CN1412900A - 半导体激光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体激光二极管及其制造方法。该半导体激光二极管包括基材，形成于基材两侧的掩膜，形成于掩膜之间的基材上的发光层，分别形成于掩膜上的阻流层，分别形成于基材底表面和发光层顶表面的第一和第二电极。发光层和阻流层通过单次生长同时形成，并且阻流层将电流和光限制在发光层的横向上。由此，可以简化半导体激光二极管的制造方法，并且可以降低激光振荡的阈值电流。

Description

半导体激光二极管及其制造方法
                        发明背景
1.发明领域
本发明涉及一种半导体激光二极管及其制造方法，更具体地，本发明涉及一种氮化物半导体激光二极管及其制造方法，该二极管具有利用选择性生长技术嵌埋的异质结构(BH)，以使横向的电光限制作用最大化。
2.背景技术
通常，因为半导体激光二极管相对较小，而且半导体激光二极管的激光振荡阈值电流小于常规的激光装置，所以半导体激光二极管已广泛地用作高速数据传输或高速数据记录和读出或者其中使用光盘的唱机的器件。
具体地，氮化物半导体激光二极管产生波长从绿色到紫外光区的激光，广泛地应用于高密度光学信息储存和复制，高分辨率激光打印机，以及投影电视。
同样，随着半导体激光二极管广泛地用于不同的领域，低阈值电流和高效率的半导体激光二极管正在形成，而脊型(ridge-type)半导体激光二极管和具有嵌埋异质结构(BH)的半导体激光二极管就是这种低阈值电流和高效率半导体激光二极管的代表。
图1是常规脊型半导体激光二极管的剖面图，其中该半导体激光二极管具有脊，以便降低激光振荡的阈值电流并实现模式的稳定。
参照图1，脊型半导体激光二极管具有n-型覆层13，n-型波导层15，活性层17，p-型波导层19和p-型覆层21依次堆叠在基材11上的结构。n-型覆层13和p-型覆层21的反射率低于n-型波导层15和p-型波导层19，而n-型波导层15和p-型波导层19的反射率低于活性层17。p-型覆层21在其中上部具有脊21a。p-型覆层21的脊21a限制电流注入，由此限定了活性层17中的激光振荡的共振区。加盖层25堆叠在p-型覆层21的脊21a的顶表面上。p-型覆层21的顶表面上，除脊21a之外，覆盖有限流层23，而加盖层25的顶表面上，除了成为电流通路的中部之外，覆盖有限流层23。p-型电极27形成于加盖层25的顶表面中部和p-型覆层21的顶表面上，而n-型电极29形成于基材11的底表面上。
脊型半导体激光二极管是这样制成的，即先在基材11上堆叠和生长n-型覆层13，n-型波导层15，活性层17，p-型波导层19，p-型覆层21及加盖层25，并通过规定的蚀刻方法形成脊状结构，然后再生长限流层23。
在脊型半导体激光二极管中，由于脊状结构，电流的注入受到了限制，使得共振宽度受到限制，因此，光模较常规的非脊状结构略有提高，而且激光振荡的阈值电流得以降低。
图2是具有嵌埋异质结构(BH)的半导体激光二极管的剖面示意图。参照图2，活性层33形成于具有台面结构的n-型化合物半导体层31的顶表面上，而限制电流和光的p-型阻流层35和n-型阻流层37形成于包括活性层33的台面结构的两侧。p-型化合物半导体层39形成于活性层33以及阻流层35和阻流层37上。p-型电极41形成于p-型化合物半导体层39的顶表面上，而n-型电极43形成于n-型化合物半导体层31的底表面上。
上述具有BH的半导体激光二极管是这样制备的，即通过液相取向生长(LPE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)在n-型化合物半导体层31上生长活性层33，通过规定的蚀刻方法形成台面结构，以及再生长阻流层35和37及p-型化合物半导体层39。
具有BH的半导体激光二极管的优点在于例如阈值电流小以及水平振荡模式特征稳定等，因为活性层33的上下左右分别被n-型和p-型化合物半导体层31与39以及阻流层35与37包围，所以大家都知道具有BH的半导体激光二极管的性能高于脊型半导体激光二极管。
但是，不象其它III-V族半导体激光二极管那样，在氮化物半导体激光二极管中进行蚀刻和生长BH的再生长过程并不容易，所以氮化物半导体激光二极管仍依靠基本的脊状结构。
因此，氮化物半导体层虽然可以发出波长从绿色至紫外光区的激光，但却在形成复合材料时存在晶格常数不一致，高熔点和材料硬度问题，所以在生长激光二极管的结构时的再生等变化以及湿法蚀刻等处理中存在困难。
但是，常规脊型氮化物半导体激光二极管也有缺点，例如因蚀刻的形状和深度造成光模特性不稳定，因弱指数波导(index-guide)导致的阈值电流的增加，以及因蚀刻表面暴露而导致的长期可靠性的恶化。因此，为制造具有高密度光学记录和复制所需的低阈值电流和高输出的激光二极管，需要开发具有改良的结构例如BH结构的氮化物半导体激光二极管。
发明概述
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有高效嵌埋异质结构(BH)的氮化物半导体激光二极管以使对电流和光的限制作用最大化以及制备该二极管的方法，其中利用掩膜的选择性生长技术并通过控制基于III-V族的化合物的混合比和生长温度，以在掩膜上生长阻流层。
因此，为取得上述目的，本发明的一个方面是提供一种半导体激光二极管。该半导体激光二极管包括基材，形成于基材两侧的掩膜，形成于掩膜之间的基材上的发光层，分别形成于掩膜上的将电流和光限制在发光层的横向上的阻流层，以及分别形成于基材底表面和发光层顶表面的第一和第二电极。
优选发光层包括依次形成与基材上的第一覆层，活性层和第二覆层，且该发光层进一步包括形成于第一覆层和活性层之间的第一波导层，以及形成于第二覆层和活性层之间的第二波导层。
优选该发光层为基于氮化物的半导体层，且该基于氮化物的半导体层为基于GaN的半导体层。优选该掩膜为SiO2掩膜，且该阻流层为多晶AlGaN(poly-AlGaN)层或无定形AlGaN(a-AlGaN)层。
优选该二极管在第二电极与发光层之间还包括限流层，且该限流层为聚酰亚胺层。
为达到上述目的，本发明的另一个方面是提供制造半导体激光二极管的方法。该方法包括：分别在基材的两侧形成掩膜，并同时分别在介于掩膜之间的基材上和掩膜上形成发光层和阻流层，分别在基材的底表面和发光层的顶表面上形成第一和第二电极。
优选形成发光层的步骤包括依次在基材上形成第一覆层，活性层和第二覆层的步骤，而且该方法还包括在第一覆层与活性层之间形成第一波导层和在第二覆层与活性层之间形成第二波导层。优选在形成第一和第二电极之前，在发光层上形成限制电流从第二电极流出的限流层，且该限流层为聚酰亚胺层。
附图简述
通过详细描述其优选实施方案结合附图，本发明的上述目的和优点将是显而易见的，在附图中：
图1是常规脊型半导体激光二极管的剖面图；
图2是具有嵌埋异质结构(BH)的半导体激光二极管的剖面示意图；
图3是本发明实施方案的半导体激光二极管的剖面图；
图4A至图4D是制备图3所示半导体激光二极管的方法的图解；
图5是在掩膜之间的基材上的台面结构生长机理的图解；和
图6是在基材上形成多晶AlGaN层的图解。
发明详述
下面将参照附图通过描述本发明的优选实施方案对本发明进行详细的说明。
图3是根据本发明实施方案的半导体激光二极管的剖面图。参照图3，掩膜114分别形成于基材100的两侧。优选基材100可以是由能生长GaN或基于GaN的材料形成的。因此，优选基材100可以是GaN基材或蓝宝石基材。优选掩膜114可以是由SiO2形成的。第一化合物半导体层102，第一覆层104，第一波导层106，活性层108，第二波导层110，第二覆层111和第二化合物半导体层115依次堆叠在掩膜114之间的基材100上，从而形成台地状的发光层。第一和第二化合物半导体层102和112为基于GaN的III-V族化合物半导体层，并且分别由n-GaN层和p-GaN层组成。第一和第二覆层104和111分别由n-AlGaN/GaN和p-AlGaN/GaN形成。用于引导激光振荡的第一和第二波导层106和110为反射率高于第一和第二覆层104和111的化合物半导体层，并分别由n-GaN层和p-GaN层组成。产生激光共振的活性层108为反射率高于第一和第二波导层106和110的化合物半导体层，并由GaN层或InGaN层组成。
阻流层116形成于具有台面结构的发光层的两侧。该阻流层为反射率低于活性层108的绝缘层，并生长形成于SiO2掩膜114上。根据在SiO2掩膜114上的生长条件，阻流层可以是多晶的AlGaN(下文中称为poly-AlGaN)层或是无定形AlGaN(下文中称为a-AlGaN)层。
在第二化合物半导体层112和阻流层116的顶表面上，除电流流过的第二化合物半导体层112的中部区域之外，覆盖了限流层118。限流层118通过限制发光层的电流流动降低了阈值电流，并且是由聚酰亚胺层构成的。
作为p-型电极的第二电极120，在限流层118的顶表面上的第二化合物半导体层112的电流流动区中形成，而作为n-型电极的第一电极122，在基材100的底表面上形成。
在具有上述结构的半导体激光二极管中，生长和形成于SiO2掩膜114上的阻流层116为反射率低于活性层108的绝缘层，因此，该层将激光限制在活性层108的横向上，并同时阻止电流从形成于基材100的底表面上的第二电极120，以及第一电极122流入发光层。阻流层116以电绝缘的方式邻近于半导体激光二极管。
图4A至4D描述了制造图3的半导体激光二极管的方法。在图4A至4D中，掩膜(SiO2掩膜)114形成于基材(GaN基材或蓝宝石基材)100的两侧(见图4A)。发光层和阻流层116通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)同时取向生长在掩膜114之间的基材100上和掩膜114上(见图4B)。形成于掩膜114之间的基材100上的发光层为基于GaN的半导体层，并且包括依次堆叠并形成于基材100上的第一化合物半导体层(n-GaN层)102，第一覆层(n-AlGaN/GaN层)104，第一波导层(n-GaN层)106，活性层(GaN层或InGaN层)108，第二波导层(p-GaN层)110，第二覆层(p-AlGaN/GaN层)111和第二化合物半导体层(p-GaN层)。发光层由介于掩膜114之间的基材100上的台地状单晶层构成。图5描述了发光层在氮气氛中生长并于SiO2掩膜114之间形成台面结构。
优选纵向形成于掩膜114上的阻流层116可以为多晶AlGaN层或无定形AlGaN层，其为绝缘体并将电流和光限制在发光层的横向上。原则上，生长核不存在于SiO2掩膜114上，因此在纵向上生长晶体是困难的。但是，如果提高V/III族的比例并降低生长温度，则铝和镓颗粒会残留在SiO2掩膜114上。因此，在这种情况下，残留的铝和镓颗粒可作为生长核，AlGaN两维生长，从而形成多晶AlGaN层或无定形AlGaN层。图6描述了在高III/V族比例和生长温度条件下，多晶AlGaN层竟能在生长核不存在的绝缘体(SiO2掩膜)上形成。
如上所述，同时形成发光层和阻流层116的方法，可以通过利用SiO2掩膜114的选择性生长技术以及通过控制V/III族的比例和生长温度以SiO2掩膜114上的多晶AlGaN层或无定形AlGaN层的生长技术来进行。因此，制造良好的半导体激光二极管的条件是，作为绝缘体的多晶AlGaN层或无定形AlGaN层形成于SiO2掩膜114上，且在基材100的介于掩膜114之间的区域中形成良好的单晶层，也就是说，确定最佳的V/III族比例和最佳生长温度是十分重要的。
限流层118形成于发光层的上层和阻流层116上(见图4C)。通过在将发光层上层和阻流层116涂上聚酰亚胺以后，经过显影或氧气灰化在发光层上形成电流通路来形成具有如图4C所示相同形状的限流层118。
最后，作为p-型电极的第二电极120形成于具有电流通路的发光层上，而作为n-型电极的第一电极122则形成于基材100的底表面上(见图4D)。
如上所述，具有BH的半导体激光二极管通过单次生长形成发光层和阻流层，使得生长脊型结构的工艺例如干法蚀刻工艺如化学辅助的离子束蚀刻法(CAIBE)，或者生长常规嵌埋结构以及再次生长的工艺成为非必须的。
如上所述，本发明的具有BH结构的半导体激光二极管在施加偏压时可以增加活性层中的光限制作用，并且可以通过分两次限制电流而有效地防止泄漏到活性层外面的电流。另外，由于形成于SiO2掩膜上的阻流层(多晶AlGaN层或无定形AlGaN层)，本发明的具有BH结构的半导体激光二极管能获得在相邻器件间的电绝缘效果。
同时，本发明通过利用SiO2掩膜的单次生长分别于基材和SiO2掩膜上同时生长发光层和阻流层，从而简化半导体激光二极管的制备方法，降低了制备半导体激光二极管的成本，并提高了半导体激光二极管的产量。另外，用于生产其它半导体激光二极管的蚀刻和再次生长工艺不是必须的了，因此，半导体激光二极管可以利用常规的生长方法进行制备。
因此，本发明可以制造具有低阈值电流、高输出以及高效嵌埋异质结构的半导体激光二极管。
虽然参照其优选实施方案对本发明进行了具体的说明与描述，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求中所限定的本发明的构思和范围的情况下，可以对本发明形式和内容作出各种修改。

Claims (34)

1.一种半导体激光二极管，包括：
基材；
形成于基材两侧的掩膜；
形成于掩膜之间的基材上的发光层；
分别形成于掩膜上将电流和光限制在发光层横向上的阻流层；和
分别形成于基材底表面和发光层顶表面上的第一和第二电极。
2.权利要求1的二极管，其中发光层包括依次形成于基材上的第一覆层，活性层和第二覆层。
3.权利要求2的二极管，其中该发光层还包括形成于第一覆层和活性层之间的第一波导层和形成于第二覆层和活性层之间的第二波导层。
4.权利要求1的二极管，其中该发光层为基于氮化物的半导体层。
5.权利要求2的二极管，其中该发光层为基于氮化物的半导体层。
6.权利要求3的二极管，其中该发光层为基于氮化物的半导体层。
7.权利要求4的二极管，其中该基于氮化物的半导体层为基于GaN的半导体层。
8.权利要求5的二极管，其中该基于氮化物的半导体层为基于GaN的半导体层。
9.权利要求6的二极管，其中该基于氮化物的半导体层为基于GaN的半导体层。
10.权利要求7的二极管，其中该掩膜为SiO2掩膜。
11.权利要求8的二极管，其中该掩膜为SiO2掩膜。
12.权利要求9的二极管，其中该掩膜为SiO2掩膜。
13.权利要求7的二极管，其中该阻流层为多晶AlGaN层或无定形AlGaN层。
14.权利要求8的二极管，其中该阻流层为多晶AlGaN层或无定形AlGaN层。
15.权利要求9的二极管，其中该阻流层为多晶AlGaN层或无定形AlGaN层。
16.权利要求10的二极管，其中该阻流层为多晶AlGaN层或无定形AlGaN层。
17.权利要求11的二极管，其中该阻流层为多晶AlGaN层或无定形AlGaN层。
18.权利要求12的二极管，其中该阻流层为多晶AlGaN层或无定形AlGaN层。
19.权利要求7的二极管，该二极管还包括介于第二电极和发光层之间的限流层。
20.权利要求8的二极管，该二极管还包括介于第二电极和发光层之间的限流层。
21.权利要求9的二极管，该二极管还包括介于第二电极和发光层之间的限流层。
22.权利要求19的二极管，其中该限流层为聚酰亚胺层。
23.权利要求20的二极管，其中该限流层为聚酰亚胺层。
24.权利要求21的二极管，其中该限流层为聚酰亚胺层。
25.一种制备半导体激光二极管的方法，该方法包括：
分别在基材的两侧形成掩膜；
分别在掩膜之间的基材上和掩膜上同时形成发光层和阻流层；和
分别在基材底表面和发光层顶表面上形成第一和第二电极。
26.权利要求25的方法，其中形成发光层的步骤包括在基材上依次形成第一覆层，活性层和第二覆层。
27.权利要求26的方法，该方法还包括在第一覆层和活性层之间形成第一波导层的步骤。
28.权利要求26的方法，该方法还包括在第二覆层和活性层之间形成第二波导层的步骤。
29.权利要求27的方法，该方法还包括在第二覆层和活性层之间形成第二波导层的步骤。
30.权利要求25的方法，其中该发光层是由基于氮化物的半导体层形成的。
31.权利要求30的方法，其中该掩膜是由SiO2形成的。
32.权利要求31的方法，其中该阻流层是由多晶AlGaN层或无定形AlGaN层形成的。
33.权利要求30的方法，其中在形成第一和第二电极之前，在发光层上形成用于限制电流从第二电极流出的限流层。
34.权利要求33的方法，其中该限流层是由聚酰亚胺形成的。
CN02140960A 2001-10-09 2002-07-11 半导体激光二极管及其制造方法 Pending CN1412900A (zh)

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