CN1841865A - 半导体激光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体激光器件及其制造方法。在n型GaAs衬底19上形成n型GaAs缓冲层20、非掺杂AlxGa1－xAs光导评估层21、n型AlxGa1－xAs第一覆层22、n型AlxGa1－xAs第二覆层23、非掺杂AlxGa1－xAs第一光导层24、非掺杂AlxGa1－xAs量子阱有源层25、非掺杂AlxGa1－xAs第二光导层26、p型AlxGa1－xAs第一覆层27、p型GaAs蚀刻停止层28、p型AlxGa1－xAs第二覆层29和p型GaAs帽层30。光导评估层21的Al晶体混合比例等于第一和第二光导层24、26的Al晶体混合比例。该半导体激光器件允许容易而高精度地控制光导层的层厚和材料组分。

Description

半导体激光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器件及其制造方法。
背景技术
近年来，对半导体激光器件的需求越来越大，半导体激光器件是用于DVD(数字多用途盘)和CD(光盘)拾取的中心位置的半导体器件，需求趋于特性变化更小且可靠性高的半导体激光器。
尽管双异质结已经被用作半导体激光器件的基本结构，为了满足对光输出的更高功率或降低的阈值电流的需求，已经提出了诸如SCH(独立限制异质结构)和MQW(多量子阱)结构的多层结构，在SCH结构中，载流子限制区和光限制区(光导层)是彼此分离的，在MQW结构中，在有源区中形成量子阱。在这些多层结构中，最小的层厚度为几十到几百埃()，已经使用MOCVD(金属有机化学气相淀积)工艺或MBE(分子束外延)工艺，以及其他气相外延工艺，而不是常规的液相外延工艺来形成半导体薄膜，MOCVD或MBE能够更容易地控制层厚度。
对于减小由气相外延工艺制作的半导体激光器件的特性变化的方法，重要的是控制多层结构的每一层的厚度或材料组成。通常，对于这样诸如上述半导体激光器件的多层结构的晶体生长而言，构成多层结构的层是作为用于多层结构的晶体生长的准备步骤对每个单层逐层生长的，它们的层厚和材料组成比例被估算，而诸如生长时间和气体流速的生长条件被反馈到多层结构。此外，即使在开始多层结构的晶体生长之后，也可以测量构成多层结构的各层的层厚和组成比例，调节与设计值的差别，并进行下一多层结构的晶体生长。
测量层厚的方法可以是这样的方法：当晶片被解理后，通过扫描电子显微镜等直接观察叠层的横截面；或者是这样的方法：选择性地蚀刻所淀积的层并通过接触台阶间隙测量仪等测量所得的台阶间隙。至于材料组成比例的估算，将目标层进行荧光测量或X射线衍射测量以识别组成比例。
常规半导体激光器件在JP 2003-60315 A中有所描述。
在制作该常规脊型半导体激光器件的方法中，首先，如图1A所示，在n型GaAs衬底1上，通过MOCVD工艺依序晶体生长n型GaAs缓冲层2(层厚＝0.5μm)、n型AlxGa1-xAs第一覆层3(x＝0.46，层厚＝2.7μm)、n型AlxGa1-xAs第二覆层4(x＝0.48，层厚＝0.2μm)、非掺杂AlxGa1-xAs第一光导层5(x＝0.35，层厚＝280)、非掺杂AlxGa1-xAs量子阱有源层6、非掺杂AlxGa1-xAs第二光导层7(x＝0.35，层厚＝280)、p型AlxGa1-xAs第一覆层8(x＝0.48，层厚＝0.2μm)、p型GaAs蚀刻停止层9(层＝26)、p型AlxGa1-xAs第二覆层10(x＝0.48，层厚＝1.3μm)以及p型GaAs帽层11(层厚＝0.75μm)。
接着，如图1B所示，通过光刻工艺等形成具有覆盖特定区域的掩模图案的抗蚀剂12，然后通过蚀刻部分地除去位于特定区域两侧的p型GaAs帽层11和p型AlxGa1-xAs第二覆层10。结果，保留在抗蚀剂12下方的p型GaAs帽层11和p型AlxGa1-xAs第二覆层10构成了脊。
接着，在除去抗蚀剂12之后，依序堆叠n型AlxGa1-xAs电流阻挡层13(x＝0.7，层厚＝1.0μm)、n型GaAs电流阻挡层14(层厚＝0.3μm)和p型GaAs平坦化层15(层厚＝0.7μm)以便将电流限制在脊的形状之内，如图1C所示。
接着，为了除去n型AlxGa1-xAs电流阻挡层13、n型GaAs电流阻挡层14和p型GaAs平坦化层15中形成于脊上的不需要的部分，通过光刻工艺在它们的脊上之外的部分上形成抗蚀剂，并通过蚀刻除去不需要的部分。
接着，在除去抗蚀剂之后，在脊、n型AlxGa1-xAs电流阻挡层13、n型GaAs电流阻挡层14和p型GaAs平坦化层15上晶体生长p型GaAs接触层16(层厚＝50μm)，如图1D所示。
最后，在p型GaAs接触层16上形成p侧电极17，而在n型GaAs衬底1上形成n侧电极18，于是制成了半导体激光器件。
就此而论，就更高的记录和复现速度而言，作为光盘的光源的半导体激光器件已经朝着更高输出的方向发展。这使得半导体激光器件控制辐射角变得重要起来，以便同时减小器件特性的变化又提高特性的重复性。在已经用于高功率半导体激光器件的SCH-MQW结构中的垂直方向上的辐射角取决于有源层和覆层之间的折射率差以及用于限制光的光导层的层厚或材料组成比例。
尤其是，当如图1A所示的这种激光器结构是通过连续晶体生长形成时，在晶片阶段评估制成的激光器结构并估算与设计值之间的偏差就能够预测半导体激光器件的特性。此外，将从设计值的偏差校正到正常值对于减小器件特性变化和提高可重复性是一种重要技术。
对于覆层而言，其在激光器结构中层厚较大，其层厚可以通过这样的方法估算：通过扫描电子显微镜等直接观察晶片的横截面；或者是这样的方法：选择性地蚀刻所淀积的层并通过接触台阶间隙测量仪等测量所得的台阶间隙。
此外，为了估算材料组成比例，可以通过在目标层上进行荧光测量或X射线衍射测量来测量目标层的材料组成比例。
此外，为了评估多量子阱有源层，已经建立起利用X射线衍射的卫星反射对周期性层厚的测量方法。
不过，在上述常规半导体激光器件中，形成有源层的光导层具有非常薄的设计层厚，通常小至几百个埃()或更小，使得在晶片阶段难于测量构成半导体激光器件的层的层厚或组成比例。
虽然光导层是辐射角所依赖的重要层，但是在晶片阶段中几乎不能估算光导层的层厚度或组成比例。因此，为了减小器件特性的变化并提高可重复性，需要一种简单的测量方法，该方法还用于校正在晶体生长中任何与设计值的偏差。
在半导体激光器件的多层结构是通过连续晶体生长形成的情况下，通过如下工艺实施对光导层的层厚或组成比例的检查：使光导层以独立于多层结构的单层进行晶体生长；估算光导层的层厚或组成比例，并将估算结果反馈给多层结构。该工艺将涉及旨在检查独立于半导体激光器件的多层结构的晶体生长的光导层的晶体生长的需要，这导致额外的晶体生长的需要。
一旦估算半导体激光器件的多层结构中所包括的光导层成为可行的，对其中已经形成多层结构的晶片本身进行特性预测就成为可行，例如在晶片阶段进行无缺陷的特性判定。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种半导体激光器件及其制造方法，其允许简单而高精度地进行对光导层的层厚和材料组分的控制。
为了实现上述目的，提供了一种半导体激光器件，包括：
有源层；
光导层，用于限制由所述有源层发射的光；以及
光导评估层，具有与所述光导层相同的材料组分。
在该半导体激光器件中，例如，通过扫描电子显微镜观察包括光导评估层的晶片的横截面，或者选择性蚀刻晶片并通过接触台阶间隙测量仪测量由选择性蚀刻形成的台阶间隙，从而可以实现光导评估层的层厚的估算。
此外，光导层的生长速率可以通过将光导评估层的层厚除以其生长时间来确定。
此外，在生长时间内生长的光导层的层厚可以通过将光导评估层的生长时间乘以上述生长速率来估算。
此外，可以使用荧光或X射线衍射法实现对光导评估层的材料组分的估算。基于评估结果，能够估算光导层的材料组分。
由于能够如上所述估算光导评估层的层厚和材料组分，因此能够基于估算结果实现对光导层的层厚和材料组分的简单而高精度的控制。
在本发明的一个实施例中，该半导体激光器件还包括位于所述光导评估层和有源层之间的覆层。
在该实施例中，由于半导体激光器件具有光导评估层和有源层之间的覆层，因此光导评估层不会不利地影响有源层的光学特性。
此外，不希望在第二导电类型的上覆层上形成光导评估层，因为光导评估层不能通过常规脊形成方法形成为脊型。
在一个实施例中，该半导体激光器件包括：
衬底，形成于光导评估层下方；
第一导电类型的下覆层，形成于光导评估层和有源层之间；以及
第二导电类型的上覆层，形成于有源层上。
第一导电类型指p型或n型。此外，当第一导电类型为p型时第二导电类型指n型，当第一导电类型为n型时第二导电类型指p型。
在本发明的一个实施例中，光导评估层的层厚大于光导层的层厚。
在该实施例的半导体激光器件中，由于光导评估层的层厚大于光导层的层厚，因此，能够容易而高精度地估算光导评估层的层厚和组成比例。
在本发明的一个实施例中，用于制造上述半导体激光器件的制造方法包括以下步骤：
测量光导评估层的材料组分并基于所述光导评估层的材料组分测量结果控制光导层的生长条件。
在这种半导体激光器件的制造方法中，由于该方法包括测量光导评估层的材料组分和基于所述光导评估层的材料组分测量结果控制光导层的生长条件的步骤，因此可以使光导层的材料组分更接近设计值。于是，能够以良好的可重复性制造特性变化更小的半导体激光器件。
在本发明的一个实施例中，用于制造上述半导体激光器件的制造方法包括以下步骤：
测量光导评估层的厚度并基于所述光导评估层的层厚的测量结果控制光导层的生长条件。
在这种半导体激光器件的制造方法中，由于该方法包括测量光导评估层的厚度和基于所述光导评估层的厚度的测量结果控制光导层的生长条件的步骤，因此可以使光导层的厚度更接近设计值。于是，能够以良好的可重复性制造特性变化更小的半导体激光器件。
根据本发明的半导体激光器件，与光导层具有相同材料组分的光导评估层形成于包括光导层的有源层之外，通过这种布置，可以估算光导评估层的层厚和材料组分以及基于估算结果简单而高精度地控制光导层的层厚和材料组分。
附图说明
通过下文给出的详细说明和附图，本发明将得到更为充分的理解，附图仅仅通过例示方式给出，因此对本发明没有限制性，其中：
图1A是根据现有技术的半导体激光器件的制造工艺图；
图1B是根据现有技术的半导体激光器件的制造工艺图；
图1C是根据现有技术的半导体激光器件的制造工艺图；
图1D是根据现有技术的半导体激光器件的制造工艺图；
图2A是本发明实施例的半导体激光器件的制造工艺图；
图2B是本发明实施例的半导体激光器件的制造工艺图；
图2C是本发明实施例的半导体激光器件的制造工艺图；以及
图2D是本发明实施例的半导体激光器件的制造工艺图。
具体实施方式
以下将通过附图中所示的其实施例详细描述本发明的半导体激光器件及其制造方法。
在该实施例中描述了SCH-MQW半导体激光器件的制造例，该半导体激光器件具有780到786nm的发射波长且由AlGaAs基材料形成。
该SCH-MQW半导体激光器件的制造工艺包括通过MOCVD工艺进行晶体生长的步骤。不过，在进行该晶体生长之前，需要确定将要形成的光导层、AlGaAs覆层、GaAs帽层等的生长速率和Al晶体混合比例。
首先，解释确定非掺杂AlGaAs光导层、n型AlGaAs覆层、p型AlGaAs覆层和p型GaAs帽层的生长速率的方法。举例来说，在覆层和帽层淀积到大约1μm之后，通过扫描电子显微镜直接观察它们的横截面来确定它们的层厚，并从生长时间估算生长速率。
Al晶体混合比例可以通过X射线衍射法从晶片确定，在晶片中待测层已经淀积到大约1μm。
基于通过如上所述的这种方法确定的生长速率，确定每层的生长时间以便满足指定的设计层厚度。同样为了Al晶体混合比例，考虑到与设计值的偏差来校正气体流速。
在该SCH-MQW半导体激光器件的制造方法中，首先，如图2A所示，在n型GaAs衬底19上通过MOCVD工艺依序地晶体生长n型GaAs缓冲层20(层厚＝0.5μm)、非掺杂AlxGa1-xAs光导评估层21(x＝0.35，层厚＝0.4μm)、n型AlxGa1-xAs第一覆层22(x＝0.46，层厚＝2.7μm)、n型AlxGa1-xAs第二覆层23(x＝0.48，层厚＝0.2μm)、非掺杂AlxGa1-xAs第一光导层24(x＝0.35，层厚＝280)、非掺杂AlxGa1-xAs量子阱有源层25、非掺杂AlxGa1-xAs第二光导层26(x＝0.35，层厚＝280)、p型AlxGa1-xAs第一覆层27(x＝0.48，层厚＝0.2μm)、p型GaAs蚀刻停止层28(层厚＝26)、p型AlxGa1-xAs第二覆层29(x＝0.48，层厚＝1.3μm)以及p型GaAs帽层30(层厚＝0.75μm)。
光导评估层21的Al晶体混合比例设置成等于第一和第二光导层24、26的Al晶体混合比例。
此外，光导评估层21的层厚设置为大于第一和第二光导层24、26的层厚，从而能够通过扫描电子显微镜观察横截面或者通过X射线衍射法测量Al晶体混合比例。可以通过解理晶片并通过扫描电子显微镜直接观察晶片的横截面确定光导评估层21的层厚，晶片具有图2A所示的多层结构。
此外，可以通过将光导评估层21的层厚除以光导评估层21的生长时间来确定第一和第二光导层24、26的生长速率。
既然已经知道了第一和第二光导层24、26的生长时间，就可以通过将光导评估层21的生长速率乘以如上所述确定的第一和第二光导层24、26的生长时间来估计光导层的最后生长的层厚。
至于第一和第二光导层24、26的Al晶体混合比例，可以通过以下方式确定：蚀刻晶片的表面以便暴露第一和第二光导层24、26，然后对于第一和第二光导层24、26应用X射线衍射法等。
使用上述方法使得可以评估第一和第二光导层24、26的层厚和组分偏差。因此，能够实现无缺陷晶片判定。
此外，在进行连续晶体生长的情况下，如果与设计值有偏差的话，可以基于上述评估结果校正偏差。
接着，解释图2A的晶体生长之后的工艺。
在帽层30上，如图2B所示，通过光刻工艺等形成具有条形掩模图案的抗蚀剂31，然后利用硫酸基蚀刻剂和氢氟酸部分地除去位于掩模图案两侧的帽层30和第二覆层29。结果，抗蚀剂31下方保留的帽层30和第二覆层29构成脊。
接着，在除去抗蚀剂31之后，如图2C所示，通过MOCVD工艺晶体生长n型AlxGa1-xAs电流阻挡层32(x＝0.7，层厚＝1.0μm)、n型GaAs电流阻挡层33(层厚＝0.3μm)和p型GaAs平坦化层34(层厚＝0.7μm)。
接着，为了除去淀积在脊上的不必要的层，通过光刻工艺在除脊之外的部分上形成抗蚀剂，并通过利用氨和硫酸基蚀刻剂的蚀刻除去不必要的层。
接着，在除去抗蚀剂之后，如图2D所示，通过MOCVD工艺晶体生长p型GaAs接触层35(层厚＝50μm)。
如上所示，在完全将晶片晶体生长到接触层35后，在晶片表面上使用抛光或蚀刻，将晶片制成100μm厚，之后，在晶片的p侧表面上形成p侧电极36，而在晶片的n侧表面上形成n侧电极37。然后，以垂直于脊条的条状形状形成解理分割并用绝缘膜涂布两个输出表面，于是制成了半导体激光器件。
通过使晶片具有多层激光器结构，如本制造方法中的用AlGaAs基材料形成的SCH-MQW半导体激光器件允许容易地评估第一和第二光导层24、26的层厚和组成比例。于是，有可能制造具有良好可重复性的半导体激光器件。
在本实施例中，n型GaAs衬底19为衬底的示例，非掺杂AlxGa1-xAs光导层21为光导评估层的示例，n型AlxGa1-xAs第一覆层22和n型AlxGa1-xAs第二覆层23为覆层的示例，第一和第二光导层24、26为光导层的示例，非掺杂AlxGa1-xAs量子阱有源层25为有源层的示例。
在该实施例中，在n型衬底上形成非掺杂光导评估层、n型下覆层、非掺杂光导层、非掺杂有源层、非掺杂光导层和p型上覆层。不过，可以在p型衬底上形成非掺杂光导评估层、p型下覆层、非掺杂光导层、非掺杂有源层、非掺杂光导层和n型上覆层。亦即，该实施例的导电类型可以全部反转。不过，非掺杂层应该保持为非掺杂层。
本发明不仅适用于由AlGaAs基材料形成的半导体激光器件，而且还适用于例如由AlGaInP基材料等形成的用于红色激光的半导体激光器件。亦即，本发明的半导体激光器件的材料不局限于上述实施例中的那些。
此外，本发明不仅适用于双异质结构半导体激光器件及其制造方法，还适用于单异质结构半导体激光器件及其制造方法。
虽然已经如上描述了本发明，但是显然本发明能够通过多种方法修改。这种修改不被认为背离本发明的精神和范围，应当理解，对于本领域技术人员而言显而易见的改进完全包括在权利要求的范围之中。

Claims (5)

1.一种半导体激光器件，包括：
有源层；
光导层，用于限制由所述有源层发射的光；以及
光导评估层，具有与所述光导层相同的材料组分。
2.如权利要求1所述的半导体激光器件，还包括：
覆层，位于所述光导评估层和所述有源层之间。
3.如权利要求1所述的半导体激光器件，其中
所述光导评估层的层厚大于所述光导层的层厚。
4.一种用于制造如权利要求1所述的半导体激光器件的制造方法，包括以下步骤：
测量光导评估层的材料组分并基于所述光导评估层的材料组分测量结果控制光导层的生长条件。
5.一种用于制造如权利要求1所述的半导体激光器件的制造方法，包括以下步骤：
测量光导评估层的厚度并基于所述光导评估层的层厚测量结果控制光导层的生长条件。
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