TW418547B - Manufacturing method of ridge waveguide semiconductor light emitting device - Google Patents

Description

4 18 5 4 7 五、發明説明（1) 本發明係有關於一種脊狀光波導半導體發光元件的製 作方法’適用於脊狀光波導頂端表面之載子濃度高於較内 侧部份之載子濃度的脊狀光波導半導體發光元件。 隨著資料傳輪與儲存相關技術的發展，半導體發光元 件的應用也日益廣泛，其中，特別是半導體雷射，由於其 光頻寬度相當窄，不管是使用於光傳輸或儲存，均可以得 到較佳的效果’因此普遍受到重視。目前，製作半導體雷 射的方法種類相當多’其中為了限制電流穿過活性層的區 域大小與位置’曾有多種習知的方法被提出，用以限制電 流僅從脊部頂端流入’使得發光區域局限在脊部下端的活 性層小區域中，其他的部位則因無電流通過，所以不會發 光’如此可得到單模態的雷射光，使起始電流降低，並可 降低像差（astigmatism)，降低光垂直/平行發散角的比值 等。上述習知用以限制電流的方法包括有在脊部以外的區 域鍵上絕緣層，例如Si02、Si3N4等，來限制電流。另外， 如美國專利第5,550,08 1號及第5,4 03,775號所示，其係應 用在磊晶層中含有鋁成份的特性，施以氧化處理，以形成 氧化鋁絕緣層，藉以限制電流。在美國專利第5, 658, 824 號中則是使用有機樹脂塗佈在脊部以外的區域，以限制電 流°再者，結合了前述的方法，在美國專利第5, 351，258 號中則是先鍍上S i 02 ’然後再於其上塗佈有機樹脂，用來 限制電流。此外，在美國專利第5，3 0 4，5 0 7號中，則是利 用蟲晶方法於脊部以外的區域再成長（regrowth)另一型或 是絕緣的半導體磊晶層’藉以限制電流流經活性層的區域

第4頁 418547 五、發明說明（2) 大小與位置。 在上述習知技藝中有利用自動對準的製程者（中華 國專利申請號87 1 0977 1 )，請參閱第“圖至第“圖，复係 包括下列步驟：（1)首先，如第la圖所示’其係在基板1〇 上依序形成η-Α1ΙηΡ層12、未攙雜<A1GaInP 13、量子井 活性層 14、未模雜之AlGaluP 15、p —人1111}3層16、p —GaInp 層18、P-GaAs層20及Sl〇^22 ; (2)請參閱第115圖，接著 在其上形成光阻層24，並以光罩製版的製程將光阻層24圖 案化；（3 )請參閱第1 c圖’触刻掉未被光阻層2 4覆蓋的 Si〇2層22 ; (4)如第Id圖所示’移去光阻層24 ; (5)請參閱 第16圖，蝕刻半導體磊晶層至恨接近MGaInp束縛層15上 方；（6)請參閱第If圖’接著移除Si〇2層22 ; (7)請參閱第 lg圖’然後沉積SiA層26 ;(8)請參閱第❶圖，先形成第 一光阻層28 ; (9)請參閱第li圖，再形成第二光阻層3〇， 並且將第二光阻層3 0加以圖案化；（1⑸請參閲第丨】圖，再 利用乾触刻的製程蝕刻上述第—光阻層28，至在脊狀光波 導上的SiA層26恰未被第一光阻層28覆蓋為止；（11)請參 閱第ik圖，蝕刻去除脊狀光波導頂端上的Si N / 如第η圖所示，接下來移除上述第一光阻層;；“6: 層30 ;(13)請參閱第lm圖，最後在其上再形成一金屬 即可。此種習知的製程便是利用在脊部以外；區；絕2 緣層，以達到限制電流的目的，其製程包括有13個步驟， 由於整個製程較為複雜，一般而言平均須費時兩個工作天 才能夠完成。

第5頁 4 1854 7 ktaoxJ爹正 五 '發明說明（3) 鲊’補充 - 大體上來說’上述各種方法的製作程序均相當繁雜， 製作不易且生產成本較高^•有鑑於此，本發明之目的即在 於提出一種脊狀光波導半導體發光元件之製作方法，其係 以重載子濃度的氧化物半導體做為金屬與磊晶層間的介 面’防止電流經由脊部以外的區域流過，達到控制電流流 動的效果。 本發明之脊狀光波導半導體發光元件的製作方法，其 製程步驟少且製作簡單，同時特別適用於脊部寬度約小於 3mm的半導體雷射’可免除自動對位的繁雜步驟，並且大 幅降低生產成本。 為了達到上述的目的’本發明主要是在形成脊狀光波 導半導體發光元件的基本結構後，先在其上形成一層重載 子濃度的氧化物半導體，然後再形成金屬層以做為導電之 用。 為了更進一步地闡明本發明之方法、架構及特徵，茲 配合附圖說明較佳實施例如下，其中： 1 a圖至第1 m圖係繪示習知技藝中利用自動對準法製 作雷射二極體之脊部面電極的流程圖。 第2a圖至第2g圖係繪示根據本發明的脊狀光波導 體發光元件之製作方法的流程圖。 第3圓係繪示對根據本發明的脊狀光波導半導體發光 凡件之製作方法應用銦錫氧化物製作的脊狀光波導 雷射之Ι-V與I-L分析的曲線圖〇J 參考標號的說明 一^

418547 五、發明說明（4) 10、40 基板；12 η-AllnP 爽覆層（cladding layer); 13 未攙雜之AlGalnP 束缚層（confinement layer) ; 14 量 子井活性層（quantum well active layer) ; 15 未攙雜之 AlGalnP束缚層；16 p-AllnP夾覆層；18 p-GalnP轉移層 (reduced layer) ; 20 p-GaAs 覆蓋層（cap layer) ; 22 Si02層；26 Si3N4層；42 n-AlInP夾覆層；43未攙雜之 AlGalnP束縛層；44量子井活性層；45未攙雜之AlGalnP 束缚層；46 ρ-Α1ΙηΡ夾覆層；48 p-GalnP轉移層；50 p -GaAs覆蓋層；24、28、30 '52 '54光阻；56銦錫氧化 物；32、58金屬層。 實施例之說明 請參閱第2a圖至第2g圖’根據本發明之一實施例，脊 狀光波導半導體發光元件之製作方法係包括下列步驟： 首先’在n-GaAs基板40上依序為晶成長η-ΑΙΙηΡ夾覆 層42 '未攙雜之A i Gal nP束缚層43、量子井活性層44、未 攙雜之AlGalnP束缚層45、ρ-Α1ΙηΡ夾覆層46、p-GaInP轉 移層48、p-GaAs覆蓋層50 ’其中，p —AllnP失覆層46、 p-Ga I nP轉移層48、p-GaAs覆蓋層5 0的電洞濃度分別為7 X 1 0i7cnr3、2 X 1 018cm-3、2 X i 0!9cm-3。 β月參閱第2a圖’接著以微影（photolithography)技術 在上述蠢晶片上製作光阻52並在其上形成圖案，用以做為 後續之蝕刻步驟中的防護罩（mask)。 請參閱第2b圖，然後以活性離子蝕刻（reactive i〇n etching ’ R IE)法姑刻上述p-GaAs覆蓋層5〇、p_GaInp轉移

4 185 4 7 五、發明說明（5) 層48、及ρ-Α1ΙηΡ夾覆層46，至距離AlGalnP束缚層45很近 的位置停止’藉以形成脊狀光波導（ridge optical waveguide)。 接著’如第2c圖所示，將蝕刻後殘留的光阻52去除。 請參閱第2d圖’再於其上形成一光阻層54，並以微影 技術在光阻層54上製作圖案，以遮蔽脊狀光波導。 請參閱第2e圖’接下來再钱刻去除外層的p-(jaAs覆蓋 層50。 然後’如第2 f圖所示’再將钱刻後殘留的光阻5 4去 除。 請參閱第2g圖，最後連續在其上鍍上1〇〇〇埃厚的銦錫 氧化物（Indium-tin oxide，IT0)56、及包括有鉻（Cr)和 金（八1〇之金屬層58，其中17'0的電子濃度2 1〇%111-3。 之後再以傳統習用的技術製作成雷射二極體，也就是 將GaAs基板磨薄’並於反面上鑛金屬層，以形成歐姆接 觸’其後將其加以劈裂，即可得到雷射二極體晶粒，再經 過銲錫接合、打線、封裝的步驟即可。 上述IT0可利用其他η型氧化物半導體取代，例如（1) Zn0 ' Tl2〇3、Sn02、ln203、CdO、PbO 或Pb02 等，及其混合形 成之化合物或固溶體（s〇l id solut ion)，如IT0、

In4Sn3〇l2 ' ZnSn03、SnZn204、Zn2In205 等；（2)過渡金屬氧 =物，如M〇0、W03、V2 05、Nb203、Nb2 05、Ta205、Hf02、Ti02 等 ’C3)i弓欽礦（perovskite)氧化物，如BaTi03、SrTi03 等；（4)尖晶石（spinei)氧化物，如NiFe204、ZnGa204、

418547 五、發明說明（6)

SnZn204、ΜΙη204 (M 可為Mg、Ca、Sr 或Ba)等；及 (5)CdSb206、GaIn03、MgIn04、PbCr04、Zn2In2〇5、AgIn〇2、

AgSb03 ' MgW04 ' La8_xSrxCu8O20 ' SrxCa,.xRu〇3 (〇 ^1) ^ 0 上述重載子濃度的n型氡化物半導體的型式可為非計 量（nonstoichiometric)或添加雜質°舉例而言,Zn〇、

Sn〇2、Iii2〇3、Ti〇2等可為非计篁。而若為添加雜質者，可 為ZnO 添加Al、In、Ga 或Ce、Ιη203 添加Sn、Fe203 添加Zn 或 W、BaTi03 添加Nb、AgIn02 添加Sn、或是CdSb206 添加γ，以 增加及穩定電子濃度。 另外，當上述脊狀光波導之各磊晶層為η型時，氧化 物半導體必須為ρ型，此時氧化物半導體可為（丨）過渡金屬 氧化物，如NiO、C〇0、MnO、FeO、Fe203、Cr203、Cr02、

Rh203、PdO、M〇02等’及其混合形成之化合物或固溶體， 例如Nifl 5CoQ 50等；（2)鈣鈦礦氧化物，如LaCr03、LaMn03、 CaTi03 'SiiiuCauCoO：)、Sm0 5Sr0 5Co03、Sm0 5Ba0 5Co03 等；（3) 尖晶石氧化物，如 L ixZn卜x V204 ( 0 S x S 1 )、Mi^ 5Co。95Ν i。 等；（4)Y124氧化物超導體化合物，如YBa2Cu408等；（5)鑭 系稀土元素-過渡金屬氧化物，如LaY03等；及（6)Cu20、

CuO、Ag20、Hg20、SnO、CuA102、SrCu202。 同樣地，上述重載子濃度之P型氧化物半導體的型式 可為非計量的或是添加雜質。舉例而言，N i 0、C〇0、

MnO、FeO、Yba2Cu408、LaMn03等可為非計量。而若為添加 雜質者’可為NiO添加Li或N、LaCr03添加Sr或Ca、SrCu202 添加K、CaTi03添加Y或Nb、LaY〇3添加鹼土族元素、ZnV2〇4

4 18 Fi 4 7 五、發明說明（7) 添加；=素等，以增加及穩定”電洞”濃度。 在上述貝施例中，氧化物半導體層 一 然而除了單一氡化物層外，也 ^叙早 ’ 入Λ。一者’在上述氧化物半導體層與金屬層 Μ，例如Si I氧化物同型之其他非氧化物的半導體 曰笙。 e、GaAs、InP、GaP、ZnS、CdTe、PbS 或

Zi Π o 0 上述金屬層可為單一金屬層或多層金屬層或合金層， 例如Cr/Au、10%T1_W、T1/Pt/Au等。且在製作光電元件 時，金屬層之面積不必與氧化物半導體層的面積相等。 利用上述方法製成的脊狀光波導雷射二極體，由於 P-GaAs覆蓋層的電洞濃度為2 x丨〇19cm—3，為p A1 Inp夾覆層 的29倍，同時為p-Gal nP轉移層的ι〇倍，且霞蓋於脊狀光 波導上的I TO層之電子濃度大於1 〇i9cm-3，所以當電流由脊 狀光波導頂端灌入時’其主要會從IT0層流經p_GaAs覆蓋 層，然後再依序流向P-GalnP轉移層、ρ-Α1ΙηΡ爽覆層、 A 1 Ga I nP束缚層及量子井活性層’換言之，不論脊狀光波 導的寬度如何1電流的流動會被侷限在脊狀光波導上，因 此與習知技術的方式相比，本發明之方法特別適用於脊狀 光波導的寬度小於3 # m的情況。再者，雖然在上述的實施 例中主要是說明了單—脊狀光波導，然而，相同的製作方 法也可以製作出具有多個脊狀光波導結構的元件。 請參閱第3圖，其顯示對於利用上述方法製作完成的 雷射二極體所進行之卜V與1 —L的分析結果’其臨界電流1^

第10頁 4 185 47 五 '發明說明（8) 約為26〜28mA ’在光輸出5mW時’工作電流IQp約為39〜42mA 以及工作電壓Vop約為2·57〜2.69V，與上述習知技術中使用 S i3 &作為電流阻絕層的半導體雷射二極體具有非常類似的 特性與效果，但是本發明之製程顯然簡易許多，由於上述 本發明之方法’製程僅7個步驟，一般只須半個工作天即 可完成。故而本發明之製作方法適合於商業化量產，並可 節省成本。 上述實施例中主要是使用重載子濃度之氡化物半導 體’但實施上舉凡是具重載子濃度之半導體均適用，因 此’亦可使用重載子濃度之Si、GaAs、CdTe或PbS等半導 體。 上述實施例中脊狀光波導主要是雷射二極體的架構， 但實施上本發明之脊狀光波導半導體發光元件並不僅限於 雷射二極體’也可以是發光二極體。並且在上述實施例中 主要是以η型基板上成長的發光元件為例，然則對於熟知 此項技藝者’可應用於以ρ型基板成長的發光元件。

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Claims (1)

1. 41854 7 六、申請專利範圍 1. 一種脊狀光波導半導體發光元件之製作方法，包括 下列步驟： (I) 在一第一型半導體基板上形成依序第一型磊晶層 與至少一第二型磊晶層，並使上述第二型磊晶層形成為 狀光波導； (II) 然後在其上形成具有重載子濃度的第一型半 體； (iii)再於上述重載子濃度的第一型半導體 屬層。 取兔 2. 如申請專利範圍第丨項之製作方法，其中， 狀光f::::載子濃度高於其内部之載子濃度。f 3. 如申h專利範圍第】項之製作方 第一型磊晶層與第二型磊晶層間形 、上述 ,* --* * ^, ^ Λ开發光活性層。 4. 如申清專利範圍第丨項之製作方 ^ 一型磊晶層係係包括一束缚層及夾覆層天。’兵中，上述第 5. 如申請專利範圍第〗項之製 。 二型磊晶層係包括束縛層、夾覆層、法，其中，上述第 6·如申請專利範圍第丨項之製 移層及覆蓋層。 -型為以，且上述第二型1之型製作方法，其中，上述第 其中’上述第 其中’上述重 7. 如申請專利範圍第丨項之製作 —型為ρ型，且上述第二型為η型。 法 8. 如申請專利範圍第6項之製作 載子濃度的半導體為氧化物半導體。法 其中，上述重 9. 如申請專利範圍第7項之製作方法 第12頁 41854 7 六、申請專利範圍 載子濃度的半導體為氧化物半導體。 中 其 1〇.、如申請專利範圍第8項或第9項 上述重載子濃度氧化物半導 法 11. 如申請專㈣::為 氧化物層 中 其 乂述重載子濃度氧化物半導體為複數層作方法， 12. 、如申請專利範圍第8項或第9項之製 ，上述重載子濃度氧化物半導 / 〃 半導體。 。级叛裡混合之氧化物 13如中請專利範圍第8項或第9項之製作方法，里 :第ίί2載子濃度氧化物半導體與金屬層間可再加入 ;口濃度氧化物半導體同型之其他非氧化物的 14.如申請專利範圍第8項之製作方法，其中，上述氧 化物半導體為ZnO、Sn02、Ιη2〇3、Τ1 203、CdO、Ti〇2、 PbO或Pb〇2等，及其混合形成之化合物或固溶體。 1 5.如申請專利範圍第丨4項之製作方法，其中，上述 氧化物半導體可添加雜質元素以增加與穩定電子濃度。 16.如申請專利範圍第9項之製作方法，其中，上述氧 化物半導體為Ni〇、C〇0、MnO、FeO、Fe203、CrO、 Cr203、Cr02、PdO、CuO、Cu20、SnO 或Ag20 等，及其混合 形成的化合物或固溶體，及CuA102或SrCu202等。 1 7.如申請專利範圍第1 6項之製作方法，其中，上述 氧化物半導體可添加雜質元素以增加與穩定電洞濃度。 1 8,如申請專利範圍第8項之製作方法，其中，上述氧 第13頁 4 1854 7 六、申請專利範圍 化物半導體為麵錫氧化物。 1 9·如申請專利範圍第8項之製作方法，其中’上述氧 化物半導體為添加Ga、In、“或(^6等之氧化鋅。 20，如申請專利範圍第1項之製作方法，其中，上述脊 狀光波導半導體發光元件為雷射二極體或發光二極體。 21. 如申請專利範圍第1項之製作方法，其中，在上述 步驟（ii)中可形成一個或複數個脊狀光波導。 22. 如申請專利範圍第1項之製作方法，其中，上述金 屬層可為單一金屬層或多層金屬層或合金層。 2 3.如申請專利範圍第13項之製作方法，其中，上述 非乳化物之半導體為Si、Ge、GaAs 'inp、GaP、ZnS、 CdTe 、 PbS 或ZnSe 等。

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