半导体发光器件的制作方法技术

提供了一种具有垂直于作用区平面发光的谐振腔结构的半导体发光器件及其制作方法。主体具有上部电极窗和氧化层电流孔。谐振光通过窗口和电流孔发射。为了自对准，利用上部电极通过蚀刻形成柱体，从而窗口的中轴和电流孔的中轴可以自动对准。在蚀刻过程中，柱体中包括的预氧化层侧壁暴露，且通过氧化过程使预氧化层水平氧化到距其侧壁特定距离处。通过氧化过程氧化的预氧化层成为高电阻部分，而在氧化过程中未氧化的预氧化层成为电流和光通过的电流孔。如上所述，由于为了自对准利用电极形成柱体，并且通过氧化暴露的柱体侧壁形成电流孔，则电极窗中轴和电流孔中轴自动对准。由于窗口和电流孔精确对准，垂直腔表面发射激光器的电光特性得以提高。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及有一种用于垂直于作用区域平面发射光的具有谐振腔结构的半导体发光器件及该器件的制作方法，特别是涉及一种上部电极窗中轴和氧化层电流孔中轴自动对准的半导体发光器件及其制作方法，谐振光通过该上部电极窗发射。
技术介绍
半导体发光器件首先是由通用电气(GE)专家于1962年研制成功的，目的是通过在复合半导体内的PN节上加正向电压使电子和空穴复合，从而产生具有相应于由半导体结构而定的频带间隙能量的波长的光。半导体发光器件根据发光过程分为发光二极管和半导体激光器，发光二极管通过自发辐射发射非相干光，半导体激光器通过受激辐射发射相干光。半导体激光器根据反射器的位置分成法布里—珀罗(Farby-Perot)半导体激光器和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其中Farby-Perot半导体激光器的反射器定位在芯片的相对两侧，而在VCSEL的谐振腔结构里反射器水平放置在芯片内。VCSEL在半导体材料层叠放的方向发射近圆的高斯光束，所以其不需要光学系统来校正光束形状。而且，由于VCSEL的尺寸很小，多个激光器就可以一体地做到一个半导体晶片上。所以VCSEL在光学上有广泛的应用领域，如光通信、电子计算机、自动视频装置、激光打印机、激光扫描仪和医疗器械。图1A到1E说明了制造VCSEL传统方法。如图1A所示，下部反射层13、作用层15、预氧化层17和上部反射层19依次叠放在衬底10上。衬底10由例如包含n型杂质的半导体材料构成。下部反射层13掺杂有与衬底10相同类型的杂质并且通过例如在衬底10上叠放20到30层n型砷化镓(GaAs)构成，在每层中镓和砷的比例都不同。上部反射层19由与下部反射层13相同的半导体材料构成但包含与下部反射层所含杂质相反类型的杂质。换句话说，上部反射层19由p型GaAs构成。预氧化层17在蒸汽中经受水平氧化过程。此后，如图1B所示，进行干蚀刻过程以形成间隙21，从而在衬底10上形成多个VCSEL柱I、II和III，光将通过每个VCSEL柱独立辐射。当继间隙21形成后形成氧化气时，预氧化层17从外到内水平地氧化，从而形成一水平氧化的高电阻部分18和没有氧化的电流孔17，如图1C所示。接着如图1D所示，为了防止柱体在衬底10的抛光过程中损坏，间隙21中填满聚酰亚胺23。于是，填满间隙21的聚酰亚胺23被平面化以与周围处于同一水平面。此后，将所得结构翻转并通过抛光过程将衬底10的大部分去掉。接下来，如图1E所示，具有窗口25a的上部电极25在VCSEL柱I、II、III和聚酰亚胺23上面形成，下部电极27则形成于抛光后的衬底10′的底面上，从而完成了VCSEL的制作。具有上述结构的VCSELs可以作为单个芯片阵列结构使用或者也可以将其在每个聚酰亚胺部分切开以单独使用。如图2A所示，根据传统工艺，在柱体形成之后通过水平氧化过程形成的电流孔17和通过光刻工艺形成的上部电极25的窗口25a由于工艺的问题而不精确对准，从而就产生了对准误差，即窗口25a的中轴16和孔17的中轴14彼此偏离。这种对准误差将导致发射光的损失并防碍形成精确的高斯光束，从而降低了VCSEL的电光特性。考虑到加工中产生的对准误差，如图2B所示，可以采用“电极拉伸”的方式设计VCSEL，即将上部电极25形成为超过高电阻部分18之间的电流孔17的区域。然而，在这种情况下，电流通路30加长，从而将增加整个器件的电阻。另一种方法，根据“电极推压”的方式，将上部电极25形成为延伸到高电阻部分18之间的电流孔17之上，如图2C所示，上部电极窗34的尺寸比电流孔32的尺寸小，所以又产生了发射光的损失。所以，精确对准上部电极窗的中轴和电流孔的中轴是必要的。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种通过精确对准上部电极窗中轴和电流孔中轴而改进了电光特性的半导体发光器件及其制作方法。为了达到本专利技术的上述目的，提供一种具有由多层结构构成柱体和柱体之上的电极的半导体发光器件，所述多个层包括至少一层位于衬底上的预氧化层。半导体发光器件通过为了自对准而利用电极进行蚀刻形成柱体以及水平氧化预氧化层到距柱体侧壁特定距离处而制造。本专利技术的特征在于，为了对准相应电极窗中轴和在柱体内形成的电流孔，为了自对准而利用电极采用蚀刻的方法形成柱体。在蚀刻过程中，柱体中包含的预氧化层侧壁暴露出来，且通过氧化过程将预氧化层水平氧化到距其侧壁预定距离处。例如，如果柱体的直径大约为60μm，则约有45-50μm的预氧化层被氧化。通过氧化过程被氧化的预氧化层部分成为高电阻部分，在氧化过程中未被氧化的预氧化层部分成为电流和光通过的电流孔。由于柱体为了自对准而利用电极形成，且电流孔相应于柱体暴露的侧壁形成，则电极窗的中轴和电流孔的中轴自动对准。所以，由于窗口和电流孔之间精确对准，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的电光特性得以提高。在本专利技术中，为了防止电极窗在为了自对准而利用电极进行蚀刻的过程中遭到损坏而将其通过光阻材料钝化。与此同时电极的表面也被光阻材料部分或全部地钝化了。当电极的表面被部分地钝化时，即使暴露的电极部分在蚀刻过程中损坏，由光阻材料保护的电极的剩余部分也足以提供作为电极的电导率。附图说明本专利技术的上述目的及优点通过参照附图对其优选实施例的详细描述而更加清晰图1A到1E为根据传统技术制作垂直腔表面发射激光器(VCSEL)过程中各阶段的截面图；图2A为通过图1A到1E所示方法制作的未对准的VCSEL截面图；图2B为具有电极拉伸结构的VCSEL截面图；图2C为具有电极推压结构的VCSEL截面图；以及图3A到3G为根据本专利技术实施例的VCSEL制作过程中各阶段的截面图；具体实施方式下文将参照附图详细描述本专利技术的一个实施例。本专利技术的技术特征通过下面的描述将更容易理解。在附图中，相同的标号表示相同部件。图3A显示了一种用来制作根据本专利技术的半导体发光器件(下文称作垂直腔表面发射激光器(VCSEL))的叠放的半导体结构。本专利技术的VCSEL具有叠放半导体结构，其中光沿着垂直于各层平面的方向发射。这种叠放的半导体结构通过外延沉积例如金属-有机物化学蒸汽沉积(MOCVD)，液相取向附生(LPE)，分子束取向附生(MBE)或其它熟知的晶体生长方法而形成。如图3A所示，叠放半导体结构从底部到顶部包括一衬底10，一下部反射层13，一作用层15，一预氧化层17和一上部反射层19。根据本专利技术，在VCSEL的制作过程中首先准备好的衬底10是例如具有高杂质浓度的n型GaAs衬底。例如杂质浓度为5×1018cm-3。GaAs衬底促进AlGaAs或AlAs的外延沉积，这些下面将要讲到。下部反射层13形成于衬底10上。遇必要时，可以在衬底10上外延沉积的半导体缓冲层例如大约0.5um的GaAs薄膜可以在下部反射层13形成之前而形成。下部反射层13由具有与衬底10相同电导率的分布式布拉格反射器(DBR)形成，即一n型超点阵结构。下部反射层13通过外延沉积如MOCVD和/或MBE在衬底10上形成。下部反射层13在VCSEL结构内实现内部反射。在下部反射层13内，多个ALxGa1-xAs层和多个ALyGa1-yAs层交替叠放。每一ALyGa1-yAs层大约有10％的低含量的铝，从而其通常具有一预定的折本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有由多个层构成的柱体和柱体上的电极的半导体发光器件，所述多个层包括至少一个位于衬底上的预氧化层，其特征在于，半导体发光器件通过为了自对准而利用电极进行蚀刻形成柱体以及水平氧化预氧化层到距柱体侧壁特定距离处而制造。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：张东勋，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]