CN103518297B - 半导体光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体光器件，其具备第一导电型半导体衬底，在半导体衬底的上方依次沉积的第一导电型的第一熔覆层，活性层，第二导电型的第二熔覆层，接触层；活性层具有通过空位扩散而混晶化的窗部及比窗部混晶度小的非窗部；接触层具有第一区域及第二区域，所述第二区域与所述第一区域相比，其与氢的亲和性更强，且位于所述第一区域的下侧。

Description

半导体光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体光器件及其制造方法。
背景技术
在半导体激光元件中，为了防止在光射出端面的称为COD（CatastrophicOpticalDamage）的损伤，已知有IFVD（Impurity-FreeVacancyDisordering）法，该方法是使光射出端面混晶化而使带隙能变大，由此形成激光吸收少的窗部。
专利文献1日本特开2007-242718号公报
发明内容
本发明要解决的技术问题
但是，以往的IFVD法中，难以在较高维持窗部的混晶度的同时较低抑制非窗部的混晶度。因此，难以在防止产生COD的同时抑制激光特性变差。
解决技术问题的技术手段
本发明的第一方式提供半导体光器件，其具备第一导电型半导体衬底，在半导体衬底上沉积的第一导电型的第一熔覆层、在第一熔覆层上沉积的活性层、在活性层上沉积的第二导电型的第二熔覆层及在第二熔覆层上沉积的接触层；活性层具有通过空位扩散而混晶化的窗部及混晶度比窗部小的非窗部；接触层具有第一区域及第二区域，所述第二区域与所述第一区域相比，其与氢的亲和性更强，所述第二区域位于所述第一区域的下侧。
本发明的第二方式提供半导体光器件的制造方法，在该方法中，具备以下工序：形成半导体层，该半导体层包含生成空位的第一空位生成区域，以及与氢的亲和性强于第一空位生成区域且促进空位的扩散的空位扩散促进区域；将密度不同的两种电介质膜沉积在半导体层上不同的区域；形成以下2个混晶区域，通过退火处理，在第一空位生成区域上生成与相应的电介质膜的密度对应的密度的空位，并且通过空位扩散促进区域将生成的空位扩散在半导体层，在两种电介质膜中，使沉积有密度较小的电介质膜的半导体层区域混晶化而形成第一混晶区域，使沉积有密度较小的电介质膜的半导体层区域上形成混晶度小于比第一混晶区域的第二混晶区域。
此外，上述发明的概要并没有全部列举本发明的必要特征，这些特征群的子组合也可以成为本发明。
附图说明
图1是通过第一实施方式所涉及的制造方法制造的半导体激光元件的立体图。
图2是图1所示半导体激光元件的剖视图。
图3是说明第一实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法的工序图。
图4是说明图3所示工序的后续工序的工序图。
图5是表示形成图1所示窗部及非窗部的工序。
图6是表示通过图5所示工序形成的窗部及非窗部。
图7是说明图5及图6所示工序的后续工序的工序图。
图8是说明图7所示工序的后续工序的工序图。
图9是图1所示半导体激光元件的变化例的剖视图。
图10是通过第二实施方式所涉及的制造方法制造的半导体激光元件的剖视图。
图11是说明第二实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法的工序图。
图12是说明图11所示工序的后续工序的工序图。
图13是说明图12所示工序的后续工序的工序图。
图14是说明图13所示工序的后续工序的工序图。
图15是说明图14所示工序的后续工序的工序图。
图16是图10所示半导体激光元件的变化例的剖视图。
图17是通过第三实施方式所涉及的制造方法制造的光波导的俯视图。
图18是图17所示光波导的A-A线剖视图
图19是说明第三实施方式所涉及的光波导的制造方法的工序图。
图20是说明图19所示工序的后续工序的工序图。
图21是说明图20所示工序的后续工序的工序图。
图22是表示接触层的掺杂剂设计与窗部及非窗部的混晶度之间关系的图表。
图23是表示接触层的掺杂剂量与非窗部混晶度之间关系的图表。
图24是表示接触层的掺杂剂量与具有及不具有第二区域的情况下的窗部混晶度/非窗部的混晶度之间关系的图表。
图25是表示非窗部混晶度与进行IFVD的情况下的阈值对不进行IFVD的情况下的阈值的比之间关系的图表。
图26是表示与窗部对应的空位扩散促进区域及与非窗部对应的空位扩散促进区域的氢浓度的图表。
图27是表示空位扩散促进区域的外延生长温度与成膜中掺杂的碳浓度及氢浓度之间关系的图表。
图28表示空位扩散促进区域的外延生长的生长率与C掺杂浓度及氢浓度之间的关系。
图29表示空位扩散促进区域的外延生长中的反应气体的流量比与C掺杂浓度及氢浓度之间的关系。
图30表示空位扩散促进区域的外延生长中的掺杂气体流量比与C掺杂浓度及氢浓度之间的关系。
具体实施方式
以下，通过发明实施方式说明本发明的一个侧面，但以下实施方式并不限定权利要求书所涉及的发明，另外实施方式中所说明的特征的全部组合对于本发明的解决手段也并不一定是必需的。
图1是本发明第一实施方式所涉及的半导体激光元件100的立体图。在本实施方式中，对半导体光器件为半导体激光元件的情况进行说明，但本申请发明并不限于该实施方式。半导体激光元件100可以是具有电流沿着谐振器方向条纹状缩小的隆起物结构的法布里—珀罗谐振器型激光。半导体激光元件100在切割晶圆而形成的两个端面上具有低反射膜10及高反射膜20。高反射膜20反射激光并在谐振器内使激光放大。低反射膜10对激光的反射率低于高反射膜，作为射出光30向外部射出在谐振器内谐振的一部分激光。
图2是表示半导体激光元件100的剖视图。半导体激光元件100具备第一导电型半导体衬底40、第一导电型缓冲层42、第一导电型第一熔覆层44、第一导电型第一引导层46、活性层48、第二导电型第二引导层50、第二导电型第二熔覆层52、在第二熔覆层52上沉积的接触层54、绝缘层56、上部电极58及下部电极60。
在本例中，设第一导电型为n型，设第二导电型为p型来进行说明，但并不限于此，也可为第一导电型为p型，第二导电型为n型。第一导电型半导体衬底40可以为n型GaAs衬底。在半导体衬底40的表面上，依次沉积n型缓冲层42、n型第一熔覆层44、n型第一引导层46、活性层48、p型第二引导层50、p型第二熔覆层52、p型接触层54及绝缘层56。
形成上部电极58，使其覆盖绝缘层56。绝缘层56在接触层54的上部具有开口部57。接触层54经由开口部57与上部电极58欧姆接触。下部电极60形成在半导体衬底40的背面。
半导体激光元件100具有条纹状的隆起物结构，该条纹状的隆起物结构加工成p型第二熔覆层52的上层和接触层54的宽度随着远离半导体衬底40而变窄的台面状。半导体激光元件100通过隆起物结构使注入到活性层的电流缩小。
n型缓冲层42作为用于在半导体衬底40上叠层结晶性良好的外延层的缓冲层发挥作用。缓冲层42具有在半导体衬底40与第一熔覆层44之间的晶格常数。n型缓冲层42也可以为n型GaAs层。
调节n型第一熔覆层44及n型第一引导层46的折射率和厚度，使得在叠层方向上对光进行限制。第一熔覆层44的折射率低于第一引导层46。n型第一熔覆层44及n型第一引导层46也可以包含n型AlGaAs层。在这种情况下，通过使n型第一熔覆层44的Al组成大于n型第一引导层46的Al组成，能够使n型第一熔覆层44的折射率小于n型第一引导层46的折射率。n型第一引导层46的膜厚可为约400μm，n型第一熔覆层44的膜厚可为约3μm。
活性层48可以具有下部阻挡层48a、量子阱层48b、上部阻挡层48c。下部阻挡层48a及上部阻挡层48c将载流子封入量子阱层48b中。下部阻挡层48a及上部阻挡层48c可以包含未掺杂杂质的AlGaAs层。下部阻挡层48a及上部阻挡层48c也可以包含未掺杂杂质的InGaAs层。量子阱层48b根据In的组成及膜厚决定封入势阱结构中的载流子的再结合能量。活性层48并不限于单一量子阱结构（SQW），也可以为多量子结构（MQW）。
p型第二引导层50及p型第二熔覆层52，与上述n型第一引导层46及n型第一熔覆层44成对，调节p型第二引导层50及p型第二熔覆层52的折射率和厚度，使得在叠层方向上对光进行限制。p型第二引导层50及p型第二熔覆层52也可以包含p型AlGaAs层。例如，通过使p型第二熔覆层52的Al组成大于p型第二引导层50的Al组成，能够使p型第二熔覆层52的折射率小于p型第二引导层50的折射率。另外，p型第二引导层50的膜厚可为约400μm，p型第二熔覆层52的膜厚可为约1μm～2μm。
接触层54具有第一区域54b及第二区域54a。第一区域54b如详述，在形成窗部62时作为生成空位的第一空位生成区域发挥作用。具体地，第一区域54b是掺杂有第一p型掺杂剂的第二导电型半导体层。第一区域54b也可以为p型GaAs层。这里，第一p型掺杂剂可以为锌（Zn）、镁（Mg）或铍（Be）。为了确保第一区域54b与上部电极58进行欧姆接触，例如可以以约1E+19（atoms/cm3）的高浓度掺杂Zn。
第二区域54a在形成窗部62时作为促进空位扩散的空位扩散促进区域而发挥作用。第二区域54a是与氢的亲和性强于第一区域54b的区域。与第一区域54b相比，第二区域54a可以在低生长温度下形成。与第一区域54b相比，第二区域54a也可以加速生长率，通过损伤增加缺陷量，增加生长中的氢化合物的流量或者增加生长中断时的氢气氛等，来提高与氢的亲和性。
第二区域54a也可以较薄地形成在半导体层层叠界面上。第二区域54a也可以为掺杂有第二p型掺杂剂的第二导电型半导体层。第二区域54a也可以为p型GaAs层。第二p型掺杂剂与氢的亲和性强于第一p型掺杂剂。第二p型掺杂剂可以为碳（C）。第二区域54a位于第一区域54b的下侧。
优选接触层54的全掺杂剂量为1.0E+15（atoms/cm2）以下。这里，掺杂剂量是指由掺杂浓度（atoms/cm3）×层的厚度（cm）定义的量。第二区域54a的掺杂剂量可以少于第一区域54b的掺杂剂量。
半导体激光元件100具有窗部62及非窗部64。非窗部64形成在从第二熔覆层52至缓冲层42的层中的接触层54的下侧区域上。另外，窗部62形成在围绕非窗部64的周围。窗部62是指与带隙能大于非窗部64，且比非窗部64更难吸收激光的区域。窗部62包含通过由第一区域54b生成的III族空位的扩散而形成的混晶化部分。
活性层48具有通过空位扩散而混晶化的窗部62及混晶度小于窗部62的非窗部64。窗部62的混晶度可以为非窗部64的混晶度的5倍以上。具体地，窗部62的混晶度为25meV以上，非窗部64的混晶度为5meV以下。根据半导体激光元件100，由于窗部62的混晶度大，非窗部64的混晶度小，因此能够防止产生COD的同时，能够减小激光特性变差。
接着，对本发明所涉及的半导体光器件的制造方法的实施方式进行说明。这里，作为半导体光器件，以半导体激光元件100为例进行说明，但并不限于此。半导体光器件的制造方法具备形成半导体层的工序，将密度不同的两种电介质膜（第一膜70、第二膜72）沉积在半导体层上的不同区域的工序，通过退火处理在半导体层上形成第一混晶区域及第二混晶区域的工序。半导体层包含生成空位的第一空位生成区域及促进空位扩散的空位扩散促进区域。空位扩散促进区域与氢的亲和性强于第一空位扩散生成区域。通过退火处理，第一空位生成区域生成空位。第一空位生成区域生成与相应的电介质膜的密度对应的密度的空位。生成的空位通过空位扩散促进区域扩散在半导体层。两种电介质膜（第一膜70、第二膜72）中，将沉积有密度较小的电介质膜（第一膜70）的半导体层区域进行混晶化，而形成第一混晶区域。在沉积有密度较大的电介质膜（第二膜72）的半导体层区域上，形成比第一混晶区域的混晶度更小的第二混晶区域。在本例中，第一混晶区域包含窗部62，第二混晶区域包含非窗部64。
图3～图8是说明第一实施方式所涉及的半导体激光元件100的制造方法的工序图。如图3所示，形成半导体层的工序具有准备第一导电型半导体衬底40的工序，在第一导电型半导体衬底40上依次沉积多个包含n型缓冲层42、n型第一熔覆层44、n型第一引导层46、活性层48、p型第二引导层50、p型第二熔覆层52的半导体层的工序、在p型第二熔覆层52上沉积接触层54的工序。各层通过有机金属气相生长（MOCVD）法，分子束外延（MBE）法等外延生长法依次层叠。
沉积接触层54的工序包括形成促进空位扩散的空位扩散促进区域的工序，及形成生成空位的第一空位生成区域的工序。在本例中，空位扩散促进区域为第二区域54a，第一空位生成区域为第一区域54b。形成第二区域54的工序可以包括在第一温度下通过外延生长而进行沉积的工序。形成第一区域54b的工序可以包括在温度高于第一温度的第二温度下通过外延生长而进行沉积的工序。
在第二温度下通过外延生长沉积第一区域54b的工序，包括掺杂第一p型掺杂剂的工序。在第一温度下通过外延生长沉积第二区域54a的工序包括掺杂第二p型掺杂剂的工序。第一温度下通过外延生长进行沉积的工序可以在第二p型掺杂剂的掺杂效率相对生长温度的增加而下降的温度下进行。这里，掺杂效率是指掺杂剂浓度相对于活性化的掺杂剂浓度的比率。即，在相对于生长温度的增加，调入膜中的掺杂剂的掺杂浓度减少的温度范围内，通过外延生长沉积第二区域54a。
具体地，第一温度是低于680℃的温度，例如为620℃。第二温度是680以上的温度，例如为700℃。在本例中，说明使用Zn作为第一p型掺杂剂，使用C作为第二p型掺杂剂的例子。
沉积接触层54的工序可以通过一次外延生长工序执行。即，在第一温度下进行掺杂C的外延生长来沉积第二区域54a之后，接着在第二温度下进行掺杂Zn的外延生长来沉积第一区域54b。
由于第二区域54a中掺杂剂C与氢（H）的亲和性强，并且第2区域是在第一温度下进行外延生长来形成的，因此容易将H调入膜中。即，第二区域54a的氢浓度高于第一区域54b的氢浓度。但是，以高浓度掺杂C并通过外延生长在第一温度下形成的第二区域54a，其表面的结晶性变差。因此，通过以高浓度掺杂Zn并在第二温度下进行外延生长，能够使结晶性变好，并且能够降低与上部电极58的接触电阻。
形成第二区域54a的工序也可以包括以第一生长率进行外延生长的工序。形成第二区域54a的工序也可以包括以比第一生长率低的第二生长率进行外延生长的工序。第一生长率可以为约0.34nm/s以上。如后所述，通过提高第二区域54a的膜的生长率，能够将高浓度的H调入膜中，故优选。
图4表示图3所示工序的后续工序。如图4所示，对密度不同的两种电介质膜进行沉积工序具有将密度不同的两种电介质膜（第一膜70及第二膜72）沉积在接触层54上的不同区域的工序。首先，以硅烷气体和氨气作为原材料，利用催化剂CVD法在接触层54上沉积例如100nm的SiN膜。SiN膜是在使原材料的硅烷和氨的流量为富氨的状态下进行成膜的。之后，通过进行光刻工艺及蚀刻工艺，去除与窗部62对应的接触层54上的区域以外的SiN膜，由此在与窗部62对应的接触层54上的区域上形成第一膜70。由于第一膜70在富氮条件下进行成膜，因此形成稀薄的膜。第一膜70的膜密度例如为约2.69g/cm3。
接着，使用催化剂CVD法在接触层54及第一膜70上沉积在富硅条件下进行成膜的例如30nm的SiN膜。由于第二膜72在富硅的条件下进行成膜，因此形成致密的膜。第二膜72的膜密度例如为约2.79g/cm3。即，在与非窗部64对应的区域上，形成第二膜72，该第二膜72是密度高于第一膜70的致密的膜。
图5是图4所示工序的后续工序。通过退火处理，形成窗部62及非窗部64的工序，其包括使与第二区域54a的非窗部64对应的区域的氢浓度高于与窗部62对应的区域的氢浓度的工序。退火处理通过例如以915℃进行30秒的短时间的热处理(RTA：RapidThermalAnneal)来进行。
如前所述，第二区域54a的氢浓度高于第一区域54b。若通过RTA处理进行加热，则第二区域54a内的氢76被稀薄的膜即第一膜70所吸收。结果，相当于窗部62的部分的第二区域54a的氢浓度降低。另一方面，相当于非窗部64的部分的第二区域54a的氢难以被致密的膜即第二膜72所吸收。即，通过退火处理，第二区域54a的与非窗部64对应的区域的氢浓度高于与窗部62对应的区域的氢浓度。
在与窗部62对应的第二区域54a上，生成由于氢76的脱离而产生的内在空位。这里，内在空位是指由于第一膜70吸收氢76而产生的空位。
与窗部62对应的第一区域54b的Ga通过RTA处理调入第一膜70中，生成与第一膜70的密度相应密度的III族空位74。即，第二区域54a生成与III族空位74不同的其他内在空位。III族空位74从第一区域54b的表面侧向第二区域54a进行扩散。
第二区域54a接受在第一区域54b生成的III族空位74。在与窗部62对应的第二区域54a中，III族空位74与内在空位合流，空位浓度急剧上升。III族空位74及内在空位从第二区域54a向活性层48的方向一下子进行扩散。即，由于内在空位的存在，促进了III族空位74的扩散。
另一方面，与非窗部64对应的第二区域54a的H基本上不被作为致密膜的第二膜72所吸收，该区域的内在空位比与窗部62对应的第二区域54a的内在空位少。另外，与非窗部64对应的第一区域54b的Ga基本上不被作为致密膜的第二膜72所吸收。因此，与非窗部64对应的第一区域54b中III族空位74比与窗部62对应的区域的III族空位74少。因此，与非窗部64对应的活性层48与对应于窗部62相的活性层48相比混晶度非常小。
图6是表示通过图5的工序形成的窗部62及非窗部64。根据图5所示工序，在两种电介质膜中，使沉积有密度较小的电介质膜的区域对应的活性层48进行混晶化来形成窗部62，在沉积有密度较大的电介质膜的区域对应的活性层48上，形成混晶度小于窗部62的非窗部64。结果，活性层48的窗部62中抑制激光的吸收，防止产生COD的同时，在非窗部64中防止激光特性变差。
图7表示图5及图6所示工序的后续工序。如图7所示，半导体激光元件100的制造方法具备形成隆起物结构的工序。在形成窗部62及非窗部64之后，去除第一膜70及第二膜72。之后，进行光刻工艺及蚀刻工艺，条纹状地去除接触层54及p型的第二熔覆层52的上部，来形成隆起物结构。
图8是表示图7所示工序的后续工序。如图8所示，半导体激光元件100的制造方法具备在接触层54及第二熔覆层52上沉积绝缘膜的工序，以及形成电极的工序。绝缘膜是，例如利用CVD法形成的氧化硅膜或氮化硅膜。形成电极的工序包括通过光刻工艺及蚀刻工艺在与上部电极58接触的区域上形成开口部57的工序，以及通过溅射工艺在半导体衬底40的表面整体上形成上部电极58，并在半导体衬底40的背面整体上蒸镀形成下部电极60的工序。最后，切割半导体衬底40，在切割面上形成低反射膜10及高反射膜20，来完成半导体元件100。
图9是表示半导体激光元件100的变化例所涉及的半导体激光元件110。半导体激光元件110的接触层54的结构与半导体激光元件100的接触层54的结构不同。与图2所示的接触层54的结构相比，半导体激光元件110的第一接触层54还具有第三区域54c。第三区域作为第二空位生成区域发挥作用。第三区域54c的p型掺杂剂的掺杂量低于第一区域54b。第二区域54a设置在第一区域54b与第三区域54c之间。
沉积接触层54的工序具有在第一温度下通过外延生长沉积第二区域54a的工序前，在第二温度下通过外延生长沉积第三区域54c的工序。第一区域54b的Zn掺杂量可以为1E+19（atoms/cm3），第三区域54c的Zn掺杂量可以为1E+18（atoms/cm3）。第一区域54b、第三区域54c及第二区域54a通过一次外延生长工序而形成。
图10是通过本发明的第二实施方式所涉及的制造方法制造的半导体激光元件200的剖视图。半导体激光元件200在具备电流缩小层80来代替换隆起物结构这一方面，与第一实施方式所涉及的半导体激光元件100不同。半导体激光元件200具备第一导电型半导体衬底40、第一导电型缓冲层42、第一导电型第一熔覆层44、第一导电型第一引导层46、活性层48、第二导电型第二引导层50、第二导电型第二熔覆层52、在第二熔覆层52上沉积的第一接触层54、电流缩小层80、第2接触层82、上部电极58以及下部电极60。
图10中标记与图2相同的符号的构成要件可以具有与图2至图9关联说明的构成要件相同的作用。半导体激光元件200中从下部电极60至第二熔覆层52的结构可以与半导体激光元件100中从下部电极60至第二熔覆层52的结构相同。
第一接触层54具有高浓度掺杂C并通过低温外延生长来形成的第二区域54a，以及高浓度掺杂Zn、Mg或Be并通过高温外延生长来形成的第一区域54b。第二区域54a的与非窗部64对应的区域的氢浓度高于与窗部62对应的区域的氢浓度较高。
电流缩小层80形成在第一接触层54上，且与非窗部64对应具有开口部81。电流缩小层80可以是n型GaAs层。第二接触层82沉积在从开口部81露出的第一接触层54及电流缩小层80上。第二接触层82包含高浓度掺杂Zn或Mg的p型GaAs层。第二接触层82与上部电极58进行欧姆接触。电流缩小层80使从上部电极58注入的电流缩小，提高量子阱层48b上载流子的密度。
在半导体激光元件200中，在与电流缩小层80对应的区域上形成窗部62，与开口部81对应的区域上形成非窗部64。在半导体激光元件200中，通过第二区域54a的内在空位的作用，也能够提高活性层48的量子阱层48b的窗部62的混晶度，并且降低非窗部64的混晶度。因此，能够防止COD产生的同时，能够抑制激光特性变差。
图11～图15是表示本发明的第二实施方式所涉及的半导体激光元件200的制造方法的工序图。半导体激光元件200的制造方法与上述的半导体光器件的制造方法相同，其具备形成半导体层的工序，将密度不同的两种电介质膜（70、72）沉积在半导体层上的不同区域的工序，通过退火处理在半导体层上形成窗部62及非窗部64的工序。形成半导体层的工序具有准备半导体衬底40的工序，在半导体衬底40上依次沉积多个包含n型缓冲层42、n型第一熔覆层44、n型第一引导层、活性层48、p型第二引导层50、p型第二熔覆层52的半导体层的工序，在p型第二熔覆层52上沉积第一接触层54的工序。各层通过利用MOCVD法、MBE法等的外延生长法而形成。沉积第一接触层54的工序与图3所说明的沉积接触层54的工序相同，故省略说明。
在沉积第一接触层54之后，在第一接触层54上沉积成为电流缩小层80的n型GaAs层。在其上面，通过例如CVD法沉积SiO2膜84。接着，通过光刻工艺及蚀刻工艺去除与开口部81对应的区域的SiO2膜84。
图12是表示图11所示工序的后续工序。如图12所示，将SiO2膜84作为蚀刻掩模进行蚀刻工艺，形成电流缩小层80。接着，去除蚀刻掩模即SiO2膜84。作为蚀刻掩模，也可以使用SiO2膜84以外的绝缘膜。
图13是表示图12所示工序的后续工序。对密度不同的两种电介质膜（70、72）进行沉积的工序包括在与窗部62对应的区域上沉积稀薄的膜即第一膜70，并在与非窗部64对应的区域上沉积致密的膜即第二膜72的工序。该工序与图4所说明的工序相同，故省略说明。通过退火处理在半导体层上形成窗部62及非窗部64的工序，其包括使与空气扩散促进区域即第二区域54a的非窗部64对应区域的氢浓度高于与窗部62对应的区域的氢浓度的工序。利用RTA处理，通过与窗部62对应的第二区域54a生成的内在空位，促进与窗部62对应的第一区域54b生成的III族空位扩散，使与窗部62对应的活性层48混晶化。与非窗部62对应的活性层48不进行混晶化。该工序与图5及图6所说明的工序相同，故省略说明。
图14是表示图13所示工序的后续工序。如图14所示，去除第一膜70及第二膜72。接着，对电流缩小层80及第一接触层54的表面进行表面净化处理。通过进行表面净化处理，能够防止在再生长界面中的晶体品质的下降。
图15是表示图14所示工序的后续工序。如图15所示，使p型GaAs层进行再生长，形成第二接触层82。第二接触层82可以通过高浓度掺杂Zn或Mg的高温外延生长进行沉积。第二接触层82的Zn掺杂浓度为例如1E+19（atoms/cm3）。第一接触层54的Zn掺杂浓度为例如1E+18（atoms/cm3）。
最后，在第二接触层82的上面形成上部电极58，在半导体衬底40的背面形成下部电极60。上部电极58及下部电极60可以通过溅射法形成。
图16表示半导体激光元件200的变化例即半导体激光元件210。本例中的半导体激光元件210中第一接触层54的结构与半导体激光元件200的第一接触层54的结构不同。半导体激光元件210的第一接触层54具有第三区域54c，该第三区域54c的p型掺杂剂的掺杂量低于第一区域54b。第二区域54a设置在第一区域54b与第三区域54c之间。
本例中沉积第一接触层54的工序具有在第一温度下通过外延生长沉积第二区域54a的工序前，在第二温度下通过外延生长沉积第三区域54c的工序。第三区域54c的p型掺杂剂的掺杂量低于第一区域54b。例如，p型掺杂剂为Zn。第一区域54b的Zn掺杂量可以为1E+19（atoms/cm3），第三区域54c的Zn掺杂量可以为1E+18（atoms/cm3）。第一区域54b、第三区域54c及第二区域54a通过一次外延生长工序而形成。
图17是通过第三实施方式所涉及的制造方法制造的光波导300的俯视图。图18是表示图17的A-A线剖视图。光波导300具备半导体衬底310以及包括在半导体衬底310上依次形成的下部熔覆层320、光波导层330及上部熔覆层340的半导体层。光波导300的半导体层具有在与半导体衬底310表面的垂直方向上选择性地混晶化的第一混晶区域312以及由第一混晶区域312夹住形成的第二混晶区域314。
第二混晶区域314的混晶度小于第一混晶区域312的混晶度。第一混晶区域312的混晶度可以为第二混晶区域314的混晶度的5倍以上。具体地，第一混晶区域312的混晶度为25meV以上，第二混晶区域314的混晶度为5meV以下。第一混晶区域312的带隙能大于第二混晶区域314的带隙能。第一混晶区域312的折射率大于第二混晶区域314的折射率。即，由于光波导300具有混晶度不同的第一混晶区域312及第二混晶区域314，因此能够在光波导层330上，对与光传播方向垂直且与半导体衬底310的水平的方向，设置折射率差。
图19～图21是说明本发明的第三实施方式所涉及的半波导300的制造方法的工序图。该制造方法具备形成半导体层的工序，将密度不同的两种电介质膜（第一膜370、第二膜380）沉积在半导体层上的不同区域的工序，通过退火处理在半导体层上形成第一混晶区域312及第二混晶区域314的工序。
图19是表示形成半导体层的工序。半导体层包括生成空位的空位生成区域360及促进空位扩散的空位扩散促进区域350。形成半导体层的工序包括准备半导体衬底310的工序，在半导体衬底310上依次沉积包含下部熔覆层320、光波导层330及上部熔覆层340的多个半导体层的工序，在上部熔覆层340上沉积空位生成扩散层362的工序。各层通过有机金属气相生长（MOCVD）法、分子束外延（MBE）法等外延生长法依次沉积。
沉积空位生成扩散层362的工序包括形成空位扩撒促进区域350的工序及形成空位生成区域360的工序。空位扩撒促进区域350与氢的亲和性强于空位生成区域360。由于形成空位扩撒促进区域350的工序及形成空位生成区域360的工序分别与图3所说明的形成第二区域54a的工序及形成第一区域54b的工序相同，故省略说明。
图20是表示形成电介质膜的工序。形成电介质膜的工序中，将密度不同的两种电介质膜（第一膜370及第二膜380）沉积在空位生成区域360上不同的区域。第一膜370是密度小于第二膜380的稀薄的膜。第二膜380是密度大于第一膜370的致密的膜。由于形成第一膜370及第二膜380的工序中，与图4所说明的将密度不同的两种电介质膜（第一膜70及第二膜72）沉积在接触层54上不同区域的工序相同，故省略说明。
图21表示通过退火处理形成第一混晶区域312及第二混晶区域314的工序。通过退火处理，空位生成区域360生成与相应的电介质膜的密度对应的密度的空位。生成的空位通过空位扩散促进区域350扩散至半导体层。两种电介质膜（第一膜370、第二膜380）中，将沉积有密度较小的第一膜370的半导体层的区域进行混晶化而形成混晶区域312。在沉积有密度较大的第二膜380的半导体层的区域上形成混晶度小于第一混晶区域312的第二混晶区域314。
在该工序中，与空位扩散促进区域350的第二混晶区域314对应区域的氢浓度高于与第一混晶区域312对应的区域的氢浓度。在与第一混晶区域312对应的空位扩散促进区域350上，生成由氢的脱离产生的空位。将与第一混晶区域312对应的空位生成区域360的Ga，通过退火处理调入第一膜370，来生成与第一膜370的密度相应的III族空位。通过内在空位，促进III族空位扩散，经由空位扩散促进区域350扩散至光波导层330。
作为结果，两种电介质膜中，与沉积有密度较小的第一膜370的区域对应的下部熔覆层320、光波导层330及上部熔覆层340进行混晶化而形成第一混晶区域312。在与沉积有密度较大的第二膜380的区域对应的下部熔覆层320、光波导层330及上部熔覆层340上，形成混晶度小于第一混晶区域312的第二混晶区域314。
图22是表示半导体激光元件100的接触层54的掺杂剂量的设计与窗部及非窗部的混晶度的关系的图表。下面，掺杂剂量是指由掺杂浓度（atoms/cm3）×层的厚度（cm）定义的量。另外，混晶度是指带隙能的变化量。
设计1～3是仅使用Zn作为掺杂剂的例子。设计4及5是使用C及Zn作为掺杂剂的例子。设计6是仅使用C作为掺杂剂的例子。根据设计1～3，掺杂剂量越少，非窗部的混晶度越小，并且相对非窗部混晶度的窗部混晶度的比例越大。因此，根据设计1～3的结果，可知减少接触层54的掺杂剂量是有效果的。
另外，比较设计2及4，虽然掺杂剂量相同，但设计2中仅掺杂Zn，与此相对，设计4中掺杂了Zn和C。比较设计2及4的混晶度，与仅掺杂Zn的情况相比，掺杂Zn和C的情况下的非窗部的混晶度变小，并且相对非窗部混晶度的窗部混晶度的比例变大。因此，根据设计2及4的结果，可知使用Z和C作为掺杂剂是有效果的。
进一步地，比较设计4及5，设计5比设计4的掺杂剂量更大，并且C的比例高于Zn的比例。比较设计4及5的混晶度，掺杂剂量少的设计的非窗部的混晶度小，但相对非窗部混晶度的窗部混晶度的比例几乎没有变化。因此，根据设计4及设计5的结果，可知Zn和C的掺杂剂的总量为1.0E+15（atoms/cm2）以下，并且C的掺杂量小于Zn的掺杂量的设计是有效果的。
另外，比较设计5及6，设计6比设计5的掺杂剂量更大，设计6仅掺杂C。比较设计5和6的混晶度，可知若掺杂剂量增大，则非窗部的混晶度迅速增加，并且仅掺杂C的情况下，相对于非窗部混晶度的窗部混晶度的比例变小。因此，根据设计5及设计6的结果，可知设整体的掺杂剂量为规定值以下，并组合C和Zn作为掺杂剂是有效果的。
图23是表示半导体激光元件100的接触层54的总掺杂剂量与非窗部混晶度之间的关系的图表。根据该图表，可知若掺杂剂量增加，则非窗部混晶度增加。掺杂剂量为与图17的设计5相等的掺杂剂量即1E+15（atoms/cm2）时，非窗部混晶度约为5meV，为良好。
图24是表示半导体激光元件100的接触层54具有及不具有第二区域54a的情况下，总掺杂剂量与窗部混晶度/非窗部混晶度之间的关系的图表。根据该图表，在掺杂剂量约为1.2E+15（atoms/cm2）左右时，不论有无第二区域54a，窗部混晶度/非窗部混晶度约为2。若掺杂剂量小于约1.2E+15（atoms/cm2），则窗部混晶度/非窗部混晶度大于2，并且具有第二区域54a的情况下窗部混晶度/非窗部混晶度大于不具有第二区域54a的情况下的窗部混晶度/非窗部混晶度。
也就是说，在掺杂剂量小于约1.2E+15（atoms/cm2），并且具有第二区域54a的情况下，能够形成混晶度小于窗部62的1/2的非窗部64。掺杂剂量为相当于图17的设计5的掺杂剂量即1E+15（atoms/cm2）的情况下，能够形成混晶度为窗部62的1/7的非窗部64，故为良好。
图25表示半导体激光元件100的非窗部混晶度，与通过IFVD形成及不形成窗部的情况下激光振荡的阈值电压的比之间的关系。如果阈值比为1以下，则表示通过IFVD法也可以抑制激光性能变差，如果阈值大于1，则表示使用IFVD法导致激光性能变差。根据图表，可知非窗部混晶度约为5meV时阈值比约为1。如前所述，在非窗部混晶度约为5meV的情况，相当于图18中掺杂剂量为1E+15（atoms/cm2）的情况。掺杂剂量为1E+15（atoms/cm2）的情况相当于图17的设计5。此外，可以设定掺杂剂量，使非窗部的混晶度小于4meV。
根据图22～图25的实验结果，可知优选接触层54的总掺杂剂量为1E+15（atoms/cm2）以下。另外，可知更加优选地，接触层54具有第二区域，并且使C的掺杂量少于Zn的掺杂量。
图26是比较第二区域54a的窗部62与非窗部64的氢浓度的图表。可知窗部62的氢浓度为非窗部64的氢浓度的约40%。根据该图表，可知RTA处理的结果，将与窗部62对应的第二区域54a的氢的约60%调入第一膜70中，生成内在空位。
图27表示空位扩散促进区域即第二区域54a的外延生长温度与C掺杂浓度及氢浓度之间的关系。生长温度为680℃时的C掺杂浓度约为1.44E+18（atoms/cm3），H浓度约为8.0E+16（atoms/cm3）。生长温度为620℃时的C掺杂浓度约为5.68E+18（atoms/cm3），H浓度约为5.8E+17（atoms/cm3）。生长温度为560℃时的C掺杂浓度约为2.42E+19（atoms/cm3），H浓度约为6.0E+18（atoms/cm3）。
由该结果可知，在C的掺杂效率相对于生长温度的增加而下降的温度范围内，C与H亲和性强，容易被调入膜中。另外，可知生长温度越低越以高浓度掺杂C，调入膜中的H浓度越上升。具体地，优选地，以1.5E+18（atoms/cm3）以上的高浓度掺杂C，且通过680℃以下的低温的外延生长形成第二区域54a。
图28表示空位扩散促进区域即第二区域54a的外延生长的生长率与C掺杂浓度及氢浓度之间的关系。生长温度固定为560℃。生长率约为0.34nm/s时的C掺杂浓度为2.05E+19（atoms/cm3），H浓度为4.5E+18（atoms/cm3）。生长率约为0.66nm/s时的C掺杂浓度为2.42E+19（atoms/cm3），H浓度为6.0E+18（atoms/cm3）。由该结果可知，通过提高第二区域54a的外延生长的生长率，也使调入膜中的H浓度上升。此外，第一区域54b的外延生长的生长率可以比第二区域54a的生长率低。
图29是表示空位扩散促进区域即第二区域54a的外延生长中的反应气体的流量比与C掺杂浓度及氢浓度之间的关系。这里反应气体的流量比是指作为V族原子供给气体的砷化氢（AsH3）气体的流量相对作为III族原子供给气体的三甲基镓（TMG）气体的流量的比。生长温度固定为560℃。反应气体的流量比为大约21.2时，C掺杂浓度为1.06E+19（atoms/cm3），H浓度为1.5E+18（atoms/cm3）。反应气体的流量比约为14.2时，C掺杂浓度为1.49E+19（atoms/cm3），H浓度为2.6E+18（atoms/cm3）。反应气体的流量比约为7.0时，C掺杂浓度为2.42E+19（atoms/cm3），H浓度为6.0E+18（atoms/cm3）。由该结果可知，通过减少反应气体的流量比，也使调入膜中的H浓度上升。
图30是表示空位扩散促进区域即第二区域54a的外延生长中的掺杂剂气体流量比与C掺杂浓度及氢浓度之间的关系。这里，掺杂剂气体流量比是指作为C掺杂剂气体的四溴化碳（CBr4）气体的流量相对作为III族电子供给气体的三甲基镓（TMG）气体的流量的比。生长温度固定为560℃。另外，固定反应气体的流量比。掺杂剂气体流量比约为0.052时，C掺杂浓度为1.49E+19（atoms/cm3），H浓度为2.6E+18（atoms/cm3）。掺杂剂气体流量比约为0.103时，C掺杂浓度为2.05E+19（atoms/cm3），H浓度为4.5E+18（atoms/cm3）。由该结果可知，通过提高掺杂剂气体的流量比，也使调入膜中的H浓度上升。
以上利用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限于上述实施方式所记述的范围。本领域的技术人员可知，可以在上述实施方式上加以各种变化或改进。根据权利要求书的记载可知，进行该各种变化或改进的方式也包含在本发明的技术范围中。
值得注意的是，在权利要求书、说明书及附图所表示的装置、系统、程序及方法中的动作、顺序、步骤及阶段等各处理的执行顺序，只要没有特别明示“更早”、“早于”等，并且，只要之前处理的输出并不用于之后的处理中，则可以以任意的顺序实现。关于权利要求书、说明书及附图中的工作流程，为了方便起见而使用“首先”“接着”等进行了说明，但这也并不意味着必须要按这样的顺序实施。
附图标记说明
10—低反射膜；20—高反射膜；30—射出光；40—半导体衬底；42—缓冲层；44—第一熔覆层；46—第一引导层；48—活性层；48a—下部阻挡层；48b—量子阱层；48c—上部阻挡层；50—第二引导层；52—第二熔覆层；54—接触层；54a—第二区域；54b—第一区域；54c—第三区域；56—绝缘层；57—开口部；58—上部电极；60—下部电极；62—窗部；64—非窗部；70—第一膜；72—第二膜；74—III族空位；76—氢；80—电流缩小层；81—开口部；82—第二接触层；84—SiO2膜；100、110、200、210—半导体激光元件；300—光波导；310—半导体衬底；312—第一混晶区域；314—第二混晶区域；320—下部熔覆层；330—光波导层；340—上部熔覆层；350—空位扩散促进区域；360—空位生成区域；362—空位生成扩散层；370—第一膜；380—第二膜。

Claims (22)

1.一种半导体光器件，其中，具备：
第一导电型半导体衬底，
第一导电型的第一熔覆层，沉积在所述半导体衬底的上方，
活性层，沉积在所述第一熔覆层的上方，
第二导电型的第二熔覆层，沉积在所述活性层的上方，
接触层，沉积在所述第二熔覆层上；
所述活性层具有通过空位扩散而混晶化的窗部以及比所述窗部混晶度小的非窗部；
所述接触层具有第一区域及第二区域，所述第二区域与所述第一区域相比，其与氢的亲和性更强，且位于所述第一区域的下侧；
所述第二区域中与所述非窗部对应的区域的氢浓度高于与所述窗部对应的区域的氢浓度，所述非窗部对应的区域的氢浓度高于8.0E+16(atoms/cm3)。
2.如权利要求1所述的半导体光器件，其中，
所述第二区域是在低于所述第一区域的生长温度下形成。
3.如权利要求1所述的半导体光器件，其中，所述第一区域包括掺杂了第一p型掺杂剂的p型GaAs层，所述第二区域包括掺杂了第二p型掺杂剂的p型GaAs层，所述第二p型掺杂剂与氢的亲和性强于所述第一p型掺杂剂。
4.如权利要求3所述的半导体光器件，其中，
所述接触层还具有第三区域，所述第三区域中所述第一p型掺杂剂的掺杂剂量低于所述第一区域，所述第二区域位于所述第一区域与所述第三区域之间。
5.如权利要求3或4所述的半导体光器件，其中，
所述第一p型掺杂剂包含Zn、Mg或Be。
6.如权利要求3或4所述的半导体光器件，其中，
所述第二p型掺杂剂包含碳。
7.如权利要求3或4所述的半导体光器件，其中，
所述接触层的总掺杂剂量为1.0E+15(atoms/cm2)以下。
8.如权利要求3或4所述的半导体光器件，其中，
所述第二区域的掺杂剂量比所述第一区域的掺杂剂量少。
9.如权利要求1所述的半导体光器件，其中，
所述第二区域的生长率比所述第一区域的生长率更快，而且，所述第二区域的生长中的氢化合物的流量比所述第一区域的生长中的氢化合物的流量更大。
10.一种半导体光器件的制造方法，其中，具备以下工序：
形成半导体层，所述半导体层包括生成空位的第一空位生成区域，以及与氢的亲和性强于所述第一空位生成区域且促进所述空位的扩散的空位扩散促进区域；
将密度不同的两种电介质膜沉积在所述半导体层上的不同区域；
形成以下2个混晶区域，通过退火处理，在所述第一空位区域上生成与相应的所述电介质膜的密度对应的密度的空位，并且通过所述空位扩散促进区域将生成的所述空位扩散在半导体层上，在所述两种电介质膜内，使沉积有密度较小的电介质膜的所述半导体层区域进行混晶化而形成第一混晶区域，沉积有密度较大的电介质膜的所述半导体层区域上形成混晶度小于所述第一混晶区域的第二混晶区域；
通过所述退火处理，所述空位扩散促进区域中所述第二混晶区域的氢浓度高于所述第一混晶区域的氢浓度，所述第二混晶区域的氢浓度高于8.0E+16(atoms/cm3)。
11.如权利要求10所述的制造方法，其中，
形成所述空位扩散促进区域的工序中，在第一温度下通过外延生长形成所述空位扩散促进区域，
形成所述第一空位生成区域的工序中，在高于所述第一温度的第二温度下通过外延生长形成所述第一空位生成区域。
12.如权利要求11所述的制造方法，其中，
形成所述第一空位生成区域的工序包括将第一p型掺杂剂掺杂在所述半导体层的工序，形成所述空位扩散促进区域的工序包括将第二p型掺杂剂掺杂在所述半导体层的工序，所述第二p型掺杂剂与氢的亲和性强于所述第一p型掺杂剂。
13.如权利要求12所述的制造方法，其中，
形成所述空位扩散促进区域的工序中，在所述第二p型掺杂剂的掺杂效率相对生长温度的增加而下降的温度下进行所述外延生长。
14.如权利要求11～13中任一项所述的制造方法，其中，
形成所述空位扩散促进区域的工序中，通过外延生长以第一生长率形成所述空位扩散促进区域，
形成所述第一空位生成区域的工序中，通过外延生长以比所述第一生长率更低的第二生长率形成所述第一空位生成区域。
15.如权利要求12所述的制造方法，其中，
在形成所述空位扩散促进区域的工序之前，还具有形成所述第一p型掺杂剂的掺杂剂量低于所述第一空位生成区域的第二空位生成区域的工序。
16.如权利要求12所述的制造方法，其中，
所述第一p型掺杂剂包含Zn、Mg或Be。
17.如权利要求12、13、15、16中任一项所述的制造方法，其中，
所述第二p型掺杂剂包含碳。
18.如权利要求12、13、15、16中任一项所述的制造方法，其中，
所述第一空位生成区域及所述空位扩散促进区域的总掺杂剂量为1.0E+15(atoms/cm2)以下。
19.如权利要求12、13、15、16中任一项所述的制造方法，其中，
所述空位扩散促进区域的掺杂剂量少于所述第一空位生成区域的掺杂剂量。
20.如权利要求11、12、13、15、16中任一项所述的制造方法，其中，
所述第一空位生成区域及所述空位扩散促进区域通过一次外延生长工序形成。
21.如权利要求11、12、13、15、16中任一项所述的制造方法，其中，
所述第一温度低于680℃。
22.如权利要求10、11、12、13、15、16中任一项所述的制造方法，其中，
所述空位扩散促进区域的生长率比所述第一空位生成区域的生长率更快，而且，所述空位扩散促进区域的生长中的氢化合物的流量比所述第一空位生成区域的生长中的氢化合物的流量更大。
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