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TW202137580A - 發光裝置 - Google Patents

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TW202137580A
TW202137580A TW110103374A TW110103374A TW202137580A TW 202137580 A TW202137580 A TW 202137580A TW 110103374 A TW110103374 A TW 110103374A TW 110103374 A TW110103374 A TW 110103374A TW 202137580 A TW202137580 A TW 202137580A
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TW
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light
contact layer
emitting device
substrate
Prior art date
Application number
TW110103374A
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English (en)
Inventor
荒木田孝博
Original Assignee
日商索尼半導體解決方案公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Abstract

本揭示之一實施形態之發光裝置具備：基板，其具有對向之第1面及第2面；第1接觸層，其積層於基板之第1面；緩衝層，其積層於第1接觸層，且至少載子濃度、材料組成及組成比之任一者與第1接觸層不同；及半導體積層體，其隔著第1接觸層及緩衝層而積層於基板之第1面，且具有可出射雷射光之發光區域。

Description

發光裝置
本揭示係關於一種例如背面出射型之發光裝置。
例如，專利文獻1中揭示有一種面形發光元件，其於n形或半絕緣性之GaAs基板上依序形成有構成基板側鏡之n形半導體多層膜、基板側接觸兼注入層及p形半導體多層膜、包含發光層之腔室、及構成空氣側鏡之n形半導體多層膜。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平5-211346號公報
然而，期望提高發光裝置之可靠性。
期望提供一種可提高可靠性之發光裝置。
本揭示之一實施形態之發光裝置具備：基板，其具有對向之第1面及第2面；第1接觸層，其積層於基板之第1面；緩衝層，其積層於第1接觸層，且至少載子濃度、材料組成及組成比之任一者與第1接觸層不同；及半導體積層體，其隔著第1接觸層及緩衝層而積層於基板之第1面，且具有可出射雷射光之發光區域。
於本揭示之一實施形態之發光裝置中，於第1接觸層及半導體積層體之間，設置至少載子濃度、材料組成及組成比之任一者與第1接觸層不同之緩衝層。藉此，形成具有優良之結晶品質之半導體積層體。
以下，參照圖式詳細說明本發明之實施形態。以下之說明為本揭示之一具體例，但本發明並非限定於以下之態樣者。又，本揭示關於各圖所示之各構成要件之配置或尺寸、尺寸比等，亦非限定於該等者。另，說明之順序如下所述。 1.實施形態(於第1接觸層與第1光反射層之間具有載子濃度、材料組成及組成比之任一者與第1接觸層不同之緩衝層之背面出射型之半導體雷射之例) 1-1.半導體雷射之構成 1-2.半導體雷射之製造方法 1-3.作用、效果 2.應用例(測距裝置之例)
＜1.實施形態＞ 圖1係模式性地顯示本揭示之一實施形態之發光裝置(半導體雷射1)之剖面構成之一例之圖。該半導體雷射1為例如背面出射型之VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER：垂直腔面發射雷射)，即，為例如複數之VCSEL積體為陣列狀作為複數之發光區域者。
(1-1.半導體雷射之構成) 半導體雷射1例如於基板11之第1面(表面(面11S1))具有複數之半導體積層體10。半導體積層體10例如具有柱狀形狀(高台形狀)，例如依序積層有第1光反射層14、活性層15及第2光反射層16。第1光反射層14與活性層15之間設置有形成電流注入區域17A之電流狹窄層17。該半導體積層體10相當於本發明之「半導體積層體」之一具體例。半導體積層體10與基板11之間，自基板側依序積層有第1接觸層12及緩衝層13，且緩衝層13與半導體積層體10共同形成高台形狀。第1接觸層12作為相對於複數之半導體積層體10之共通層而於基板11上延伸。於第1接觸層12上設置有第1電極21作為各半導體積層體10之共通電極。於各半導體積層體10之上表面(面10S1)，依序分別形成有第2接觸層18及第2電極22。再者，除第1電極21及第2電極22以外之第1接觸層12之上表面(面12S1)及第2接觸層18之上表面以及第2接觸層18、半導體積層體10及緩衝層13之側面被絕緣膜23覆蓋，基板11之第2面(背面(面11S2))被絕緣膜24覆蓋。
以下，詳細說明半導體雷射1之各部分之構成或材料等。
基板11為將複數之半導體積層體10積體之支持基板。基板11例如係由不含雜質之例如包含GaAs系半導體之半絕緣性基板構成。又，基板11只要為載子濃度較低且雷射光之吸收減少者即可，未必限定於一般之半絕緣性基板者。例如，作為基板11，可使用具有p型或n型之載子濃度為5×1017 cm-3 以下之載子濃度之基板。
第1接觸層12由具有導電性之例如GaAs系半導體構成。第1接觸層12為用以將第1電極21與各半導體積層體10之第1光反射層14電性連接者。第1接觸層12係由具有較高之載子濃度例如1×1019 cm-3 以上之載子濃度之p型GaAs構成。第1接觸層12相當於本揭示之「第1接觸層」之一具體例。第1接觸層之積層方向之膜厚例如為200 nm以上1500 nm以下。
緩衝層13為用以恢復形成於第1接觸層12之上方之半導體積層體10之結晶品質者。緩衝層13較佳具有如下之構成。例如，緩衝層13以與第1接觸層12不同之載子濃度形成。具體而言，緩衝層13由具有較第1接觸層12更低之載子濃度，例如未滿1×1019 cm-3 、較佳為例如5×1018 cm-3 以下之載子濃度之p型GaAs構成。例如，緩衝層13使用與第1接觸層12(例如GaAs層)不同之材料組成或組成比之半導體構成。作為緩衝層13之構成材料，可列舉AlAs、AlGaAs、InGaAs、AlGaInAs、GaInP及AlGaInP。緩衝層13可作為包含含有上述任一者之半導體材料之層之單層膜或積層膜而形成。
緩衝層13藉由成為至少上述任一構成，而緩和因高濃度摻雜導致之第1接觸層12之結晶性之惡化，恢復形成於第1接觸層12之上方之半導體積層體10之結晶品質。緩衝層13之積層方向之膜厚例如為100 nm以上1000 nm以下。
第1光反射層14配置於緩衝層13與電流狹窄層17之間，且隔著活性層15及電流狹窄層17而與第2光反射層16對向。第1光反射層14使活性層15產生之光在與第2光反射層16之間共振。第1光反射層14相當於本揭示之「第1光反射層」之一具體例。
第1光反射層14為將低折射率層(未圖示)及高折射率層(未圖示)交替積層之DBR(Distributed Bragg Reflector：分佈布拉格反射)層。低折射率層例如包含光學膜厚為λ×1/4n之p型之Alx1 Ga1-x1 As(0＜x1≦1)，高折射率層例如包含光學膜厚為λ×1/4n之p型之Alx2 Ga1-x2 As(0≦x2＜x1)。λ為自各發光區域發出之雷射光之振盪波長，n為折射率。
活性層15設置於第1光反射層14與第2光反射層16之間。活性層15係由例如砷化鋁鎵(AlGaAs)系之半導體材料構成。活性層15中，使自第1電極21及第2電極22注入之電洞及電子發光再結合而產生誘發發射光。活性層15中與電流注入區域17A之對向區域成為發光區域。活性層15可使用例如未摻雜之Alx3 Ga1-x3 As(0＜x3≦0.45)。活性層15亦可具有例如GaAs與AlGaAs之多重量子井(MQW：Multi Quantum Well：多量子井)構造。活性層15只要根據期望之雷射光之波長區域選擇構成材料即可，例如於獲得900 nm頻帶之雷射特性之情形下，可藉由砷化銦鎵(InGaAs)與AlGaAs之多重量子井構造構成活性層15。活性層15相當於本揭示之「活性層」之一具體例。
第2光反射層16為配置於活性層15與第2接觸層18之間之DBR層。第2光反射層16隔著活性層15及電流狹窄層17而與第1光反射層14對向。第2光反射層16相當於本揭示之「第2光反射層」之一具體例。
第2光反射層16具有將低折射率層及高折射率層交替重疊之積層構造。低折射率層例如為光學膜厚為λ/4n之n型之Alx4 Ga1-x4 As(0＜x4≦1)。高折射率層例如為光學膜厚為λ/4n之n型之Alx5 Ga1-x5 As(0≦x5＜x4)。
電流狹窄層17設置於第1光反射層14與活性層15之間，例如，自具有高台形狀之半導體積層體10之外周側向內側，以特定寬度而形成為環狀。換言之，電流狹窄層17設置於第1光反射層14與活性層15之間，其中央部分具有特定寬度之開口，該開口成為電流注入區域17A。電流狹窄層17例如由p型之AlGaAs構成。具體而言，電流狹窄層17包含Al0.85 Ga0.15 As~AlAs，且將其氧化而作為氧化鋁(AlOx )層，藉此使電流變得狹窄。於半導體雷射1中，藉由設置該電流狹窄層17，而使自第1電極21注入於活性層15之電流變得狹窄，提高電流注入效率。
第2接觸層18由具有導電性之例如GaAs系半導體構成。第2接觸層18例如由n型之GaAs構成。第2接觸層18相當於本揭示之「第2接觸層」之一具體例。
第1電極21設置於第1接觸層12上，例如由鈦(Ti)/鉑(Pt)/金(Au)之多層膜形成。
第2電極22設置於半導體積層體10之上方，具體而言為第2接觸層18上，且例如由金-鍺(Au-Ge)/鎳(Ni)/金(Au)之多層膜形成。
絕緣膜23於第2接觸層18之上表面、及第2接觸層18、半導體積層體10和緩衝層13之側面、以及第1接觸層12之上表面(面12S1)，例如連續形成。絕緣膜23由例如氮化矽(SiN)或氧化矽(SiO2 )等之單層膜或積層膜構成。絕緣膜23之各第2接觸層18之上表面及第1接觸層12之特定之位置，分別設置有開口23H(例如參照圖2D)，且於各開口23H埋入有第1電極21或第2電極22。
絕緣膜24形成於基板11之背面(面11S2)之例如整面。絕緣膜24與絕緣膜24同樣，由例如氮化矽(SiN)或氧化矽(SiO2 )等之單層膜或積層膜構成。
本實施形態之半導體雷射1為具有將設置於基板11上之複數之半導體積層體10與第1電極21，藉由例如由p型之GaAs構成之第1接觸層12相互電性連接之所謂陽極共通構造之半導體雷射。
於半導體雷射1中，若對第1電極21及第2電極22施加特定之電壓，則自第1電極21及第2電極22對半導體積層體10施加電壓。藉此，電子自第1電極21注入活性層15，電洞自第2電極22注入活性層15，且藉由電子及電洞之再結合而產生光。光在第1光反射層14與第2光反射層16之間共振放大，而自基板11之背面(面11S2)出射雷射光L。
(1-2.半導體雷射之製造方法) 其次，參照圖2A~圖2D說明半導體雷射1之製造方法。
首先，如圖2A所示，於基板11上，例如藉由有機金屬氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD)法等之磊晶結晶生長法，依序形成構成第1接觸層12、緩衝層13、第1光反射層14、活性層15、第2光反射層16及第2接觸層18之各化合物半導體層，製作磊晶圓。此時，作為化合物半導體之原料，使用三甲基鋁(TMAl)、三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)等之甲基系有機金屬化合物、砷化氫(AsH3 )氣體，作為供體雜質之原料，使用例如乙矽烷(Si2 H6 )，作為受體雜質之原料，使用例如四溴化碳(CBr4 )。
繼而，如圖2B所示，於第2接觸層18上形成特定之圖案之光阻膜(未圖示)後，將該光阻膜作為掩膜，蝕刻第2接觸層18、第2光反射層16、活性層15及第1光反射層14，形成柱狀之高台構造(半導體積層體10)。此時，較佳使用例如Cl系氣體之RIE(Reactive Ion Etching：反應離子蝕刻)。於第2接觸層18、第2光反射層16、活性層15及第1光反射層14之蝕刻中，緩衝層13作為蝕刻停止層發揮功能。藉此，晶圓面內之蝕刻之深度為特定。其後，藉由於水蒸氣氣體環境下實施高溫處理，而氧化預先磊晶生長時所積層之鋁(Al)組成較高之例如AlGaAs層，形成電流狹窄之氧化層(電流狹窄層17)。
其後，如圖2C所示，藉由蝕刻去除緩衝層13，使第1接觸層12露出。
繼而，如圖2D所示，於自第2接觸層18之上表面連續於第1接觸層12上之絕緣膜23及基板11之背面(面11S2)形成絕緣膜24後，於第1接觸層12上及第2接觸層18上分別形成第1電極21及第2電極22。絕緣膜23、24藉由例如化學氣相沉積(CVD：Chemical Vapor Deposition)法或原子層堆積(ALD：Atomic Layer Deposition)法形成。絕緣膜23以覆蓋藉由蝕刻而自第2接觸層18之上表面露出之第1接觸層12之上表面(面12S1)整體之方式形成後，於絕緣膜23上圖案形成特定圖案之光阻膜(未圖示)，且進行RIE等之蝕刻，且於特定位置形成開口23H。其後，使用例如利用抗蝕劑圖案之剝蝕法，於第1接觸層12上及第2接觸層18之上表面分別圖案形成第1電極21及第2電極22。根據以上，完成圖1所示之半導體雷射1。
(1-3.作用、效果) 本實施形態之半導體雷射1，於第1接觸層12與半導體積層體10之間設置載子濃度、材料組成及組成比之任一者與第1接觸層12不同之緩衝層13。藉此，形成具有優良之結晶品質之半導體積層體10。以下對此進行說明。
於一般之面發光雷射中，如上述之面形發光元件，例如於DBR層中途設置有接觸層，且經由設置於該接觸層上之電極而對發光層(活性層)施加電壓。因此，接觸層一般形成為載子濃度較高。如此，將載子濃度較高之接觸層形成於靠近DBR層中之活性層之位置之情形，接觸層之光吸收變得較大，有雷射振盪特性降低之虞。另一方面，為減少接觸層之光吸收而減小接觸層之膜厚之情形，有製程加工時無餘裕，使製造良率降低之虞。又，由於高濃度摻雜有雜質之接觸層係結晶性易惡化，故有於接觸層上生長之裝置構造之結晶性降低之虞。
與此相對，本實施形態中，於第1接觸層12上設置載子濃度、材料組成及組成比之任一者與第1接觸層12不同之緩衝層13，且介隔該緩衝層13使構成裝置構造(半導體積層體10)之第1光反射層14、活性層15及第2光反射層16結晶生長。藉此，可緩和第1接觸層12之結晶性之惡化，從而可形成保持結晶品質之半導體積層體10。
如上所述，於本實施形態之半導體雷射1中，由於在第1接觸層12與半導體積層體10之間設置載子濃度、材料組成及組成比之任一者與第1接觸層12不同之緩衝層13，故可保持形成於第1接觸層之上方(例如緩衝層13上)之半導體積層體10之結晶品質。因此，可提高可靠性。
又，於本實施形態中，由於在第1接觸層12與半導體積層體10之間設置緩衝層13，故使第1接觸層之膜厚之設計自由度提高。藉此，可抑制製程餘裕之降低，且可減少第1接觸層之光吸收。因此，可維持製造良率，且提高自基板11之背面(面11S2)出射之雷射光L之振盪特性。
＜2.應用例＞ 本技術可應用於包含半導體雷射之各種電子機器。例如，可應用於智慧型手機等之便攜式電子機器所具備之光源、或檢測形狀或動作等之各種感測機器之光源等。
圖3係顯示使用具備上述之半導體雷射1之照明裝置100之測距裝置(測距裝置200)之概略構成的方塊圖。測距裝置200為藉由ToF方式測定距離者。測距裝置200例如具有照明裝置100、受光部210、控制部220、及測距部230。
照明裝置100例如為作為光源具備圖1等所示之半導體雷射1者。照明裝置100例如與矩形波之發光控制信號CLKp同步產生照明光。又，發光控制信號CLKp只要為週期信號，並未限定於矩形波。例如，發光控制信號CLKp亦可為正弦波。
受光部210為接收自照射對象物300反射之反射光，每次經過垂直同步信號VSYNC之週期，檢測出該週期內之受光量者。例如，60赫茲(Hz)之週期信號係作為垂直同步信號VSYNC而使用。又，於受光部210以二維格柵狀配置有複數之像素電路。受光部210將與該等像素電路之受光量對應之圖像資料(訊框)供給至測距部230。另，垂直同步信號VSYNC之頻率並非限定於60赫茲(Hz)，亦可為30赫茲(Hz)或120赫茲(Hz)。
控制部220為控制照明裝置100者。控制部220產生發光控制信號CLKp而供給至照明裝置100及受光部210。發光控制信號CLKp之頻率例如為20兆赫(MHz)。另，發光控制信號CLKp之頻率並非限定於20兆赫(MHz)，亦可為例如5兆赫(MHz)。
測距部230為基於圖像資料以ToF(Time of Flight：飛行時間)方式測定直至照射對象物300之距離者。該測距部230按各像素電路測定距離，並按各像素產生以灰階值顯示直至物體之距離之深度圖。該深度圖例如用於進行與距離對應之程度之模糊處理之圖像處理、及根據距離求出聚焦透鏡之合焦點之自動聚焦(AF)處理等。
以上列舉實施形態及應用例對本技術進行說明，但本技術並非限定於上述實施形態等者，亦可進行各種變化。例如，上述實施形態所說明之半導體雷射1之層構成為一例，亦可進而具備其他層。又，各層之材料亦為一例，並非限定於上述者。
另，本說明書所記載之效果僅為例示，並非限定者，又亦可有其他效果。
另，本技術可為如下之構成。根據以下之構成之本技術，因於第1接觸層與半導體積層體之間，設置有至少載子濃度、材料組成及組成比之任一者與第1接觸層12不同之緩衝層，故可形成具有優良之結晶品質之半導體積層體。因此，可提高可靠性。 (1) 一種發光裝置，其具備： 基板，其具有對向之第1面及第2面； 第1接觸層，其積層於上述基板之上述第1面； 緩衝層，其積層於上述第1接觸層，且至少載子濃度、材料組成及組成比之任一者與上述第1接觸層不同；及 半導體積層體，其隔著上述第1接觸層及上述緩衝層而積層於上述基板之上述第1面，且具有可出射雷射光之發光區域。 (2) 如上述(1)之發光裝置，其中上述緩衝層之載子濃度小於1×1019 cm-3 。 (3) 如上述(1)或(2)之發光裝置，其中上述第1接觸層之載子濃度為1×1019 cm-3 以上。 (4) 如上述(1)至(3)中任1項之發光裝置，其中上述緩衝層具有至少包含GaAs層、AlAs層、AlGaAs層、InGaAs層、AlGaInAs層、GaInP層及AlGaInP層中任一者之單層構造或積層構造。 (5) 如上述(1)至(4)中任1項之發光裝置，其中上述基板為p型或n型之載子濃度為5×1017 cm-3 以下之半絕緣性基板。 (6) 如上述(1)至(5)中任1項之發光裝置，其中上述半導體積層體自上述基板側依序積層有第1光反射層、活性層、及第2光反射層。 (7) 如上述(6)之發光裝置，其中上述半導體積層體於第1光反射層與上述活性層之間，進而具有具備電流注入區域之電流狹窄層。 (8) 如上述(6)或(7)之發光裝置，其中上述第1接觸層、上述緩衝層及上述第1光反射層包含p型雜質。 (9) 如上述(6)至(8)中任1項之發光裝置，其中上述半導體積層體於上述第2光反射層進而積層有第2接觸層。 (10) 如上述(1)至(9)中任1項之發光裝置，其中 上述半導體積層體複數設置於上述基板之上述第1面； 上述第1接觸層作為相對於複數之上述半導體積層體之共通層而形成。 (11) 如上述(10)之發光裝置，其中進而具有上述半導體積層體之設置於與上述基板相反側之表面，且於上述發光區域中可對上述半導體積層體施加特定電壓而設置之第1電極、與設置於上述第1接觸層上之第2電極。 (12) 如上述(1)至(11)中任1項之發光裝置，其中上述雷射光自上述基板之上述第2面出射。
本申請案為以日本專利局於2020年2月7日所申請之日本專利申請編號2020-019567號為基礎而主張優先權者，並根據參照將該申請案之全部內容援用於本申請案。
若為同業人士，當可根據設計上之要件或其他原因，想到各種修正、組合、子組合及變更，但應理解該等為包含於添加之申請範圍或其均等物之範圍內者。
1:半導體雷射 10:半導體積層體 10S1:面 11:基板 11S1:面 11S2:面 12:第1接觸層 12S1:面 13:緩衝層 14:第1光反射層 15:活性層 16:第2光反射層 17:電流狹窄層 17A:電流注入區域 18:第2接觸層 21:第1電極 22:第2電極 23:絕緣膜 23H:開口 24:絕緣膜 100:照明裝置 200:測距裝置 210:受光部 220:控制部 230:測距部 300:照射對象物 CLKp:發光控制信號 L:雷射光 VSYNC:垂直同步信號
圖1係顯示本發明之一實施形態之半導體雷射之構成之一例之剖視模式圖。 圖2A係說明圖1所示之半導體雷射之製造方法之一例之剖視模式圖。 圖2B係顯示繼圖2A後之步驟之剖視模式圖。 圖2C係顯示繼圖2B後之步驟之剖視模式圖。 圖2D係顯示繼圖2C後之步驟之剖視模式圖。 圖3係顯示使用具備圖1所示之半導體雷射之照明裝置之測距裝置之概略構成之一例之方塊圖。
1:半導體雷射
10:半導體積層體
10S1:面
11:基板
11S1:面
11S2:面
12:第1接觸層
12S1:面
13:緩衝層
14:第1光反射層
15:活性層
16:第2光反射層
17:電流狹窄層
17A:電流注入區域
18:第2接觸層
21:第1電極
22:第2電極
23:絕緣膜
24:絕緣膜
L:雷射光

Claims (12)

  1. 一種發光裝置，其包含： 基板，其具有對向之第1面及第2面； 第1接觸層，其積層於上述基板之上述第1面； 緩衝層，其積層於上述第1接觸層，且至少載子濃度、材料組成及組成比之任一者與上述第1接觸層不同；及 半導體積層體，其隔著上述第1接觸層及上述緩衝層而積層於上述基板之上述第1面，且具有可出射雷射光之發光區域。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中上述緩衝層之載子濃度小於1×1019 cm-3 。
  3. 如請求項1之發光裝置，其中上述第1接觸層之載子濃度為1×1019 cm- 3 以上。
  4. 如請求項1之發光裝置，其中上述緩衝層具有至少包含GaAs層、AlAs層、AlGaAs層、InGaAs層、AlGaInAs層、GaInP層及AlGaInP層中任一者之單層構造或積層構造。
  5. 如請求項1之發光裝置，其中上述基板為p型或n型之載子濃度為5×1017 cm-3 以下之半絕緣性基板。
  6. 如請求項1之發光裝置，其中上述半導體積層體自上述基板側依序積層有第1光反射層、活性層、及第2光反射層。
  7. 如請求項6之發光裝置，其中上述半導體積層體於第1光反射層與上述活性層之間，進而包含具備電流注入區域之電流狹窄層。
  8. 如請求項6之發光裝置，其中上述第1接觸層、上述緩衝層及上述第1光反射層包含p型雜質。
  9. 如請求項6之發光裝置，其中上述半導體積層體於上述第2光反射層進而積層有第2接觸層。
  10. 如請求項1之發光裝置，其中 上述半導體積層體複數設置於上述基板之上述第1面； 上述第1接觸層作為相對於複數之上述半導體積層體之共通層而形成。
  11. 如請求項10之發光裝置，其中進而包含上述半導體積層體之設置於與上述基板為相反側之表面，且於上述發光區域中可對上述半導體積層體施加特定電壓而設置之第1電極、及設置於上述第1接觸層上之第2電極。
  12. 如請求項1之發光裝置，其中上述雷射光自上述基板之上述第2面出射。
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