CN1107366C - 制造半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器件的制造方法，该激光器件至少具有相继在半导体衬底上形成的光发射部分、顶层和电极，光发射部分包括大致位于该器件厚度中间的光发射层。所述方法包括使用气相外延法生长光发射部分和顶层的步骤，其中顶层的生长速率大于光发射部分的生长速率。

Description

制造半导体器件的方法
本发明涉及一种半导体激光器件的制造方法，该器件用作从光盘进行读取操作的光源。尤其是，本发明涉及一种使用气相外延(VPE)法制造的半导体激光器件，其中增加顶层的厚度以减小因返回的光而引起的跟踪误差。
近几年来，诸如CD(密致盘片)和MD(迷你盘片)等光盘已快速地流行起来，因为它们与传统的模拟唱片正相反，可提供没有噪声的高音质而且不会经磨损而损坏。
在模拟唱片中，唱头(唱针尖端)跟踪唱片上的槽。在光盘中，光头与盘片不接触，从而必须检测信号坑的位置以及为了检测信号坑而沿盘片移动光头。
目前，为了这个目的广泛使用三光束(beam)跟踪伺服模式(以下称“三光束模式”)，在这种模式下，来自光源的光被分成主光束和初级衍射光。
但是，三光束模式具有以下的问题。
如图5所示，从激光芯片100发射的激光束102通过衍射光栅101，被半反射镜103反射后，通过物镜104并入射到光盘105上。标号106表示基座(stem)激光芯片100装在该基座上。然后，被反射的光通过同一光路返回，在通过半反射镜103后被光接收部分所接收(未示出)。然而，一部分反射光通过衍射光栅101返回到激光芯片100的发射端面。这部分光再次被激光芯片100的端面(图5中的“A”)反射(如图5中的“A”和“A’”处所示)，这对信号检测产生不利影响。
反射的初级衍射光入射到芯片端面上的位置随所使用的光学***而变化，但它一般在发射区域上下大约60微米处。
通常，为了解决这个问题，激光芯片100的光发射区(光发射层)这样定位，使得初级衍射光不入射到发射端面上，如图6A所示。例如，光发射区大致位于半导体激光芯片100的中间。
如图6B所示，特定厚度可以是Le≤60微米，Ls≤60微米，这里Le表示光发射区上方外延层101a的厚度，而Ls表示光发射区下面外延层和衬底的厚度。
这里，如果激光芯片的晶片厚度小于大约70微米，则在晶片中很容易产生裂缝和碎片，这对制造工艺造成了麻烦。因此，提出了一个附加条件：Le+Ls≥70微米。
于是，光发射区上方外延层的厚度Le为10微米≤Le≤60微米。
已使用液相外延(LPE)法在如图6A和6B所示的常规结构中实现这样的层厚。由于LPE法具有相对高的生长速率并能在很短的时间周期内生长很厚的膜，从而与VPE法(它具有相对低的生长速率，因而生长较厚的膜需要更长的时间周期)相比提供较高的生产效率，随意使用LPE法。
然而，在LPE法中，因高的生长温度(高达大约800℃)使得光发射区附近的掺杂杂质扩散。这种扩散因素降低了产品的性能。
此外，当通过淀积厚度为几微米到二十微米左右的薄膜而获得的量子阱结构暴露于如此高的温度时，导致材料原子的迁移和杂质扩散，从而破坏量子阱结构。于是，膜生长期间如此高的温度阻碍了量子阱结构的高性能半导体激光器件的制备。
依据本发明的一个方面，提供了一种半导体激光器件的制造方法，该激光器件至少具有相继在半导体衬底上形成的光发射部分、顶层(cap layer)和电极，光发射部分包括大致位于该器件厚度中间的光发射层。此方法包括使用气相外延法生长光发射部分和顶层的步骤，其中顶层的生长速率大于光发射部分的生长速率。
在本发明的一个实施例中，顶层包括两层；两层中离光发射部分较远的一层的生长速率大于光发射部分的生长速率。
在本发明的另一个实施例中，在生长顶层时材料气流的流速大于在生长光发射部分时材料气流的流速。
在本发明的再一个实施例中，由III-V族化合物来形成半导体激光器件；在生长顶层时所提供的V族元素对III族元素的克分子比小于在生长光发射部分时所提供的另一V族元素对另一III族元素的克分子比。
在本发明的又一个实施例中，由III-V族化合物来形成半导体激光器件；至少在生长两层中离光发射部分较远的一层时所提供的V族元素对III族元素的克分子比小于在生长光发射部分时所提供的另一V族元素对另一III族元素的克分子比。
在本发明的还有一个实施例中，顶层的生长温度是大约550℃到大约700℃，从而在与电极接触的那部分顶层中的载流子浓度是大约1×1019/cm3或更大。
以下，将描述本发明的效果。
依据本发明，把顶层(其结晶质量不是很重要)的气相外延速率设定为高于(即，更快)光发射部分的生长速率(例如，如以下例2中的大约6倍)。于是，可减少制造器件所需的时间总量。
在形成具有两层的顶层时，只需要把离光发射部分较远的至少一层的生长速率设定为大于光发射部分的生长速率。也可增大较靠近光发射部分的另一层的生长速率，或者它可与光发射部分的生长速率大致相同。尤其是，在靠近光发射部分的顶层的生长速率与光发射部分的生长速率大致相同时，可抑制光发射部分对结晶度的影响(例如，靠近光发射部分的顶层中的缺陷)。
尤其是，可通过增大气相外延工艺期间材料气流的流速来增大生长速率。
此外，由于生长速率一般正比于所提供的III族元素的量，所以可通过减小气相外延工艺期间所提供的V族元素对III族元素的克分子比来增大生长速率。例如，通过增加所提供的III族元素的量而把所提供的V族元素的量设定为常规的值，可提高生长速率以及减少为形成半导体层而提供的材料的消耗量。在形成具有两层的顶层时，只需要把在形成二层中离光发射部分较远的至少一层时所提供的V族元素对III族元素的克分子比设定为小于在形成光发射部分时的克分子比。
此外，通过把顶层的生长温度设定为大约550℃到大约700℃，该温度比LPE法(它高达大约800℃)中的生长温度低大约100℃到大约250℃，可抑制光发射区附近的杂质扩散，可以把顶层中的载流子浓度设定得很高，即大约1×1019/cm3或更高，以及可以改善电极与顶层之间的接触。
于是，这里所述的本发明的优点在于提供了一种有效地制造半导体激光器件的方法，该器件具有从盘片返回的初级衍射光不再入射到器件上的结构，从而不会对半导体激光器件的性能产生不利影响。
在参考附图阅读和理解了以下详细描述后，本发明的这个优点和其它优点将对本领域内的那些技术人员变得明显起来。
图1A到1D是示出依据本发明的例1来制造半导体激光器件的步骤的剖面图。
图2是示出材料气体流速和生长速率之间关系的图。
图3是示出与载流子浓度与生长温度的关系图。
图4A到4F所示出依据本发明的例2来制造半导体激光器件的步骤的剖面图。
图5是示出使用常规的半导体激光器件的光学拾音方法的示意图。
图6A是示出使用另一个常规的半导体激光器件(它克服了与图5的器件有关的问题)另一种光学拾音方法的示意图。
图6B是示出图6A中半导体激光器件一部分的放大图。
(例1)
以下，将参考图1A到1D来描述本发明的例1。例1的特点是利用VPE法而不需要长的生长时间(迄今为止它是VPE法的一个缺点)。
首先，把N-GaAs衬底1置于有机金属气相外延(MOVPE)设备(未示出)的反应室中的基座上。然后，如图1A所示，利用MOVPE法，在N-GaAs衬底1上依次形成N-GaAs缓冲层(buffer layer)2(厚度：大约0.5微米)、N-Al0.5Ga0.5As包层3(厚度：大约1.0微米)、Al0.14Ga0.86As有源层4(厚度大约0.08微米)、P-A10.5Ga0.5As包层5(厚度：大约0.35微米)以及N-GaAs电流阻挡层6(厚度：大约0.6微米)。
在形成N-GaAs缓冲层2时，以三甲基镓(TMG)大约340μmol/min、砷烷(AsH3)大约20000μmol/mint以及乙硅烷(Si2H6)大约9×10-4μmol/min的流速提供三甲基镓、砷烷和乙硅烷。在形成N-Al0.5Ga0.5As包层3时，以三甲基铝(TMA)大约170μmol/min、TMG大约170μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及乙硅烷大约6×10-4μmol/min的流速提供三甲基铝、TMG、砷烷和乙硅烷。在形成Al0.14Ga0.86As有源层4时，以TMA大约47.6μmol/min、TMG大约292.4μmol/min、以及砷烷大约20000μmol/min的流速提供TMA、TMG和砷烷。在形成P-Al0.5Ga0.5As包层5时，以TMA大约170μmol/min、TMG大约170μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及二乙基锌(DEZ)大约45μmol/min的流速提供TMA、TMG、砷烷和DEZ。在形成N-GaAs电流阻挡层6时，以TMG大约340μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及乙硅烷大约1.5×10-4μmol/min的流速提供TMG、砷烷和乙硅烷。
生长这些层的条件包括生长温度为大约700℃，生长速率为大约0.05μm/min以及V族元素对III族元素的克分子比为大约60。
然后，从MOVPE设备中取出此多层结构，把光致抗蚀剂7涂到该多层结构的表面，接着进行光刻工艺(如图1B)。
接着，使用对AlGaAs比GaAs慢得多的蚀刻速率的蚀刻剂(诸如比值为NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶30∶50的溶液)对N-GaAs电流阻挡层6进行选择性的蚀刻。使用此蚀刻剂的示例蚀刻条件包括温度为大约20℃，蚀刻时间为大约30秒。此蚀刻工艺形成了如图1C所示的槽8，它把N-GaAs电流阻挡层6分成两部分并达到P-Al0.5Ga0.5As包层5的上表面。
其后，用公知的方法除去抗蚀剂，例如使用丙酮→甲醇→水。
接着，把以上的多层结构放在MOVPE设备的反应室中。然后，如图1D所示，使用MOVPE法在图1C的多层结构上依次形成P-Al0.5Ga0.5As包层9(厚度：大约1.0微米，生长温度：大约650℃，生长速率：大约0.05μm/min，V族元素对III族元素的克分子比：大约60)、第一P-GaAs顶层10(厚度：大约2微米，生长温度：大约650℃，生长速率：大约0.05μm/min，V族元素对III族元素的克分子比：大约60)、第二P-GaAs顶层11(厚度：大约50微米，生长温度：大约600℃，生长速率：大约0.3μm/min，V族元素对III族元素的克分子比：大约10)。
在形成P-Al0.5Ga0.5As包层9时，以TMA大约170μmol/min、TMG大约170μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及DEZ大约180μmol/min的流速提供TMA、TMG、砷烷和DEZ。在形成第一P-GaAs顶层10时，以TMG大约340μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及DEZ大约180μmol/min的流速提供TMG、砷烷和DEZ。在形成第二P-GaAs顶层11时，以TMG大约2040μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及DEZ大约45μmol/min的流速提供TMG、砷烷和DEZ。
在形成第二P-GaAs顶层11期间，III族有机金属材料的流速很高，从而实现高的膜生长速率。TMG流速和第二顶层的膜生长速率之间的关系如图2所示。在例1中，通过使TMG以大约300ml/min的流速流动来实现上述大约0.3μm/min的生长速率。
膜的生长速率越低，则作为GaAs P型掺杂剂的Zn更容易扩散到GaAs晶格中。在第二P-GaAs顶层11的上述生长条件下，GaAs中的P型掺杂浓度为大约5×1019/cm3。生长温度和GaAs中P型载流子浓度之间的关系如图3所示。
然后，从MOVPE设备中取出此多层结构，并对N-GaAs衬底1进行抛光，从而使器件总厚度达到大约100微米。其后，在N-GaAs衬底1和第二P-GaAs顶层11上分别形成电极12和13。在形成电极后，把器件按预定的腔体长度切开，在切割面上形成具有预定反射率的绝缘膜(未示出)，其后把器件分成预定尺寸的芯片。然后，把芯片粘到激光器基座上，把Au导电丝焊接到芯片的上表面。
在通过上述步骤制造的芯片中，光发射区上方外延层(即，有源层4和P型包层5)的厚度是大约50微米，光发射区下面衬底和外延层的厚度大约也是50微米。
因此，即使用于跟踪伺服的初级衍射光被反射并返回到盘片时，此光也不会入射到芯片发射端面(切割面)，于是避免了跟踪误差。
如上所述，在依据本发明的例1利用VPE法制造半导体激光器件的方法中，把顶层11的生长速率(该层的结晶质量即使在恶化时也不会直接影响激光振荡特性)设定为大于常规VPE法中的生长速率。于是，可减少制造器件所需的时间总量，从而提高生产率。
通常，在激光器件中，在包括有源层或包层的光发射区的结晶质量是重要的。在例1中，增大了与电极金属13接触的顶层11的生长速率。因此，只需要顶层11和电极13之间具有足够低的电阻，从而顶层11中的结晶质量不是很重要。
为了使顶层11和电极13之间具有低的电阻，需要把顶层11中的载流子浓度保持在高的值(大约1×1019/cm3或更高)。在VPE法中，随着生长温度的降低，P型载流子的浓度增加。
因此，依据本发明，在低温下(大约550℃到大约700℃，它比LPE法中的生长温度低大约100℃到250℃：在例1中，大约600℃到650℃)生长顶层10和11。如上所述，顶层中可具有高的P型载流子浓度，从而实现优良的接触。于是，获得高性能的半导体激光器件。
也可降低第一顶层10以及第二顶层11的生长温度和/或V族元素对III族元素的克分子比。
(例2)
以下，将参考图4A到4F来描述本发明的例2的半导体激光器件的制造方法。例2也使用VPE法而不需要长的生长时间(迄今为止它是VPE法的一个缺点)。
首先，把N-GaAs衬底20置于MOVPE设备(未示出)的反应室中的基座上。然后，如图4A所示，利用MOVPE法，在N-GaAs衬底20上依次形成N-AlyGa1-yAs包层21(0.3≤y≤0.6，厚度：大约1.0微米)、AlxGa1-xAs有源层22(0≤x≤0.2，厚度大约0.08微米，y＞x)、P-AlyGa1-yAs包层23(厚度：大约1微米)以及P-GaAs保护层24(厚度：大约0.6微米)。
在形成N-AlyGa1-yAs包层21时，以TMA大约340×yμmol/min、TMG大约340×(1-y)μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及乙硅烷大约6×10-4μmol/min的流速提供TMA、TMG、砷烷和乙硅烷。在形成AlxGa1-xAs有源层22时，以TMA大约340×xμmol/min、TMG大约340×(1-x)μmol/min、以及砷烷大约20000μmol/min的流速提供TMA、TMG和砷烷。在形成P-AlyGa1-yAs包层23时，以TMA大约340×yμmol/min、TMG大约340×(1-y)μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及DEZ大约45μmol/min的流速提供TMA、TMG、砷烷和DEZ。在形成P-GaAs保护层24时，以TMG大约340μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及DEZ大约90μmol/min的流速提供TMG、砷烷和DEZ。
生长这些层的条件包括生长温度为大约700℃，生长速率为大约0.05μm/min以及V族元素对III族元素的克分子比为大约60。
然后，从MOVPE设备中取出此多层结构，把光致抗蚀剂涂到该多层结构的表面，其后，进行光刻工艺，从而形成如图4B所示的条状蚀刻掩模25。然后，进行蚀刻，直到图4B中的虚线A。通常此蚀刻工艺使用硫酸和过氧化氢混合物的湿法蚀刻工艺。
然后，用氢氟酸溶液进行另一蚀刻工艺，直到如图4C所示的虚线B。P-GaAs保护层24不被氢氟酸溶液所腐蚀，而如图4C和4D所示，层24边缘以下的两个侧面同时被刻蚀，于是在边缘的底部留下厚度“d”为大约0.2微米以及宽度“w”为大约2微米的P-AlyGa1-yAs包层23。
接着，把此多层结构置于MOVPE设备中，利用MOVPE法如图4E所示淀积N-GaAs或N-AlzGa1-zAs电流阻挡层26(0≤z≤0.8，厚度：大约0.8μm)以及N-GaAs整平(flattening)层27(厚度：大约0.6μm)。利用气相外延中的选择性生长可防止蚀刻掩模25上的生长。
在形成N-GaAs电流阻挡层26时，以TMG大约340μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及乙硅烷大约1.5×10-3μmol/min的流速提供TMG、砷烷和乙硅烷。在形成N-AlzGa1-zAs电流阻挡层26时，以TMA大约340×zμmol/min、TMG大约340×(1-z)μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及乙硅烷大约1.5×10-3μmol/min的流速提供TMA、TMG、砷烷和乙硅烷。在形成N-GaAs整平层27时，以TMG大约340μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及乙硅烷大约1.5×10-3μmol/min的流速提供TMG、砷烷和甲硅烷。
生长条件仍然是生长温度是大约700℃、生长速率是大约0.05μm/min、V族元素对III族元素的克分子比是大约60。
当由N-GaAs或N-AlzGa1-zAs(z＜x)来形成电流阻挡层26时，该器件是基于电流阻挡层26的光吸收的损耗波导(loss guide)结构。如果z＞y，则该器件将成为实数折射率的波导结构。
然后，在除去蚀刻掩模25后，利用MOVPE法如图4F所示淀积第一P-GaAs顶层28(厚度：大约0.5μm，生长温度：大约650℃，生长速率：大约0.05μm/min，V族元素对III族元素的克分子比：大约60)和第二PGaAs顶层29(厚度：大约45μm，生长温度：大约600℃，生长速率：大约0.3μm/min，V族元素对III族元素的克分子比：大约10)。
在形成第一P-GaAs顶层28时，以TMG大约340μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及DEZ大约180μmol/min的流速提供TMG、砷烷和DEZ。在形成第二P-GaAs顶层29时，以TMG大约2040μmol/min、砷烷大约20000μmol/min以及DEZ大约45μmol/min的流速提供TMG、砷烷和DEZ。
在形成第二P-GaAs顶层29期间，把所提供的V族元素的量设定为与形成其它层时V族元素的量大致相同，而把所提供的III族元素的量设定为是形成其它层时的III族元素量的大约六倍。由于生长速率一般正比于所提供的III族元素的量，所以第二P-GaAs顶层29的生长速率是形成其它层时的生长速率的大约六倍。
把生长温度降低到大约600℃提供了增加Zn作为P型掺杂扩散入晶格中的速率的效果。在例2中，第二P-GaAs顶层29的载流子浓度是大约5×1019/cm3。
然后，从MOVPE设备中取出此多层结构，从N-GaAs衬底20一侧对该结构进行蚀刻或抛光，从而使整个晶片的厚度为大约100μm。其后，在N-GaAs衬底20和第二P-GaAs顶层29的表面上分别形成电极30和31。于是，完成如图4F所示的半导体激光器件。
在通过上述步骤来制造半导体激光器件时，光发射区上方外延层的厚度是大约50μm，光发射区下面衬底和外延层的厚度大约也是50μm。
因此，即使在用于跟踪伺服的初级衍射光被发射并返回到盘片时，该光也不会入射到芯片发射端面(切割面)，于是避免了跟踪误差。
如上所述，在依据本发明例2利用VPE法来制造半导体激光器件的方法中，形成第二P-GaAs顶层29(最大厚度为45μm)的生长速率增大到常规VPE方法中生长速率的大约六倍。于是，可减少制造一个器件所需的时间总量。
此外，由于把所提供的V族元素的量设定为与常规VPE法中的V族元素的量大致相同，所以可减少为形成半导体层而提供的材料的消耗量。
通常，生长温度越高和/或V族元素对III族元素的克分子比越大，则结晶质量越好。因此，在例2中，在可实现高结晶质量的条件下生长光发射区中的层(即，有源层和包层)，这些条件包括生长温度是大约700℃以及V族元素对III族元素的克分子比是大约60。于是，所获得的半导体激光器的性能不比常规的半导体激光器件差。
另一方面，第二P-GaAs顶层29的生长条件包括生长温度是大约600℃以及V族元素对III族元素的克分子比是大约10，从而导致结晶质量稍稍降低。但是，第二P-GaAs顶层29的功能是得到较大的厚度并实现欧姆接触，因此层29不必是高质量的晶体。此外，在VPE方法中，当生长温度降低，P型载流子浓度增加。因此，低到大约600℃的生长温度提供了减少第二顶层29和P型电极31之间电阻的效果。在例2中，半导体激光器件的串联电阻低到大约3欧姆到大约5欧姆(与LPE法所制造的半导体激光器件中的串联电阻具有相同的水平)。
就生长第二顶层29的条件而言，在生长温度降低到大约550℃和/或V族元素对III族元素的克分子比减小到大约5时，对半导体激光器件的性能没有不利影响。在形成第一P-GaAs顶层28时，把V族元素对III族元素的克分子比减小到与形成第二包层29时的克分子比大致相同也是合适的。
在以上的例1和2中已描述了制造AlGaAs型半导体激光器件的方法。然而，本发明也可适用于使用不同材料的情况。在把量子阱结构用于有源层的器件中，经受LPE法中的高温将破坏量子阱结构。在此情况下，在低温下生长顶层，如同本发明一样，是非常有利的。
虽然在上述例子中把MOVPE法用作VPE法，但也可使用其它VPE法，诸如氢化物气相外延或氯化物气相外延。
如上所述，可以制造高质量的半导体激光器件，在这种器件中即使在用于跟踪伺服的初级衍射光被反射并返回到盘片时，此光也不会入射到芯片的发射端面，从而避免了跟踪误差。此外，与常规的方法相比，本制造方法需要较少的时间而且是有效率的，从而提高该制造工艺的生产率。
各种其它的修改将对本领域内的那些技术人员是很明显的，他们容易进行这些修改而不背离本发明的范围和精神。相应地，这里所附的权利要求书的范围将不限于这里所提出的描述，而应对权利要求书作最宽的解释。

Claims (6)

1.一种半导体激光器件的制造方法，所述器件至少具有相继在半导体衬底上形成的光发射部分、顶层和电极，光发射部分包括大致位于该器件厚度中间的光发射层，其特征在于所述方法包括以下步骤：
使用气相外延法生长光发射部分和顶层，其中顶层的生长速率大于光发射部分的生长速率。
2.如权利要求1所述的半导体激光器件的制造方法，其特征在于：
顶层包括两层；以及
两层中离光发射部分较远的一层的生长速率大于光发射部分的生长速率。
3.如权利要求1所述的半导体激光器件的制造方法，其特征在于：
在生长顶层时材料气流的流速大于在生长光发射部分时材料气流的流速。
4.如权利要求1所述的半导体激光器件的制造方法，其特征在于：
由III-V族化合物来形成半导体激光器件；以及
在生长顶层时所提供的V族元素对III族元素的克分子比小于在生长光发射部分时所提供的另一V族元素对另一III族元素的克分子比。
5.如权利要求2所述的半导体激光器件的制造方法，其特征在于：
由III-V族化合物来形成半导体激光器件；以及
至少在生长两层中离光发射部分较远的一层时所提供的V族元素对III族元素的克分子比小于在生长光发射部分时所提供的另一V族元素对另一III族元素的克分子比。
6.如权利要求1所述的半导体激光器件的制造方法，其特征在于：
顶层的生长温度是550℃到700℃，从而在与电极接触的那部分顶层中的载流子浓度是1×1019/立方厘米或更大。
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