发光器件的制作方法

1.本公开涉及例如背射式发光器件。


背景技术：

2.例如，专利文献1公开了一种表面型发光元件，在该表面型发光元件中，在n型或半绝缘的gaas基板上依次形成n型半导体多层膜、基板侧接触及注入层、p型半导体多层膜、包括发光层的空腔和n型半导体多层膜。n型半导体多层膜包含在基板侧镜中。n型半导体多层膜包含在空气侧镜中。
3.引用列表
4.专利文献
5.ptl 1：日本未审专利申请公开号h5-211346


技术实现要素：

6.顺便提及，发光器件需要具有更高的可靠性。
7.希望能提供一种可以增加可靠性的发光器件。
8.根据本公开的实施方式的发光器件，包括：基板；第一接触层；缓冲层，缓冲层中的载流子浓度、材料组成和组成比例中的至少任意一者与第一接触层不同；以及半导体堆叠体。基板具有彼此相对的第一表面和第二表面。第一接触层堆叠在基板的第一表面上。缓冲层堆叠在第一接触层上。半导体堆叠体隔着第一接触层及缓冲层堆叠在基板的第一表面上。半导体堆叠体具有被配置为发射激光的发光区域。
9.在根据本公开的实施方式的发光器件中，在第一接触层与半导体堆叠体之间提供缓冲层，在该缓冲层中，载流子浓度、材料组成、以及组成比例中的至少任意一项与第一接触层不同。这形成了具有优异晶体品质的半导体堆叠体。
附图说明
10.图1是示出根据本公开的实施方式的半导体激光器的配置的实施例的截面示意图。
11.图2a是描述制造图1中所示的半导体激光器的方法的实施例的截面示意图。
12.图2b是示出了继图2a之后的步骤的横截面示意图。
13.图2c是示出了继图2b之后的步骤的横截面示意图。
14.图2d是示出了继图2c之后的步骤的横截面示意图。
15.图3是示出了使用包括图1中示出的半导体激光器的照明设备的测距系统的示意性配置的实施例的框图。
具体实施方式
16.下面参考附图详细描述本公开的实施方式。以下描述是本公开的具体实施例，但
是本公开不限于以下模式。此外，本公开不限于在附图中示出的相应部件的布置、尺寸、尺寸比例等。应注意，按照下列顺序进行描述。
17.1.实施方式(背射式半导体激光器的实施例，包括位于第一接触层与第一光反射层之间的缓冲层，缓冲层中的载流子浓度、材料组成、以及组成比例中的任意一者与第一接触层不同)
18.1-1.半导体激光器的配置
19.1-2.制造半导体激光器的方法
20.1-3.作用和效果
21.2.应用实施例(测距系统的实施例)
22.《1.实施方式》
23.图1示意性地示出了根据本公开的实施方式的发光器件(半导体激光器1)的横截面配置的实施例。该半导体激光器1例如是背射式vcsel(垂直腔表面发射激光器)。例如，多个vcsel被集成在阵列中作为多个发光区域。
24.(1-1.半导体激光器的配置)
25.半导体激光器1包括，例如在基板11的第一表面(前表面(表面11s1))上的多个半导体堆叠体10。每个半导体堆叠体10具有例如柱体形状(台面形状)。例如，第一光反射层14、有源层15和第二光反射层16依次堆叠。在第一光反射层14与有源层15之间设置有限流层17。电流注入区17a形成在限流层17中。该半导体堆叠体10对应于根据本公开的“半导体堆叠体”的具体实施例。在半导体堆叠体10与基板11之间，从基板侧依次堆叠有第一接触层12和缓冲层13。缓冲层13与半导体堆叠体10一起形成台面形状。第一接触层12在基板11上延伸作为多个半导体堆叠体10共用的层。在第一接触层12上设置第一电极21作为各个半导体堆叠体10共用的电极。第二接触层18和第二电极22依次形成在各个半导体堆叠体10各自的上表面(表面10s1)上。此外，第一接触层12的除了第一电极21以外的上表面(表面12s1)，第二接触层18的除了第二电极22以外的上表面，第二接触层18、半导体堆叠体10和缓冲层13的侧表面覆盖有绝缘膜23。基板11的第二表面(背面(表面11s2)被绝缘膜24覆盖。
26.以下详细描述半导体激光器1的每个部分的配置、材料等。
27.基板11是在其上集成了多个半导体堆叠体10的支撑基板。基板11包括半绝缘基板，包括例如gaas基半导体，例如其中不含杂质。此外，基板11不必限于典型的半绝缘基板，只要基板11的载流子浓度低并且吸收更少的激光即可。例如，可以使用具有p型或n型载流子浓度为5
×
10
17
cm-3
以下的基板作为基板11。
28.第一接触层12包括例如具有导电性的gaas基半导体。第一接触层12用于将第一电极21和各个半导体堆叠体10中的第一光反射层14电气耦接。第一接触层12包括例如具有1
×
10
19
cm-3
以上的载流子浓度的p型gaas。第一接触层12对应于根据本公开内容的“第一接触层”的具体实施例。第一接触层在堆叠方向上的膜厚度例如为200nm以上且1500nm以下。
29.缓冲层13用于恢复在第一接触层12上方形成的半导体堆叠体10的晶体品质。缓冲层13优选具有如下构造。例如，缓冲层13形成为具有与第一接触层12不同的载流子浓度。具体地，缓冲层13包括载流子浓度低于第一接触层12的载流子浓度的p型gaas。例如，载流子浓度小于1
×
10
19
cm-3
。优选地，载流子浓度是5
×
10
18
cm-3
以下。例如，缓冲层13包括与第一接触层12(例如，gaas层)的材料组成和组成比例不同的半导体。包括在缓冲层13中的材料的
实施例包括alas、algaas、ingaas、algainas、gainp和algainp。可以将缓冲层13形成为包括含有上述任意半导体材料的层的单层膜或叠层膜。
30.缓冲层13包括上述中的至少任意一种。缓冲层13因此减轻由高浓度掺杂引起的第一接触层12的结晶能力的劣化并且恢复形成在第一接触层12上方的半导体堆叠体10的晶体品质。缓冲层13在堆叠方向上的膜厚度例如为100nm以上且1000nm以下。
31.第一光反射层14设置在缓冲层13和限流层17之间。第一光反射层14与第二光反射层16相对，有源层15和限流层17介于第一光反射层14与第二光反射层16之间。第一光反射层14使在有源层15中生成的光在第一光反射层14与第二光反射层16之间谐振。第一光反射层14对应于根据本公开的“第一光反射层”的具体实施例。
32.第一光反射层14是dbr(分布式布拉格反射器)层，其中，低折射率层(未示出)和高折射率层(未示出)交替堆叠。每个低折射率层包括例如具有λ
×
1/4n的光学膜厚度的p型al
x1
ga
1-x1
as(0《x1≤1)，并且每个高折射率层包括例如具有λ
×
1/4n的光学膜厚度的p型al
x2
ga
1-x2
as(0≤x2《x1)。λ表示从发光区域中的每一个发射的激光的振荡波长，并且n表示折射率。
33.有源层15设置在第一光反射层14和第二光反射层16之间。有源层15包括例如铝镓砷化物(algaas)基半导体材料。在有源层15中，从第一电极21和第二电极22注入的空穴和电子经历辐射复合以产生受激发射光。有源层15的与电流注入区17a相对的区域用作发光区域。例如，未掺杂的al
x3
ga
1-x3
as(0《x3≤0.45)可用于有源层15。有源层15可以具有例如gaas和algaas的多量子阱(mqw：multi quantum well)结构。如果根据激光的期望波长区间选择包括在有源层15中的材料，则是足够的。例如，在获得900nm波段的激光特性的情况下，有源层15可以具有砷化铟镓(ingaas)和algaas的多量子阱结构。有源层15对应于根据本公开的“有源层”的具体实施例。
34.第二光反射层16是位于有源层15与第二接触层18之间的dbr层。第二光反射层16与第一光反射层14相对，有源层15和限流层17介于第二光反射层16与第一光反射层14之间。第二光反射层16对应于根据本公开的“第二光反射层”的具体实施例。
35.第二光反射层16具有低折射率层和高折射率层交替重叠的堆叠结构。低折射率层是具有例如λ/4n的光学膜厚度的n型al
x4
ga
1-x4
as(0《x4≤1)。高折射率层是具有例如λ/4n的光学膜厚度的n型al
x5
ga
1-x5
as(0≤x5《x4)。
36.限流层17设置在第一光反射层14与有源层15之间。限流层17形成为具有从具有例如台面形状的半导体堆叠体10的外周侧到内侧具有预定宽度的环形形状。换言之，限流层17设置在第一光反射层14与有源层15之间。限流层17在其中部具有预定宽度的开口。该开口作为电流注入区17a。限流层17包括例如p型algaas。具体地，限流层17包括al
0.85
ga
0.15
as至alas。将其氧化为氧化铝(a1o
x
)层以限制电流。提供具有该限流层17的半导体激光器1限制从第一电极21注入到有源层15中的电流，并且提高电流注入效率。
37.第二接触层18包括例如具有导电性的gaas基半导体。第二接触层18包括例如n型gaas。第二接触层18对应于根据本公开内容的“第二接触层”的具体实施例。
38.第一电极21设置在第一接触层12上。通过使用例如钛(ti)/铂(pt)/金(au)的多层膜来形成第一电极21。
39.第二电极22设置在半导体堆叠体10上方。具体地，第二电极22设置在第二接触层
18上。通过使用例如金锗(au-ge)/镍(ni)/金(au)的多层膜来形成第二电极22。
40.绝缘膜23例如连续地形成在第二接触层18的上表面，第二接触层18、半导体堆叠体10和缓冲层13的侧表面以及第一接触层12的上表面(表面12s1)上。绝缘膜23例如包括诸如氮化硅(sin)或氧化硅(sio2)的单层膜或堆叠膜。绝缘膜23设置有开口23h(参见，例如，图2d)，位于各个第二接触层18和第一接触层12的上表面上的预定位置处。每个开口23h中填充有第一电极21或第二电极22。
41.绝缘膜24形成在例如基板11的整个背面(表面11s2)上。绝缘膜24例如包括诸如氮化硅(sin)或氧化硅(sio2)的单层膜或者与绝缘膜24相同的堆叠膜。
42.根据本实施方式的半导体激光器1是具有所谓的共阳极结构的半导体激光器，其中，设置在基板11上的多个半导体堆叠体10和第一电极21通过第一接触层12(包括例如p型gaas)彼此电气耦接。
43.在半导体激光器1中，在将预定电压施加至第一电极21和第二电极22的情况下，将电压从第一电极21和第二电极22施加至半导体堆叠体10。这将电子从第一电极21注入到有源层15并且将空穴从第二电极22注入到有源层15。电子和空穴的复合产生光。光在第一光反射层14与第二光反射层16之间被谐振和放大，并且激光l从基板11的背面(表面11s2)发射。
44.(1-2.制造半导体激光器的方法)
45.接下来，参照图2a到2d，描述制造半导体激光器1的方法。
46.首先，如图2a中所示，包含在第一接触层12、缓冲层13、第一光反射层14、有源层15、第二光反射层16以及第二接触层18中的各个化合物半导体层依次形成在基板11上，例如，采用外延晶体生长方法，例如有机金属气相生长(金属有机化学气相沉积：mocvd)方法。在这种情况下，使用例如三甲基铝(tmal)、三甲基镓(tmga)、三甲基铟(tmin)等甲基系有机金属化合物和砷烷(ash3)气体，作为化合物半导体的原料；例如使用乙硅烷(si2h6)，作为供体杂质的原料；例如使用四溴化碳(cbr4)，作为受体杂质的原料。
47.随后，如图2b所示，具有预定图案的抗蚀膜(未示出)形成在第二接触层18上，并且该抗蚀膜随后用作掩膜以蚀刻第二接触层18、第二光反射层16、有源层15以及第一光反射层14，并且形成具有柱体形状的台面结构(半导体堆叠体10)。在这种情况下，优选使用例如使用cl系气体的rie(反应离子刻蚀)。在第二接触层18、第二光反射层16、有源层15和第一反射层14的刻蚀过程中，缓冲层13作为刻蚀阻挡层。由此，晶圆面内的蚀刻深度恒定。之后，在水蒸气气氛中进行高温处理，以氧化例如具有高铝(al)成分的algaas层，并形成用于限制电流的氧化层(限流层17)。algaas层在外延生长时已经预先堆叠。
48.接下来，如图2c所示，通过蚀刻去除缓冲层13以暴露第一接触层12。
49.随后，如图2d所示，连续的绝缘膜23从第二接触层18的上表面形成到第一接触层12上，并且绝缘膜24形成在基板11的背面(表面11s2)上。之后，在第一接触层12和第二接触层18上分别形成第一电极21和第二电极22。绝缘膜23和绝缘膜24中的每一个例如通过化学气相沉积(cvd:chemical vapor deposition)方法或原子层沉积(ald：atomic layer deposition)方法来形成。形成的绝缘膜23覆盖第一接触层12的(通过从第二接触层18的上表面的蚀刻而暴露的)整个上表面(表面12s1)。之后，在绝缘膜23上图案化具有预定图案的抗蚀膜(未示出)，并且执行诸如rie的蚀刻以在预定位置处形成开口23h。此后，通过使用例
如使用抗蚀剂图案的剥离方法在第一接触层12和第二接触层18的上表面上分别图案化第一电极21和第二电极22。至此完成了图1中示出的半导体激光器1。
50.(1-3.作用和效果)
51.在根据本实施方式的半导体激光器1中，缓冲层13设置在第一接触层12与半导体堆叠体10之间，缓冲层中的载流子浓度、材料组成和组成比例中的任一个不同于第一接触层12。这形成了具有优异晶体品质的半导体堆叠体10。下面对此进行描述。
52.典型的表面发射激光器设置有接触层，例如，如在上述表面型发光元件中的dbr层的中间。通过设置在该接触层上的电极向发光层(有源层)施加电压。因此通常形成具有高载流子浓度的接触层。如果在dbr层中靠近有源层的位置处形成具有高载流子浓度的接触层，那么该接触层对光的吸收可能增加，并且激光振荡特性可能降低。另一方面，如果为了减少接触层的光吸收而减小接触层膜厚度，则加工过程中的余量可能丧失并且制造产量可能降低。此外，掺杂有高浓度杂质的接触层的结晶能力可能会劣化。因此，可能降低在接触层上生长的装置结构的结晶能力。
53.相比之下，在本实施方式中，在第一接触层12上设置缓冲层13，缓冲层13中的载流子浓度、材料组成和组成比例中的任一个不同于第一接触层12。装置结构(半导体堆叠体10)中包括的第一光反射层14、有源层15和第二光反射层16通过该缓冲层13经历晶体生长。这使得第一接触层12的结晶能力的劣化减轻并且保持形成的半导体堆叠体10的晶体品质。
54.如上所述，在根据本实施方式的半导体激光器1中，缓冲层13设置在第一接触层12与半导体堆叠体10之间，在缓冲层13中，载流子浓度、材料组成和组成比例中的任一个不同于第一接触层12。这使得可以保持形成在第一接触层上方(例如，在缓冲层13上)的半导体堆叠体10的晶体品质。由此，能够提高可靠性。
55.此外，在本实施方式中，缓冲层13设置在第一接触层12与半导体堆叠体10之间。这增加了第一接触层的膜厚度的设计自由度。这使得可以在抑制加工余量减小的同时使第一接触层的光吸收减少。这使得可以在保持产量的同时增加从基板11的背面(表面11s2)发射的激光l的振荡特性。
56.《2.应用实施例》
57.本技术可应用于包括半导体激光器的各种电子设备。例如，本技术可应用于包括在诸如智能电话的便携式电子设备中的光源，以及感测形状、操作等的各种感测装置中的光源等。
58.图3是示出了其中使用包括上述半导体激光器1的照明设备100的测距系统(测距系统200)的示意性配置的框图。测距系统200以tof方法测量距离。测距系统200包括例如照明装置100、光接收单元210、控制单元220和测距单元230。
59.照明装置100包括例如图1中所示的半导体激光器1等作为光源。照明装置100例如与矩形波的发光控制信号clkp同步地产生照明光。另外，发光控制信号clkp不限于矩形波，只要其是周期信号即可。例如，发光控制信号clkp可以是正弦波。
60.光接收单元210接收从照射目标300反射的反射光，并且每当垂直同步信号vsync的时段过去时，检测在该时段内接收的光量。例如，60赫兹(hz)的周期信号被用作垂直同步信号vsync。此外，在光接收单元210中，多个像素电路以二维格子形状布置。光接收单元210向测距单元230提供与这些像素电路接收的光量相对应的图像数据(帧)。应注意，垂直同步
信号vsync的频率不限于60赫兹(hz)，而可以是30赫兹(hz)或120赫兹(hz)。
61.控制单元220控制照明装置100。控制单元220生成发光控制信号clkp，并且向照明装置100和光接收单元210提供发光控制信号clkp。发光控制信号clkp的频率例如是20兆赫(mhz)。应注意，发光控制信号clkp的频率不限于20兆赫(mhz)，而可以是例如5兆赫(mhz)。
62.测距单元230基于图像数据以tof方法测量到照射目标300的距离。该测距单元230针对每个像素电路测量距离并且生成指示每个像素到物体的距离的深度图作为灰度值。该深度图例如用于执行根据距离进行一定程度的模糊处理的图像处理、根据距离确定聚焦透镜的聚焦焦点的自动聚焦(af)处理等。
63.尽管上面已经参考实施方式和应用实施例描述了本技术，但是本技术不限于上述实施方式等。可能进行多种修改。例如，在上述实施方式中描述的半导体激光器1的层配置是示例并且可以进一步包括另一层。此外，各层的材料也是实施例。以上均不是限制性的。
64.应注意的是，在此所描述的效果仅是说明性的而非限制性的。除此之外，可以提供其他效果。
65.应注意，本技术可以配置如下。根据具有以下配置的本技术，在第一接触层与半导体堆叠体之间设置缓冲层，在该缓冲层中，载流子浓度、材料组成和组成比例中的至少任一个不同于第一接触层12。由此，能够形成结晶品质优良的半导体堆叠体。由此，能够提高可靠性。
66.(1)
67.一种发光器件，包括：
68.基板，具有彼此相对的第一表面和第二表面；
69.第一接触层，堆叠在基板的第一表面上；
70.缓冲层，在缓冲层中，载流子浓度、材料组成和组成比例中的至少任意一者不同于第一接触层，缓冲层堆叠在第一接触层上；以及
71.半导体堆叠体，半导体堆叠体堆叠在基板的第一表面上方，第一接触层和缓冲层介于半导体堆叠体与半导体堆叠体之间，半导体堆叠体具有被配置为发射激光的发光区域。
72.(2)
73.根据(1)的发光器件，其中，缓冲层的载流子浓度小于1
×
10
19
cm-3
。
74.(3)
75.根据(1)或(2)的发光器件，其中，第一接触层的载流子浓度为1
×
10
19
cm-3
以上。
76.(4)
77.根据(1)至(3)中任一项的发光器件，其中，缓冲层具有单层结构或堆叠结构，单层结构或堆叠结构包括gaas层、alas层、algaas层、ingaas层、algainas层、gainp层和algainp层中的至少任意一者。
78.(5)
79.根据(1)至(4)中任一项的发光器件，其中，基板包括半绝缘基板，半绝缘基板具有的p型或n型载流子浓度为5
×
10
17
cm-3
以下。
80.(6)
81.根据(1)至(5)中任一项的发光器件，其中，半导体堆叠体具有从基板侧依次堆叠
的第一光反射层、有源层和第二光反射层。
82.(7)
83.根据(6)的发光器件，其中，半导体堆叠体进一步包括位于第一光反射层与有源层之间的限流层，限流层具有电流注入区。
84.(8)
85.根据(6)或(7)的发光器件，其中，第一接触层、缓冲层和第一光反射层均包括p型杂质。
86.(9)
87.根据(6)至(8)中任一项的发光器件，其中，第二接触层进一步堆叠在半导体堆叠体的第二光反射层上。
88.(10)
89.根据(1)至(9)中任一项的发光器件，其中，
90.多个半导体堆叠体被设置在基板的第一表面上；并且
91.第一接触层被形成为多个半导体堆叠体所共用的层。
92.(11)
93.根据(10)的发光器件，进一步包括：
94.第一电极，其设置在半导体堆叠体的与基板相对的表面上，第一电极被配置为用于向发光区域中的半导体堆叠体施加预定电压；以及
95.第二电极，设置在第一接触层上。
96.(12)
97.根据(1)至(11)中任一项的发光器件，其中，激光从基板的第二表面发射。
98.本技术要求于2010年2月7日向日本专利局提交的日本专利申请第2020-019567号的优先权，其全部内容通过引用结合于本技术中。
99.本领域技术人员应理解，根据设计需求和其他因素，可出现各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。