TWI818580B - 半導體元件的製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種半導體元件的製造方法，包括：提供一半導體堆疊層，其中半導體堆疊層包括依序堆疊的一第一型半導體層、一量子井層及一第二型半導體層；在第二型半導體層上成長一氮化鋁層；以及對氮化鋁層進行退火處理，以達到量子井互混的效果。
Description
本發明是有關於一種半導體元件的製造方法。
不同的半導體材料可以製作成各式各樣的光電元件，包括發光元件、光接收器、光波導或調變器等。在發光元件的領域中，高功率半導體雷射在先進製造等領域的應用很廣，為關鍵模組。然而，雷射元件需有一共振腔，而共振腔的兩端需有鏡面，此類雷射的輸出功率受鏡面災難性光學損傷（catastrophic optical damage, COD）而導致的元件特性劣化所限制，因此非吸收式鏡（Non-absorbing mirror, NAM）結構對高功率半導體雷射的製作屬關鍵技術。簡而言之，NAM的設計可將鏡面端的能隙提高（相對於遠離鏡面端區域中主動層的能隙）、吸收係數降低、減少光激載子密度及減少非輻射性再結合所產生的熱，用以提高鏡面端的COD閥值及雷射二極體元件的可靠度。這是基於雷射二極體元件結構中量子井互混（quantum-well intermixing）的原理。
因此，如何提高量子井互混時的鏡面端能隙提高程度及增加元件的可靠度為業界及各研究單位所亟欲研究出來的。
本發明提供一種半導體元件的製造方法，可以有效提高量子井互混時的鏡面端能隙的提高程度，且可有效增加元件的可靠度。
本發明的一實施例提出一種半導體元件的製造方法，包括：提供一半導體堆疊層，其中半導體堆疊層包括依序堆疊的一第一型半導體層、一量子井層及一第二型半導體層；在第二型半導體層上成長一氮化鋁層；以及對氮化鋁層進行退火（anneal）處理，以達到量子井互混的效果。
在本發明的實施例的半導體元件的製造方法中，採用成長氮化鋁層並對氮化鋁層進行退火處理的方式，來達到量子井互混的效果。經實驗證明，採用氮化鋁層來退火可以有效提高量子井互混時的鏡面端能隙的提高程度，且氮化鋁層具有較優異的機械及熱力性質，可有效提升元件的可靠度。
圖1A與圖1B為繪示本發明的一實施例的半導體元件的製造方法的流程的剖面示意圖。請參照圖1A與圖1B，本實施例的半導體元件的製造方法包括下列步驟。首先，請參照圖1A，提供一半導體堆疊層100，其中半導體堆疊層100包括依序堆疊的一第一型半導體層120、一量子井層140及一第二型半導體層160。第一型例如為N型，第二型例如為P型。然而，在其他實施例中，也可以是第一型為P型，而第二型為N型。在本實施例中，半導體堆疊層100更包括一第一型波導層130及一第二型波導層150，第一型波導層130配置於量子井層140與第一型半導體層120之間，第二型波導層150配置於量子井層140與第二型半導體層160之間，其中半導體堆疊層100形成一半導體雷射結構，第一型半導體層120為第一型披覆層，而第二型半導體層160為第二型披覆層。
在本實施例中，第一型半導體層120下方設有一基板50。具體而言，基板50例如是一成長基板，而半導體堆疊層100的形成方式可是依序在基板50上成長一第一型緩衝層110、第一型半導體層120、第一型波導層130、量子井層140、第二型波導層150及第二型半導體層160。此外，量子井層140可以是多重量子井層或單層量子井層。
在本實施例中，基板50、第一型緩衝層110、第一型半導體層120、第一型波導層130、量子井層140、第二型波導層150及第二型半導體層160的材質例如是三-五族半導體，然而，在其他實施例中，也可以是二-六族半導體或其他半導體。此外，基板50也可以是藍寶石基板。在一實施例中，基板50例如為N型砷化鎵基板，第一型緩衝層110的材質例如為N型砷化鎵，第一型半導體層120的材質例如為N型磷化銦鋁，第一型波導層130的材質例如為N型磷化銦鋁鎵，量子井層140的材質例如為磷化銦鎵，笫二型波導層150的材質例如為P型磷化銦鋁鎵，第二型半導體層160的材質例如為P型磷化銦鋁，但本發明不以此為限。
接著，在第二型半導體層160上成長一氮化鋁層200。然後，對氮化鋁層200進行退火處理，以達到量子井互混的效果。在本實施例中，量子井層140包括相對的一出光側142與一反射側144，出光側142與反射側144的排列方向垂直於半導體堆疊層100的堆疊方向DS。出光側142與反射側144之間可以形成雷射的共振腔。在本實施例中，對氮化鋁層200進行退火處理的方法可以是以雷射光束60對氮化鋁層200位於出光側142上方的部分210加熱。當以雷射光束60對氮化鋁層200位於出光側142上方的部分210加熱時，量子井層140位於出光側142中的元素（例如三族元素）會產生擴散效果，且與量子井層140鄰近的膜層在靠近出光側142的一側中的元素（例如三族元素）也會產生擴散效果，而使得量子井層140與鄰近的膜層在靠近出光側142處的元素（例如三族元素）產生互混（例如是能井層與能障層中的三族元素互混），而使得量子井層140在出光側142的部分的能隙增加，以形成非吸收式鏡結構。此利用加熱氮化鋁層200來達到量子井互混以形成非吸收式鏡結構的製作方式為無雜質空位無序化（impurity free vacancy disordering, IFVD），其對元件的光及電特性的劣化程度會是最輕微的。此外，在本實施例中，以雷射光束60對氮化鋁層200位於出光側142上方的部分210加熱即是採用雷射退火在選定的區域作局部的處理，如此可有效降低熱預算（thermal budget）及縮短製程時間。在一實施例中，可利用雷射光束60掃描氮化鋁層200位於出光側142上方的邊緣部分（即部分210），但本發明不以此為限。在其他實施例中，也可以採用其他的退火方式對氮化鋁層200進行退火，例如採用高溫爐進行退火。
之後，請參照圖1B，形成一第一電極310，其電性連接至第一型半導體層110。在本實施例中，第一電極310形成於基板50背對第一型半導體層110的一側，而第一電極310透過基板50電性連接至第一半導體層110。此外，在氮化鋁層200上形成一第二電極320，並使第二電極320電性連接至第二型半導體層160。具體而言，可對氮化鋁層200作選擇性蝕刻，也就是蝕刻部分的氮化鋁層200，以暴露出部分的第二型半導體層160。然後，再將第二電極320形成於被暴露出的部分的第二型半導體層160上及氮化鋁層200上。
另外，可在半導體堆疊層100的一第一側S1形成一反射鍍膜410，其中反射側144位於第一側S1。再者，可在半導體堆疊層100的一第二側S2形成一抗反射鍍膜420，其中出光側142位於第二側S2。在本實施例中，反射鍍膜410例如為一高反射鍍膜，其對量子井層140所發出的光可以有大於90%的反射率。抗反射鍍膜420與位於出光側142的非吸收式鏡結構對於量子井層140所發出的光可以有小於10%的反射率。如此一來，當對第二電極320與第一電極310施加順向電壓時，量子井層140所發出的光會在反射側144與出光側142之間所形成的共振腔中共振，並從出光側142射出雷射光束70。如此一來，所形成的整體結構便為一半導體元件80，而在本實施例中，半導體元件80例如為一半導體雷射元件。然而，在其他實施例中，半導體元件80也可以改成其他的半導體元件，例如其他的發光元件（例如發光二極體）、光接收器、光波導或調變器，只要是使用了配置於半導體堆疊層上的氮化鋁層並經過退火處理的半導體元件的製造方法，都屬於本發明的保護範圍。
圖2A繪示圖1A的半導體堆疊層在氮化鋁層無退火時及在氮化鋁層以800、850、900及950°C退火後的光致螢光光譜，圖2B為以氮化鋁層、氮化矽層及二氧化矽層覆蓋圖1A的第二型半導體層並多種不同溫度退火後，半導體堆疊層的光致螢光光譜的藍程程度分布圖。請參照圖1A與圖2A，採用氮化鋁層並以950°C退火後，半導體堆疊層100的光致螢光光譜的波峰相對於氮化鋁層無退火時半導體堆疊層100的光致螢光光譜的波峰的藍移程度高達47.9奈米（nanometer, nm），且由圖2B可知，採用氮化鋁（aluminum nitride, AlN）層200來退火，可以比採用氮化矽（silicon nitride, SiN）層或二氧化矽（silicon dioxide, SiO
2）層來退火達到更高的藍程程度。由圖2A與圖2B的實驗數據可知，採用氮化鋁層200來退火可以有效提高量子井互混時的鏡面端能隙的提高程度，以使在出光側142非吸收式鏡結構的能隙較大而更不容易吸收量子井層140所發出的光，進而達到更高的COD閥值及更為可靠的半導體元件80。另一方面，氮化鋁層200相較於二氧化矽層在機械及熱力性質上更為優異，亦即相對於二氧化矽層，需要對氮化鋁層200施加更高溫的熱才會產生相同的應力（stress）。因此，氮化鋁層200的性質較為穩定，能夠有效提升半導體元件80的可靠度。
圖3A是圖1B的半導體元件的操作功率相對於操作電流的曲線圖，而圖3B為圖1B的半導體元件在使用一段時間後的輸出功率與起始的輸出功率的比值相對於使用時間的曲線圖。請參照圖3A與圖1B，由圖3A可看出，半導體元件80的COD閥值約為26.5瓦特（watt, W），由此可驗證本發明的實施例的半導體元件80具有高COD閥值。另外，請參照圖3B與圖1B，由圖3B可看出半導體元件80的起始的輸出功率P與半導體元件80在使用一段時間後的輸出功率Po與的比值頗為穩定，不太會因為使用時間拉長而上升。由圖3B可知，半導體元件80的起始輸出功率P與半導體元件80使用1150小時後的輸出功率Po的比值約為1.007，由此可知半導體元件80不太容易因為使用時間拉長而導致輸出功率Po下降。
綜上所述，在本發明的實施例的半導體元件的製造方法中，採用成長氮化鋁層並對氮化鋁層進行退火處理的方式，來達到量子井互混的效果。經實驗證明，採用氮化鋁層來退火可以有效提高量子井互混時的鏡面端能隙的提高程度，且氮化鋁層具有較優異的機械及熱力性質，可有效提升元件的可靠度。
50:基板
60、70:雷射光束
80:半導體元件
100:半導體堆疊層
110:第一型緩衝層
120:第一型半導體層
130:第一型波導層
140:量子井層
142:出光側
144:反射側
150:第二型波導層
160:第二型半導體層
200:氮化鋁層
210:部分
310:第一電極
320:第二電極
410:反射鍍膜
420:抗反射鍍膜
DS:堆疊方向
P:半導體元件的起始的輸出功率
Po:半導體元件在使用一段時間後的輸出功率
S1:第一側
S2:第二側
圖1A與圖1B為繪示本發明的一實施例的半導體元件的製造方法的流程的剖面示意圖。
圖2A繪示圖1A的半導體堆疊層在氮化鋁層無退火時及在氮化鋁層以800、850、900及950°C退火後的光致螢光光譜。
圖2B為以氮化鋁層、氮化矽層及二氧化矽層覆蓋圖1A的第二型半導體層並多種不同溫度退火後，半導體堆疊層的光致螢光光譜的藍程程度分布圖。
圖3A是圖1B的半導體元件的操作功率相對於操作電流的曲線圖。
圖3B為圖1B的半導體元件在使用一段時間後的輸出功率與起始的輸出功率的比值相對於使用時間的曲線圖。
50:基板
60:雷射光束
100:半導體堆疊層
110:第一型緩衝層
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130:第一型波導層
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142:出光側
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160:第二型半導體層
200:氮化鋁層
210:部分
DS:堆疊方向
Claims (8)
- 一種半導體元件的製造方法，包括：提供一半導體堆疊層，其中該半導體堆疊層包括依序堆疊的一第一型半導體層、一量子井層及一第二型半導體層；在該第二型半導體層上成長一氮化鋁層；以及對該氮化鋁層進行退火處理，以達到量子井互混的效果，其中，該量子井層包括相對的一出光側與一反射側，該出光側與該反射側的排列方向垂直於該半導體堆疊層的堆疊方向，且對該氮化鋁層進行退火處理的方法包括：以雷射光束對該氮化鋁層位於該出光側上方的部分加熱。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，其中該半導體堆疊層更包括：一第一型波導層，配置於該量子井層與該第一型半導體層之間；以及一第二型波導層，配置於該量子井層與該第二型半導體層之間，其中該半導體堆疊層形成一半導體雷射結構。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，其中當以該雷射光束對該氮化鋁層位於該出光側上方的部分加熱時，該量子井層在該出光側的部分的能隙會增加，以形成非吸收式鏡結構。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，更包括：在該半導體堆疊層的一第一側形成一反射鍍膜，其中該反射側位於該第一側；以及 在該半導體堆疊層的一第二側形成一抗反射鍍膜，其中該出光側位於該第二側。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，其中該量子井層為多重量子井層。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，其中該量子井層為單層量子井層。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，其中該第一型半導體層下方設有一基板。
- 如請求項1所述的半導體元件的製造方法，更包括：形成一第一電極，其電性連接至該第一型半導體層；以及在該氮化鋁層上形成一第二電極，並使該第二電極電性連接至該第二型半導體層。
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|---|---|---|---|
| TW111121484A TWI818580B (zh) | 2022-06-09 | 2022-06-09 | 半導體元件的製造方法 |
Publications (2)
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| TWI818580B true TWI818580B (zh) | 2023-10-11 |
| TW202349813A TW202349813A (zh) | 2023-12-16 |
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ID=89076900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| TW111121484A TWI818580B (zh) | 2022-06-09 | 2022-06-09 | 半導體元件的製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| US (1) | US20230402822A1 (zh) |
| TW (1) | TWI818580B (zh) |
Citations (4)
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| CN1528036A (zh) * | 2001-02-16 | 2004-09-08 | ����˹���ѧ���»� | 包括多个光学有源区的半导体激光器 |
| TW200908373A (en) * | 2007-08-07 | 2009-02-16 | Univ Nat Sun Yat Sen | Quantum well intermixing method |
| TW201826650A (zh) * | 2016-12-15 | 2018-07-16 | 日商瑞薩電子股份有限公司 | 半導體雷射、光源單元、通信系統及波長分割多重光通信系統 |
| CN114068444A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-02-18 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用 |
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2022
- 2022-06-09 TW TW111121484A patent/TWI818580B/zh active
- 2022-11-09 US US17/983,400 patent/US20230402822A1/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1528036A (zh) * | 2001-02-16 | 2004-09-08 | ����˹���ѧ���»� | 包括多个光学有源区的半导体激光器 |
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| US20230402822A1 (en) | 2023-12-14 |
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