專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)半導(dǎo)體器件，特別涉及在活性層和夾層間具有超晶格結(jié)構(gòu)的光學(xué)半導(dǎo)體器件。
在半導(dǎo)體激光器中，在提高特性上，最重要的是將電子和空穴有效地限制在活性層中，該活性層夾在其禁寬大于它的夾層中。然而，在紅色半導(dǎo)體激光二極管(下稱(chēng)紅色LD)中，由于不能充分地增大活性層和P型(下稱(chēng)P)夾層間的勢(shì)壘，所以，產(chǎn)生從n型(下稱(chēng)n)夾層一側(cè)注入到活性層的電子容易越過(guò)活性層和P夾層間的墊壘溢到P夾層中的問(wèn)題。一般將該電子溢入P夾層稱(chēng)作電子溢流。電子溢流引起LD特性特別是在高溫下的操作特性變壞。因此，為了改善特別是在高溫時(shí)的操作特性，就必須增大活性層和P夾層間的墊壘。
圖3是表示已有工藝的AlGaInP類(lèi)的紅色半導(dǎo)體激光的結(jié)構(gòu)的剖面圖(圖3(a))及該活性層附近的能帶結(jié)構(gòu)圖(圖3(b))。在圖中，1是n-GaAs基片，2是厚約1.5μm的n-AlGaInP下夾層，3是用AlGaInP構(gòu)成的多量子阱結(jié)構(gòu)的活性層，4a是厚度為0.2～0.25μm的p-AlGaInP第一上夾層，4b是厚約1.25μm的p-AlGaInP第二上夾層，第一上夾層4a和第二上夾層4b間構(gòu)成p-上夾層4。5是腐蝕塞層，6是由厚約0.1μm的p-GaInP構(gòu)成的能帶不連續(xù)釋放層，7是由n-GaAs等構(gòu)成的電流阻塞層，8是厚約3.0μm的p-GaAs接觸層。在這里，省去了基片1的下表面的n側(cè)電極和接觸層8上的P側(cè)電極。另外，11表示電子，11a表示溢流電子，12表示空穴。
圖2示出了(AlxGa(1-x))0.5In0.5P層中的Al組分和導(dǎo)帶能量差ΔEc及價(jià)帶能量差ΔEv的關(guān)系。
在圖3所示的已有工藝的半導(dǎo)體激光器中，為了增大活性層3和P-第一上夾層4a間的墊壘，增大p-第一上夾層4a的禁帶寬度是最有效的方法。然而，考慮到由紅色LD的p-第一上夾層4a的材料如(AlxGa(1-x))0.5In0.5P的禁帶寬度Eg，如圖2所示，在從x＝0到x＝1間，ΔEv與Al的組分x成比例增大，例如x＝1.0比x＝0.7大96meV能量。另一方面，雖然ΔEc在從x＝0到x＝0.7時(shí)隨Al的組成比x成比例變大，但在x＝0.7時(shí)由直接躍遷(Γ谷)變成間接躍遷(X谷)，x＞0.7時(shí)，ΔEc隨Al組分的增加而減少，在x＝1.0時(shí)比x＝0.7時(shí)小70meV。因此，Al組分在大于x＝0.7時(shí)，隨Al組分的增加而使禁帶寬度ΔEg的增加率比x＝0到x＝0.7時(shí)減少。(AlxGa(1-x))0.5In0.5P的禁帶寬度Eg在x＝1.0時(shí)比x＝0.7時(shí)大26meV左右。另外，Al組分增加時(shí)，氧的吸附增加，電阻增加，增加P型載流子濃度是不可能的。因此，在已有工藝的半導(dǎo)體激光器中，在p-上夾層4a、4b中使用x＝0.7的(AlxGa(1-x))0.5In0.5P型層。
然而，在使用(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝0.7)的P型上夾層4a、4b的半導(dǎo)體激光器中，如上所述，活性層3和p-上夾層4a、4b間的墊壘不足夠高，使得從n-下夾層2一側(cè)注入到活性層3的電子越過(guò)活性層3和p-第一上夾層4a間的墊壘、發(fā)生電子溢出，通過(guò)發(fā)生這樣的電子溢出，產(chǎn)生LD特性特別是高溫時(shí)的操作特性變壞的問(wèn)題。
本發(fā)明系為解決上述問(wèn)題而做，目的在于提供能夠提高活性層和夾層間的能量墊壘、消除電子溢出的光學(xué)半導(dǎo)體器件。
與本發(fā)明有關(guān)的光學(xué)半導(dǎo)體器件包括第一導(dǎo)電型夾層；第二導(dǎo)電型夾層；在上述第一導(dǎo)電型夾層和第二導(dǎo)電型夾層之間配置的、由半導(dǎo)體構(gòu)成的活性層；在上述第二導(dǎo)電型夾層和活性層之間配置的、比上述活性層的禁帶寬度還大的第一化合物半導(dǎo)體；比該第一化合物半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的能量差ΔEc小而比價(jià)帶能量差ΔEv大的第二化合物半導(dǎo)體；具有交互層疊一對(duì)以上構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)的第二導(dǎo)電層的超晶格墊壘層。
另外，上述光學(xué)半導(dǎo)體器件包括Al和Ga，Al和Ga的組分比使該第一化合物半導(dǎo)體的ΔEc變得最大，上述第二化合物半導(dǎo)體包括Al和Ga，Al和Ga的組分比使該ΔEv比上述第一化合物半導(dǎo)體的ΔEv大。
另外，上述第一化合物半導(dǎo)體由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P構(gòu)成，上述第二化合物半導(dǎo)體由(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(0.7＜x≤1)構(gòu)成。
另外，在上述光學(xué)半導(dǎo)體器件中，上述第一化合物半導(dǎo)體由Al0.48Ga0.52As構(gòu)成，上述第二化合物半導(dǎo)體由AlxGa1-xAs(0.48＜x≤1)構(gòu)成。


圖1是用于說(shuō)明與本發(fā)明的實(shí)施方案1有關(guān)的光學(xué)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)圖；圖2是用于說(shuō)明與本發(fā)明的實(shí)施方案1有關(guān)的光學(xué)半導(dǎo)體器件的作用的、(AlxGa(1-x))0.5In0.5P層中Al組分x和導(dǎo)帶能量差ΔEc的關(guān)系及Al組分x與價(jià)帶能量差ΔEv的關(guān)系的圖3是用于說(shuō)明已有的光學(xué)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的圖；圖4是用于說(shuō)明與本發(fā)明的實(shí)施方案2有關(guān)的光學(xué)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的圖。
實(shí)施方案1圖1是表示與本發(fā)明的實(shí)施方案1有關(guān)的半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)的剖面圖(圖1(a))、活性層附近的能帶結(jié)構(gòu)圖(圖1(b))、半導(dǎo)體激光器的主要部分的禁帶寬度的圖(圖1(c))。在圖中，1是n-GaAs基片，2是厚約1.5μm的n-AlGaInP下夾層，3是由單層GaInP活性層和多重量子阱結(jié)構(gòu)的AlGaInP構(gòu)成的活性層，4a是p-AlGaInP第一上夾層，10是分別以幾十埃左右的厚度進(jìn)行交互疊層一對(duì)以上的(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝0.7)層10a和(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝1.0)層10b構(gòu)成的超晶格勢(shì)壘層，該層疊對(duì)的數(shù)目是1～20對(duì)左右，優(yōu)選5～10對(duì)左右。另外，根據(jù)需要，調(diào)整各層的厚度使其小于臨界層厚度。將該超晶格勢(shì)壘層10和第一上夾層4a的厚度之和調(diào)整為0.2～0.25μm左右。4b是厚約1.25μm的p-AlGaInP第二上夾層，5是腐蝕塞層，6是厚約0.1μm的P-GaInP構(gòu)成的能帶不連續(xù)釋放層，7是n-GaAs等構(gòu)成的電流阻塞層，8是厚約3.0μm的p-GaAs接觸層。另外，省略了基片1里面一側(cè)的n側(cè)電極和接觸層8上的P側(cè)電極。該半導(dǎo)體激光器是反射紅光的AlGaInP類(lèi)的半導(dǎo)體激光器。
圖2示出了(AlxGa(1-x))0.5In0.5P層中的Al組分x和導(dǎo)帶能量差ΔEc及價(jià)帶的能量差ΔEv的關(guān)系。
下面對(duì)作用進(jìn)行說(shuō)明。在該實(shí)施方案1中，在P-夾層4和活性層3間配置交互地層疊(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝0.7)層10a和(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝1.0)層10b而構(gòu)成的超晶格勢(shì)壘層10。
這里，如圖2所示，(AlxGa(1-x))0.5In0.5P在Al組分大于x＝0.7時(shí)，價(jià)帶的能量差ΔEc隨Al組分成比例增大，導(dǎo)帶的能量差ΔEc隨Al組分增加而減少。因此，如圖1(c)所示，(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝0.7)層和(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝1.0)層10b各圖的禁帶寬度Eg分別是2.32eV和2.35eV，對(duì)二者進(jìn)行比較，ΔEc在(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝0.7)層10a的一方變大，ΔEv在(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝1.0)層10b的一方變大，把具有這樣的能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層做成超晶格結(jié)構(gòu)、形成超晶格墊壘層10b時(shí)，成為圖1(c)所示的能帶結(jié)構(gòu)。一般將該類(lèi)超晶格墊壘層10的超晶格結(jié)構(gòu)分類(lèi)為II型。
在超晶格勢(shì)壘層10中，導(dǎo)帶的能量差ΔEc取決于Al組分x＝0.7時(shí)的(AlxGa(1-x))0.5In0.5P層10a，價(jià)帶的能量差ΔEv取決于Al組分x＝1.0時(shí)的(AlxGa(1-x))0.5In0.5P層10b，因此，與x＝0.7時(shí)的單層(AlxGa(1-x))0.5In0.5P相比，該超晶格墊壘層10的有效禁帶寬度Eg大于96meV，成為2.42eV，該半導(dǎo)體激光器的活性層3附近的能帶結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。
然而，由于在已有的AlGaInP類(lèi)的紅色LD中使用Al組分x＝0.7的P-(AlxGa(1-x))0.5In0.5P夾層，所以，P型夾層的禁帶寬度Eg小至2.324eV，發(fā)生電子溢出，LD特性特別是高溫時(shí)的操作特性變差，但在本實(shí)施方案1中，由于在活性層3和P型第一上夾層4a間包括Al組分x＝0.7的、大于P-(AlxGa(1-x))0.5In0.5P的能量勢(shì)壘的超晶格墊壘層10，所以，能夠抑制電子溢出。
這樣，根據(jù)該實(shí)施方案1的半導(dǎo)體激光器，由于在活性層3和P型第一上夾層4a間配置了交互地層疊(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝0.7)層10a和(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝1.0)層10b所構(gòu)成的超晶格勢(shì)壘層10，所以，該超晶格勢(shì)壘層10的禁帶寬度Eg能夠由AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝0.7)層的導(dǎo)帶的能量差ΔEc和(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(x＝1.0)層10b的價(jià)帶的能量差ΔEv決定，結(jié)果是為活性層3與P-夾層4a和4b間提供了足夠高的能量勢(shì)壘，能夠抑制載流子的溢出，具有能夠提高LD特性、特別是高溫時(shí)的操作特性的效果。
另外，在上述實(shí)施方案1中，對(duì)(AlxGa(1-x))0.5In0.5P層10b中Al的組分為1.0的情況做了說(shuō)明，但本發(fā)明對(duì)Al組分x大于0.7而小于1.0也可以，在這種情況下，當(dāng)本發(fā)明中Al的組分x介于0.7＜x≤1.0之間時(shí)，效果與實(shí)施方案相同。
另外，在上述實(shí)施方案1中對(duì)構(gòu)成超晶格10的各層的In組分為0.5的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明也能適用于根據(jù)需要改變In組分的情況，即使在該情況下也得到了和上述實(shí)施方案1相同的效果。實(shí)施方案2圖4示出了用于說(shuō)明與本發(fā)明的實(shí)施方案2有關(guān)的半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)的、半導(dǎo)體激光器的活性層附近的能帶結(jié)構(gòu)。在圖中，23是Alx1Ga(1-x1)As活性層，22是n型Alx2Ga(1-x2)As(x1＜x2)下夾層，24是P型Alx2Ga(1-x2)As(x1＜x2)上夾層，20是超晶格勢(shì)壘層，20a是AlxGa(1-x)As(x＝0.48)層，20b是AlxGa(1-x)As(0.48＜x≤1)。該半導(dǎo)體激光器是AlGaAs類(lèi)的短波長(zhǎng)LD，在該實(shí)施方案2中，上述實(shí)施方案1中說(shuō)明的超晶格勢(shì)壘層被用在AlGaAs類(lèi)的短波長(zhǎng)LD中。
由于AlGaAs類(lèi)的短波長(zhǎng)LD的夾層中所用的AlxGa(1-x)As在Al組分x＝0.48時(shí)從直接躍遷(Γ谷)變?yōu)殚g接躍遷(X谷)。當(dāng)將它用于實(shí)施方案1中的超晶格勢(shì)壘層、并在活性層23和P型夾層24間配置交互層疊AlxGa(1-x)As(x＝0.48)層20a和AlxGa(1-x)As(0.48＜x≤1)層20b構(gòu)成的超晶格勢(shì)壘層20時(shí)，如圖4所示，超晶格勢(shì)壘層20成為上述的所謂II型超晶格結(jié)構(gòu)，超晶格勢(shì)壘層20的禁帶寬度Eg比P型Alx2Ga(1-x2)As(x1＜x2)上夾層24中Al組分x1為0.48時(shí)的禁帶寬度Eg還大，可增大活性層23和P-上夾層24間的能量勢(shì)壘，能夠抑制載流子溢出，結(jié)果得到了和上述上述方案1相同的效果。
另外，在上述實(shí)施方案1和2中是對(duì)AlGaInP類(lèi)的紅色LD或AlGaAs類(lèi)的短波長(zhǎng)LD進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明也能夠適用于其他材料類(lèi)的半導(dǎo)體激光器。在這樣的情況下，通過(guò)在II型超晶格結(jié)構(gòu)即活性層和夾層之間設(shè)置第二導(dǎo)電型的超晶格勢(shì)壘層，第二導(dǎo)電型的超晶格勢(shì)壘層具有交互地層疊一對(duì)以上的第一化合物半導(dǎo)體和第二化合物半導(dǎo)體而構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)的第二導(dǎo)電型超晶格勢(shì)壘層，第一化合物半導(dǎo)體能隙比活性層大，第二化合物的導(dǎo)帶能差ΔEc比第一化合物小而價(jià)帶能差ΔEv比第一化合物大，這樣，得到了和上述實(shí)施方案1和2相同的效果。
另外，在上述實(shí)施方案1、2中，是對(duì)在活性層和P型夾層間配置超晶格勢(shì)壘層的情況所做的說(shuō)明，但本發(fā)明也能夠適用于在活性層和n型夾層間配置超晶格勢(shì)壘層的情況，在這樣的情況下，也得到了和上述實(shí)施方案、2相同的效果。
另外，在上述實(shí)施方案1、2中，是對(duì)在活性層和P型夾層間配置超晶格勢(shì)壘層的情況所做的說(shuō)明，但本發(fā)明也能夠適用于根據(jù)器件設(shè)計(jì)上的需要、在活性層和超晶格勢(shì)壘層間夾有材料與P型夾層相同的薄層的情況，在這種情況下，實(shí)現(xiàn)了和上述實(shí)施方案1和2相同的效果。
另外，在上述實(shí)施方案1、2中，是對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明也能夠適用于其他具有在第一導(dǎo)電型夾層和第二導(dǎo)電型夾層間夾有活性層的結(jié)構(gòu)的光學(xué)半導(dǎo)體器件，在這種情況下，也實(shí)現(xiàn)了和上述實(shí)施方案1和2相同的效果。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，包括第一導(dǎo)電型夾層，第二導(dǎo)電型夾層，在上述第一導(dǎo)電型夾層和第二導(dǎo)電型夾層之間配置的、由半導(dǎo)體構(gòu)成的活性層，在上述第二導(dǎo)電型夾層和活性層之間配置的、比上述活性層的禁帶寬度還大的第一化合物半導(dǎo)體，比該第一化合物半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的能量差ΔEc小而比價(jià)帶能量差ΔEv大的第二化合物半導(dǎo)體，具有交互層疊一對(duì)以上構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)的第二導(dǎo)電型的超晶格勢(shì)壘層；因此，可以將活性層和第二導(dǎo)電型夾層間的能量勢(shì)壘做得相當(dāng)大，能夠抑制載流子溢出，具有能夠提高LD特性、特別是高溫時(shí)的操作特性的效果。
另外，根據(jù)本發(fā)明，在上述光學(xué)半導(dǎo)體器件中，上述第一化合物半導(dǎo)體包括Al和Ga，Al和Ga的組分比使該第一化合物半導(dǎo)體的ΔEc變得最大，上述第二化合物半導(dǎo)體包括Al和Ga，Al和Ga的組分比使其大于上述第一化合物半導(dǎo)體ΔEv，因此，可以將活性層和第二導(dǎo)電型夾層間的能量墊壘做得相當(dāng)大，能夠抑制載流子溢出，具有能夠提高LD特性、特別是高溫時(shí)的操作特性的效果。
另外，根據(jù)本發(fā)明，在上述光學(xué)半導(dǎo)體器件中，上述第一化合物半導(dǎo)體由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P構(gòu)成，上述第二化合物半導(dǎo)體由(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(0.7＜x≤1)構(gòu)成，因此，可以將活性層和第二導(dǎo)電型夾層間的能量勢(shì)壘做得相當(dāng)大，能夠抑制載流子溢出，具有能夠提高LD特性、特別是高溫時(shí)的操作特性的效果。
另外，根據(jù)本發(fā)明，在上述光學(xué)半導(dǎo)體器件中，上述第一化合物半導(dǎo)體由Al0.48Ga0.52As構(gòu)成，上述第二化合物半導(dǎo)體由AlxGa(1-x)As(0.48＜x≤1)構(gòu)成，因此，可以將活性層和第二導(dǎo)電型夾層間的能量勢(shì)壘做得相當(dāng)大，能夠抑制載流子溢出，具有能夠提高LD特性、特別是高溫時(shí)的操作特性的效果。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)半導(dǎo)體器件，其特征在于，包括第一導(dǎo)電型夾層；第二導(dǎo)電型夾層；在上述第一導(dǎo)電型夾層和第二導(dǎo)電型夾層之間配置的、由半導(dǎo)體構(gòu)成的活性層；在上述第二導(dǎo)電型夾層和活性層之間配置的、比上述活性層的禁帶寬度還大的第一化合物半導(dǎo)體；比該第一化合物半導(dǎo)體的導(dǎo)帶能量差ΔEc小而比價(jià)帶能量差ΔEv大的第二化合物半導(dǎo)體；具有一對(duì)以上交互疊合構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)的第二導(dǎo)電型的超晶格勢(shì)壘層。
2.權(quán)利要求1所述的光學(xué)半導(dǎo)體器件，其特征在于包括Al和Ga，Al和Ga的組分比使該第一化合物半導(dǎo)體的ΔEc變得最大；上述第二化合物半導(dǎo)體包括A和Ga，Al和Ga的組分比使該ΔEv比上述第一化合物半導(dǎo)體的ΔEv大。
3.權(quán)利要求所述的光學(xué)半導(dǎo)體器件，其特征在于，第一化合物半導(dǎo)體由(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P構(gòu)成，上述第二化合物半導(dǎo)體由(AlxGa(1-x))0.5In0.5P(0.7＜x≤1)構(gòu)成。
4.一種權(quán)利要求1所述的光學(xué)半導(dǎo)體器件，其特征在于，上述第一化合物半導(dǎo)體由Al0.48Ga0.52As構(gòu)成，上述第二化合物半導(dǎo)體由AlxGa(1-x)As(0.48＜x≤1)構(gòu)成。
全文摘要
提高了活性層和夾層間的能量勢(shì)壘,抑制了電子的溢出。在活性層3和P型第一上夾層4a間配置了交互地層疊(Al
文檔編號(hào)H01S5/00GK1175808SQ9711023
公開(kāi)日1998年3月11日 申請(qǐng)日期1997年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月4日
發(fā)明者元田隆, 小野健一 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社