专利名称：化合物半导体激光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用作例如从光盘读写数据的光源的化合物半导体激光器件。
背景技术：
近年来，对用作介质的拾取光源的半导体激光器件的需求不断在增长，所述介质诸如CD-ROM(光盘只读存储器)、CD-R/RW(可记录/可重写CD)、DVD-ROM(数字多用光盘只读存储器)、DVD-R/RW(可记录/可重写DVD)。随着采用上述介质的商用产品的推广，这些商用产品的价格在下降之中。随着商用产品价格的下降，对于价格更低且具有很小特性变动与出色可靠性的半导体激光器件有了新需求。
举例来说，在制造代表上述半导体激光器件的III-V族化合物半导体激光器件的过程中，在半导体衬底上形成多个半导体层的叠层结构。通过向每一半导体层添加特定的杂质，控制每一半导体层的导电性的导电类型，获得指定半导体特性的器件。为了实现半导体激光器的均匀器件特性以及提高产品的产率，很重要的一点是将每一半导体层的导电类型或导电性控制为符合设计值。
作为形成III-V族化合物半导体层的方法，可以提到的是MOCVD(金属有机化学气相淀积)法和MBE(分子束外延)法。在使用这些方法生长膜时，用诸如硅(Si)的IV族元素和诸如硒(Se)的VI族元素作为杂质以获得n型III-V族化合物半导体层。IV族元素通过取代铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)的III族元素而成为施主杂质。另一方面，作为用于获得p型III-V族化合物半导体层的杂质，采用了诸如锌(Zn)、铍(Be)或镁(Mg)的II族元素。II族元素通过取代Al或Ga的III族元素成为受主。
在半导体激光器件结构中，公知一种被称为自对准结构的。以下将描述自对准结构的半导体激光器件的制造工艺。
首先，如图3A所示，通过MOCVD方法在n型GaAs衬底41上依次生长n型GaAs缓冲层42(层厚0.5μm)、n型AlyGa(1-y)As第一覆层43(y＝0.5，层厚1.0μm)、非掺杂AlxGa(1-x)As有源层44(x＝0.14，层厚0.085μm)、p型AlyGa(1-y)As第二覆层45(y＝0.5，层厚0.35μm)和n型GaAs电流阻挡层46(层厚0.6μm)。在这个阶段中，将Se用作n型杂质，而将Zn、C等用作p型杂质。
接着，如图3B所示，通过诸如光刻的方法形成具有条状槽的蚀刻掩模47。之后，以宽度为3.5到4.0μm的条状和槽状形状去除n型GaAs电流阻挡层16的一部分，形成去除部分50。
随后，如图3C所示，通过MOCVD方法或LPE(液相外延)方法在n型电流阻挡层16上生长p型AlyGa(1-y)As第三覆层48(y＝0.5，层厚1.0μm)，然后在p型AlyGa(1-y)As第三覆层48上生长p型GaAs帽盖层49(层厚3到50μm)。在本例中，应当按照需要根据半导体激光器件的最终发光点相对于芯片厚度位于何处确定p型GaAs帽盖层49的层厚。然后使用Zn或Mg作为p型AlyGa(1-y)As第三覆层48和p型GaAs帽盖层49的p型杂质。
在这样获得的半导体激光器件中，如果将Se用作添加到n型AlyGa(1-y)As第一覆层43和n型GaAs电流阻挡层46的杂质，而将Zn用作添加到p型AlyGa(1-y)As第二覆层45的杂质，这些添加的杂质通过扩散或杂质原子之间的相互作用而在层间移动或迁移，导致难以获得所设计的杂质分布。
在解决该问题的第一种方法中，将碳(C)用作添加到p型AlyGa(1-y)As第二覆层45中的杂质，将Mg用作添加到p型AlyGa(1-y)As第三覆层48和p型GaAs帽盖层49中的杂质，其中碳在杂质原子之间具有很小的相互作用(参见US 6618415 B1)。
不过，由于通过LPE方法生长p型AlyGa(1-y)As第三覆层48和p型GaAs帽盖层49的热史，即使使用第一种方法也不可能彻底抑制作为加入n型AlyGa(1-y)As第一覆层43的杂质的Se的扩散。此外，由于作为加入p型AlyGa(1-y)As第三覆层48和p型GaAs帽盖层49的杂质的Mg扩散入Se载流子浓度已经降低的位置，因此pn结的位置发生波动，如图4所示。具体而言，当n型AlyGa(1-y)As第一覆层43具有低的Se杂质浓度时，有时会发生半导体激光器的器件特性劣化，例如，阈值电流、工作电流、工作电压增大等。
在减小因热史而导致的加入n型AlyGa(1-y)As第一覆层43的杂质的扩散的第二种方法中，将扩散率小的Si用作加入n型AlyGa(1-y)As第一覆层43和n型电流阻挡层46的杂质，将Mg用作加入p型AlyGa(1-y)As第三覆层48的杂质。在该第二种方法中，要求将p型AlyGa(1-y)As第三覆层48的载流子浓度设定为约1×1018cm-3到2×1018cm-3，以便获得半导体激光器良好的器件特性。因此，为了使Mg(即加入p型AlyGa(1-y)As第三覆层48的杂质)不达到n型AlyGa(1-y)As第一覆层43的内部，要求n型AlyGa(1-y)As第一覆层43的载流子浓度被设定落在1×1018cm-3到2×1018cm-3的范围内。
不过，就长期可靠性而言，没有一种被做成Si浓度为1×1018cm-3或更高的半导体激光器件曾作为商用产品。即，尽管通过第一种方法制造的半导体激光器件以50000小时或更长的工作而没有实际的问题，从而展现出可靠性，但是通过第二种方法制造的半导体激光器件在长期使用过程中常常表现出特性的劣化和频繁的停止振荡。
从上述内容可以理解，掺杂控制的稳定性以及因此而来的特性一致化、产率的提高以及器件的长期可靠性并未同时实现。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种实现增加的产率和提高的长期可靠性的化合物半导体激光器件。
为了实现该目的，根据本发明的化合物半导体激光器件包括第一导电类型的半导体衬底；形成于半导体衬底上的第一导电类型的第一覆层；形成于所述第一覆层上且载流子浓度低于所述第一覆层的第一导电类型的第二覆层；形成于所述第二覆层上的有源层；以及形成于所述有源层上的第二导电类型的第三覆层。
在本说明书中，术语“第一导电类型”意指p型或n型。而且，当第一导电类型为p型时，“第二导电类型”意指n型，而当第一导电类型为n型时，“第二导电类型”意指p型。
根据具有上述构造的化合物半导体激光器件，因为第二覆层的载流子浓度低于第一覆层的浓度，所以防止了第二导电类型的杂质扩散到第一和第二覆层，从而实现了对第一和第二导电类型杂质的稳定的掺杂控制。即，能够实现如设计的杂质分布。因此，能够使半导体激光器件的特性得到均一化，并能够同时实现半导体激光器件的生产产率的提高和其长期的可靠性。
此外，因为提高了半导体激光器件的生产产率，所以能够以更低成本制作半导体激光器件。因此，有可能廉价地且稳定地生产具有稳定特性的半导体激光器件。
在一个实施例中，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型，且在第一覆层和第二覆层中的杂质为Si。
在一个实施例中，第一覆层的载流子浓度为从1×1018cm-3到2×1018cm-3(包括端值)，第二覆层的载流子浓度为从1×1017cm-3到5×1017cm-3(包括端值)。
在一个实施例中，第二覆层的层厚在10nm到50nm(包括端值)的范围内。
在一个实施例中，第二覆层接近有源层。
在一个实施例中，半导体激光器件还包括形成于第三覆层上且具有条状和槽状去除部分的第一导电类型的电流阻挡层；以及形成于所述电流阻挡层上的第二导电类型的第四覆层。
通过以下给出的详细说明和附图，将更充分地理解本发明，附图仅以展示方式给出，因此不是对本发明的限制，其中图1为根据本发明一个实施例的化合物半导体激光器件的示意性截面图；图2示出了取自图1的II-II的截面图和截面中的杂质浓度分布；图3A为示意性截面图，示出了常规化合物半导体激光器件的制造工艺步骤；图3B为示意性截面图，示出了常规化合物半导体激光器件的制造工艺步骤；图3C为示意性截面图，示出了常规化合物半导体激光器件的制造工艺步骤；图4示出了取自图3C的IV-IV的截面图和在截面中的杂质浓度分布。
具体实施例方式
下面将基于展示的实施例详细介绍本发明的化合物半导体激光器件。在以下的实施例中，将AlGaAs半导体激光器件中有源层的Al摩尔分数(molefraction)x设为约0.10到0.14，将覆层的Al摩尔分数y、z设为约0.45到0.60，但是Al摩尔分数可以设为任何满足以下条件的值这些层的Al摩尔分数x、y、z大于等于0且覆层的Al摩尔分数大于有源层的Al摩尔分数。
图1示出了根据本发明一个实施例的化合物半导体激光器件的结构的示意性截面图。
该化合物半导体激光器件包括n型GaAs衬底11，按照下述顺序依次形成于n型GaAs衬底11上的n型GaAs缓冲层12、n型AlyGa(1-y)As第一覆层13、n型AlyGa(1-y)As第二覆层14、非掺杂AlxGa(1-x)As有源层15、p型AlyGa(1-y)As第三覆层16、n型GaAs电流阻挡层17、p型AlzGa(1-z)As第四覆层18和p型GaAs帽盖层19。通过这种方式，该化合物半导体激光器件具有双异质结构。
n型AlyGa(1-y)As第二覆层14具有比n型AlyGa(1-y)As第一覆层13低的载流子浓度。更详细地讲，将Si(其因热史引起的扩散很小)用作添加到第一和第二覆层13、14的杂质，载流子浓度较高的第一覆层13的Si浓度设为1×1018cm-3-2×1018cm-3，载流子浓度较低的第二覆层14的Si浓度设为5×1017cm-3或更小。
将Mg用作添加到AlzGa(1-z)As第四覆层18和p型GaAs帽盖层19的p型杂质。
AlzGa(1-z)As第四覆层18的下部(即，在n型GaAs衬底11侧的部分)具有脊条形状。
根据具有上述构造的化合物半导体激光器件，n型AlyGa(1-y)As第二覆层14的载流子浓度低于n型AlyGa(1-y)As第一覆层13的载流子浓度，由此将p型杂质Mg的扩散控制在载流子浓度较低的n型第二覆层14内，这种扩散发生于生长p型AlzGa(1-z)As第四覆层18和p型GaAs帽盖层19的时候。因此，如图2所示，通过陡峭的杂质分布控制了pn结的位置，从而抑制了诸如阈值电流、工作电流和工作电压的特性变化。
将靠近有源层15的n型第二覆层14的Si浓度设为5×1017cm-3或更低，从而能够不导致诸如可靠性劣化的麻烦而稳定地制造具有稳定特性的半导体激光器件。
以下将描述制造化合物半导体激光器件的方法。
首先，在n型GaAs衬底11上，通过金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法生长n型GaAs缓冲层12，然后生长n型AlyGa(1-y)As第一覆层13(y＝0.45到0.6，层厚1μm)。在本实施例中，在生长n型AlyGa(1-y)As第一覆层13(y＝0.45到0.6，层厚1μm)期间，以30sccm的流量添加乙硅烷气体(Si2H6(20ppm)，由氢气稀释)(“sccm”为表示温度0℃、压强101.325KPa下的体积流量，而30sccm等价于5.001×10-4L/s)作为将作为n型杂质加入的Si的源气体。对n型AlyGa(1-y)As第一覆层13而言，进行在750℃的生长温度下的生长，由此n型AlyGa(1-y)As第一覆层13能够获得1×1018cm-3的载流子浓度。
接着，在n型AlyGa(1-y)As第一覆层13上生长n型AlyGa(1-y)As第二覆层14(y＝0.45到0.6，层厚10nm)。此时，通过以15sccm(等价于2.5005×10-4L/s)的流量加入乙硅烷气体(Si2H6(20ppm)，由氢气稀释)，可以使n型AlyGa(1-y)As第二覆层14的载流子浓度为5×1017m-3。
随后，在n型AlyGa(1-y)As第二覆层14上，按下述顺序生长非掺杂AlxGa(1-x)As有源层15(x＝0.10到0.14，层厚0.08μm)、p型AlyGa(1-y)As第三覆层16(y＝0.45到0.6，层厚0.35μm，C浓度5×1017m-3)以及n型GaAs电流阻挡层17(层厚0.75μm，Si浓度2×1018cm-3)。
随后，以类似于图3B所示的方式执行光刻，从而在n型GaAs电流阻挡层17上形成具有条状槽的蚀刻掩模47，然后使用蚀刻掩模47蚀刻n型GaAs电流阻挡层17。由此，在n型GaAs电流阻挡层17中形成条状和槽状的去除部分20。
然后，通过LPE方法重新生长p型AlzGa(1-z)As第四覆层18(其中用Mg作为p型杂质)(z＝0.45到0.60，层厚2μm，Mg浓度1×1018cm-3到2×1018cm-3)和p型GaAs帽盖层19(层厚50μm，Mg浓度6×1018cm-3)。
形成p型AlzGa(1-z)As第四覆层18和p型GaAs帽盖层19的结果是，p型AlyGa(1-y)As第三覆层16与条状和槽状去除部分20相对的部分中的杂质浓度由于Mg的扩散而变成1×1018cm-3，尽管该部分中的C开始为5×1017cm-3。结果，有可能向作为半导体激光器件的条有效注入电流，从而实现低阈值和低电流驱动。
以这种方式制造的半导体激光器件的杂质分布类似于图2所示，即，获得了陡峭的杂质分布。
至于以上述方法制造的半导体激光器件的特性，对于200μm的腔长、28.0mA的阈值电流，在光输出功率为5mW的工作电流为37.5mA，工作电压为1.85V，这意味着获得了令人满意的特性。此外，在器件温度为80℃、光输出功率为7mW的器件老化测试中，没有器件在48小时内阈值电流值增加1.2倍或更多，且没有观察到可靠性劣化。
制造了n型AlyGa(1-y)As第二覆层14的层厚为50nm、70nm和100nm、其中的Si浓度为5×1017cm-3的半导体激光器件，并且对这些半导体激光器件的特性进行了评估，尽管在以上的实施例中n型AlyGa(1-y)As第二覆层14的层厚为10nm。特性评估结果在以下的表1中给出。
表1
从表1可以明显看出，与n型AlyGa(1-y)As第二覆层14的层厚设为50nm的半导体激光器件相比，n型AlyGa(1-y)As第二覆层14的层厚设为大于50nm，具体来说设为70nm或100nm的半导体激光器件的工作电流值趋向增大。
相反，在n型AlyGa(1-y)As第二覆层14的层厚设为5nm的半导体激光器件中，在器件温度为80℃、光输出功率为7mW的老化测试中，在48小时之内有些器件停止了激光振荡，并且观察到了可靠性劣化。
这些结果表明，将n型AlyGa(1-y)As第二覆层14的层厚设定在10nm到50nm的范围内就可能制造出具有良好特性和可靠性的半导体激光器件。
应当指出，使n型AlyGa(1-y)As第一覆层13(y＝0.45到0.6，层厚1μm)的载流子浓度高于p型AlzGa(1-z)As第四覆层18(z＝0.45到0.60，层厚2μm，Mg浓度1×1018cm-3到2×1018cm-3)能够控制因LPE工艺期间的热史引起的Mg扩散。
尽管在上述实施例中n型AlyGa(1-y)As第二覆层14与AlxGa(1-x)As有源层15接触，但是可以在n型AlyGa(1-y)As第二覆层14和AlxGa(1-x)As有源层15之间提供额外的层，例如光导层。即，n型AlyGa(1-y)As第二覆层14形成于AlxGa(1-x)As有源层附近。
如此描述了本发明，很明显，本发明可以以多种方式变化。这些变化不视为背离本发明的精神和范围，且对于本领域技术人员显而易见的所有这种改变都旨在被包括于权利要求的范围之中。
权利要求
1.一种化合物半导体激光器件，包括第一导电类型的半导体衬底；形成于所述半导体衬底上的所述第一导电类型的第一覆层；形成于所述第一覆层上且载流子浓度低于所述第一覆层的载流子浓度的所述第一导电类型的第二覆层；形成于所述第二覆层上的有源层；以及形成于所述有源层上的第二导电类型的第三覆层。
2.根据权利要求1所述的化合物半导体激光器件，其中所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型，且所述第一覆层和所述第二覆层中的杂质为Si。
3.根据权利要求1所述的化合物半导体激光器件，其中所述第一覆层的所述载流子浓度为大于等于1×1018cm-3到小于等于2×1018cm-3，且所述第二覆层的所述载流子浓度为大于等于1×1017cm-3到小于等于5×1017cm-3。
4.根据权利要求1所述的化合物半导体激光器件，其中所述第二覆层的层厚在大于等于10nm到小于等于50nm的范围内。
5.根据权利要求1所述的化合物半导体激光器件，其中所述第二覆层接近所述有源层。
6.根据权利要求1所述的化合物半导体激光器件，还包括形成于所述第三覆层上且具有条状和槽状的去除部分的所述第一导电类型的电流阻挡层；以及形成于所述电流阻挡层上的所述第二导电类型的第四覆层。
7.根据权利要求1到6的任一项所述的化合物半导体激光器件，其中所述半导体激光器件为AlGaAs基半导体激光器件。
全文摘要
本发明公开了一种化合物半导体激光器件，所述化合物半导体激光器件具有第一导电类型的半导体衬底和依次形成于衬底上的多个层。所述多个层包括第一导电类型的第一和第二覆层、第二导电类型的第三覆层，以及第二和第三覆层之间的有源层。所述第二覆层的载流子浓度低于所述第一覆层的载流子浓度。例如，所述第一覆层的载流子浓度为1×10
文档编号H01S5/30GK1855653SQ200610074649
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月21日 优先权日2005年4月21日
发明者大柜义德 申请人:夏普株式会社