改进电光特性的半导体发光器件及其制作方法

专利名称：改进电光特性的半导体发光器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及有一种用于垂直于作用区域平面发射光的具有谐振腔结构的半导体发光器件及该器件的制作方法，特别是涉及一种上部电极窗中轴和氧化层电流孔中轴自动对准的半导体发光器件及其制作方法，谐振光通过该上部电极窗发射。
背景技术：
半导体发光器件首先是由通用电气(GE)专家于1962年研制成功的，目的是通过在复合半导体内的PN节上加正向电压使电子和空穴复合，从而产生具有相应于由半导体结构而定的频带间隙能量的波长的光。
半导体发光器件根据发光过程分为发光二极管和半导体激光器，发光二极管通过自发辐射发射非相干光，半导体激光器通过受激辐射发射相干光。
半导体激光器根据反射器的位置分成法布里—珀罗(Farby-Perot)半导体激光器和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其中Farby-Perot半导体激光器的反射器定位在芯片的相对两侧，而在VCSEL的谐振腔结构里反射器水平放置在芯片内。
VCSEL在半导体材料层叠放的方向发射近圆的高斯光束，所以其不需要光学系统来校正光束形状。而且，由于VCSEL的尺寸很小，多个激光器就可以一体地做到一个半导体晶片上。所以VCSEL在光学上有广泛的应用领域，如光通信、电子计算机、自动视频装置、激光打印机、激光扫描仪和医疗器械。
图1A到1E说明了制造VCSEL传统方法。如图1A所示，下部反射层13、作用层15、预氧化层17和上部反射层19依次叠放在衬底10上。衬底10由例如包含n型杂质的半导体材料构成。下部反射层13掺杂有与衬底10相同类型的杂质并且通过例如在衬底10上叠放20到30层n型砷化镓(GaAs)构成，在每层中镓和砷的比例都不同。上部反射层19由与下部反射层13相同的半导体材料构成但包含与下部反射层所含杂质相反类型的杂质。换句话说，上部反射层19由p型GaAs构成。预氧化层17在蒸汽中经受水平氧化过程。
此后，如图1B所示，进行干蚀刻过程以形成间隙21，从而在衬底10上形成多个VCSEL柱I、II和III，光将通过每个VCSEL柱独立辐射。当继间隙21形成后形成氧化气时，预氧化层17从外到内水平地氧化，从而形成一水平氧化的高电阻部分18和没有氧化的电流孔17，如图1C所示。
接着如图1D所示，为了防止柱体在衬底10的抛光过程中损坏，间隙21中填满聚酰亚胺23。于是，填满间隙21的聚酰亚胺23被平面化以与周围处于同一水平面。此后，将所得结构翻转并通过抛光过程将衬底10的大部分去掉。
接下来，如图1E所示，具有窗口25a的上部电极25在VCSEL柱I、II、III和聚酰亚胺23上面形成，下部电极27则形成于抛光后的衬底10′的底面上，从而完成了VCSEL的制作。具有上述结构的VCSELs可以作为单个芯片阵列结构使用或者也可以将其在每个聚酰亚胺部分切开以单独使用。
如图2A所示，根据传统工艺，在柱体形成之后通过水平氧化过程形成的电流孔17和通过光刻工艺形成的上部电极25的窗口25a由于工艺的问题而不精确对准，从而就产生了对准误差，即窗口25a的中轴16和孔17的中轴14彼此偏离。这种对准误差将导致发射光的损失并防碍形成精确的高斯光束，从而降低了VCSEL的电光特性。
考虑到加工中产生的对准误差，如图2B所示，可以采用“电极拉伸”的方式设计VCSEL，即将上部电极25形成为超过高电阻部分18之间的电流孔17的区域。然而，在这种情况下，电流通路30加长，从而将增加整个器件的电阻。另一种方法，根据“电极推压”的方式，将上部电极25形成为延伸到高电阻部分18之间的电流孔17之上，如图2C所示，上部电极窗34的尺寸比电流孔32的尺寸小，所以又产生了发射光的损失。
所以，精确对准上部电极窗的中轴和电流孔的中轴是必要的。

发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种通过精确对准上部电极窗中轴和电流孔中轴而改进了电光特性的半导体发光器件及其制作方法。
为了达到本发明的上述目的，提供一种具有由多层结构构成柱体和柱体之上的电极的半导体发光器件，所述多个层包括至少一层位于衬底上的预氧化层。半导体发光器件通过为了自对准而利用电极进行蚀刻形成柱体以及水平氧化预氧化层到距柱体侧壁特定距离处而制造。
本发明的特征在于，为了对准相应电极窗中轴和在柱体内形成的电流孔，为了自对准而利用电极采用蚀刻的方法形成柱体。
在蚀刻过程中，柱体中包含的预氧化层侧壁暴露出来，且通过氧化过程将预氧化层水平氧化到距其侧壁预定距离处。例如，如果柱体的直径大约为60μm，则约有45-50μm的预氧化层被氧化。通过氧化过程被氧化的预氧化层部分成为高电阻部分，在氧化过程中未被氧化的预氧化层部分成为电流和光通过的电流孔。由于柱体为了自对准而利用电极形成，且电流孔相应于柱体暴露的侧壁形成，则电极窗的中轴和电流孔的中轴自动对准。所以，由于窗口和电流孔之间精确对准，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的电光特性得以提高。
在本发明中，为了防止电极窗在为了自对准而利用电极进行蚀刻的过程中遭到损坏而将其通过光阻材料钝化。与此同时电极的表面也被光阻材料部分或全部地钝化了。当电极的表面被部分地钝化时，即使暴露的电极部分在蚀刻过程中损坏，由光阻材料保护的电极的剩余部分也足以提供作为电极的电导率。


本发明的上述目的及优点通过参照附图对其优选实施例的详细描述而更加清晰图1A到1E为根据传统技术制作垂直腔表面发射激光器(VCSEL)过程中各阶段的截面图；图2A为通过图1A到1E所示方法制作的未对准的VCSEL截面图；图2B为具有电极拉伸结构的VCSEL截面图；图2C为具有电极推压结构的VCSEL截面图；以及图3A到3G为根据本发明实施例的VCSEL制作过程中各阶段的截面图；具体实施方式
下文将参照附图详细描述本发明的一个实施例。本发明的技术特征通过下面的描述将更容易理解。在附图中，相同的标号表示相同部件。
图3A显示了一种用来制作根据本发明的半导体发光器件(下文称作垂直腔表面发射激光器(VCSEL))的叠放的半导体结构。本发明的VCSEL具有叠放半导体结构，其中光沿着垂直于各层平面的方向发射。这种叠放的半导体结构通过外延沉积例如金属-有机物化学蒸汽沉积(MOCVD)，液相取向附生(LPE)，分子束取向附生(MBE)或其它熟知的晶体生长方法而形成。
如图3A所示，叠放半导体结构从底部到顶部包括一衬底10，一下部反射层13，一作用层15，一预氧化层17和一上部反射层19。
根据本发明，在VCSEL的制作过程中首先准备好的衬底10是例如具有高杂质浓度的n型GaAs衬底。例如杂质浓度为5×1018cm-3。GaAs衬底促进AlGaAs或AlAs的外延沉积，这些下面将要讲到。
下部反射层13形成于衬底10上。遇必要时，可以在衬底10上外延沉积的半导体缓冲层例如大约0.5um的GaAs薄膜可以在下部反射层13形成之前而形成。
下部反射层13由具有与衬底10相同电导率的分布式布拉格反射器(DBR)形成，即一n型超点阵结构。下部反射层13通过外延沉积如MOCVD和/或MBE在衬底10上形成。下部反射层13在VCSEL结构内实现内部反射。在下部反射层13内，多个ALxGa1-xAs层和多个ALyGa1-yAs层交替叠放。每一ALyGa1-yAs层大约有10％的低含量的铝，从而其通常具有一预定的折射率。每一ALxGa1-xAs层大约有95％的高含量的铝。优选地是，构成下部反射层13的每一交替层都有一大约是VCSEL所产生的光波长的1/4的有效光学厚度。优选地是，如果可能，在VCSEL内为了获得高内部反射，下部反射层作为整体具有大约100％的反射率。正如所公知的，下部反射层13的反射率依赖于ALxGa1-xAs和ALyGa1-yAs之间折射率的不同及ALxGa1-xAs和ALyGa1-yAs在下部反射层13中的对数。相应的，由于折射率的不同和交替层对数的增加，可以获得高反射率。
作用层15通过外延沉积形成于下部反射层13上。作用层15包括至少一个量子阱层，一围在量子阱层周围的势垒层，和一包围着势垒层的外包层。此处，优选地是，势垒层具有处于量子阱层能带隙和外包层能带隙之间的中间能带隙。作用层15设计成给VCSEL提供足够的光增益。例如，为了制作发射980纳米波长光的VCSEL，作用层15由三个每层8纳米厚的In0.2Ga0.8As量子阱层和包围在每一量子阱层外面的每层10纳米厚的GaAs势垒层交替叠放并形成Al0.5Ga0.8As外包层而形成，从而量子阱层和势垒层夹在外包层之间。图中，量子阱层，势垒层和外包层没有区分，而是为了简化作图以单层表示。
预氧化层17通过外延沉积形成于作用层15上。预氧化层17掺杂有与最近的反射层相同类型的杂质。由于预氧化层17定位于作用层15和上部反射层19之间，则预氧化层17优选地掺杂与上部反射层19相同类型的杂质。例如，预氧化层17掺杂浓度约为1018cm-3的p型杂质。另外，预氧化层17包括柱体和在柱体形成后可部分氧化的含有铝的半导体合金，例如，AlAs或AlGaAs。所以，氧化部分的电阻增加，而未氧化部分作为电流孔使电流和光通过。预氧化层17从由蚀刻过程形成的每一柱体的侧壁开始而向内部氧化，从而氧化部分通常为圆形。这里，氧化部分的形状依赖于氧化过程中柱体的形状和暴露的侧壁的数目。氧化部分的形状会受到包含在预氧化层17内的半导体合金的组成、合金的取向、预氧化层17的厚度和氧化过程条件的影响和控制。例如，在氧化过程中，包含在N2气载体中的水蒸气使AlAs在400-500℃的温度下氧化，从而形成铝氧化物。
典型的是，含有100％Al的AlAs在450℃高温时每分钟约氧化1.5μm，而含有80％Al的AlGaAs每分钟约氧化0.01μm。可以参照授予Holonyak，Jr等人的美国5,262,360和5,373,522号专利和授予Choquette等人的美国5,493,577号专利以获得更多关于氧化部分形状和特定过程的条件的细节。
上部反射层19通过外延沉积形成于预氧化层17上。和下部反射层13一样，上部反射层19也由多个ALxGa1-xAs层和多个ALyGa1-yAs层交替叠放而成。但是，上部反射层19中掺杂与下部反射层13中的杂质具有不同的电导率的杂质。换句话说，当下部反射层13和衬底10由n型掺杂物掺杂时，上部反射层19优选地是由p型掺杂物掺杂。另外，为了降低上部反射层19的反射率从而允许VCSEL发光，将其设计成与下部反射层相比有较少层数。优选地是，上部反射层19通常有98-99％的反射率。
作用层15和预氧化层17夹在下部反射层13和上部反射层19中间。所以，上部反射层19和下部反射层13形成一使作用层15产生的光发生谐振的谐振面。
如图3B所示，上部电极36形成于如图3A所示所形成的结构的上部反射层19之上。上部电极36通过将金属例如AuBe/Ti/Au金属或Cr/Au金属沉积到P型上部反射层19上形成，并且通过掩膜光刻过程或去除过程在预定位置形成一窗口25a。
在上部电极36的窗口25a形成之后，光阻材料38也如图3C所示构图到窗口25a周围。因为暴露的上部电极在后面的蚀刻过程中会损坏，优选地是，将光阻材料覆盖沉积(blanket-deposited)在上部电极36和窗口25a之上。然而，考虑到光阻材料形成时会有误差，因为电极的剩余部分由光阻材料保护而足以维持作为电极的电导率，所以即使电极的一部分如图3C所示暴露在外也没关系。
如图3D所示，利用上部电极36和作为掩膜的光阻材料38进行蚀刻过程，从而形成间隙40和台面式柱体。通过这样一个形成柱体的过程，叠放材料的边缘暴露出来。用湿的或干的蚀刻来完成柱体的形成过程。为了获得侧壁的精确深度和均匀的表面，优选地采用干蚀刻例如活性离子蚀刻(RIE)。RIE在1991年7月23日授权的题为“半导体衬底的等离子蚀刻(Plasma Etching of Semiconductor Substrates)”的5,034,092号美国专利中详细公开。再者，除RIE之外，还可以采用各种类型的干蚀刻，例如活性离子束蚀刻(RIBE)、化学促进的离子束蚀刻(CAIBE)和离子束激活的气体表面化学处理(IBAGSC)(参照1992年5月16日授权的美国题为“用于制造倾斜的衍射光栅的方法(Method for Fabricating an Angled DiffractionGrating)”的5,116,461号专利。)在这种柱体的形成过程中，通过采用反射光测量仪器在现场加工，可以给出精确的蚀刻深度，并且在向下蚀刻预氧化层17后，蚀刻过程可以停止。
如图3D所示的柱体形成之后，在如图3E所示，例如由AlAs形成的预氧化层17上进行氧化过程。这样一个氧化过程在授予Holonyak，Jr.等人的题为“AlGaAs的天然氧化物(AlGaAs Native Oxide)”的美国5,262,360号专利中首次提出，此专利1991年6月24日提交并于1993年11月16日授权。在美国5,262,360号专利中，含铝的III-V族半导体材料暴露在大约375℃的含水环境中，至少一部分含铝材料转化成天然氧化物。
1993年9月7日提交并于1994年12月13日授予Holonyak，Jr.等人专利权的题为“具有天然铝氧化物区域的半导体器件(Semiconductor DevicesWith Native Aluminum Oxide Regions)”的5,373,522号专利要求保护采用的美国5,262,360号专利公开方法氧化的半导体激光器结构。在美国5,373,522号专利中，根据美国5,262,360号专利由铝形成的天然氧化物在半导体激光器中用作电流阻断层。
同时，在1994年12月21日提交并于1996年2月20日授予Choquette等人专利权的题为“有效的半导体发光器件和方法(Effecient SemiconductorLight Emitting Device and Method)”的5,493,577号专利中，根据美国5,373,522号专利形成的电流阻断层用在VCSEL结构中。Choquette介绍了应用电流阻断层的VCSEL的结构和效率。[“选择性氧化的垂直腔激光器的性能和技术(Selectively Oxidized Vertical-Cavity Laser Performance andTechnology)”，IEEE，PP283-288，1998]。
本发明中进行的选择氧化过程和由选择氧化过程形成的电流孔都以上述文献为基础。
换句话说，选择氧化过程通过将VCSEL晶片定位于一容器内并在维持高的湿度百分比的可控条件下进行加热，优选地，在350-500℃，而更优选地是维持400-500℃的温度。此处，预氧化层17从每一蚀刻的柱体的侧壁向柱体中央水平氧化。同时，叠放结构中除预氧化层17之外的其它层都因其铝含量低而未被氧化。
经受选择蚀刻过程的预氧化层17的氧化部分18通常呈圆形，有高电阻或电绝缘，并且有大约1.6的低折射率。预氧化层17的未氧化部分17成为所发射光的通路和电流流过的电流孔。包围电流孔的氧化部分18从柱体上面看时成环形。
当电流流经电流孔也就是未氧化部分17并到达作用层15的中央时，作用层15中的载流子密度由于这个电流通路而增加，从而提高发光效率。
当通过上述氧化过程而形成电流孔之后，如图3F所示，在柱体周围的间隙中充以聚酰亚胺42。聚酰亚胺42减小在衬底10的抛光过程中对柱体的损坏。
为了便于晶片的切割，在充入聚酰亚胺之后，将对衬底10的底部进行抛光。
下部电极27通过在抛光后的衬底10′的整个底面上构图地沉积AuGe/Ni/Au或在抛光后的衬底10′的底面表层金属化(blanket-metalizing)而形成。下部电极27与上部电极36一起退火处理形成VCSEL的电极部分。
下部电极27包括不透明金属或半透明金属。例如，下部电极27具有多层结构，包括约800埃厚的AuGe，约200埃厚的Ni和约400埃厚的Au。
如图3F所示，当在抛光后的衬底10′上形成下部电极27后，曾经在柱体形成中作为掩膜的线路焊接盘44也在上部电极36上形成，从而完成了如图3G所示的VCSEL阵列。
通过上述步骤制作的VCSEL可以作为一个芯片阵列结构使用，或者也可以在每个聚酰亚胺部分切割开而单独使用。
根据传统技术，首先形成柱体，然后是相应于预氧化层中氧化形成的电流孔而形成上部电极窗，所以要对准上部电极窗的中轴和电流孔的中轴是困难的。结果导致对准误差，从而降低了VCSEL的电光特性。
相反，本发明先形成上部电极，利用上部电极通过进行蚀刻过程而形成柱体，再利用氧化过程形成电流孔，所以上部电极窗的中轴和电流孔的中轴是自对准的。相应的，与传统的VCSEL相比，本发明的VCSEL由于上部电极窗的中轴和电流孔的中轴精确对准而提高了电光特性。
至此已阐述了根据本发明的为了自对准而采用上部电极进行蚀刻从而形成柱体的实施例，但本发明不应理解为限定在本实施例中。而应理解在不脱离所附权利要求限定的精神和范围前提下可作出各种变型。
例如，虽然上面描述的VCSEL在柱体内作用层上只有一个电流孔，但为了控制VCSEL的光学特性可以在上和/或下作用层形成至少一个电流孔。
虽然本发明实施例是参照在沿光从VCSEL发射的方向看呈圆形的柱体以获得圆形发射光的制作方法而进行的描述，但根据发射光的用途本发明还可以应用到不同于圆形的矩形、方形、椭圆形或其它形状的柱体。
虽然本发明实施例中在电极的部分或全部表面形成光阻材料，然后蚀刻以形成柱体，但蚀刻过程也可以在电极相对的两端上形成了侧壁后进行。
虽然上述本发明实施例中每层的材料和形成方法是确定的，但本发明不限于此。本领域技术人员可以理解在本发明范围内各种材料和方法都可以使用。
权利要求
1.一种具有由多个层构成的柱体和柱体上的电极的半导体发光器件，所述多个层包括至少一个位于衬底上的预氧化层，其特征在于，半导体发光器件通过为了自对准而利用电极进行蚀刻形成柱体以及水平氧化预氧化层到距柱体侧壁特定距离处而制造。
2.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，柱体包括通过外延沉积形成于衬底上的下部反射层，作用层，预氧化层和上部反射层。
3.如权利要求1或2所述的半导体发光器件，其特征在于，半导体发光器件为垂直于叠放层平面发射光的垂直腔表面发射激光器。
4.如权利要求1或2所述的半导体发光器件，其特征在于，预氧化层的一部分水平氧化，从而形成高电阻部分，而未氧化部分成为电流和光流经的电流孔。
5.一种制造半导体发光器件的方法，该半导体发光器件包括衬底和依次形成于衬底表面的下部反射层，作用层，预氧化层和上部反射层，其特征在于，该方法包括以下步骤在上反射层构图具有窗口的上部电极；在包括窗口的上部电极的一部分上形成光阻材料；利用上部电极和作为掩膜的光阻材料进行蚀刻过程，直至预氧化层暴露，从而形成柱体；氧化预氧化层的一部分；并且在蚀刻过程所致的蚀刻部分中充入缓冲材料并在衬底的底部形成下部电极。
6.一种制造半导体发光器件的方法，该半导体发光器件包括衬底和依次形成于衬底表面的下部反射层，作用层，预氧化层和上部反射层，其特征在于，该方法包括以下步骤在上反射层构图具有窗口的上部电极；在包括窗口的上部电极整个表面上形成光阻材料；利用光阻材料作为掩膜进行蚀刻过程，直至预氧化层暴露出来，从而形成柱体；氧化预氧化层的一部分；并且在蚀刻过程所致的蚀刻部分中充入缓冲材料并在衬底的底部形成下部电极。
7.一种根据权利要求5或6制作的半导体发光器件。
全文摘要
提供了一种具有垂直于作用区平面发光的谐振腔结构的半导体发光器件及其制作方法。主体具有上部电极窗和氧化层电流孔。谐振光通过窗口和电流孔发射。为了自对准,利用上部电极通过蚀刻形成柱体,从而窗口的中轴和电流孔的中轴可以自动对准。在蚀刻过程中,柱体中包括的预氧化层侧壁暴露,且通过氧化过程使预氧化层水平氧化到距其侧壁特定距离处。通过氧化过程氧化的预氧化层成为高电阻部分,而在氧化过程中未氧化的预氧化层成为电流和光通过的电流孔。如上所述,由于为了自对准利用电极形成柱体,并且通过氧化暴露的柱体侧壁形成电流孔,则电极窗中轴和电流孔中轴自动对准。由于窗口和电流孔精确对准,垂直腔表面发射激光器的电光特性得以提高。
文档编号H01S5/227GK1360376SQ0113789
公开日2002年7月24日 申请日期2001年11月9日 优先权日2000年12月19日
发明者张东勋 申请人:三星电子株式会社