CN114503382B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本申请发明所涉及的半导体装置具备：半导体基板；n型的第1包覆层，设置于半导体基板之上；n型的第2包覆层，设置于第1包覆层之上；活性层，设置于第2包覆层之上；p型的第3包覆层，设置于活性层之上；表面电极，设置于第3包覆层之上；背面电极，设置于半导体基板之下；以及p型的扩散抑制层，设置于第1包覆层与第2包覆层之间。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置。
背景技术
在专利文献1中公开有一种半导体激光器。该半导体激光器具备p型包覆层、n型包覆层、以及设置于p型包覆层与n型包覆层之间的活性层。在活性层与p型包覆层之间设置有由i型半导体构成的第1光限制层。在活性层与n型包覆层之间设置有由i型半导体构成的第2光限制层。在第1光限制层与p型包覆层之间设置有扩散抑制层，该扩散抑制层抑制来自p型包覆层的杂质向活性层扩散。
扩散抑制层包含n型杂质。因此，来自p型包覆层的杂质Zn的扩散不会到达活性层。因此，因来自p型包覆层的杂质Zn的扩散所引起的吸收损失降低。
专利文献1：日本特开2006-253212号公报
半导体激光器在电极中混入了杂质的情况下，有时因电流注入而使杂质扩散。若该杂质在活性层附近形成结晶缺陷，则有可能导致半导体激光器的发光特性恶化。另外，半导体激光器的背面电极有时形成于半导体激光器的整个面。在该情况下，由电极中的杂质引起的扩散的影响有可能特别大。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而做出的，目的在于得到一种能够抑制发光特性的降低的半导体装置。
本申请的第1发明所涉及的半导体装置具备：半导体基板；n型的第1包覆层，设置于该半导体基板之上；n型的第2包覆层，设置于该第1包覆层之上；活性层，设置于该第2包覆层之上；p型的第3包覆层，设置于该活性层之上；表面电极，设置于该第3包覆层之上；背面电极，设置于该半导体基板之下；以及p型的扩散抑制层，设置于该第1包覆层与该第2包覆层之间。
本申请的第2发明所涉及的半导体装置具备：半导体基板；第1导电型的第1包覆层，设置于该半导体基板之上；该第1导电型的第2包覆层，设置于该第1包覆层之上；活性层，设置于该第2包覆层之上；第2导电型的第3包覆层，设置于该活性层之上；表面电极，设置于该第3包覆层之上；背面电极，设置于该半导体基板之下，且设置为范围比该表面电极广；以及该第2导电型的扩散抑制层，设置于该第1包覆层与该第2包覆层之间。
本申请的第3发明所涉及的半导体装置具备：半导体基板；第1导电型的第1包覆层，设置于该半导体基板之上；活性层，设置于该第1包覆层之上；第2导电型的第2包覆层，设置于该活性层之上；表面电极，设置于该第2包覆层之上；背面电极，设置于该半导体基板之下；以及衍射光栅层，设置于该第1包覆层和该第2包覆层中的一个包覆层，且导电型与该包覆层不同。
本申请的第4发明所涉及的半导体装置具备：半导体基板；第1导电型的第1包覆层，设置于该半导体基板之上；活性层，设置于该第1包覆层之上，且导电型是该第1导电型和第2导电型中的任一种；该第2导电型的第2包覆层，设置于该活性层之上；表面电极，设置于该第2包覆层之上；背面电极，设置于该半导体基板之下；以及埋入层，设置于该活性层的侧面，且导电型与该活性层相同。
在本申请的第1、第2发明所涉及的半导体装置中，在包覆层设置有导电型与包覆层不同的扩散抑制层。因此，能够在包覆层与活性层的pn界面捕获杂质。因此，能够抑制杂质到达活性层，从而能够抑制发光特性的降低。
在本申请的第3发明所涉及的半导体装置中，在包覆层设置有导电型与包覆层不同的衍射光栅层。因此，能够在包覆层与衍射光栅层的pn界面捕获杂质。因此，能够抑制杂质到达活性层，从而能够抑制发光特性的降低。
在本申请的第4发明所涉及的半导体装置中，在活性层的侧面形成有导电型与活性层相同的埋入层。由此，在活性层的内部不形成pn界面，而能够抑制杂质向活性层内部的蓄积。因此，能够抑制发光特性的降低。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的半导体装置的剖视图。
图2是实施方式1的变形例所涉及的半导体装置的剖视图。
图3是实施方式2所涉及的半导体装置的剖视图。
图4是图3的放大图。
图5是实施方式3所涉及的半导体装置的剖视图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式所涉及的半导体装置进行说明。对相同的或对应的构成要素标注相同的附图标记，有时省略反复说明。
实施方式1
图1是实施方式1所涉及的半导体装置100的剖视图。半导体装置100是半导体激光器等光半导体装置。半导体装置100例如作为光通信用途使用。半导体装置100具备半导体基板10。在半导体基板10之上设置有n型第1包覆层12。在第1包覆层12上设置有n型第2包覆层14。在第1包覆层12与第2包覆层14之间设置有p型扩散抑制层40。
第2包覆层14其上侧的宽度比下侧窄。即，第2包覆层14具有台面部。在第2包覆层14的台面部之上设置有无掺杂的活性层20。在活性层20之上设置有p型第3包覆层30。第2包覆层14的台面部、活性层20以及第3包覆层30形成层叠体台面11。第2包覆层14的台面部、活性层20以及第3包覆层30在与导波方向垂直的方向的剖视观察时，宽度比半导体基板10、第1包覆层12或扩散抑制层40窄。第2包覆层14的台面部、活性层20以及第3包覆层30的侧面被埋入层50埋入。
在第3包覆层30以及埋入层50之上设置有p型第4包覆层32。在第4包覆层32之上设置有p型接触层34。
第1包覆层12、扩散抑制层40、第2包覆层14、埋入层50、第4包覆层32以及接触层34被雕刻至半导体基板10为止。由此，在半导体基板10之上形成有台面型的激光器部。激光器部上表面的一部分以及侧面被绝缘膜60覆盖。绝缘膜60在接触层34之上形成有开口。
在接触层34之上设置有表面电极80。表面电极80覆盖绝缘膜60的侧面的一部分和上表面。表面电极80在绝缘膜60的开口处与接触层34接触。
在半导体基板10之下设置有背面电极70。背面电极70设置于半导体基板10的整个背面。
接下来，对半导体装置100的制造方法进行说明。这里，示出了在n型InP基板之上具有AlGaInAs活性层的半导体激光器的例子。以下所示的材质、膜厚、浓度、宽度、高度等为一个例子。
半导体基板10是n型InP基板。首先，在半导体基板10的100面之上依次生长第1包覆层12、扩散抑制层40、第2包覆层14、活性层20以及第3包覆层30。生长使用MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition：金属有机化学气相沉积)法。
第1包覆层12由n型InP形成。第1包覆层12的膜厚为0.5μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。扩散抑制层40由p型InP形成。扩散抑制层40的膜厚为0.05μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。第2包覆层14由n型InP形成。第2包覆层14的膜厚为1.5μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。活性层20由无掺杂的AlGaInAs形成。活性层20的膜厚为0.3μm。第3包覆层30由p型InP形成。第3包覆层30的膜厚为0.3μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。
接下来，在第3包覆层30之上形成沿＜011＞方向延伸的条状的SiO2掩模。SiO2掩模的宽度为1.5μm。SiO2掩模通过光刻技术形成。接下来，通过使用SiO2掩模进行干式蚀刻，来形成条状的层叠体台面11。层叠体台面11的高度为2.0μm。
其后，在层叠体台面11的两侧通过MOCVD法依次生长第1埋入层、第2埋入层以及第3埋入层。第1埋入层由p型InP形成。第1埋入层的膜厚为0.5μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。第2埋入层由n型InP形成。第2埋入层的膜厚为1.2μm，掺杂浓度为5.0×1018cm－3。第3埋入层由p型InP形成。第3埋入层的膜厚为0.3μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。第1埋入层、第2埋入层以及第3埋入层形成埋入层50。埋入层50成为pnp结构，作为电流阻挡层发挥作用。
接下来，通过氟酸去除SiO2掩模。其后，在第3包覆层30和埋入层50之上，通过MOCVD法依次生长第4包覆层32、接触层34。第4包覆层32由p型InP形成。第4包覆层32的膜厚为2.0μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。接触层34由p型InP形成。接触层34的膜厚为0.3μm，掺杂浓度为1.0×1019cm－3。
其后，在包含活性层条纹在内的区域形成条状的SiO2掩模。即，SiO2掩模设置于在俯视观察时与层叠体台面11重叠的位置。SiO2掩模的宽度为5μm。SiO2掩模通过光刻形成。接下来，使用SiO2掩模，通过HBr将外延结构蚀刻至半导体基板10为止。由此，去除外延结构中的未被SiO2掩模覆盖的部分。根据以上，形成台面型的激光器部。
接下来，在台面型的激光器部的整个面形成绝缘膜60。绝缘膜60例如由SiO2形成。接下来，通过干式蚀刻使绝缘膜60中的包含活性层条纹在内的3μm宽度的部分开口。即，在绝缘膜60中的层叠体台面11的正上方部分形成开口。
接下来，在接触层34以及绝缘膜60之上蒸镀形成表面电极80。表面电极80由Au形成。另外，在半导体基板10的背面蒸镀形成背面电极70。背面电极70例如为Au。根据以上，完成半导体装置100的结构。
一般来说，光半导体装置通过向活性层注入电流，来生成与活性层的带隙能量对应的波长的光。作为光半导体装置的结构，大多采用由p型和n型的包覆层夹着活性层的上下，并在两包覆层形成有欧姆电极的结构。
在半导体激光器中，有时电极中混入意图之外的杂质。此时，因电流注入而扩散的杂质有时在活性层附近形成结晶缺陷。在该情况下，有可能导致半导体激光器的发光特性恶化。
针对于此，存在通过在Au电极与半导体层之间形成阻挡金属来作为对策的情况。阻挡金属由Pt或W等形成。然而，有可能因阻挡金属而增加电阻。另外，在阻挡金属本身混入了杂质的情况下，有可能与以往同样因通电导致杂质扩散至活性层附近。
另外，表面电极为了高速动作而大多被加工成电极面积小。与此相对，背面电极一般大多形成于半导体基板的整个背面。因此，认为由背面电极中的杂质带来的影响特别大。
作为本实施方式的比较例，考虑设置于半导体基板与活性层之间的n型包覆层中没有p型扩散抑制层的结构。在该结构中，面积大的背面电极所包含的离子化杂质有可能因电子电流而扩散，并蓄积在活性层附近的pn界面。当进一步继续通电时，在蓄积在pn界面的杂质的周边的空间电荷区域，复合电流增加。因此，在发光区域中少数载流子寿命减少，半导体激光器的发光效率有可能降低。
与此相对，在本实施方式中，在第1包覆层12与第2包覆层14之间存在p型扩散抑制层40。由此，能够在n型包覆层与p型扩散抑制层40所形成的pn界面捕获离子化杂质。因此，能够抑制杂质到达活性层20。因此，能够抑制杂质向活性层20附近的蓄积。另外，即使一般在InP包覆层中存在离子化杂质，也不影响活性层的发光。因此，能够抑制发光效率的降低。
在本实施方式中示出了埋入型激光器的例子。但并不局限于此，脊型激光器等其他结构也可以预期同样的效果。另外，在将本实施方式应用于埋入型激光器的情况下，即使p型扩散抑制层40处于层叠体台面11也可以预期同样的效果。
在本实施方式中，背面电极70设置于半导体基板10的整个背面。但并不局限于此，背面电极70只要设置为比表面电极80范围广即可。另外，背面电极70与半导体基板10的接触面积，也可以大于表面电极80与接触层34的接触面积。
另外，各层的导电型并不局限于本实施方式所示出的导电型。即，只要第1包覆层12和第2包覆层14为n型和p型中的一个亦即第1导电型，扩散抑制层40和第3包覆层30为n型和p型中的另一个亦即第2导电型即可。
另外，活性层20并不局限于AlGaInAs，也可以由InGaAsP形成。
另外，也可以由AlInAs等价带的势垒大的材料形成扩散抑制层40。由此，能够更改善杂质的捕获效果。另外，扩散抑制层40也可以包含Ga或Al。
另外，半导体基板10、第1包覆层12、第2包覆层14以及扩散抑制层40的载流子浓度也可以在1×1017cm－3以上且1×1019cm－3以下。若在该范围内，则能够控制对InP系的p、n掺杂浓度。
另外，扩散抑制层40的膜厚优选为100nm以下。这是因为在对InP系的p、n掺杂浓度为1×1017cm－3的情况下，耗尽层的厚度约为100nm。另外，扩散抑制层40的膜厚优选为2nm以上。若在该范围内，则一般能够控制膜厚。
另外，也可以设置含有氧的层来代替扩散抑制层40。在该情况下，来自电极的杂质与氧结合而停留。因此能够抑制杂质到达活性层20。
另外，在本实施方式中，在活性层20之下的包覆层设置有扩散抑制层40。但并不局限于此，扩散抑制层40也可以设置于活性层20之上的包覆层。在该情况下，扩散抑制层40成为n型。由此，能够在p型包覆层与n型扩散抑制层40所形成的pn界面捕获离子化杂质。因此，能够抑制来自表面电极80的杂质到达活性层20。
图2是实施方式1的变形例所涉及的半导体装置200的剖视图。在半导体装置200中，在第3包覆层30和埋入层50之上设置有p型第4包覆层232。在第4包覆层232之上设置有n型扩散抑制层242。在扩散抑制层242之上设置有p型第5包覆层233。其他构成与半导体装置100相同。
这样，也可以在活性层20的上下设置有扩散抑制层40、242。由此，能够在扩散抑制层40、242捕获来自表面电极80和背面电极70的杂质的扩散。
这些变形能够对以下实施方式所涉及的半导体装置适当应用。此外，以下实施方式所涉及的半导体装置与实施方式1的共同点较多，因此围绕与实施方式1之间的不同点进行说明。
实施方式2
图3是实施方式2所涉及的半导体装置300的剖视图。图4是图3的放大图。图3、4示出了半导体装置300的与导波方向垂直的截面的一个例子。半导体装置300与实施方式1的不同点在于，设置衍射光栅层340来代替扩散抑制层40。
在半导体装置300中，在半导体基板10之上设置有n型第1包覆层312。第1包覆层312其上侧的宽度比下侧窄。即，第1包覆层312具有台面部。在第1包覆层312的台面部之上设置有p型衍射光栅层340。在衍射光栅层340之上设置有n型第2包覆层316。
在第2包覆层316之上设置有无掺杂的活性层20。在活性层20之上设置有p型第3包覆层30。第1包覆层312的台面部、衍射光栅层340、第2包覆层316、活性层20以及第3包覆层30形成层叠体台面11。第1包覆层312的台面部、衍射光栅层340、第2包覆层316、活性层20以及第3包覆层30，在剖视观察时宽度比半导体基板10窄。第1包覆层312的台面部、衍射光栅层340、第2包覆层316、活性层20以及第3包覆层30的侧面被埋入层50埋入。其他构成与半导体装置100相同。
接下来，对半导体装置300的制造方法进行说明。这里，示出了在n型InP基板之上具有AlGaInAs活性层的DFB(Distributed Feedback：分布式反馈)激光器的例子。首先，在半导体基板10的100面之上形成第1包覆层312、衍射光栅层340以及第2包覆层316。这些层例如通过MOCVD形成。
第1包覆层312由n型InP形成。第1包覆层312的膜厚为0.5μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。衍射光栅层340由p型InGaAsP形成。衍射光栅层340的膜厚为0.05μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。第2包覆层316由n型InP形成。第2包覆层316的膜厚为0.05μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。
接着，通过CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法，在第2包覆层316的整个面形成SiO2掩模。接下来，在SiO2掩模以一定的间距形成多个开口。开口通过光刻技术形成。开口在＜011＞方向上以0.24μm间距形成。另外，开口的长度为0.12μm，宽度为10μm。
接下来，通过干式蚀刻在SiO2掩模之下的外延层形成衍射光栅。接下来，通过氟酸去除SiO2。接下来，将露出的衍射光栅用n型InP层埋入。埋入通过MOCVD法来进行。n型InP层的膜厚为0.2μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。
连续地，依次生长活性层20以及第3包覆层30。活性层20由无掺杂的AlGaInAs形成。活性层20的膜厚为0.3μm。第3包覆层30由p型InP形成。第3包覆层30的膜厚为0.3μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。
通过以上制造方法，能够形成在导波方向上具有p型和n型的周期结构的衍射光栅。衍射光栅的p型层为衍射光栅层340，n型层为填充衍射光栅层340之间的InP层。其后的制造方法与实施方式1相同。
在本实施方式中，在n型包覆层内设置有p型衍射光栅层340。由此，在背面电极70与活性层20之间周期性地形成pn界面。因此，能够在衍射光栅层340的pn界面捕获来自背面电极70的离子化杂质。因此，能够抑制杂质到达活性层20。通过这样的作用，能够抑制杂质向活性层20附近的蓄积，从而能够抑制半导体装置300的发光效率的降低。
另外，本实施方式的衍射光栅层340具有作为衍射光栅的功能和杂质的捕获功能。因此，能够高效地抑制发光效率的降低。
另外，在本实施方式中，衍射光栅层340设置于活性层20之下的包覆层。但并不局限于此，衍射光栅层340也可以设置于活性层20之上的包覆层。在该情况下，能够在衍射光栅层340的pn界面捕获来自表面电极80的离子化杂质。因此，能够抑制半导体装置300的发光效率的降低。这样，衍射光栅层340只要设置于活性层20下部的包覆层、和活性层20上部的包覆层中的一个即可。另外，衍射光栅层340只要导电型与设置有衍射光栅层340的包覆层不同即可。
另外，各层的导电型并不局限于本实施方式所示出的导电型。即，只要第1包覆层312和第2包覆层316为n型和p型中的一个亦即第1导电型，衍射光栅层340和第3包覆层30为n型和p型中的另一个亦即第2导电型即可。
另外，活性层20也可以由InGaAsP形成。另外，衍射光栅层340也可以包含Ga或Al。传导体或价带的势垒越大，越能够增大杂质的捕获效果。因此，作为衍射光栅层340的材料，通过选择与InP晶格匹配且容易形成势垒的Ga或Al，能够高效地捕获杂质。
实施方式3
图5是实施方式3所涉及的半导体装置400的剖视图。本实施方式的特征在于对活性层420进行了掺杂。
在半导体装置400中，在半导体基板10之上设置有n型第1包覆层12。第1包覆层12其上侧的宽度比下侧窄。即，第1包覆层12具有台面部。在第1包覆层12的台面部之上设置有p型活性层420。在活性层420之上设置有p型第3包覆层30。第1包覆层12的台面部、活性层420以及第3包覆层30形成层叠体台面11。第1包覆层12的台面部、活性层420以及第3包覆层30在剖视观察时宽度比半导体基板10窄。其他结构与实施方式1相同。
接下来，对埋入层50的结构进行说明。p型第1埋入层452沿层叠体台面11的侧面和第1包覆层12的上表面设置。第1包覆层12的台面部、活性层420以及第3包覆层30的侧面被第1埋入层452覆盖。因此，在p型活性层420的侧面设置有导电型与活性层420相同的第1埋入层452。
n型第2埋入层454设置于第1埋入层452之上。第2埋入层454设置到与层叠体台面11的上表面相同的高度为止。p型第3埋入层456设置于第2埋入层454之上。第1埋入层452、第2埋入层454、第3埋入层456形成埋入层50。此外，埋入层50的结构在实施方式1、2中也一样。
接下来，对半导体装置400的制造方法进行说明。这里，示出了在n型InP基板之上具有AlGaInAs活性层的半导体激光器的例子。首先，在半导体基板10的100面依次生长第1包覆层12、活性层420以及第3包覆层30。第1包覆层12由n型InP形成。第1包覆层12的膜厚为1.0μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。活性层420由p型AlGaInAs形成。活性层420的膜厚为0.3μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。第3包覆层30由p型InP形成。第3包覆层30的膜厚为0.3μm，掺杂浓度为1.0×1018cm－3。后面的制造方法与实施方式1相同。
在本实施方式中，对活性层420进行掺杂，使活性层420与第1埋入层452的导电型相同。此时，在活性层420的内部不形成pn界面。由此，能够抑制杂质向活性层420内部的蓄积。因此，能够抑制半导体装置400的发光效率的降低。
作为本实施方式的变形例，各层的导电型并不局限于本实施方式所示出的导电型。在本实施方式中，示出了活性层420和第1埋入层452为p型的例子，但即使两者为n型也可以预期同样的效果。即，只要第1包覆层12为n型和p型中的一个亦即第1导电型，第3包覆层30为n型和p型中的另一个亦即第2导电型即可。另外，只要活性层420为第1导电型或第2导电型中的任一个即可。此时，第1埋入层452是与活性层420相同的导电型。
此外，也可以适当地组合使用在各实施方式中说明的技术特征。
附图标记说明
10...半导体基板；11...层叠体台面；12...第1包覆层；14...第2包覆层；20...活性层；30...第3包覆层；32...第4包覆层；34...接触层；40...扩散抑制层；50...埋入层；60...绝缘膜；70...背面电极；80...表面电极；100、200...半导体装置；232...第4包覆层；233...第5包覆层；242...扩散抑制层；300...半导体装置；312...第1包覆层；316...第2包覆层；340...衍射光栅层；400...半导体装置；420...活性层；452...第1埋入层；454...第2埋入层；456...第3埋入层。

Claims (8)

1.一种半导体装置，其特征在于，
所述半导体装置具备：
半导体基板；
n型的第1包覆层，设置于所述半导体基板之上；
n型的第2包覆层，设置于所述第1包覆层之上；
活性层，设置于所述第2包覆层之上；
p型的第3包覆层，设置于所述活性层之上；
表面电极，设置于所述第3包覆层之上；
背面电极，设置于所述半导体基板之下；以及
p型的扩散抑制层，设置于所述第1包覆层与所述第2包覆层之间。
2.一种半导体装置，其特征在于，
所述半导体装置具备：
半导体基板；
第1导电型的第1包覆层，设置于所述半导体基板之上；
所述第1导电型的第2包覆层，设置于所述第1包覆层之上；
活性层，设置于所述第2包覆层之上；
第2导电型的第3包覆层，设置于所述活性层之上；
表面电极，设置于所述第3包覆层之上；
背面电极，设置于所述半导体基板之下，且设置为范围比所述表面电极广；以及
所述第2导电型的扩散抑制层，设置于所述第1包覆层与所述第2包覆层之间。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述背面电极设置为范围比所述表面电极广。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述第3包覆层的宽度比所述半导体基板窄。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述背面电极设置于所述半导体基板的整个背面。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体基板、所述第1包覆层、所述第2包覆层、所述第3包覆层以及所述扩散抑制层由InP形成，
所述活性层由InGaAsP或AlGaInAs形成。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体基板、所述第1包覆层、所述第2包覆层以及所述第3包覆层由InP形成，
所述活性层由InGaAsP或AlGaInAs形成，
所述扩散抑制层包含Ga或Al。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体基板、所述第1包覆层以及所述第2包覆层的载流子浓度为1×1017cm－3以上且1×1019cm－3以下，
所述扩散抑制层的载流子浓度为1017cm－3以上且1×1019cm－3以下，
所述扩散抑制层的膜厚为2nm以上且100nm以下。
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