多波长光发射半导体装置制造方法及图纸

本公开涉及多波长光发射半导体装置。公开了多波长光发射半导体装置及其制造方法。半导体装置包括：衬底、衬底上的第一反射器、第一反射器上的光发射层、对应的活动区域上的第二反射器、和对应的活动区域上的孔。光发射层包括活动区域。每个活动区域包括彼此不同的主要发射波长。射波长。射波长。

【技术实现步骤摘要】
多波长光发射半导体装置


[0001]本公开总体涉及半导体装置，并且尤其涉及光发射半导体装置，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

技术介绍

[0002]光发射半导体装置在集成电路、光学计算系统、光学记录和读出系统、电信、三维感测系统以及光检测和测距(LiDAR)系统的光学互连中具有广泛应用。在此类应用中使用的一些光发射半导体装置包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、边缘发射激光器、量子级联激光器和发光二极管。
[0003]VCSEL是一类由p型材料与n型材料之间的PN结形成的半导体激光二极管。PN结形成活动区域。活动区域可以包括多个量子阱。当PN结被电流正向偏置时，以空穴和电子形式的自由载流子被注入到量子阱中。在足够的偏置电流下，注入的少数载流子形成产生光学增益的量子阱中的居量反转，这在谐振腔内用于引起VCSEL中发射激光。

技术实现思路

[0004]本公开提供了具有VCSEL阵列的示例多波长光发射(MWLE)半导体装置以及在同一衬底上制作VCSEL阵列的方法。在一些实施例中，每个VCSEL可以具有彼此不同的主要发射波长。这些MWLE VCSEL阵列可以用于三维感测系统，诸如面部识别系统。
[0005]在一些实施例中，半导体装置包括衬底、衬底上的第一反射器、第一反射器上的光发射层、对应的活动区域上的第二反射器、和对应的活动区域上的孔。光发射层包括活动区域。每个活动区域包括彼此不同的主要发射波长。每个孔被氧化的氧化层围绕。与通过将具有不同的发射波长的不同装置集成而形成的其它MWLE装置相比，在同一光发射层中具有多波长光发射活动区域的半导体装置有利地提供了彼此靠近的多波长光发射。与需要附加过程来对准集成装置的其它MWLE装置相比，半导体装置的优点可以包括降低制造成本并改善多波长光发射区域之间的对准。增强的对准可以改善装置性能。有利地，半导体装置可以用于需要彼此靠近的多波长光发射的应用中，诸如面部识别系统中。
[0006]在一些实施例中，光发射层包括III
‑
V化合物半导体材料，其中III
‑
V化合物半导体材料的V族材料包括在约0％和约5％之间的氮原子浓度。与没有氮原子或氮原子浓度在约5％以上的III
‑
V化合物半导体材料相比，光发射层中的氮原子浓度范围可以有利地允许III
‑
V化合物半导体材料的能量带隙被调节到较小的能量带隙。结果，与没有氮原子或氮原子浓度在约5％以上的光发射层相比，具有较小的能量带隙的III
‑
V化合物半导体材料有利地允许光发射层具有较长的主要发射波长。
[0007]在一些实施例中，光发射层包括III
‑
V化合物半导体材料，其中III
‑
V化合物半导体材料的III族材料包括在约0％和约20％之间的铟原子浓度。光发射层中的铟原子浓度范围可以有利地最小化III
‑
V化合物半导体材料与衬底的材料之间的晶格失配。
[0008]在一些实施例中，光发射层包括基于砷化镓的稀释氮化物半导体材料、基于磷化
铟的稀释氮化物半导体材料或基于磷化镓的稀释氮化物半导体材料。基于砷化镓的稀释氮化物半导体材料包括砷化镓氮化物(GaAsN)、铟镓砷化氮化物(InGaAsN)或铝镓锑化磷化氮化物(AlGaSbPN)。光发射层的基于砷化镓的稀释氮化物半导体材料、基于磷化铟的稀释氮化物半导体材料或基于磷化镓的稀释氮化物半导体材料可以有利地允许在约1100nm到约1700nm范围的广泛发射波长内选择性地调节光发射层的光发射活动区域。
[0009]在一些实施例中，光发射层包括镓铟氮化砷化锑化物(GaInNAsSb)，该镓铟氮化砷化锑化物的氮原子浓度在约0％和约5％之间，铟原子浓度在约0％和约20％之间，并且锑原子浓度在约0％和约6％之间。具有这种氮原子浓度的GaInNAsSb材料可以有利地允许在范围从约1100nm到约1700nm的广泛发射波长内选择性地调节光发射层的光发射活动区域。具有这种铟原子浓度的GaInNAsSb材料可以有利地最小化GaInNAsSb材料与衬底的材料之间的晶格失配。
[0010]在一些实施例中，衬底包括基于砷化镓的材料、基于磷化铟的材料或基于磷化镓的材料。基于砷化镓的材料、基于磷化铟的材料或基于磷化镓的材料可以有利地允许在衬底上生长高质量的外延层，用于形成半导体装置的VCSEL阵列。此外，基于砷化镓的材料、基于磷化铟的材料或基于磷化镓的材料可以有利地最小化与光发射层的材料的晶格失配。
[0011]在一些实施例中，第二反射器中的每个第二反射器包括以交替配置布置的第一和第二半导体层的堆叠，其中第一和第二半导体层包括n型或p型掺杂剂。第一和第二半导体层包括彼此不同的基于III
‑
V化合物半导体的材料。第一和第二半导体层的掺杂的基于III
‑
V化合物半导体的材料可以有利地允许在光发射层的基于砷化镓的稀释氮化物半导体材料、基于磷化铟的稀释氮化物半导体材料或基于磷化镓的稀释氮化物半导体材料上生长具有最小晶格失配的高质量外延层。
[0012]在一些实施例中，第一反射器包括以第一交替配置布置的第一和第二半导体层的堆叠，其中第一和第二半导体层包括n型或p型掺杂剂。第二反射器中的每个第二反射器包括以第二交替配置布置的第三和第四半导体层的堆叠，并且第三和第四半导体层包括n型或p型掺杂剂。第一和第二半导体层的掺杂的基于III
‑
V化合物半导体的材料可以有利地允许在衬底的基于砷化镓的材料、基于磷化铟的材料或基于磷化镓的材料上生长具有最小晶格失配的高质量外延层。此外，第三和第四半导体层的掺杂的基于III
‑
V化合物半导体的材料可以有利地允许在光发射层的基于砷化镓的稀释氮化物半导体材料、基于磷化铟的稀释氮化物半导体材料或基于磷化镓的稀释氮化物半导体材料上生长具有最小晶格失配的高质量外延层。
[0013]在一些实施例中，第二反射器中的每个第二反射器包括电介质层的堆叠，其中电介质层的堆叠包括金属氧化物、金属硫化物、金属卤化物、氮氧化物或其组合。第二反射器的电介质层可以有利地允许用沉积过程代替外延生长过程来形成第二反射器。此外，用电介质层形成第二反射器不需要掺杂过程。结果，可以减少形成第二反射器的复杂性和制造成本。
[0014]在一些实施例中，半导体装置进一步包括在对应的活动区域上的隧道结结构。隧道结结构的使用可以有利地允许用类似导电类型的掺杂剂形成第一和第二反射器。
[0015]在一些实施例中，半导体装置进一步包括在光发射层上或下方的隧道结结构。隧道结结构的使用可以有利地允许用类似导电类型的掺杂剂形成第一和第二反射器。
[0016]在一些实施例中，半导体装置进一步包括在孔上或下方的隧道结结构。隧道结结构的使用可以有利地允许用类似导电类型的掺杂剂形成第一和第二反射器。
[0017]在一些实施例中，每个孔包含III
‑
V化合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体装置(100,200,300,400,500)，包括：衬底(104)；所述衬底(104)上的第一反射器(106)；所述第一反射器(106)上的光发射层(107)，其中，所述光发射层(107)包括活动区域(108A
‑
C)，并且其中每个活动区域(108A
‑
C)包括彼此不同的主要发射波长；对应的活动区域(108A
‑
C)上的第二反射器(114A
‑
C)；和对应的活动区域(108A
‑
C)上的孔(110A
‑
C)。2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述光发射层(107)包含III
‑
V化合物半导体材料，该材料的氮原子浓度在V族材料的约0％和约5％之间。3.根据权利要求1
‑
2中的任一项所述的半导体装置，其中，所述光发射层(107)包含III
‑
V化合物半导体材料，该材料的铟原子浓度在III族材料的约0％和约20％之间。4.根据权利要求1
‑
3中的任一项所述的半导体装置，其中，所述第二反射器(114A
‑
C)中的每个第二反射器包括电介质层的堆叠；以及其中，所述电介质层的堆叠包含金属氧化物、金属硫化物、金属卤化物、氮氧化物或其组合。5.根据权利要求1
‑
4中的任一项所述的半导体装置，其中，每个孔(110A
‑
C)包含III
‑
V化合物半导体材料，该材料的铝原子浓度在III族材料的约80％和约100％之间。6.根据权利要求1
‑
5中的任一项所述的半导体装置，进一步包括在对应的第二反射器(114A
‑
C)上的绝缘结构，其中，所述绝缘结构与对应的孔(110A
‑
C)基本上对准。7.根据权利要求1
‑
6中的任一项所述的半导体装置，进一步包括在对应的第二反射器(114A
‑
C)上的光栅结构(322A
‑
C,422A
‑
C)，其中，所述光栅结构(322A
‑
C,422A
‑
C)具有彼此不同的周期性图案，并且其中所述光栅结构(322A
‑
C,422A
‑
C)包含聚合物材料。8.根据权利要求1
‑
6中的任一项所述的半导体装置，进一步包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：IQE公开有限公司，
类型：发明
国别省市：