть, в случае, когда активный слой и плакировочный слой p-типа создаются в контакте друг с другом, то экспонированная поверхность, упомянутая выше, формируется в глубине плакировочного слоя p-типа, где он сохраняет толщину более 0 и в пределах 0,1 мкм. В случае, когда между активным слоем и плакировочным слоем p-типа предусмотрен направляющий слой или т.п., как в случае первого варианта выполнения, описание которого будет приведено ниже, упомянутая экспонированная поверхность формируется выше границы раздела между активным слоем и смежным слоем, расположенным выше, и ниже глубины в плакировочном слое p-типа, где он сохраняет толщину 0,1 мкм, или в слое между активным слоем и плакировочным слоем p-типа.

Второе и третье полупроводниковые лазерные устройства могут иметь также конструкцию, в которой нитридный полупроводник является экспонированным на боковых поверхностях полоскового гребня зоны C₁ первого волновода и на боковых поверхностях зоны С₂ второго волновода, изолирующая пленка предусмотрена на боковой поверхности полоскового гребня, и изолирующая пленка выполнена из материала, выбранного из группы, состоящей из оксидов, по меньшей мере, одного элемента, выбранного из Ti, V, Zr, Nb, Hf и Та и, по меньшей мере, одного вида соединений SiN, BN, SiC и AlN. При такой конструкции может быть обеспечена удовлетворительная разница показателя преломления в полосковом гребне нитридного полупроводникового лазерного устройства и можно изготавливать лазерные устройства, имеющие зону полоскового волновода с превосходной управляемостью поперечной модой.

Во втором и третьем полупроводниковом лазерном устройстве ширина полоскового гребня предпочтительно находится в пределах от 1 мкм до 3 мкм. При такой конструкции можно формировать зону полоскового волновода с превосходной управляемостью поперечной модой внутри волноводного слоя в зоне C₁ первого волновода и в зоне C₂ второго волновода, что обеспечивает возможность создания лазерного устройства без излома в характеристике зависимости выходной оптической мощности от тока.

Способ изготовления полупроводникового лазерного устройства, согласно данному изобретению, обеспечивает решение задачи данного изобретения описанным ниже образом.

Способ изготовления полупроводникового лазерного устройства, согласно данному изобретению, содержит процесс создания слоистой конструкции, в котором создают расположенные по порядку слой проводимости первого типа, активный слой и слой проводимости второго типа с использованием нитридного полупроводника для формирования слоистого материала, процесс формирования первой защитной пленки полосковой конфигурации после формирования слоистого материала, первый процесс травления, в котором слоистый материал подвергают травлению в той части, где не сформирована первая защитная пленка, за счет чего формируют полосковый гребень в слое проводимости второго типа, второй процесс травления, в котором формируют третью защитную пленку через первую защитную пленку на части поверхности, которая была экспонирована в первом процессе травления, и подвергают слоистый материал травлению в части, где не была сформирована третья защитная пленка, за счет чего создают полосковый гребень в слое проводимости первого типа, процесс, в котором формируют вторую защитную пленку, имеющую изолирующее свойство и выполненную из материала, отличающегося от первой защитной пленки, на боковой поверхности полоскового гребня и на поверхности нитридного полупроводника, экспонированной при травлении, и процесс удаления первой защитной пленки после формирования второй защитной пленки.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображено:

фиг.1А - конструкция лазерного устройства, согласно варианту выполнения данного изобретения, в изометрической проекции;

фиг.1В - разрез зоны второго волновода лазерного устройства, согласно варианту выполнения;

фиг.1С - разрез зоны первого волновода лазерного устройства, согласно варианту выполнения;

фиг.2А - разрез перед формированием гребня в лазерном устройстве, согласно уровню техники;

фиг.2А - разрез после формированием гребня в лазерном устройстве, согласно уровню техники;

фиг.2С - деталь, обозначенная позицией "а" на фиг.2В, в увеличенном масштабе;

фиг.2D - деталь, обозначенная позицией "b" на фиг.2В, в увеличенном масштабе;

фиг.3А - конструкция слоев в лазерном устройстве, согласно варианту выполнения данного изобретения, в изометрической проекции, и фиг.3В - то же на виде сбоку;

фиг.4А - вариант выполнения лазерного устройства, согласно изобретению, на виде сбоку;

фиг.4В - другой вариант выполнения лазерного устройства, согласно изобретению, на виде сбоку;

фиг.5А-5D - процесс формирования гребня лазерного устройства, согласно данному изобретению, в изометрической проекции;

фиг.5Е - разрез части, где следует формировать зону второго волновода, согласно фиг.5С;

фиг.5F - разрез части, где следует формировать зону второго волновода, согласно фиг.5D;

фиг.6А-6С - процесс формирования гребня лазерного устройства, согласно данному изобретению, с помощью способа, отличного от способа, показанного на фиг.5А-5D, в изометрической проекции;

фиг.7А-7D - процесс формирования электродов в лазерном устройстве, согласно данному изобретению, в изометрической проекции;

фиг.8 - разрез зоны второго волновода в лазерном устройстве, согласно первому варианту выполнения данного изобретения;

фиг.9 - разрез зоны первого волновода в лазерном устройстве, согласно первому варианту выполнения данного изобретения;

фиг.10 - график коэффициента приемки в зависимости от глубины травления в лазерном устройстве с показателем эффективного преломления;

фиг.11 - график тока возбуждения в зависимости от глубины травления в лазерном устройстве с показателем эффективного преломления;

фиг.12 - график срока службы в зависимости от глубины травления в лазерном устройстве с показателем эффективного преломления;

фиг.13А - лазерное устройство, согласно шестому варианту выполнения данного изобретения, в изометрической проекции;

фиг.13В - разрез лазерного устройства, согласно шестому варианту выполнения данного изобретения;

фиг.14А - лазерное устройство, согласно седьмому варианту выполнения данного изобретения, в изометрической проекции;

фиг.14В - разрез лазерного устройства, согласно седьмому варианту выполнения данного изобретения;

фиг.14С - разрез зоны первого волновода в лазерном устройстве, согласно седьмому варианту выполнения данного изобретения;

фиг.15А - лазерное устройство, согласно восьмому варианту выполнения данного изобретения, в изометрической проекции;

фиг.15В - разрез лазерного устройства, согласно восьмому варианту выполнения данного изобретения;

фиг.16А-16D - способ изготовления лазерного устройства, согласно данному изобретению, с использованием устройств, сформированных на кристаллической пластине, в изометрической проекции;

фиг.17А и 17В - разрезы, показывающие место разрезания, согласно способу изготовления лазерного устройства, согласно данному изобретению;

фиг.18 - схема формирования отражательной пленки в соответствии со способом изготовления лазерного устройства, согласно данному изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Ниже приводится описание предпочтительных вариантов выполнения полупроводникового лазерного устройства, согласно данному изобретению, со ссылками на прилагаемые чертежи.

Полупроводниковое лазерное устройство, согласно варианту выполнения данного изобретения, имеет зону C₁ первого волновода и зону С₂ второго волновода в виде зоны полоскового волновода, как показано на фиг.1А.

Зона C₁ первого волновода является волноводной зоной, где сформирован гребень (первый гребень 201), включающий активный слой 3, и создана разница в показателе преломления между активной зоной 3 и зонами (в данном случае в атмосфере), расположенными на обеих сторонах от него, как показано на фиг.1С, для того чтобы локализовать свет внутри активного слоя 3. В данном описании волноводная зона, где заключен свет за счет создания разницы в показателе преломления между активным слоем и зонами на обеих сторонах от него, называются волноводом с показателем полного преломления.

Зона С₂ второго волновода является волноводной зоной, где сформирован гребень (второй гребень 202) в полупроводниковом слое, расположенном на активном слое, так что показатель эффективного преломления активного слоя 3, расположенного ниже второго гребня 202, выполнен более высоким, чем показатель преломления активного слоя, расположенного на обеих сторонах его, как показано на фиг.1В, за счет чего свет локализуется внутри активного слоя 3, имеющего более высокий показатель эффективного преломления. В данном описании волноводная зона, где заключен свет за счет создания эффективной разницы в показателе преломления между активным слоем и зонами на обеих сторонах от него, называется волноводом с показателем эффективного преломления.

Полупроводниковый лазер, согласно данному изобретению, характеризуется волноводом с показателем полного преломления и волноводом с показателем эффективного преломления, предусмотренными в волноводе.

В частности, зона С₂ второго волновода выполнена посредством формирования слоистого материала, состоящего из слоя проводимости первого типа, активного слоя и слоя проводимости второго типа, которая отличается от проводимости первого типа, расположенных последовательно друг над другом, и формирования второго полоскового гребня 202 на слое 2 проводимости второго типа до такой глубины, чтобы не достичь активного слоя, и зона C₁ первого волновода выполнена посредством формирования первого полоскового гребня 201, включающего части слоя 2 проводимости второго типа, активного слоя 3 и слоя 1 проводимости первого типа.

Согласно данному изобретению, за счет наличия зоны C₁ первого волновода и зоны C₂ второго волновода, указанных выше, можно получать полупроводниковые лазерные устройства с различными характеристиками. В полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, волновод, имеющий зону C₁ первого волновода и зону C₂ второго волновода, можно формировать в различных видах, как показано на фиг.3 и 4. На фиг.3А показан частичный разрез в изометрической проекции лазерного устройства со структурой, в которой полосковый гребень сформирован посредством удаления слоистого материала. На фиг.3В показан разрез при рассмотрении в направлении стрелки на фиг.3А. На фиг.4А и 4В показана структура волновода, отличающаяся от структуры, показанной на фиг.3.

Согласно данному изобретению, как показано на фиг.3 и 4, можно использовать различные конструкции, в которых зона C₁ первого волновода и зона С₂ второго волновода расположены в разных положениях в направлении резонатора (в продольном направлении полоскового гребня). Полупроводниковый лазер, согласно данному изобретению, может иметь также волноводную зону, отличную от зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода. Например, волноводная зона 203, отличная от зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода, может быть предусмотрена между зоной C₁ первого волновода и зоной C₂ второго волновода, как показано на фиг.4А. На фиг.3 показана структура в виде зоны C₁ первого волновода, включающей одну из торцевых резонансных поверхностей резонатора, и зоны C₂ второго волновода, включающей другую торцевую резонансную поверхность. На фиг.4А показано полупроводниковое устройство, имеющее структуру, в которой первый гребень 201, который составляет зону C₁ первого волновода, и второй полосковый гребень 202, который составляет зону С₂ второго волновода, соединены волноводной зоной 203, которая сформирована с наклоном относительно вертикального направления (перпендикулярного направлению резонатора). Таким образом, зона C₁ первого волновода и зона С₂ второго волновода могут быть образованы либо по существу непрерывно в направлении резонатора, как показано на фиг.3, либо с другой зоной, расположенной между ними, как показано на фиг.4А.

Согласно данному изобретению, не обязательно, чтобы ширина первого гребня 201 и ширина второго гребня 202 были по существу одинаковыми. Например, в случае, когда боковая поверхность каждого гребня образована с наклоном, как показано на фиг.1 и 3, то ширина у основания первого гребня 201, предусмотренного для образования зоны C₁ первого волновода, и ширина у основания второго гребня 202, предусмотренного для образования зоны С₂ второго волновода, становятся неизбежно отличающимися друг от друга. Боковая поверхность первого гребня и боковая поверхность второго гребня предпочтительно лежат в одной плоскости. В то время как полосковые гребни, показанные на фиг.1 и 3, сформированы с обычной мезаструктурой, где боковые поверхности наклонены так, что ширина уменьшается от основания к вершине, гребень может быть также сформирован с перевернутой мезаструктурой, где ширина увеличивается от основания к вершине, и кроме того, обе боковые поверхности мезаструктуры могут быть наклонены либо одинаковым, либо противоположным образом.

Ширина верхней поверхности первого гребня 201 и ширина верхней поверхности второго гребня 202 могут быть разными. Кроме того, ширина первого гребня 201 и ширина второго гребня 202 в горизонтальном поперечном сечении могут быть различными, например прерывисто изменяться на границе первого гребня 201 и второго гребня 202.

Структура резонатора

В полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, полосковый волновод выполнен посредством удаления части слоистой структуры и образования гребня. То есть, как показано на фиг.1 и 3, резонатор имеет такую структуру, в которой полосковый гребень сформирован посредством удаления обеих сторон части, которая должна стать гребнем, с помощью травления или других средств в слоистом материале, состоящем из слоя 1 проводимости первого типа, активного слоя 3 и слоя 2 проводимости второго типа, которые подходят для так называемого лазерного устройства с гребенчатым волноводом. Согласно данному изобретению, поскольку, по меньшей мере, зона C₁ первого волновода и зона C₂ второго волновода созданы с помощью полоскового гребня, то можно улучшить характеристики луча и, в частности, можно управлять диаграммой направленности в дальней зоне с желаемой формой от эллиптической до настоящей круговой, так что можно получать различные лазерные устройства, имеющие различные характеристики. Полосковый гребень не ограничивается обычной мезаструктурой, показанной на фиг.1 и 3, и может быть сформирован в виде перевернутой мезаструктуры или в виде полосок, имеющих вертикальные боковые поверхности. То есть, форму гребня можно изменять в соответствии с требуемыми характеристиками лазера.

Кроме того, в полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, гребень может быть заглублен посредством повторного выращивания кристалла на обеих сторонах гребня после формирования полосковых гребней 201, 202 при создании зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода.

Как указывалось выше, поскольку данное изобретение предполагает наличие полосковой волноводной структуры, имеющей полосковый гребень, то не только обеспечивается возможность изготовления с низкой стоимостью, но также возможность изготовления лазерных устройств, имеющих различные характеристики, посредством расположения в волноводе зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода в различных комбинациях. Например, поскольку обеспечивается возможность управления характеристиками лазера, то можно обеспечивать удовлетворительную диаграмму направленности в дальней зоне без использования корректирующих линз или т.п.

В лазерном устройстве, согласно данному изобретению, первый и второй полосковые гребни 201, 202, созданные в зоне C₁ первого волновода и зоне С₂ второго волновода, имеют конфигурацию, показанную на фиг.1В и 1С.

Данное изобретение применимо также к устройствам, не являющимся лазерным колебательным устройством, например к устройствам, излучающим свет с торцевой поверхности, таким как светоизлучающие диоды. Устройство, имеющее показанную на фиг.1 конструкцию, может работать в качестве светоизлучающего диода посредством возбуждения устройства ниже уровня колебаний, и устройство может излучать свет из торцевой поверхности без получения лазерных колебаний посредством отклонения волновода из направления, которое перпендикулярно торцевой поверхности, вместо выполнения волновода, перпендикулярного торцевой поверхности.

Слоистая структура

Ниже приводится подробное описание структуры слоистого материала, состоящего из слоя проводимости первого типа, активного слоя и слоя проводимости второго типа, предусмотренных в полупроводниковом устройстве, согласно этому варианту выполнения.

В полупроводниковом устройстве, согласно данному варианту выполнения, как показано на фиг.1, плакировочные слои 5, 7 образованы в слое 1 проводимости первого типа и в слое 2 проводимости второго типа, соответственно, и свет локализован в направлении толщины посредством расположения активного слоя 3 между плакировочными слоями 5, 7. Таким образом, образуется волноводная зона внутри слоистого материала, где свет локализован в направлении ширины (перпендикулярно направлению толщины или перпендикулярно направлению резонанса) с помощью гребня, а также свет локализован в направлении ширины с помощью плакировочных слоев 5, 7. В полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, можно использовать различные типы полупроводниковых материалов, известных из уровня техники, такие как материалы, основанные, например, на GaAlAs, InGaAsP и GaAlInN.

В полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, полосковая волноводная зона сформирована в соответствии с гребнем в активной зоне между слоем проводимости первого типа и слоем проводимости второго типа и вблизи него, в то время как продольное направление полоски и направление распространения света являются по существу идентичными. То есть, хотя полосковая волноводная зона выполнена в основном из активного слоя, в котором локализован свет, часть света направляется с рассеянием вблизи него, и поэтому между активным слоем и плакировочным слоем может быть выполнен направляющий слой, так что зона, включающая направляющий слой, может использоваться в качестве оптического волноводного слоя.

Зона С₂ второго волновода

Зона C₂ второго волновода, согласно данному изобретению, является зоной, предусмотренной в качестве волновода с показателем эффективного преломления в волноводе полупроводникового лазерного устройства. А именно, полосковый гребень 201 образован в слое 2 проводимости второго типа, расположенном на активном слое 3 слоистого материала, и полосковая волноводная зона сформирована посредством обеспечения эффективной разницы в показателе преломления в направлении плоскости (в направлении ширины) активного слоя.

В лазерном устройстве с показателем эффективного преломления, согласно уровню техники, в котором волновод состоит только из зоны С₂ второго волновода, полосковый гребень 202 сформирован посредством травления с использованием маски 20 после формирования полупроводниковых слоев, как показано на фиг.2. Поскольку полосковый гребень 202 сформирован посредством травления до глубины, которая не достигает активного слоя для обеспечения эффективной разницы в показателе преломления в активном слое (волноводном слое), то характеристики устройства значительно изменяются в зависимости от ширины Sw полоски, высоты Sh₁ гребня (глубины полоски) и расстояния Sh₂ между поверхностью, подвергаемой травлению, и верхней плоскостью активного слоя, как показано на фиг.2В. Эти факторы приводят к значительному разбросу характеристик устройств во время их изготовления. То есть, разброс характеристик устройств обуславливаются непосредственно погрешностью Hd высоты гребня (ширины полоски) и погрешностью Wd ширины полоски в соответствии с точностью травления, показанного на фиг.2С и 2D. Это объясняется тем, что волноводная зона, сформированная в активном слое (волноводном слое), выполнена посредством использования эффективной разницы в показателе преломления относительно гребня 202 с помощью полоскового гребня 202, созданного в активном слое (волноводном слое), и поэтому конфигурация гребня имеет значительное влияние на эффективную разницу в показателе преломления. Погрешность Hd высоты гребня является также погрешностью расстояния между поверхностью, подвергнутой травлению, и верхней плоскостью активного слоя. Когда расстояние Sh₂ между верхней плоскостью активного слоя и поверхностью, подвергаемой травлению, слишком большое, то эффективная разница в показателе преломления становится меньше, что приводит к значительному влиянию на характеристики устройства, такие как недостаточная локализация света. Как указывалось выше, поскольку показатель эффективного преломления зависит от расстояния Sh₂ между поверхностью, подвергаемой травлению, и верхней плоскостью активного слоя, то изменения в расстоянии вызывают изменения показателя эффективного преломления.

На фиг.10, 11 и 12 показана доля изделий, прошедших проверку глубины травления, тока возбуждения и срока службы для лазерного устройства с показателем эффективного преломления, согласно уровню техники. Как следует из указанных фигур, характеристики лазерного устройства являются весьма чувствительными к глубине травления.

В полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, поскольку зона С₂ второго волновода, сформированная посредством травления до глубины, которая не достигает активного слоя, создана в виде части волновода, то исключается повреждение травлением активного слоя в зоне С₂ второго волновода, и поэтому можно улучшить надежность устройства. В случае применения материала, который вызывает значительное изменение характеристик устройства при воздействии атмосферы на активный слой, создание зоны С₂ второго волновода обеспечивает возможность исключения ухудшения надежности устройства.

Зона C₁ первого волновода

Согласно данному изобретению, лазерные устройства с различными характеристиками можно легко изготавливать посредством формирования зоны C₁ первого волновода дополнительно к зоне С₂ второго волновода в виде полосковой волноводной зоны, как указывалось выше. Это обеспечивается за счет превосходной управляемости поперечной моды зоны C₁ первого волновода, которая выполняется посредством формирования полоскового гребня 201, который включает части активного слоя и слоя 1 проводимости первого типа в слоистой структуре.

В зоне C₁ первого волновода, поскольку свет локализован за счет действительной разницы в показателе преломления между активным слоем и зонами, расположенными на обеих его сторонах, с помощью ограничения ширины активного слоя первым гребнем, то обеспечивается возможность более эффективной локализации света.

Таким образом, обеспечивается возможность надежного подавления ненужной поперечной моды колебаний и более эффективного управления поперечной модой.

Согласно данному изобретению, как указывалось выше, за счет создания зоны C₁ первого волновода, имеющей превосходную управляемость поперечной модой в волноводной зоне, подавляется ненужная поперечная мода колебаний в зоне C₁ первого волновода, что улучшает управляемость поперечной модой всего устройства и обеспечивает возможность простого изготовления лазерных устройств с различными характеристиками луча.

С помощью лазерного устройства, согласно данному изобретению, можно легко обеспечивать лазерный луч желаемой конфигурации посредством формирования зоны C₁ первого волновода на одном конце с включением резонансной торцевой поверхности лазерного резонатора. Другими словами, предпочтительно выполнять лазерную резонансную торцевую поверхность 4 так, чтобы она соответствовала торцевой поверхности зоны C₁ первого волновода, как показано на фиг.3В, 4А и 4В. Это объясняется тем, что когда зона вблизи резонансной торцевой поверхности включена в зону C₁ первого волновода, то поперечной модой света можно управлять перед и после отражения на резонансной торцевой поверхности, так что управление поперечной модой осуществляется в волноводе более эффективно, чем в случае создания в другой зоне.

Кроме того, согласно данному изобретению, можно получать лазерное устройство, имеющее превосходные характеристики луча, такие как диаграмма направленности в дальней зоне и коэффициент формы лазерного луча, с использованием торцевой поверхности зоны C₁ первого волновода в качестве лазерной резонансной торцевой поверхности и использования лазерной резонансной торцевой поверхности в качестве плоскости излучения света. Это объясняется тем, что при этой конструкции за счет создания зоны C₁ первого волновода на плоскости излучения лазерного луча, обеспечивается возможность более легкого управления поперечной модой в зоне C₁ первого волновода, так что можно легко управлять характеристиками луча. В случае, когда зона C₁ первого волновода состоит из первого полоскового гребня 201, как показано на фиг.3, 4, можно легко управлять поперечной модой и можно получать желаемые характеристики луча с высокой точностью посредством регулирования ширины полоски первого гребня 201.

Длина зоны C₁ первого волновода, созданной в плоскости излучения света, может равняться, по меньшей мере, одной длине волны излучаемого лазером света, хотя предпочтительной является длина, в несколько раз превышающая длину волны с учетом функции управления поперечной модой колебаний, что обеспечивает возможность получения желаемых характеристик луча.

А именно, предпочтительно выполнять зону C₁ первого волновода с длиной 1 мкм или длиннее, что обеспечивает удовлетворительное управление поперечной модой. Что касается процесса изготовления, то предпочтительно формировать зону первого волновода с длиной 5 мкм или более, поскольку при этой длине полосковый гребень 201 можно формировать с большей точностью.

Ширина активного слоя (длина в направлении, перпендикулярном направлению резонатора) может составлять 10 мкм. Предпочтительно 50 мкм или более, и более предпочтительно 100 мкм или более. При такой конструкции, поскольку пара из положительного и отрицательного электродов расположены напротив друг друга через подложку, то ширина активного слоя становится эквивалентом ширины кристалла. В конструкции, в которой пара из положительного и отрицательного электродов предусмотрена на одной стороне подложки, поверхность экспонируется для формирования электродов в слое проводимости первого типа, длина является шириной кристалла за вычетом ширины части, которую удаляют для формирования экспонированной поверхности.

Конструкция волновода

Лазерное устройство, согласно данному изобретению, характеризуется полосковой волноводной зоной, имеющей, по меньшей мере, зону C₁ первого волновода и зону C₂ второго волновода, так чтобы можно было легко модифицировать характеристики лазерного устройства посредством изменения расположения волноводных зон в резонаторе без модификации сложной конструкции устройства. А именно, посредством расположения зоны C₁ первого волновода на резонансной торцевой поверхности, как указывалось выше, можно легко управлять характеристиками луча и легко получать желаемые характеристики. Кроме того, за счет выбора доли волновода, занимаемой зоной C₁ первого волновода, в которой экспонированная боковая поверхность активного слоя меньше, чем в зоне С₂ второго волновода, можно изготавливать лазерное устройство с высокой надежностью. Это объясняется тем, что долю активного слоя, не поврежденную травлением, можно увеличить путем создания большей зоны C₂ второго волновода в волноводе. В результате, можно увеличить срок службы устройства и уменьшить разброс величин срока службы среди устройств.

Хотя лазерное устройство, согласно данному изобретению, имеет, по меньшей мере, зону C₁ первого волновода и зону C₂ второго волновода в качестве волновода, может быть предусмотрена волноводная зона, отличающаяся от зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода. Например, можно использовать плоскую поверхность 203, сформированную с наклоном между зоной C₁ первого волновода и зоной C₂ второго волновода, как показано на фиг.4А. Таким образом, дополнительно к зоне C₁ первого волновода и зоне С₂ второго волновода может быть предусмотрен волновод, отличающийся от них. Кроме того, зона C₁ первого волновода и зона С₂ второго волновода могут быть предусмотрены каждая в волноводе, или же могут быть предусмотрены во множестве, как показано на фиг.4В. Кроме того, между зоной C₁ первого волновода и зоной С₂ второго волновода может быть не предусмотрено ничего, как показано на фиг.3 и 4В, или же может быть предусмотрен наклон, противоположный показанному на фиг.4А, так что зона C₁ первого волновода и зона С₂ второго волновода частично накладываются друг на друга.

Лазерное устройство, согласно данному изобретению, может также иметь конструкцию, в которой дополнительно к зоне C₁ первого волновода и зоне С₂ второго волновода образована зона С₃ третьего волновода, так что боковая поверхность активного слоя 204 (боковая поверхность волноводного слоя) наклонена относительно направления резонатора. На фиг.13А схематично показана структура устройства в изометрической проекции, а на фиг.13В - в разрезе, показывающем часть вблизи соединения между верхним плакировочным слоем 7 и активным слоем 3. В этой конструкции зона С₃ третьего волновода совместно использует полосковый гребень 202 на плакировочном слое 7 с зоной C₂ второго волновода, а торцевая поверхность 204 (боковая поверхность) выполнена в наклонной конфигурации. В лазерном устройстве, имеющем указанную конструкцию, свет, направляемый боковой поверхностью 204, можно отражать полностью посредством выбора угла α между направлением АА резонатора и направлением ВВ боковой поверхности активного слоя, как показано на фиг.13В, что обеспечивает возможность направления света в зону C₁ первого волновода с полосковой конструкцией. А именно, когда угол α равен 70° или меньше, то угол падения света в направлении АА резонатора на торцевой поверхности 204 может быть равен 20° или больше, так что может быть обеспечено полное отражение. Таким образом, угол α можно устанавливать в пределах от 0° до 70° в соответствии с применением. Например, когда угол α равен 20° или меньше, то угол падения света в направлении АА резонатора на торцевой поверхности 204 может быть выбран равным 70° или более, что обеспечивает полное отражение без потерь. В зоне С₂ второго волновода, хотя полосковая волноводная зона образована с использованием эффективной разницы в показателе преломления в активном слое (волноводном слое), существует свет, который направляется наружу волноводной зоны, и тем самым часть света отражается на торцевой поверхности зоны С₂ второго волновода.

В этом случае, когда увеличивается потеря света, то уменьшается выходная мощность, что приводит к уменьшению эффективности зависимости выходной оптической мощности от тока. Когда зона С₂ второго волновода шире зоны C₁ первого волновода, то создание зоны С₃ третьего волновода между зоной С₂ второго волновода и зоной C₁ первого волновода уменьшает потери света, обеспечивая тем самым возможность удовлетворительного направления света в место стыка с зоной C₁ первого волновода, как показано на фиг.13.

В лазерном устройстве, согласно данному изобретению, полосковые гребни 201, 202, которые образуют зону C₁ первого волновода и зону С₂ второго волновода, могут иметь разную ширину. Можно получать лучи с разными коэффициентами формы посредством изменения ширины полосок. Поэтому первый гребень и второй гребень можно создавать с шириной, соответствующей применению лазерного устройства, согласно данному изобретению. В то время как небольшая ширина требует точности в управлении шириной, она обеспечивает такие характеристики, как почти точный круг в диаграмме направленности в дальней зоне, или же обеспечивает возможность изменения расхождения луча в соответствии с шириной. А именно, когда ширина постепенно уменьшается в части 205 зоны С₂ второго волновода, как показано, например, на фиг.15, то ширина полоски в месте стыка с зоной C₁ первого волновода может равняться ширине S_W2 полоски, что обеспечивает возможность выделения лазерного луча с разными модами в соответствии с шириной зоны C₁ первого волновода. На фиг.15 показана часть, где ширина зоны С₂ второго волновода постепенно уменьшается, в виде зоны С₃ третьего волновода.

Как показано на фиг.15, для образования зоны С₂ второго волновода создан первый гребень 202, имеющий ширину S_W1 больше ширины Sw₂ полоски первого гребня, который образует зону C₁ первого волновода, что обеспечивает создание волновода, который подвержен меньшему изменению характеристик при изменении показателя эффективного преломления. Одновременно в зоне С₃ третьего волновода создана зона 205, имеющая ширину полоски, наклоненную в волноводе, для плавного соединения волноводных зон с разной шириной полосок, что минимизирует потери в месте стыка. Гребень для образования зоны С₃ третьего волновода может быть создан над активной зоной, как показано на фигуре, или на глубине, достигающей слоя первой проводимости посредством травления аналогично зоне C₁ первого волновода или в положении, расположенном между ними.

Полосковый гребень для образования первой и второй волноводных зон, согласно данному изобретению, может быть сформирован с разными конфигурациями, например, с сужающейся конфигурацией, где ширина полоски изменяется в направлении полоски (в продольном направлении полоски). А именно, как показано в первом варианте выполнения на фиг.15, в волноводной структуре, имеющей зону C₁ первого волновода, расположенную на излучающем свет конце, зону С₂ второго волновода, имеющую большую ширину полоски, можно формировать с такой конфигурацией, чтобы ширина полоски уменьшалась в направлении более узкой зоны C₁ первого волновода, что уменьшает световой волновод к месту стыка обеих частей. Такая сужающаяся полоска может быть сформирована частично как полоска каждой волноводной зоны, или же сформирована с сужающейся конфигурацией по всей длине полоски, или же с конфигурацией, имеющей множество сужающихся полосок, имеющих ширину, которая уменьшается в направлении их обоих концов.

Полоска в нитридном полупроводнике

Ниже приводится описание полупроводникового лазерного устройства, согласно данному изобретению, состоящему из полупроводников проводимости первого типа и проводимости второго типа и активного слоя, выполненного из нитридного полупроводника.

Нитридный полупроводник, используемый в лазерном устройстве, согласно данному изобретению, может быть GaN, AlN или InN или смешанным из них кристаллом, а именно полупроводником нитридов элементов группы III-IV (In_bAl_dGa_1-b-dN, 0≤b, 0≤d, b+d<1). Можно использовать также смешанные кристаллы, полученные с использованием В в качестве элемента группы III или посредством частичного замещения N, элемента группы V, на As или Р. Нитридный полупроводник может быть выполнен с желательным типом проводимости посредством добавления примеси соответствующего типа проводимости. В качестве примеси n-типа можно использовать элементы группы IV или VI, такие как Si, Ge, Sn, S, O, Ti и Zr Si, в то время как Si, Ge или Sn являются предпочтительными, и наиболее предпочтительно используется Si. В качестве примеси p-типа можно использовать Be, Zn, Mn, Cr, Mg, Ca или т.п., и предпочтительно используется Mg. В качестве специального примера лазерного устройства, согласно данному изобретению, ниже приводится описание нитридного полупроводникового лазерного устройства. В данном случае понятие нитридное полупроводниковое лазерное устройство относится к лазерному устройству, где используется нитридный полупроводник в любом слое проводимости первого типа, активном слое или слое проводимости второго типа, которые образуют слоистый материал, или предпочтительно во всех этих слоях. Например, плакировочные слои, выполненные из нитридного полупроводника, образованы в слое проводимости первого типа и в слое проводимости второго типа, в то время как активный слой образован между двумя плакировочными слоями, образуя тем самым волновод. В частности, слой проводимости первого типа включает слой нитридного полупроводника n-типа, а слой проводимости второго типа включает слой нитридного полупроводника p-типа, в то время как активный слой включает нитридный полупроводниковый лазер, который включает In.

Активный слой

Согласно данному изобретению, когда полупроводниковое лазерное устройство, согласно данному изобретению, состоит из нитридного полупроводника, создание слоя нитридного полупроводника, который включает In, в активном слое, обеспечивает возможность излучения лазерного света в диапазоне длин волн от синего до красного цвета в ультрафиолетовом и видимом диапазонах. Хотя лазерное устройство может претерпевать очень значительное повреждение нитридного полупроводникового лазера, включающего In, при воздействии атмосферы на активный слой, такое повреждение устройства можно минимизировать, согласно данному изобретению, поскольку устройство включает зону C₁ второго волновода, которая состоит из первого гребня 202, созданного на такой глубине, которая не достигает активного слоя. Это объясняется тем, что низкая температура плавления In делает нитридный полупроводник, который включает In, склонным к разложению и испарению и склонным к повреждению во время травления, и делает сложным сохранение кристалличности во время последующего экспонирования активного слоя, что приводит к более короткому сроку службы устройства.

На фиг.12 показана взаимосвязь между глубиной травления для формирования полоскового гребня и сроком службы устройства. Как следует из графика, срок службы устройства уменьшается очень сильно, когда процесс травления достигает активного слоя, который имеет нитридный полупроводник, который включает In, и экспонирование активного слоя приводит к значительному ухудшению надежности лазерного устройства.

Поскольку лазерное устройство, согласно данному изобретению, снабжено зоной C₁ первого волновода и зоной С₂ второго волновода в качестве волновода, то можно получить лазерное устройство с превосходной надежностью даже в нитридном полупроводниковом лазерном устройстве, которое в противном случае претерпевает ухудшение характеристик, когда на активный слой воздействует атмосфера. Это объясняется тем, что первый гребень 201, созданный для образования зоны C₁ первого волновода, образует только часть волновода, так что можно исключить ухудшение надежности устройства. Когда, например, длина резонатора выбрана равной 650 мкм и длина первого гребня 201, созданного для образования зоны C₁ первого волновода, выбрана равной 10 мкм в нитридном полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, то подтверждается, что устройство не претерпевает ухудшения надежности за счет экспонирования активного слоя в первом гребне и обеспечивается срок службы в несколько тысяч часов при работе с выходной мощностью 5 мВт.

В нитридном полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, ширина полоски гребня, который образует зону C₁ первого волновода или зону С₂ второго волновода, предпочтительно выбрана в диапазоне от 0,5 до 4 мкм или более, предпочтительно в диапазоне от 1 до 3 мкм, что обеспечивает возможность колебаний в устойчивой поперечной моде с основной (единственной) модой. Когда ширина полоски гребня меньше 1 мкм, то становится трудным формирование гребня, в то время как ширина в 3 мкм или более может приводить к многомодовым колебаниям в поперечной моде в зависимости от длины волны лазерных колебаний, а ширина в 4 мкм или более делает невозможным обеспечение устойчивой поперечной моды. Согласно данному изобретению, управление шириной в диапазоне от 1,2 до 2 мкм делает возможным дальнейшую эффективную стабилизацию поперечной моды с высокой выходной оптической мощностью (эффективное подавление колебаний в ненужной поперечной моде). Согласно данному изобретению, хотя является благоприятным для ширины полоски гребня, когда зона C₁ первого волновода или зона С₂ второго волновода находятся внутри указанного выше диапазона, предпочтительно выбирать полосковый гребень 201 зоны C₁ первого волновода внутри указанного диапазона, если зона C₁ первого волновода создана на излучающей свет стороне резонаторной плоскости. Кроме того, данное изобретение не ограничено такой узкой полосковой структурой, описанной выше, и его можно использовать для полоски, имеющей ширину 5 мкм и больше. Кроме того, в конструкции, в которой зона C₁ первого волновода расположена на конце волновода, ширину полоски зоны С₂ второго волновода можно выбирать относительно свободно для управления характеристиками лазерного луча с помощью в основном зоны C₁ первого волновода.

В нитридном полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, когда торцевая поверхность зоны C₁ первого волновода используется в качестве резонансной торцевой поверхности (поверхности излучения света), то можно получить лазерное устройство, имеющее превосходную управляемость поперечной модой, диаграммой направленности в дальней зоне, коэффициентом формы луча и надежностью устройства. Это объясняется тем, что как указывалось выше, можно управлять светом, излучаемым лазером, непосредственно перед излучением посредством травления глубже, чем активный слой, создавая тем самым зону C₁ первого волновода на стороне излучения света резонансной плоскости, что обеспечивает возможность получения лазерных лучей разной формы и с разными размерами пятна.

Активный слой может иметь структуру с квантовыми потенциальными ямами и в данном случае структуру с одиночными квантовыми потенциальными ямами или структуру с множественными квантовыми потенциальными ямами. Можно изготавливать лазерное устройство высокой мощности и устройство излучения света с торцевой поверхности с использованием структуры с квантовыми потенциальными ямами. Второй полосковый гребень 202, образованный для создания зоны C₂ второго волновода, формируется за счет травления на такую глубину, которая не достигает активного слоя. В данном описании утверждение о том, что второй полосковый гребень 202 расположен над активным слоем, означает, что он сформирован посредством травления на глубину, которая не достигает активного слоя. То есть, второй полосковый гребень 202, который образует зону С₂ второго волновода, расположен над стыком между активным слоем и слоем, сформированным в контакте с ним и выше его.

Активный слой из нитридного полупроводника предпочтительно является нитридным полупроводником, который включает In, как указывалось выше, и, в частности, предпочтительно используется нитридный полупроводник, представленный формулой Al_xIn_yGa_1-x-yN (0≤х≤1,0≤у≤1, х+у≤1). В данном случае, нитридный полупроводник предпочтительно используется в качестве слоя с потенциальными ямами в активном слое со структурой с квантовыми потенциальными ямами. В диапазоне длин волн (от 380 нм до 550 нм) от ближнего ультрафиолетового света до видимого зеленого света предпочтительно используется In_yGa_1-yN (0<у). В диапазоне более длинных волн (красного света) можно также использовать In_yGa_1-yN (0<у), в этом случае лазерный луч с желаемой длиной волны может излучаться посредством изменения доли у примеси In. В диапазоне длин волн короче 380 нм, поскольку длина волны, которая соответствует запрещенной ширине полосы GaN, равна 365 нм, то энергия щели диапазона почти равна или больше требуемой энергии GaN, и поэтому используется Al_xIn_yGa_1-x-yN (0≤х≤1,0≤у≤1, х+у≤1).

В случае выполнения активного слоя со структурой с квантовыми потенциальными ямами толщина слоя потенциальных ям находится в диапазоне от 10 до 300 и предпочтительно в диапазоне от 20 до 200 , что позволяет уменьшить Vf и плотность порогового тока. С учетом кристалла слой относительно равномерного качества без изменений толщины можно получить при толщине 20 или более, и кристалл можно выращивать при минимизации образования дефектов кристалла за счет ограничения толщины до 200 . Число слоев с потенциальными ямами в активном слое является неограниченным, которое может быть равно 1 или более. Когда активный слой образуют четыре или более активных слоя с большой толщиной слоев, то общая толщина активного слоя становится слишком большой и величина Vf увеличивается. Поэтому желательно ограничивать толщину слоя с потенциальными ямами 100 , что ограничивает толщину активного слоя. В случае светодиодов и светоизлучающих диодов большой выходной мощности выбор числа слоев с потенциальными ямами в пределах от 1 до 3 обеспечивает возможность получения высокой эффективности излучения света и потому является желательным.

Слой с потенциальными ямами может быть также легирован или не легирован примесью р-типа или n-типа (акцептором или донором). Однако, когда полупроводник, включающий In, используется в качестве слоя с потенциальными ямами, то увеличение концентрации примеси n-типа приводит к низкой кристалличности и поэтому предпочтительно ограничивать концентрацию примеси n-типа для обеспечения получения слоя с потенциальными ямами с хорошей кристалличностью. А именно, для получения наилучшей кристалличности слой с потенциальными ямами предпочтительно выращивают без легирования при выдерживании концентрации примеси n-типа в пределах 5×10¹⁶/см³. Выдерживание концентрации примеси n-типа в пределах 5×10¹⁶/см³ означает экстремально низкий уровень концентрации примеси n-типа, и слой с потенциальными ямами можно рассматривать как по существу не включающий примеси n-типа. Когда слой с потенциальными ямами легируется примесью n-типа, то управление концентрацией примеси n-типа в пределах от 1×10¹⁸/см³ до 5×10¹⁶/см³ обеспечивает подавление ухудшения кристалличности и увеличение концентрации носителей.

Состав барьерного слоя не имеет ограничений и можно использовать нитридный полупроводник, аналогичный слою с потенциальными ямами. А именно, можно использовать нитридный полупроводник, который включает In, такой как InGaN, имеющий меньшую долю In, чем слой с потенциальными ямами, или нитридный полупроводник, который включает Al, такой как GaN, AlGaN. Энергия щелевой полосы барьерного слоя должна быть выше энергии щелевой полосы слоя с потенциальными ямами. Специальными составами могут быть In_αGa_1-βN (0≤β<1, α>β), GaN, Al_γGa_1-γN (0<γ≤1) и предпочтительно In_βGa_1-βN (0≤β<1, α>β), GaN, что обеспечивает возможность формирования барьерного слоя с хорошей кристалличностью. Это объясняется тем, что выращивание слоя с потенциальными ямами, выполненного из нитридного полупроводника, который включает In, непосредственно на нитридном полупроводнике, который включает Al, таком как AlGaN, приводит к более низкой кристалличности, что приводит к затрудненной работе слоя с потенциальными ямами. Когда в барьерном слое используется Al_γGa_1-γN (0<γ≤1), то указанную выше проблему можно исключить путем создания барьерного слоя, который включает Al, на слое с потенциальными ямами, и создания многослойного барьерного слоя, содержащего In_αGa_1-βN (0≤β<1, α>β), GaN ниже слоя с потенциальными ямами. Таким образом, в множественной структуре с квантовыми потенциальными ямами барьерный слой, включенный между активными слоями, не ограничивается одним слоем (слой с потенциальными ямами /барьерный слой/ слой с потенциальными ямами), и два или более барьерных слоев разного состава и/или с разной концентрацией примесей могут располагаться пачкой, как, например, слой с потенциальными ямами /барьерный слой (1)/ барьерный слой (2). Буква α представляет долю In в слое с потенциальными ямами, и предпочтительно выполнять долю β In в барьерном слое меньше, чем доля In в слое с потенциальными ямами, то есть α>β.

Барьерный слой может быть легирован или не легирован примесью n-типа, однако предпочтительно легирован примесью n-типа. Когда он легирован, то концентрация примеси n-типа в барьерном слое составляет предпочтительно 5×10¹⁶/см³ или выше и меньше 1×10²⁰/см³. В случае, например, светоизлучающего диода, который не должен иметь высокую выходную мощность, концентрация примеси n-типа находится в диапазоне от 5×10¹⁶/см³ до 2×10¹⁸/см³. Для светоизлучающего диода с большой выходной мощностью и светодиода предпочтительно легировать в диапазоне от 5×10¹⁷/см³ до 1×10²⁰/см³ и более предпочтительно в диапазоне от 1×10¹⁸/см³ до 5×10¹⁹/см³. При легировании до такой высокой концентрации предпочтительно выращивать слой с потенциальными ямами без легирования или по существу без примеси n-типа. Причиной различия концентрации примеси n-типа для обычного светоизлучающего диода, светоизлучающего диода большой мощности и светодиода большой мощности (с выходной мощностью в диапазоне от 5 до 100 мВт) является то, что устройство с высокой выходной мощностью нуждается в более высокой концентрации носителей для возбуждения током, необходимым для высокой выходной мощности. Легирование в указанном диапазоне, как указывалось выше, обеспечивает возможность введения носителей с большой концентрацией при хорошей кристалличности.

В противоположность этому, в случае нитридного полупроводникового устройства, такого как светодиод, светоизлучающий диод малой мощности, часть барьерного слоя активного слоя можно легировать примесью n-типа или же можно формировать весь барьерный слой по существу без включения примеси n-типа. При легировании примесью n-типа могут быть легированы все барьерные слои активного слоя или часть барьерных слоев. Когда легирована часть барьерных слоев примесью n-типа, то предпочтительно легировать барьерный слой, который расположен в активном слое на стороне слоя n-типа. А именно, когда легируется барьерный слой Bn (n=1, 2, 3...), который является n-ным слоем со стороны слоя n-типа, то электроны эффективно вводятся в активный слой и можно получать устройство, имеющее отличную эффективность излучения света и квантовую эффективность. Это относится также к слою с потенциальными ямами и к барьерному слою. Когда легируют барьерный слой и активный слой, то указанное выше действие может быть обеспечено путем легирования барьерного слоя Bn (n=1, 2, 3...), который является n-ным слоем со стороны слоя n-типа, и m-ного слоя Wm (m=1, 2, 3...) с потенциальными ямами, а именно легирования сначала слоя, наиболее близкого к слою n-типа.

Хотя нет ограничения для толщины барьерного слоя, его толщина предпочтительно составляет не более 500 , в частности от 10 до 300 , аналогично активному слою.

В нитридном полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, слоистая структура предпочтительно включает слой нитридного полупроводника n-типа в качестве слоя проводимости первого типа и слой нитридного полупроводника p-типа в качестве слоя проводимости второго типа. В частности, плакировочный слой n-типа и плакировочный слой p-типа предусмотрены в слоях соответствующего типа для образования тем самым волновода. Одновременно между плакировочными слоями и активным слоем может быть образован направляющий слой и/или слой локализации электронов.

Плакировочный слой p-типа

В нитридном полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, предпочтительно создавать плакировочный слой р-типа, который включает нитридный полупроводник p-типа (первый нитридный полупроводник p-типа) в качестве слоя проводимости второго типа или слоя проводимости первого типа. В этом случае волновод формируется в слоистой структуре посредством создания плакировочного слоя n-типа, который включает слой нитридного полупроводника n-типа в слое проводимости типа, отличного от типа проводимости слоя, в котором создан плакировочный слой р-типа. Нитридный полупроводник, используемый в плакировочном слое p-типа, должен иметь только различие в показателе преломления, достаточно большое для локализации света, и предпочтительно используется слой нитридного полупроводника, который включает Al. Этот слой может быть единственным слоем или многослойной пленкой. В частности, структура суперкристаллической решетки, имеющая AlGaN и GaN, расположенные последовательно друг над другом, обеспечивает лучшую кристалличность и поэтому является предпочтительной. Этот слой может быть легирован примесью p-типа или может быть не легирован. Для лазерного устройства с большой длиной волны в диапазоне от 430 до 550 нм плакировочный слой предпочтительно выполнен из GaN, легированного примесью p-типа. Хотя не имеется ограничений для толщины пленки, толщина в диапазоне от 100 до 2 мкм или более, предпочтительно от 500 до 1 мкм обеспечивает удовлетворительную работу пленки в качестве слоя локализации света.

Кроме того, согласно данному изобретению, слой локализации электронов и/или световодный слой, описание которого будет приведено ниже, могут быть предусмотрены между активным слоем и плакировочным слоем p-типа. При создании световодного слоя предпочтительно создавать световодный слой также между плакировочным слоем n-типа и активным слоем с образованием структуры, в которой активный слой заключен между световодными слоями. Это создает гетероструктуру с раздельным ограничением, в которой свет может быть локализован плакировочным слоем, путем увеличения доли содержания Al в плакировочном слоем по сравнению с направляющим слоем, что обеспечивает разницу в показателе преломления. В случае формирования плакировочного слоя в многослойной структуре доля содержания Al определяется средней долей Al.

Слой локализации электронов р-типа

Слой локализации электронов p-типа, который создается между активным слоем и плакировочным слоем p-типа или предпочтительно между активным слоем и световодным слоем p-типа, служит также для локализации носителей в активном слое, обеспечивая тем самым возможность более легкого возбуждения посредством уменьшения порогового тока, и выполнен из AlGaN. В частности, более эффективную локализацию электронов можно обеспечить путем создания плакировочного слоя p-типа и слоя локализации электронов p-типа в слое проводимости второго типа. Когда используется AlGaN для слоя локализации электронов p-типа, хотя указанная выше функция может быть надежно обеспечена посредством легирования примесью p-типа, функция локализации носителей может быть также обеспечена даже без легирования. Минимальная толщина пленки составляет 10 и предпочтительно 20 . Указанная выше функция может быть удовлетворительно обеспечена посредством формирования пленки толщиной до 500 и выбора х в формуле Al_xGa_1-xN равным 0 или более, предпочтительно 0,2 или более. Слой локализации носителей n-типа может быть также создан на боковом слое n-типа для локализации дырок внутри активного слоя. Локализацию дырок можно осуществлять без выполнения сдвига (разницы в запрещенной щели с активным слоем), как в случае локализации электронов. А именно, можно использовать состав, аналогичный составу слоя локализации электронов p-типа. Для обеспечения хорошей кристалличности этот слой может быть сформирован из слоя нитридного полупроводника, который не включает Al, и можно использовать состав, аналогичный составу барьерного слоя активного слоя. В этом случае предпочтительно расположить барьерный слой n-типа, который локализует носители наиболее близко к слою n-типа в активном слое, или же внутри слоя n-типа в контакте с активным слоем. Таким образом, посредством создания слоев локализации носителей p-типа или n-типа в контакте с активным слоем можно активно вводить носители в активный слой или в слой с потенциальными ямами. В другом варианте выполнения слой, который находится в контакте со слоем p-типа или n-типа, можно использовать в качестве слоя локализации носителей.

Направляющий слой р-типа

Согласно данному изобретению, хороший волновод может быть образован из нитридного полупроводника посредством создания направляющего слоя, в котором активный слой находится между плакировочными слоями, образуя тем самым оптический волновод. В этом случае толщина волновода (активный слой и направляющие слои на его обеих сторонах) составляет до 6000 для предотвращения резкого повышения порогового тока возникновения колебаний. Толщина предпочтительно составляет до 4500 для обеспечения непрерывных колебаний при длительном сроке службы и ограниченным пороговым током в основной моде. Оба направляющих слоя предпочтительно сформированы с по существу одинаковой толщиной в пределах от 100 до 1 мкм, более предпочтительно в диапазоне от 500 до 2000 для образования хорошего оптического волновода. Направляющий слой выполнен из нитридного полупроводника, хотя достаточно иметь энергию запрещенной щели, достаточную для образования волновода по сравнению с плакировочным слоем, подлежащим созданию на его внешней стороне, и может быть единственной пленкой или многослойной пленкой. Хороший волновод может быть сформирован посредством выполнения оптического направляющего слоя, имеющего энергию запрещенной щели, равную или большую энергии запрещенной щели активного слоя. В случае структуры с квантовыми потенциальными ямами, энергия запрещенной щели больше энергии запрещенной щели слоя с потенциальными ямами и предпочтительно больше, чем энергия запрещенной щели барьерного слоя. Кроме того, хороший оптический волновод может быть образован посредством обеспечения энергии запрещенной щели для около 10 нм или больше, чем длина волны света, излучаемого активным слоем в световодный слой.

Для направляющего слоя p-типа предпочтительно использовать не легированный GaN в диапазон длин волн колебаний от 370 нм до 470 нм, и использовать многослойную структуру InGaN/GaN в диапазоне относительно больших длин волн (450 нм и более). Это обеспечивает возможность увеличения показателя преломления в волноводе, состоящем из активного слоя и световодного слоя, за счет чего увеличивается разница в показателе преломления от плакировочного слоя. В диапазоне более коротких длин волн до 370 нм предпочтительно использовать нитридный полупроводник, который включает Al, поскольку край полосы поглощения находится у 365 нм. А именно, предпочтительно использовать Al_xGa_1-xN (0<х<1) для образования многослойной пленки, выполненной из AlGaN/GaN, многослойной пленки, выполненной посредством образования пачки или суперкристаллической многослойной пленки, в которой каждый слой имеет суперкристаллическую структуру. Конструкция направляющего слоя n-типа является аналогичной конструкции направляющего слоя р-типа. Удовлетворительный волновод может быть выполнен с использованием GaN, InGaN с учетом энергии запрещенной щели активного слоя и формированием многослойной пленки, содержащей InGaN и GaN, расположенных попеременно в пачке, с долей содержания In, уменьшающейся в направлении активного слоя.

Плакировочный слой n-типа

В нитридном полупроводниковом лазерном устройстве, согласно данному изобретению, нитридный полупроводник, используемый в плакировочном слое n-типа, должен иметь лишь разницу в показателе преломления, достаточно большую для локализации света аналогично плакировочному слою р-типа, и предпочтительно используется слой нитридного полупроводника, который содержит Al. Этот слой может быть либо единственным слоем либо многослойной пленкой. А именно, суперкристаллической решеткой, имеющей AlGaN и GaN, расположенные пачкой друг над другом. Плакировочный слой n-типа работает, как слой локализации носителей и слой локализации света. В случае использования многослойной структуры предпочтительно выращивать слой нитридного полупроводника, включающего Al, а именно AlGaN, как указывалось выше. Кроме того, этот слой может быть легирован примесью n-типа или не легирован, а также может быть легирован один из составляющих слоев. Для лазерного устройства, колеблющегося с длинной длиной волны в диапазоне от 430 до 550 нм, плакировочный слой предпочтительно выполнен из GaN, легированного примесью n-типа. Хотя не имеется ограничений для толщины пленки, аналогично случаю плакировочного слоя р-типа, толщина в диапазоне от 100 до 2 мкм или более, предпочтительно от 500 до 1 мкм обеспечивает удовлетворительную работу пленки в качестве слоя локализации света.

В нитридном полупроводниковом лазерном устройстве можно обеспечить хорошую изоляцию за счет выбора положения, где формируется полосковый гребень, внутри слоя нитридного полупроводника, который содержит Al, и создания изолирующей пленки на экспонированной поверхности нитридного полупроводника и на боковой поверхности гребня. Можно также выполнить лазерное устройство без тока утечки посредством создания электродов на изолирующей пленке. Это объясняется тем, что почти не существует материала, который может обеспечить хороший омический контакт в слое нитридного полупроводника, который включает Al, и хорошую изоляцию без тока утечки можно обеспечить путем формирования изолирующей пленки и электрода на поверхности полупроводника. Когда электрод создан на слое нитридного полупроводника, который не включает Al, то наоборот, можно легко создать омический контакт между электродом и нитридным полупроводником. Когда электрод образован на слое нитридного полупроводника, который не включает Al, через изолирующий слой, то микроскопические поры в изолирующей пленке вызывают утечку в зависимости от качества изолирующей пленки и электрода. Для решения этой проблемы необходимо создавать изолирующую пленку, имеющую толщину, достаточную для обеспечения необходимого уровня изоляции, или же выбирать конструкцию и положение электрода так, чтобы не перекрывать поверхность полупроводника, что накладывает значительные ограничения на конструкцию построения лазерного устройства. Важно, где создавать гребень, поскольку поверхность нитридного полупроводника на обеих сторонах гребня, экспонируемая при формировании гребня, имеет намного большую площадь, чем боковая поверхность гребня, и на этой поверхности может быть обеспечена удовлетворительная изоляция. Таким образом, может быть выполнено лазерное устройство, имеющее высокую степень свободы в выборе конструкции, где можно применять электроды различной конфигурации и можно относительно свободно выбирать место формирования электрода, что особенно предпочтительно при формировании гребня. Для слоя нитридного полупроводника, который включает Al, AlGaN, предпочтительно используется суперкристаллическая многослойная структура AlGaN/GaN, описанная выше.

Первый гребень 201 и второй полосковый гребень 202 полосковой конфигурации, созданной в качестве зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода, формируются посредством удаления обеих сторон каждого гребня, как показано на фиг.1В и 1С. Гребень 202 создан на верхнем плакировочном слое 7 и поверхность верхнего плакировочного слоя, экспонированная в зоне, отличной от гребня, определяет глубину травления.

Электрод

Лазерное устройство, согласно данному изобретению, не ограничивается конфигурацией электрода, созданного на полосковом гребне и на втором гребне. Как показано на фиг.1 и фиг.7, например, электрод может быть образован на почти всей поверхности первого полоскового гребня 201 и второго полоскового гребня 202 в качестве зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода. Кроме того, электрод может быть создан только в зоне С₂ второго волновода, при этом в зону С₂ второго волновода предпочтительно вводятся носители. И наоборот, электрод может быть создан только в зоне C₁ первого волновода, при этом волновод функционально разделяется в направлении резонатора.

Изолирующая пленка

В лазерном устройстве, согласно данному изобретению, в случае удаления части слоистого материала и создания полоскового гребня для формирования резонатора предпочтительно формировать изолирующую пленку на боковой поверхности полоски и на плоскости (поверхности, на которой создан гребень) на обеих сторонах гребня. Например, после создания показанного на фиг.1 полоскового гребня создают изолирующую пленку таким образом, чтобы она проходила от боковой поверхности гребня к поверхностям на обеих сторонах гребня.

В случае использования нитридного полупроводника в лазерном устройстве, согласно данному изобретению, предпочтительно создавать вторую защитную пленку 162 в качестве изолирующей пленки, как показано на фиг.7, 8, 9.

Для второй защитной пленки используется материал, отличный от SiO₂, предпочтительно оксид, по меньшей мере, одного из элементов, выбранных из группы, состоящей из Ti, V, Zr, Nb, Hf и Та, или, по меньшей мере, из SiN, BN, SiC и AlN, и среди них особенно предпочтительно использовать Zr или Hf, или BN, SiC. Хотя некоторые из этих материалов являются слегка растворимыми в флористоводородной кислоте, использование этих материалов в качестве изолирующего слоя лазерного устройства обеспечивает существенно большую надежность, чем SiO₂, в виде заглубленного слоя. В случае тонкой пленки, выполненной из оксида, который образован в паровой фазе, такой как вакуумное осаждение из паровой фазы или химическое осаждение из паровой фазы, поскольку обычно элементу и кислороду трудно реагировать стехиометрически с образованием оксида, то надежность обычно ниже для изоляции из тонкой пленки оксида. В противоположность этому, оксиды элемента, выбранного в данном изобретении, образованные с помощью вакуумного осаждения из паровой фазы или химического осаждения из паровой фазы, и BN, SiC и AlN имеют более надежные изолирующие свойства, чем оксид кремния. Кроме того, когда выбран оксид, имеющий показатель преломления, меньше чем показатель преломления нитридного полупроводника (например, отличный от SiC), то может быть предпочтительно создан заглубленный слой лазерного устройства. Кроме того, когда первый защитный слой 161 образован из оксида кремния, то поскольку оксид кремния можно удалять только с использованием фтористоводородной кислоты, то вторая защитная пленка 162, имеющая равномерную толщину, может быть образована на поверхности, за исключением верхней поверхности гребня, как показано на фиг.7С, путем образования первой защитной пленки 161 только на верхней поверхности гребня, как показано на фиг.7В, создания второй защитной пленки 162 непрерывно на первой защитной пленке 161, боковых поверхностях гребня и поверхностях на обеих сторонах гребня (травления охранного слоя), и селективного удаления первого защитного слоя 161.

Толщина второго защитного слоя находится в диапазоне от 500 до 1 мкм, предпочтительно от 1000 до 5000 . Когда толщина меньше 500 , то может быть обеспечена достаточная изоляция при формировании электрода. Когда толщина больше 1 мкм, то нельзя обеспечить равномерность защитной пленки и нельзя получить хорошую изолирующую пленку. Когда толщина находится в указанном выше предпочтительном диапазоне, то можно получить равномерную пленку, имеющую благоприятную разницу в показателе преломления от гребня, на боковой поверхности гребня.

Вторая защитная пленка может быть образована также с помощью заглубленного слоя нитридного полупроводника. В случае полуизолирующего нитридного полупроводника i-типа, противоположного типу проводимости гребня волноводной зоны, например в зоне С₂ второго волновода, согласно первому варианту выполнения, может использоваться заглубленный слой, выполненный из нитридного полупроводника n-типа в качестве второй защитной пленки. В качестве специального примера заглубленного слоя локализация света в поперечном направлении может быть обеспечена посредством создания разницы в показателе преломления от гребня с помощью слоя нитридного полупроводника, который включает Al, такого как AlGaN, или посредством обеспечения функции блокирующего ток слоя, и могут быть обеспечены хорошие оптические свойства лазерного устройства посредством обеспечения разницы в коэффициенте поглощения света с помощью нитридного полупроводникового лазера, который включает In. Когда в качестве заглубленного слоя используется полуизолирующий слой p-типа, то зона второго волновода может быть заглубленным слоем проводимости первого типа, отличающейся от проводимости второго типа. С другой стороны, в первом гребне, который составляет зону первого волновода, поскольку слои первого и второго типа проводимости выполнены с полосковой конфигурацией на обеих сторонах активного слоя, то заглубленный слой проводимости второго типа, отличной от проводимости первого типа, образован в слое проводимости второго типа или в зонах на обеих сторонах слоя проводимости первого типа и активного слоя, в то время как заглубленный слой проводимости первого типа, отличной от проводимости второго типа, образован в слое проводимости второго типа или в зонах на обеих сторонах слоя проводимости второго типа и активного слоя. Как указывалось выше, заглубленный слой может быть образован с разными конструкциями в зоне первого волновода и в зоне второго волновода. Заглубленный слой образован на части боковой поверхности полоски или же предпочтительно по существу на всей поверхности, аналогично второму защитному слою. Кроме того, когда заглубленный слой образован на боковой поверхности гребня и на поверхности нитридного полупроводника на обеих сторонах гребня, то может быть получен лучший эффект локализации света и эффект стягивания тока. Можно также применять такую конструкцию, в которой после формирования заглубленного слоя на заглубленном слое формируется слой нитридного полупроводника и/или в устройстве создаются полоска и гребни, образующие волноводные зоны.

Длина резонатора нитридного полупроводникового лазерного устройства, согласно данному изобретению, может быть в диапазоне от 400 до 900 нм, что обеспечивает уменьшение возбуждающего тока с помощью управления отражением зеркал на обоих концах.

Способ изготовления

Как указывалось выше, нитридное полупроводниковое лазерное устройство, согласно данному изобретению, может обеспечить хорошие характеристики устройства. Кроме того, полосковую волноводную зону лазерного устройства, согласно данному изобретению, можно изготавливать с высокой точностью и с высоким выходом производства посредством образования полосок, которые образуют зону C₁ первого волновода и зону C₂ второго волновода, в процессе, описание которого приводится ниже. Способ изготовления также обеспечивает возможность изготовления лазерного устройства, имеющего высокую надежность. Ниже приводится подробное описание способа изготовления.

Как показано на фиг.8 и 9, при изготовлении устройства, имеющего положительный и отрицательный электроды, образованные на одной стороне подложки разного типа, для освобождения контактного слоя n-типа, на котором необходимо образовать отрицательный электрод, как показано на фиг.7, выполняют травление до этой глубины с последующим формированием с помощью травления полосковой волноводной зоны.

Способ 1 создания полоскового гребня

На фиг.5 показана в изометрической проекции часть кристаллической пластины, на которой создана структура устройства из нитридного полупроводника, для пояснения процесса формирования электродов, согласно данному изобретению. Фиг.6 является аналогичным чертежом для пояснения другого варианта выполнения данного изобретения. На фиг.7 показан процесс после формирования второй защитной пленки, при этом на фиг.7В показана в разрезе зона С₂ второго волновода по фиг.7А, и на фиг.7С показана в разрезе зона С₂ второго волновода по фиг.7D. В соответствии со способом изготовления, согласно данному изобретению, как показано на фиг.5А, после создания пачки полупроводниковых слоев, составляющих структуру устройства, формируют первую защитную пленку 161 полосковой конфигурации на контактном слое 8 в слое проводимости второго типа на верхнем слое.

Первую защитную пленку 161 можно выполнять из любого материала при условии, что он имеет различие в скорости травления с нитридным полупроводником, изолирующего или нет. Например, используют оксид кремния (включая SiO₂), фоторезист или т.п., и предпочтительно используется материал, который более растворим в кислоте, чем вторая защитная пленка, для обеспечения разницы в растворимости относительно второй защитной пленки, которую образуют позже. В качестве кислоты предпочтительно используют фтористоводородную кислоту и, соответственно, предпочтительно используют оксид кремния в качестве материала, растворимого в фтористоводородной кислоте. Шириной (W) полоски первой защитной пленки управляют в диапазоне от 1 мкм до 3 мкм. Ширина полоски первой защитной пленки 161 примерно соответствует ширине полоски гребня, который образует волноводную зону.

На фиг.5А показана первая защитная пленка 161, образованная на поверхности слоистого материала. То есть, первая защитная пленка 161, имеющая конфигурацию полоски, показанную на фиг.5А, образована на поверхности контактного слоя 8 посредством, после формирования второй защитной пленки на по существу всей поверхности слоистого материала, формирования маски желаемой формы на поверхности первой защитной пленки с помощью фотолитографического процесса.

Можно использовать также способ обратной литографии для образования первой защитной пленки, имеющей конфигурацию, показанную на фиг.5А. То есть, после формирования фоторезиста, имеющего прорези, образованные с полосковой конфигурацией, формируют первую защитную пленку на всей поверхности фоторезиста и удаляют фоторезист посредством растворения, оставляя при этом только вторую защитную пленку 161, которая находится в контакте с контактным слоем 8. Можно получать хорошо сформированные полоски, имеющие по существу вертикальные торцевые поверхности, с помощью указанного процесса, вместо формирования первой защитной пленки с полосковой конструкцией с помощью способа обратной литографии.

Затем, как показано на фиг.5В, первую защитную пленку 161 используют в качестве маски для травления из контактного слоя 8 части, где не сформирована первая защитная пленка 161, формируя тем самым полосковый гребень в соответствии с формой защитной пленки непосредственно под первой защитной пленкой 161. При травлении структура и характеристики лазерного устройства изменяются в зависимости от положения прекращения травления.

В качестве средства травления слоя, образованного из нитридного полупроводника, используют сухое травление, такое как RIE (реактивное ионное травление). Для травления первой защитной пленки, выполненной из оксида кремния, предпочтительно использовать газ фтористого соединения, такого как CF₄. Для травления нитридного полупроводника во втором процессе использование газа хлористого соединения, такого как Cl₂, CCl и SiCl₄, которые обычно используют для полупроводниковых соединений других элементов группы III-IV, повышает избирательность относительно оксида Si и поэтому является желательным.

Затем, как показано на фиг.5С, формируют третью защитную пленку 163 для закрытия части полоскового гребня. Для третьей защитной пленки 163 можно использовать известный фоторезист, который имеет сопротивляемость относительно сухого травления, такой как легко затвердевающий полимер. В это время полосковый гребень, покрытый третьей защитной пленкой 163, становится вторым гребнем 202 для образования зоны С₂ второго волновода, и формируется первый гребень 201, который образует зону C₁ первого волновода, в зоне, не покрытой третьей защитной пленкой. Третью защитную пленку 163 и первую защитную пленку 161, сформированную указанным выше образом, используют для травления слоистого материала, где не образована маска, на глубину до достижения плакировочного слоя, формируя тем самым полосковые гребни (первый гребень) различной глубины.

Затем, как показано на фиг.7А, формируют вторую защитную пленку 162 из изолирующего материала, отличного от материала первой защитной пленки 161, на боковых поверхностях полоскового гребня на поверхностях слоев, которые были экспонированы травлением (плакировочные слои 5, 7 на фиг.7). Первая защитная пленка 161 выполнена из материала, отличного от материала второй защитной пленки 162, так что первую защитную пленку 161 и вторую защитную пленку 162 подвергают избирательному травлению. В результате, когда удаляют только первую защитную пленку 161 с помощью, например, фтористоводородной кислоты, то вторую защитную пленку 162 можно образовывать непрерывно на поверхностях плакировочных слоев 5, 7 (на поверхностях нитридного полупроводника, которые были экспонированы травлением) и на боковых поверхностях гребня при открытой верхней поверхности гребня, как показано на фиг.7В. За счет формирования второй защитной пленки 162 непрерывной, как указывалось выше, можно получить высокие изолирующие свойства. Дополнительно к этому, когда вторая защитная пленка 162 сформирована непрерывной на первой защитной пленке 161, то пленку можно формировать с равномерной толщиной на плакировочных слоях 5, 7, и поэтому не возникает концентрации тока вследствие неравномерной толщины пленки. Поскольку травление прекращается среди плакировочных слоев 5, 7, то вторая защитная пленка 162 формируется ниже поверхностей плакировочных слоев 5, 7 (верхние поверхности которых экспонированы). Однако фактом является то, что вторая защитная пленка сформирована на слое, где травление было остановлено, когда было остановлено травление ниже плакировочных слоев 5, 7.

В следующем процессе удаляют первую защитную пленку 161 с помощью обратной литографии, как показано на фиг.7В. Затем на второй защитной пленке 162 и контактном слое 8 формируют электрод для электрического контактирования контактного слоя 8. Согласно данному изобретению, поскольку вторая защитная пленка, имеющая полосковые отверстия, сформирована первой на гребне, то нет необходимости формировать электрод только на контактном слое с узкой шириной полоски, а обеспечивается возможность формирования электрода на большой площади, которая непрерывно продолжается от контактной поверхности, которая экспонирована, через отверстие ко второй защитной пленке. Это обеспечивает возможность формирования электрода с объединением электрода для омического контакта и электрода для соединения вместе посредством выбора материала электрода, который объединяет функцию омического контакта.

При формировании полосковой волноводной зоны в нитридном полупроводниковом лазерном устройстве используют сухое травление, потому что трудно выполнять травление с помощью влажного процесса. Поскольку в процессе сухого травления важной является избирательность между первой защитной пленкой и нитридным полупроводником, то используют SiO₂ для первой защитной пленки. Однако нельзя обеспечить достаточную изоляцию при использовании SiO₂ также во второй защитной пленке, сформированной на верхней поверхности слоя, где было прекращено травление и материал тот же, что и материал первой защитной пленки, и становится трудным обеспечить удаление только защитной пленки. Поэтому для второй защитной пленки используют материал, отличный от SiO₂, за счет чего обеспечивается избирательность относительно первой защитной пленки, согласно данному изобретению. Кроме того, поскольку нитридный полупроводник не подвергается травлению после образования второй защитной пленки, то разница в скорости травления между второй защитной пленкой и нитридным полупроводником не приводит к проблемам.

Способ 2 формирования полоскового гребня

На фиг.16 показана в изометрической проекции часть кристаллической пластины, на которой сформирована структура устройства из нитридного полупроводника, для пояснения процесса формирования полупроводникового лазера, согласно данному изобретению. Процессы этого способа по существу аналогичны процессам способа 1, хотя торцевые поверхности резонатора формируют одновременно с экспонированием контактного слоя n-типа для формирования отрицательного электрода посредством в данном случае травления. А именно, последовательность формирования разных частей отличается от способа 1. В способе 2 сначала экспонируют контактный слой n-типа (смотри фиг.16А). Одновременно формируют торцевые поверхности резонатора. Затем формируют полосковый гребень, зоны первого и второго волноводов и электроды аналогично способу 1 (смотри фиг.16В). За счет формирования сначала, как указывалось выше, торцевых поверхностей резонатора с помощью травления, изобретение можно применять также в тех случаях, когда хорошие торцевые поверхности резонатора нельзя получить с помощью расщепления.

В лазерном устройстве, согласно данному изобретению, как указывалось выше, можно эффективно формировать полосковый гребень 202 для образования зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода и можно формировать электрод на поверхности гребня слоистого материала.

Средства травления

В соответствии со способом изготовления, согласно данному изобретению, когда используют сухое травление, такое как реактивное ионное травление, в качестве средства для травления слоя, сформированного из нитридного полупроводника, то предпочтительно использовать газ фтористого соединения, такого как CF₄, для травления первой защитной пленки, выполненной их оксида кремния, который часто применяют в первом процессе. Для травления нитридного полупроводника во втором процессе использование газа хлористого соединения, такого как Cl₂, CCl и SiCl₄, которые обычно используют для полупроводниковых соединений других элементов группы III-IV, повышает избирательность относительно оксида кремния и поэтому является желательным.

Формирование кристалла

На фиг.17 показано в разрезе положение разрезания при изготовлении кристаллов из слоистого материала, сформированного на кристаллической пластине указанным выше образом. На фиг.17А показана только подложка, на фиг.17В показан случай разделения подложки и слоя n-типа. При этом зоны, каждая из которых включает пару образованных в ней электродов, рассматриваются как блоки и обозначены позициями I, II, III и IV слева направо, как показано на фигуре. Блоки Ia, IIa и IVa расположены на фиг.17А так, что зона первого волновода направлена вправо, а блок IIIa направлен противоположно. На фиг.17В блоки Ib, IIb и IIIb расположены так, что зона первого волновода направлена вправо, а блок IVb направлен противоположно. Расположение блоков перед разделением можно выбирать по желанию. При разделении вдоль линии А-А торцевые поверхности резонатора можно оставлять в сформированном при травлении виде. В блоках I и II торцевая поверхность на стороне отражения света резонатора является гранью расщепления при разделении вдоль линии В-В после разделения вдоль линии А-А. В блоке II торцевая поверхность на стороне излучения света резонатора также является гранью расщепления при разделении по линии D-D. При разделении вдоль линии С-С одновременно образуются торцевые поверхности на стороне отражения света резонатора в блоках IIIa и IVa в качестве граней расщепления. Аналогичным образом, при разделении вдоль линии Е-Е одновременно образуются торцевые поверхности на стороне излучения света резонатора в блоках IIIb и IVb в качестве граней расщепления. Таким образом, торцевая поверхность устройства и торцевые поверхности резонатора могут быть образованы в виде поверхности травления или в виде поверхности расщепления в зависимости от положения разрезания.

Для обеспечения такого расположения, в котором между торцевой поверхностью резонатора блока Ia и торцевой поверхностью резонатора блока IIb, также как между блоками Ia и IIa, показанными на фиг.17а, имеется только подложка, на которой были сформированы торцевые поверхности резонаторов посредством травления, как показано на фиг.16В, выполняют дополнительное травление вниз до подложки. Причиной травления вниз до подложки является предотвращение растрескивания полупроводникового слоя во время разделения. В случае экспонирования подложки за один процесс травления, посредством перескакивания через стадию, показанную на фиг.16А, поверхность вблизи активного слоя, которая была экспонирована травлением ранее, становится шершавой из-за большой длительности травления, что затрудняет получение хорошей торцевой поверхности резонатора. Когда процесс травления разделен на два этапа, а именно травление до слоя n-типа, как показано на фиг.16А, а затем травления вниз до подложки, то можно формировать хорошие торцевые поверхности резонаторов и разделение становится более простым. На фиг.16D показано разрезание конструкции, показанной на фиг.16С, в месте, обозначенном стрелкой. При применении травления в два этапа, описанного выше, образуется выступ, такой как обозначенный на чертеже позицией D выступ. При травлении вниз до подложки необходимо уменьшить длину этого выступа D до направления излучения света. Это объясняется тем, что большая ширина D (длина выступа) блокирует свет, излучаемый с поверхности излучения света и затрудняет получение хорошей диаграммы направленности в дальней зоне. Когда выступ D является небольшим, по меньшей мере, у торцевой поверхности на стороне излучения света, то проблема не возникает.

Отражательная пленка

На фиг.18 схематично показан способ формирования отражательной пленки на торцевой поверхности резонатора. За счет расположения полупроводника, который разделен на бруски, так что торцевая поверхность на стороне отражения света или торцевая поверхность на стороне излучения света расположена противоположно материалу отражательной пленки, как показано на фиг.18, формируют отражательную пленку с помощью напыления или т.п. За счет формирования отражательной пленки с помощью напыления во время разделения полупроводника на бруски и расположения поверхности разрезания напротив материала отражательной пленки, можно создавать высококачественную отражательную пленку, которая имеет равномерную толщину и проявляет меньшую склонность к ухудшению, даже когда пленку формируют в виде многослойной структуры. Такая отражательная пленка является более эффективной при использовании в устройстве, которое должно иметь большую выходную мощность, и, в частности, при формировании в виде многослойной структуры, за счет чего можно выполнять отражательную пленку, устойчивую к высокой выходной мощности. Отражательную пленку можно формировать так, что она проходит по торцевой поверхности резонатора, которая является боковой поверхностью даже при напылении поверх электродов. Однако в этом случае может быть устранено преимущество, заключающееся в процессе формирования брусков и направления торцевой поверхности вверх, хотя равномерную пленку нельзя получить, в частности, в случае многослойной пленки, поскольку пленку формируют сбоку на торцевой поверхности, что приводит к несколько более низкому качеству. Такая отражательная пленка может быть предусмотрена как на торцевой поверхности отражения света, так и на торцевой поверхности излучения света, или же только на одной торцевой поверхности и можно использовать различные материалы.

Согласно данному изобретению, не имеется ограничений для другой структуры устройства, такой как активный слой и плакировочный стой, и можно использовать различные структуры слоев. В качестве специальной структуры устройства можно использовать, например, структуру устройства, согласно варианту выполнения, описание которого приводится ниже. Нет также ограничений для электрода и можно использовать различные конструкции электрода. Состав нитридных полупроводников, используемых в различных слоях лазерного устройства, также не ограничен и можно использовать нитридные полупроводники, представленные формулой In_bAl_cGa_1-b-cN (0≤b, 0≤с, b+с<1).

Согласно данному изобретению, можно использовать любой из известных способов выращивания нитридного полупроводника, такие как MOVPE, MOCVD (химическое осаждение из паров металлоорганических соединений), HVPE (эпитаксия из паровой фазы галогенидов) и МВЕ (молекулярно-пучковая эпитаксия).

Варианты выполнения

Ниже приводится описание вариантов выполнения данного изобретения.

Хотя последующие варианты выполнения относятся к лазерным устройствам, выполненным из нитридного полупроводника, данное изобретение не ограничивается этим построением и технологию данного изобретения можно применять к различным полупроводникам.

Вариант выполнения 1

Ниже приводится описание лазерного устройства, согласно первому варианту выполнения. А именно, в качестве первого варианта выполнения представлено лазерное устройство, содержащее зону С₂ второго волновода, которая имеет структуру, показанную в разрезе на фиг.8, и зону C₁ первого волновода, которая имеет структуру, показанную в разрезе на фиг.9.

Хотя в первом варианте выполнения используется подложка, выполненная из сапфира, т.е. материала, отличного от нитридного полупроводника, можно также использовать подложку, выполненную из нитридного полупроводника, такого как GaN. В качестве подложки из другого материала можно использовать изолирующую подложку, такую как сапфир и шпинель (MgAl₂O₄), каждый из которых имеет главную плоскость в плоскости С, плоскости R или плоскости A, SiC (включая 6Н, 4Н и 3С), ZnS, ZnO, GaAs, Si или оксид, который можно согласовывать по кристаллической решетке с нитридным полупроводником, если на подложке можно выращивать нитридный полупроводник. В качестве подложки из другого материала предпочтительно используют сапфир и шпинель. Подложка из другого материала может иметь плоскость, отклоненную от плоскости с низким показателем, которую обычно используют (вне угла), в этом случае базовый слой, выполненный из нитрида галлия, можно выращивать с хорошей кристалличностью с использованием подложки, которая имеет ступенчатую внеугловую конфигурацию.

Кроме того, когда используется подложка из другого материала, то после выращивания на подложке базового слоя, выполненного из нитридного полупроводника, подложку из другого материала удаляют с помощью полирования или другого процесса для оставления только базового слоя перед формированием структуры устройства, а затем можно формировать структуру устройства с использованием базового слоя в качестве единственной подложки нитридного полупроводника, или же подложку из другого материала можно удалять после формирования структуры устройства.

В случае использования подложки из другого материала, как показано на фиг.8, структуру устройства, выполненную из правильного нитридного полупроводника, можно образовывать посредством формирования структуры устройства после формирования буферного слоя и на нем базового слоя. На фиг.8 показана в разрезе структура устройства в зоне С₂ второго волновода, а на фиг.9 показана в разрезе структура устройства в зоне C₁ первого волновода.

Буферный слой 102

В первом варианте выполнения сначала помещают подложку 101 из другого материала, выполненную из сапфира с главной плоскостью, лежащей в плоскости С, имеющей диаметр 2 дюйма, устанавливают в реакторный котел MOVPE, устанавливают температуру на 500°С и формируют буферный слой, выполненный из GaN с толщиной 200 с использованием триметилгаллия (TMG) и аммиака (NH₃).

Базовый слой 103

После выращивания буферного слоя 102 температуру устанавливают на 1050°С и выращивают слой 103 нитридного полупроводника, выполненного из GaN, до толщины 4 мкм с использованием TMG и аммиака. Этот слой формируют в качестве базового слоя (подложки для выращивания пленки) для построения устройства. Базовый слой можно также формировать из нитридного полупроводника с помощью ELOG (эпитаксиального латерального наращивания), которое обеспечивает возможность выращивания нитридного полупроводника с хорошей кристалличностью. ELOG относится суммарно к способам наращивания, сопровождаемым боковым наращиванием, при котором, например, после выращивания слоя нитридного полупроводника на подложке из другого материала, поверхность покрывают защитной пленкой, на которой сложно выращивать нитридный полупроводник, формируемый на ней, с конфигурацией в виде полосок с постоянными интервалами, и нитридный полупроводник выращивают снова из поверхности нитридного полупроводника, экспонированной через прорези в защитной пленке, покрывая тем самым всю подложку нитридным полупроводником. То есть, когда попеременно формируют маскированную зону, где сформирована маска, и немаскированную зону, где нитридный полупроводник экспонируют, и снова выращивают нитридный полупроводник из поверхности экспонированного нитридного полупроводника через немаскированную зону в направлении толщины, но также иногда в боковом направлении по мере выращивания, так чтобы покрыть маскированную зону, то покрывают тем самым всю подложку.

Процесс выращивания ELOG включает также процесс формирования отверстия, через которое экспонируется поверхность подложки, в слое нитридного полупроводника, который был выращен сначала на подложке из другого материала, и выращивают нитридный полупроводник из нитридного полупроводника, расположенного на боковой поверхности отверстия, образуя тем самым пленку.

Согласно данному изобретению, можно применять различные варианты способа выращивания ELOG. Когда нитридный полупроводник выращивают с использованием способа выращивания ELOG, то нитридный полупроводник, сформированный с помощью бокового выращивания, имеет хорошую кристалличность и поэтому можно получать слой нитридного полупроводника, имеющего в целом хорошую кристалличность.

Затем на базовом слое, выполненном из нитридного полупроводника, располагают пачкой следующие слои, составляющие структуру устройства.

Контактный слой 104 n-типа

Сначала формируют контактный слой 3, выполненный из GaN, легированного кремнием с концентрацией 1×10¹⁸/см³, до толщины 4,5 мкм при температуре 1050°С на подложке (базовом слое) 103 из нитридного полупроводника с использованием TMG, аммиака и силанового газа, используемого в качестве газа примеси.

Предотвращающий растрескивание слой 105

Затем формируют предотвращающий растрескивание слой 105, выполненный из In_0,06 Ga_0,94 N, до толщины 0,12 мкм при температуре 800°С с использованием TMG, TMI (триметилиндия) и аммиака. Предотвращающий растрескивание слой может отсутствовать.

Плакировочный слой 106 n-типа

После выращивания слоя A, выполненного из нелегированного AlGaN, до толщины 25 при температуре 1050°С с использованием ТМА (триметилалюминия), TMG и аммиака в качестве газа исходного материала, подачу ТМА останавливают и используют силановый газ в качестве газа примеси, и формируют слой В, выполненный из GaN, легированного кремнием с концентрацией 5×10¹⁸/см³, до толщины 25 . Эту операцию повторяют 160 раз для расположения последовательно слоев А и слоев В с целью формирования плакировочного слоя 106 n-типа, выполненного в виде многослойной пленки (суперкристаллической структуры), имеющей общую толщину 8000 . Одновременно может быть обеспечена разница в показателе преломления, достаточная для работы плакировочного слоя, когда доля Al в нелегированном AlGaN находится в диапазоне от 0,05 до 0,3.

Световодный слой 107 n-типа

Затем при аналогичной температуре формируют световодный слой 107 n-типа, выполненный из нелегированного GaN, до толщины 0,1 мкм с использованием TMG и аммиака в качестве газа исходного материала. Световодный слой 107 n-типа может быть легирован примесью n-типа.

Активный слой 108

Затем при температуре 800°С формируют барьерный слой, выполненный из In_0,05Ga_0,95N, легированного кремнием с концентрацией 5×10¹⁸/см³, до толщины 100 с использованием TMI (триметилиндия), TMG и аммиака в качестве газа исходного материала и силанового газа в качестве газа примеси. Затем прекращают подачу силанового газа и формируют слой с потенциальными ямами, выполненный из нелегированного In_0,1Ga_0,9N, до толщины 50 . Эту операцию повторяют три раза, образуя тем самым активный слой 108 с многослойной структурой с квантовыми потенциальными ямами, имеющий общую толщину 550 , при этом последний слой является барьерным слоем.

Слой 109 локализации электронов p-типа

Затем при той же температуре формируют слой 109 локализации электронов p-типа, выполненный из AlGaN, легированного магнием с концентрацией 1×10¹⁹/см³, до толщины 100 с использованием ТМА, TMG и аммиака в качестве газа исходного материала и Cp₂Mg (циклопентадиенилмагния) в качестве газа примеси. Этот слой может быть не предусмотрен, хотя будет действовать в качестве слоя локализации электронов и помогает увеличить порог, когда он предусмотрен.

Световодный слой 110 p-типа

Затем при температуре 1050°С формируют световодный слой 110 р-типа, выполненный из нелегированного GaN, до толщины 750 с использованием TMG и аммиака в качестве газа исходного материала.

Хотя световодный слой 110 p-типа выращен в виде нелегированного слоя, диффузия магния из слоя 109 локализации электронов p-типа увеличивает концентрацию магния до 5×10¹⁸/см³ и превращает слой в слой p-типа. В качестве альтернативного решения этот слой можно целенаправленно легировать магнием при выращивании.

Плакировочный слой 111 р-типа

Затем формируют слой из нелегированного Al_0,16Ga_0,84N до толщины 25 при температуре 1050°С, затем прекращают подачу ТМА и формируют слой из легированного магнием GaN до толщины 25 с использованием Cp₂Mg. Эту операцию повторяют для формирования плакировочного слоя 111 p-типа, состоящего из суперкристаллической структуры с общей толщиной 0,6 мкм. Когда формируется плакировочный слой p-типа в суперкристаллической структуре, состоящей из расположенных последовательно друг над другом слоев нитридного полупроводника с различной энергией запрещенной зоны, при этом, по меньшей мере, один из них содержит Al, то кристалличность обычно повышается за счет легирования одного из слоев с большей концентрацией, чем другого, с помощью так называемого модулированного легирования. Однако в данном изобретении оба слоя могут быть легированы одинаково.

Плакировочный слой выполнен с суперкристаллической структурой, состоящей из слоев нитридного полупроводника, которые включают Al, предпочтительно Al_XGa_XN (0<Х<1), более предпочтительно суперкристаллическую структуру из GaN и AlGaN, расположенных пачкой друг над другом. Поскольку плакировочный слой 111 p-типа, сформированный в суперкристаллической структуре, повышает долю Al во всем плакировочном слое, то может уменьшаться показатель преломления плакировочного слоя. Кроме того, поскольку может быть увеличена энергия запрещенной зоны, то это очень эффективно понижает порог. Кроме того, поскольку ямки, создаваемые в плакировочном слое, можно уменьшить с помощью суперкристаллической структуры по сравнению со случаем, когда отсутствует суперкристаллическая структура, то уменьшается также появление коротких замыканий.

Контактный слой 112 p-типа

Наконец, при температуре 1050°С формируют контактный слой 112 p-типа, выполненный из GaN, легированного магнием с концентрацией 1×10²⁰/см³, до толщины 150 на плакировочном слое 111 p-типа. Контактный слой p-типа можно формировать из In_XAl_YGa_1-X-YN (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1), и предпочтительно из легированного магнием GaN, что обеспечивает наилучший омический контакт с электродом 20 p-типа. Поскольку контактный слой 112 является слоем, где должен быть сформирован электрод, то желательно иметь высокую концентрацию носителей в 1×10¹⁷/см³ или выше. Когда концентрация меньше 1×10¹⁷/см³, то сложно обеспечить удовлетворительный омический контакт с электродом. Формирование контактного слоя с соединением GaN облегчает обеспечение удовлетворительного контакта с электродом. После окончания реакции кристаллическую пластину отжигают в атмосфере азота при температуре 700°С в реакционном котле, уменьшая тем самым дополнительно электрическое сопротивление слоя p-типа.

После формирования друг над другом слоев нитридного полупроводника указанным выше образом кристаллическую пластину вынимают из реакционного сосуда. Затем на поверхности самого верхнего контактного слоя р-типа формируют защитную пленку из SiO₂ и экспонируют поверхность контактного слоя 104 n-типа, на котором необходимо сформировать электрод n-типа, как показано на фиг.8, посредством травления с помощью газа SiCl₄ в процессе реактивного ионного травления. С целью углубления травления нитридного полупроводника SiO₂ является наиболее подходящим для защитной пленки. Одновременно экспонируют контактный слой 104 n-типа, торцевые поверхности активного слоя, которые должны становиться резонансными торцевыми поверхностями, за счет чего травленые торцевые поверхности служат в качестве резонансных торцевых поверхностей.

Ниже приводится подробное описание способа формирования зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода в качестве полосковой волноводной зоны. Сначала формируют первую защитную пленку, имеющую толщину 0,5 мкм, из оксида кремния (в основном SiO₂) на по существу всей поверхности самого верхнего контактного слоя (верхнего контактного слоя) 8 p-типа с помощью аппарата PDP.

Затем формируют первую защитную пленку 161 с помощью формирования рисунка (смотри фиг.5А, использованную в описании варианта выполнения). Формирование рисунка первой защитной пленки 161 выполняют с помощью фотолитографического процесса и устройства реактивного ионного травления с использованием газа SiF₄. Затем с использованием первой защитной пленки 161 в качестве маски удаляют часть контактного слоя 112 p-типа и плакировочного слоя 111 p-типа, так что плакировочный слой 111 p-типа остается с небольшой толщиной на обеих сторонах маски, образуя тем самым полосковые гребни над активным слоем 3 (смотри фиг.3, использованную в описании варианта выполнения). Это приводит к созданию второго гребня 202, который создает зону С₂ второго волновода. В это время второй гребень формируется посредством травления части контактного слоя 112 р-типа и плакировочного слоя 111 p-типа, так что плакировочный слой 111 p-типа протравливают на глубину 0,01 мкм.

После формирования второго полоскового гребня формируют пленку из фоторезиста в качестве третьей защитной пленки 163 за исключением части второго гребня (части, которая образует зону первого волновода) (смотри фиг.5С, использованную при описании варианта выполнения). Первая защитная пленка 161 остается на верхней поверхности гребня в части, где должна быть сформирована зона второго волновода, и на верхней поверхности гребня в части, где должна быть сформирована зона первого волновода.

Затем после переноса в устройство реактивного ионного травления третью защитную пленку 163 и первую защитную пленку 161 используют в качестве масок для травления на обеих сторонах первой защитной пленки 161 в части, где должна быть сформирована зона первого волновода, до глубины экспонирования плакировочного слоя 106 n-типа с использованием газа SiF₄, формируя тем самым первый гребень полосковой конфигурации, который образует зону C₁ первого волновода. В это время первый гребень, формируемый с полосковой конфигурацией, формируется посредством травления плакировочного слоя 106 на обеих сторонах первого гребня до глубины 0,2 мкм.

Кристаллическую пластину, имеющую сформированные на ней зону C₁ первого волновода и зону С₂ второго волновода, затем переводят в аппарат PDP, где формируют вторую защитную пленку 162, выполненную из оксида Zr (в основном ZrO₂), с толщиной 0,5 мкм непрерывно на поверхности первой защитной пленки 161, на боковых поверхностях первого и второго гребня, на плакировочном слое 111 р-типа, который был экспонирован посредством травления, и на плакировочном слое 106 n-типа (смотри фиг.7А, использованную при описании варианта выполнения).

После формирования второй защитной пленки 162 кристаллическую пластину подвергают тепловой обработке при температуре 600°С. Когда вторая защитная пленка 162 сформирована из материала, отличного от SiO₂, то предпочтительно применять тепловую обработку при температуре не ниже 300°С, предпочтительно 400°С или выше, но ниже температуры разложения нитридного полупроводника (1200°С), после формирования второй защитной пленки, что делает вторую защитную пленку менее растворимой в материале (фтористоводородной кислоте), который растворяет первую защитную пленку.

Затем кристаллическую пластину погружают в фтористоводородную кислоту для удаления первой защитной пленки 161 (процесс обратной литографии). Тем самым удаляют первую защитную пленку 161, созданную на контактном слое 112 p-типа, экспонируя тем самым контактный слой 112 p-типа. Вторая защитная пленка 162 формируется на боковых поверхностях первого гребня 201 и второго гребня 202, которые сформированы в виде полосок на зоне С₁ первого волновода и зоне С₂ второго волновода, и на поверхности, расположенной на обеих сторонах гребня, продолжающих его (поверхности плакировочного слоя 111 p-типа, расположенной на обеих сторонах второго гребня, и поверхности плакировочного слоя n-типа, расположенной на обеих сторонах первого гребня) с помощью описанного выше процесса (смотри фиг.7С, использованную при описании варианта выполнения).

После удаления указанным выше образом первой защитной пленки 161, созданной на контактном слое 112 p-типа, на поверхности экспонированного контактного слоя p-типа формируют электрод 120 p-типа, выполненный из Au/Ni, с образованием омического контакта между ними. Электрод 120 р-типа формируют с шириной полоски 100 мкм над второй защитной пленкой 162, как показано на фиг.8. В это время формируется электрод 120 р-типа только в зоне C₁ первого волновода и зоне С₂ второго волновода в направлении полоски в первом варианте выполнения. В первом варианте выполнения электрод 120 р-типа формируют на такой длине, что он не достигает обоих концов зоны С₂ второго волновода. После формирования второй защитной пленки 162 формируют электрод 121 n-типа, выполненный из Ti/Al, в направлении, параллельном полоске на контактном слое 104 n-типа, который уже был экспонирован.

Затем маскируют зону, где должны быть созданы электроды р-типа и n-типа, и формируют многослойную диэлектрическую пленку 164, выполненную из SiO₂ и TiO₂. После удаления маски формируют отверстия для экспонирования электродов p-типа и n-типа в многослойной диэлектрической пленке 164. Через отверстия на электродах p-типа и n-типа формируют выводящие электроды 122, 123, выполненные из Ni-Ti-Au (1000 - 1000 - 8000 ). В первом варианте выполнения активный слой 108 в зоне С₂ второго волновода формируют с шириной 200 мкм (ширина в направлении, перпендикулярном направлению резонатора). Направляющий слой формируют с аналогичной шириной.

После формирования электродов p-типа и n-типа формируют резонансные торцевые поверхности на концах зоны C₁ первого волновода и зоны С₂ второго волновода посредством травления дальше до экспонирования подложки.

В лазерном устройстве, согласно первому варианту выполнения, резонатор формируют с общей длиной 650 мкм, а зону С₁ первого волновода формируют с общей длиной 5 мкм, включая одну из торцевых поверхностей резонатора. Таким образом, зона С₂ второго волновода имеет полную длину 645 мкм, включая другую торцевую поверхность. На торцевых поверхностях резонатора, созданных посредством травления, сформирована многослойная диэлектрическая пленка, выполненная из SiO₂ и TiO₂. Затем полируют сапфировую подложку кристаллической пластины до толщины 70 мкм и разделяют со стороны подложки на бруски, после чего бруски кристаллической пластины разделяют на отдельные устройства, получая тем самым лазерные устройства.

Хотя в первом варианте выполнения резонансная торцевая поверхность образована посредством формирования многослойной диэлектрической пленки на травленой поверхности, кристаллическую пластину можно разделять на бруски вдоль поверхности М (11-00), которая является поверхностью расщепления GaN, для использования поверхности в качестве резонансной торцевой поверхности.

С помощью лазерного устройства, согласно первому варианту выполнения, изготовленного указанным выше образом, подтверждается возможность непрерывных колебаний с длиной волны 405 нм с выходной мощностью 30 мВт при пороге 2,0 кА/см² при комнатной температуре. Получена также хорошая диаграмма направленности в дальней зоне луча с коэффициентом формы 1,5, что представляет хорошие характеристики луча для источника света в системе с оптическим диском. Превосходные характеристики обеспечиваются с помощью признаков данного изобретения, которые позволяют излучать лазерный луч с желаемыми оптическими характеристиками посредством регулирования ширины гребня зоны C₁ первого волновода на стороне излучения света, независимо от ширины полоски зоны С₂ второго волновода, которая выполняет в основном роль зоны усиления. Кроме того, лазерное устройство, согласно первому варианту выполнения, не испытывает сдвига поперечной моды в диапазоне выходной мощности от 5 до 30 мВт, и поэтому имеет благоприятные характеристики, подходящие для источника света для считывания и записи в системе с оптическим диском. Дополнительно к этому, можно получать лазерное устройство, имеющее хорошие параметры при работе с выходной мощностью 30 мВт по сравнению с обычным лазерным устройством, основанным на показателе преломления.

Кроме того, в первом варианте выполнения можно создавать электрод p-типа на длине, которая покрывает зону C₁ первого волновода, как показано на фиг.7С. При такой конструкции можно изготавливать лазерное устройство, имеющее превосходные характеристики луча и продолжительный срок службы.

Вариант выполнения 2

Лазерное устройство изготавливают аналогично первому варианту выполнения, за исключением длины зоны C₁ первого волновода, которая устанавливается равной 1 мкм. Для формирования зоны C₁ первого волновода с такой небольшой длиной первый гребень в форме полоски формируют длиннее, чем конечная длина резонатора (например, несколько десятых до около 100 мкм), а затем формируют резонансную торцевую поверхность посредством травления или разделения подложки в таком месте, чтобы получить желаемую длину зоны C₁ первого волновода. В результате становится более трудным формировать второй гребень 201 со стабильной формой, чем в первом варианте выполнения, хотя можно хорошо управлять поперечной модой колебаний даже при этой длине. Кроме того, более короткая длина зоны первого волновода слегка увеличивает срок службы устройства по сравнению с первым вариантом выполнения.

Вариант выполнения 3

Лазерное устройство, согласно третьему варианту выполнения, имеет конструкцию, аналогичную первому варианту выполнения, за исключением формирования зоны C₁ первого волновода, имеющей длину 5 мкм на своих обоих концах (смотри фиг.4В). То есть, лазерное устройство, согласно третьему варианту выполнения, имеет зону С₂ второго волновода, расположенную в центре, и зоны C₁ первого волновода, расположенные на обеих сторонах второй зоны, в то время как зона C₁ первого волновода включает резонансную торцевую поверхность. Лазерное устройство, согласно третьему варианту выполнения, имеющее такую конструкцию, имеет диаграмму направленности в дальней зоне и коэффициент формы луча, аналогичные первому варианту выполнения.

Вариант выполнения 4

Лазерное устройство имеет конструкцию, аналогичную первому варианту выполнения, за исключением того, что второй гребень 202, предусмотренный для образования зоны С₂ второго волновода, сформирован посредством травления с оставлением направляющего слоя p-типа, имеющего толщину 500 на обеих сторонах второго гребня. Хотя полученное таким образом лазерное устройство имеет более низкий порог, чем в первом варианте выполнения, получают характеристики луча, аналогичные характеристикам в первом варианте выполнения.

Вариант выполнения 5

Лазерное устройство, согласно пятому варианту выполнения, имеет конструкцию, аналогичную первому варианту выполнения, за исключением создания наклонной поверхности между зоной C₁ первого волновода и зоной С₂ второго волновода (смотри фиг.4А).

А именно, в пятом варианте выполнения на границе между зоной C₁ первого волновода и зоной C₂ второго волновода секущие поверхности, образованные путем травления между поверхностью плакировочного слоя 106 n-типа, расположенной на обеих сторонах первого гребня, и поверхностью плакировочного слоя 111 p-типа, расположенной на обеих сторонах второго гребня, наклонены на 90° относительно поверхности плакировочного слоя 106 n-типа.

Хотя лазерное устройство, изготовленное указанным выше образом, может иметь разброс характеристик устройства по сравнению с первым вариантом выполнения, обеспечивается эффект данного изобретения относительно получения хорошей диаграммы направленности в дальней зоне и улучшенной надежности.

Вариант выполнения 6

Лазерное устройство, согласно шестому варианту выполнения, имеет конструкцию, аналогичную первому варианту выполнения, за исключением предусмотрения зоны С₃ третьего волновода между зоной C₁ первого волновода и зоной С₂ второго волновода, как показано на фиг.13. А именно, в лазерном устройстве, согласно шестому варианту выполнения, после формирования второго гребня 202 на глубине, достигающей слой проводимости второго типа (плакировочного слоя 111 p-типа), формируют зону С₃ третьего волновода, имеющую боковую поверхность 204, сформированную под углом α, равным 20°, к направлению АА резонатора, одновременно с формированием первого гребня посредством травления вниз до слоя проводимости первого типа (плакировочного слоя 106 n-типа). Таким образом, изготавливается лазерное устройство, согласно шестому варианту выполнения, которое имеет зону С₃ третьего волновода дополнительно к зоне C₁ первого волновода и зоне С₂ второго волновода. В лазерном устройстве, согласно шестому варианту выполнения, имеющем указанную выше конструкцию, свет, который направляется при распространении в плоскости активного слоя в зоне С₂ второго волновода, отражается на боковой поверхности 204 зоны С₃ третьего волновода и направляется в сторону зоны C₁ первого волновода, и поэтому свет можно направлять плавно. Таким образом, когда свет, направляемый в направлении резонатора, падает на боковую поверхность 204 с углом падения (90°-α), то свет претерпевает полное отражение на боковой поверхности 204 и его можно направлять в полосковую волноводную зону без потерь. В зоне С₂ второго волновода и зоне С₃ третьего волновода эффективная разница в показателе преломления обеспечивается в плоскости активного слоя с помощью второго гребня 202, который предусмотрен на слое проводимости второго типа (плакировочном слое 111 p-типа), и образуется полосковая волноводная зона. В зоне С₃ третьего волновода свет, направляемый при выходе из зоны непосредственно под вторым гребнем, может удовлетворительно направляться в зону C₁ первого волновода.

В шестом варианте выполнения, как указывалось выше, поскольку боковая поверхность 204 наклонена относительно боковой поверхности первого гребня в зоне C₁ первого волновода, то можно плавно направлять свет. Граница между боковой поверхностью 204 и зоной С₂ второго волновода может быть также соединена непосредственно с зоной С₂ второго волновода без изгиба, как показано на фиг.13.

В лазерном устройстве, согласно шестому варианту выполнения, как указывалось выше, поскольку свет, направляемый в полосковой волноводной зоне в плоскости активного слоя и выходящий из него в зону С₂ второго волновода, можно эффективно направлять в зону C₁ первого волновода, то можно улучшать характеристики устройства. В лазерном устройстве, согласно шестому варианту выполнения, в частности, пороговое значение плотности тока может быть уменьшено и увеличена эффективная крутизна.

Вариант выполнения 7

Лазерное устройство, согласно седьмому варианту выполнения, имеет конструкцию, аналогичную первому варианту выполнения, за исключением конструкции зоны C₁ первого волновода с двухступенчатой конфигурацией, в которой боковая поверхность сформирована в две ступени.

А именно, в седьмом варианте выполнения после формирования полоскового гребня посредством травления до глубины, которая не достигает активного слоя, протравливают гребень более широкий, чем ширина полоски гребня, вниз до плакировочного слоя 106 n-типа в части, где должна быть сформирована зона первого волновода, формируя тем самым двухступенчатый гребень.

На фиг.14 показана структура лазерного устройства, согласно седьмому варианту выполнения, в изометрической проекции, на фиг.14С показано поперечное сечение зоны C₁ первого волновода, а на фиг.14 - поперечное сечение зоны С₂ второго волновода. В лазерном устройстве, согласно седьмому варианту выполнения, как показано на фиг.14А, зона C₁ первого волновода сформирована в виде двухступенчатого гребня, содержащего верхний гребень с шириной S_w1 и нижний гребень с шириной S_w2. В зоне C₁ первого волновода, поскольку активный слой расположен в нижнем гребне и ширина активного слоя определяется шириной S_w2 нижнего гребня, то волновод можно рассматривать как образованный по существу нижним гребнем. Структура седьмого варианта выполнения позволяет более просто управлять шириной S_w2 нижнего гребня по сравнению со случаем, когда первый гребень сформирован как в первом варианте выполнения или т.п., в результате чего ширину активного слоя зоны первого волновода можно формировать более точно. Это объясняется тем, что в то время как травление осуществляют в две стадии с одной маской при формировании первого гребня для создания зоны С₁ первого волновода с помощью способа, показанного на фиг.5, ступенька образуется на границе между частью, используемой совместно вторым гребнем, который был сформирован первым, и частью под ним во время второго травления до глубины, которая достигает слоя проводимости первого типа, что делает ненадежным точное управление шириной нижней части.

В противоположность этому, согласно седьмому варианту выполнения, после травления верхнего гребня в процессе травления, общем для второго гребня, нижний гребень формируют посредством травления с использованием маски, отличной от маски, используемой при формировании верхнего гребня. Следовательно, нижний гребень можно формировать с точной шириной, в то время как активный слой 3, расположенный в нижнем гребне, можно также формировать с точной шириной.

Таким образом, согласно данному варианту выполнения, можно изготавливать лазерное устройство, имеющее характеристики, эквивалентные первому варианту выполнения, с меньшим разбросом, обусловленным изготовлением. Другими словами, лазерное устройство, согласно седьмому варианту выполнения, является предпочтительным с точки зрения изготовления.

Вариант выполнения 8

Структура лазерного устройства, согласно восьмому варианту выполнения, имеет зону третьего волновода, сформированную между зоной первого волновода и зоной второго волновода, при этом зона третьего волновода имеет конструкцию, отличающуюся от шестого варианта выполнения.

А именно, в структуре лазерного устройства, согласно восьмому варианту выполнения, зона С₃ третьего волновода образована из третьего гребня, созданного на плакировочном слое 111 p-типа и на контактном слое 112 p-типа, как показано на фиг.15А, при этом третий гребень уменьшается по ширине в направлении зоны первого волновода.

Таким образом, согласно восьмому варианту выполнения, формирование зоны третьего волновода обеспечивает возможность соединения зоны первого волновода и зоны второго волновода, которые имеют разную ширину, без ступенчатого изменения ширины волновода.

На фиг.15А показана в изометрической проекции структура лазерного устройства, согласно восьмому варианту выполнения, а на фиг.15 показано поперечное сечение активного слоя. На фиг.15В ширина S_w1 является шириной второго гребня у его основания, и ширина S_w2 является шириной части активного слоя первого гребня.

Воображаемая линия (линия со штрихом и двумя точками) на фиг.15В является проекцией второго гребня и третьего гребня на плоскость поперечного сечения активного слоя. Поскольку волноводы зоны второго волновода и зоны третьего волновода образованы посредством обеспечения эффективной разницы в показателе преломления в активном слое, соответствующем второму гребню и третьему гребню, то воображаемую линию (линию со штрихом и двумя точками) можно рассматривать как по существу представляющую волноводы зоны второго волновода и зоны третьего волновода.

Структура лазерного устройства, согласно восьмому варианту выполнения, выполненная указанным выше образом, имеет превосходные характеристики, аналогичные первому варианту выполнения.

Вариант выполнения 9

Девятый вариант выполнения является примером изготовления лазерного устройства, которое имеет конструкцию, аналогичную первому варианту выполнения, с помощью способа, отличного от первого варианта выполнения.

Согласно девятому варианту выполнения, второй гребень формируют после того, как сформирован первый гребень.

А именно, после формирования друг над другом слоев, аналогично первому варианту выполнения, формируют первую защитную пленку 161, имеющую форму полоски, на поверхности слоистого материала, как показано на фиг.5А. Затем, как показано на фиг.6А, формируют третью защитную пленку 163 за исключением части первой защитной пленки 161 (где должна быть сформирована зона первого волновода), и обе стороны первой защитной пленки 161 протравливают на глубину до экспонирования нижнего плакировочного слоя 5 (плакировочного слоя 106 n-типа), образуя тем самым первый гребень 201, как показано на фиг.6В. Затем после временного удаления третьей защитной пленки 163 формируют третью защитную пленку 163 для покрытия первого гребня 201, как показано на фиг.6С. При этом условии части, где должна быть сформирована зона второго волновода, за исключением частей на обеих сторонах первой защитной пленки 161, покрыты, по меньшей мере, первой защитной пленкой или третьей защитной пленкой 163. После создания этого состояния формируют второй гребень посредством травления зон, которые не покрыты первой защитной пленкой 161 и третьей защитной пленкой 163, до глубины, которая не достигает активного слоя.

В это время ширина и высота гребней, которые образуют зону C₁ первого волновода и зону С₂ второго волновода, устанавливается равной аналогичным величинам первого варианта выполнения. Затем удаляют третью защитную пленку 163, созданную на зоне первого волновода, с оставлением только первой защитной пленки 161, которая является полосковой маской, с последующим процессом, аналогичным первому варианту выполнения, в котором формируют вторую защитную пленку (заглубленный слой) на боковой поверхности полоски и на поверхности слоя нитридного полупроводника, который продолжает ее. Тем самым получают лазерное устройство, аналогичное первому варианту выполнения. В соответствии с описанным способом, согласно девятому варианту выполнения, хотя количество процессов увеличивается по сравнению со способом, согласно первому варианту выполнения, можно изготавливать лазерное устройство, аналогичное первому варианту выполнения.

Вариант выполнения 10

Десятый вариант выполнения является примером изготовления лазерного устройства с использованием подложки из нитридного полупроводника, при этом основная конструкция устройства имеет зону С₂ второго волновода, показанную на фиг.8, и зону C₁ первого волновода, показанную на фиг.9.

Подложка 101

В десятом варианте выполнения используется нитридная полупроводниковая подложка, выполненная из GaN, толщиной 80 мкм, изготовленная описанным ниже образом.

Так же, как в случае подложки из другого материала, на которой следует выращивать нитридный полупроводник, подготавливают сапфирную подложку с основной плоскостью, лежащей в плоскости С, и плоско ориентированной плоскостью в плоскости А. Кристаллическую пластину помещают в реактивный котел MOCVD. Затем при температуре, установленной на 510°С, и с использованием водорода в качестве газа носителей и аммиака и TMG (триметилгаллия) в качестве газа исходного материала формируют выращиваемый при низкой температуре буферный слой, выполненный из GaN, до толщины 200 на сапфировой подложке, с последующим выращиванием базового слоя, выполненного из нелегированного GaN, до толщины 2,5 мкм с использованием TMG и аммиака в качестве газа исходного материала при температуре 1050°С. Формируют множество масок, выполненных из SiO₂, в форме полосок шириной 6 мкм каждая, параллельно друг другу под углом θ=0,3° к направлению, перпендикулярному плоско ориентированной поверхности (плоскости А) сапфировой подложки, так что расстояние между масками (апертура маски) составляет 14 мкм. Затем подложку возвращают в устройство MOCVD, где выращивают нелегированный GaN до толщины 15 мкм. В этом процессе GaN, который выращивается избирательно через апертуру маски, растет в основном в продольном направлении (в направлении толщины) в апертуре маски и растет в боковом направлении над маской, так что формируется базовый слой, покрывающий маску и апертуру маски. В базовом слое, изготовленном указанным выше образом, можно уменьшить возникновение беспрепятственной дислокации в слое нитридного полупроводника, который выращен в боковом направлении. А именно, беспрепятственная дислокация возникает так, что плотность дислокации увеличивается до около 10¹⁰/см² над апертурой маски и вокруг центра маски, где сближаются фронты растущих тел нитридного полупроводника в боковом направлении с обеих сторон стыка маски, и плотность дислокации уменьшается до около 10⁸/см² над маской, за исключением ее центральной части.

Затем кристаллическую пластину помещают в устройство эпитаксии из паровой фазы галогенидов (HVPE), где выращивают нелегированный GaN до толщины около 100 мкм на базовом слое (базовый слой, выращенный до толщины около 100 мкм, будет называться слоем толстой пленки). Затем подложку из другого материала, выращиваемый при низкой температуре буферный слой, базовый слой и часть слоя толстой пленки удаляют с оставлением только слоя толстой пленки (сингуляризация) и получают подложку из GaN толщиной 80 мкм. Хотя слой тонкой пленки, сформированный с помощью эпитаксии из паровой фазы галогенидов, может быть выполнен из нитридного полупроводника, отличного от GaN, предпочтительно использовать GaN или AlN, который обеспечивает возможность выращивания толстого слоя нитридного полупроводника с хорошей кристалличностью, согласно данному изобретению. Подложку из другого материала можно удалять или после формирования структуры устройства, описание которой приведено ниже, или после формирования волновода, или после формирования электрода. Когда подложку из другого материала удаляют перед разрезанием кристаллической пластины на бруски или кристаллы, можно использовать плоскости расщепления нитридного полупроводника ({11-00} плоскости М, {1010} плоскости А, {0001} плоскости А в приближении шестиугольной системой).

Базовый слой 102

Базовый слой 102 формируют до толщины около 15 мкм на подложке из нитридного полупроводника с возможностью роста также в боковом направлении. При этом используют полосковую маску из SiO₂, аналогичную маске базового слоя, используемой при изготовлении подложки из нитридного полупроводника.

Буферный слой 103

Буферный слой из нелегированного AlGaN с долей Al 0,01 формируют на базовом слое 102. Хотя буферный слой 103 может отсутствовать, однако в случае, когда подложка, в которой используется боковое выращивание, выполнена из GaN, или в случае, когда базовый слой, сформированный с использованием бокового выращивания, выполнен из GaN, то предпочтительно формировать буферный слой 103, поскольку появление ямок может уменьшаться при использовании буферного слоя, выполненного из нитридного полупроводника, который имеет более низкий коэффициент теплового расширения, чем GaN, а именно Al_aGa_1-aN (0<а≤1) или подобный материал. То есть, появление ямок вероятно, когда нитридный полупроводник выращивают на другом типе нитридного полупроводника, который был выращен в процессе, сопровождающимся боковым ростом, как в случае базового слоя 102, в то время как буферный слой 103 предотвращает появление ямок.

Предпочтительно также, чтобы доля алюминия, содержащегося в буферном слое 103, составляла 0<а<0,3, что обеспечивает возможность формирования буферного слоя 103 с хорошей кристалличностью. После формирования буферного слоя 103 может быть сформирован контактный слой n-типа, аналогичный по составу буферному слою, что придает эффект буферного слоя также контактному слою 104 n-типа. То есть, буферный слой 103 уменьшает ямки и улучшает характеристики устройства, когда, по меньшей мере, один буферный слой предусмотрен между латерально выращенным слоем (подложкой GaN) и слоем нитридного полупроводника, который образует структуру устройства, или между активным слоем внутри структуры устройства и латерально выращенным слоем (подложкой GaN), и более предпочтительно на стороне подложки в структуре устройства между нижним плакировочным слоем и латерально выращенным слоем (подложкой GaN). Когда буферный слой выполняет также функцию контактного слоя n-типа, то доля алюминия, содержащегося в нем, предпочтительно не больше 0,1, для обеспечения хорошего омического контакта с электродом. Буферный слой, сформированный на базовом слое 102, можно выращивать при низкой температуре в диапазоне от 300 до 900°С аналогично буферному слою, который создается на подложке из другого материала, как описывалось выше, однако эффект уменьшения ямок может быть улучшен посредством выращивания одного кристалла при температуре в диапазоне от 800 до 1200°С. Кроме того, буферный слой 103 можно легировать примесью n-типа или р-типа или не легировать, хотя предпочтительно выращивать без легирования для получения хорошей кристалличности. В случае, когда создают два или более буферных слоев, слой можно формировать при одновременном изменении концентрации примеси n-типа или p-типа и/или доли алюминия.

Контактный слой 104 n-типа

Контактный слой 104 n-типа, выполненный из Al_0,01Ga_0,99N, легированного кремнием с концентрацией 3×10¹⁸/см³, формируют до толщины 4 мкм на буферном слое 103.

Предотвращающий растрескивание слой 105

Предотвращающий растрескивание слой 105, выполненный из In_0,06Ga_0,94N, формируют до толщины 0,15 мкм на контактном слое 104 n-типа.

Плакировочный слой 106 n-типа

Плакировочный слой 106 n-типа формируют с суперкристаллической структурой до толщины 1,2 мкм на предотвращающем растрескивание слое 105.

А именно, плакировочный слой 106 n-типа формируют посредством формирования слоя нелегированного In_0,05Ga_0,95N до толщины 25 мкм и слоя GaN, легированного кремнием с концентрацией 1×10¹⁹ /см³, попеременно друг над другом.

Световодный слой 107 n-типа

Световодный слой 107 n-типа, выполненный из нелегированного GaN, формируют с толщиной 0,15 мкм на плакировочном слое 106 n-типа.

Активный слой 108

Активный слой 108 со структурой с множеством квантовых потенциальных ям с общей толщиной 550 формируют на световодном слое 107 n-типа.

А именно, активный слой 108 формируют посредством формирования барьерного слоя (В), выполненного из In_0,05Ga_0,95N, легированного кремнием с концентрацией 5×10¹⁸ /см³, с толщиной 140 , и слоя (W)Б, выполненного из нелегированного In_0,13Ga_0,87N с толщиной 50 , попеременно в последовательности (B)-(W)-(B)-(W)-(В).

Слой 109 локализации электроновр-типа

Слой 109 локализации электронов р-типа, выполненный из Al_0,3Ga_0,7N p-типа, легированного Mg с концентрацией 1×10²⁰/см³, формируют до толщины 100 на активном слое 108.

Световодный слой 110 р-типа

Световодный слой 110 р-типа, выполненный из GaN p-типа, легированного Mg с концентрацией 1×10¹⁸/см³, формируют до толщины 0,15 мкм на слое 109 локализации электронов р-типа.

Плакировочный слой 111 р-типа

Плакировочный слой 111 p-типа с суперкристаллической структурой с общей толщиной 0,45 мкм формируют на световодном слое 110.

А именно, плакировочный слой 111 p-типа формируют посредством формирования слоя нелегированного Al_0,05Ga_0,95N с толщиной 25 и слоя GaN p-типа, легированного магнием с концентрацией 1×10²⁰/см³, с толщиной 25 попеременно друг над другом.

Контактный слой 112 р-типа

Контактный слой 112 р-типа, выполненный из GaN p-типа, легированного магнием с концентрацией 2×10²⁰/см³, формируют до толщины 150 на плакировочном слое 111 p-типа.

После формирования структуры устройства от контактного слоя 104 n-типа до контактного слоя 112 p-типа экспонируют контактный слой 104 n-типа, формируют зону C₁ первого волновода и зону C₂ второго волновода с помощью травления и формируют вторую защитную пленку 162 (заглубленный слой) на боковых поверхностях первого гребня и второго гребня и на поверхности слоя нитридного полупроводника, который продолжается в него, аналогично первому варианту выполнения. В это время формируют второй гребень, предусмотренный для создания зоны C₂ второго волновода, с помощью травления световодного слоя 110 p-типа на обеих сторонах второго гребня, до глубины, при которой толщина пленки становится равной 0,1 мкм.

Ниже приводится описание способа формирования резонансной торцевой поверхности лазерного устройства, согласно десятому варианту выполнения.

Согласно десятому варианту выполнения, резонансные торцевые поверхности эффективно формируют посредством расположения пары лазерных устройств так, что два устройства находятся противоположно друг другу симметрично относительно плоскости симметрии.

А именно, зоны С₂ второго волновода, каждая длиной 645 мкм, формируют на обеих сторонах зоны C₁ первого волновода, которая имеет длину 10 мкм (зоны первого волновода пары соединенных лазерных устройств) (смотри фиг.17В, части IIIb и IVb).

Наружные торцевые поверхности зон С₂ второго волновода на обеих сторонах формируют одновременно при травлении для экспонирования контактного слоя n-типа.

Затем аналогично первому варианту выполнения формируют электрод 121 n-типа и электрод 120 p-типа на поверхностях контактного слоя 104 n-типа и контактного слоя 112 p-типа.

Затем формируют изолирующую пленку (отражающую пленку) 164, выполненную из многослойной диэлектрической пленки, на всех поверхностях, которые экспонируются, включая торцевые поверхности зоны второго волновода и боковые поверхности каждого гребня, предусмотренного для образования волноводных зон.

С помощью этого процесса формируют изолирующую пленку 164, которая служит отражательной пленкой на торцевом конце зоны С₂ второго волновода и изолирующей пленкой в других частях (в частности, предотвращает короткое замыкание между р-n электродами). Согласно десятому варианту выполнения, электрод 120 р-типа формируют на части контактного слоя 112 p-типа с шириной, меньшей ширины полоски контактного слоя 112 р-типа, в отличие от электродов, показанных фиг.8 и 9. Электрод 120 p-типа сформирован только наверху зоны С₂ второго волновода в направлении полоски. Электрод 120 p-типа сформирован на небольшом расстоянии от конца зоны С₂ второго волновода.

Затем часть изолирующей пленки 164, созданной на электродах n-типа и p-типа, удаляют для экспонирования электродов, формируя тем самым башмаки 122, 124 электродов, которые осуществляют электрическое соединение с поверхностью электродов.

Затем вокруг центра зоны C₁ первого волновода, которая равна 10 мкм (смотри линию Е-Е на фиг.17В), нитридный полупроводник расщепляют вдоль поверхности М на бруски, и бруски расщепляют параллельно направлению резонатора вдоль плоскости А, перпендикулярной плоскости М расщепления между устройствами, получая тем самым кристаллы.

Лазерный кристалл, полученный указанным выше образом, имеет первую зону C₁ первого волновода, имеющую длину около 5 мкм, и зону С₂ второго волновода, имеющую длину 645 мкм, при этом торцевая поверхность зоны C₁ первого волновода используется в качестве поверхности излучения света аналогично первому варианту выполнения.

Лазерное устройство, полученное указанным выше образом, имеет пороговую плотность тока 2,5 кА/см² и пороговое напряжение 4,5 В при комнатной температуре при длине волны колебаний 405 нм и коэффициенте формы 1,5 излучаемого лазерного луча. При непрерывных колебаниях с мощностью 30 мВт лазерное устройство может работать с высокой выходной мощностью в течение 1000 часов или более. Лазерное устройство способно работать в режиме непрерывных колебаний с выходной мощностью в диапазоне от 5 мВт до 80 мВт и имеет характеристики луча, подходящие для использования в качестве светового источника в системах с оптическим диском в этом диапазоне выходной мощности.

Вариант выполнения 11

Лазерное устройство, согласно одиннадцатому варианту выполнения, построено с использованием легированного кремнием GaN n-типа толщиной 80 мкм в качестве подложки 101, вместо нелегированного GaN толщиной 80 мкм в десятом варианте выполнения. Подложку 101, выполненную из легированного кремнием GaN n-типа, изготавливают посредством формирования выращиваемого при низкой температуре буферного слоя на подложке из другого материала, формирования базового слоя в процессе выращивания, сопровождаемого латеральным ростом, формирования толстой пленки легированного кремнием GaN n-типа до толщины 100 мкм с помощью эпитаксии из паровой фазы галогенидов и последующего удаления подложки из другого материала.

В одиннадцатом варианте выполнения буферный слой 103, выполненный из легированного кремнием Al_0,01Ga_0,99N, формируют на подложке 101 из GaN n-типа и на нем формируют слои друг над другом от контактного слоя 104 n-типа до контактного слоя 112 р-типа аналогично первому варианту выполнения.

Затем формируют разделительную канавку с помощью травления для экспонирования контактного слоя 112 p-типа с целью определения зоны, где должны быть образованы волноводные зоны устройств. Согласно одиннадцатому варианту выполнения, в отличие от первого варианта выполнения нет необходимости предусматривать пространство для формирования электрода n-типа на экспонированной поверхности контактного слоя n-типа для выполнения структуры противоположно расположенных электродов на обеих сторонах подложки без формирования пары из положительного и отрицательного электродов на одной и той же стороне. Поэтому смежные устройства можно располагать ближе друг к другу, чем в десятом варианте выполнения.

В одиннадцатом варианте выполнения различные зоны задают посредством экспонирования контактного слоя n-типа с помощью травления, однако последующий процесс можно выполнять также без травления для обеспечения противоположного расположения в этой конструкции. При формировании разделяющей канавки слой между контактным слоем n-типа и подложкой может быть экспонирован, или же можно формировать разделительную канавку так, чтобы экспонировать подложку. Кроме того, в случае формирования разделительной канавки посредством экспонирования подложки, то подложку можно протравливать посредине для экспонирования подложки.

Зоны для определения устройств необязательно формировать для каждого устройства, и может быть сформирована зона для совместного создания двух устройств, как описано в десятом варианте выполнения, или зоны для совместного создания трех устройств (например, части III и IV, показанные на фиг.17А, 17В, формируют совместно).

Аналогичным образом, в направлении, перпендикулярном направлению прохождения света, можно сформировать множество зон непрерывно без формирования разделительных канавок между устройствами.

Растрескивание и расслоение в активном слое за счет удара при разделении можно предотвратить за счет формирования канавки с помощью травления глубже, чем активный слой, и разделения вдоль канавки (например, части А-А, показанные на фиг.17А, 17В).

В одиннадцатом варианте выполнения зону для каждого устройства отделяют для изготовления отдельных устройств. Затем аналогично десятому варианту выполнения формируют полосковые гребни для образования волноводных зон, а затем формируют зону C₁ первого волновода и зону С₂ второго волновода в каждой зоне, соответствующей каждому устройству. Зону C₁ первого волновода формируют с длиной полоски 10 мкм.

Затем аналогично десятому варианту выполнения формируют электрод р-типа в виде полоски, имеющей ширину меньше ширины контактного слоя p-типа на поверхности контактного слоя p-типа только в зоне C₂ второго волновода. В это время формируют электрод p-типа в виде полоски с длиной, не достигающей торцевой поверхности второго гребня, который образует зону С₂ второго волновода, так чтобы оставалось небольшое расстояние до него.

Затем формируют электрод n-типа на задней стороне подложки (на поверхности, противоположной поверхности подложки, на которой образована структура устройства). Затем аналогично десятому варианту выполнения формируют изолирующую пленку (отражательную пленку) 164, выполненную из данного изобретения электрической многослойной пленки на по существу всей поверхности на стороне подложки, где сформирована структура устройства, при этом экспонируют часть электрода p-типа, формируют башмак электрода для обеспечения электрического соединения с экспонированным электродом p-типа.

Наконец, получают лазерное устройство в виде кристаллов посредством расщепления в месте D-D разрезания, расположенном в центре зоны C₁ первого волновода, при этом направление разрезания перпендикулярно направлению резонатора, и вдоль плоскости М подложки в месте А-А разрезания между устройствами, для разделения на бруски и затем расщепления устройств вдоль плоскости А, перпендикулярной плоскости расщепления.

Лазерное устройство, полученное указанным выше образом, имеет поверхность расщепления на конце зоны C₁ первого волновода и травленую торцевую поверхность, на которой образована отражательная пленка на конце зоны С₂ второго волновода в качестве резонансных торцевых поверхностей, и способно генерировать лазерное излучение. Лазерное устройство, полученное указанным выше образом, имеет превосходные характеристики лазера аналогично десятому варианту выполнения.

Вариант выполнения 12

Лазерное устройство, согласно двенадцатому варианту выполнения, выполнено посредством формирования торцевых поверхностей резонатора одновременно с травлением вниз контактного слоя n-типа и разделения подложки между резонаторными торцевыми поверхностями вдоль поверхности АА разрезания в частях I и II на фиг.17А после травления вниз до подложки, согласно одиннадцатому варианту выполнения. В это время размер части, выступающей из резонаторной торцевой поверхности, устанавливают равной 3 мкм. Лазерное устройство, полученное указанным выше образом, имеет превосходные лазерные характеристики, аналогичные характеристикам устройства и оптическим характеристикам в одиннадцатом варианте выполнения.

Сравнительный вариант выполнения 1

В качестве сравнительного варианта выполнения было изготовлено лазерное устройство, имеющее зону С₂ второго волновода, сформированную на всей его длине без формирования зоны C₁ первого волновода в первом варианте выполнения.

В первом сравнительном варианте выполнения различные слоя, которые образуют структуру устройства, располагают последовательно друг над другом, аналогично первому варианту выполнения. Затем, как показано на фиг.5В, формируют второй полосковый гребень, проходящий от одной торцевой поверхности устройства к другой торцевой поверхности с использованием первой защитной пленки 161 в качестве маски.

Затем формируют защитную пленку, выполненную из ZrO₂, на боковой поверхности первого гребня, сформированного по всей длине, и на поверхностях на обеих его сторонах, которые были экспонированы при травлении. Затем кристаллическую пластину погружают в фтористоводородную кислоту для удаления тем самым первой защитной пленки 161 посредством обратной литографии. Затем аналогично первому варианту выполнения формируют резонансную торцевую поверхность и электроды для получения лазерного устройства, согласно первому сравнительному варианту выполнения, которое имеет только второй гребень для образования зоны С₂ второго волновода.

В лазерном устройстве, согласно первому сравнительному варианту выполнения, трудно эффективно подавлять нежелательную поперечную моду, что приводит к низкой стабильности поперечной моды и к частому появлению излома в характеристике зависимости оптического выхода от тока.

В частности, в диапазоне большой оптической выходной мощности, например 30 мВт, которая необходима для записи данных в системе с оптическим диском, весьма вероятно появление сдвига поперечной моды. Кроме того, поскольку характеристики устройства являются чувствительными к точности размеров второго гребня в форме полоски, то получается значительный разброс между устройствами, что затрудняет улучшение выхода продукции, как показано на фиг.10. Коэффициент формы пятна лазерного луча в большинстве случаев находится в диапазоне от 2,5 до 3,0, что означает существенно низкий выход продукции при условии, что критерием достаточного качества является коэффициент формы 2,0 или менее.

Ниже приводятся результаты исследований, выполненных для проверки эффективности конструкции лазерного устройства, согласно данному изобретению (срока службы лазерного устройства, тока возбуждения и контролируемости поперечной моды).

В исследованиях использовали конструкцию устройства (слоистую структуру из полупроводников), аналогичную первому варианту выполнения, для изготовления лазерных устройств с различной шириной гребня при изменении глубины травления, и оценивали для лазерных устройств срок службы лазерного устройства, ток возбуждения и контролируемость поперечной модой.

На фиг.12 показан срок службы лазерного устройства (измеряемого при выходной оптической мощности 30 мВт) для различной глубины травления.

Как показано на фиг.12, когда травление выполняют до глубины вблизи границы плакировочного слоя p-типа и световодного слоя р-типа, то срок службы становится наиболее продолжительным, однако срок службы уменьшается при уменьшении глубины травления. Кроме того, при травлении вблизи границы плакировочного слоя p-типа и световодного слоя p-типа срок службы лазерного устройства резко сокращается, указывая на появление значительного противоположного влияния на срок службы, когда зону полоскового волновода формируют с помощью травления до глубины, которая достигает активного слоя. Поэтому, с точки зрения срока службы устройства, лучше выполнять травление до глубины, которая не достигает слоя локализации электронов p-типа. Понятно также, что когда гребень формируют с помощью травления на глубину в диапазоне 0,1 мкм выше или ниже границы между плакировочным слоем p-типа и световодным слоем p-типа, то получают очень продолжительный срок службы. С учетом локализации света в направлении толщины предпочтительно выполнять травление до глубины, которая не достигает направляющего слоя p-типа. В этом отношении более предпочтительно выполнять травление до глубины на 0,1 мкм выше границы раздела плакировочного слоя p-типа и световодного слоя р-типа.

На фиг.10 показан график, который отображает показатель приемки для разных глубин травления. Как показано на фиг.10, высокий показатель приемки обеспечивается выполнением травления до глубины, которая на 0,1 мкм превышает границу раздела плакировочного слоя p-типа и световодного слоя p-типа. Показанный на фиг.10 показатель приемки указывает, что доля устройств, которые подтвердили возможность к колебаниям, колеблются в основной единственной поперечной моде при 5 мВт, в то время как ширина полоски зоны волновода составляет в это время 1,8 мкм.

При травлении до глубины, при которой 0,1 мкм или более плакировочного слоя p-типа остается на обеих сторонах гребня, резко появляются изломы, которые существенно уменьшают показатель приемки.

На фиг.11 показано напряжение возбуждения (при выходной оптической мощности 30 мВт) в зависимости от глубины травления, при этом для проведения исследований ширина волноводной зоны выбрана равной 1,8 мкм. Как явно следует из фиг.11, ток возбуждения остается постоянным на уровне 50 мА независимо от глубины травления, когда травление выполняют глубже, чем средняя точка световодного слоя p-типа (средняя точка в направлении толщины) на стороне активного слоя. Когда глубина травления уменьшается относительно средней точки световодного слоя p-типа, то ток постепенно увеличивается вплоть до 0,1 мкм над границей плакировочного слоя p-типа и световодного слоя р-типа, в то время как ток резко возрастает, когда глубина травления ниже 0,1 мкм над границей плакировочного слоя p-типа и световодного слоя p-типа (глубина травления, когда 0,1 мкм или более плакировочного слоя р-типа остается на обеих сторонах гребня). При травлении до глубины, когда остается 0,25 мкм или более плакировочного слоя p-типа, становится невозможным обеспечение выходной оптической мощности 30 мВт.

Сравнительный вариант выполнения 2

В качестве второго сравнительного варианта выполнения изготавливают лазерное устройство, имеющее зону первого волновода, сформированную на всей его длине, без формирования зоны второго волновода в первом варианте выполнения.

Во втором сравнительном варианте выполнения различные слои, которые образуют структуру устройства, располагают последовательно друг над другом, аналогично первому варианту выполнения. Затем, как показано на фиг.5А, формируют гребень в форме полоски, который образует зоны C₁ первого волновода, посредством формирования первой защитной пленки 161 в форме полоски и травления зон на обеих сторонах первой защитной пленки до глубины, которая достигает нижнего плакировочного слоя 5. Затем формируют защитную пленку, выполненную из ZrO₂, на верхней поверхности и на боковой поверхности гребня и на поверхностях на его обеих сторонах, которые были экспонированы при травлении. Затем кристаллическую пластину погружают в фтористоводородную кислоту для удаления тем самым первой защитной пленки 161 с помощью обратной литографии. Затем аналогично первому варианту выполнения формируют резонансную торцевую поверхность и электроды для получения лазерного устройства, которое имеет только зону C₁ первого волновода со структурой поперечного сечения, показанной на фиг.9. Во втором сравнительном варианте выполнения полосковый гребень формируют посредством травления на глубину, при которой остается толщина 0,2 мкм плакировочного слоя p-типа на обеих сторонах гребня, аналогично зоне C₁ первого волновода, согласно первому сравнительному волноводу.

Лазерное устройство, полученное таким образом, имеет более короткий срок службы, чем в первом варианте выполнения, поскольку полоска сформирована с помощью травления глубже, чем активный слой, и приводит к практически бесполезному лазерному устройству с коротким сроком службы, как показано на фиг.12.

Лазерное устройство, согласно данному изобретению, имеет зону C₁ первого волновода и зону C₂ второго волновода в качестве волновода в направлении резонатора, и поэтому обеспечивает превосходную надежность устройства и управляемость поперечной модой. Данное изобретение также обеспечивает возможность создания лазерных устройств с различными характеристиками устройства с помощью простых модификаций конструкции.

Хотя трудно обеспечить превосходные характеристики устройства относительно таких противоположных показателей, как практический уровень надежности устройства и одновременно стабильные колебания в поперечной моде, лазерное устройство, согласно данному изобретению, объединяет превосходную возможность изготовления, надежность и характеристики устройства. Кроме того, обеспечивается возможность получения лазерных лучей с разными формами пятна и разными коэффициентами формы посредством создания зоны C₁ первого волновода частично на стороне излучения света резонансной торцевой поверхности. Таким образом, с помощью данного изобретения обеспечиваются различные характеристики луча и расширяется область применения лазерного устройства.

В нитридном полупроводниковом лазерном устройстве, согласно уровню техники, удовлетворительный выход производства и производительность можно обеспечить только с помощью полоскового лазерного устройства из-за сложности повторного выращивания кристалла и имплантации иона, такого как протон. Когда используется активный слой, имеющий нитридный полупроводник, который включает In, то возникает существенное повреждение и значительно сокращается срок службы устройства, и поэтому можно выбирать только лазерное устройство с показателем эффективного преломления. В противоположность этому, лазерное устройство, согласно данному изобретению, имеет зону C₁ первого волновода и зону С₂ второго волновода и поэтому обеспечивает управляемость поперечной модой и превосходные характеристики луча с одновременным обеспечением надежности устройства. Кроме того, структура устройства обеспечивает изготовление с высоким выходом продукции даже при массовом производстве и обеспечивает возможность применения и расширения области применения нитридного полупроводникового устройства. Кроме того, при использовании в качестве источника света для систем с оптическим диском с высокой плотностью записи такое превосходное лазерное устройство может обеспечивать работу в течение свыше 1000 часов с выходной мощностью 30 мВт и коэффициентом формы луча в диапазоне от 1,0 до 1,5 без сдвига поперечной моды в диапазонах выходной мощности как для считывания (5 мВт), так и для записи (30 мВт) данных.

1. Полупроводниковое лазерное устройство, содержащее слоистую структуру, состоящую из слоя нитридного полупроводника первого типа проводимости, активного слоя нитридного полупроводника и слоя нитридного полупроводника второго типа проводимости, которая отличается от проводимости первого типа, расположенные последовательно, при этом указанная слоистая структура снабжена волноводной зоной полосковой конфигурации, при этом указанная полосковая волноводная зона имеет, по меньшей мере, вторую зону волновода, где часть слоя проводимости второго типа удалена и создан второй полосковый гребень в слое проводимости второго типа, и первую зону волновода, где части слоя проводимости второго типа, активного слоя и слоя проводимости первого типа удалены и создан первый полосковый гребень в слое проводимости первого типа, которые расположены в направлении резонатора.

2. Устройство по п.1, в котором указанная зона первого волновода и указанная зона второго волновода образованы посредством удаления части слоистой структуры и формирования гребневого волновода, содержащего полосковый гребень.

3. Устройство по п.1, в котором длина указанной зоны второго волновода больше длины указанной зоны первого волновода.

4. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из резонансных торцевых поверхностей полупроводникового лазерного устройства сформирована на конце зоны первого волновода.

5. Устройство по п.4, в котором резонансная торцевая поверхность, сформированная на конце зоны C₁ первого волновода, является поверхностью излучения света.

6. Устройство по п.4, в котором длина зоны первого волновода, которая имеет резонансную торцевую поверхность на одной своей торцевой поверхности, составляет 1 мкм или более.

7. Устройство по п.1, в котором указанный полупроводниковый слой проводимости первого типа, указанный активный слой и указанный слой проводимости второго типа сформированы из нитридного полупроводника соответственно.

8. Устройство по п.7, в котором указанный активный слой образован из слоя нитридного полупроводника, который включает In.

9. Полупроводниковое лазерное устройство по п.7, в котором указанный полупроводниковый слой проводимости первого типа включает нитридный полупроводник n-типа, а указанный полупроводниковый слой проводимости второго типа включает нитридный полупроводник р-типа.

10. Устройство по п.9, в котором указанная зона второго волновода имеет плакировочный слой р-типа, который включает нитридный полупроводник р-типа, и второй полосковый гребень зоны второго волновода сформирован при выдерживании толщины плакировочного слоя менее 0,1 мкм.

11. Устройство по п.7, в котором боковые поверхности первого полоскового гребня зоны первого волновода и боковые поверхности второго полоскового гребня зоны второго волновода экспонированы и на боковой поверхности полоскового гребня создана изолирующая пленка, при этом указанная изолирующая пленка выполнена из материала, выбранного из группы, состоящей из оксидов, по меньшей мере, одного из элементов Ti, V, Zr, Nb, Hf и Та и, по меньшей мере, одного типа соединений SiN, BN, SiC и AlN.

12. Устройство по п.7, в котором ширина указанного первого полоскового гребня находится в диапазоне от 1 до 3 мкм и ширина указанного второго полоскового гребня находится в диапазоне от 1 до 3 мкм.

13. Устройство по п.1, в котором указанная первая зона является 2-ступенчатой зоной, имеющей верхний гребень и нижний гребень.

14. Способ изготовления полупроводникового лазерного устройства, содержащий:

процесс создания слоистого материала, в котором создают последовательно расположенные слой проводимости первого типа, активный слой и слой проводимости второго типа с использованием нитридного полупроводника для формирования слоистой структуры;

процесс формирования первой защитной пленки полосковой конфигурации после формирования слоистой структуры;

первый процесс травления, в котором слоистый материал подвергают травлению в той части, где не сформирована первая защитная пленка, за счет чего формируют полосковый гребень в слое проводимости второго типа;

второй процесс травления, в котором формируют третью защитную пленку через первую защитную пленку на части поверхности, которая была экспонирована в первом процессе травления, и подвергают слоистый материал травлению в части, где не была сформирована третья защитная пленка, за счет чего создают полосковый гребень в слое проводимости первого типа;

процесс, в котором формируют вторую защитную пленку, имеющую изолирующее свойство и выполненную из материала, отличающегося от первой защитной пленки, на боковой поверхности полоскового гребня и на поверхности нитридного полупроводника, экспонированной при травлении, и

процесс удаления первой защитной пленки после формирования второй защитной пленки.