CN1088934C

CN1088934C - 脊状光波导半导体发光元件的制作方法

Info

Publication number: CN1088934C
Application number: CN99100262A
Authority: CN
Inventors: 何晋国; 邱建嘉; 郑振雄; 陈泽润
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2002-08-07
Anticipated expiration: 2019-01-25
Also published as: CN1262539A

Abstract

一种脊状光波导半导体发光元件的制作方法，包括下列步骤：1、在一第一型半导体基板上形成依序第一型磊晶层与至少一第二型磊晶层，并使第二型磊晶层形成为脊状光波导；2、在其上形成具有重载子浓度的第一型半导体；3、在第一型半导体上形成金属层；脊状光波导的外侧载子浓度高于其内部的载子浓度；第一及第二型磊晶层间形成有发光活性层；第一型磊晶层可包括一束缚层及夹覆层；第二型磊晶层可包括束缚层、夹覆层、转移层及覆盖层。

Description

脊状光波导半导体发光元件的制作方法

本发明涉及一种脊状光波导半导体发光元件的制作方法，适用于脊状光波导顶端表面的载子浓度高于较内侧部分的载子浓度的脊状光波导半导体发光元件。

随着数据传输与储存技术的发展，半导体发光元件的应用也日益广泛，其中，特别是半导体激光元件，由于其光频宽度相当窄，不管是用于光信号的传输或储存，均可以得到较佳的效果，因此，普遍受到重视。目前，制作半导体激光元件的方法种类相当多，其中，为了限制电流穿过活性层区域的大小与位置，曾有多种方法被提出，用以限制电流仅可从脊部顶端流入，使得发光区域局限在脊部下端的活性层小区域中，其他部位则因无电流通过，所以不会发光，这样可得到单模态的激光，使起始电流降低，并可降低散光(astigmatism)，降低光垂直/平行发散角的比值等。上述用以限制电流的方法包括在脊部以外的区域镀上绝缘层，例如SiO₂、Si₃N₄等，来限制电流。另外，如美国专利第5,550,081号及第5,403,775号，其应用在外延层中含有铝成份的特性，施以氧化处理，以形成氧化铝绝缘层，藉以限制电流。在第5,658,824号的美国专利中，则是使用有机树脂涂布以外的区域，以限制电流。再者结合前述的方法，在第5,351,258号的美国专利中则是先镀上SiO₂，然后再于其上涂布有机树脂，用来限制电流。此外，在美国专利第5,304,507号中，则是利用外延方法于脊部以外的区域再成长(regrowth)另一型或是绝缘的半导体外延层，藉以限制电流流经活性层的区域大小与位置。

在上述习知技术中有利用自动对准的方式(台湾专利申请号87109771)，请参阅图1a至图1m，其包括下列步骤：(1)首先，如图1a所示，其在基片10上依序形成n-AIInP层12、未掺杂的AlGaInP层13、量子阱活性层14、未掺杂的AlGaInP15、p-AlInP层16、p-GaInP层18、p-GaAs层20及SiO₂层22；(2)请参阅图1b，接着在其上形成感光层24，并以光掩模制版的制程将感光层24图案化；(3)请参阅1c，蚀刻掉未被感光层24覆盖的SiO₂层22；(4)如图1d所示，移去感光层24；(5)请参阅图1e，蚀刻半导体外延层至很接近AlGaInP束缚层15上方；(6)请参阅图1f，接着移除SiO₂层22；(7)请参阅图1g，然后沉积Si₃N₄层26；(8)请参阅图1h，先形成第一感光层28；(9)请参阅图1i，再形成第二感光层30，并且将第二感光层30加以图案化；(10)请参阅图1j，再利用干蚀刻的制程蚀刻上述第一感光层28，至在脊状光波导上的Si₃N₄层26恰未被第一感光层28覆盖为止；(11)请参阅图1k图，蚀刻去除脊状光波导顶端上的Si₃N₄层26；(12)如图11所示，接下来移除上述第一感光层28与第二感光层30；(13)请参阅图1m，最后在其上再形成一金属层32即可。此种习知的制程便是利用在脊部以外的区域镀上绝缘层，以达到限制电流的目的，其制程包括有13个步骤，由于整个制程较为复杂，一般而言平均须费时两个工作日才能够完成。

大体上来说，上述各种方法的制作程序均相当繁杂，制作不易，且生产成本较高。

本发明的目的在于提出一种脊状光波导半导体发光元件的制作方法，其是以重载子浓度的氧化物半导体做为金属与外延层间的界面，防止电流经脊部以外的区域流过，以控制电流流动。

为达到上述的目的，本发明采取如下技术措施：

本发明主要是在形成脊状光波导半导体发光元件的基本结构后，先在其上形成一层重载子浓度的氧化物半导体，然后再形成金属层以做为导电之用。

本发明的具体方法如下：

本发明的脊状光波导半导体发光元件的制作方法，包括下列步骤：

(i)在一基片上依序形成第一传导型夹覆层42、第一未掺杂的束缚层43、量子阱活性层44、第二未掺杂的束缚层45、第二传导型夹覆层46、第二传导型阻碍层48、第二传导型帽层50；

(ii)以光刻技术在上述第二传导型帽层50上制作感光层52，蚀刻第二传导型帽层50、第二传导型阻碍层48及第二传导型夹覆层46，至接近第二未掺杂的束缚层45的位置停止，以形成脊状光波导；

(iii)形成一感光层54，以掩蔽脊状光波导；

(iv)蚀刻去除未被感光层54掩蔽的第二传导型帽层50，再去除感光层54；

(v)最后连续在其上镀上金属氧化物56及金属层58。

其中，所述脊状光波导的外侧载子浓度高于其内部的载子浓度。

其中，所述第一型为n型，且上述第二型为p型。

其中，所述第一型为p型，且上述第二型为n型。

其中，所述重载子浓度的半导体为氧化物半导体。

其中，所述重载子浓度氧化物半导体为单一氧化物层。

其中，所述重载子浓度氧化物半导体为至少二层。

其中，所述重载子浓度氧化物半导体为至少二种混合的氧化物半导体。

其中，所述重载子浓度氧化物半导体与金属层间可再加入一层与第一层重载子浓度氧化物半导体同型的其他非氧化物半导体。

与现有技术相比，本发明具有如下效果：

本发明的脊状光波导半导体发光元件的制作方法，加工步骤少，且制作简单，同时特别适用于脊部宽度小于3μm的半导体激光器件，可免除自动对位的繁杂步骤，并可大大降低生产成本。

配合附图及实施例对本发明说明如下，其中：

图1a至1m：习知技术中利用自动对准方法制作激光二极管的脊部面电极的流程图。

图2：本发明的脊状光波导半导体发光元件制作方法的流程图。

图3：根据本发明的脊状光波导半导体发光元件制作方法应用铟锡氧化物制作的脊状光波导半导体激光元件I-V与I-L分析的曲线示意图。

请参阅图2a至图2g，其表示本发明的一实施例，在本实施例中，脊状光波导半导体发光元件的制作方法包括下列步骤：

首先，在n-GaAs基片40上依序外延形成n-AlInP夹覆层42、未掺杂的AlGaInP束缚层43、量子阱活性层44、未掺杂的AlGaInP束缚层45、p-AlInP夹覆层46、p-GaInP阻碍层48、p-GaAs帽层50；其中，p-AlInP夹覆层46、p-GaInP阻碍层48、p-GaAs帽层50的空穴浓度分别为7×10¹⁷cm^-3、2×10¹⁸cm^-3、2×10¹⁹cm^-3。

请参阅图2a，接着以光刻(photolithography)技术在上述外延片上制作感光层52，并在其上形成图案，用以做为后续蚀刻步骤中的光掩模(mask)。

请参阅图2b，然后，以活性离子蚀刻(reactive ionetching，RIE)法蚀刻上述p-GaAs帽层50、p-GaInP阻碍层48及p-AlInP夹覆层46，至距离AlGaInP束缚层45很近的位置停止，以形成脊状光波导(ridge optical waveguide)。

如图2c所示，再将蚀刻后残留的感光层52去除。

请参阅图2d，再于其上形成一感光层54，并以光刻技术在感光层54上制作图案，以遮蔽脊状光波导。

请参阅图2e，接下来再蚀刻去除外层的p-GaAs帽层50。

然后，如图2f，再将蚀刻后残留的感光层54去除。

请参阅图2g，最后连续在其上镀上1000埃厚的铟锡氧化物(Indium-tin oxide，ITO)56及包括有铬(Cr)和金(Au)的金属层58，其中ITO的电子浓度≥10¹⁹cm^-3。

之后，再以传统技术制作成激光二极管，也就是将GaAs基片磨薄，并于反面上镀金属层，以形成欧姆接触，之后，将其加以劈裂，即可得到激光二极管晶粒，再经过焊锡接合、压焊线、封装步骤即可。

上述ITO可利用其他n型氧化物半导体取代，例如(1)ZnO、Tl₂O₃、SnO₂、In₂O₃、CdO、PbO或PbO₂等，及其混合形成的化合物或固溶体(solid solution)，如ITO、In₄Sn₃Ol₂、ZnSnO₃、SnZn₂O₄、Zn₂In₂O₅等；(2)过渡金属氧化物，如MoO、WO₃、V₂O₅、Nb₂O₃、Nb₂O₅、Ta₂O₅、HfO₂、TiO₂等；(3)钙钛矿(perovskite)氧化物，如BaTiO₃、SrTiO₃等；(4)尖晶石(spinel)氧化物，如NiFe₂O₄、ZnGa₂O₄、SnZn₂O₄、Min₂O₄(M可为Mg、Ca、Sr或Ba)等；及(5)CdSb₂O₆、GaInO₃、MgInO₄、PbCrO₄、Zn₂In₂O₅、AgInO₂、AgSbO₃、MgWO₄、La_8-xSr_XCu₈O₂₀、Sr_XCa_1-XRuO₃(0≤X≤1)等。

上述重载子浓度的n型氧化物半导体可呈非计量(nonstoichiometric)或添加杂质型。例如，ZnO、SnO₂、In₂O₃、TiO₂等可呈非计量状态。而若为添加杂质型，可为ZnO添加Al、In、Ga或Ce、In₂O₃添加Sn、Fe₂O₃添加Zn或W、BaTiO₃添加Nb、AgInO₂添加Sn、或是CdSb₂O₆添加Y，以增加及稳定电子浓度。

另外，当上述脊状光波导的各外延层为n型时，氧化物半导体必须为p型，此时氧化物半导体可为(1)过渡金属氧化物，如NiO、CoO、MnO、FeO、Fe₂O₃、Cr₂O₃、CrO₂、Rh₂O₃、PdO、MoO₂等，及其混合形成的化合物或固溶体，例如Ni_0.5Co_0.5O等；(2)钙钛矿氧化物，如LaCrO₃、LaMnO₃、CaTiO₃、Sm_0.5Ca_0.5CoO₃、Sm_0.l5Sr_0.5CoO₃、Sm_0.5Ba_0.5CoO₃等；(3)尖晶石氧化物，如Li_XZn_1-XV₂O₄(0≤X≤1)、Mn_1.5Co_0.95Ni_0.55O₄等；(4)Y124氧化物超导体化合物，如YBa₂Cu₄O₈等；(5)镧系稀土元素—过渡金属氧化物，如LaYO₃等；及(6)Cu₂O、CuO、Ag₂O、Hg₂O、SnO、CuAlO₂、SrCu₂O₂。

同样，上述重载子浓度的p型氧化物半导体的型式可为非计量的或是添加杂质型。例如，NiO、CoO、MnO、FeO、Yba₂Cu₄O₈、LaMnO₃等可为非计量的。而若为添加杂质型，可为NiO添加Li或N、LaCrO₃添加Sr或Ca、SrCu₂O₂添加K、CaTiO₃添加Y或Nb、LaYO₃添加碱土族元素、ZnV₂O₄添加碱金族元素等，以增加及稳定“空穴”浓度。

在上述实施例中，氧化物半导体层为单一氧化物层，然而，除了单一氧化物层外，也可以是数层同型(p型或n型)的氧化物层。再者，在上述氧化物半导体层与金属层间可再加入与第一层氧化物同型的其他非氧化物的半导体层，例如Si、Ge、GaAs、InP、GaP、ZnS、CdTe、PbS或ZnSe等。

上述金属层可为单一金属层或多层金属层或合金层，例如Cr/Au、10％Ti-W、Ti/Pt/Au等。且在制作光电元件时，金属层的面积不必与氧化物半导体层的面积相等。

利用上述方法制成的脊状光波导激光二极管，由于p-GaAs帽层的电子浓度为2×10¹⁹cm^-3，为p-AlInP夹覆层的29倍，同时为p-GaInP阻碍层的10倍，且覆盖于脊状光波导上的ITO层的电子浓度大于10¹⁹cm^-3，所以当电流由脊状光波导顶端灌入时，其主要会从ITO层流经p-GaAs帽层，然后，再依序流向p-GaInP阻碍层、p-AlInP夹覆层、AlGaInP束缚层及量子阱活性层，换言之，不论脊状光波导的宽度如何，电流的流动会被局限在脊状光波导上，因此，与习知技术的方式相比，本发明的方法特别适用于脊状光波导的宽度小于3μm的情况。再者，虽然在上述的实施例中主要说明了单一脊状光波导，然而，相同的制作方法也可以制作出具有多个脊状光波导结构的元件。

请参阅图3，其显示对于利用上述方法制作完成的激光二极管所进行的I-V与I-L的分析结果，其临界电流I_th约为26～28mA，在光输出5mW时，工作电流I_op约为39～42mA以及工作电压V_op约为2.57～2.69V，与上述习知技术中使用Si₃N₄作为电流阻绝层的半导体激光二极管具有非常类似的特性与效果，但是本发明的加工程序显然简易许多，由于上述本发明的方法，加工程序仅用7个步骤，一般只须半个工作日即可完成。故而本发明的制作方法适合于商业化大批量生产，并可节省成本。

上述实施例中主要是使用重载子浓度的氧化物半导体，但实际上凡是具重载子浓度的半导体均适用，因此，亦可使用重载子浓度的Si、GaAs、CdTe或PbS等半导体。

上述实施例中脊状光导波主要是激光二极管的结构，但实际上本发明的脊状光波导半导体发光元件并不仅限于激光二极管，也可以是发光二极管。并且在上述实施例中主要是以n型基片上成长的发光元件为例，但并不以此限制本发明的保护范围。

Claims

1、一种脊状光波导半导体发光元件的制作方法，包括下列步骤：

(i)在一基片上依序外延形成第一型夹覆层(42)、第一型未掺杂束缚层(43)、量子阱活性层(44)、第二型未掺杂束缚层(45)、第二型夹覆层(46)、第二型阻碍层(48)、第二型帽层(50)；

(ii)以光刻技术在上述第二型帽层(50)上制作感光层(52)，蚀刻第二型帽层(50)、第二型阻碍层(48)及第二型夹覆层(46)，至接近第二未掺杂的束缚层(45)的位置停止，以形成脊状光波导；

(iii)形成一感光层(54)，以掩蔽脊状光波导；

(iv)去除未被感光层(54)掩蔽的第二传导型帽层(50)，再去除感光层(54)；

(v)最后连续在其上镀上金属氧化物(56)及金属层(58)。

2、根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述脊状光波导的表面载子浓度高于其内部的载子浓度。

3、根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一型为n型，所述第二型为p型。

4、根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一型为p型，所述第二型为n型。

5、根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述重载子浓度的半导体为氧化物半导体。

6、根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述重载子浓度的半导体为氧化物半导体。

7、根据权利要求5或6所述的制作方法，其特征在于，所述重载子浓度氧化物半导体为单一层氧化物。

8、根据权利要求5或6所述的制作方法，其特征在于，所述重载子浓度氧化物半导体为至少二层氧化物。

9、根据权利要求5或6所述的制作方法，其特征在于，所述重载子浓度氧化物半导体为至少二种混合的氧化物半导体。

10、根据权利要求5或6所述的制作方法，其特征在于，所述重载子浓度氧化物半导体与金属层间可再加入一层与第一层重载子浓度氧化物半导体同型的其他非氧化物半导体。

11、根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述氧化物半导体为ZnO、SnO₂、In₂O₃、Ti₂O₃、CdO、TiO₂、PbO或PbO₂，及其混合形成的化合物或固溶体中之一。

12、根据权利要求11所述的制作方法，其特征在于，所述氧化物半导体中可添加杂质，以增加电子的浓度。

13、根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述氧化物半导体为NiO、CoO、MnO、FeO、Fe₂O₃、CrO、Cr₂O₃、CrO₂、PdO、CuO、Cu₂O、SnO或Ag₂O，及其混合形成的化合物或固溶体，及CuAlO₂或SrCu₂O₂等中之一。

14、根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述氧化物半导体中可添加杂质，以增加空穴的浓度。

15、根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述氧化物半导体为铟锡氧化物。

16、根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述氧化物半导体为添加至少Ga、In、Al或Ce中之一的氧化物。

17、根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述脊状光波导半导体发光元件为激光二极管或发光二极管。

18、根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤(ii)中形成至少一个脊状光波导。

19、根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述金属层为至少一层金属层或合金层。

20、根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述非氧化物半导体为Si、Ge、GaAs、InP、GaP、ZnS、CdTe、PbS或ZnSe中之一。