CN1074186C - 半导体激光二极管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光二极管的制造方法，包括以下步骤：在衬底上形成DH结构的半导体层；在半导体层上形成介质层；选择地蚀刻介质层，曝露出半导体层的预定部位；通过液相蚀刻法以介质层为掩模，选择地蚀刻曝露出的半导体层；然后通过液相外延，在蚀刻后的部位上，再生长半导体层。这样，利用液相蚀刻法对DH结构蚀刻，在不曝露于空气的状态下立即完成再生长，从而提供高可靠性的半导体激光器。

Description

半导体激光二极管的制造方法
本发明涉及半导体激光二极管，更具体地讲，涉及通过采用液相外延法(以下称为LPE)的一次处理，使半导体激光器的半导体层实现蚀刻和再生长的方法。
图1展示了具有双重异质(以下称为“DH”)结构的普通半导体激光二极管。
亦即，普通的半导体激光二极管是在衬底上依次叠积n型覆盖层，有源层、P型覆盖层和P型管帽层。作为固体激光二极管或者气体激光二极管，半导体激光二极管具有谐振镜面(oscillating mirror)。
此时，谐振镜面由一种具有半导体特性的取向解理面而形成。各镜面之间的距离由一个腔来表示。
当半导体激光二极管的n型覆盖层加(-)电压、P型覆盖层加(+)电压时，在有源层中电子与空穴复合，从而产生借助谐振镜面而谐振的光束，用以输出。
因此，谐振光束穿过镜平面发射，所以激光特性受镜平面的条件影响很大。
亦即，由无损伤的平坦且干净的镜平面，并且平行地设置镜面，使镜面成为腔的两个平面，可以获得良好的激光束特性。
然而，由于半导体激光器具有特殊情形，即在镜平面处半导体材料直接与空气接触，所以这是要考虑的重要因素。
换言之，由于是利用被解理的半导体的取向特性来形成半导体层的镜面，所以镜面具有不同于半导体内部的半导体界面的性质。
在半导体的边界存在仍未被联结的悬挂键，它们在空气中与氧键合从而被氧化，而且还存在半导体缺陷。
一旦电流注入半导体激光器，通过电子和空穴在有源区内的光发射复合就会产生光子。在构成向空气发射激光束的腔的各镜面之间，光子往复运动同时被放大。此时，发射光波长与有源区材料的能隙相同。
镜面在激光束出射至空气中之前，在两个方面起作用。
第一个作用是，作为放大光子的反射面。第二个作用，是作为透射激光束的透射平面。
这里，由于在镜平面上循环产生光聚现象，与镜平面上存在的悬挂键联结，同时光子被吸收至氧化层，并在非发射基础上重新联结。因而，镜面被瞬时自毁。如果镜面自毁，则半导体激光器不能工作。这种现象被称为突变光学损坏(以下称为COD)，这常常发生于高输出工作期间。
图2表示发生COD现象时，电流相对于光学输出的特性。
这里，COD值的确定，是采用由最大光学输出时的电流值除以半导体激光器的光发射平面面积所得值。例如，如果电流的最大值是100mW，光发射平面面积是5μm2，则COD值是2MW/cm2。
在高输出半导体激光器中，COD值成为一个重要数值，当此值大时，半导体激光器能工作于较大的输出。
在阻碍提高COD值的因素中，概括地讲可以考查两个因素。
第一个是镜平面，它是半导体晶界，在工艺中引起的缺陷可以通过改善工艺以减少工艺次数得到消除，但是悬挂键和由此导致的氧化是内在问题。
第二个是光能聚集在镜平面上，这可以通过增大光发射面积和阻止光在镜平面上的吸收来解决，亦即，采用具有比有源层材料折射率更低的、禁带宽度更大的材料来形成镜。
具有较低折射率的材料可使光分散，从而扩展镜平面上的光发射面积，使光密度降低，因而提高COD值。此外，如果禁带宽度较大，则谐振光不被吸收，从而消除了在镜面发生的光吸收和非发射重联结的循环，以致可以消除镜面自毁的现象。按此方式形成的镜面称为透明镜面(以下称为“TM”)。
图3a-3d是展示传统的具有TM层的半导体激光二极管的制造工艺的剖面图。
如图3a所示，开始，通过汽相外延，如金属有机化学汽相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)或者LPE，在衬底1上依次生长n-覆盖层2、有源层3和P-覆盖层4，形成DH结构。
在所得结构上形成P-管帽层5，并且通过等离子增强化学汽相沉积(PECVD)，在P-管帽层5上淀积介质层6，如二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。这里，介质层6起掩模作用，用于在再生长时阻止介质层6上侧的淀积。
如图3b所示，在介质层6上淀积光致抗蚀剂层PR，通过采用光刻工艺把镜面区的介质层6和DH结构蚀刻至衬底1的表面，由此确定谐振腔区和镜面区。
接着，如图3c所示，通过汽相外延或者LPE，在蚀刻部位上，再生长TM层7，其折射率低于而禁带宽度大于有源层13。
之后，如图3d所示，去除介质层6，通过划线折断法制成半导体激光二极管芯片。
如上所述制成的半导体激光二极管，具有解理的镜平面，其中充填的材料具有比有源层低的折射率和大的禁带宽度，用以提高COD值，从而能在大输出条件下工作。
图3所示的半导体激光二极管，提高了COD值，能在大输出条件下工作，但在长时间工作的可靠性方面存在许多问题。
亦即，当对图3b的DH结构蚀刻时，蚀刻剂通过化学作用去除半导体材料，曝露于蚀刻剂的部位被破坏，易于产生缺陷。而且，由于在大气环境中进行蚀刻，所以空气中的氧与蚀刻平面结合，导致氧化。缺陷和氧化在注入电流时会引起泄漏电流，而且当激光束穿过时，由于吸收激光束而变成热源，从而导致半导体激光器突然劣化。此外，由于氧化导致的缺陷不利于所生长半导体再生长TM层时获得良好的层质量，因而可能会阻碍TM层的再生长。
图4是形成有p型和n型金属电极的条带或DH结构的半导体激光二极管的结构剖面。
亦即，在衬底11上，有源层13夹在n型和p型覆盖层12和14之间，n型和p型覆盖层12和14具有较低的折射率和较大的禁带宽度。这里，覆盖层限制由有源层产生的光不能离开有源层。
在p型覆盖层14上形成p型管帽层15，p型金属电极16和n型金属电极17形成在p型管帽层15的上部和p型金属电极16的背面，其中金属电极16以条带形式形成在p型管帽层15的预定部位。
按上述构成的半导体激光二极管具有以下特性。
当采用通常的薄膜淀积方法(如LPE、MOCVD和MBE)时，薄膜在衬底的垂直方向上生长。因而，在有源层之上或之下按垂直方向生长具有较低折射率和较大禁带宽度的材料的覆盖层是容易的。
限制光的原理是利用光从高折射率材料入射至低折射率材料时所产生的全反射。亦即，折射率之差大时，全反射易于产生，有助于光的限制。通过选取不同的材料，可使有源层的折射率不同于覆盖层。
但是，正如从图4的部位A的放大视图可以注意到的，有源层材料在水平方向上没有变化，所以光不被限制。如果光不能被限制，则小电流的谐振变得困难，而且单模谐振也不可能产生。对此问题的简单解决办法是，减小条带的宽度，使得包含有源层的部位成为部位A的放大视图的区域I。区域I的电子-空穴对浓度高于区域II，此浓度差被用作使区域I的折射率大于区II的一个因素。如果区域I与区域II之间的折射率之差大于10-4，则可获得光限制现象。但是，这种折射率的差不是由不同材料引起的真正的折射率差，而是由有效折射率差引起的。除此之外，由于不能无限地提高电子-空穴对浓度，所以折射率差明显小于真正的折射率差。换言之，通常的DH结构容易在有源层的垂直方向上实现上下真实折射率导向，但是在有源层的水平方向却只有相对弱的有效折射率导向。区域I的宽度W较大使得小电流谐振难以产生，这不利于单模谐振。为了减小宽度W，应减小条带宽度，并降低P-覆盖层的掺杂。但是，由于从电流角度来看电阻增大了，所以上述两种方法都只能在一定程度上适用。最根本的解决办法是形成能在有源层的水平方向限制电流和光的覆盖层。此时，必需使用比有源层折射率小、禁带宽度大的材料。具有这种内部结构的激光二极管被称为埋置式异质(以下称为“BH”)结构激光二极管。BH结构激光二极管在实现小电流谐振和单模谐振方面有很强的结构特性。
图5a-5d是展示普通BH结构半导体激光二极管的制造工艺的剖面图。
如图5a所示，通过汽相外延如MOCVD和MBE或者LPE，在衬底11上依次生长n型覆盖层12、有源层13、p型覆盖层14和p型管帽层15，形成DH结构。通过PECVD在其上形成介质层18。
参看图5b，在介电层18上淀积光刻胶层19，通过光刻法形成光刻胶层19，利用HF除去介质层18。之后，通过蚀刻工艺把DH结构蚀刻至衬底11。
如图5c所示，通过汽相外延或者LPE，在蚀刻部位生长第二覆盖层20，与有源层相比，其折射率较小、禁带宽度较大。第二覆盖层20形成具有低掺杂浓度(大约低于1016)的单层，或者具有pnpn可控硅结构的多层电流阻挡层，通过电流限制以及光限制实现小电流谐振。
图5d中，去掉介质层18，实施芯片制造工艺，制成半导体激光二极管的单个芯片。
按上述制备的BH结构的激光二极管，由于在有源层的垂直和水平方向上，通过真实的折射率导向实现了光限制和电流限制，所以使单一模式的小电流谐振得以产生。
但是，虽然上述的BH结构的半导体激光二极管能实现单一模式的小电流谐振，但仍在可靠性方面存在问题。
更具体地讲，由于在如图5b所示的蚀刻BH结构期间，蚀刻剂通过化学作用去掉半导体材料，曝露于蚀刻剂的部位被破坏，从而易于产生缺陷。此外，由于在空气环境中进行蚀刻处理，蚀刻平面与空气中的氧结合从而氧化。缺陷和氧化成为产生泄漏电流的原因，并且在吸收激光束之后，由于非发射再联结而成为热源，导致半导体激光器的突然劣化。
而且，氧化是阻碍半导体再生长的一个原因，使其在第二覆盖层再生长时不能获得良好的层质量，由于不能良好地再生长第二覆盖层，以致不能制造BH激光器。
本发明就是为了解决上述问题。因此，本发明的目的在于提供一种具有高可靠性大输出的半导体激光二极管的制造方法，其中利用了LPE特性之一的液相蚀刻现象。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供一种半导体激光二极管的制造方法，包括以下步骤：在衬底上依次生长第一导电型的覆盖层、有源层和第二导电型的覆盖层；在所述第二导电型的覆盖层上形成介质层；选择地除去所述介质层，以选择地暴露出所述第二导电型的覆盖层；以及将所得衬底放入LPE反应室，采用液相蚀刻法，以所述介质层为掩模，选择地除去所述第一导电型的覆盖层、有源层和第二导电型的覆盖层，然后通过液相外延在除去后的部位上再生长半导体层。
通过参考附图对优选实施例详细描述，将使本发明的上述目的和其它优点更清楚。附图中：
图1是传统的DH结构的半导体激光二极管的结构剖面图；
图2是传统半导体激光二极管的相对于光能量的电流特性中的COD现象的示意图；
图3a-3d是具有TM层的半导体激光二极管的制造方法的剖面图；
图4是传统的BH结构的半导体激光二极管结构的剖面图；
图5a-5d是传统BH结构的半导体激光二极管的制造方法的剖面图；
图6a-6e是本发明第一实施例半导体激光二极管的制造方法的剖面图；
图7a-7e是本发明第二实施例半导体激光二极管的制造方法的剖面图；
图8是本发明的半导体激光二极管的结构透视图；
图9是沿图8中线A-A′的结构剖面图；
图10是沿图8中线B-B′的结构剖面图。
以下结合附图，将详细说明本发明的半导体激光二极管的制造方法。
图6a-6e是本发明第一实施例半导体激光二极管的制造方法的剖面图。
如图6a所示，通过汽相外延，例如MOCVD和MBE，或者LPE，在衬底21上依次生长n型覆盖层22、有源层23、p型覆盖层24和p型管帽层25，由此形成DH结构。
之后，通过PECVD在p型管帽层25上淀积SiO2或Si3N4介质层26。
参见图6b，在介质层26上淀积光刻胶层27，利用光刻工艺确定出与谐振腔宽度匹配的镜面区，从而利用HF选择地去除镜面区的介质层26。
随后，把所得衬底放入LPE反应室，进行液相蚀刻，如图6C所示。液相蚀刻是LPE工艺的特性，其原理如下。
当液相材料A被强制与材料A和B形成的固体化合物半导体接触时，包含在固体材料中的B材料在接触面上溶进液态的材料A中，以此平衡固体半导体材料AB和液态材料A中的整体浓度。此时，自然地实现对固体半导体的蚀刻。通过这种现象，向下蚀刻直至衬底，如图6c所示。
然后，如图6d所示，在蚀刻部位生长TM层28，与有源层相比，其折射率较小，禁带宽度较大，由此容易形成具有较高COD值的大输出半导体层。
参见图6e，除去介质层26，在镜面区进行划线折断处理，制成带有镜面的激光二极管芯片。
图7a-7e是本发明第二实施例的半导体激光二极管的制造方法的剖面图。
制造本发明第二实施例的半导体激光二极管的方法按如下进行：
如图7a所示，通过汽相外延，例如MOCVD和MBE，或者LPE，在衬底21上依次生长n型覆盖层22、有源层23、p型覆盖层24和p型管帽层25，形成DH结构。利用PECVD在所得结构上形成SiO2或Si3N4介质层26。
之后，如图7b所示，在介质层26上形成光刻胶层27，采用光刻法形成预定的光刻胶图形。接着，利用HF法选择地除去介质层26。
随后，把所得衬底放入LPE反应室，采用上述的蚀刻方法，把DH结构蚀刻直至衬底，如图7c所示。在同一反应室内，在蚀刻部位上再生长第二覆盖层29，如图7d所示。
此时，第二覆盖层29所用材料与有源层相比，其折射率较小、禁带宽度较大。由此，通过实际折射率改变，实现较强的光限制。
第二覆盖层可以用掺杂浓度较低(大约低于1016)的单层形成，也可用具有pnpn可控硅结构的多层CBL形成。
如图7e所示，除去介质层26，实施芯片制造工艺，制成具有BH结构的半导体激光二极管单个芯片。
因此，按上述制成的BH结构的激光二极管具有在长时间工作的高可靠性。所以，通过在有源层的垂直和水平方向的真实的折射率导向，从根本上实现较强的光限制和电流限制，以致半导体激光二极管能实现单模的小电流谐振。
图8是本发明的第三实施例的半导体激光二极管的结构的透视图；图9是沿图8中线A-A′的结构剖面图；图10是沿图8中B-B′的结构剖面图。
如图8所示，本发明第三实施例的半导体激光二极管具有按第一实施例通过再生长TM层制成的半导体激光二极管与按第二实施例的BH结构的激光二极管的组合结构。
亦即，图9示出了TM层再生长的平面。图10示出了第二覆盖层再生长的平面。
本发明第三实施例的半导体激光二极管的制造方法，与上述第一和第二实施例相同，其中同时利用第一和第二实施例的制造方法，制成半导体激光二极管。
换言之，如图6a或7a所示，通过汽相外延MOCVD和MBE或LPE，在衬底21上依次生长n型覆盖层22、有源层23、p型覆盖层24和p型管帽层25，形成DH结构，通过PECVD形成SiO2或Si3N4的介质层26。
接着如图6b和7b所示，在介质层26上淀积光刻胶层27，通过光刻法形成光刻胶图形，并采用HF法选择地除去介质层26。
此时，把光刻胶层图形在垂直方向形成为谐振腔宽度，在水平方向为预定宽度。
在此之后，把所得衬底放入LPE反应室，采用上述液相蚀刻法使DH结构蚀刻直至衬底，如图6c和7c所示；在同一反应室内，在蚀刻后的部位上，再生长TM层28或者第二覆盖层29，如图6d和7d所示。
此时，TM层28或者第二覆盖层29所用材料与有源层相比，其折射率较小、禁带宽度较大。
如图6e或7e所示，去除介质层26，实施芯片制造工艺，制成BH结构的半导体激光二极管单个芯片。
按上述制造的激光二极管具有高的COD值，这是再生长TM层的激光二极管的优点，在单模下能实现大输出工作及小电流谐振，这是BH结构激光二极管的优点。
如上所述，在本发明的半导体激光二极管的制造方法中，采用作为LPE方法的特性的液相蚀刻对DH结构进行蚀刻，在对DH结构蚀刻之后立即完成再生长，以便避免因蚀刻剂而产生缺陷，并使结构不曝露于空气，避免蚀刻平面氧化，当长时间使用半导体激光二极管时，得以防止泄漏电流和突然劣化，从而易于制造高可靠性的半导体激光器。
尽管结合特定实施例对本发明做了具体说明，但是应该明白，对于本领域的技术人员，在不脱离由权利要求书所限定的本发明的精神和范围的条件下，可以做出各种形式上和细节上的变化。

Claims (7)

1、一种半导体激光二极管的制造方法，包括以下步骤：
在衬底上依次生长第一导电型的覆盖层、有源层和第二导电型的覆盖层；
在所述第二导电型的覆盖层上形成介质层；
选择地除去所述介质层，以选择地暴露出所述第二导电型的覆盖层；以及
将所得衬底放入LPE反应室，采用液相蚀刻法，以所述介质层为掩模，选择地除去所述第一导电型的覆盖层、有源层和第二导电型的覆盖层，然后通过液相外延在除去后的部位上再生长半导体层。
2、根据权利要求1所述的半导体激光二极管的制造方法，其中，所述介质层的选择地除去的所述部位对应于所述激光二极管的镜平面。
3、根据权利要求1所述的半导体激光二极管的制造方法，其中，所述介质层的选择地除去的所述部位对应于用于形成在水平方向限定所述激光二极管的所述有源层的电流的电流限制层的沟道部位。
4、根据权利要求1所述的半导体激光二极管的制造方法，其中，所述介质层的选择地除去的所述部位对应于用来形成在水平方向上限定所述激光二极管的镜平面和所述激光二极管的所述有源层的电流的电流限制层的沟道部位。
5、根据权利要求1所述的半导体激光二极管的制造方法，其中，在所述蚀刻后的部位再生长的所述半导体层，是通过生长与所述有源层相比其折射率较小、禁带宽度较大的材料而形成的。
6、根据权利要求1所述的半导体激光二极管的制造方法，其中，在所述蚀刻后的部位上再生长的所述半导体层是所述激光二极管的TM层。
7、根据权利要求1所述的半导体激光二极管的制造方法，其中，在所述蚀刻后的部位再生长的所述半导体层是覆盖层。
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