TWI758822B - 半導體裝置 - Google Patents

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Abstract

關於本申請之發明之半導體裝置，包括：半導體基板、設置於半導體基板上之n型之第一包層、設置於第一包層上之n型之第二包層、設置於第二包層上之活性層、設置於活性層上之p型之第三包層、設置於第三包層上之表面電極、設置於半導體基板下之背面電極，以及設置於第一包層與第二包層間之p型之擴散抑制層。

Description

半導體裝置
本發明係關於半導體裝置。
專利文獻1揭露半導體雷射。該半導體雷射包含：p型包層(clad layer)、n型包層，以及設置於p型包層與n型包層間之活性層。活性層與p型包層之間設置由本質半導體(Intrinsic Semiconductor)形成之第一光侷限層。活性層與n型包層之間設置由本質半導體組成之第二光侷限層。第一光侷限層與p型包層之間設置擴散抑制層，以抑制p型包層之雜質往活性層擴散。
擴散抑制層包含n型雜質。因此，p型包層之雜質Zn之擴散不會到達活性層。因此，降低因p型包層之雜質Zn擴散所引起的吸收損失。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2006-253212號公報
發明所欲解決的課題
半導體雷射中，在電極中混入雜質的情況下，透過電流注入會有雜質擴散。若該雜質在活性層附近形成結晶缺陷，恐有使半導體雷射的發光特性劣化之虞。還有，半導體雷射的背面電極會有於整個半導體電射上形成之狀況。在此狀況中，電極中的雜質擴散的影響恐有變得特別大之虞。
本發明的目的為解決上述問題，該目的為得到可以抑制發光特性之降低的半導體裝置。 用以解決課題的手段
關於本申請之第一發明之半導體裝置，包含：半導體基板；n型之第一包層，設置於該半導體基板上；n型之第二包層，設置於該第一包層之上；活性層，設置於該第二包層之上；p型之第三包層，設置於該活性層之上；表面電極，設置於該第三包層之上；背面電極，設置於該半導體基板之下；以及，p型之擴散抑制層，設置於該第一包層與該第二包層之間。
關於本申請之第二發明之半導體裝置，包含：半導體基板；第一導電型之第一包層，設置於該半導體基板上；該第一導電型之第二包層，設置於該第一包層之上；活性層，設置於該第二包層之上；第二導電型之第三包層，設置於該活性層之上；表面電極，設置於該第三包層之上；背面電極，設置於該半導體基板之下，設置的範圍比該表面電極更廣；以及，該第二導電型之擴散抑制層，設置於該第一包層與該第二包層之間。
關於本申請之第三發明之半導體裝置，包含：半導體基板；第一導電型之第一包層，設置於該半導體基板上；活性層，設置於該第一包層之上；第二導電型之第二包層，設置於該活性層之上；表面電極，設置於該第二包層之上；背面電極，設置於該半導體基板之下；以及，繞射光柵層，設置於該第一包層或是該第二包層其中一者之包層，與該包層之導電型不同。
關於本申請之第四發明之半導體裝置，包含：半導體基板；第一導電型之第一包層，設置於該半導體基板上；活性層，設置於該第一包層之上，為該第一導電型或是第二導電型之任一者；該第二導電型之第二包層，設置於該活性層之上；表面電極，設置於該第二包層之上；背面電極，設置於該半導體基板之下；以及，埋入層，與該活性層相同導電型，設置於該活性層的側面。 發明的效果
關於本申請之第一、第二發明之半導體裝置中，包層上設有與包層不同導電型之擴散抑制層。因此，可以將雜質限制在包層與活性層間的pn接面。因此，可以抑制雜質到達活性層，抑制發光特性之降低。 關於本申請之第三發明之半導體裝置中，包層上設有與包層不同導電型之繞射光柵層。因此，可以將雜質限制在包層與繞射光柵層間的pn接面。因此，可以抑制雜質到達活性層，抑制發光特性之降低。 關於本申請之第四發明之半導體裝置中，在活性層的側面形成與活性層相同導電型之埋入層。經由如此，活性層內部不會形成pn接面，可以抑制雜質往活性層內部蓄積。因此，可以抑制抑制發光特性之降低。
參照圖式針對關於本發明之實施方式之半導體裝置做說明。相同或對應之構成元件標示為相同符號，且有些情況下省略反覆之說明。 實施方式1
第1圖為關於實施方式1之半導體裝置100之剖面圖。半導體裝置100為半導體雷射等之半導體裝置。半導體裝置100舉例來說用在光通訊之用途上。半導體裝置100包含半導體基板10。半導體基板10上設有n型之第一包層12。第一包層12上設有n型之第二包層14。第一包層12與第二包層14之間設有p型之擴散抑制層40。
第二包層14的上側寬度比下側更窄。也就是說第二包層14具有台面(mesa)部。第二包層14之台面部上設有無摻雜之活性層20。活性層20上設有p型之第三包層30。第二包層14之台面部、活性層20以及第三包層30形成層板台面11。第二包層14之台面部、活性層20以及第三包層30，從與波導方向垂直之方向的橫斷面看來，寬度比起半導體基板10、第一包層12或是擴散抑制層40更窄。第二包層14之台面部、活性層20以及第三包層30之側面嵌入埋入層50。
第三包層30以及埋入層50上設有p型之第四包層32。第四包層32上設有p型接觸層34。
第一包層12、擴散抑制層40、第二包層14、埋入層50、第四包層32，以及接觸層34，被蝕刻直到半導體基板10為止。藉由如此，在半導體基板10上形成台面型之雷射部。雷射部上面之一部分以及側面覆蓋絕緣膜60。絕緣膜60於接觸層34之上形成開口。
接觸層34上設有表面電極80。表面電極80覆蓋絕緣膜60側面的一部分以及上面。表面電極80於絕緣膜60之開口與接觸層34接觸。
半導體基板10的下面設有背面電極70。背面電極70設置於半導體基板10之整個背面。
接下來，說明半導體裝置100的製造方法。此處顯示n型之InP基板上具有AlGaInAs活性層之半導體雷射之例子。以下所示之材質、膜厚、濃度、寬度、高度等為一例示。
半導體基板10為n型之InP基板。首先，在半導體基板10之100面上，將第一包層12、擴散抑制層40、第二包層14、活性層20，以及第三包層30依序成長。成長方法使用金屬有機化學氣相沉積法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）。
第一包層12由n型之InP形成。第一包層12之膜厚為0.5μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。擴散抑制層40由p型之InP形成。擴散抑制層40之膜厚為0.5μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。第二包層14由n型之InP形成。第二包層14之膜厚為1.5μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。活性層20由未摻雜之AlGaInAs形成。活性層20之膜厚為0.3μm。第三包層30由p型之InP形成。第三包層30之膜厚為0.3μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。
接下來，在第三包層30上，形成往＜011＞方向延伸條狀之SiO2 遮罩。SiO2 遮罩之寬度為1.5μm。SiO2 遮罩經由光刻技術形成。接下來，藉由使用SiO2 遮罩進行乾蝕刻，形成條狀之層板台面11。層板台面11之高度為2.0μm。
之後，在層板台面11之兩側，使第一埋入層、第二埋入層、第三埋入層依序經由MOCVD法成長。第一埋入層由p型之InP形成。第一埋入層之膜厚為0.5μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。第二埋入層由n型之InP形成。第二埋入層之膜厚為1.2μm，摻雜濃度為5.0×1018 cm-3 。第三埋入層由p型之InP形成。第三埋入層之膜厚為0.3μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。第一埋入層、第二埋入層、第三埋入層形成埋入層50。埋入層50成為pnp構造，作為電流阻隔層作用。
接下來，經由氫氟酸除去SiO2 。之後，第三包層30與埋入層50上，以第四包層32、接觸層34之順序經由MOCVD法成長。第四包層32由p型之InP形成。第四包層32之膜厚為2.0μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。接觸層34由p型之InP形成。接觸層34之膜厚為0.3μm，摻雜濃度為1.0×1019 cm-3 。
之後，在包含條狀活性層之區域形成條狀之SiO2 遮罩。也就是說，由平面圖看來，SiO2 遮罩設於與層板台面11重疊之位置。SiO2 遮罩之寬度為5μm。SiO2 遮罩經由光刻形成。接下來，使用SiO2 遮罩，經由HBr將磊晶構造蝕刻直到半導體基板10為止。經由如此，可以除去磊晶構造外未覆蓋SiO2 遮罩之部分。從以上方式，形成台面型雷射部。
接下來，在整個台面型雷射部形成絕緣膜60。舉例而言，絕緣膜60由SiO2 形成。接下來，絕緣膜60中包含條狀活性層寬度3μm之部分經由乾蝕刻做出開口。也就是說，絕緣膜60中之層板台面11之正上方部分形成開口。
接下來，在接觸層34以及絕緣膜60上，氣相沈積形成表面電極80。表面電極80由Au形成。還有，在半導體基板10之背面氣相沈積形成背面電極70。背面電極70舉例來說由Au形成。從以上方式，完成半導體裝置100之構造。
一般之半導體裝置，藉由在活性層注入電流，生成對應活性層之帶隙能量之波長之光。作為光半導體裝置之構造，活性層之上下被p型與n型的包層包夾，大多採用在兩包層形成歐姆電極之構造。
在半導體雷射中，會有電極中混入意料外之雜質的情況。此時，經由電流注入而擴散之雜質，會有在活性層附近形成結晶缺陷的情況。在此情況中，會有半導體雷射之發光特性惡化之虞。
另一方面，可以將在Au電極與半導體層之間形成的位障金屬作為對策。位障金屬由Pt或是W等形成。然而，位障金屬有增加電阻之虞。另外，位障金屬自身混入雜質的情況中，與習知技術同樣有經由通電使雜質擴散到活性層附近之虞。
另外，表面電極為了高速運作大多被加工成電極面積較小。另一方面，背面電極大多普遍地形成於半導體基板之整個背面。因此，可以想像由背面電極中的雜質產生的影響特別大。
作為本實施方式的比較例，可以想像半導體基板與活性層之間設置的n型包層之中沒有p型擴散抑制層之構造。該構造中，面積大的背面電極包含離子化雜質經由電子電流擴散，有蓄積於活性層附近之pn接面之虞。進一步繼續通電時，在pn接面蓄積之雜質周邊的空間電荷區域中，再結合電流增加。因此，發光領域中少數載子壽命減少，有半導體雷射之發光效率降低之虞。
針對這個，本實施方式中，第一包層12與第二包層14之間存在p型之擴散抑制層40。藉由如此，可以將離子化雜質限制在n型之包層與p型之擴散抑制層40所形成之pn接面。因此，可以抑制雜質到達活性層20。從而，可以抑制雜質蓄積於活性層20附近。另外，即使在InP包層中離子化雜質普遍存在，對活性層之發光也沒有影響。從而，可以抑制發光效率降低。
本實施方式中顯示埋入式雷射之例子。不僅如此，脊型(ridge-type)雷射等其他構造也可預期同樣的效果。另外，本實施方式適用於埋入式雷射的情況中，p型之擴散抑制層40位於層板台面11中也可以預期同樣的效果。
本實施方式中，背面電極70設置於半導體基板10之整個背面。不僅如此，背面電極70設置的範圍可以比表面電極80更廣。另外，背面電極70與半導體基板10的接觸面積可以比表面電極80與接觸層34之接觸面積更大。
另外，各層之導電型不限於本實施方式所示。也就是說，第一包層12與第二包層14可以是n型與p型之一者之第一導電型，擴散抑制層40與第三包層30可以是n型與p型之另一者之第二導電型。
另外，活性層20不限於AlGaInAs，也可以由InGaAsP形成。
另外，擴散抑制層40也可以由AlInAs等價電子帶之障壁大的材料形成。藉由如此，可以更改善限制住雜質的效果。另外，擴散抑制層40也可以包含Ga或者Al。
另外，半導體基板10、第一包層12、第二包層14，以及擴散抑制層40之載子濃度也可以在1.0×1017 cm-3 以上、1.0×1019 cm-3 以下。若在這個範圍中，可以控制InP系之p、n摻雜濃度。
另外，較佳地，擴散抑制層40之膜厚為100nm以下。因為InP系之p、n摻雜濃度為1.0×1017 cm-3 的情況中，空乏層的厚度約為100nm。另外，較佳地，擴散抑制層40之膜厚為2nm以上。若在這個範圍中，普遍可以控制膜厚。
另外，也可以設置含氧層代替擴散抑制層40。此狀況中，電極之雜質與氧結合而停留。因此可以抑制雜質到達活性層20。
另外，本實施方式中活性層20下面之包層設有擴散抑制層40。不僅如此，擴散抑制層40也可以設置於活性層20上之包層。在此狀況中，擴散抑制層40為n型。藉由如此，可以將離子化雜質限制在p型之包層與n型之擴散抑制層40形成之pn接面。從而，可以抑制表面電極80之雜質到達活性層20。
第2圖為關於實施方式1之變形例之半導體裝置200之剖面圖。在半導體裝置200中，第三包層30與埋入層50上設有p型之第四包層232。第四包層232上設有n型之擴散抑制層242。擴散抑制層242上設有p型之第五包層233。其他構成與半導體裝置100相同。
像這樣，活性層20的上下可以設有擴散抑制層40、242。經由如此，可以將表面電極80與背面電極70之雜質之擴散限制在擴散抑制層40、242。
這些變形可以針對關於以下實施方式之半導體裝置適宜地應用。另外，因為關於以下的實施方式之半導體裝置與實施方式1有許多共通點，將著重於說明與實施方式1的相異點。 實施方式2
第3圖為關於實施方式2之半導體裝置300之剖面圖。第4圖為第3圖之擴大圖。第3、4圖為半導體裝置300與波導方向垂直的橫斷面之一例示。半導體裝置300設有替代擴散抑制層40之繞射光柵層340的特點與實施方式1不同。
在半導體裝置300中，半導體基板10上設有第一包層312。第一包層312之上側寬度比下側寬度更窄。也就是說，第一包層312具有台面部。第一包層312之台面部上設有p型之繞射光柵層340。繞射光柵層340上設有n型之第二包層316。
第二包層316上設有未摻雜之活性層20。活性層20上設有p型之第三包層30。第一包層312之台面部、繞射光柵層340、第二包層316、活性層20，以及第三包層30形成層板台面11。第一包層312之台面部、繞射光柵層340、第二包層316、活性層20，以及第三包層30，從剖面圖看來寬度比半導體基板10更窄。第一包層312之台面部、繞射光柵層340、第二包層316、活性層20，以及第三包層30之側面嵌入埋入層50。其他構成與半導體裝置100相同。
接下來說明半導體裝置300的製造方法。此處，顯示在n型InP基板上具有AlGaInAs活性層之分佈回饋(Distributed Feedback，DFB)雷射之例子。首先，半導體基板10之100面上，形成第一包層312、繞射光柵層340，以及第二包層316。這些層舉例來說，經由MOCVD形成。
第一包層312由n型之InP形成。第一包層312之膜厚為0.5μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。繞射光柵層340由p型之InGaAsP形成。繞射光柵層340之膜厚為0.05μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。第二包層316由n型之InP形成。第二包層316之膜厚為0.05μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。
接著，經由化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法，於整個第二包層316形成SiO2 遮罩。接下來，於SiO2 遮罩以一定間隔形成複數個開口。開口經由光刻技術形成。開口往＜011＞方向以0.24μm的間隔形成。另外，開口的長度為0.12μm，寬度為10μm。
接下來，經由乾蝕刻於SiO2 遮罩下的磊晶層形成繞射光柵。接下來，經由氫氟酸除去SiO2 。接下來，藉由n型之InP層埋入露出之繞射光柵。埋入經由MOCVD法進行。n型之InP層之膜厚為0.2μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。
連續地，將活性層20以及第三包層30依此順序成長。活性層20由未摻雜AlGaInAs形成。活性層20之膜厚為0.3μm。第三包層30之膜厚為0.3μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。
藉由以上製造方法，可以於波導方向形成具有p型與n型之週期構造之繞射光柵。繞射光柵之p型層為繞射光柵層340，n型層為繞射光柵層340間填充之InP層。之後的製造方法與實施方式1相同。
本實施方式中，n型包層內設有p型繞射光柵層340。經由如此，背面電極70與活性層20之間，週期地形成pn接面。因此，可以將背面電極70之離子化雜質限制在繞射光柵層340之pn接面。從而，可以抑制雜質到達活性層20。藉由這樣的運作，可以抑制雜質蓄積於活性層20附近，可以抑制半導體裝置300之發光效率降低。
另外，本實施方式之繞射光柵層340，具有作為繞射光柵之功能與限制住雜質的功能兩者。因此，可以有效地抑制發光效率降低。
另外，本實施方式中，繞射光柵層340設置於活性層20下的包層。不僅如此，繞射光柵層340也可以設置於活性層20上的包層。在這種情況中，可以將表面電極80之離子化雜質限制在繞射光柵層340的pn接面。從而，可以抑制半導體裝置300之發光效率降低。像這樣，可以將繞射光柵層340設置於活性層20下部之包層或是活性層20上部之包層其中一者。另外，繞射光柵層340，可以與設有繞射光柵層340之包層有不同的導電型。
另外，各層的導電型不限於本實施方式所示。也就是說，第一包層312與第二包層316可以是n型與p型之一者之第一導電型，繞射光柵層340與第三包層30可以是n型與p型之另一者之第二導電型。
另外，活性層20可以由InGaAsP形成。另外，繞射光柵層340可以包含Ga或者Al。導體或者價電子帶的障壁越大，雜質的摻雜效果可以變得越大。因此，作為繞射光柵層340的材料，藉由選擇容易與InP晶格匹配且形成障壁的Ga或者Al，可以有效率地限制雜質。 實施方式3
第5圖為關於實施方式3之半導體裝置400之剖面圖。本實施方式之特徵為活性層420經過摻雜。
在半導體裝置400中，半導體基板10上設有n型之第一包層12。第一包層12之上側寬度比下側更窄。也就是說第一包層12具有台面部。第一包層12之台面部上設有p型之活性層420。活性層420上設有p型之第三包層30。第一包層12之台面部、活性層420，以及第三包層30形成層板台面11。第一包層12之台面部、活性層420，以及第三包層30，從橫斷面看來，寬度比半導體基板10更窄。其他構造與實施方式1相同。
接下來說明埋入層50之構造。p型之第一埋入層452沿著層板台面11之側面與第一包層12之上面被設置。第一包層12之台面部、活性層420，以及第三包層30之側面被第一埋入層452覆蓋。因此，p型之活性層420之側面設有與活性層420相同導電型之第一埋入層452。
n型之第二埋入層454設置於第一埋入層452上。第二埋入層454被設置為與層板台面11的上面高度相同。p型之第三埋入層456設置於第二埋入層454上。第一埋入層452、第二埋入層454，以及第三埋入層456形成埋入層50。更進一步地，埋入層50之構造在實施方式1、2中相同。
接下來說明半導體裝置400之製造方法。此處顯示n型之InP基板上具有AlGaInAs活性層之半導體雷射之例子。首先，半導體基板10的100面上，將第一包層12、活性層420，以及第三包層30依序成長。第一包層12由n型之InP形成。第一包層12之膜厚為1.0μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。活性層420由p型之AlGaInAs形成。活性層420之膜厚為0.3μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。第三包層30由p型之InP形成。第三包層30之膜厚為0.3μm，摻雜濃度為1.0×1018 cm-3 。之後的製造方法與實施方式1相同。
本實施方式中，摻雜活性層420，使活性層420與第一埋入層452有相同導電型。此時，活性層420之內部沒有形成pn接面。藉由如此，可以抑制雜質蓄積於活性層420內部。從而，可以抑制半導體裝置400的發光效率降低。
作為本實施方式之變形例，不限於本實施方式所示之各層的導電型。本實施方式中，雖然顯示活性層420與第一埋入層452為p型之例子，兩者為n型也可以預期同樣的效果。也就是說，第一包層12可以為n型與p型之一者之第一導電型，第三包層30可以是n型與p型之另一者之第二導電型。另外，活性層420可以是第一導電型或是第二導電型之任一者。此時，第一埋入層452與活性層420有相同導電型。
另外，在各實施方式說明之技術特徵可以適宜地組合利用。
10:半導體基板 11:層板台面 12:第一包層 14:第二包層 20:活性層 30:第三包層 32:第四包層 34:接觸層 40:擴散抑制層 50:埋入層 60:絕緣膜 70:背面電極 80:表面電極 100:半導體裝置 200:半導體裝置 232:第四包層 233:第五包層 242:擴散抑制層 300:半導體裝置 312:第一包層 316:第二包層 340:繞射光柵層 400:半導體裝置 420:活性層 452:第一埋入層 454:第二埋入層 456:第三埋入層
第1圖為關於實施方式1之半導體裝置之剖面圖。 第2圖為關於實施方式1之變形例之半導體裝置之剖面圖。 第3圖為關於實施方式2之半導體裝置之剖面圖。 第4圖為第3圖之擴大圖。 第5圖為關於實施方式3之半導體裝置之剖面圖。
10:半導體基板
11:層板台面
12:第一包層
14:第二包層
20:活性層
30:第三包層
32:第四包層
34:接觸層
40:擴散抑制層
50:埋入層
60:絕緣膜
70:背面電極
80:表面電極
100:半導體裝置

Claims (8)

  1. 一種半導體裝置，包括：半導體基板；n型之第一包層，設置於前述半導體基板上；n型之第二包層，設置於前述第一包層上；活性層，設置於前述第二包層上；p型之第三包層，設置於前述活性層上；表面電極，設置於前述第三包層上；背面電極，設置於前述半導體基板下；以及p型之擴散抑制層，設置於前述第一包層與前述第二包層之間。
  2. 一種半導體裝置，包括：半導體基板；第一導電型之第一包層，設置於前述半導體基板上；前述第一導電型之第二包層，設置於前述第一包層上；活性層，設置於前述第二包層上；第二導電型之第三包層，設置於前述活性層上；表面電極，設置於前述第三包層上；背面電極，設置於前述半導體基板下，設置的範圍比前述表面電極更廣；以及擴散抑制層，為前述第二導電型，設置於前述第一包層與前述第二包層之間。
  3. 如請求項1之半導體裝置，其中前述背面電極設置的範圍比前述表面電極更廣。
  4. 如請求項1至3中任一項之半導體裝置，其中前述第三包層之寬 度比前述半導體基板更窄。
  5. 如請求項1至3中任一項之半導體裝置，其中前述背面電極設置於前述半導體基板之整個背面。
  6. 如請求項1至3中任一項之半導體裝置，其中前述半導體基板、前述第一包層、前述第二包層、前述第三包層，以及前述擴散抑制層由InP形成；前述活性層由InGaAsP或者AlGaInAs形成。
  7. 如請求項1至3中任一項之半導體裝置，其中前述半導體基板、前述第一包層、前述第二包層，以及前述第三包層由InP形成；前述活性層由InGaAsP或者AlGaInAs形成；前述擴散抑制層包含Ga或者Al。
  8. 如請求項1至3中任一項之半導體裝置，其中前述半導體基板、前述第一包層，以及前述第二包層之載子濃度為1×1017cm-3以上、1×1019cm-3以下；前述擴散抑制層之載子濃度為1×1017cm-3以上、1×1019cm-3以下；前述擴散抑制層之膜厚為2nm以上、100nm以下。
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