CN1497813A - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光器件，包括：半导体衬底；在半导体衬底上形成的堆叠状半导体结构；带条纹的脊状结构；以及，位于带条纹的脊状结构的侧面上的半导体电流限制层。堆叠状半导体结构包括第一半导体盖层、半导体有源层、第二半导体盖层和半导体蚀刻停止层。带条纹的脊状结构包括第三半导体盖层、半导体中间层和半导体帽层。带条纹的脊状结构位于半导体蚀刻停止层之上。半导体电流限制层与半导体蚀刻停止层之间的界面上和半导体电流限制层与带条纹的脊状结构之间的界面上含有的杂质含量均少于1×1017/cm3。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光学记录设备、光传输设备等的半导体发光器件及其制造方法。
背景技术
近来，光学记录设备和光传输设备已经在许多信息相关领域的设备中使用。在这些光学记录设备和光传输设备中用作半导体发光器件的半导体激光器被要求在速度、输出等方面具备高性能。
随着信息相关领域器件在家庭中的使用越来越普及，在这些光学记录设备和光传输设备中使用的半导体激光器必须是廉价的。例如，在诸如DVD设备的光学记录设备中使用的半导体激光器特别要求具备高性能和低价格。
图5A至5D是表示在DVD设备中使用的半导体激光器200的制备方法各步骤的剖面图。
如图5A所示，通过分子束外延(MBE)在n型GaAs衬底101上依次堆叠形成n型GaInP缓冲层102、n型第一AlGaInP盖层103、未掺杂的GaInP/AlGaInP应变多量子阱有源层104、p型第二AlGaInP盖层105、p型GaInP蚀刻停止层106、p型第三AlGaInP盖层107’、p型GaInP中间层108’和p型GaAs帽层109’。然后，通过电子束沉积(EB)在p型GaAs帽层109’上形成Al2O3层110’。
接着，如图5B所示，用光刻和蚀刻对p型第三AlGaInP盖层107’、p型GaInP中间层108’、p型GaAs帽层109’和Al2O3层110’进行处理，从而形成带条纹的脊状结构，该结构包括p型第三AlGaInP盖层107、p型GaInP中间层108、p型GaAs帽层109和Al2O3层110。该带条纹的脊状结构在p型GaInP蚀刻停止层106顶面的中心区域形成。
如图5C所示，将n型GaAs衬底101上的结构整体放入硫酸基的洗液中清洗，然后再用纯水清洗。通过MBE在p型GaInP蚀刻停止层106上形成n型AlInP电流限制层111，以便覆盖带条纹的脊状结构。这一步骤在Al2O3层110上形成了多余的n型AlInP层112。
如图5D所示，除去Al2O3层110和多余层112。在p型GaAs帽层109和n型AlInP电流限制层111上形成p型GaAs接触层113。然后，在p型GaAs接触层113上形成p型电极114，并在n型GaAs衬底101的底面形成n型电极115。
按此方式，可制得具备隐埋脊状结构波导的半导体激光器200。
上述制备半导体激光器200的方法存在如下问题：依赖于工艺条件，振荡阈值电流Ith，即激光振荡的初始值，有可能增大，这导致半导体激光器的成品产得率不稳定。这导致半导体激光器成本增加。另外，由于振荡阈值电流Ith增加，当长时间连续使用时，半导体激光器的故障发生率增加，因此可靠性下降。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种半导体发光器件，包括：半导体衬底；在半导体衬底上形成的堆叠状半导体结构；带条纹的脊状结构；以及，位于带条纹的脊状结构的侧面上的半导体电流限制层。堆叠状半导体结构包括第一半导体盖层、半导体有源层、第二半导体盖层和半导体蚀刻停止层。带条纹的脊状结构包括第三半导体盖层、半导体中间层和半导体帽层。带条纹的脊状结构位于半导体蚀刻停止层之上。半导体电流限制层与半导体蚀刻停止层之间的界面上和半导体电流限制层与带条纹的脊状结构之间的界面上含有的杂质含量均少于1×1017/cm3。
在本发明的一个实施例中，杂质为碳基杂质。
在本发明的一个实施例中，杂质为氧基杂质。
在本发明的一个实施例中，杂质为碳基杂质和氧基杂质。
根据本发明的另一方面，一种制备半导体发光器件的方法，包括步骤：在半导体衬底上形成第一堆叠状半导体结构，第一堆叠状半导体结构包括第一半导体盖层、半导体有源层、第二半导体盖层和半导体蚀刻停止层；在半导体蚀刻停止层上形成第二堆叠状半导体结构，第二堆叠状半导体结构包括第三半导体盖层、半导体中间层和半导体帽层；在第二堆叠状半导体结构上形成氧化物层；至少将第二堆叠状半导体结构处理成带条纹的脊状结构；将第一堆叠状半导体结构和带条纹的脊状结构用具有指定电阻率的洗液清洗；以及，在带条纹的脊状结构的侧面上形成半导体电流限制层。
在本发明的一个实施例中，指定电阻率大于1MΩm。
在本发明的一个实施例中，洗液为纯水。
在本发明的一个实施例中，指定电阻率大于1MΩm。
根据本发明的半导体发光器件，半导体电流限制层与半导体蚀刻停止层之间的界面上和半导体电流限制层与脊状结构之间的界面上含有的杂质含量均少于1×1017/cm3。因此，抑制了由于杂质导致的光吸收，振荡阈值电流Ith稳定，而不会异常地增加，在长时间连续使用时，故障发生率下降，可靠性提高。
从而，以下介绍的本发明的半导体发光器件及其制备方法，具有抑制振荡阈值电流Ith的增加、提高可靠性的优点。
本领域技术人员在阅读、理解以下结合附图的详细描述的基础上，显然可知本发明具有上述优点以及其它优点。
附图说明
图1为根据本发明的一个实例的半导体激光器的剖面图；
图2A至2D为说明图1中半导体激光器的制备方法的剖面图；
图3A为说明半导体激光器的n型AlInP电流限制层的再生界面区域中的碳基杂质的含量与半导体激光器的振荡阈值电流Ith之间关系的曲线图；
图3B为说明半导体激光器的n型AlInP电流限制层的再生界面区域中的氧基杂质的含量与半导体激光器的振荡阈值电流Ith之间关系的曲线图；
图4A为说明半导体激光器的n型AlInP电流限制层的再生界面区域中的碳基杂质的含量与制备半导体激光器过程中所用纯水的电阻率之间关系的曲线图；
图4B为说明半导体激光器的n型AlInP电流限制层的再生界面区域中的氧基杂质的含量与制备半导体激光器过程中所用纯水的电阻率之间关系的曲线图；以及
图5A至5D为说明半导体激光器的制备方法的剖面图。
具体实施方式
使用二次离子质谱仪(SIMS)等在结晶等状态下分析由图5A至5D所示方法制得的半导体激光器200中的每一层的样品。可以发现如下内容。
在具有异常高的振荡阈值电流Ith的半导体激光器中，证实了n型AlInP电流限制层111与p型GaInP蚀刻停止层106之间的界面上和n型AlInP电流限制层11与带条纹的脊状结构116之间的界面上(特别是，n型AlInP电流限制层111的再生界面区域)的碳基杂质和氧基杂质的含量高于在具有正常振荡阈值电流Ith的半导体激光器中相应杂质的含量。
同样，证实了n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中的碳基杂质和氧基杂质的含量与清洗时所用纯水的电阻率有密切的关系。而纯水的电阻率代表纯水的纯度。如上所述，在形成(再生)n型AlInP电流限制层111前，用硫酸基洗液清洗后，用纯水进行清洗。
图3A为说明制得的半导体激光器200的振荡阈值电流Ith与n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中碳基杂质的含量之间关系的曲线图。图3B为说明制得的半导体激光器200的振荡阈值电流Ith与n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中氧基杂质的含量之间关系的曲线图。
如图3A所示，当n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中碳基杂质的含量低于1×1017/cm3时，振荡阈值电流Ith稳定在25mA左右。
如图3B所示，当n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中氧基杂质的含量低于1×1017/cm3时，振荡阈值电流Ith稳定在25mA左右。
当n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中碳基杂质的含量和氧基杂质的含量均高于或等于1×1017/cm3时，振荡阈值电流Ith显著增加。
图4A为说明n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中碳基杂质的含量与纯水电阻率之间关系的曲线图。图4B为说明n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中氧基杂质的含量与纯水电阻率之间关系的曲线图。
如图4A和4B所示，当纯水的电阻率高于1MΩm时，n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中碳基杂质的含量和氧基杂质的含量均低于1×1017/cm3。当纯水的电阻率低于或等于1MΩm时，n型AlInP电流限制层111的再生界面区域中碳基杂质的含量和氧基杂质的含量均高于或等于1×1017/cm3。
从而可以证明，通过维持纯水电阻率的值大于1MΩm能抑制振荡阈值电流Ith的增加。
碳基杂质的一个例子是二氧化碳，氧基杂质的一个例子是磷酸。
下文中，通过结合附图的解释性实施例来描述本发明。
图1为作为根据本发明一个实施例的半导体发光器件的半导体激光器100的剖面图。
作为典型的半导体发光器件，半导体激光器100包括n型GaAs衬底1、位于n型GaAs衬底1上的堆叠半导体结构17、带条纹的脊状结构(波导)16、位于带条纹的脊状结构16的侧面上的n型AlInP电流抑制层11、p型GaAs接触层13、p型电极14和n型电极15。
堆叠状半导体结构17包括n型GaInP缓冲层2、n型第一AlGaInP盖层3、未掺杂GaInP/AlGaInP应变多重量子阱有源层4、p型第二AlGaInP盖层5和p型GaInP蚀刻停止层6。这些层按此顺序堆叠而成。
带条纹的脊状结构16包括p型第三AlGaInP盖层7、p型GaInP中间层8和p型GaAs帽层9。这些层按此顺序堆叠而成。带条纹的脊状结构16在p型GaInP蚀刻停止层6的中间位置上形成。
n型AlInP电流限制层11位于p型GaInP蚀刻停止层6上，以覆盖带条纹的脊状结构(波导)16，除p型GaAs帽层9的顶面外。n型AlInP电流限制层11与p型GaInP蚀刻停止层6之间的界面上和n型AlInP电流限制层11与带条纹的脊状结构16之间的界面上(特别是，n型AlInP电流限制层11的再生界面区域)的碳基杂质含量和氧基杂质含量中至少一种含量小于1×1017/cm3。优选，碳基杂质含量和氧基杂质含量的总和小于1×1017/cm3。
p型GaAs接触层13位于p型GaAs帽层9和n型AlInP电流限制层11上。p型电极14位于p型GaAs接触层13上，而n型电极15位于n型GaAs衬底1的底面上。
在图1所示的根据本发明优选实施例的半导体激光器100中，如上所述，n型AlInP电流限制层11的再生界面区域中碳基杂质和氧基杂质的总含量小于1×1017/cm3(或者，n型AlInP电流限制层11的再生界面区域处的碳基杂质含量和氧基杂质含量中的至少一种小于1×1017/cm3)。因此，振荡阈值电流Ith处于稳定水平。由于振荡阈值电流Ith不会异常增加，当长时间连续使用时，半导体激光器的故障发生率减少，因此可靠性提高。
如图2A至2D所示，具有上述结构的半导体激光器100如下制备。
如图2A所示：利用MBE在n型GaAs衬底1上按顺序堆叠形成n型GaInP缓冲层2、n型第一AlGaInP盖层3、未掺杂GaInP/AlGaInP应变多重量子阱有源层4、p型第二AlGaInP盖层5和p型GaInP蚀刻停止层6。这样，制得堆叠的半导体结构17。然后，在p型GaInP蚀刻停止层6上按顺序堆叠形成p型第三AlGaInP盖层7’、p型GaInP中间层8’和p型GaAs帽层9’。这样，制备出堆叠状半导体结构16’。然后，通过电子束(EB)沉积在p型GaAs帽层9’上形成Al2O3层10’(氧化物层)。
接着，如图2B所示，用光刻和蚀刻处理堆叠状半导体结构16’和Al2O3层10’，从而在p型GaInP蚀刻停止层6上形成带条纹的脊状结构16”。带条纹的脊状结构16”包括p型第三AlGaInP盖层7、p型GaInP中间层8、p型GaAs帽层9和Al2O3层10。带条纹的脊状结构16”位于p型GaInP蚀刻停止层6的中间位置上。带条纹的脊状结构16”具有朝其顶面递减的横截面。
如图2C所示，将堆叠状半导体结构17和带条纹的脊状结构16”用硫酸基洗液清洗，然后用纯水清洗。控制该实例中所用的纯水的电阻率(代表水的纯度)使其大于1MΩm。然后，利用MBE在p型GaInP蚀刻停止层6上形成n型AlInP电流限制层11以覆盖带条纹的脊状结构16”。这一步骤在Al2O3层10上形成n型AlInP的多余层12。
如图2D所示，除去Al2O3层10和多余层12。从而，n型AlInP电流限制层11保留在p型GaInP蚀刻停止层6上和带条纹的脊状结构16的侧面，脊状结构16包括p型第三AlGaInP盖层7、p型GaInP中间层8和p型GaAs帽层9。在p型GaAs帽层9和n型AlInP电流限制层11上形成p型GaAs接触层13。然后，在p型GaAs接触层13上形成p型电极14，并在n型GaAs衬底1的底面形成n型电极15。
如上所述，根据本发明的制备半导体激光器100的方法，清洗堆叠状半导体结构17和带条纹的脊状结构16”所用纯水的电阻率高于1MΩm。半导体激光器100的振荡阈值电流Ith在30mA左右，然而，用电阻率小于等于1MΩm的纯水制备出的半导体激光器的振荡阈值电流Ith在40mA左右。本发明中，振荡阈值电流Ith减少了25％左右。半导体激光器100在较高温(80℃)下、光输出为7mW时的工作电流Iop在50mA左右，然而，用电阻率小于等于1MΩm的纯水清洗制备的半导体激光器，在相同条件下其工作电流Iop在70mA左右。本发明中，工作电流Iop减少了30％左右。结果，半导体激光器100平均故障率保持在小于等于1％的工作时间为至少10000时，然而，用电阻率小于等于1MΩm的纯水清洗制备的半导体激光器，这样的工作时间为至少5000小时。本发明中，可靠性提高约两倍。
用SIMS分析n型AlInP电流限制层11与p型GaInP蚀刻停止层6之间的界面和n型AlInP电流限制层11与带条纹的脊状结构16之间的界面(n型AlInP电流限制层11的再生界面区域)。发现如下内容。
碳基杂质和氧基杂质的总含量低于1×1017/cm3。也就是说，使用电阻率高于1MΩm的纯水获得了显著的效果。用电阻率小于等于1MΩm的纯水制备的半导体激光器，其再生界面区域的碳基杂质和氧基杂质含量均高达1×1017/cm3甚至更高。
如果在会聚光线的半导体激光器的脊状结构(波导)等的界面上，含有高含量的碳基杂质和氧基杂质，则光被这些杂质吸收。这导致如振荡阈值电流Ith等特性退化，并且由于光能被这些杂质吸收产生如了DLD(暗线缺陷)。暗线导致脊状结构局部劣化。结果是，半导体激光器的可靠性下降。
还证实：用按照与本发明中图2A至2D的示例所描述的方法基本相同的方法制备的LED和用其它材料如GaAlInN基、AlGaAs基、InP基和ZnSSe基材料制备的发光器件具有基本上同样的效果。
如上所述，根据本发明的半导体发光器件，半导体电流限制层与半导体蚀刻停止层之间的界面上和半导体电流限制层与带条纹的脊状结构之间的界面上的杂质含量均少于1×1017/cm3。因此，抑制了杂质对光的吸收，使振荡阈值电流Ith稳定，而不会异常地增加，在长时间连续使用时，故障发生率下降，可靠性提高。
本领域技术人员可在此基础上作适当的修改和改进，均没有脱离本发明的精神和范围。因此，权利要求的范围不局限于说明书的描述，而是权利要求书中解释的范围。
Claims (8)
1.一种半导体发光器件，包括：
半导体衬底；
在半导体衬底上形成的堆叠状半导体结构；
带条纹的脊状结构；以及
位于带条纹的脊状结构的侧面上的半导体电流限制层；
其中堆叠状半导体结构包括第一半导体盖层、半导体有源层、第二半导体盖层和半导体蚀刻停止层；
其中带条纹的脊状结构包括第三半导体盖层、半导体中间层和半导体帽层；
其中带条纹的脊状结构位于半导体蚀刻停止层之上；以及
其中半导体电流限制层与半导体蚀刻停止层之间的界面上和半导体电流限制层与带条纹的脊状结构之间的界面上含有的杂质含量均少于1×1017/cm3。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中杂质为碳基杂质。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中杂质为氧基杂质。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中杂质为碳基杂质和氧基杂质。
5.一种制备半导体发光器件的方法，包括步骤：
在半导体衬底上形成第一堆叠状半导体结构，第一堆叠状半导体结构包括第一半导体盖层、半导体有源层、第二半导体盖层和半导体蚀刻停止层；
在半导体蚀刻停止层上形成第二堆叠状半导体结构，第二堆叠状半导体结构包括第三半导体盖层、半导体中间层和半导体帽层；
在第二堆叠状半导体结构上形成氧化物层；
至少将第二堆叠状半导体结构处理成带条纹的脊状结构；
将第一堆叠状半导体结构和带条纹的脊状结构用具有指定电阻率的洗液清洗；以及
在带条纹的脊状结构的侧面上形成半导体电流限制层。
6.根据权利要求5所述的半导体发光器件的制备方法，其中指定电阻率高于1MΩm。
7.根据权利要求5所述的半导体发光器件的制备方法，其中洗液为纯水。
8.根据权利要求7所述的半导体发光器件的制备方法，其中指定电阻率高于1MΩm。
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