CN100438104C - 半导体发光器件、其制造方法和光模块 - Google Patents

半导体发光器件、其制造方法和光模块 Download PDF

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Abstract

提供了一种能够实现长寿命的半导体发光器件，一种制造该半导体发光器件的方法和一种使用该半导体发光器件的光模块。所述半导体发光器件具有有源层，其中层叠由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz混晶(0≤x＜1，0＜y＜1，0≤z＜1，且0＜y+z＜1)制成的阱层和由GaNvAs1-v混晶(0≤v＜1)制成的势垒层。所述有源层中的氢的杂质浓度为3×1019cm-3或更小，且所述有源层中的铝的杂质浓度为1×1018cm-3或更小。因此，抑制了工作电流增大且能够实现长寿命。可以通过在生长有源层时减小被用作氮的原材料的有机氮化合物的流量来减小氢浓度。

Description

半导体发光器件、其制造方法和光模块
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件、制造该半导体发光器件的方法和一种光模块，在该半导体发光器件中有源层包括由至少包含镓(Ga)、砷(As)、和氮(N)的化合物半导体制成的阱层。
背景技术
近年来，由于信息量的增大和通信速度的提高，因此对使用光纤的光通信提出了持续的需求。因此，已经积极开展了用于1.3μm波段或1.5μm波段(在这些波段中光纤的传输损耗低)光通信的发光器件的开发。在传统上，主要是利用InP衬底由GaInAsP材料制造的发光器件。不过，当使用InP衬底时，有一个缺点，即成本高昂，因为衬底昂贵，而且由于温度特性差在制造期间需要冷却系统。
因此，有人提出了使用GaNAs材料在GaAs衬底上制造发光器件以取代前述的发光器件(例如，参见日本未审专利申请公开No.H06-37355)。当如上所述使用GaAs衬底时，衬底并不昂贵，而且温度特性优越(例如，参见“Japan Journal of Applied Physics”，2000，6A，p.39)，因此不需要冷却系统，从而使得成本降低。
发明内容
不过，有一个缺点，即当使用GaNAs材料时，难以形成良好的晶体且寿命短。
鉴于这样的缺点，在本发明中，希望提供一种能够实现长寿命的半导体发光器件，一种制造该半导体发光器件的方法和一种使用其的光模块。
根据本发明的实施例，提供了一种半导体发光器件，其中有源层具有由至少含有镓(Ga)、砷(As)和氮(N)的化合物半导体制成的阱层，所述有源层中的氢(H)的杂质浓度为3×1019cm-3或更小，且所述有源层中的铝(Al)的杂质浓度为1×1018cm-3或更小，或者所述有源层中的氢的杂质浓度为1.5×1018cm-3或更小，且所述有源层中的铝的杂质浓度为4×1018cm-3或更小。
根据本发明的实施例，提供了一种制造半导体发光器件的方法，其中有源层具有由至少含有镓、砷和氮的化合物半导体制成的阱层，其中在形成所述有源层时将有机氮化合物用作氮的原材料，所述有机氮化合物的流量为135cm3/min或更小，因此所述有源层中的氢的杂质浓度变成3×1019cm-3或更小。
根据本发明的实施例，提供了一种包括半导体发光器件的光模块，其中在所述半导体发光器件中，有源层具有由至少含有镓、砷和氮的化合物半导体制成的阱层，所述有源层中的氢的杂质浓度为3×1019cm-3或更小，且所述有源层中的铝(Al)的杂质浓度为1×1018cm-3或更小，或者所述有源层中的氢的杂质浓度为1.5×1018cm-3或更小，且所述有源层中的铝的杂质浓度为4×1018cm-3或更小。
根据本发明的实施例的半导体发光器件和光模块，所述有源层中的氢的杂质浓度为3×1019cm-3或更小，且所述有源层中的铝的杂质浓度为1×1018cm-3或更小，或者所述有源层中的氢的杂质浓度为1.5×1018cm-3或更小，且所述有源层中的铝的杂质浓度为4×1018cm-3或更小。因此，可以延长寿命，例如，工作电流增加到(is increased up to)初始电流的50％或更多所耗的时间为1000小时或更多。
特别地，当所述有源层中的势垒层的每一层的厚度在1nm到8nm的范围内时，可以进一步延长寿命。
此外，根据本发明的实施例的半导体发光器件制造方法，在形成所述有源层时将有机氮化合物用作氮的原材料，所述有机氮化合物的流量为135cm3/min或更小，因此所述有源层中的氢的杂质浓度可以为3×1019cm-3或更小。
从以下描述可以更充分地看到本发明的其他和进一步的目的、特征和优点。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的激光二极管的结构的截面；
图2是示出图1所示的有源层中的氢浓度和寿命之间的关系的特性图；
图3是示出图1所示的有源层中的铝浓度和寿命之间的关系的特性图；
图4是示出图1所示的有源层中的氢浓度和发光强度之间的关系的特性图；
图5是示出图1所示的势垒层的厚度和寿命之间的关系的特性图；
图6为示出形成图1所示的阱层时二甲基肼的流量和阱层中的氢浓度之间的关系的特性图；
图7为示出形成图1所示的有源层时的生长温度和有源层中的氢浓度之间的关系的特性图；
图8为示出包括图1所示的激光二极管的光模块的结构模型的图；以及
图9为示出本发明的另一激光二极管的结构的截面。
具体实施方式
将参考附图详细描述本发明的实施例。
(半导体发光器件)
图1示出了激光二极管10的截面结构，该激光二极管10是根据本发明实施例的半导体发光器件。激光二极管10是长波长激光器，其具有用于通信等的1.1μm到1.5μm的振荡波长。例如，激光二极管10具有这样的结构：在衬底11的观察侧(observe side)上，从衬底11一侧开始依次层叠有第一覆层12、第一波导层13、有源层14、第二波导层15、第二覆层16、蚀刻停止层17、第三覆层18和接触层19。蚀刻停止层17、第三覆层18和接触层19制成窄条形脊，在脊的两侧上均形成由二氧化硅(SiO2)等制成的绝缘层20。
衬底11具有例如约450μm的层积方向上的厚度(以下简称为厚度)，且由掺有诸如硅(Si)和硒(Se)的n型杂质的n型GaAs制成。第一覆层12例如约为2μm厚，且由掺有诸如硅和硒的n型杂质的n型Al0.47Ga0.53As混晶制成。第一波导层13例如约为100nm厚，且由非掺杂GaAs制成。
有源层14具有多量子阱(MQW)结构，其中在阱层14A之间形成势垒层14B。尽管在图1中示出了阱层14A的数量为两层的双量子阱结构的情形，但是可以层叠三层或更多层。此外，尽管未示出，可以通过其中仅存在阱层14A的单量子阱(SQW)结构构造有源层14。
阱层14A起到发光层的作用。对应于接触层19的区域，即对应于设有接触层19的脊的区域成为发光部分。阱层14A例如由至少含有长周期周期表中的IIIA族元素镓和长周期周期表中的VA族元素砷和氮的化合物半导体制成。该化合物半导体可以进一步含有IIIA族元素铟(In)。该化合物半导体可以进一步包括VA族元素锑(Sb)。即，阱层14A优选由例如Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz混晶(0≤x＜1，0＜y＜1，0≤z＜1且0＜y+z＜1)制成。阱层14A的组分视目标发光波长调节。
势垒层14B例如由GaAs或含有GaAs和氮的化合物半导体制成。即，势垒层14B例如由GaNvAs1-y混晶(0≤v＜1)制成。
在该实施例中，有源层14中的氢杂质浓度为3×1019cm-3或更小，有源层14中的铝杂质浓度为1×1018cm-3或更小。或者，有源层14中的氢杂质浓度为1.5×1018cm-3或更小，有源层14中的铝杂质浓度为4×1018cm-3或更小。由此可以实现长的寿命。在制造步骤中由于原材料等分解容易引入氢和铝作为杂质。如果其杂质浓度高，结晶度就被降低，从而导致特性降低，寿命缩短。
图2示出了有源层14中的氢浓度与寿命的关系。图3示出了有源层14中的铝浓度与寿命的关系。图2和图3为通过MOCVD(金属有机化学气相淀积)方法在多种制造条件下制造具有图1所示结构的半导体发光器件的情形下的特性图。通过在形成有源层14时改变作为氮源的有机氮化合物的流量改变氢浓度。通过在形成有源层14之前执行除去铝的步骤改变铝浓度。在图2和3中，由黑色圆圈表示的情形有除去铝的步骤，而由黑色方块表示的情形没有除去铝的步骤。
通过SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry，二次离子质谱测定法)方法测量氢浓度和铝浓度。对于寿命而言，执行APC(自动功率控制)稳定性测试，在该测试中在25摄氏度的环境下将光功率保持在1mW，并测量工作电流升高到初始工作电流的50％或更大所耗的时间。用做实际应用目标的寿命约为1000小时。
如图2所示，分别对于黑色圆圈和黑色方块所表示的情形而言，随着氢浓度变低，寿命趋向于变长。不过，对于由黑色方块所表示的情形，即使在氢浓度低时，寿命仍然短于由黑色圆圈所表示的情形。此外，如图3所示，对于有去除铝的步骤的由黑色圆圈表示的情形，铝浓度是低的。不过，对于没有去除铝的步骤的由黑色方块表示的情形，铝浓度高且寿命短。亦即，考虑到图2和图3，发现为了获得1000小时或更长的寿命，氢浓度应当为3×1019cm-3或更低，铝浓度应当为1×1018cm-3或更低。
此外，在由黑色方块表示的情形中，对于氢浓度极低，低到1.5×1018cm-3或更小的情形，可以获得1000小时或更长的寿命。亦即，发现当氢浓度极低，低到1.5×1018cm-3或更小时，铝浓度不一定要为1×1018cm-3或更小，而是可以约为4×1018cm-3或更小。
图4示出了图2和3所示的半导体发光器件中的有源层14的氢浓度和发光强度之间的关系。如图所示，与寿命不同，发光强度随着氢浓度变低而趋向于变低。亦即，发现如果简单地降低氢浓度，结晶度得到提高，发光强度得到增大，且寿命得以延长。发现在氢浓度、铝浓度和寿命之间有着特定的关系。
视目标发光波长调节阱层14A的厚度，例如优选为10nm或更大。当增大阱层14A的厚度时，阱层14A中的量子限制效应得以减小且波长变长，因此能够减少长波长所需的氮含量。结果，可以减小作为氮原材料的有机氮化合物的流量，且可以减小通过其分解生成的氢和引入阱层14A中的氢的量。
势垒层14B的每一层的厚度优选在1nm到8nm的范围中。图5示出了势垒层14B的每一层的厚度和寿命之间的关系。该图为改变具有图1所示结构的半导体发光器件中势垒层14B的厚度的情况下的特性图。对于寿命而言，如上所述，执行APC可靠性测试，其中在25摄氏度的环境下将光强度保持在1mW，且测量工作电流增大到初始工作电流的50％或更大所耗的时间。如图5所示，有着这样的趋势：随着势垒层14B的厚度增加，寿命变长，表现出最大值，然后变短。发现势垒层14B的厚度优选在1nm到8nm的范围中。
第二波导层15例如约为100nm厚，且由非掺杂GaAs制成。第二履层16例如约为200nm厚，且由掺有诸如锌(Zn)的p型杂质的p型Al0.47Ga0.53As混晶制成。蚀刻停止层17例如约为30nm厚，且由掺有诸如锌的p型杂质的p型GaAs制成。第三履层18例如约为1.3μm厚，且由掺有诸如锌的p型杂质的p型Al0.47Ga0.53As混晶制成。接触层19旨在获得与后面所述的p侧电极之间的欧姆结。接触层19例如约为300nm厚，且由掺有诸如锌的高浓度p型杂质的p型GaAs制成。
激光二极管10在衬底11的背侧具有n侧电极21。n侧电极21例如具有这样的结构：从衬底11一侧依次层叠金(Au)层、金和锗(Ge)的合金层以及金层并通过热处理使层叠结构合金化。n侧电极21电连接到第一履层12，其间为衬底11。同时，在接触层19上提供p侧电极22。p侧电极22例如具有这样的结构：从接触层19一侧依次层叠钛(Ti)层、铂(Pt)层和金层并通过热处理使层叠结构合金化。p侧电极22电连接到接触层19。
在激光二极管10中，例如在接触层19的长度方向的彼此相对的一对侧面是一对谐振腔端面。在该对谐振腔端面上，分别形成一对未示出的反射器膜。将该对反射器膜中的一个反射器膜的反射率调节为低的，将另一个反射器膜的反射率调节为高的。例如，该反射器膜优选地由其中层叠了介质膜的多层膜形成，因为能够自由地调节反射率。例如，将一个反射器端面的反射率调节为约50％，将另一个反射器端面的反射率调节为约98％。因此，产生于有源层14中的光在该对反射器膜之间传输并被放大，而且作为激光束从一个反射器膜发出。
例如，可以如下制造激光二极管10。
首先，例如在通过例如MOCVD方法由前述材料制成的具有前述厚度的衬底11的观察侧上，依次堆叠分别具有前述厚度且由前述材料制成的第一覆层12、第一波导层13、有源层14、第二波导层15、第二覆层16、蚀刻停止层17、第三覆层18和接触层19。然后，使用三甲基镓、三乙基镓等作为镓的原材料。使用三甲基铝、三乙基铝等作为铝的原材料。使用三甲基铟、三乙基铟等作为铟的原材料。使用胂、叔丁基胂等作为砷的原材料。使用二甲基胫、一甲基胫、叔丁基胫等作为氮的原材料。使用三甲基锑、二甲基叔丁基锑等作为锑的原材料。
在生长有源层14时，如果使用前述的有机氮化合物作为氮的原材料，容易将原材料分解所产生的氢引入有源层14中，有源层14中的氢浓度变高。因此，在生长阱层14A的时候，有机氮化合物的流量优选大于0cm3/min且小于或等于135cm3/min。这同样适用于势垒层14B。当势垒层14B中要含有氮时，有机氮化合物的流量优选大于0cm3/min且小于或等于135cm3/min。因此引入有源层14中的氢的量可能会较小。根据阱层14A和势垒层14B中所含氮的量调节有机氮化合物的流量。当势垒层14B中不含氮时，有机氮化合物的流量为0cm3/min。
图6示出了在形成阱层14A时使用三甲基胫作为氮的原材料的情况下，三甲基胫的流量和阱层14A中的氢浓度之间的关系。如图6所示，当三甲基胫的流量为135cm3/min或更少时，阱层14A中的氢杂质浓度可以是3×1019cm-3或更小。
此外，形成有源层14时的生长温度优选在例如从400摄氏度到700摄氏度的范围内。当生长温度低时，不能获得好的结晶度。同时，当生长温度高时，加速了氮的脱附(desorption)，降低了氮引入有源层14中的效率。不过，优选更高的生长温度，因为可以降低氢的吸收量。图7示出了生长有源层14时的生长温度和有源层14中的氢浓度之间的关系。如图7所示，随着生长温度变高，氢浓度降低。因此，形成有源层14时的生长温度优选在例如从500摄氏度到600摄氏度的范围中。
此外，优选在生长有源层14之前执行去除铝的步骤，在该步骤中将与铝反应的气体通入。由此可以除去反应室内保留的作为未附着物质的铝，且有源层14中的铝杂质浓度可以为1×1018cm-3或更低。这如以上参考图3所述的那样。作为与铝反应的气体，可以提到二甲基肼、氨、利用等离子体分解氮获得的氮基团(nitrogen radical)等。可以混合使用其两种或更多种。
在生长有源层14之前有生长含铝层(例如第一覆层12)的步骤的情况下，去除铝的步骤可以在生长含铝层之后、在生长有源层14之前执行。例如，可以在生长第一覆层12之后，在生长第一波导层13之前执行去除铝的步骤。或者，可以在形成第一波导层13的步骤的同时执行去除铝的步骤。或者，可以在生长第一波导层13之后，在生长有源层14之前执行去除铝的步骤。
当在生长第一覆层12之后、在生长第一波导层13之前执行去除铝的步骤时，或者当在生长第一波导层13之后、在生长有源层14之前执行去除铝的步骤时，优选在停止供应IIIA族元素的原材料的状态下与VA族元素的原材料一起供应与铝反应的气体。由此防止新的含有IIIA族元素的反应产物被粘附。
在如上生长了每个半导体层之后，例如通过蚀刻，选择性地去除蚀刻停止层17、第三覆层18和接触层19的部分并制成窄条形脊。在将蚀刻停止层17、第三覆层18和接触层19制成窄条形脊之后，通过例如CVD(化学气相淀积)方法在脊的两侧上形成由前述材料制成的绝缘层20。
在形成绝缘层20之后，例如，研磨衬底11的背侧以将衬底11的厚度调节到大约10μm的程度，并在衬底11的背侧上形成n侧电极21。此外，在绝缘层20中，例如通过蚀刻对应于接触层19提供孔(aperture)，并在接触层19和绝缘层20上形成p侧电极22。在形成n侧电极21和p侧电极22之后，将衬底11调节至给定尺寸，并在接触层19的长度方向上彼此相对的该对谐振腔端面上形成未示出的反射器膜。由此形成了图1所示的激光二极管10。
在激光二极管10中，当在n侧电极21和p侧电极22之间施加给定电压时，被接触层19、第三覆层18和蚀刻停止层17所限制的电流被注入到有源层14，并在阱层14A中产生由电子空穴复合导致的光发射。这里，由于有源层14中的氢和铝的杂质浓度在给定范围内，因此抑制了工作电流的增加且寿命得到延长。
(光模块)
图8示出了一种包括前述激光二极管10的光模块的配置例的示意图。光模块100被用作例如FEM(前端模块)，用于快速光通信系统中光信号和电信号之间的变换。光模块100包括基板101上的发射机110和接收机120。光纤130和140通过未示出的连接器分别连接到发射机110和接收机120。
发射机110例如具有前述的激光二极管10和用于驱动激光二极管10的驱动器112。作为驱动器112，可以使用公知的驱动IC(集成电路)。
接收机120是一般的接收机，例如包括光电转换器件(光电二极管)121和诸如TIA(Trans Impedance Amplifier，互阻抗放大器)和LIA(LimitingImpedance Amplifier，限阻抗放大器)的放大器122。
在光模块100中，在发射机110中，基于从外部提供的电信号S1由驱动器112驱动激光二极管10并通过光纤130传输光信号P1。在接收机120中，通过光纤140提供的光信号P2到达光电转换器件121并被转换成电信号，电信号被放大器122放大，被进行必要的转换处理并作为电信号S2被输出到外部。这里，由于光模块100包括根据本实施例的激光二极管10，因此即使长时间使用，也抑制了工作电流增大，使长时间使用成为可能并且实现了低的电功率。
如上，根据本实施例，有源层14中的氢和铝的杂质浓度在给定范围内。因此，可以抑制工作电流增大并可以实现长寿命，例如，工作电流增加到初始工作电流的50％或更多所耗的时间为1000小时或更多。
特别地，当有源层14中的势垒层14B的每一层的厚度在1nm到8nm的范围中时，可以进一步延长寿命。
此外，如果在形成有源层14时作为氮的原材料的有机氮化合物的流量为135cm3/min或更小，有源层14中的氢杂质浓度可以是3×1019cm-3或更小。因此，可以容易地制造根据本实施例的激光二极管。
上文已经参考实施例给出了本发明的描述。不过，本发明不限于前述实施例，可以做出多种改进。例如，在前述实施例中，利用特定示例描述了构成激光二极管10的半导体材料。不过，可以使用其他材料。此外，在前述实施例中，描述的是使用由GaAs制成的衬底11的情况。不过，可以使用由诸如InP的其他材料制成的衬底。
此外，尽管在前述实施例中将边发光激光二极管作为例子进行了描述，但是本发明可以类似地应用到垂直腔面发光激光二极管。图9示出了其结构示例。在激光二极管30中，例如在由n型GaAs制成的衬底31的观察侧，依次层叠n型多层反射器膜32(其中交替层叠n型Al0.9Ga0.1As混晶层和n型GaAs层)、由非掺杂GaAs制成的第一波导层33、有源层34、由非掺杂GaAs制成的第二波导层35、p型多层反射器膜36(其中交替层叠p型Al0.9Ga0.1As混晶层和p型GaAs层)和由p型GaAs制成的接触层37，并在第二波导层35中提供由AlAs氧化物层制成的电流限制层38。在接触层37上，通过提供于绝缘层39中的孔提供p侧电极40。在衬底31的背侧上，提供n侧电极41。有源层34的结构类似于在前述实施例中所描述的有源层14。
此外，在前述实施例中，描述了通过MOCVD方法形成每个半导体层的情况。不过，本发明可以类似地适用于使用气体作为VA族元素的原材料通过其他方法形成每个半导体层的情况。作为其他方法，可以提到的是CBE(化学束外延)方法。
此外，在前述实施例中，描述了光模块的配置例。不过，光模块可以具有其他配置。例如，光模块可以仅由发射机110构成。
本领域的技术人员应当理解，在权利要求或其等价要件的范围之内，可以根据设计要求和其他因素做出多种改进、组合、子组合和变化。
本发明包含于2005年2月18日提交到日本专利局的日本专利申请JP2005-042771的相关主题，在此将其全部内容引入以作参考。

Claims (9)

1.一种半导体发光器件，其中有源层具有由至少含有镓、砷和氮的化合物半导体制成的阱层，
其中所述有源层中的氢的杂质浓度为3×1019cm-3或更小，且所述有源层中的铝的杂质浓度为1×1018cm-3或更小，或者
所述有源层中的氢的杂质浓度为1.5×1018cm-3或更小，且所述有源层中的铝的杂质浓度为4×1018cm-3或更小。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述有源层具有包括由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz混晶制成的阱层的单量子阱结构或多量子阱结构，其中0≤x＜1，0＜y＜1，0≤z＜1，且0＜y+z＜1。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中所述有源层具有包括阱层和势垒层的多量子阱结构，且所述势垒层的每一层的厚度在1nm到8nm的范围内。
4.一种半导体发光器件的制造方法，在所述半导体发光器件中有源层具有由至少含有镓、砷和氮的化合物半导体制成的阱层，
其中在形成所述有源层时将有机氮化合物用作氮的原材料，所述有机氮化合物的流量为135cm3/min或更小，因此所述有源层中的氢的杂质浓度变成3×1019cm-3或更小。
5.根据权利要求4所述的半导体发光器件的制造方法，其中使用选自由二甲基肼、一甲基肼和叔丁基肼构成的组中的至少一种作为氮的原材料。
6.根据权利要求4所述的半导体发光器件的制造方法，其中在形成所述有源层之前，通入与铝反应的气体，因此所述有源层中的铝的杂质浓度变成1×1018cm-3或更小。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件的制造方法，其中使用选自由二甲基肼、氨和氮基团构成的组的至少一种作为与铝反应的气体。
8.根据权利要求6所述的半导体发光器件的制造方法，其中在停止供应IIIA族元素的原材料的状态下与VA族元素的原材料一起供应与铝反应的所述气体。
9.一种包括半导体发光器件的光模块，其中在所述半导体发光器件中，有源层具有由至少含有镓、砷和氮的化合物半导体制成的阱层，
所述有源层中的氢的杂质浓度为3×1019cm-3或更小，且所述有源层中的铝的杂质浓度为1×1018cm-3或更小，或者
所述有源层中的氢的杂质浓度为1.5×1018cm-3或更小，且所述有源层中的铝的杂质浓度为4×1018cm-3或更小。
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