ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО, ГЕНЕРИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ (ВАРИАНТЫ), И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H01S5/32 

Уровень, предшествующий изобретению

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к полупроводниковому лазерному устройству, которое позволяет генерировать лазерное излучение в диапазоне длин волн 0,7-1,2 мкм.

Описание уровня техники, к которому относится изобретение

Во многих известных полупроводниковых лазерных устройствах, которые генерируют лазерное излучение в диапазоне длин волн 0,7-1,2 мкм, структура, которая служит для ограничения тока, и структура типа световода, сформированного путем распределения показателя преломления, выполнены в слоях кристалла с возможностью образования в каждом из них полупроводникового лазерного устройства, при этом каждое полупроводниковое лазерное устройство позволяет генерировать излучение на основной поперечной моде.

Например, в работе Дж.К.Уэйда и других "Непрерывная генерация излучения мощностью 6,1 Вт (λ=805 нм), полученная в диодных лазерах с передней гранью активной области, свободной от Al", Письма прикладной физики, т.72, №1, 1998, с.4-6 (J.K.Wade et al. "6.1 W continuous wave front-facet power from Al-free active-region (λ=805 nm) diode lasers, "Applied Physics Letters, vol.72, No.1, 1998, pp.4-6) раскрыто полупроводниковое лазерное устройство, которое излучает свет в диапазоне 805 нм. Полупроводниковое лазерное устройство содержит активный слой InGaAsP, свободный от Al, световодный слой InGaP и слои InAlGaP оболочки. Помимо этого, для улучшения характеристик в диапазоне высоких значений выходной мощности полупроводниковое лазерное устройство включает в себя так называемую структуру большого оптического резонатора (БОР), в которой толщина световодного слоя увеличена для уменьшения плотности света и увеличения максимальной оптической выходной мощности. Однако при максимальной оптической мощности токи, образующиеся за счет оптического поглощения около торцевой поверхности ("грани"), выделяют тепло, то есть увеличивают температуру на торцевых поверхностях. Кроме того, при увеличении температуры уменьшается ширина запрещенной зоны на торцевых поверхностях и, следовательно, дополнительно повышается оптическое поглощение, что приводит к разрушению торцевых поверхностей. То есть образуется порочный круг. Это разрушение представляет собой так называемое катастрофическое разрушение оптических зеркал (КРОЗ). Когда оптическая мощность достигает уровня КРОЗ, оптический выход со временем повреждается. Кроме того, полупроводниковое лазерное устройство может внезапно выйти из строя из-за КРОЗ. Поэтому вышеупомянутое полупроводниковое лазерное устройство не является надежным при работе полупроводникового лазерного устройства с высокой выходной мощностью.

Кроме того, в работе Т.Фукунаги и других "Высоконадежная работа мощных гетеролазеров на основе InGaAsP/InGaP/AlGaAs с отдельным ограничением на длине волны 0,8 мкм". Японский журнал прикладной физики, т.34 (1995) L1175-L1177 (Т.Fukunaga et al. "Highly Reliable Operation of High-Power InGaAsP/InGaP/AlGaAs 0.8 μm Separate Confinement Heterostructure Lasers", Japanese Journal of Applied Physics, vol.34 (1995) L1175-L1177) раскрыто полупроводниковое лазерное устройство, которое содержит активный слой, свободный от Al, и излучает свет в диапазоне 0,8 мкм. В полупроводниковом лазерном устройстве на подложке GaAs n-типа формируют слой AlGaAs оболочки n-типа, световодный слой InGaP, обладающий собственной проводимостью (i-типа), активный слой InGaAsP с квантовой ямой, световодный слой InGaP i-типа, слой AlGaAs оболочки р-типа и герметизирующий слой GaAs р-типа. Однако максимальная выходная оптическая мощность полупроводникового лазерного устройства обычно составляет 1,8 Вт, то есть является низкой.

Из приведенных выше объяснений следует, что известные полупроводниковые лазерные устройства, генерирующие лазерное излучение в диапазоне длин волн 0,8 мкм, не обладают достаточной надежностью, так как при их работе на высокой выходной мощности происходит катастрофическое разрушение оптических зеркал или подобный эффект.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить полупроводниковое лазерное устройство, которое позволяет генерировать лазерное излучение в диапазоне длин волн 0,7-1,2 мкм и является надежным даже в случае, когда полупроводниковое лазерное устройство работает на высокой выходной мощности.

Согласно настоящему изобретению обеспечивается полупроводниковое лазерное устройство, включающее в себя подложку GaAs первого типа проводимости, нижний слой оболочки первого типа проводимости, сформированный на подложке GaAs, нижний световодный слой, изготовленный из InGaP нелегированного типа или первого типа проводимости и сформированный на нижнем слое оболочки, активный слой, изготовленный из InGaAsP или InGaAs и сформированный на нижнем световодном слое за исключением областей, расположенных рядом с краем нижнего световодного слоя, который примыкает к противоположным торцевым поверхностям полупроводникового лазерного устройства, где противоположные торцевые поверхности перпендикулярны направлению распространения лазерного излучения, которое генерирует полупроводниковое лазерное устройство, первый верхний световодный слой, изготовленный из InGaP нелегированного типа или второго типа проводимости и сформированный на активном слое, второй верхний световодный слой, изготовленный из InGaP нелегированного типа или второго типа проводимости и сформированный над первым верхним световодным слоем и областями, расположенными рядом с краем нижнего световодного слоя, верхний слой оболочки второго типа проводимости, сформированный на втором верхнем световодном слое, и контактный слой второго типа проводимости, сформированный на верхнем слое оболочки.

Полупроводниковое лазерное устройство согласно настоящему изобретению, предпочтительно, может также иметь одну или любую возможную комбинацию следующих дополнительных особенностей (i)-(vi).

(i) В полупроводниковом лазерном устройстве гребенчатую структуру можно сформировать путем удаления более чем одной части верхнего слоя оболочки и контактного слоя и дно гребенчатой структуры может иметь ширину 1,5 мкм.

(ii) Кроме того, полупроводниковое лазерное устройство может включать в себя дополнительный слой, изготовленный из InGaAlP первого типа проводимости и сформированный на втором верхнем световодном слое, отличающийся от полосковой зоны второго верхнего световодного слоя, для формирования полосковой канавки и реализации окна для подачи тока, при этом верхний слой оболочки можно сформировать над дополнительным слоем для заполнения полосковой канавки и дно полосковой канавки может иметь ширину 1,5 мкм или более.

(iii) Активный слой можно изготовить из In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1, где 0≤х1≤0,3, 0≤y1≤0,5, и значение произведения относительной деформации на толщину активного слоя должно находиться в диапазоне (-0,15)-(+0,15) нм.

Относительная деформация D слоя, сформированного на подложке GaAs, определяется как D=(c-c_s)/c_s, где c_s и с являются соответственно постоянными кристаллической решетки подложки GaAs и слоя, сформированного на подложке GaAs.

(iv) Активный слой может представлять собой деформированный активный слой с одной или несколькими квантовыми ямами, по меньшей мере один барьерный слой, изготовленный из InGaP, можно сформировать рядом с активным слоем с деформированной квантовой ямой, по меньшей мере один барьерный слой может иметь противоположную деформацию по отношению к деформированному активному слою с квантовой ямой, и значение суммы первого произведения и второго произведения может находиться в диапазоне (-0,15)-(+0,15) нм, где первое произведение равно произведению относительной деформации на толщину активного слоя и второе произведение равно произведению относительной деформации на полную толщину по меньшей мере одного барьерного слоя.

(v) Нижний слой оболочки и верхний слой оболочки можно изготовить из Al_z1Ca_1-z1As или In_х3(Al_z3Ga_1-z3)_1-х3As_1-y3Р_y3, где 0,55≤z1≤0,8, х3=0,49y3±0,01, 0<y3≤1 и 0<z3≤1.

(vi) Нижний световодный слой и первые верхние световодные слои можно изготовить из In_x2Ga_1-x2P, где х2=0,49±0,01.

Согласно настоящему изобретению обеспечивается второе полупроводниковое лазерное устройство, содержащее подложку GaAs первого типа проводимости и полупроводниковый слой, сформированный на подложке GaAs, причем полупроводниковый слой включает в себя слой оболочки первого типа проводимости, сформированный на подложке GaAs, нижний световодный слой, изготовленный из InGaP первого типа проводимости или нелегированного типа, причем нижний световодный слой сформирован на нижнем слое оболочки, активный слой с деформацией сжатия, изготовленный из InGaAsP или InGaAs, причем активный слой с деформацией сжатия сформирован на нижнем световодном слое, верхний световодный слой, изготовленный из InGaP второго типа проводимости или нелегированного типа, причем верхний световодный слой сформирован на активном слое с деформацией сжатия, и слой оболочки второго типа проводимости.

В этом случае второе полупроводниковое лазерное устройство настоящего изобретения характеризуется тем, что нижний барьерный слой InGaAsP обеспечивается между нижним световодным слоем и активным слоем с деформацией сжатия, причем нижний барьерный слой InGaAsP имеет ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, верхний барьерный слой InGaAsP обеспечивается между активным слоем с деформацией сжатия и верхним световодным слоем, причем нижний барьерный слой InGaAsP имеет ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, удаляют части нижнего барьерного слоя, активного слоя с деформацией сжатия и верхнего барьерного слоя, которые примыкают к двум противоположным торцевым поверхностям, образующим резонаторную торцевую поверхность среди торцевых поверхностей, полученных путем скалывания полупроводникового слоя, нижний и верхний световодные слои имеют значения ширины запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, и верхний световодный слой скрывают в удаленных частях нижнего барьерного слоя, активного слоя с деформацией сжатия и верхнего барьерного слоя.

Полупроводниковое лазерное устройство согласно настоящему изобретению предпочтительно может также иметь одну или любую возможную комбинацию следующих дополнительных особенностей (i)-(vii).

(i) активный слой с деформацией сжатия должен быть изготовлен из In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3, где 0,49y3<х3≤0,4 и 0≤y3≤0,1. Следует отметить, что когда y3=0, используют InGaAs, не содержащий фосфора.

(ii) Нижний и верхний барьерные слои InGaAsP могут иметь деформацию сжатия и деформацию натяжения и нижний и верхний барьерные слои InGaAsP можно согласовать по постоянным кристаллических решеток друг с другом. Следует отметить, что абсолютное значение суммы произведений размеров деформации и толщины пленки нижнего и верхнего барьерных слоев InGaAsP должно быть установлено на 0,3 нм или менее.

(iii) Контактный слой второго типа проводимости должен быть сформирован в области, расположенной на части второго слоя оболочки, причем область исключает область, соответствующую частям, где удалены нижний барьерный слой, активный слой с деформацией сжатия и верхний барьерный слой, и изолирующая пленка должна быть сформирована в области, расположенной на второй части слоя оболочки, причем область соответствует частям, где удалены нижний барьерный слой, активный слой с деформацией сжатия и верхний барьерный слой.

(iv) Можно обеспечить гребенчатую часть, которую формируют путем удаления обеих сторон части, имеющей форму полоски, части слоя оболочки второго типа проводимости, причем часть, имеющая форму полоски, простирается от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности и от верхней поверхности части слоя оболочки второго типа проводимости до предварительно определенного положения.

(v) Часть слоя оболочки второго типа проводимости может состоять из одного слоя или часть слоя оболочки может состоять из множества слоев. Например, часть слоя оболочки второго типа проводимости может содержать первый слой оболочки второго типа проводимости, сформированный на верхнем световодном слое, первый слой для прекращения процесса травления, изготовленный из InGaP второго типа проводимости и сформированный на первом слое оболочки, второй слой для прекращения процесса травления, изготовленный из GaAs и имеющий отверстие для инжекции тока в виде полоски, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности и сформированное на первом слое для прекращения процесса травления, слой для ограничения тока, изготовленный из InGaAlP первого типа проводимости и имеющий отверстие в виде полоски для инжекции тока, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности и сформированное на втором слое для прекращения процесса травления, герметизирующий слой, изготовленный из InGaP первого типа проводимости и имеющий проход в виде полоски для инжекции тока, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности и сформированное на слое для ограничения тока, и второй слой оболочки второго типа проводимости, сформированный на герметизирующем слое. Альтернативно часть слоя оболочки второго типа проводимости может содержать слой для прекращения процесса травления, изготовленный из GaAs и имеющий проход в виде полоски для инжекции тока, простирающийся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности и сформированный на верхнем световодном слое, слой для ограничения тока первого типа проводимости, изготовленный из InGaAlP и имеющий отверстие в виде полоски для инжекции тока, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности и сформированный на слое для прекращения процесса травления, герметизирующий слой первого типа проводимости, изготовленный из InGaP и имеющий проход в виде полоски для инжекции тока, простирающийся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности и сформированный на слое для ограничения тока, и слой оболочки второго типа проводимости, сформированный на герметизирующем слое.

(vi) Во втором полупроводниковом лазерном устройстве настоящего изобретения каждый из слоев оболочки должен быть изготовлен из одного из AlGaAs, InGaAlP и InGaAlAsP, которые согласованы по постоянной кристаллической решетки с подложкой GaAs.

(vii) Нижний и верхний барьерные слои могут соответственно состоять из одного слоя In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1, где 0≤x1≤0,3 и 0≤y1≤0,6, или состоять из двух слоев In_x2Ga_1-x2As_1-y2P_y2, где 0≤х2≤0,3 и х2=0,49y2, и барьерного слоя с относительной деформацией растяжения, изготовленного из In_x4Ga_1-x4As_1-y4P_y4, где 0,49y≥х4≥0 и 0<y4≤0,5, и барьерный слой с относительной деформацией растяжения примыкает к активному слою с деформацией сжатия.

Способ изготовления полупроводникового лазерного устройства согласно настоящему изобретению, по которому множество полупроводниковых слоев, включающих в себя активный слой с деформацией сжатия, наслаивают на подложку и образуют резонаторную торцевую поверхность с помощью двух противоположных торцевых поверхностей, содержит следующие этапы, в соответствии с которыми: формируют слой оболочки первого типа проводимости на подложке GaAs первого типа проводимости, формируют нижний световодный слой InGaP первого типа проводимости или нелегированного типа на слое оболочки, причем нижний световодный слой имеет ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, формируют нижний барьерный слой InGaAsP на нижнем световодном слое, причем нижний барьерный слой имеет ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, формируют активный слой с деформацией сжатия, изготовленный из одного из InGaAsP и InGaAs на нижнем барьерном слое, формируют верхний барьерный слой InGaAsP на активном слое с деформацией сжатия, причем верхний барьерный слой имеет ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, формируют герметизирующий слой InGaP на верхнем барьерном слое, формируют герметизирующий слой GaAs на герметизирующем слое, удаляют часть герметизирующего слоя GaAs вблизи торцевой поверхности, примыкающей к резонаторной торцевой поверхности, удаляют часть герметизирующего слоя InGaP вблизи торцевой поверхности с использованием герметизирующего слоя GaAs в качестве защиты, удаляют герметизирующий слой GaAs, который используется в качестве защиты, и одновременно удаляют части вблизи торцевых поверхностей верхнего барьерного слоя, причем активный слой с деформацией сжатия и нижний барьерный слой используют как герметизирующий слой InGaP в качестве защиты, формируют верхний световодный слой InGaP второго типа проводимости или нелегированного типа, имеющего ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия на удаленных частях вблизи торцевой поверхности и герметизирующего слоя InGaP, и формируют слой оболочки второго типа проводимости на верхнем световодном слое.

В этом случае слой оболочки второго типа проводимости формируют в соответствии со следующими этапами: наносят послойно первый слой оболочки второго типа проводимости на верхнем световодном слое, наносят послойно первый слой для прекращения процесса травления, изготовленный из InGaP, второго типа проводимости на первом слое оболочки, наносят послойно второй слой для прекращения процесса травления, изготовленный из GaAs, на первом слое для прекращения процесса травления, наносят послойно слой для ограничения тока InGaAlP первого типа проводимости на втором слое для прекращения процесса травления, наносят послойно герметизирующий слой InGaP первого типа проводимости на слое для ограничения тока, наносят послойно второй герметизирующий слой GaAs на герметизирующем слое InGaP, удаляют часть второго герметизирующего слоя GaAs, соответствующий отверстию в виде полоски для инжекции тока, удаляют части герметизирующего слоя InGaP первого типа проводимости и слой для ограничения тока, причем части используются как проход для инжекции тока с использованием второго герметизирующего слоя GaAs в качестве защиты, удаляют второй герметизирующий слой GaAs, который используется в качестве защиты, и одновременно перемещают часть второго слоя для прекращения процесса травления, причем часть используется как проход для инжекции тока с использованием герметизирующего слоя InGaP первого типа проводимости в качестве защиты, и формируют второй слой оболочки второго типа проводимости для того, чтобы закрыть проход для инжекции тока.

Альтернативно, часть слоя оболочки второго типа проводимости можно сформировать в соответствии со следующими этапами: наслаивают слой для прекращения процесса травления GaAs на верхнем световодном слое, наслаивают послойно слой для ограничения тока InGaAlP первого типа проводимости на втором слое для прекращения процесса травления GaAs, наслаивают герметизирующий слой InGaP первого типа проводимости на слое для ограничения тока, наслаивают второй герметизирующий слой GaAs на герметизирующем слое InGaP, удаляют часть второго герметизирующего слоя GaAs, соответствующую проходу в виде полоски для инжекции тока, удаляют части герметизирующего слоя InGaP первого типа проводимости и слой для ограничения тока, причем части используются как проход для инжекции тока с использованием второго герметизирующего слоя GaAs в качестве защиты, удаляют второй герметизирующий слой GaAs, который используется в качестве защиты, и одновременно удаляют часть слоя для прекращения процесса травления GaAs, причем часть используется как проход для инжекции тока с использованием герметизирующего слоя InGaP в качестве защиты, и формируют слой оболочки второго типа проводимости для того, чтобы закрыть проход для инжекции тока.

Первые полупроводниковые лазерные устройства согласно настоящему изобретению имеют следующие преимущества.

В полупроводниковом лазерном устройстве согласно настоящему изобретению удаляют части активного слоя, расположенные рядом с краем, и первый верхний световодный слой, где части, расположенные рядом с краем, примыкают к противоположным торцевым поверхностям полупроводникового лазерного устройства, и противоположные торцевые поверхности перпендикулярны направлению распространения лазерного излучения, которое генерируется в полупроводниковом лазерном устройстве. Кроме того, второй верхний световодный слой формируется в областях, расположенных рядом с краем, из которых удалены вышеупомянутые части, расположенные рядом с краем активного слоя, и первый верхний световодный слой, и второй верхний световодный слой имеет ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя. То есть области, которые не поглощают лазерное излучение (то есть прозрачные для лазерного излучения), генерируемое в полупроводниковом лазерном устройстве, формируются в непосредственной близости от противоположных торцевых поверхностей, и таким образом можно предотвратить вышеупомянутое образование тока, вызванное поглощением света в непосредственной близости от торцевых поверхностей. Таким образом можно уменьшить выделение тепла вблизи торцевых поверхностей во время работы при высокой выходной мощности и, следовательно, можно предотвратить катастрофическое разрушение оптических зеркал (КРОЗ), хотя, как показано ранее, катастрофическое разрушение оптических зеркал (КРОЗ) происходит в случае, когда поглощение света увеличивается вследствие уменьшения ширины запрещенной зоны из-за выделения тепла на торцевых поверхностях. Следовательно, можно значительно увеличить оптическую выходную мощность полупроводникового лазерного устройства согласно настоящему изобретению без катастрофического разрушения оптических зеркал (КРОЗ). То есть полупроводниковое лазерное устройство согласно настоящему изобретению является надежным даже в случае, когда полупроводниковое лазерное устройство работает на высокой выходной мощности.

Кроме того, когда области, расположенные вблизи противоположных торцевых поверхностей полупроводникового лазерного устройства, имеющего световодную структуру внутриполоскового типа, сформированную путем распределения показателя преломления, и область генерации шириной 1,5 мкм или более, и генерация на основной поперечной моде делаются не поглощающими (прозрачными) для лазерного излучения, которое генерируется в полупроводниковом лазерном устройстве, полупроводниковые лазерные устройства являются надежными даже в случае, когда полупроводниковое лазерное устройство работает при высокой выходной мощности.

Второе полупроводниковое лазерное устройство согласно настоящему изобретению принимает структуру (так называемую оконную структуру), в которой InGaAsP нижние барьерные слои, имеющие ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, выполнены между нижним световодным слоем и активным слоем с деформацией сжатия, а также между активным слоем с деформацией сжатия и верхним световодным слоем, при этом удаляют части, примыкающие к двум противоположным торцевым поверхностям, которые образуют резонаторные торцевые поверхности среди торцевых поверхностей, полученных путем скалывания полупроводникового слоя, и верхний световодный слой, имеющий ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя, скрывают в удаленных частях. Так как прозрачная область для генерируемого светового излучения может быть сформирована вблизи торцевой поверхности, то можно уменьшить ток, вырабатываемый за счет поглощения светового излучения на торцевой поверхности. Таким образом можно уменьшить выделение теплоты в устройстве на торцевой поверхности и можно значительно снизить порог разрушения торцевой поверхности из-за тепловой дорожки, образующейся на торцевой поверхности. Соответственно, настоящее изобретение позволяет обеспечить полупроводниковое лазерное устройство с высокой степенью надежности даже в случае, когда полупроводниковое лазерное устройство работает с высокой выходной мощностью.

Кроме того, когда барьерный слой InGaAsP не обеспечен между световодным слоем InGaP и активным слоем с деформацией сжатия InGaAsP, обычно требуется продолжительное время для переключения газа с Р на As и замена Р на As происходит на границе перехода, возникающей в результате ухудшения качества на границе перехода, то есть ухудшения качества активного слоя. Однако, так как в настоящем изобретении обеспечен барьерный слой InGaAsP, то переключение газа можно выполнить плавно и, следовательно, можно повысить качество активного слоя. Следует отметить, если барьерный слой InGaAsP имеет относительную деформацию сжатия, то преимущество состоит в том, что можно улучшить температурные характеристики элемента.

Контактный слой второго типа проводимости сформирован в области на слое оболочки второго типа проводимости, причем область исключает область, соответствующую частям, где удалены нижний барьерный слой, активный слой с деформацией сжатия и верхний барьерный слой, и изолирующая пленка сформирована в области на втором слое оболочки, при этом область соответствует частям, где удалены нижний барьерный слой, активный слой с деформацией сжатия и верхний барьерный слой. В результате, более эффективно можно подавить инжекцию тока в область окна и можно достигнуть увеличения оптической выходной мощности.

За счет формирования гребенчатой части, полученной путем удаления части слоя оболочки второго типа проводимости, и за счет создания структуры для ограничения тока в слое оболочки второго типа проводимости, который состоит из множества слоев, можно получить структуру, выполненную с помощью световодного механизма показателя преломления. Таким образом можно осуществить управление режимом (генерации) лазерного луча с высокой точностью.

Согласно способу изготовления полупроводникового лазерного устройства согласно настоящему изобретению при послойном нанесении множества полупроводниковых слоев и формировании структуры окна и прохода для инжекции тока герметизирующий слой GaAs наслаивают на герметизирующий слой InGaP, который служит впоследствии в качестве поверхности рекристаллизации, и удаляют предварительно определенный участок слоя, сформированный под герметизирующим слоем GaAs с использованием герметизирующего слоя GaAs в качестве защиты. После этого удаляют герметизирующий слой GaAs. При использовании вышеописанных этапов можно предотвратить образование спонтанной окисной пленки над герметизирующим слоем InGaP и видоизменение слоя, вызванного образованием непосредственно на нем резистивного слоя. Кроме того, за счет предотвращения адгезии органического вещества, склонного оставаться на поверхности рекристаллизации, можно управлять появлением кристаллических дефектов и улучшить характеристики элемента и надежность устройства.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1А изображает вид в поперечном сечении, иллюстрирующий промежуточную стадию в процессе изготовления полупроводникового лазерного устройства, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.1В изображает вид в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.2А-2С изображают виды в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.3А-3С изображают виды в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.4А изображает вид в поперечном сечении, иллюстрирующий промежуточную стадию в процессе получения полупроводникового лазерного устройства согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.4В изображает вид в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.5А-5С изображают виды в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.6А-6С изображают виды в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.7А-7С изображают виды в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.8А-8С изображают виды в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.9А-9С изображают виды в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.10А-10C изображают виды в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Ниже подробно объясняются варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Во-первых, варианты реализации первого полупроводникового лазерного устройства согласно настоящему изобретению будут описаны со ссылками на фиг.1-4.

Описание первого варианта реализации изобретения

На фиг.1А изображен вид в поперечном сечении, иллюстрирующий промежуточную стадию в процессе изготовления первого полупроводникового лазерного устройства, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения и на фиг.1В изображен вид в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Поперечные сечения, показанные на фиг.1А и 1В, расположены параллельно направлению распространения лазерного излучения, которое излучается из полупроводникового лазерного устройства.

Как изображено на фиг.1А, сначала на подложке 11 GaAs n-типа способом металлоорганической эпитаксии из паровой фазы формируют нижний слой 12 Al_z1Ga_1-z1As оболочки n-типа (0,55≤z1≤0,8), нижний световодный слой 13 In_0,49Ga_0,51P n-типа или i-типа, активный слой 14 In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 квантовой ямы (0≤х3≤0,4, 0≤y3≤0,5), первый верхний световодный слой 15 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа и герметизирующий слой 16 GaAs, имеющий толщину приблизительно 10 нм. Затем сверху герметизирующего слоя 16 GaAs n-типа формируют пленку 17 SiO₂.

После этого в каждом полупроводниковом лазерном устройстве части, расположенные рядом с краем пленки 17 SiO₂, которые примыкают к торцевым поверхностям полупроводникового лазерного устройства, удаляют для того, чтобы облучить части, расположенные рядом с краем герметизирующего слоя 16 GaAs n-типа, где каждая часть, расположенная рядом с краем, примыкает к торцевой поверхности полупроводникового лазерного устройства и имеет ширину приблизительно 20 мкм в направлении, перпендикулярном торцевой поверхности. Затем в реальном процессе изготовления множество полупроводниковых лазерных устройств формируют в виде пластины, при этом удаляют полосковые зоны пленки 17 SiO₂, расположенные на пластине, каждая из которых включает в себя границы (соответствующие торцевым поверхностям) полупроводниковых лазерных устройств, расположенные непосредственно в центре, и имеет ширину приблизительно 40 мкм.

Затем части, расположенные рядом с краем герметизирующего слоя 16 GaAs n-типа травят с помощью травителя на основе серной кислоты с использованием оставшихся зон пленки 17 SiO₂ в виде маски для того, чтобы облучить части, расположенные рядом с краем первого верхнего световодного слоя 15 на основе In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа. Затем части, расположенные рядом с краем первого верхнего световодного слоя 15 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа травят с помощью травителя на основе соляной кислоты до тех пор, пока части, расположенные рядом с краем активного слоя 14 In_x3Ga_1-x3As_1-y3P_y3 квантовой ямы подвергнутся воздействию излучения. Затем удаляют оставшиеся зоны пленки 17 из SiO₂ и затем оставшиеся части герметизирующего слоя 16 GaAs n-типа и части, расположенные рядом с краем активного слоя 14 In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 квантовой ямы удаляют с использованием травителя на основе серной кислоты для того, чтобы облучить части, расположенные рядом с краем нижнего световодного слоя 13 In_0,49Ga_0,51P р-типа.

И, наконец, второй верхний световодный слой 18 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа, верхний слой 19 Al_z1Ga_1-z1As оболочки р-типа (0,55≤z1≤0,8) и контактный слой 20 GaAs p-типа формируют поверх оставшейся зоны первого верхнего световодного слоя 15 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа и облучают части, расположенные рядом с краем нижнего световодного слоя 13 In_0,49Ga_0,51P n-типа или i-типа. Затем на контактном слое 20 GaAs р-типа формируют электрод 22 р-типа. Кроме того, облученную поверхность подложки 11 полируют и электрод 23 n-типа формируют на полированной поверхности подложки 11. Затем обе поверхности слоистой структуры скалывают и наносят покрытие 24 с высоким коэффициентом отражения и покрытие 25 с низким коэффициентом отражения на соответствующие торцевые поверхности для того, чтобы сформировать резонатор. Затем вышеупомянутую конструкцию выполняют в виде кристалла.

В полупроводниковом лазерном устройстве согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения лазерное излучение генерируется между вышеуказанными торцевыми поверхностями, на которые соответственно нанесены покрытие 24 с высоким коэффициентом отражения и покрытие 25 с низким коэффициентом отражения, и выводится через торцевую поверхность, на которой нанесено покрытие 25 с низким коэффициентом отражения. Так как части, расположенные рядом с краем активного слоя 14 квантовой ямы, удаляют, то можно подавить выделение тепла из-за поглощения света в непосредственной близости от торцевых поверхностей и поэтому можно предотвратить катастрофическое разрушение оптических зеркал (КРОЗ).

Активный слой может иметь состав, с помощью которого реализуется активный слой типа деформации сжатия, который согласован по постоянным кристаллической решетки с подложкой, или типа деформации растяжения.

Когда активный слой представляет собой тип деформированной ямы, то, по меньшей мере, один барьерный слой InGaP, который деформирован в противоположную сторону по отношению к активному слою, можно разместить рядом с активным слоем для того, чтобы скомпенсировать деформацию активного слоя. В этом случае, предпочтительно, чтобы сумма произведений относительной деформации на толщину активного слоя и произведение относительной деформации на полную толщину по меньшей мере одного барьерного слоя находилась в диапазоне от -0,15 до +0,15 нм.

Хотя электроды формируют по существу на всей поверхности конструкции первого варианта осуществления, настоящее изобретение можно применить к полупроводниковым лазерным устройствам полоскового типа со световодом, сформированным путем распределения усиления, в которых сформирован полосковый изолирующий слой, или к полупроводниковым лазерным устройствам со световодом, сформированным путем распределения показателя преломления, которые формируются путем использования известного способа литографии или сухого травления, или к полупроводниковым лазерным устройствам, имеющим дифракционную решетку, или к интегральным схемам.

Активный слой может иметь структуру с многочисленными квантовыми ямами, которая состоит из слоев InGaP и InGaAsP. В этом случае, предпочтительно, чтобы сумма произведений относительных деформаций растяжения и толщин соответствующих слоев с относительной деформацией растяжения находилась в диапазоне от -0,15 до +0,15 нм. Кроме того, предпочтительно, чтобы части, расположенные рядом с краем активного слоя с многочисленными квантовыми потенциальными ямами, которые примыкают к торцевым поверхностям, травились с помощью поочередного использования травителя на основе серной кислоты и травителя на основе соляной кислоты до тех пор, пока не будет облучен нижний световод. После этого участки, расположенные рядом с краем, из которых удалены части, расположенные рядом с краем активного слоя с многочисленными квантовыми потенциальными ямами, заполняют вторым верхним световодным слоем 18 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа.

Описание второго варианта реализации изобретения.

На фиг.2А-2С изображены виды в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Поперечное сечение, показанное на фиг.2А, расположено параллельно направлению распространения лазерного излучения, которое излучается из полупроводникового лазерного устройства. На фиг.2В показано поперечное сечение В-В' в непосредственной близости от торцевой поверхности, и на фиг.2С показано поперечное сечение А-А' в центральной части полупроводникового лазерного устройства.

Как изображено на фиг.2А, сначала на подложке 31 GaAs n-типа способом металлоорганической эпитаксии из паровой фазы формируют нижний слой 32 Al_z1Ga_1-z1As оболочки n-типа (0,55≤z1≤0,8), нижний световодный слой 33 In_0,49Ga_0,51P n-типа и i-типа, активный слой 34 с квантовой ямой In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 (0≤х3≤0,3, 0≤y3≤0,5), первый верхний световодный слой 35 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа и герметизирующий слой 36 GaAs (не показано), имеющий толщину приблизительно 10 нм. Затем на герметизирующем слое 36 GaAs n-типа формируют пленку 37 SiO₂ (не показано).

После этого в каждом полупроводниковом лазерном устройстве части, расположенные рядом с краем пленки 37 SiO₂, которые примыкают к торцевым поверхностям полупроводникового лазерного устройства, удаляют для того, чтобы облучить части, расположенные рядом с краем герметизирующего слоя 36 GaAs n-типа, где каждая часть, расположенная рядом с краем, примыкает к торцевой поверхности полупроводникового устройства и имеет ширину приблизительно 20 мкм в направлении, перпендикулярном к торцевой поверхности. Так как в действительном процессе изготовления множество полупроводниковых лазерных устройств формируют в виде пластины, то полосковые зоны пленки 37 SiO₂, расположенные на пластине, удаляют, причем каждое из них включает в себя границы (соответствующие торцевым поверхностям) полупроводниковых лазерных устройств, расположенные непосредственно в центре, и имеет ширину приблизительно 40 мкм.

Затем части, расположенные рядом с краем герметизирующего слоя 36 GaAs n-типа, травят при помощи травителя на основе серной кислоты с использованием оставшихся областей пленки 37 SiO₂ в виде маски для того, чтобы облучить части, расположенные рядом с краем первого верхнего световодного слоя 35 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа. После этого части, расположенные рядом с краем первого верхнего световодного слоя 35 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа, травят при помощи травителя на основе соляной кислоты до тех пор, пока не будут облучены части, расположенные рядом с краем активного слоя 34 In_x3Ga_1-x3As_1-y3Р_y3 квантовой ямы. Затем удаляют оставшиеся области пленки 37 SiO₂ и затем оставшиеся части герметизирующего слоя 36 GaAs n-типа и части, расположенные рядом с краем активного слоя 34 In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 квантовой ямы, удаляют с использованием травителя на основе серной кислоты для того, чтобы облучить части, расположенные рядом с краем нижнего световодного слоя 33 In_0,49Ga_0,51P n-типа или i-типа.

После этого второй верхний световодный слой 38 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа и верхний слой 39 Al_z1Ga_1-z1As оболочки р-типа и контактный слой 40 GaAs р-типа формируют поверх оставшейся области первого верхнего световодного слоя 35 и In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа и облученных частей, расположенных рядом с краем нижнего световодного слоя 33 In_0,49Ga_0,51P n-типа или i-типа.

Затем изолирующую пленку 41 (не показано) формируют на контактном слое 40 GaAs р-типа, и параллельные полосковые зоны изолирующей пленки 41, каждая из которых имеет ширину приблизительно 6 мкм, удаляют с помощью известного способа литографии для того, чтобы оставить область полос изолирующей пленки 41, которая имеет ширину приблизительно 3 мкм. Затем слоистая структура, сформированная так, как описано выше, травится до глубины верхней поверхности второго верхнего световодного слоя 38 In_0,49Ga_0,51P р-типа с помощью мокрого травления с использованием оставшихся областей изолирующей пленки 41 в виде маски для того, чтобы сформировать гребенчатую полосковую структуру, которая изображена на фиг.2В. Когда в качестве травителя используется раствор серной кислоты и перекиси водорода, травление автоматически останавливается на верхней границе второго верхнего световодного слоя 38 In_0,49Ga_0,51P р-типа.

Полная толщина первого и второго верхних световодных слоев имеет такое значение, что колебание на основной поперечной моде достигается даже в случае, когда полупроводниковое лазерное устройство работает на высокой выходной мощности.

После этого формируют изолирующий слой 42 поверх слоистой структуры, сформированной так, как описано выше, и область полос изолирующего слоя 42 наверху гребенчатой полосковой структуры удаляют с использованием традиционного способа литографии. Затем электрод 44 р-типа формируют наверху гребенчатой полосковой структуры. Кроме того, облученную поверхность подложки 31 полируют, и электрод 45 n-типа подложки 31 полируют, и электрод 45 n-типа формируют на полированной поверхности подложки 31. Затем обе торцевые поверхности слоистой структуры скалывают, и покрытие 41 с высоким коэффициентом отражения и покрытие 47 с низким коэффициентом отражения наносят на соответствующие торцевые поверхности для того, чтобы сформировать резонатор. Затем вышеописанную конструкцию формируют в виде кристалла.

Как изображено на фиг.2А, активный слой 34 In_х3Са_1-х3As_1-y3Р_y3 квантовой ямы и первый верхний световодный слой 35 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа формируют поверх всей области за исключением областей, расположенных рядом с краем, которые примыкают к торцевым поверхностям. То есть активный слой 34 In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 квантовой ямы и первый верхний световодный слой 35 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа удаляют в непосредственной близости от торцевых поверхностей полупроводникового лазерного устройства. Поэтому в области, расположенной рядом с краем полупроводникового лазерного устройства, через которую лазерное излучение проходит без поглощения (прозрачное для) лазерного излучения, которое генерируется в полупроводниковом лазерном устройстве, можно подавить выделение теплоты в непосредственной близости от торцевых поверхностей. Таким образом, можно увеличить слой КРОЗ. То есть полупроводниковое лазерное устройство согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения является также надежным даже в случае, когда полупроводниковое лазерное устройство работает на высокой выходной мощности.

Вышеописанное полупроводниковое лазерное устройство согласно второму варианту осуществления генерирует излучение на основной поперечной моде. Однако, когда настоящее изобретение применимо к полупроводниковому лазерному устройству, которое включает в себя область генерации, имеющую ширину 1,5 мкм или более, полупроводниковое лазерное устройство может также работать с высокой выходной мощностью и низким уровнем шума даже на многочисленных модах.

Описание третьего варианта реализации изобретения

На фиг.3А-3С изображены виды поперечного сечения полупроводникового лазерного устройства согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Поперечное сечение, показанное на фиг.3А, параллельно направлению распространения лазерного излучения, которое излучается из полупроводникового лазерного устройства. На фиг.3В показано поперечное сечение В-В' в непосредственной близости от торцевой поверхности, и на фиг.3С показано поперечное сечение А-А' центральной части полупроводникового лазерного устройства.

Как изображено на фиг.3А, сначала на подложке GaAs n-типа способом металлоорганической эпитаксии из паровой фазы формируют нижний слой 52 In_0,49 (Ga_1-z2Al_z2)_0,51P оболочки n-типа (0,1≤z2≤z3), нижний световодный слой 53 In_0,49Ga_0,51P n-типа или i-типа, активный слой 54 In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 квантовой ямы (0≤х3≤0,3, 0≤y3≤0,5), первый верхний световодный слой 55 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа и герметизирующий слой 56 GaAs (не показан), имеющий толщину приблизительно 10 нм. Затем поверх герметизирующего слоя 56 GaAs n-типа формируют пленку 57 SiO₂ (не показано).

Затем в каждом полупроводниковом лазерном устройстве части, расположенные рядом с краем пленки 57 SiO₂, которые примыкают к торцевым поверхностям полупроводникового лазерного устройства, удаляют для того, чтобы облучить части, расположенные рядом с краем герметизирующего слоя 56 GaAs n-типа, где каждая из частей, расположенных рядом с краем, примыкает к торцевой поверхности полупроводникового лазерного устройства и имеет ширину приблизительно 20 мкм в направлении, перпендикулярном к торцевой поверхности. Так как в реальном процессе изготовления множество полупроводниковых лазерных устройств формируют в виде пластины, то полосковые зоны пленки 57 SiO₂, расположенные на пластине, удаляют, при этом каждая из них включает в себя границы (соответствующие торцевым поверхностям) полупроводниковых лазерных устройств, расположенные непосредственно в центре, и имеют ширину приблизительно 40 мкм.

После этого части, расположенные рядом с краем герметизирующего слоя 56 GaAs n-типа травят с помощью травителя на основе серной кислоты с использованием оставшихся зон пленки 57 SiO₂ в виде маски для того, чтобы облучить части, расположенные рядом с краем первого верхнего световодного слоя 55 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа. Затем части, расположенные рядом с краем первого верхнего световодного слоя 55 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа травят с помощью травителя на основе соляной кислоты до тех пор, пока не будут облучены части, расположенные рядом с краем активного слоя 54 In_x3Ga_1-x3As_1-y3P_y3 квантовой ямы. Далее удаляют оставшиеся области пленки 57 SiO₂ и затем оставшиеся части герметизирующего слоя 56 GaAs n-типа и части, расположенные рядом с краем активного слоя 54 In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 квантовой ямы удаляют с использованием травителя на основе серной кислоты для того, чтобы облучить части, расположенные рядом с краем нижнего световодного слоя 53 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа.

Затем второй верхний световодный слой 58 In_0,49Ga_0,51P p-типа, слой 59 In_x4Ga_1-x4As_1-y4P_y4 остановки травления р-типа (0≤х4≤0,3, 0≤y4≤0,6), слой 60 In_0,49(Ga_1-z3Al_z3)_0,51P ограничения тока n-типа (z2≤z3≤1) и верхний слой 61 GaAs n-типа (не показано) формируют на слоистой структуре, сформированной так, как описано выше. Затем на верхний слой 61 GaAs n-типа наносят резист и полосковую зону резиста, имеющую ширину приблизительно 3 мкм и простирающуюся в направлении, перпендикулярном к торцевым поверхностям, удаляют с использованием традиционного способа литографии для того, чтобы сформировать окно для подачи тока. Затем полосковую зону верхнего слоя 61 GaAs n-типа, которую облучают после вышеописанного удаления полосковой зоны резиста, травят с помощью травителя на основе серной кислоты с использованием оставшегося резиста в качестве резистивной маски. И затем полосковую зону слоя 60 In_0,49(Ga_1-z2Al_z2)_0,51P ограничения тока n-типа, расположенную под удаленной полосковой зоной герметизирующего слоя 61 GaAs n-типа, травят с помощью травителя на основе соляной кислоты с использованием оставшегося резиста в качестве резистивной маски. Затем удаляют оставшийся резист, и оставшуюся зону герметизирующего слоя 61 GaAs n-типа и полосковую зону слоя 59 для прекращения травления In_x4Ga_1-x4As_1-y4P_y4 р-типа травят с использованием травителя на основе серной кислоты.

Затем верхний слой In_0,49(Ga_1-z1Al_z1)_0,51P оболочки р-типа и контактный слой 64 GaAs р-типа формируют над слоистой структурой, сформированной так, как описано выше. Общая толщина первого и второго верхних световодных слоев 55 и 58 имеет такое значение, что колебание на основной поперечной моде достигается даже в случае, когда полупроводниковое лазерное устройство работает с высокой выходной мощностью. И, наконец, электрод 65 р-типа формируют на контактном слое 64 GaAs р-типа. Кроме того, облученную поверхность подложки 51 полируют и электрод 66 n-типа формируют на полированной поверхности подложки 51. Затем обе торцевые поверхности слоистой структуры скалывают, и покрытие 67 с высоким коэффициентом отражения и покрытие 68 с низким коэффициентом отражения наносят на соответствующие торцевые поверхности для того, чтобы сформировать резонатор. Затем вышеописанную конструкцию формируют в виде кристалла.

Как изображено на фиг.3В, полупроводниковое лазерное устройство согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения включает в себя световодную структуру внутриполоскового типа, сформированную путем распределения показателя преломления и реализованную путем выполнения слоя, ограничивающего ток, и активный слой 54 In_x3Ga_1-x3As_1-y3P_y3 квантовой ямы, и первый верхний световодный слой 55 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа простирается по всей зоне за исключением зон, расположенных рядом с краем, которые примыкают к торцевым поверхностям полупроводникового лазерного устройства. То есть активный слой 54 In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 квантовой ямы и первый верхний световодный слой 55 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа удаляют в непосредственной близости от торцевых поверхностей полупроводникового лазерного устройства. Поэтому области, расположенные рядом с краем (то есть области, расположенные в непосредственной близости от торцевых поверхностей) полупроводникового лазерного устройства не являются поглощающими (прозрачными) для лазерного излучения, которое генерируется в полупроводниковом лазерном устройстве, и в этом случае можно подавить выделение тепла в непосредственной близости от торцевых поверхностей. Таким образом можно увеличить слой КРОЗ. То есть полупроводниковое лазерное устройство согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения является также надежным даже в случае, когда полупроводниковое лазерное устройство работает при высокой выходной мощности.

Благодаря описанной выше конструкции упомянутое полупроводниковое лазерное устройство согласно третьему варианту осуществления генерирует излучение на основной поперечной моде даже в случае, когда полупроводниковое лазерное устройство работает при высокой оптической выходной мощности. Однако, когда настоящее изобретение применяется в полупроводниковом лазерном устройстве, которое включает в себя область генерации, имеющую ширину 1,5 мкм или более, полупроводниковое лазерное устройство может также работать с высокой выходной мощностью и низкими шумами даже в случае многочисленных мод.

Описание четвертого варианта реализации изобретения

На фиг.4А изображен вид в поперечном сечении, иллюстрирующий промежуточную стадию процесса получения полупроводникового лазерного устройства, согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения, и на фиг.4В изображен вид в поперечном сечении полупроводникового лазерного устройства согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Поперечные сечения, показанные на фиг.4А и 4В, параллельны направлению распространения лазерного излучения, которое излучается из полупроводникового лазерного устройства.

Слои от подложки 11 GaAs n-типа до верхнего слоя 19 Al_z1Ga_1-z1As оболочки р-типа полупроводникового лазерного устройства согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения идентичны соответствующим слоям структуры первого варианта осуществления. Однако в четвертом варианте осуществления затем формируют контактный слой 20 GaAs р-типа на верхнем слое 19 Al_z1Ga_1-z1As оболочки р-типа, а части, расположенные рядом с краем (то есть части, расположенные в непосредственной близости от торцевых поверхностей) контактного слоя 20 GaAs р-типа удаляют с использованием традиционного способа литографии. Затем изолирующий слой 26 формируют поверх упомянутой слоистой структуры, и зону изолирующего слоя 26, которая соответствует окну подачи тока, удаляют для того, чтобы облучить соответствующую зону контактного слоя 20 GaAs р-типа так, как изображено на фиг.4В. Затем формируют электрод 22 р-типа над контактным слоем 20 GaAs р-типа и оставшимися частями изолирующего слоя 26. Кроме того, облученную поверхность подложки 11 полируют и электрод 23 n-типа формируют на полированной поверхности подложки 11. В итоге, вышеописанную конструкцию формируют в виде кристалла тем же самым способом, как и в первом варианте осуществления.

Дополнительные пояснения к первому - четвертому вариантам реализации изобретения

(i) Хотя подложки GaAs n-типа используются в конструкциях первого - четвертого вариантов осуществления, вместо них можно использовать подложки GaAs р-типа. Когда подложки GaAs являются подложками р-типа, типы проводимости всех других слоев в конструкциях первого - четвертого вариантов осуществления необходимо инвертировать.

(ii) Когда активные слои в полупроводниковых лазерных устройствах согласно первому - четвертому вариантам осуществления представляют собой активные слои In_x3Ga_1-x3As_1-y3P_y3 квантовой ямы с деформацией сжатия (0≤х3≤0,4, 0≤y3≤0,1), длинами волн излучения генерации полупроводниковых лазерных устройств согласно первому - четвертому вариантам осуществления можно управлять в диапазонах 700-1200 нм.

(iii) Каждый слой в полупроводниковых устройствах согласно первому - четвертому вариантам осуществления можно сформировать с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием твердого или газообразного сырья.

(iv) Кроме того, все содержание японской заявки на патент №11(1999) - 348527 включено в настоящее описание в качестве ссылки.

Ниже, со ссылкой на фиг.5-10, подробно описываются варианты осуществления второго полупроводникового лазерного устройства согласно настоящему изобретению.

Описание пятого варианта реализации изобретения

Полупроводниковое лазерное устройство согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения будет подробно описано со ссылкой на фиг.5А-5С. На чертежах: фиг.5А - вид в поперечном сечении сбоку показывает активную область. Фиг.5В изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии А-А', который показывает центральную часть полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном к направлению его резонанса. Фиг.5С изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии В-В', который является видом в поперечном сечении вблизи торцевой поверхности полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса.

Пятый вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.5А-5С, и структура полупроводникового лазерного устройства этого варианта осуществления будет описана совместно с процессами для изготовления полупроводникового лазерного устройства. Сначала на подложку 101 GaAs n-типа способом выращивания из органометалической паровой фазы послойно наносят слой оболочки 102 Ga_1-z1Al_z1As n-типа (0,57≤z1≤0,8), нижний световодный слой 103 In_0,49Ga_0,51P n-типа или i-типа, нижний барьерный слой 104 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1 i-типа (0≤x1≤0,3, 0≤y1≤0,6), активный слой 105 In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 с потенциальной ямой и деформацией сжатия (0,49y3<х3≤0,4, 0<y3<0,1), верхний барьерный слой 106 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1 i-типа, имеющий толщину пленки приблизительно 5 нм, и герметизирующий слой 107 In_0,49Ga_0,51P, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм. Резист наносят на герметизирующий слой 107. При использовании обычного метода литографии процесс удаления выполняют на резисте для того, чтобы сформировать части, имеющие форму полоски с шириной приблизительно 40 мкм на заданном периоде длины резонатора, который простирается в направлении, выраженном следующей формулой.

[Формула 1] <011>

Герметизирующий слой 107 In_0,49Ga_0,51P травят с помощью травителя на основе соляной кислоты с использованием этого резиста в качестве маски для дальнейшего облучения верхнего барьерного слоя 106 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1. В это же время, так как используется травитель на основе соляной кислоты, процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности верхнего барьерного слоя 106 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1. Затем удаляют резист и травление выполняют с использованием травителя на основе серной кислоты до тех пор, пока не будет облучен нижний световодный слой 103 In_0,49Ga_0,51P. В это время, так как используется травитель на основе серной кислоты, процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности нижнего световодного слоя 103 In_0,49Ga_0,51P. Таким же способом, описанным выше, удаляют части, имеющие форму полоски (части вблизи торцевой поверхности) активного слоя 105, нижнего и верхнего барьерных слоев 104 и 106 и герметизирующего слоя 107, которые имеют ширину 40 мкм и включают в себя положение установки конца резонатора.

Затем растят верхний световодный слой 108 In_0,49Ga_0,51P p-типа или i-типа для того, чтобы скрыть удаленные части вблизи торцевой поверхности. Затем формируют первый слой оболочки 109 Ga_1-z1Al_z1As р-типа, первый слой 110 In_0,49Ga_0,51P для прекращения процесса травления р-типа, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, второй слой 111 GaAs для прекращения процесса травления, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, слой 112 In_0,5(Ga_1-z2Al_z2)_0,5P Для ограничения тока (0,2≤z2≤1), герметизирующий слой 113 In_0,49Ga_0,51P n-типа и слой GaAs (не показан). После этого наносят резист. Затем области резиста, имеющие форму полоски, удаляют в направлении <011>, перпендикулярном уже удаленным частям, имеющим форму полоски. Области, имеющие форму полоски, этого резиста соответствуют отверстию для инжекции тока, которое имеет ширину приблизительно 1-3 мкм. Части, имеющие форму полоски, герметизирующего слоя GaAs, очищенные от резиста, которые соответствуют отверстию для инжекции тока, удаляют с помощью травителя на основе серной кислоты с использованием резиста в качестве маски. В это же время процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности герметизирующего слоя 113 In_0,49Ga_0,51P. После этого сначала удаляют резист, затем части, имеющие форму полоски, герметизирующего слоя 113 In_0,49Ga_0,51P, облученные на частях, имеющих форму полоски герметизирующего слоя GaAs, удаляют с помощью травителя на основе серной кислоты с использованием герметизирующего слоя GaAs в качестве защиты и, следовательно, формируют проход для инжекции тока. Затем удаляют части, имеющие форму полоски, слоя 112 In_0,5(Ga_1-z2Al_z2)_0,5P для ограничения тока n-типа, таким образом формируя проход для инжекции тока. После этого герметизирующий слой GaAs, которые используется в качестве защиты, удаляют с помощью травителя на основе серной кислоты и одновременно удаляют части, имеющие форму полоски, второго слоя GaAs для прекращения процесса травления, таким образом формируя проход для инжекции тока.

Затем выращивают второй слой 115 оболочки Ga_1-z1Al_z1As p-типа и контактный слой 116 GaAs р-типа, и электрод 117 р-типа формируется на контактном слое 116. После этого подложку 101 полируют и на полированной поверхности формируют электрод n-типа. Слои от первого слоя 109 оболочки р-типа до второго слоя 115 оболочки р-типа образуют вместе слой 120 оболочки р-типа (слой оболочки второго типа проводимости).

После этого выполняют покрытие с высоким коэффициентом отражения на одной из поверхностей резонатора, сформированных путем скалывания образца в положении, где устанавливается торцевая поверхность резонатора, и покрытие с низким коэффициентом отражения выполняют на другой поверхности этого резонатора. Затем вышеупомянутую конструкцию формируют в виде кристалла микросхемы, таким образом завершая выполнение полупроводникового лазерного устройства.

Слой 109 оболочки р-типа должен иметь такую толщину пленки, при которой полупроводниковое лазерное устройство может генерировать высокую выходную мощность на основной поперечной моде, и первый и второй слои 109 и 115 оболочки р-типа должны иметь составы, с которыми полупроводниковое лазерное устройство может генерировать высокую выходную мощность на основной поперечной моде. В частности, толщину пленки и состав устанавливают так, чтобы разность эквивалентных показателей преломления со ступенчатым профилем находилась в диапазоне от 1,5×10^-3 до 7×10^-3. Состав каждого слоя оболочки должен быть достаточным для того, чтобы иметь ширину запрещенной зоны больше, чем у световодного слоя. Так как материал каждого слоя оболочки, материал ряда InGaAlP или материал ряда InGaAlAsP, согласованный по постоянной кристаллической решетки с подложкой 101 GaAs, можно использовать в дополнение к предыдущему материалу GaAlAs. Кроме того, активный слой может иметь многочисленные потенциальные ямы.

Кроме того, на этапе изготовления для удаления части вблизи торцевой поверхности можно использовать следующие этапы. Сначала формируют герметизирующий слой GaAs, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, на герметизирующем слое 107 In_0,49Ga_0,51P и резист наносят на герметизирующий слой GaAs. При использовании обычного способа литографии выполняют процесс удаления резиста для того, чтобы сформировать части, имеющие форму полоски с шириной приблизительно 40 мкм на предварительно определенном периоде длины резонатора, который простирается в направлении, выраженном следующей формулой.

[Формула 2] <011>

Герметизирующий слой GaAs удаляют так, чтобы он имел форму полоски, с помощью травителя на основе серной кислоты с использованием этого резиста в качестве маски. После удаления резиста герметизирующий слой 107 In_0,49Ga_0,51P удаляют с помощью травителя на основе серной кислоты с использованием герметизирующего слоя GaAs в качестве маски. Затем выполняют этап травления с использованием травителя на основе серной кислоты до тех пор, пока не будет удален весь герметизирующий слой GaAs, и одновременно облучают нижний световодный слой 103 In_0,49Ga_0,51P. Используя этапы, в которых выполняют герметизирующий слой GaAs на герметизирующем слое 107 In_0,49Ga_0,51P вышеупомянутым способом и затем удаляют этот герметизирующий слой GaAs, можно предотвратить адгезию органических веществ, оставшихся на заново выращенной поверхности.

Описание шестого варианта реализации изобретения

Шестой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.6А-6С. На чертежах фиг.6А изображает вид сбоку в поперечном сечении, включая активную область. Фиг.6В изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии А-А', который показывает центральную часть полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Фиг.6С изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии В-В', который является видом в поперечном сечении вблизи торцевой поверхности полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Ниже будут описаны только отличия полупроводникового лазерного устройства от полупроводникового лазерного устройства согласно пятому варианту осуществления. Те же самые слои, как в пятом варианте осуществления, обозначены теми же самыми позициями и их подробное описание будет опущено.

Этапы, которые выполняются до тех пор, пока не сформируется контактный слой 116 GaAs р-типа, идентичны этапам изготовления согласно пятому варианту осуществления. После того как сформирован контактный слой 116 GaAs р-типа, удаляют контактный слой 116 GaAs р-типа в области, имеющей форму полоски и соответствующей области (часть вблизи торцевой поверхности), где удален активный слой 105. Части, где удален контактный слой 116 GaAs р-типа, закрывают с помощью изолирующей пленки 119. В частности, изолирующую пленку 119 формируют в части вблизи торцевой поверхности вместо контактного слоя 116. Таким образом, можно значительно подавить инжекцию тока в область окна (часть вблизи торцевой поверхности) и можно повысить оптическую выходную мощность.

Описание седьмого варианта реализации изобретения

Седьмой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.7А-7С. На чертежах фиг.7А изображает вид сбоку в поперечном сечении, включая активную область. Фиг.7В изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии А-А', который показывает центральную часть полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Фиг.7С изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии В-В', который является видом в поперечном сечении вблизи торцевой поверхности полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Описание структуры полупроводникового лазерного устройства согласно седьмому варианту осуществления будет приведено вместе с его этапами изготовления. Сначала на подложку 121 GaAs n-типа способом выращивания из органометаллической паровой фазы послойно наносят слой 122, формируют Ga_1-z1Al_z1As n-типа (0,57≤z1≤0,8), нижний световодный слой 123 In_0,49Ga_0,51P n-типа или i-типа, нижний барьерный слой 124 In_x2Ga_1-x2As_1-y2P_y2 i-типа (0≤х2≤0,3, х2=0,49y2), имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, нижний барьерный слой 125 с относительной деформацией растяжения In_x4Ga_1-x4As_1-y4P_y4 i-типа (0,49y4>х4≥0, 0<y4≤0,5), активный слой 126 с относительной деформацией сжатия и потенциальной ямой In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 (0,49y3<х3≤0,4; 0<y3≤0,1), верхний барьерный слой 127 с относительной деформацией растяжения In_x4Ga_1-x4As_1-y4P_y4 i-типа, верхний барьерный слой 128 In_x2Ga_1-x2As_1-y2P_y2 i-типа, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, и герметизирующий слой 129 In_0,49Ga_0,51P, имеющий толщину пленки приблизительно 5 нм. На герметизирующий слой 129 In_0,49Ga_0,51P наносят резист. Используя обычный метод литографии, на резисте выполняют процесс удаления для того, чтобы сформировать части, имеющие форму полоски, шириной приблизительно 40 мкм на заданном периоде длины резонатора, который простирается в направлении, выраженном следующей формулой:

[Формула] 3 <011>

Герметизирующий слой 129 In_0,49Ga_0,51P травят с помощью травителя на основе соляной кислоты с использованием этого резиста в качестве маски. Таким образом подвергают воздействию верхний барьерный слой 128 In_x2Ga_1-x2As_1-y2P_y2. В это же время, так как используется травитель на основе соляной кислоты, процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности верхнего барьерного слоя 128 In_x2Ga_1-x2As_1-y2P_y2. Затем удаляют резист и процесс травления выполняют с использованием травителя на основе серной кислоты до тех пор, пока не подвергнется воздействию нижний световодный слой 123 In_0,49Ga_0,51P. В это же время, так как используется травитель на основе серной кислоты, процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности нижнего световодного слоя 123 In_0,49Ga_0,51P. Таким же способом, который описан выше, удаляют части, имеющие форму полоски (части вблизи торцевой поверхности), активного слоя 126, нижнего и верхнего растянутых барьерных слоев 125 и 127, нижнего и верхнего барьерных слоев 124 и 128 и герметизирующего слоя 109 In_0,49Ga_0,51P, которые имеют ширину 40 мкм и включают в себя положение установки конца резонатора.

Затем выращивают верхний световодный слой 130 In_0.49Ga_0.51P р-типа или i-типа для того, чтобы скрыть удаленные части вблизи торцевой поверхности. Кроме того, формируют первый слой 131 Ga_1-z1Al_z1As р-типа, первый слой 132 для прекращения процесса травления In_0,49Ga_0,51P р-типа, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, второй слой 133 GaAs для прекращения процесса травления, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, слой 134 In_0.5(Ga_1-z2Al_z2)_0,5P для ограничения тока n-типа (0,2≤z2≤1) и герметизирующий слой 135 In_0.49Ga_0,51P n-типа. После этого наносят резист. Затем области резиста, имеющие форму полоски, удаляют в направлении <011>, перпендикулярном уже удаленным частям, имеющим форму полоски. Области, имеющие форму полоски этого резиста соответствуют отверстию для инжекции тока, которое имеет ширину приблизительно 1-3 мкм. Части, имеющие форму полоски, герметизирующего слоя 135 In_0.49Ga_0,51P n-типа и слой 134 для ограничения тока удаляют с использованием этого резиста в качестве маски. В это же время процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности второго слоя 133 GaAs для прекращения процесса травления. После этого сначала удаляют резист, затем части, имеющие форму полоски, второго слоя 133 GaAs для прекращения процесса травления с помощью травителя на основе серной кислоты. Таким образом формируют отверстие для инжекции тока. Затем выращивают второй слой 137, формируют Ga_1-z1Al_z1As р-типа и контактный слой 138 GaAs р-типа. Электрод 139 р формируют на контактном слое 138. После этого подложку 121 полируют и на полированной поверхности формируют электрод 140 n.

После этого осуществляют покрытие с высоким коэффициентом отражения на одной из поверхностей резонатора, сформированных путем скалывания образца в положении, где установлена торцевая поверхность резонатора, и выполняют покрытие с низким коэффициентом отражения на другой поверхности этого резонатора. Затем вышеупомянутую конструкцию формируют в виде кристалла микросхемы, таким образом завершая изготовление полупроводникового лазерного устройства.

Первый слой 131 оболочки р-типа должен иметь толщину пленки, и второй слой 137 оболочки р-типа должен иметь состав, посредством чего полупроводниковое лазерное устройство может генерировать высокую выходную мощность на основной поперечной моде. В частности, толщину пленки и состав устанавливают так, чтобы разность эквивалентных показателей преломления со ступенчатым профилем находилась в диапазоне от 1,5×10^-3 до 7×10^-3. Состав каждого слоя оболочки должен быть достаточным для того, чтобы иметь ширину запрещенной зоны больше, чем у световодного слоя. Так как материал каждого слоя оболочки из ряда InGaAlP или материал ряда InGaAlAsP, согласованный по постоянной кристаллической решетки с подложкой 101 GaAs, можно использовать в дополнение к предыдущему материалу GaAlAs. Кроме того, хотя активный слой может иметь многочисленные потенциальные ямы, абсолютное значение суммы произведений величины деформации на толщину пленки барьерного слоя с деформацией растяжения и активного слоя с деформацией сжатия должен быть установлен на 0,3 нм или менее.

Описание восьмого варианта реализации изобретения

Восьмой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.8А-8С и структура полупроводникового лазерного устройства согласно варианту реализации будет описана совместно с этапами его изготовления. На чертежах, фиг.8А, изображен вид сбоку в поперечном сечении, включая активную область. Фиг.8В изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии А-А', который показывает центральную часть полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Фиг.8С изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии В-В', который является видом в поперечном сечении вблизи торцевой поверхности полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Сначала на подложку 141 GaAs n-типа способом выращивания из органометаллической паровой фазы послойно наносят слой 142 оболочки Ga_1-z1Al_z1As n-типа (0,57≤z1≤0, 8), нижний световодный слой 143 In_0,49Ga_0,51P n-типа или i-типа, нижний барьерный слой 144 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1 i-типа (0≤х1≤0,3, 0,1≤y1≤0,6), активный слой 145 с относительной деформацией сжатия и потенциальной ямой In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 (0,49y3<х3≤0,4, 0<y3≤0,1), верхний барьерный слой 146 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1 i-типа, имеющий толщину пленки приблизительно 5 нм, и герметизирующий слой 147 In_0,49Ga_0,51P, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм. На герметизирующий слой 147 наносят резист. Используя обычный метод литографии, на резисте выполняют процесс удаления для того, чтобы сформировать части, имеющие форму полоски с шириной приблизительно 40 мкм на заданном периоде длины резонатора, который простирается в направлении, выраженном следующей формулой:

[Формула 4] <011>

Герметизирующий слой 147 In_0,49Ga_0,51P травят с помощью травителя на основе соляной кислоты с использованием этого резиста в качестве маски для того, чтобы подвергнуть воздействию верхний барьерный слой 146 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1. В это же время, так как используется травитель на основе соляной кислоты, процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности верхнего барьерного слоя 146 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1. Затем удаляют резист и процесс травления выполняют с использованием травителя на основе серной кислоты до тех пор, пока не подвергнется воздействию нижний световодный слой 143 In_0,49Ga_0,51P. В это же время, так как используется травитель на основе серной кислоты, процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности нижнего световодного слоя 143 In_0,49Ga_0,51P. Таким же способом, который описан выше, удаляют части, имеющие форму полоски (части вблизи торцевой поверхности), активного слоя 145, нижнего и верхнего барьерных слоев 144 и 146 и герметизирующего слоя 147 In_0,49Ga_0,51P, которые имеют ширину 40 мкм и включают в себя положение установки конца резонатора.

Затем формируют верхний световодный слой 148 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа, слой 149 GaAs для прекращения процесса травления, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, слой 150 In_0,5(Ga_1-z2Al_z2)_0.5P для ограничения тока n-типа (0,2≤z2≤1), герметизирующий слой 151 In_0,49Ga_0,51P n-типа и герметизирующий слой GaAs для того, чтобы скрыть удаленные части вблизи торцевой поверхности. После этого наносят резист и области резиста, имеющие ширину от 1 до 3 мкм, удаляют в направлении <011>, перпендикулярном уже удаленным частям, имеющим форму полоски, и части, имеющие форму полоски, герметизирующего слоя 152 GaAs удаляют с помощью травителя на основе серной кислоты с использованием этого резиста в качестве защиты, таким образом формируя проход для инжекции тока. В это же время процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности герметизирующего слоя 151 In_0,49Ga_0,51P. После этого удаляют резист, а части герметизирующего слоя 151 In_0,49Ga_0,51P и слой 150 In_0,5(Ga_1-z2Al_z2)_0,5P для ограничения тока n-типа с помощью травителя на основе соляной кислоты. Таким образом формируют проход для инжекции тока. Затем удаляют герметизирующий слой GaAs, используемый в качестве защиты (маски), и части, имеющие форму полоски, слоя 149 GaAs для прекращения процесса травления удалены, таким образом формируя проход для инжекции тока.

Затем выращивают второй слой 153 оболочки Ga_1-z1Al_z1As p-типа и контактный слой 154 GaAs р-типа. Электрод 155 р-типа формируют на контактном слое 154. После этого подложку 141 полируют, и на полированной поверхности формируют электрод 156 n-типа.

После этого осуществляют покрытие с высоким коэффициентом отражения на одной из поверхностей резонатора, сформированных путем скалывания образца в положении, где установлена торцевая поверхность резонатора, и осуществляют покрытие с низким коэффициентом отражения на другой поверхности этого резонатора. Затем вышеупомянутую конструкцию формируют в виде кристалла микросхемы, таким образом завершая изготовление полупроводникового лазерного устройства.

Следует отметить, что верхний световодный слой 148 должен иметь толщину и второй слой 153 оболочки р-типа должен иметь состав, посредством чего полупроводниковое лазерное устройство может генерировать высокую выходную мощность на основной поперечной моде. В частности, толщину пленки и состав устанавливают так, чтобы разность эквивалентных показателей преломления со ступенчатым профилем находилась в диапазоне от 1,5×10^-3 до 7×10^-3.

Описание девятого варианта реализации изобретения

Девятый вариант реализации настоящего изобретения показан на фиг.9А-9С, и структура полупроводникового лазерного устройства этого варианта осуществления будет описана совместно с этапами его изготовления. На чертежах, фиг.9А, изображен вид сбоку в поперечном сечении, включая активную область. Фиг.9В изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии А-А', который показывает центральную часть полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Фиг.9С изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии В-В', который является видом в поперечном сечении вблизи торцевой поверхности полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Сначала на подложку 161 GaAs n-типа способом выращивания из органометаллической паровой фазы послойно наносят слой 162 оболочки Ga_1-z1Al_z1As n-типа (0,57≤z1≤0, 8), нижний световодный слой 163 In_0,49Ga_0,51P n-типа или i-типа, имеющий толщину пленки приблизительно 5 нм, нижний барьерный слой 164 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1 i-типа (0≤x1≤0,3, 0≤y1≤0,6), имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, активный слой 165 с относительной деформацией сжатия и потенциальной ямой In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 (0,49y3<х3≤0,4, 0<y3≤0,1), верхний барьерный слой 166 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1 i-типа, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, и герметизирующий слой 167 In_0,49Ga_0,51AsP, имеющий толщину пленки приблизительно 5 нм. На герметизирующий слой 167 наносят резист. Используя обычный метод литографии, на резисте выполняют процесс удаления для того, чтобы сформировать части, имеющие форму полоски с шириной приблизительно 40 мкм на заданном периоде длины резонатора, который простирается в направлении, выраженном следующей формулой:

[Формула 5] <011>

Герметизирующий слой 167 In_0,49Ga_0,51P травят с помощью травителя на основе соляной кислоты с использованием этого резиста в качестве маски для того, чтобы подвергнуть воздействию верхний барьерный слой 166 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1. В это же время, так как используется травитель на основе соляной кислоты, процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности верхнего барьерного слоя 166 In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1. Затем удаляют резист и процесс травления выполняют с использованием травителя на основе серной кислоты до тех пор, пока не подвергнется воздействию нижний световодный слой 163 In_0,49Ga_0,51P. В это же время, так как используется травитель на основе серной кислоты, процесс травления автоматически прекращается непосредственно перед развитием процесса травления в сторону верхней поверхности нижнего световодного слоя 163 In_0,49Ga_0,51P. Таким же способом, который описан выше, удаляют части, имеющие форму полоски (части вблизи торцевой поверхности), активного слоя 165, нижнего и верхнего барьерных слоев 164 и 166 и герметизирующего слоя 167 In_0,49Ga_0,51P, которые имеют ширину 40 мкм и включают в себя положение установки конца резонатора.

Затем выращивают верхний световодный слой 168 In_0,49Ga_0,51P р-типа или i-типа, первый слой 169 Ga_1-z1Al_z1As оболочки р-типа, слой 170 In_0,49Ga_0,51P для прекращения процесса травления, имеющий толщину пленки приблизительно 10 нм, второй слой 171 Ga_1-z1Al_z1As оболочки р-типа и контактный слой 172 GaAs р-типа для того, чтобы скрыть удаленные части вблизи торцевой поверхности. Кроме того, формируют изолирующую пленку (не показано), и изолирующую пленку удаляют для того, чтобы части, имеющие форму полоски с шириной приблизительно от 1 до 3 мкм, оставались в направлении <011>. Обе стороны частей, имеющих форму полоски, контактного слоя 172 GaAs р-типа и второго слоя 171 оболочки Ga_1-z1Al_z1As р-типа удаляют с помощью травителя на основе серной кислоты с использованием этой изолирующей пленки в качестве защиты, таким образом формируя гребенчатую структуру. Затем формируют изолирующую пленку 173, и проход для инжекции тока формируют только в верхней части гребенчатой структуры с помощью обычного метода литографии. Электрод 174 р-типа формируют для того, чтобы закрыть проход для инжекции тока. После этого подложку 161 полируют и на полированной поверхности формируют электрод 175 n-типа.

После этого осуществляют покрытие с высоким коэффициентом отражения на одной из поверхностей резонатора, сформированных путем скалывания образца в положении, где установлена торцевая поверхность резонатора, и осуществляют покрытие с низким коэффициентом отражения на другой поверхности этого резонатора. Затем вышеупомянутую конструкцию формируют в виде кристалла микросхемы, таким образом завершая изготовление полупроводникового лазерного устройства.

Следует отметить, что второй слой оболочки р-типа должен иметь толщину пленки, при которой полупроводниковое лазерное устройство может генерировать высокую выходную мощность на основной поперечной моде. В частности, толщину пленки устанавливают так, чтобы разность эквивалентных показателей преломления со ступенчатым профилем находилась в диапазоне от 1,5×10^-3 до 7×10^-3.

Описание десятого варианта реализации изобретения

Десятый вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.10А-10С. На чертежах, фиг.10А, изображен вид сбоку в поперечном сечении, включая активную область. Фиг.10В изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии А-А', который показывает центральную часть полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Фиг.10С изображает вид в поперечном сечении, взятом вдоль линии В-В', который является видом в поперечном сечении вблизи торцевой поверхности полупроводникового лазерного устройства в направлении, перпендикулярном направлению его резонанса. Ниже будут описаны только различия полупроводникового лазерного устройства от полупроводникового лазерного устройства согласно девятому варианту осуществления. Одинаковые слои, как и в девятом варианте осуществления, обозначены одинаковыми позициями и подробное их описание опущено.

Полупроводниковое лазерное устройство согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения не содержит первый слой 169 Ga_1-z1Al_z1As оболочки р-типа, слой 170 In_0,49Ga_0,51P для прекращения процесса травления р-типа, сформированный на верхнем световодном слое 168 в девятом варианте осуществления. Как описано выше, часть слоя оболочки р-типа может содержать только один слой оболочки р-типа.

Следует отметить, что верхний световодный слой 168 должен иметь толщину пленки, при которой полупроводниковое лазерное устройство может генерировать высокую выходную мощность на основной поперечной моде. В частности, толщину пленки устанавливают так, чтобы разность эквивалентных показателей преломления со ступенчатым профилем находилась в диапазоне от 1,5×10^-3 до 7×10^-3.

В полупроводниковых лазерных устройствах согласно пятому - десятому вариантам осуществления активный слой In_x3Ga_1-х3As_1-y3Р_1-y3 с деформацией сжатия контролируют в диапазоне 0,49y3≤х4≤0,4, 0≤y4≤0,1, посредством чего можно управлять длиной волны колебаний в диапазоне 900<λ<1200 (нм).

В качестве способа выращивания каждого полупроводникового слоя можно использовать молекулярно-лучевой способ эпитаксиального выращивания с использованием твердых или газообразных исходных материалов.

В частности, индексы х, y и z, у которых конкретно не определены диапазоны значений, имеют значения в диапазоне от 0 до 1 и их правильно выбирают в зависимости от условий согласования параметров кристаллической решетки, условий несогласования параметров кристаллической решетки, величины диапазона ширины запрещенной зоны и величины показателя преломления относительно длины волны колебаний.

В вышеописанных вариантах осуществления, хотя использовалась подложка GaAs n-типа, можно также и использовать подложку GaAs р-типа. В этом случае послойно наносят слои, имеющие противоположный тип проводимости по отношению к тем слоям, которые используются в полупроводниковых лазерных устройствах в вышеописанных вариантах осуществления.

Полупроводниковый лазерный элемент согласно каждому из вышеописанных вариантов осуществления позволяет генерировать лазерный луч с высоким уровнем выходной оптической мощности при поддержании основной поперечной моды. Настоящее изобретение эффективно не только в лазерных элементах, которые позволяют генерировать основную поперечную моду, но и в полупроводниковых лазерных элементах, которые генерируют в многомодовом режиме, в котором имеют область генерации шириной 3 мкм или шире, и таким образом можно получить высоконадежный элемент для многомодовой генерации с низким уровнем шумов и высоким к.п.д.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве полупроводниковых лазеров. Технический результат изобретения: обеспечение генерации лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,7-1,2 мкм и обеспечение надежной работы устройства в случае его работы на высокой выходной мощности. Сущность: На подложку n-GaAs послойно наносят нижний слой n-Al_z1Ga_1-z1As оболочки, нижний световодный слой n- или i-In_0,49Ga_0,51P, активный слой In_х3Ga_1-х3As_1-y3Р_y3 с квантовой ямой, верхний первый световодный слой i-In_0,49Ga_0,51P, герметизирующий слой GaAs и пленку SiO₂. Затем ширина приблизительно 20 мкм пленки SiO₂ удаляется. При использовании пленки SiO₂ в качестве маски удаляют герметизирующий слой, расположенный рядом с торцевой поверхностью, и верхний первый световодный слой. Затем удаляют пленку SiO₂, активный слой с квантовой ямой, расположенный рядом с торцевой поверхностью, и оставшийся герметизирующий слой. На верхний второй световодный слой р- или i-In_0,49Ga_0,51P осаждают верхний слой оболочки p-Al_z1Ga_1-z1As и контактный слой p-GaAs. 3 н. и 16 з.п., 10 ил.

1. Полупроводниковое лазерное устройство, содержащее подложку GaAs первого типа проводимости, нижний слой оболочки первого типа проводимости, сформированный на подложке GaAs, нижний световодный слой, изготовленный из InGaP нелегированного типа или первого типа проводимости и сформированный на нижнем слое оболочки, активный слой, изготовленный из InGaAsP или InGaAs и сформированный на нижнем световодном слое за исключением областей, расположенных рядом с краем нижнего световодного слоя, которые примыкают к противоположным торцевым поверхностям полупроводникового лазерного устройства, где противоположные торцевые поверхности перпендикулярны направлению распространения лазерного излучения, которое генерируется в полупроводниковом лазерном устройстве, первый верхний световодный слой, изготовленный из InGaP нелегированного типа или второго типа проводимости и сформированный на активном слое, второй верхний световодный слой, изготовленный из InGaP нелегированного типа или второго типа проводимости и сформированный над первым верхним световодным слоем и областями, расположенными рядом с краем нижнего световодного слоя, верхний слой оболочки второго типа проводимости, сформированный на втором верхнем световодном слое, контактный слой второго типа проводимости, сформированный на верхнем слое оболочки.2. Полупроводниковое лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит гребенчатую структуру, которая сформирована путем удаления более, чем одной части верхнего слоя оболочки и контактного слоя, и дно гребенчатой структуры имеет ширину 1,5 мкм или более.3. Полупроводниковое лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит дополнительный слой, полосковую зону и полосковую канавку, при этом дополнительный слой изготовлен из InGaAlP первого типа проводимости и сформирован на втором верхнем световодном слое, который отличается от полосковой зоны второго верхнего световодного слоя, для того, чтобы сформировать полосковую канавку, реализующую окно для подачи тока, причем верхний слой оболочки формируется над дополнительным слоем для того, чтобы заполнить полосковую канавку, и дно полосы канавки имеет ширину 1,5 мкм или более.4. Полупроводниковое лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что активный слой изготовлен из In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1, где 0≤х1≤0,3, и 0≤y1≤0,5, и значения произведения относительной деформации на толщину активного слоя находятся в диапазоне от -0,15 до +0,15 нм.5. Полупроводниковое лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит верхний и нижний барьерные слои, причем активный слой является деформированным активным слоем с одной или многочисленными квантовыми ямами, при этом верхний и нижний барьерные слои, изготовленные из InGaP формируются непосредственно над и под деформированным активным слоем с квантовой ямой, причем по меньшей мере один из указанный верхнего и нижнего барьерного слоев деформирован в противоположную сторону по отношению к деформированному активному слою с квантовой ямой, и значения суммы первого произведения и второго произведения находятся в диапазоне от -0,15 до +0,15 нм, где упомянутое первое произведение является произведением относительной деформации на толщину активного слоя, и упомянутое второе произведение является произведением относительной деформации на полную толщину по меньшей мере одного из указанных верхнего и нижнего барьерных слоев.6. Полупроводниковое лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый нижний слой оболочки и верхний слой оболочки изготовлен из Al_z1Ga_1-z1As или In_x3(Al_z3Ga_1-z3)_1-x3As_1-y3P_y3, где 0,55≤z1≤0,8, х3=0,49y3±0,01, 0<y3≤1 и 0<z3≤1.7. Полупроводниковое лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из нижнего световодного слоя и первых верхних световодных слоев изготовлен из In_x2Ga_1-x2P, где х2=0,49±0,01.8. Полупроводниковое лазерное устройство, содержащее подложку GaAs первого типа проводимости и полупроводниковый слой, сформированный на подложке GaAs, причем полупроводниковый слой включает в себя слой оболочки первого типа проводимости, сформированный на подложке GaAs, нижний световодный слой, изготовленный из InGaP нелегированного типа или первого типа проводимости, причем нижний световодный слой сформирован на нижнем слое оболочки, активный слой с деформацией сжатия, изготовленный из любого одного из InGaAsP или InGaAs, причем активный слой с деформацией сжатия сформирован на нижнем световодном слое, верхний световодный слой, изготовленный из InGaP нелегированного типа или второго типа проводимости, причем верхний световодный слой сформирован на активном слое с деформацией сжатия, и часть слоя оболочки второго типа проводимости, отличающееся тем, что нижний барьерный слой, изготовленный из InGaAsP и имеющий ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, выполнен между нижним световодным слоем и активным слоем с деформацией сжатия, верхний барьерный слой, изготовленный из InGaAsP и имеющий ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, выполнен между активным слоем с деформацией сжатия и верхним световодным слоем, при этом удаляют части нижнего барьерного слоя, активного слоя с деформацией сжатия и верхнего барьерного слоя, которые примыкают к двум противоположным торцевым поверхностям среди торцевых поверхностей, полученных путем скалывания полупроводникового слоя, причем противоположные торцевые поверхности образуют резонаторную торцевую поверхность, нижний и верхний световодные слои имеют ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия, и верхний световодный слой заглубляют в удаленных частях нижнего барьерного слоя, активного слоя с деформацией сжатия и верхнего барьерного слоя.9. Полупроводниковое лазерное устройство по п.8, отличающееся тем, что активный слой с деформацией сжатия изготовлен из In_x3Ga_1-x3As_1-y3Р_y3 где 0,49≤x3≤0,4, 0≤y3≤0,1.10. Полупроводниковое лазерное устройство по п.8, отличающееся тем, что контактный слой второго типа проводимости сформирован в области, расположенной на части слоя оболочки второго типа проводимости, причем область исключает область, соответствующую частям, где удалены нижний барьерный слой, активный слой с деформацией сжатия и верхний барьерный слой, и изолирующую пленку формируют в области, расположенной на части слоя оболочки второго типа проводимости, причем область соответствует частям, где удалены нижний барьерный слой, активный слой с деформацией сжатия и верхний барьерный слой.11. Полупроводниковое лазерное устройство по п.8, отличающееся тем, что выполнена гребенчатая часть, которую формируют путем удаления обеих сторон части, имеющей форму полоски, части слоя оболочки второго типа проводимости, которая простирается от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности и от верхней поверхности части слоя оболочки второго типа проводимости до заданного положения.12. Полупроводниковое лазерное устройство по п.8, отличающееся тем, что часть слоя оболочки второго типа проводимости содержит первый слой оболочки второго типа проводимости, сформированный на верхнем световодном слое, первый слой для прекращения процесса травления второго типа проводимости, изготовленный из InGaP и сформированный на первом слое оболочки, второй слой для прекращения процесса травления, изготовленный из GaAs и имеющий отверстие для инжекции тока в виде полоски, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности, причем второй слой для прекращения процесса травления сформирован на первом слое для прекращения процесса травления, слой для ограничения тока первого типа проводимости, изготовленный из InGaAlP и имеющий отверстие в виде полоски для инжекции тока, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности, причем слой для ограничения тока сформирован на втором слое для прекращения процесса травления, герметизирующий слой первого типа проводимости, изготовленный из InGaP и имеющий отверстие в виде полоски для инжекции тока, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности, причем герметизирующий слой сформирован на слое для ограничения тока, и второй слой оболочки второго типа проводимости, сформированный на герметизирующем слое.13. Полупроводниковое лазерное устройство по п.8, отличающееся тем, что часть слоя оболочки второго типа проводимости содержит слой для прекращения процесса травления, изготовленный из GaAs и имеющий отверстие для инжекции тока в виде полоски, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности, причем слой для прекращения процесса травления сформирован на верхнем световодном слое, слой для ограничения тока первого типа проводимости, изготовленный из InGaAlP и имеющий отверстие в виде полоски для инжекции тока, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности, причем слой для ограничения тока сформирован на слое для прекращения процесса травления, герметизирующий слой первого типа проводимости, изготовленный из InGaP и имеющий отверстие в виде полоски для инжекции тока, простирающееся от одной резонаторной торцевой поверхности до другой резонаторной торцевой поверхности, причем герметизирующий слой сформирован на слое для ограничения тока, и слой оболочки второго типа проводимости, сформированный на герметизирующем слое.14. Полупроводниковое лазерное устройство по п.8, отличающееся тем, что каждый из слоев оболочки изготовлен из любого из AlGaAs, InGaAlP и InGaAlAsP, которые согласованы по постоянной кристаллической решетки с подложкой GaAs.15. Полупроводниковое лазерное устройство по п.8, отличающееся тем, что нижний и верхний барьерные слои состоят соответственно из In_x1Ga_1-x1As_1-y1P_y1, где 0≤х1≤0,3 и 0≤y1≤0,6.16. Полупроводниковое лазерное устройство по п.8, отличающееся тем, что нижний и верхний барьерные слои состоят соответственно из двух слоев, включающих барьерный слой, изготовленный из In_x2Ga_1-x2As_1-y2P_y2, где 0≤х2≤0,3 и х2=0,49y2, и барьерный слой с относительной деформацией растяжения, изготовленный из In_x4Ga_1-x4As_1-y4P_y4, где 0,49y4>х4>0 и 0<y4<0,5, в котором барьерный слой с деформацией растяжения из двух упомянутых слоев расположен с возможностью примыкания к активному слою с деформацией сжатия.17. Способ изготовления полупроводникового лазерного устройства, в котором множество полупроводниковых слоев, включающих активный слой с деформацией сжатия, наслаивают на подложку, и резонаторную торцевую поверхность образуют с помощью двух противоположных торцевых поверхностей, при этом способ содержит следующие этапы:

наслаивают слой оболочки первого типа проводимости на подложку GaAs первого типа проводимости, формируют нижний световодный слой InGaP первого типа проводимости или нелегированного типа на слое оболочки первого типа проводимости, причем нижний световодный слой имеет ширину запрещенной зоны больше, чем активный слой с деформацией сжатия, наслаивают нижний барьерный слой InGaAsP на нижний световодный слой, причем нижний барьерный слой имеет ширину запрещенной зоны больше чем у активного слоя с деформацией сжатия, наслаивают активный слой с деформацией сжатия, изготовленный из любого из InGaAsP и InGaAs, на нижний барьерный слой, наслаивают верхний барьерный слой InGaAsP на активный слой с деформацией сжатия, причем верхний барьерный слой имеет ширину запрещенной зоны больше чем у активного слоя с деформацией сжатия, наслаивают герметизирующий слой InGaP на верхний барьерный слой, наслаивают герметизирующий слой GaAs на герметизирующий слой InGaP, удаляют часть герметизирующего слоя GaAs вблизи от торцевой поверхности, примыкающей к резонаторной торцевой поверхности, удаляют часть герметизирующего слоя InGaP вблизи торцевой поверхности с использованием герметизирующего слоя GaAs в качестве защиты, удаляют герметизирующий слой GaAs, который используется в качестве защиты, и одновременно удаляют части вблизи торцевых поверхностей верхнего барьерного слоя, причем активный слой с деформацией сжатия и нижний барьерный слой используют герметизирующий слой InGaP в качестве защиты, формируют верхний световодный слой InGaP второго типа проводимости или нелегированного типа, имеющий ширину запрещенной зоны больше, чем у активного слоя с деформацией сжатия на удаленных частях вблизи торцевой поверхности и герметизирующего слоя InGaP, и формируют часть слоя оболочки второго типа проводимости на верхнем световодном слое.

Приоритеты по пунктам формулы: