TWI296454B - - Google Patents

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1296454 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體發光元件及其製造方法，以及光學 模組，其中活性層中所具有之井層，係包含至少含鎵（Ga)、 砷（As)及氮（N)之化合物半導體。 【先前技術】 近年來，由於資訊量之大容量化以及通訊速度之高速 化，世人對於應用光纖之光通訊，期望隨之升高。對光纖 傳輸相耗低的1 · 3 μ m或1 · 5 μ m波長之光通訊用發光元件的 開發，因而蓬勃發展。到目前為止，此等發光元件主要由 採用InP基板之GalnAsP系材料製作而成。採用Ιηρ基板的問 題在於：基板價格昂貴，且由於溫度特性不佳，製造時必 須使用冷卻系統，導致成本所費不貲等等。 於是有人提出以GaNAs系材料於GaAs基板上製作發光元 件’作為替代方案（如專利文獻1)。若使用GaAs基板，基板 I 既廉價’溫度特性亦佳（如非專利文獻丨），因此無須冷卻系 統，可使成本降低。 [專利文獻1]特開平6-37355號公報 [非專利文獻 l]”Japan Journal 〇f Applied physics(Jpn· j· ΑΡΡΙ· Phys·)丨，，2000年，6A，ρ·39。 [發明欲解決之問題] 然而，GaNAs系材料的問題在於難以製作良好結晶，且 壽命短暫。 本發明鑒於相關問題點，目的在於提供可實現長壽命化 106495.doc 1296454 之半導體發光元件及其製造方法，以及使用該等之光學模 組。 【發明内容】 本發明之半導體發光元件，其活性層中所具有之井層含 有至少含鎵（Ga)、砷（As)及氮（N)之化合物半導體；活性層 中之氫（H)雜質濃度為3x1019 cnT3以下、且活性層中之鋁（A1) 雜質濃度為1 X 1 〇18 cm-3以下；或活性層中之氫雜質濃度為 1 ·5χ1018 cm·3以下、且活性層中之鋁雜質濃度為4χ1〇18 以下。 本發明之半導體發光元件製造方法，係製造半導體發光 7L件’其活性層中所具有之井層包含至少含鎵及氮之化合 物半導體；活性層形成之際，利用有機氮化物作為氮原料， 该有機氮化物之流量為135 cm3/min以下，使活性層中之氮 雜質濃度維持於3x1019 cnT3以下。 本發明之光學模組，具有半導體發光元件，其中活性層 中所具有之井層包含至少含鎵、砷及氮之化合物半導體； 活性層中之氫雜質濃度為3xl0i9 cm·3以下、且活性層中之 紹雜質濃度為lxl 018 cm·3以下；或，活性層中之氫雜質濃 度為1·5χ1 018 cm·3以下、且活性層中之鋁雜質濃度為仏1〇18 cm·3以下。 [發明效果] 如本發明之半導體發光元件及光學模組，由於活性層中 之氫雜質濃度為3xl0】9 cnT3以下且鋁雜質濃度為1χ1〇18 cm 3以下、或活性層中之氫雜質濃度為丨·5χι〇ΐ8 以下且 106495.doc 1296454 在呂雜質濃度為4χ 1 018 cm*0以下，因此可延長壽命，例如動 作電流增加至初始動作電流之50%以上的時間可達1〇〇0小 時。 特別是，如使活性層中阻障層之單層厚度介於丨以 上、8 nm以下之範圍内，壽命將更為增加。 此外，本發明之半導體發光元件之製造方法，活性層形 成之際，係利用有機氮化物作為氮之原料。由於該有機氣 鲁 化物之流里為1 3 5 c m3 / m i η以下，因而可使活性層中之氫雜 質濃度達到3xl019 cm·3以下。 【實施方式】 以下茲就本發明之實施方式，對照圖式詳加說明。 (半導體發光元件） 0 1所示半導體雷射1 〇之剖面構造，為與本發明實施方式 之一有關之半導體發光元件。該半導體雷射1〇為振盪波長 1·1 μπι〜1.5 μιτι之長波長雷射，可作通訊等應用；例如於基 • 板11上方具有層疊構造，自基板11開始依序為第一覆蓋層 12、第一傳輸層（gUide iayer)13、活性層14、第二傳輸層、 第二覆蓋層16、蝕刻終止層17、第三覆蓋層18以及接觸層 19。蝕刻終止層17、第三覆蓋層18以及接觸層Μ形成細條 狀突起部（ridge)，於其兩側形成含二氧化矽（Si〇2)等之絕緣 層20 〇 基板η為例如層疊方向之厚度（以下簡稱厚度）約45〇 Pm、含有摻入矽（Si)或硒（Se：^ns雜質之n型。第一 覆蓋層12為例如厚度約2 μΩ1、含有摻入矽或碼等^型雜質之 I06495.doc 1296454 η型Al〇.47Ga〇.53As混晶。第一傳輸層為例如厚度約1〇〇nm、 含有未摻入雜質之GaAs。 活性層14具有例如於井層14A之間形成阻障層之多 重量子井（MQW ; Multi Quantum Well)構造。又圖j中所示 為井層14之層數為2層時之二重量子井構造，3層以上層疊 而成亦可。此外，雖無圖示，但活性層14亦可為只具 層 14A之單—量子井（SQW; Single Quantum Weii)構造。 井層"A之功能為發光層’發光部位為對應於接觸㈣ 之區域，即對應於設置接觸層19的條狀隆起部之區域。井 層14A包含例如至少含有週期表ΙΠΑ族元素鎵、週期表从 族元素相及氮之化合物半導體。又進_步含有πια族元 素銦（In)或VA族元素録（Sb)亦可。換言之，井層14八以含有 例如 GaJnxNyAs—sbz 混晶（〇$χ<1、〇巧<卜 、 (Xy+zM)為佳。井層14Α之組成，係依目標發光波長而調整 之0 阻障層⑽包含例如GaAs、或進一步含有說之化合物」 導體。即含有例如GaNvAs】-v之混晶（0gv<1)。 ^ ’本實施方法中’活性層14中之氫雜質濃度為3χΐ〇 ⑽以下且㈣質濃度為lxlGl8 下；或，活性層i 中之氫雜質濃度為〜3以下且活性以中之㈣ 質濃度為4Xl0'8心3以下；長壽命化因而得以實現。由方 ^過程中之原料分解等因素，氫與鋁易被混人而成為杂 :。此類雜質濃度-旦過高，不僅結晶度與特性惡化，， 命亦隨之縮短。 106495.doc 1296454 一圖2所不為活性層14中之氫濃度與壽命的關係、圖3則表 π活f生層14中之鋁濃度與壽命的關係，此等皆為以 M〇CVD(Metal 〇rganic㈤加⑽、〇Γ叫的出⑽；有機全 屬化學氣相沉積法）於不同條件下，製造具有圖^示結構 之半導體發光元件，所繪得之特性圖。有機氮化物為活性 層14成膜時之氮源’其流量改變，氫濃度即隨之變化丨銘 濃度則依活性層14成膜前所進行之紹去除步驟而變化。圖 2、3中之符唬•為有施行鋁去除步驟時之狀況，符號為未 施行鋁去除步驟時之狀況。 再者，氫濃度與鋁濃度係以SIMS(Se⑶ndary lQn Mass Spectrometry ;二次離子質譜分析法）所測得。此外，壽命 係於25C環境下，使光輸出功率維持lmW，進行Apc(自動 功率控制）可靠度測試，測量動作電流增加至初始動作電流 之5 0%以上的時間。實用上之壽命概估為1〇〇〇小時左右。 如圖2所示，由符號•與符號·之部分皆可各別看出氫濃度 愈低、壽命愈長之趨勢，符號部分之壽命比符號·短，與 氫濃度高低無關。又如圖3所示，符號•部分有施行鋁去除 步驟’紹濃度低，符號部分則未施行銘去除步驟，紹濃度 兩且壽命短。綜合圖2與圖3，可知氫濃度為3xi〇】9 cnT3以 下且鋁濃度為lxl 〇18 cm·3以下，壽命即可達1〇〇〇小時以上。 此外’即使在符號·部分中，氫濃度為1.5 X 1 〇18 cm·3以下 之極低濃度時，壽命亦可達1000小時以上。換言之，可知 如使氫濃度大幅降低至1.5\10】8_-3以下，鋁濃度為4><1018 cm·3以下即可，無須低至ΙχΙΟ18 cm·3以下。 106495.doc 1296454 再者’圖4所示為圖2、3所示之半導體發光元件中，活性 中之氣》辰度與發光強度的關係。由圖可見，發光強度 人可^卩不同’其趨勢為氫濃度降低，發光強度亦隨之減弱。 亦即亚非單純降低氫濃度，就能提高結晶度、使發光強度 曰力並延長哥命；可知氫濃度及鋁濃度與壽命之間具有特 殊的關係。 " 、

井層14A之厚度係依目標發光波長而調整，例如以1〇 nm 以上為佳。由於厚度增加，井層14A之量子侷限效應會減 :’波長變長，因此可減少長波長化所需之氮含量，而使 t作為氮原料之有機氮化物的流量降低，即可減少因原料 解所產生之氫混入井層14 A中的量。 且P早層14B之單層厚度，以介於1 nm以上、δ nm以下之範 圍内為佳。圖5表示阻障層14B之單層厚度與壽命的關係 此為具有圖1所示結構之半導體發光元件中，?文變阻障層 14B的厚度所得之特性圖。壽命係如前述於抑環境下，使 =輸出功率維持lmW，進行Apc(自動功率控制）可靠度測 斌，測量動作電流增加至初始動作電流之5〇%以上的時 :。如圖5所示，壽命隨阻障層⑽的厚度增加而增長，極 大值出現後可見壽命縮短之趨勢，亦可知於 以下之範圍内為最佳。 上8 nm 弟二傳輸層1 5為例如I声 勹1 Η知度約100 nm、含有未摻入雜質之 aAs。弟一覆蓋層16 、 等P型雜質之_A1〇 G 5 咖含有摻人辞（Zn) 厚卢 。.47 G.53 S此晶。蝕刻終止層17為例如 序度約30 nm、合古祕、μ μ 有私鋅寻ρ型雜質之Ρ型CJaAs。第三覆 106495.doc 1296454 盍層1 8為例如厚度約1 ·3 μπι、含有摻入辞等雜質之p型 八10,47〇30.53八5混晶。接觸層19之作用係與後文中之13側電極 產生歐姆接面，為例如厚度約300 nm、含有摻入高濃度鋅 等P型雜質之p型GaAs。 此外，半導體雷射1 〇中，基板丨丨之背面具有n側電極2 i。 η側電極為例如自基板丨丨開始，依序層疊金（A…層、金—鍺 (Ge)合金、以及金層，經熱處理而具有合金化結構，透過 φ 基板11與第一覆蓋層12作電氣接續。另一方面，接觸層19 上方設有p側電極22。p側電極22為例如自接觸層19開始， 依序層疊鈦（Ti)層、鉑（Pt)層以及金層，經熱處理而具有合 金化結構，與接觸層丨9作電氣接續。 再者，該半導體雷射1 〇中，例如於接觸層丨9之長邊方向 上，對向之一對側面構成共振器端面，圖式中未繪出之一 對反射鏡膜，則分別形成於該一對共振器端面。個別調整 該等一對反射鏡膜，使其中之一反射鏡膜之反射率減低， ·$ -反射鏡膜之反射率增高。例如，若以介電膜層疊而成 之多層膜形成反射鏡膜，由於反射率可任意調整，故較為 理‘又例如，其中之一共振器端面之反射率為5 〇。/〇左右， 另一共振器端面之反射率即調成98%左右。如此一來，活 性層14所產生的光’於一對反射鏡膜之間往返並被放大， 而自其中之一反射鏡膜射出雷射。 本半導體雷射1 0，可依例如以下之步驟製造而成。 百先，於具有例如上述厚度及材料之基板11的表面，以 例如MOCVD法，依序層疊具有上述厚度及材料之第一 106495.doc 1296454 …12、第—傳輸層13、活性層】4、 -覆蓋層16,刻終止層17、第三覆 :^ 5、第 此時，鎵原料採用三甲基鎵或 7及接觸層】9。 甲“或三乙基紹等，銦原料採；:二，：广用^ 等，砷原料淼田妯々# 用一甲基銦或三乙基銦 胺、單甲美萨”十Θ 虱原科知用二甲基聯 或：第:基聯胺等，錄原料採用三甲基銻 凡一甲基弟二丁基銻等。 不 又，活性層1 4成膜之際，如佶 料，活性#14中[… 逑有機氮化物為氮肩 f生層14中易混入因原料分解而產生的&，導致活姓 运Μ中之氫濃度升高。因此， 物夕、古旦、，丄 ， 汁q 4Α成膑柃，该有機氮化 …大於而不超過13W/-為佳”且障 亦同，欲使阻障層⑽含氮時，有機氮化物之流量以 大於(W/min而不超過135 cm3/min為佳。如此便可減少混 入活f生層14中的氫。該·等有機氮化物之流量，係依井層“A 及阻P早層14B之氮合量而調節。如欲使阻障層_不含氮， 有機氮化物之流量便為〇 cm3/min。 圖6表示井層14A形成之際，以二甲基聯胺作為氮原料 時一曱基聯月女之流量與井層14A中之氯濃度的關係。如圖 6所示一甲基聯胺之流量如為135⑽以下，井層μα 中之氫雜質濃度即可為3><1〇19⑽-3以下。 又，活性層14形成時之成膜溫度，介於例如400°C以上700 C以下之耗圍内為佳。成膜溫度若低，便無法得到良好的 結晶性，成膜溫度若高，則會促使氮逸脫，導致氮混入活 性層1 4中之效率不佳。但提高成膜溫度可使氫的混入量減 106495.doc •13- 1296454 少，因而較為理想。圖7中表示活性層14成膜時之成膜溫度 人/舌性層14中之氫濃度的關係。如圖7所示，可知提高成膜 溫度，氫濃度即隨之下降。因此，活性層14成膜時之成膜 溫度如於50(TC以上60(rc以下之範圍内，即更加理想。 進步於活性層丨4生長前，通入對鋁具反應性之氣體進 仃鋁去除步驟為佳。如此能將附著於反應腔體内等殘存鋁

2除，活性層14中之鋁濃度即可為IxlO18 cm·3以下。此部 分已於圖3中表示並敘明。對銘具反應性之氣體，可列舉二 甲基聯胺、氨或由氮經電漿分解後產生之氮自由基等，或 該等2種以上混用亦可。 活性層14生長前’如有第一覆蓋層12之類的含鋁層先行 生長’可於含㈣生長完畢、活性㈣生長前，實施本紹 去除步驟。例如，於第一覆蓋層12生長完畢、第一傳輸声 13生長前施行亦可，於第_傳輸層此長步驟中同時實施 亦可’於第一傳輸層13生具+思 ^ « ㈢u生長兀畢、活性層14生長前施行亦 可。 又’如於第-覆蓋層12生長完畢、[傳輸層13生長前， t於第-傳輸層13生長完畢、活性層14生長前實施時1 HIA族元素之原料停止供施 、 丁” 了止供應的狀態下’將對 氣體，與VA族元辛之历杻n # 八久厲Γ生之 人ττ > 之原㈣時供給為佳。用意在於可抑制 3 ΙΙΙΑ鉍兀素之反應生成物重新附著。 依此方式生長各丰莫辦思 _ S，以例如蝕刻法選擇性去除邱 么蝕刻終止層1 7、第三覆蓋声 /、4 ^ + 層18及接觸層丨9，可得細條妝 犬起部。將蝕刻終止層丨7、第— ”狀 . 弟二覆盍層丨8及接觸層19製成 106495.doc -14- 1296454 細條狀犬起部之後，於其兩側以例如cvD(chemical Vapw Deposition;化學氣相沉積）法形成含有上述材料之絕緣声 20。 曰 、”邑緣層2G$成完畢後，例如對基板丨丨之背面加以研磨， 使基板11之厚度成為約1〇〇 _，再於基板u之背面形成口 側电極2 1另以例如敍刻法於絕緣層2 〇刻出與接觸層I 9對 應之開口，並於接觸層19以及絕緣層2〇之上形成口側電極 • 22。η側電極21及Ρ側電極22形成完畢後，將基板”修整成 設定之大小，並於接觸層19長邊方向上的對向之一對共振 器端面，生成圖式中未繪出之反射鏡膜。如此一來，便形 成圖1所示之半導體雷射。 本半^體雷射1 〇，係於η側電極2丨與Ρ側電極22間施加設 定之電壓，藉接觸層19、第三覆蓋層18以及蝕刻終止層17 使電流侷限後之電流流入活性層i 4，靠井層丨4 Α中電子〜電 洞再結合而發光。此處由於活性層14之氫及鋁雜質被限定 • 於設定之範圍内，動作電流之增加因而受到抑制，使壽命 延長。 (光學模組） 圖8為具備此類半導體雷射1〇之光學模組構成範例之一 示意圖。此光學模組1〇〇,係用於高速光通訊系統中轉換光 學訊號與電子訊號之FEM(Fr〇nt End M〇dule ;前端模組） 等，主體101上裝設有發訊部11〇與收訊部12〇。光纖13〇、 140則透過圖中未繪出之接頭，各自連接至發訊部11〇及收 訊部1 2 0。 106495.doc 1296454 發訊部110具有例如上述半導體雷射1 〇以及驅動該半導 體雷射10之驅動器112。驅動器112可利用習知之驅動 IC(Integrated Circuit;積體電路）等。 收訊部12 0係具有例如光電轉換元件（光二極體）12 1以及 TIA(轉阻放大器）或LIA(限制放大器）等放大器之一般部件。 本光學模組100中，係於發訊部110，依據自外部提供之 電子訊號S 1，藉驅動器112驅動半導體雷射1 〇，將光訊號p i φ 透過光纖130發送。又於收訊部120，透過光纖140所提供之 光訊號P2入射光電轉換元件12卜而轉換成電子訊號，該電 子訊號經放大器122放大，並加以必要之轉換處理，成為電 子訊號S2對外部輸出。此處，由於光學模組1〇〇係具備依本 實施方式所製得之半導體雷射1〇，即使長時間使用，動作 電流之增加亦受到抑制，因此除可長時間使用夕卜低功率 化亦可實現。 活性層14中之氫及鋁雜質被限定

上，而延長壽命。 如依以上之實施方式， 於設定之範圍内，可抑岳,

106495.doc -16· 1296454 以上係舉實施方式為本發明之說明，本發明可有多種變 ’並不限於上述之實施方式。 例如上述κ苑方式中具體 牛+導體雷射H)所包含之半導體材料，使用其他材料亦 :°又’上述實施方式中，係以使用含有GaAs之基板_ 况作為說明，使用含有InP等其他材料之基板亦可。

甚者’上述實施方式中’係舉邊射型半導體雷射為例說 明’面射型半導體雷射亦可同樣適用。圖9所示為其構成範 例之—。該半導體雷射30,係例如於含有η.型GaAs之基板31 的表面上，依序層疊：由n型AlwGauAs混晶層與I^GaAs 層交疊而成之η型多層反射膜32、含有未摻入雜質之 的第—傳輸層33、活性層34、含有未摻入雜質之〜心的第 專輪層35由P型Al〇.9Ga〇,] As混晶層與p型GaAs層交疊而 成型夕層反射膜36、以及含有psGaAs之接觸層37;並 =第二傳輸層35中具有含A1As氧化層之電流侷限層38。藉 '、’巴緣層39之開口，將p側電極4〇設於接觸層37上、n側電極 4 1 π於基板3 1之背面。活性層34之組成，則與上述實施方 式中所說明之活性層14相同。 再者，上述實施方式中，係於利用M〇CVD法形成各半導 月且層之狀況加以說明，亦可適用於以其他利用氣體之方 法，於15族元素之材料上形成各半導體層之狀況。所謂其 他方法，CBE(Chemical Beam Epitaxy;化學分子束磊晶） 法可為一例。 再甚者，上述實施方式中，係舉光學模組構成之一為例 ϋ兒明’具其他構成者亦可，例如僅包含發訊部11 〇者亦可。 I06495.doc 1296454 【圖式簡單說明】 團1所示為本發明其 構成範例之剖面圖。 =為圖i所示之活性層中氫濃度與壽命之關係特性圖。 圖3為圖！所示之活性層中銘濃度與壽命之關係特 圖4為圖】所示之活性層中氮濃度與發光強度之 性

圖5為圖1所示之阻障層厚度與 圖6為圖1所示之井層形成之際 氫)辰度之關係特性圖。 壽命之關係特性圖。 二甲基聯胺流量與井層 中 *圖7為圖丨所示之活性層形成之際成膜溫度與 氫濃度之關係特性圖。 圖8為具有圖1所示之半導體雷射的光學模組 7pC 〇 活性層中 之構造圖

圖9為本發明之其他半導體雷射構造之剖面圖。 【主要元件符號說明】 10, 30 11,31 半導體雷射 基板 12 13, 33 14, 34 14A 14B 15, 35 第一覆蓋層 第一傳輸層 活性層 井層 阻障層 第二傳輸層 106495.doc -18- 1296454 16 第二覆蓋層 17 1虫刻終止層 18 第三覆蓋層 19, 37 接觸層 20, 39 絕緣層 21， 41η 側電極 22, 40ρ 側電極 32 η型多層反射膜 36 ρ型多層反射膜 38 電流侷限層 106495.doc -19-

Claims (1)

1296454 十'申請專利範圍： 1 · 一種半導體發光元件，其活性層中所具有之井層，含有 至少含鎵（Ga)、砷（As)及氮（N)之化合物半導體，其特徵 為· 上述活性層中之氫（H)雜質濃度為3χ1〇!9 cm-3以下，且 上述活性層中之鋁（A1)雜質濃度為lxl〇u cm·3以下； 或，上述活性層中之氫雜質濃度為15χ1〇】8 以下， φ 且上述活性層中之鋁雜質濃度為4x1 0】8 cm·3以下。 2·如巧求項1之半導體發光元件，其中上述活性層具有單一 置子井結構或多重量子井結構，其包括含 混晶（〇 $ χ<ι、〇<y<i、〇 $ ζ<ι、 0<y+z<i)之井層。 3 ·如明求項1之半導體發光元件，具有包含井層與阻障層之 少重®子井結構，且前述阻障層之單層厚度介於1 nm以 上、8 nm以下之範圍内。 • 4· 一種半導體發光元件之製造方法，其係製造活性層中所 具有之井層含有至少含鎵（Ga)、砷（As)及氮（N)之化合物 半導體’其特徵為： 上》述活性層形成之際，係利用有機氮化物作為氮原 料’使該有機氮化物之流量為135 cm3/min以下，而使活 性層中之氫（H)雜質濃度達到3x1019 cm·3以下。 5·如請求項4之半導體發光元件製造方法，其中氮原料係由 包含二甲基聯胺、單甲基聯胺以及第三丁基聯胺之群組 中選用至少1種。 106495.doc 1296454 •如請求項4之半導體發光元件製造方法，其中於上述活性 層形成前通入對鋁具反應性之氣體，使活性層中之鋁（ai) 雜質濃度為lxl 〇18 cm·3以下。 .如凊求項6之半導體發光元件製造方法，其中對鋁具反應 性之氣體係由包含二曱基聯胺、氨以及氮自由基之群組 中選用至少1種。 8·如請求項6之半導體發光元件製造方法，其中對鋁具反應 性之氣體係於IIIA族元素之原料停止供應的狀態下，與 VA族元素之原料一起供給。 9, 一種具備半導體發光元件之光學模組，其中前述半導體 發光元件，係活性層中所具有之井層，含有至少含鎵 (Ga)、珅（As)及氮（N)之化合物半導體，其特徵為： 上述活性層中之氫（H)雜質濃度為3xl〇i9 cm·3以下，且 上述活性層中之鋁（A1)雜質濃度為lxl〇i8 cm·3以下； 或’上述活性層中之氫雜質濃度為UxiOi8 cm·3以下， 且上述活性層中之鋁雜質濃度為4χΐ〇18 cm·3以下。 106495.doc