專利名稱：制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述器件包含被局部地?zé)o序化的部分，如窗口結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
通常，存在這樣的問題半導(dǎo)體激光器件對災(zāi)難性的光學(xué)損害(COD)所致的突然惡化很敏感，這已成為妨礙半導(dǎo)體激光器件的高輸出功率的因素。COD是一種現(xiàn)象，其中發(fā)生這樣的循環(huán)由非輻射復(fù)合引起的復(fù)合電流流過半導(dǎo)體激光器件活性層的光發(fā)射刻面?zhèn)?，其引起刻面的溫度增加，而增加了的溫度又?dǎo)致帶隙能量的進(jìn)一步減小和光吸收的進(jìn)一步增加，這變成引起刻面熔化的正反饋。
為了防止這種COD，一種所謂窗結(jié)構(gòu)是有效的，它在活性層中靠近光發(fā)射刻面的部分是用帶隙能量比活性層中心部分高的材料制成的。窗結(jié)構(gòu)在激光發(fā)射刻面有較高的帶隙能量，因而對激光的吸收變少，能抑制COD。
窗結(jié)構(gòu)通常用獨立的半導(dǎo)體工藝過程形成。例如，通過蝕刻等等除去要形成窗的那些部分，然后將特性與窗相應(yīng)的材料埋入這些部分。另一方面，也可通過使要形成窗的部分無序化(混合結(jié)晶)的方法獲得窗結(jié)構(gòu)的成形。當(dāng)活性層具有量子勢阱結(jié)構(gòu)時，通過離子摻雜(專利文件1)、雜質(zhì)注入(專利文件2)、介電膜成形和諸如此類進(jìn)行無序化處理。所有這些處理都是在半導(dǎo)體晶體中產(chǎn)生原子空位，并通過原子空位的擴(kuò)散使量子勢阱的晶體結(jié)構(gòu)不規(guī)則化和無序化。這樣被無序化的部分呈現(xiàn)出與實現(xiàn)無序化以前不同的特性，例如不同的帶隙能量、不同的折射率等等。利用這一點能使半導(dǎo)體激光器件的刻面附近的帶隙能量增大，而COD得以抑制。
在上述無序化處理過程中間，利用介電膜的過程包括步驟通過在多層半導(dǎo)體表面上形成介電膜并加熱，使半導(dǎo)體中的成分原子擴(kuò)散進(jìn)入介電膜，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生原子空位，原子空位的擴(kuò)散導(dǎo)致半導(dǎo)體晶體的無序化。關(guān)于介電膜，一般使用SiO2(專利文件3)。利用介電膜進(jìn)行無序化的方法，從引進(jìn)晶體的缺陷較少這一點上說，優(yōu)于離子摻雜之類的方法。
專利文件1日本專利申請公報No.10-200190專利文件2日本專利申請公報No.2000-208870專利文件3日本專利申請公報No.5-29714但是，當(dāng)利用介質(zhì)膜進(jìn)行無序化時，必須進(jìn)行上述熱處理。因為熱處理是在整個半導(dǎo)體激光器件上進(jìn)行，所以有時會對不被無序化的部分產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，當(dāng)活性層用基于AlGaAs的材料制成時，有一個問題是As原子從與不被無序化的活性層區(qū)相應(yīng)的半導(dǎo)體表面析出，使半導(dǎo)體表面粗糙。因此，當(dāng)在接觸層上形成電極時，不能保證良好的接觸，這會對半導(dǎo)體激光器件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
As的析出，在半導(dǎo)體表面留下凹點(小孔)，這些凹點產(chǎn)生位錯缺陷。這可用圖12來解釋。圖12是具有常規(guī)窗結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器件在激光諧振腔方向的縱截面圖，簡略表示無序化的熱處理期間的現(xiàn)象。在圖12中，通過在半導(dǎo)體激光器件上的窗成形區(qū)28a的上部形成SiO2無序化-增強膜42并進(jìn)行無序化的熱處理，形成窗28。在這個過程中，As原子從不形成窗的區(qū)域28b的半導(dǎo)體激光器件析出并留下凹點。這些凹點傳播形成位錯缺陷41直至活性層4，惡化激光器性能或損害長期可靠性。
熱處理的負(fù)面效果并不局限于如上所述不被無序化的部分。也就是說，氧原子也從SiO2無序化-增強膜42混入半導(dǎo)體晶體而形成晶體缺陷，成為損害半導(dǎo)體激光器件長期可靠性的原因。
本發(fā)明正是鑒于上述問題而做成的。本發(fā)明的目的是在半導(dǎo)體激光器件中形成窗結(jié)構(gòu)或諸如此類的時候，防止熱處理的負(fù)面效果，并能制造出高輸出功率和極好長期可靠性的半導(dǎo)體器件。

發(fā)明內(nèi)容
做出本發(fā)明是為了達(dá)到上述目的，涉及包含無序化部分的半導(dǎo)體器件的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明第一實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成預(yù)定的半導(dǎo)體多層體，其至少包括由量子勢阱活性層組成的活性層；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第一部分上形成第一介電膜；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第二部分上形成第二介電膜，其由與所述第一介電膜相同的材料制成，并具有比所述第一介電膜低的密度；對包含所述半導(dǎo)體多層體、所述第一介電膜和所述第二介電膜的多層體進(jìn)行熱處理，使所述第二介電膜下面的所述量子勢阱層無序化；和在靠近所述第二部分的中心部位破開所述多層體。
根據(jù)本發(fā)明第二實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成預(yù)定的半導(dǎo)體多層體，其至少包括量子陷阱活性層；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第一部分上形成第一介電膜；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第二部分上形成第二介電膜，其由與所述第一介電膜相同的材料制成，并具有比所述第一介電膜低的折射率；對包含所述半導(dǎo)體多層體、所述第一介電膜和所述第二介電膜的多層體進(jìn)行熱處理，使所述第二介電膜下面的所述量子勢阱層無序化；和在靠近所述第二部分的中心部位破開所述多層體。
在根據(jù)本發(fā)明第三實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，所述第一介電膜的折射率大于根據(jù)所述第一介電膜和所述第二介電膜的薄膜成形條件確定的預(yù)定值，和所述第二介電膜的折射率小于所述預(yù)定值。
根據(jù)本發(fā)明第四實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成預(yù)定的半導(dǎo)體多層體，其至少包括由量子勢阱活性層組成的活性層；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第一部分上形成包含硅的第一介電膜；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第二部分上形成第二介電膜，其由與所述第一介電膜相同的材料制成，并具有比所述第一介電膜低的硅成分比；
對包含所述半導(dǎo)體多層體、所述第一介電膜和所述第二介電膜的多層體進(jìn)行熱處理，使所述第二介電膜下面的所述量子勢阱層無序化；和在靠近所述第二部分的中心部位破開所述多層體。
在根據(jù)本發(fā)明第五實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，所述第一介電膜的硅成分比大于所述介電膜的化學(xué)計量成分比，和所述第二介電膜的硅成分比小于所述介電膜的化學(xué)計量成分比，根據(jù)本發(fā)明第六實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成預(yù)定的半導(dǎo)體多層體，其至少包括由量子勢阱活性層組成的活性層；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第一部分上形成第一介電膜；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第二部分上形成第二介電膜，其由與所述第一介電膜相同的材料制成，并在膜中具有比第一介電膜高的氫濃度；對包含所述半導(dǎo)體多層體、所述第一介電膜和所述第二介電膜的多層體進(jìn)行熱處理，使所述第二介電膜下面的所述量子勢阱層無序化；和在靠近所述第二部分的中心部位破開所述多層體。
在根據(jù)本發(fā)明第七實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，所述第一介電膜和所述第二介電膜是氮化硅膜。
在根據(jù)本發(fā)明第八實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，所述第一介電膜通過下列步驟形成在腔室中所述第一介電膜的第一先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第一先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和在所述腔室中暴露所述半導(dǎo)體器件的所述第一部分；和所述第二介電膜通過下列步驟形成在所述腔室中所述第二介電膜的第二先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第二先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和在所述腔室中暴露所述半導(dǎo)體器件的所述第二部分。
在根據(jù)本發(fā)明第九實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，所述第一介電膜通過下列步驟形成在腔室中所述第一介電膜的第一先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第一先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和在所述腔室中暴露所述半導(dǎo)體器件的所述第一部分；和所述第二介電膜通過下列步驟形成在所述腔室中所述第二介電膜的第二先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第二先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和在所述腔室中暴露所述半導(dǎo)體器件的所述第二部分；和所述第一和第二先驅(qū)物是包含氮和硅的化合物，或者氮化物和硅化物的混合物。
在根據(jù)本發(fā)明第十實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，所述第一先驅(qū)物和所述第二先驅(qū)物包含硅烷和氨，和所述第一先驅(qū)物中的硅烷含量大于所述第二先驅(qū)物中的硅烷含量。
在根據(jù)本發(fā)明第十一實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，所述第一介電膜和第二介電膜用催化CVD法通過引起所述第一先驅(qū)物和所述第二先驅(qū)物的分解反應(yīng)步驟分別形成。
在根據(jù)本發(fā)明第十二實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，所述預(yù)定的半導(dǎo)體多層體通過下列步驟形成在所述量子勢阱層的層形成方向的至少一側(cè)，形成光波導(dǎo)層，和將導(dǎo)電類型與所述光波導(dǎo)層的導(dǎo)電類型相反的半導(dǎo)體層埋入緊靠所述第二部分下面的所述光波導(dǎo)層。
在根據(jù)本發(fā)明第十三實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，所述預(yù)定的半導(dǎo)體多層體通過下列步驟形成在所述量子勢阱層的層形成方向的兩側(cè)分別形成帶隙能量大于所述量子勢阱層的帶隙能量的光波導(dǎo)層；在由所述量子勢阱層和所述光波導(dǎo)層組成的多層體結(jié)構(gòu)的層成形方向的兩側(cè)，分別形成帶隙能量大于所述光波導(dǎo)層的帶隙能量的包蓋層；和在所述量子勢阱層和光波導(dǎo)層之間，形成帶隙能量大于所述各光波導(dǎo)層的帶隙能量的載流子阻擋層。
在根據(jù)本發(fā)明第十四實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法中，通過形成單層或者多層量子勢阱結(jié)構(gòu)的步驟，形成所述預(yù)定的半導(dǎo)體多層體。
根據(jù)本發(fā)明的制造半導(dǎo)體器件的方法包括下列其他方式
保護(hù)膜成形過程在半導(dǎo)體器件表面上至少與不被無序化的部分相應(yīng)的部分，形成第一介電膜作為保護(hù)膜；無序化-增強膜成形過程在半導(dǎo)體器件表面上至少與將被無序化的部分相應(yīng)的部分，形成由與所述第一介電膜相同的材料制成并且密度比所述第一介電膜低的第二介電膜，作為無序化-增強膜；和無序化過程通過熱處理使所述將被無序化的部分無序化。
保護(hù)膜成形過程在半導(dǎo)體器件表面上至少與不被無序化的部分相應(yīng)的部分，形成第一介電膜作為保護(hù)膜；無序化-增強膜成形過程在半導(dǎo)體器件表面上至少與將被無序化的部分相應(yīng)的部分，形成由與所述第一介電膜相同的材料制成并且折射率比所述第一介電膜低的第二介電膜，作為無序化-增強膜；和無序化過程通過熱處理使所述將被無序化的部分無序化。這種方式可包括所述第一介電膜的折射率大于根據(jù)所述第一介電膜和所述第二介電膜的薄膜成形條件確定的預(yù)定值；和所述第二介電膜的折射率小于所述預(yù)定值。
保護(hù)膜成形過程在半導(dǎo)體器件表面上至少與不被無序化的部分相應(yīng)的部分，形成包含硅的第一介電膜作為保護(hù)膜；無序化-增強膜成形過程在半導(dǎo)體器件表面上至少與將被無序化的部分相應(yīng)的部分，形成由與所述第一介電膜相同的材料制成并且Si成分比低于所述第一介電膜的第二介電膜，作為無序化-增強膜；和無序化過程通過熱處理使所述將被無序化的部分無序化。這種方式可包括所述第一介電膜的Si成分比大于所述介電膜的化學(xué)計量成分比，和所述第二介電膜的Si成分比小于所述計量成分比。
保護(hù)膜成形過程在半導(dǎo)體器件表面上至少與不被無序化的部分相應(yīng)的部分，形成第一介電膜作為保護(hù)膜；無序化-增強膜成形過程在半導(dǎo)體器件表面上至少與將被無序化的部分相應(yīng)的部分，形成由與所述第一介電膜相同的材料制成并且膜中的氫濃度高于所述第一介電膜的第二介電膜，作為無序化-增強膜；和無序化過程通過熱處理使所述將被無序化的部分無序化。
所述第一介電膜和所述第二介電膜是氮化硅膜。
所述保護(hù)膜成形過程用下列步驟進(jìn)行在將要形成的第一介電膜的第一先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第一先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和使所述半導(dǎo)體器件表面上至少與不被無序化的部分相應(yīng)的部分暴露在所述分解反應(yīng)以后殘留的氛圍中；和所述無序化-增強膜成形過程用下列步驟進(jìn)行在將要形成的第二介電膜的第二先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第二先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和使所述半導(dǎo)體器件表面上至少與將被無序化的部分相應(yīng)的部分暴露在所述分解反應(yīng)以后殘留的氛圍中。
所述保護(hù)膜成形過程用下列步驟進(jìn)行在將要形成的第一介電膜的第一先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第一先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和使所述半導(dǎo)體器件表面上至少與不被無序化的部分相應(yīng)的部分暴露在所述分解反應(yīng)以后殘留的氛圍中；所述無序化-增強膜成形過程用下列步驟進(jìn)行在將要形成的第二介電膜的第二先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第二先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和使所述半導(dǎo)體器件表面上至少與將被無序化的部分相應(yīng)的部分暴露在所述分解反應(yīng)以后殘留的氛圍中；和所述第一和第二先驅(qū)物是包含氮和硅的化合物，或者氮化物和硅化物的混合物。
所述第一先驅(qū)物和所述第二先驅(qū)物包含硅烷(SiH4)和氨(NH3)，所述第一先驅(qū)物中的硅烷含量大于所述第二先驅(qū)物中的硅烷含量。因此，形成具有大的硅成分比和高的密度的第一介電膜，和具有小的硅成分比和低的密度的第二介電膜。
所述保護(hù)膜成形過程和所述無序化-增強膜成形過程用的是催化化學(xué)汽相淀積(CVD)法。
所述半導(dǎo)體器件具有所述被無序化的部分，其至少在諧振方向的多個刻面之一附近構(gòu)成激光不被吸收的窗結(jié)構(gòu)，和不被無序化的部分，其構(gòu)成帶有量子勢阱結(jié)構(gòu)的活性層。在這種方式中，所述半導(dǎo)體器件可具有電流不注入?yún)^(qū)，其阻擋電流注入所述無序化部分。比較好的是，從所述半導(dǎo)體器件的所述刻面測得的所述電流不注入?yún)^(qū)的長度Ln處于Lw＝Ln＝Lw+10μm的范圍，所設(shè)置的從所述半導(dǎo)體器件的所述刻面測得的所述無序化部分的長度為Lw。此外，比較好的是，所述電流不注入?yún)^(qū)被埋入所述半導(dǎo)體器件并且是導(dǎo)電類型與周圍半導(dǎo)體層相反的半導(dǎo)體層。
所述半導(dǎo)體器件配置有n-型和p-型光波導(dǎo)層，其分別處于活性層的層形成方向的兩側(cè)，具有帶隙能量大于所述活性層的帶隙能量；n-型和p-型包蓋層，其分別在層形成方向從兩側(cè)稍許夾在所述活性層和所述光波導(dǎo)層之間，具有帶隙能量大于所述光波導(dǎo)層的帶隙能量；和載流子阻擋層，其處于所述活性層和光波導(dǎo)層之間，具有帶隙能量大于所述活性層和所述光波導(dǎo)層的各帶隙能量。
在本發(fā)明中，預(yù)料的是當(dāng)在半導(dǎo)體晶體上形成高密度的介電膜時，它的吸收Ga原子的活動力較小，但是當(dāng)介電膜以低密度在半導(dǎo)體晶體上形成時，它的吸收Ga原子的活動力變大。因此，在其上形成有低密度介電膜的半導(dǎo)體晶體部分容易形成原子空位，而在其上形成有高密度介電膜的部分則難得形成原子空位，這樣，在熱處理時，低密度介電膜的下面就會發(fā)生多層量子勢阱的無序化，但高密度介電膜的下面則沒有。也就是說，在無序化時，高密度的介電膜將會起保護(hù)膜的作用，而低密度的介電膜則起增強膜的作用。
另一方面，已知包括密度在內(nèi)的介電膜的物理特性量度，能以折射率的量度來評價。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，任何第一和第二介電膜是分別起保護(hù)膜的作用還是起無序化-增強膜的作用，能通過注意介電膜的折射率加以判斷，特別是根據(jù)依賴于薄膜成形條件所確定的預(yù)定值，這些成形條件包括薄膜成形溫度和壓力以及薄膜成形裝置。也就是說，如果所形成的第一介電膜的折射率大于預(yù)定值，而第二介電膜的折射率小于所述預(yù)定值，那么，在無序化熱處理以后，第一介電膜能起保護(hù)膜的作用，第二介電膜則起無序化-增強膜的作用。
在本發(fā)明中，介電膜的密度的量度也能通過其中Si的成分比來加以區(qū)別。也就是說，把注意力集中于第一和第二介電膜中的Si的成分比，如果所形成的第一介電膜的Si成分大于所述介電膜的化學(xué)計量成分比，而第二介電膜的Si成分小于所述介電膜的化學(xué)計量成分比，那么，在無序化熱處理以后，第一介電膜能起保護(hù)膜的作用，第二介電膜則起無序化-增強膜的作用。
進(jìn)一步說，把注意力集中于第一和第二介電膜中的含氫量，如果第一介電膜中的含氫量小于第二介電膜中的含氫量，那么，第一介電膜能起保護(hù)膜的作用，第二介電膜則起無序化-增強膜的作用。
說到用上述各種標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分的兩種介電膜，第一介電膜在半導(dǎo)體晶體上形成時，具有高的密度并且它的吸收Ga原子的活動力較小，而第二介電膜在半導(dǎo)體晶體上形成時，具有低的密度并且它的吸收Ga原子的活動力較大。這樣，原子空位容易在第二介電膜下面的半導(dǎo)體晶體部分形成，而原子空位難得在第一介電膜下面的部分形成。因此，在熱處理時，在第二介電膜下面的部分發(fā)生多層量子勢阱的無序化，但在第一介電膜下面的部分則不發(fā)生。也就是說，在熱處理時，第一介電膜將起保護(hù)膜的作用，而第二介電膜將起增強膜的作用。
所述半導(dǎo)體器件是例如半導(dǎo)體激光器件或諸如此類，它具有位于諧振方向至少一個刻面附近的構(gòu)成不吸收激光的窗結(jié)構(gòu)的所述無序化部分，和構(gòu)成量子勢阱結(jié)構(gòu)活性層的非無序化部分。
進(jìn)一步說，所述半導(dǎo)體激光器件最好配置有阻擋電流注入無序化部分的電流不注入?yún)^(qū)域。特別有利的是電流不注入?yún)^(qū)域的長度Ln在Lw＝Ln＝Lw+10μm的范圍，所設(shè)置的所述無序化部分的長度為Lw。這里，術(shù)語“長度”指的是沿諧振器方向的長度。同樣有利的是，電流不注入?yún)^(qū)域被埋入所述半導(dǎo)體激光器件并且是導(dǎo)電類型與周圍半導(dǎo)體層相反的半導(dǎo)體層。
再有，特別有利的是，上述半導(dǎo)體器件配置有n-型和p-型光波導(dǎo)層，其分別處于所述活性層的兩側(cè)，具有帶隙能量大于所述活性層的帶隙能量；n-型和p-型包蓋層，其分別稍許夾在所述活性層和所述光波導(dǎo)層之間，具有帶隙能量大于所述光波導(dǎo)層的帶隙能量；和載流子阻擋層，其處于所述活性層和所述光波導(dǎo)層之間，具有帶隙能量大于所述活性層和所述光波導(dǎo)層的各帶隙能量。
根據(jù)本發(fā)明，在制造半導(dǎo)體器件特別是配置有窗結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器件時，特別是采取利用通過催化CVD法呈現(xiàn)的先驅(qū)物的分解反應(yīng)這種方法時，在無序化過程以前，先在與不被無序化的部分相應(yīng)的半導(dǎo)體器件表面形成保護(hù)膜，并在與將被無序化的部分相應(yīng)的半導(dǎo)體器件表面形成無序化-增強膜；這樣，在不被無序化的部分就不會發(fā)生由熱處理引起的負(fù)面效果，而能提供有高輸出功率和極好長期可靠性的半導(dǎo)體激光器件。
在上述利用先驅(qū)物分解反應(yīng)的方法中，先驅(qū)物是包含氮和硅的化合物或者氮化物和硅化物的混合物，這樣在無序化熱處理過程中不會發(fā)生氧混入半導(dǎo)體晶體，從而能提供極好長期可靠性的半導(dǎo)體器件。
進(jìn)一步說，配置有與無序化部分相應(yīng)的電流不注入?yún)^(qū)域，所以電流不會注入具有無序化熱處理形成的原子空位的部分，晶體質(zhì)量的可靠性得以改善。此外，非-光發(fā)射復(fù)合得到抑制，這與無序化過程所制成的窗結(jié)構(gòu)配合，對防止COD更加有效。
另外，在利用上述方法制造的窗結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體激光器件中，具有帶隙能量大于活性層和光波導(dǎo)層的各帶隙能量的載流子阻擋層，被配置在所述活性層和所述光波導(dǎo)層之間，所以，特別是在AlGaAs系統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器件中，光波導(dǎo)層能以低鋁(Al)層或GaAs層構(gòu)成。因為這一點，伴隨電流不注入層而再生長的界面質(zhì)量能有改善，并且能避免工作電壓的上升，而能提供極好長期可靠性的半導(dǎo)體激光器件。
本發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整介電膜的成分，能使介電膜從化合物半導(dǎo)體中吸收成分原子的能力有所差別。利用這個原理，發(fā)明者已完成涉及一種制造半導(dǎo)體激光器件的新方法的本發(fā)明。也就是說，本發(fā)明提供一種制造具有由量子勢阱結(jié)構(gòu)無序化形成的窗結(jié)構(gòu)的量子勢阱半導(dǎo)體激光器件的方法。這種方法包括步驟形成保護(hù)膜，以防止使量子勢阱不需無序化的部分被無序化，和在量子勢阱將被無序化的部分形成無序化-增強膜。通過在每一步驟分別選擇介電膜的成分，就變得能有區(qū)別地、很容易而確實地構(gòu)成或者是保護(hù)膜或者是無序化-增強膜。因此，根據(jù)本發(fā)明，制造具有防止COD之類的無序化量子勢阱區(qū)例如窗結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器件的工藝過程將會簡化，產(chǎn)量將會提高。


圖1(a)和1(b)是制造根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體激光器件外延晶片的截面圖。
圖2(a)至2(c)是根據(jù)本發(fā)明實施例用來形成半導(dǎo)體激光器件窗結(jié)構(gòu)的介電膜成形和圖案制作工藝過程的截面圖。
圖3(a)和3(b)是根據(jù)本發(fā)明實施例的形成半導(dǎo)體激光器件窗結(jié)構(gòu)的工藝過程的縱截面圖。
圖4(a)和4(b)是根據(jù)本發(fā)明實施例對半導(dǎo)體激光器件上的高反射膜和低反射膜的破開和成形工藝過程截面圖。
圖5(a)和5(b)是根據(jù)本發(fā)明實施例的制造半導(dǎo)體激光器件的外延晶片從刻面觀察的截面圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的形成半導(dǎo)體激光器件窗結(jié)構(gòu)的加熱裝置的截面圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例的催化CVD法的構(gòu)成示意圖。
圖8是在含有量子勢阱的化合物半導(dǎo)體外延晶片上形成SiN膜，利用催化CVD法和等離子CVD法的情況下，淀積的SiN膜的折射率(橫座標(biāo))與熱處理以前和以后之間的晶片的光致發(fā)光光譜峰值波長的能量變化量(meV，縱座標(biāo))之間的關(guān)系曲線圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明實施例的制造半導(dǎo)體激光器件的方法中，另一種制造介電膜的方法的截面圖。
圖10(a)是根據(jù)本發(fā)明的SCH結(jié)構(gòu)中帶隙能量分布示意圖，和圖10(b)是DCH結(jié)構(gòu)中帶隙能量分布示意圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明實施例的制造方法制造的具有窗結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器件以及不具有窗結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器件中，注入電流與光輸出功率的依賴關(guān)系圖。
圖12是為具有常規(guī)窗結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器件中無序化而進(jìn)行的熱處理期間出現(xiàn)的現(xiàn)象示意圖。
具體實施例方式
下面基于附圖對根據(jù)本發(fā)明實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法進(jìn)行說明。
圖1至5是根據(jù)本發(fā)明實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的截面圖。該半導(dǎo)體器件是一種發(fā)射0.98μm帶寬激光的多層量子勢阱(MQW)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器件。圖1(a)和1(b)是制造半導(dǎo)體激光器件外延晶片時沿諧振器方向的截面圖。圖5(a)和5(b)是在垂直于諧振器方向的方向上，外延晶片制造的截面圖。這些圖是通過摘取構(gòu)成一個半導(dǎo)體激光器件的區(qū)域而繪制的。
首先，如圖1(a)和4(a)所示，厚度為2.4μm的Al0.08Ga0.92As下包蓋層2和厚度為0.48μm的GaAs下波導(dǎo)層3按這個順序在GaAs半導(dǎo)體襯底1上生長。在下波導(dǎo)層3上，形成厚度為0.035μm的Al0.4Ga0.6As下載流子阻擋層4c，由厚度各為0.01μm的兩層In0.14Ga0.86As量子勢阱層堆積而成的量子勢阱活性層4b，和厚度為0.035μm的Al0.4Ga0.6As上載流子阻擋層4a。包含這些載流子阻擋層4a和4c的結(jié)構(gòu)是后面要說明的去耦約束異晶結(jié)構(gòu)(DCH)。在上載流子阻擋層4a部分地形成GaAs上波導(dǎo)層5以后，厚度為0.055μm的條形Al0.32Ga0.68As電流不注入層8，有選擇地在從以后將做成刻面的位置向在中心方向上距離20μm的位置延伸的區(qū)域中形成。電流不注入層8也在條形諧振器的縱向兩側(cè)區(qū)域中形成，因此，多層量子勢阱活性層4b的電流注入?yún)^(qū)被確定為窄條形狀。在這里，電流不注入層8的導(dǎo)電類型做成與后面將要形成的上包蓋層6的導(dǎo)電類型相反。
然后，如圖1(b)和圖4(b)所示，形成余下的上波導(dǎo)層5。包含電流不注入層8的上波導(dǎo)層5的厚度變成0.45μm。進(jìn)一步，厚度為0.8μm的Al0.32Ga0.68As上包蓋層6和厚度為0.3μm的GaAs接觸層9相繼形成。
此外，從半導(dǎo)體襯底1至接觸層9，作為摻入每層的摻雜物，例如將硅摻入半導(dǎo)體襯底1、下包蓋層2、下波導(dǎo)層3、電流不注入層8和下載流子阻擋層4c，以使它們成為n-型導(dǎo)電類型；例如將鋅摻入上波導(dǎo)層3、上包蓋層6、接觸層9和上載流子阻擋層4a，以使它們成為p-型導(dǎo)電類型。多層量子勢阱層活性層4b不加摻雜地生成。
圖2(a)至2(c)是沿諧振器方向的截面圖，其示出為了形成窗結(jié)構(gòu)在無序化(混合結(jié)晶)熱處理之前，在外延晶片的上表面形成介電膜的過程。
首先，如圖2(a)所示，利用催化CVD法，在接觸層9的整個表面淀積50nm厚度的SiNx1保護(hù)膜10。SiNx1保護(hù)膜是高密實度和低內(nèi)應(yīng)力的薄膜。然后，將抗蝕劑敷在SiNx1保護(hù)膜10的上表面，并通過光刻法對抗蝕劑進(jìn)行圖形化，以形成覆蓋不被無序化處理區(qū)域的抗蝕劑掩模11，如下面將要描述的。
然后，在未被抗蝕掩模11覆蓋的區(qū)域中的SiNx1保護(hù)膜10被利用四氟化碳(CF4)作活性離子刻蝕(RIF)以后，用有機溶劑除去抗蝕劑掩模11。因此，如圖2(b)所示，在將被無序化區(qū)域中的接觸層9處于未被SiNx1保護(hù)膜10覆蓋的暴露狀態(tài)；而在與此不同的區(qū)域中，接觸層9處于被SiNx1保護(hù)膜10覆蓋的狀態(tài)。
進(jìn)一步如圖2(c)所示，利用催化CVD法，厚度為25nm的SiNx2無序化-增強膜12在暴露的接觸層9和SiNx1保護(hù)膜10總體的上表面形成。SiNx2無序化-增強膜12的成分比x2不同于SiNx1保護(hù)膜10的成分比x1。這一點將在后面說明。
圖3(a)和3(b)是利用圖6所示裝置進(jìn)行無序化以形成窗結(jié)構(gòu)的熱處理過程的截面圖。
如上所述配置有SiNx1保護(hù)膜10和SiNx2無序化-增強膜12的外延晶片13放置在安裝于石英托架14中的碳化硅(SiC)制成的臺座15上，如圖6所示。然后，在氮(N2)氣氛圍中，利用設(shè)置在石英托架14下面的燈炮加熱器16，以930℃的溫度進(jìn)行30秒的短時熱處理(RTA快速熱退火)。通過進(jìn)行RTA，鎵(Ga)原子被SiNx2無序化-增強膜12從處于SiNx2無序化-增強膜12下面的層吸收，并在接近接觸層9的表面產(chǎn)生原子空位。原子空位擴(kuò)散，并主要到達(dá)多層量子勢阱活性層4b，結(jié)果無序化發(fā)生而形成窗28，如圖3(a)所示。石英托架14上面有個罩蓋17，使氮氣例如以2L/min(分鐘)的流速經(jīng)氣體進(jìn)口18和氣體出口19流入或流出托架。
然后，如圖3(b)所示，SiNx1保護(hù)膜10和SiNx2無序化-增強膜12用氫氟酸除去。
接著，根據(jù)圖4(a)和4(b)所示的工藝過程完成半導(dǎo)體激光器件。也就是說，在形成上電極21和下電極22以后，多層體在接近圖4(a)中的無序化區(qū)中心的位置(用虛線c表示的位置)被破開，并分離為多個半導(dǎo)體激光器件組成的激光棒(棒的縱向垂直于頁面)。在如此分離的激光棒的破開刻面的外面，用低反射膜23覆蓋光發(fā)射刻面，而用高反射膜24覆蓋光反射刻面，如圖4(b)所示。最后，通過平行于頁面切割，激光棒中的每一半導(dǎo)體激光器件被分離為芯片形狀，這樣就完成了半導(dǎo)體激光器件的制造。
上電極21是形成在接觸層9上的多金屬層，它由例如鈦(Ti)、鉑(Pt)、金(Au)層順序組成。下電極22由半導(dǎo)體襯底1的下表面的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，例如用金、鍺、鎳(AuGeNi)合金或者其上再加金層構(gòu)成。[采用催化CVD法制造介電膜的說明]如上所述，由圖2(a)至2(c)所示過程形成的SiNx1保護(hù)膜10和SiNx2無序化-增強膜12用催化CVD方法形成。圖7是催化CVD裝置的概要組成圖。
在圖7所示的催化CVD裝置中，真空泵37經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥38與腔室31相連。在腔室31中，配置具有襯底加熱器36的襯底支座35。在襯底支座35上，放置將要在其上淀積保護(hù)膜10和無序化-增強膜12的外延晶片34。在腔室31中，加熱用的鎢絲33配置在外延晶片34的上方，噴淋頭32再配置在鎢絲的上方。
當(dāng)使用具有如此構(gòu)成的催化CVD裝置淀積保護(hù)膜10和無序化-增強膜12時，在外延晶片34放在襯底支座35上以前，襯底加熱器36以約200℃至300℃進(jìn)行預(yù)加熱。然后，在外延晶片34放置以后運行真空泵37，將腔室31內(nèi)部減壓至預(yù)定壓力，例如約1×10-4Pa。
通過噴淋頭32以預(yù)定的流速fNH3將氨(NH3)引入腔室31，同時將鎢絲33加電使鎢絲33的溫度保持在1650℃。經(jīng)過噴淋頭32以預(yù)定的流速fSiH4引進(jìn)硅烷，使腔室31中的壓力保持在4.0Pa。
被引入腔室31的SiH4和NH3的分子與加熱至約1600℃至約2000℃的鎢絲33接觸，由此被催化、分解，并被激活為SiHy和NHz，它們在由襯底加熱器36加熱的晶片上受熱放出并起反應(yīng)，以SiNx的形成淀積在晶片上。
另外，SiNx1保護(hù)膜10和SiNx2無序化-增強膜12兩者都是由上述催化CVD法形成的SiNx，SiNx是可以起保護(hù)膜10的作用還是可以起無序化-增強膜12的作用，由它的組成成分來確定。也就是說，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置上述源氣的流速fNH3和fSiH4，能夠用催化CVD法或者構(gòu)成保護(hù)膜10，或者構(gòu)成無序化-增強膜12。
例如，就制造980nm帶寬的半導(dǎo)體激光器件來說，在薄膜成形時設(shè)置氣體壓力即腔室31的壓力為4.0Pa而形成薄膜的條件下，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，以淀積的SiNx具有折射率大約為1.96的成分為界，淀積的薄膜起不同的作用即帶有更多Si成分的薄膜(折射率＞1.96)具有高的原子密度，起保護(hù)膜10的作用；而帶有較少Si成分的薄膜(折射率＜1.96)具有低的原子密度，起無序化-增強膜12的作用。
例如，圖8示出下面的實驗測量結(jié)果。采用保持氨的流速為常數(shù)而變化硅烷的流速的方法，在為制造本實施例所說明的半導(dǎo)體激光器件所用的外延晶片上淀積多種成分的SiNx薄膜，然后進(jìn)行980℃30秒的熱處理并對量子勢阱活性層的無序化度進(jìn)行測量。無序化度由能量變化(meV)給出，能量變化是在室溫下觀測熱處理以前和以后光致發(fā)光光譜峰值波長之間的變化幅度而計算出來的。在圖8中，作為比較的例子，由黑圓圈標(biāo)記給出的點表示用催化CVD法形成SiN膜時的測量結(jié)果，由○標(biāo)記給出的點表示SiN膜是用等離子CVD法(PECVD等離子增強CVD)形成時的測量結(jié)果。關(guān)于每一薄膜成形方法中所用的薄膜成形條件如下。當(dāng)圖8中硅烷的流速增加時，薄膜的折射率變大。(采用催化CVD法，SiN膜的薄膜成形條件)被淀積的SiN薄膜厚度50nm，氣體壓力(腔室內(nèi)的壓力)4.0Pa，襯底溫度250℃，鎢絲溫度1650℃，氨的流速0.2L/min，硅烷的流速0.001至0.003L/min。
(采用等離子體CVD法，SiN膜的薄膜成形條件)
被淀積的SiN薄膜厚度50nm，RF功率190mW，氣體壓力(腔室內(nèi)的壓力)50Pa，襯底溫度250℃，氮的流速0.28L/min，硅烷的流速0.004至0.008L/min。
在圖8中，在等離子CVD法的情況下，薄膜成分通過改變所提供硅烷的流速而改變。
如在圖8中所看到的，在上述薄膜成形的條件下用催化CVD法形成SiN膜的情況下，當(dāng)?shù)矸e薄膜的折射率大于1.96時，在熱處理以后和以前之間所看到的能量變化幅度小，當(dāng)折射率小于1.96時能量變化的幅度大。這意味著當(dāng)它的折射率大于1.96時淀積的薄膜起保護(hù)膜10的作用，當(dāng)折射率小于1.96時起無序化-增強膜12的作用。
基于這一發(fā)現(xiàn)，在形成本實施例中的SiNx1保護(hù)膜10的情況下，流速設(shè)置為fNH3＝0.2L/min和fSiH4＝2.5×10-3L/min，在形成SiNx2無序化-增強膜12的情況下，流速設(shè)置為fNH3＝0.2L/min和fSiH4＝2.0×10-3L/min。當(dāng)形成任一介電膜時腔室內(nèi)的壓力為4.0Pa。在這些條件下所測的保護(hù)膜和無序化-增強膜的折射率分別為2.02和1.94。
所形成的SiNx的成分和源氣體的流速之間的關(guān)系可依賴于每一催化CVD裝置或者每一薄膜成形條件(在薄膜成形時的氣體壓力、襯底溫度、鎢絲溫度等等)，所以最好通過例如對于每一催化CVD裝置或每一薄膜成形條件的折射率測量，來檢查SiNx的成分。
例如，通過將薄膜成形時的壓力設(shè)置為2.0Pa，當(dāng)用與上述相同的方法形成SiN膜時，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，以成分具有折射率接近2.07為界，帶有更多Si成分的被淀積的SiN膜(折射率＞2.07)起高密度保護(hù)膜作用，帶有較少的Si成分的SiN膜(折射率＜2.07)起低密度無序化-增強膜的作用。這樣，通過對于每一催化CVD裝置或薄膜成形條件，確定所得到的薄膜是起保護(hù)膜作用還是起無序化-增強膜作用的分界成分，并基于這一點調(diào)整源氣體的流速，能有區(qū)別地或者制造保護(hù)膜或者制造無序化-增強膜。
盡管確定了為什么淀積的薄膜是起保護(hù)膜作用或是起無序化-增強膜作用的理由，但還沒有完全說明依賴于薄膜成形條件的源氣體流速的預(yù)定界限，關(guān)于這一點發(fā)明者思考如下。也就是說，在多種硅烷流速下用催化CVD法形成不同成分的介電膜(SiNx膜)的情況下，如果硅烷的流速大的話，薄膜取得許多Si原子變成高密度薄膜，如果硅烷的流速小，它就變成低密度薄膜。低密度的介電膜被認(rèn)為有較大的骨架原子間隔，這樣當(dāng)薄膜在半導(dǎo)體上形成并被熱處理時，屬于III組的Ga原子容易被從半導(dǎo)體晶體吸收進(jìn)介電膜。也就是說，因缺少原子，容易在半導(dǎo)體中形成原子空位。
與此相反，骨架原子間隔在高密度介電膜中被認(rèn)為是窄的。因此，當(dāng)介電膜在半導(dǎo)體晶體上形成并被熱處理時，Ga原子難得被從半導(dǎo)體晶體吸收進(jìn)介電膜。也就是說，原子空位要在半導(dǎo)體晶體中形成是困難的。
由于性質(zhì)上有這些不同，所以高密度介電膜對量子勢阱的無序化起保護(hù)膜的作用，低密度薄膜起增強膜的作用。
盡管薄膜密度的量度測量通常是困難的，但能通過測量折射率得以鑒別。在本實施例中，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，如圖8所示能分別確定，當(dāng)折射率大于依賴于薄膜成形條件而決定的預(yù)定值時，薄膜起保護(hù)膜的作用，當(dāng)折射率小于所述預(yù)定值時，薄膜起無序化-增強膜的作用。
進(jìn)一步說，當(dāng)包含在介電膜中的Si的成分比大于所述介電膜的Si的化學(xué)計量成分比時，薄膜起高密度保護(hù)膜的作用，當(dāng)Si的成分比小于所述介電膜的Si的化學(xué)計量成分比時，其起低密度無序化-增強膜的作用。
另外，注意進(jìn)入介電膜的氫原子的數(shù)量，其中含有多余氫原子的薄膜具有較大的骨架原子間隔，這樣，當(dāng)薄膜在半導(dǎo)體晶體上形成并被熱處理時，Ga原子容易被從半導(dǎo)體晶體吸收進(jìn)入介電膜。也就是說，原子空位容易在半導(dǎo)體晶體中難產(chǎn)生。與此相反，含有少量氫原子的薄膜具有窄的骨架原子間隔，因此，當(dāng)薄膜在半導(dǎo)體晶體上形成并被熱處理時，Ga原子難得被從半導(dǎo)體晶體吸收進(jìn)入介電膜。也就是說，原子空位在半導(dǎo)體晶體中很產(chǎn)生。因此，在薄膜中包含低的氫濃度的介電膜起保護(hù)膜的作用，包含高的氫濃度的介電膜起增強膜的作用。
此外，如圖8中看到的，將利用催化CVD法形成薄膜的情況與利用等離子體CVD法形成薄膜的情況比較，在熱處理以前和以后之間能量變化的幅度更陡峭地圍繞根據(jù)薄膜成形條件所確定的標(biāo)準(zhǔn)值而變化?？梢韵胂蟮脑蚴敲軐嵉谋∧と菀子么呋疌VD法形成，因此，這個方法適合于有區(qū)別地利用薄膜密度來制造保護(hù)膜和無序化-增強膜。但是，采用除了催化CVD法以外的薄膜成形方法，利用薄膜成形條件可靠地獲得密實薄膜，本發(fā)明也是適用的。
因為SiNx1保護(hù)膜10在不要形成窗的區(qū)域上用催化CVD法形成，所以SiNx1保護(hù)膜10密實而且應(yīng)力低，這樣，能充分防止原子例如As在無序化的熱處理期間從半導(dǎo)體表面析出。因此，根據(jù)本發(fā)明，因為不會出現(xiàn)由As原子的析出引起的凹點使接觸層9的表面粗糙的問題，所以確保與上電極21的良好薄膜接觸。另外，由于半導(dǎo)體免除了在激光器工作期間凹點造成擴(kuò)展至活性層的位錯缺陷問題，所以能獲得長期可靠性極好的半導(dǎo)體激光器件。
下面根據(jù)實驗結(jié)果，說明催化CVD法生產(chǎn)的SiNx膜作為無序化-增強膜以代替常規(guī)的SiO2所得到的主要優(yōu)點。
(使用以催化CVD法制造的SiNx無序化-增強膜的優(yōu)點1)在本實施例中，因為以SiNx代替常規(guī)SiO2用作無序化-增強膜，所以氧原子混入半導(dǎo)體晶體是不會發(fā)生的。也就是說，氧原子從通常在半導(dǎo)體晶體表面上形成的SiO2膜擴(kuò)散至半導(dǎo)體多層體，會造成晶體缺陷并使長期可靠性降低。但是，因為SiNx基本上不包含氧，所以幾乎不存在由氧引起的問題。
(使用以催化CVD法制造的SiNx的優(yōu)點2)在本實施例中，為了只在不要被無序化的區(qū)域形成SiNx1保護(hù)膜10圖案，半導(dǎo)體激光器件端部的接觸層9通過用CF4活性離子刻蝕SiNx1保護(hù)膜10而暴露出來(圖2(b))。然后，SiNx2無序化-增強膜12淀積在其上，接觸層9與膜12之間的交界面良好，因為淀積SiNx2無序化-增強膜12用的是催化CVD法?？梢韵胂螅驗樵诖呋ㄖ?，接觸層9的表面采用氫原子團(tuán)刻蝕，它有清洗效果。另一方面，當(dāng)利用經(jīng)常使用的常規(guī)方法例如等離子CVD法和EB汽相淀積法，在已接收原子團(tuán)刻蝕處理的接觸層9上形成無序化-增強膜時，類似于凹點的粗糙部分常常在SiNx2無序化-增強膜12下面的接觸層9的表面出現(xiàn)。
為了確認(rèn)這一點，做過如下實驗。下面兩種試樣A和B是用具有與本實施例所示相同的激光器結(jié)構(gòu)的外延晶片制造的。在試樣A的半導(dǎo)體多層體上，做了使用CF4的RIE處理，然后用EB汽相淀積法形成SiO2膜。設(shè)置襯底溫度為180℃，形成SiO2膜的厚度為20nm。在試樣B的半導(dǎo)體多層體上，做了使用CF4的RIE處理，然后用催化CVD法形成SiNx膜。形成SiNx膜的厚度為50nm，設(shè)置硅烷流速fSiH4＝2×10-3L/min。在試樣A和B上測量半導(dǎo)體多層體表面上產(chǎn)生的凹點的數(shù)目。試樣A有3000凹點/cm2，試樣B有500凹點/cm2或更少。在制造試樣B時，即使SiH4的流速變化了，凹點的數(shù)目也沒有增加。
這樣，在介電膜下面的化合物半導(dǎo)體多層體表面產(chǎn)生的凹點數(shù)，能抑制得比用催化CVD法形成介電膜時為低。因此，半導(dǎo)體激光器件的可靠性能期望得到保證。
關(guān)于介電膜的成形順序，本實施例已說明了在半導(dǎo)體激光器件表面上除了將被無序化的區(qū)域以外的區(qū)域形成保護(hù)膜以后，形成至少復(fù)蓋將被無序化區(qū)域的無序化-增強膜的情況。像這樣在高密度保護(hù)膜上形成低密度無序化-增強膜的優(yōu)點是，在保護(hù)膜成形期間被吸入膜中的氣體，在無序化的熱處理期間經(jīng)過低密度無序化-增強膜有效地被釋放至外部。
但是，介電膜的成形順序不限于上述順序，也可以顛倒過來。也就是說，如圖9所示，在預(yù)先形成無序化-增強膜后，再形成保護(hù)膜從上面復(fù)蓋增強膜，以復(fù)蓋將被無序化的區(qū)域，雜質(zhì)例如存在于熱處理爐氛圍中的Ga原子在熱處理期間不會從外部擴(kuò)散到低密度無序化-增強膜中。因此，這是有利的，因為能抑制熱處理期間無序化-增強膜從半導(dǎo)體多層體吸收Ga的數(shù)量變化，因而無序化-增強膜的作用穩(wěn)定。
盡管在本實施例中保護(hù)膜和無序化-增強膜用的是SiNx，不用說，也可以采用其他種類的介電膜，只要它們能吸收半導(dǎo)體晶體中的組成原子，產(chǎn)生所述半導(dǎo)體晶體中的原子空位，并且，淀積的薄膜密度是可由薄膜成形條件控制的。這些介電膜的淀積方法也不限于催化CVD法，只要利用能控制淀積薄膜密度的薄膜成形條件，也能使用例如等離子CVD法、EB汽相淀積法、自旋覆蓋法等等。
如圖4(b)所示，根據(jù)本發(fā)明一個方面的制造方法所形成的電流不注入結(jié)構(gòu)具有長度為Ln、導(dǎo)電類型與上包蓋層6相反、靠近上包蓋層6的刻面的層。在這種電流不注入結(jié)構(gòu)中，窗的長度Lw為10μm，電流不注入層8的長度Ln為20μm，大于窗的長度Lw。由于電流不注入層8的存在，提供給半導(dǎo)體激光器件的電流不注入無序化熱處理引起原子空位的區(qū)域，因此，防止晶體質(zhì)量的退化，半導(dǎo)體激光器件的可靠性提高。靠近刻面的非-光發(fā)射復(fù)合被抑制，這和由無序化形成的窗結(jié)構(gòu)共同防止CVD更為有效。如果Ln做成大于Lw+10μm，相當(dāng)多的電流就可能不注入活性層區(qū)域。由于這個原因，電流不注入層8的長度Ln最好小于Lw+10μm，從半導(dǎo)體激光器件的端部測量的無序化部分(窗)的長度設(shè)置為Lw。Ln＜Lw的關(guān)系也是可能的。在這里，Ln和Lw的長度是沿諧振器縱向的長度。
電流不注入層8也可在條形諧振器的縱向兩側(cè)區(qū)域連續(xù)形成，為的是附帶用作橫向限光的低折射率層。因此，能利用一個形成電流不注入層8的掩模圖案，同時制造波導(dǎo)方式的橫向限光結(jié)構(gòu)和電流不注入結(jié)構(gòu)兩者。
這種電流不注入結(jié)構(gòu)的形成如圖1和5所示。在多層量子勢阱活性層4b上形成的上載流子阻擋層4a的上面部分地形成上光波導(dǎo)層5之后，條形半導(dǎo)體層(電流不注入層)8有選擇地淀積在從稍后指定的半導(dǎo)體激光器件刻面的位置向在中心方向距離Ln長度的位置延伸的區(qū)域(參看圖1(a))，以及條形諧振器的縱向兩側(cè)的區(qū)域(參看圖5(a))；然后形成其余的上光波導(dǎo)層5，以掩埋所述半導(dǎo)體層8。這里，電流不注入層8的導(dǎo)電類型做成與掩埋它的上波導(dǎo)層5的導(dǎo)電類型相反。
盡管在上面的說明中，導(dǎo)電類型與上波導(dǎo)層5相反的半導(dǎo)體層8被埋入上光波導(dǎo)層5，但可通過在下波導(dǎo)層3埋入導(dǎo)電類型與下波導(dǎo)層3相反的半導(dǎo)體層而形成電流不注入結(jié)構(gòu)，或者可通過在上波導(dǎo)層5和下波導(dǎo)層3兩者中埋入導(dǎo)電類型與各波導(dǎo)層導(dǎo)電類型相反的半導(dǎo)體層而形成電流不注入結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明一個方面的制造方法形成的DCH結(jié)構(gòu)具有處于波導(dǎo)區(qū)域中的載流子阻擋層。另一方面，作為高輸出的半導(dǎo)體激光器件，常規(guī)上經(jīng)常使用獨立約束異晶結(jié)構(gòu)(SCH)。在圖10(a)和10(b)中，示出兩種結(jié)構(gòu)的帶隙能量分布(左側(cè)縱座標(biāo))和折射率分布(右側(cè)縱座標(biāo))。圖10(a)表示活性層4’兩側(cè)的具有光波導(dǎo)層3’和5’的SCH結(jié)構(gòu)，圖10(b)表示本實施例的半導(dǎo)體激光器件采用的SCH結(jié)構(gòu)。活性層4和4’的量子勢阱結(jié)構(gòu)內(nèi)各層的帶隙能量分布形狀和折射率被省略。
從DCH結(jié)構(gòu)發(fā)射的激光的引導(dǎo)模式與SCH結(jié)構(gòu)相比接近高斯型，并且至包蓋層的泄漏光小。這樣，當(dāng)激光器設(shè)計成具有相同的振蕩波長和相同的輻射角時，DCH構(gòu)成的激光器的整個激光器結(jié)構(gòu)的薄膜厚度(圖10(b)中的L2)能薄于SCH構(gòu)成的激光器的整個薄膜的厚度(圖10(a)中的L1)。因此，在具有由原子空位的擴(kuò)散所致多層量子勢阱層無序化而形成的窗結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器件中，采用DCH結(jié)構(gòu)能縮短為無序化所需要的原子空位的擴(kuò)散長度。由于這個原因，無序化的熱處理能以低溫進(jìn)行，由無序化熱處理造成的對激光器結(jié)晶性的損害能抑制到最小。
在SCH結(jié)構(gòu)中，為了有效地限制活性層中的載流子，光波導(dǎo)層3’的Al成分比必須高至某種程度。另一方面，在DCH結(jié)構(gòu)中，因為載流子阻擋層4a和4c表現(xiàn)有限制載流子的作用，所以光波導(dǎo)層3不必須是高Al成分比的，能夠由GaAs構(gòu)成。如果光波導(dǎo)層由GaAs構(gòu)成，將會抑制在高Al成分比的AlGaAs層中易發(fā)生的向再生長交界面的氧積累。因此，可抑制再生長交界面上的電位勢壘的形成，避免工作電壓的上升。因為非-光發(fā)射復(fù)合通過抑制再生長交界面上的氧積累而得以抑制，所以半導(dǎo)體激光器件具有極好的長期可靠性。
通過分別在多層量子勢阱活性層4b和上光波導(dǎo)層5之間以及多層量子勢阱活性層4b和下光波導(dǎo)層3之間，淀積上載流子阻擋層4a和下載流子阻擋層4c，各有帶隙能量大于光波導(dǎo)層5和3的各層帶隙能量，這種DCH結(jié)構(gòu)的形成，如圖1和5所示。
在直徑2英寸的GaAs襯底上，形成半導(dǎo)體多層體結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。多層體結(jié)構(gòu)由厚度為2.4μm的n-Al0.08Ga0.92As下包蓋層2、厚度為0.48μm的n-GaAs下波導(dǎo)層3、厚度為0.035μm的n-Al0.4Ga0.6As下載流子阻擋層4c、兩層厚度各為0.01μm的In0.14Ga0.86As堆積起來的多層量子勢阱活性層4b、厚度為0.035μm的p-Al0.4Ga0.6As上載流子阻擋層4a、厚度為0.45μm的上波導(dǎo)層5、厚度為0.8μm的p-Al0.32Ga0.68As上包蓋層6和厚度為0.3μm的p-GaAs接觸層9以此順序在n-GaAs襯底1上生長而組成。厚度為0.055μm的條形n-Al0.32Ga0.68As層8埋入上波導(dǎo)層5的預(yù)定間隔中。在具有這種多層體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底上所測量的光致發(fā)光峰值波長折合帶隙能量相當(dāng)于1.276eV。
然后，如圖2(a)所示，用催化CVD法在接觸層9的整個上表面形成厚度為50nm的SiNx1保護(hù)膜10。用催化CVD法進(jìn)行薄膜成形，設(shè)置腔室壓力為4.0Pa，襯底溫度為250℃和鎢絲溫度為1650℃，并提供流速分別為0.2L/min和0.0025L/min的氨和硅烷作為源氣體。用偏振光橢圓計測得的淀積SiNx1保護(hù)膜10的折射率是2.02。
此后，利用光刻法在SiNx1保護(hù)膜10的上表面制作抗蝕劑圖案，形成覆蓋除了靠近刻面的區(qū)域以外的半導(dǎo)體的抗蝕劑掩模11。利用這個抗蝕掩模11通過使用四氟化碳(CF4)的活性離子刻蝕(RIE)，刻蝕SiNx1保護(hù)膜10，然后用有機溶劑除去抗蝕掩模11(圖2(b))。因此，接觸層9的一部分被暴露。
在被暴露的接觸層9和SiNx1保護(hù)膜10的整個上表面上，利用催化CVD法形成厚度為25nm的SiNx2無序化-增強膜12(圖2(c))。用催化CVD法進(jìn)行薄膜成形，設(shè)置腔室壓力為4.0Pa，襯底溫度為250℃和鎢絲溫度為1650℃，并提供流速分別為0.2L/min和0.002L/min的氨和硅烷作為源氣體。用偏振光橢圓計測量的淀積SiNx2無序化-增強膜12的折射率是1.94。
然后，如圖6所示，半導(dǎo)體襯底放置在安裝于石英支架14中的由碳化硅(SiC)制成的臺座15上，并用設(shè)置在石英支架14下面的燈炮加熱器16以930℃溫度在氮(N2)氣氛圍中加熱30秒。然后，用氫氟酸除去SiNx1保護(hù)膜10和SiNx2無序化-增強膜12(圖3(b))。其次，在已形成SiNx1保護(hù)膜10和SiNx2無序化-增強膜12的部分測得光致發(fā)光峰值的波長，與熱處理以前測得的波長相比較。在已形成保護(hù)膜10的部分，觀察到折合帶隙能量約5meV或少一些的變化(波長縮短)，而在已形成SiNx2無序化-增強膜12的部分，觀察到約35meV的變化。
此后，GaAs襯底在靠近掩埋成條形的n-Al0.32Ga0.68As層8中心被破開(圖4(a))，成為多個激光棒。在被指定的光發(fā)射刻面?zhèn)鹊钠崎_表面用低反射膜23覆蓋，在相對側(cè)的破開表面用高反射膜24覆蓋(圖4(b))。最后，每一激光棒按規(guī)定的間隔劃分，得到單獨的半導(dǎo)體激光器件。
對用這種方法制造的半導(dǎo)體激光器件，測量了電流光輸出功率特性(光輸出功率與注入電流的關(guān)系)。這一關(guān)系表示在圖11中。作為比較的例子，電流光輸出功率特性也測量了沒有窗結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器件。如圖11中曲線L2所示，當(dāng)注入電流到達(dá)某一量級時，由于COD，光輸出功率突然變成零。另一方面，在用本發(fā)明實施例的制造方法產(chǎn)生的半導(dǎo)體激光器件中，COD沒有發(fā)生，只觀察到由熱飽和引起的輸出功率降低。
另外，這種半導(dǎo)體激光器件的特點即在制造過程中，阻止As原子從無序化熱處理中的半導(dǎo)體表面逸出，并且在無序化熱處理期間氧原子的污染不會發(fā)生；和采用電流不注入結(jié)構(gòu)和DCH結(jié)構(gòu)，所以表現(xiàn)出極好的長期可靠性。
盡管在上述說明中，說的是根據(jù)本發(fā)明的制造方法應(yīng)用于帶寬為0.98μm的半導(dǎo)體激光器件的情況，但本發(fā)明的制造方法還可應(yīng)用于其他波長帶的半導(dǎo)體激光器件。不用說，本發(fā)明的制造方法也能應(yīng)用于產(chǎn)生橫向單模振蕩和產(chǎn)生橫向多模振蕩的半導(dǎo)體激光器件兩者。此外，盡管上述說明是關(guān)于具有單一發(fā)射帶的半導(dǎo)體激光器件，但不用說，本發(fā)明也能應(yīng)用于兩條或多條光發(fā)射帶配置的矩陣激光器。
在上述說明中，已對具有多層量子勢阱層的半導(dǎo)體激光器件進(jìn)行了說明。但是，當(dāng)形成具有單量子勢阱層的半導(dǎo)體激光器件時，利用本發(fā)明的制造方法也可形成窗結(jié)構(gòu)，以防止COD。并且，本發(fā)明的制造方法不僅能用于在半導(dǎo)體器件上形成防止COD的窗結(jié)構(gòu)，而且能更一般地用于加寬半導(dǎo)體器件的化合物半導(dǎo)體多層體的特殊部分的能量帶隙。例如，如果在位于活性層4b的電流注入?yún)^(qū)域兩側(cè)上面的接觸層9的表面，形成無序化-增強膜并對其進(jìn)行熱處理，則位于活性層4b兩側(cè)的所述區(qū)域?qū)⒈粺o序化并且它的折射率變小。因此，由無序化區(qū)域和活性層組成的橫向折射率的分布能有限制橫向光的作用。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其中包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成預(yù)定的半導(dǎo)體多層體，其至少包括由量子勢阱活性層組成的活性層；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第一部分上形成第一介電膜；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第二部分上形成第二介電膜，第二介電膜由與所述第一介電膜相同的材料制成，并具有比所述第一介電膜低的密度；對包含所述半導(dǎo)體多層體、所述第一介電膜和所述第二介電膜的多層體進(jìn)行熱處理，使所述第二介電膜下面的所述量子勢阱層無序化；和在靠近所述第二部分的中心部位破開所述多層體。
2.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其中包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成預(yù)定的半導(dǎo)體多層體，其至少包括量子勢阱活性層；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第一部分上形成第一介電膜；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第二部分上形成第二介電膜，第二介電膜由與所述第一介電膜相同的材料制成，并具有比所述第一介電膜低的折射率；對包含所述半導(dǎo)體多層體、所述第一介電膜和所述第二介電膜的多層體進(jìn)行熱處理，使所述第二介電膜下面的所述量子勢阱層無序化；和在靠近所述第二部分的中心部位破開所述多層體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述第一介電膜的折射率大于根據(jù)所述第一介電膜和所述第二介電膜的薄膜成形條件確定的預(yù)定值，以及所述第二介電膜的折射率小于所述預(yù)定值。
4.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成預(yù)定的半導(dǎo)體多層體，其至少包括量子勢阱活性層；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第一部分上形成包含硅的第一介電膜；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第二部分上形成第二介電膜，第二介電膜由與所述第一介電膜相同的材料制成，并具有比第一介電膜低的硅成分比；對包含所述半導(dǎo)體多層體、所述第一介電膜和所述第二介電膜的多層體進(jìn)行熱處理，使所述第二介電膜下面的所述量子勢阱層無序化；和在靠近所述第二部分的中心部位破開所述多層體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述第一介電膜的硅成分比大于所述介電膜的化學(xué)計量成分比，和所述第二介電膜的硅成分比小于所述介電膜的化學(xué)計量成分比。
6.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其中包括步驟在半導(dǎo)體襯底上形成預(yù)定的半導(dǎo)體多層體，其至少包括量子勢阱活性層；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第一部分上形成第一介電膜；在所述半導(dǎo)體多層體表面的第二部分上形成第二介電膜，第二介電膜由與所述第一介電膜相同的材料制成，并在膜中具有比所述第一介電膜高的氫濃度；對包含所述半導(dǎo)體多層體、所述第一介電膜和所述第二介電膜的多層體進(jìn)行熱處理，使所述第二介電膜下面的所述量子勢阱層無序化；和在靠近所述第二部分的中心部位破開所述多層體。
7，根據(jù)權(quán)利要求1的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述第一介電膜和所述第二介電膜是氮化硅膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述第一介電膜通過下列步驟形成在腔室中所述第一介電膜的第一先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第一先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和在所述腔室中暴露所述半導(dǎo)體器件的所述第一部分；和所述第二介電膜通過下列步驟形成在所述腔室中所述第二介電膜的第二先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第二先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和在所述腔室中暴露所述半導(dǎo)體器件的所述第二部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述第一介電膜通過下列步驟形成在腔室中所述第一介電膜的第一先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第一先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和在所述腔室中暴露所述半導(dǎo)體器件的所述第一部分；和所述第二介電膜通過下列步驟形成在所述腔室中所述第二介電膜的第二先驅(qū)物經(jīng)過的路徑上配置熱源，以在所述熱源存在時引起所述第二先驅(qū)物的分解反應(yīng)，和在所述腔室中暴露所述半導(dǎo)體器件的所述第二部分；和所述第一和第二先驅(qū)物是包含氮和硅的化合物，或者氮化物和硅化物的混合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述第一先驅(qū)物和所述第二先驅(qū)物包含硅烷和氨，和所述第一先驅(qū)物中的硅烷含量大于所述第二先驅(qū)物中的硅烷含量。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述第一介電膜和第二介電膜用催化CVD法通過引起所述第一先驅(qū)物和所述第二先驅(qū)物的分解反應(yīng)步驟分別形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述預(yù)定的半導(dǎo)體多層體通過下列步驟形成在所述量子勢阱層的層形成方向的至少一側(cè)，形成光波導(dǎo)層，和將導(dǎo)電類型與所述光波導(dǎo)層的導(dǎo)電類型相反的半導(dǎo)體層埋入在所述第二部分下面的所述光波導(dǎo)層中。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述預(yù)定的半導(dǎo)體多層體通過下列步驟形成在所述量子勢阱層的層形成方向的兩側(cè)，分別形成帶隙能量大于所述量子勢阱層的帶隙能量的光波導(dǎo)層；在由所述量子勢阱層和所述光波導(dǎo)層組成的多層體結(jié)構(gòu)的層形成方向的兩側(cè)，分別形成帶隙能量大于所述光波導(dǎo)層的帶隙能量的包蓋層；和在所述量子勢阱層和光波導(dǎo)層之間，形成帶隙能量大于所述各光波導(dǎo)層的帶隙能量的載流子阻擋層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于通過形成單層或者多層量子勢阱結(jié)構(gòu)的步驟，形成所述預(yù)定的半導(dǎo)體多層體。
全文摘要
提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其通過防止在窗結(jié)構(gòu)形成時產(chǎn)生熱的負(fù)面影響，制造具有高輸出功率和極好長期可靠性的半導(dǎo)體器件。該方法包括第一步驟，在半導(dǎo)體襯底1上形成包含至少一層由量子勢阱活性層組成的活性層4b的預(yù)定的半導(dǎo)體層2至9；第二步驟，在半導(dǎo)體層2至9表面上的第一部分上形成第一介電膜10；第三步驟，在半導(dǎo)體層2至9表面上的第二部分上形成第二介電膜12，第二介電膜12由與第一介電膜10相同的材料制成并具有低于第一介電膜10的密度；和第四步驟，對包含半導(dǎo)體層2至9、第一介電膜10和第二介電膜12的多層體進(jìn)行熱處理，以使第二介電膜12下面的量子勢阱層無序化。
文檔編號H01S5/343GK1922771SQ20048004158
公開日2007年2月28日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月15日
發(fā)明者山田由美 申請人:古河電氣工業(yè)株式會社, 三井化學(xué)株式會社