TW439335B - A semiconductor laser and the fabrication method thereof - Google Patents

Description

4 3 93 3 5 五、發明說明（1) 【發明之範圍】 本發明係有關於一種半導體雷射及其製作方法，且特 別係針對一種脊狀波導（ridge waveguided)及選擇性埋 脊（selectively buried ridge)的半導體雷射元件提出 所須的窗戶層（w i ndow 1 ay er )結構及其製造方法。 【發明之背景】 半導體雷射的形成方法有很多，對於一種脊狀波導或 選擇性埋脊的半導體雷射元件而言，往往在操作時，會因 發射雷射光的鏡面（f a c e t )無法忍受高功率操作下所產 生的熱而發生災難性光損害（catastrophic optical damage，或簡稱COD )，這種損害更因雷射光逸出鏡面 時’靠近鏡面量子井（quantum well)的能帶差（band gap )會減小【A. Valster et al. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vo 1. 3，

No. 2，April 1 997，p.p. 180〜187】，部份雷射光於鏡 面附近被吸收而產生熱，而使災難性光損害更加嚴重。要 解決上述問題，首先需使靠近鏡面量子井的能帶差減小的 現象消除，也就是將鏡面附近雷射光行經區域之能帶差提 昇至大於量子井的能帶差。在過去數年中，為達成上述目 的’於磊晶、製程及元件設計方法上有不少相關的前案， 包括： (1)日本Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha提出 先於欲增大量子井能帶差上方，先鑛一層雜質層（例如為 ZnO ) ’再於高溫下擴散，使雷射光逸出的鏡面附近量子

^ °3 3 5^ 五、發明說明（2) 井因雜質的擴散產生相變態而擴大，使災難性光損害程度 降低及高功率操作壽命大幅提高，此類專利如US patent 5 ’ 577’063、5’469, 457、5, 089, 437 及5, 161，166 等皆是。 (2) 日本Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha 另提 出於具偏移角度（100)的GaAs基板上以乾式姓刻（rie) 或電子束餘刻製程出無偏移角度（100 )的以八3結晶面， 爾後在此複合基板上成長A 1 GaInP可見光雷射磊晶結構， 因在不同偏移結晶面所成長雷射結構具有不同的能帶差， 故於形成雷射鏡面時，只需在高能帶差區域形成，自然形 成窗戶層，如US Patent 5, 490, 159所述。 (3) 日本Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha 另提 出先於（2 11 ) G a A s基板成長雷射磊晶結構，再以濕式蝕 刻方式蝕刻出垂直（2 11 )面的（1 1 1 )面，爾後將試片置 入MOCVD成長能帶差大於量子井的含Zn的p+-AlGaInP或p+ -A IGaAs窗戶層，以達成降低災難性光損害的程度，如US Patent 5, 677, 922 所述。 (4) 日本Kabushiki Kaisha Toshiba提出當以n-GaAs 蓋住P-型披覆層時，可以控制P-型彼覆層内部雜質（Zn ) 擴散，而使雷射光逸出的鏡面附近量子井之能帶差因雜質 擴散產生相變態而擴大【K, Itaya et al.， IEEE Journal of Quantum Electronics, Vo 1. 27, No 6， 1991， p.p, 1496-1500】，如US Patent 5， 181， 218 及 4, 987, 0 96 等皆是。 (5) 日本Sharp Kabushiki Kaisha提出先以分子束县

第5頁 五、發明說明（3) 晶（Molecular Beam Epitaxy，或簡稱MBE)做完選擇性 埋脊結構及雷射棒（laser bar )後’利用特殊治具固定 雷射棒，將其置入金屬有機化學氣相沈積（试6七&1-Organic Chemical Vapor Deposition ，或簡稱M0CVD) 機台中於鏡面處成長能帶差較量子井大的窗戶層【Μ. Watanabe et al.. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 1, No 2, 1995, p.p. 728 〜732 】，如11$?8七61^ 5,228,0 47 及5,4 1 3,9 56 等皆是

然而，以上之各種方法的製作程序大部份須使用特殊 晶格方向之GaAs基板，其中（1)、（2)及（4)的前案中需要 使用到（1 〇〇 ) GaAs基板，而使用此基板時’所得的雷射 光波長非常難以降下而且P型彼覆層的濃度也無法提高； (3 )的前案中須使用非常少用的（2 11 ) GaAs基板，使得磊 晶技術之困難度大幅提高；（5 )的前案則是必須使用特殊 治具固定雷射棒後，再置入M0CVD反應腔内鍍上一層窗戶 層，使製程的複雜性無形中增高並且產品的良率和生產的 速度也會降低。 【發明之目的與概述】 有鑑於此’本發明的目的在於提供一種半導體雷射的 製程，可*於雷射光逸出鏡面上形成具有能帶差大於量子井 能帶差的一窗戶層’使產生的災難性光損害能降低，並且 此製程不須使用具特殊晶格方向的基板’且可應用於任何 基板形成所需的窗戶層結構。

第6頁 五、發明說明（4) " 根據上述本發明之目的，提供的半導體雷射製程步驟 I括：（1)提供一具層狀結構的蟲晶片，而磊晶片的層狀 結構包含依序成長在一基板上的一 n型半導的第一批覆層 ^型批覆層）、—量子井主動層及—p型半導體的第二曰批 覆層，（2)形成一介電層於磊晶片上；（3)蝕刻部份介 及其底下的磊晶片，直到部份第一批覆^^ ψ . ., E ^ A ^ ^ , 復增也被移除益曝露 ^ ’⑷成長1戶層於露出的第一批覆層（ 上’以填充被蝕刻掉的磊晶片部份，#宽ό a ^ ^ ； Η沾氺'冬山城a s曰七& 111戶層形成於遙晶 片的先逸出鏡面，且具有能帶差大於主動 及（5 )除去介電層，並進行後續形成 '、此帶差，以 性埋脊半導體雷射結構的步驟。 ’ '波導或選擇 另一方面，本發明亦提供根據上述 的一種半導體雷射元件。 方法所製作出 根據上述本發明之目的’提供的脊 脊半導體雷射元件，能由其一光逸出格波V或選擇性埋 出鏡面骖屮帝 射光由上下兩批覆層中夾著一量子井主 七出田射光，雷 中一未摻雜的磷化鋁鎵銦半導體材質的—層激發射出，其 出鏡面上，具有〆能帶差大於主動層的層形成在光逸 為讓本發明之上述和其他目的 '特$帶差° 顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並g L、和優點能更明 細說明如下。 〇所附圖式，作詳 【圖式及符號說明】 圖式說明： 第1 A〜1 F圖繪示根據本發明 法所製作出的脊狀

五、發明說明（5) 波導半導體雷射之窗戶層的流程圖；以及 第2 A〜2 I圊繪示根據本發明方法所製作出的選擇 性埋脊半導體雷射之窗戶層的流程圖。 圖示標號： 1 基板 2 缓衝層 3 第 一批覆層 4 主動層 5 第 二批覆層 6 減弱層 7 > 15 接觸層 8、13 介電層 9 ' 11 光阻層 10 窗戶層 12 鏡面 14 電流阻隔層 【發明之說明】 本發明之内容將以實例說明如下： 本發明所採用的具層狀結構的磊晶片如「圖1 A」及 「圖2 A」所示。係於一基板1 (基板方向無任何限制） 如η-GaAs基板上依序蠢晶成長一緩衝層（buffer layer) 2 ’材質例如為n-GaAs、一第一批覆層（cladding layer )3，材質例如為η型填化|g銦或碟化銘鎵銦半導體層，組 成為5In。5p 或11-(人10 7GaQ 3)Q 5In[).5P、一 具量子井的主 動層（active iayer· ) 4，材質例如為Gal nP 或A 1 Gal nP， 其結晶結構可為有序（ordered)或無序（disordered) 者' 一第二批覆層5，材質例如為p型磷化鋁銦或磷化鋁鎵 =半導體層，組成為？_/^.5111().5?或13_(4；1()7(^3)(]5111().515、 一減弱層（r educ i ng 1 ay e r ) 6，例如為p型的麟化鎵銦材 質’組成為P_GaQ5 In。5p，以及一接觸層（c〇ntact layer

五、發明說明（6) )7 ’材貝例如為p-GaAs。以上之主動層4若採用GaAs或

AlGaAs的材質’則第一及第二批覆層可採用A丨GaAs的材質 〇 本發明所舉的第一個實施例為針對上述的磊晶片，形 成脊狀波導結構之雷射半導體晶粒，完成之元件如「第1 F圖」所示，其製程步驟如下： (1) 如「第圖」所示，於p-GaAs之接觸層7上蒸 鑛一層介電層（dieiectric layer) 8 ;並以微影 C photo 1 i thography )技術於磊晶月上製作所需的光阻 (photoresist)層9圖案，其係作為後續姓刻之遮罩 (mask )，此步驟目的在於定義雷射鏡面劈裂方向，故方 向與雷射波導方向呈垂直。 (2) 如「第1 c圖」所不，以活性離子银刻 (r e a c t i v e i 〇 n e t c h i n g，R I E )法或濕式钱刻法飯刻步 驟（1)所形成之介電層8至p-GaAs接觸層7露出；並且持續 以相同的RIE或濕钱刻依續蝕刻掉p-GaAs的接觸層7、 p-Ga。5In。5P 的減弱層 6、p-AlQ 5InQ 5P 或口-(人1〇 /a。3)fl 5 1110.5?的第二批覆層5、主動層4於11-八1().5111[)5?或 n-UUao 3)〇 5InQ.5P的第一批覆層3中停止，使第一批覆層 3露出。 (3) 如「第1D圖」所示，將試片置入一金屬有機化 學氣相沈積（M0CVD )機台之反應腔中，而於露出的第一 批覆層3上成長一窗戶層1 0，以填平步驟（2 )中所触刻出的 溝槽，窗戶層1 0例如選用為一未摻雜磷化鋁鎵銦半導體層

第9頁 i '發明說明⑺ ’組成如下： (A lxGa!_x )〇 51 n0i 5P x = 0 〜！ 而屢槽以外區域因有步驟（1)所形成的介電層8保護，將不 會成長窗戶層10的半導體材料。 (4)如「第1 E圖」所示，再以活性離子餘刻法或濕 式蝕刻法去除步驟（1 )之介電層8 ;並再以微影技術於磊晶 片製作另一光阻層11圖案，同樣作為蝕刻用之遮罩，方向 =與步驟（1)之光阻層9垂直，此步驟目的在於定義雷射波 導的方向。 :) (5 )再以活性離子钱刻法或濕式银刻法触刻半導體至 距離具量子井主動層4約〇1至〇.5 停止，之後再依一般 習知的製程直至晶粒完成為止，便可得如「圖i F」所示 的半導體雷射結構。 由「圖1 F」結果可知，本發明採用上述蝕刻出窗戶 層圖案，而後填入所選用的未摻雜磷化鋁鎵銦半導體層材 質作為窗戶層10，依主動層4成份，可選擇適當的义值，使 所开> 成的囪戶層10具有能帶差AEgi大於量子井主動層4的 能帶差ΔΕβ2，因此，鏡面12附近達成雷射光行經區域之 能帶差大於量子井的能帶差，使災難性光損害降低。 本發明所舉的第二個實施例為針對上述的磊晶片，形 成選擇性埋脊結構之雷射半導體晶粒，完成之元件如「第 2 G圖」所示’其製程步驟如下·· Π)如「第2Β圖」所示，於p_GaAs之接觸層γ上蒸 鍍一層介電層8 ;並以微影技術於磊晶片上製作所需的光

第10頁 五、發明說明（8) 阻層9圖案，其係作為後續蝕刻之遮罩，此步驟目的在 定義雷射鏡面劈裂方向，故方向與雷射波導方向呈垂直、。 如「第2 C圖」所示，以RIE或濕式蝕刻法蝕 步騾所形成之介電層8至p-GaAs接觸層7露出；並且梏 續以相同的RIE或濕蝕刻依續蝕刻掉p_GaAs的接觸層？、' 〇·3)〇.5 P-GaG.5Irv5P 的減弱層 6、p_Ai〇 5 Ιη“ρ 或^⑴。 的[第一 =層5、主動層4心為“以或n —(A1"Ga") 1如U層3中停止，使第一批覆層3露出: 第2D圖」所示，將試片置入一 學氣相沈積⑽CVD)機台之反應 露出屬有機介 批覆層3上成長一窗戶層1〇，以 而於路出的第二 溝槽’窗戶層丨〇例如選 ^ ^ : 所蝕刻出的 ，組成如下：U、用為未摻雜磷化銘鎵細半導體層 、 （A lxGa1-x )。51 η。5ρ χ = 〇 〜1 而溝槽以外區域因有步驟（） 會成長窗戶層1 〇的半導體材料/、電層8保護，將不 (4) 如「第2E圖」所示，萬_、' 式蝕刻法去除步驟（丨）之介電層8 = f性離子蝕刻法或濕 -介電層1 3 ;並再以微影技術曰：：：⑴，蒸鍍另 圖案，同樣作為蝕刻用之遮罩，古:片衣作另—光阻層11 ㈣直，此步驟目的在於定義雷方射 ==)之光阻 (5) 如「第2 F圖」所示，重射波/的方向。 (4)之介電層13至p-GaAs接觸層7 * ^ y驟（2)以蝕刻步驟 至距離量子井主動層約〇 !至〇曰R路出，並蝕刻雷射磊晶片 . υ · 3 “ m。 4 3 93 3 5 五、發明說明（9) (6)將試片置入MOCVD反應腔中成長n-GaAs做為電流 阻隔層1 4，將步驟（5)所蝕刻出的區域填平，區域以外欲 定義出之波導因有形成介電層13保護，將不會成長 η - G a A s ;再以活性離子飯刻法或濕式银刻法去除殘留之介 電層13，最後將试片置入MOCVD反應腔中成長p-GaAs做為 接觸層1 5，便可得如「圖2 G」所示的半導體雷射結構。 此外，此選擇性埋脊半導體雷射元件也可形成如「第 2H圖」或「第2 1圖」所示的結構。其中，「圖2h」 結構與「圖2 G」的差別在於成長窗戶層1 〇時機，係於長 完n-GaAs電流阻絕層14之後，重覆製作步驟（1)〜（3)及（4) 中去除介電層的程序。 而「圖2 I」結構則為先作步驟（5 )及（6 )，長完 p-GaAs接觸層15之後，施行步驟（1 及（4)中去除介電 層的程序即可。 同樣地’由「圖2 G〜2 I」的結果可知，本發明採 =以I虫刻出窗戶層圖案’而後填入所選用的未摻雜磷化鋁 錄翻！半導體層材質作為窗戶層1〇，可使得所形成的窗戶層 10具有能帶差△ Eg 1大於量子井主動層4的能帶差A Eg2， 因此」鏡面12附近達成雷射光行經區域之能帶差大於量子 井的能帶差’使災難性光損害（⑶〇 )能降低。 —雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限=本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 =朝4圍内’當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

第12頁

Claims (1)

1 4 3 93 3 5 六、申請專利範圍 1 、一種半導體雷射製程，至少包括下列步驟： 提供一具層狀結構的磊晶片，其包含依序成長在一基 板上的一第一批覆層、一主動層及一第二批覆層； 形成一介電層於該遙晶片， #刻部份該介電層及其底下的該蟲晶片，直到部份該 第一批覆層也被移除並曝露出； 成長一窗戶層於露出的該第一批覆層上，以填充被Ί虫 刻掉的該磊晶片部份，使該窗戶層形成於該磊晶片 的光逸出鏡面，且具有能帶差大於該主動層的能帶 差；以及 除去該介電層，並進行後續結構形成的步驟。 2、 如申請專利範圍第1項所述之半導體雷射製程，其中 該磊晶片的層狀結構依序包含該基板、一緩衝層、該 第一批覆層、該主動層、該第二批覆層、一減弱層以 及一接觸層。 3、 如申請專利範圍第1項所述之半導體雷射製程，其中 該第一批覆層為一η型半導體層，而該第二批覆層為 一 Ρ型半導體層。 4、 如申請專利範圍第3項所述之半導體雷射製程，其中 該η型半導體層為選自一 η型磷化鋁銦或磷化鋁鎵銦半 導體層中任一者。 5 、如申請專利範圍第3項所述之半導體雷射製程，其中 該Ρ型半導體層為選自一Ρ型磷化鋁銦或磷化鋁鎵銦半 導體層中任一者。

第13頁 六、申請專利範圍 導體層中任一者。 1 4、如申請專利範圍第1 2項所述之半導體雷射，其中 該P型半導體層為選自一 P型磷化鋁銦或磷化鋁鎵銦半 導體層中任一者。 1 5、如申請專利範圍第1 1項所述之半導體雷射，其中 該麟化紹録姻半導體之組成為· (AlxGa 1 -X aQ. 6、 如申請專利範圍第1 1項所述之半導體雷射係為 脊狀波導半導體雷射元件。 7、 如申請專利範圍第1 1項所述之半導體雷射係為 選擇性埋脊半導體雷射元件。

第15頁