СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА С ГЕТТЕРНЫМ СЛОЕМ Российский патент 2018 года по МПК H01S5/183 H01S5/323 H01L33/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к светоизлучающим полупроводниковым устройствам, таким как светоизлучающие диоды (СИД) или лазерные диоды, такие как, например, лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSEL) или светоизлучающие диоды с торцевым излучением. Изобретение дополнительно относится к соответствующему способу изготовления таких светоизлучающих полупроводниковых устройств.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В Патенте США 6,447,604 B1 описана структура гомоэпитаксиального микроэлектронного устройства на основе нитрида III-V, которая может быть использована в УФ-СИД. Тонкий оксидный слой выращивают на подложке (Al,In,Ga)N, а впоследствии отдирают его с помощью щелочного раствора или стравливают другим подходящим способом вплоть до состояния перед выращиванием. Цель этого тонкого оксидного слоя состоит в геттерировании или в удалении потенциальных примесей из подложки, и в том, чтобы обеспечить освобождение первых нескольких монослоев поверхности подложки от примесей, препятствующих росту гомоэпитаксиального слоя (таких как C, Si, S или O) и/или других примесей.

Существует дополнительная необходимость в снижении содержания примесей в ходе процессов роста в светоизлучающих полупроводниковых устройствах, для повышения срока службы и рабочих характеристик устройства.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованных светоизлучающих полупроводниковых устройств и соответствующего способа изготовления таких светоизлучающих полупроводниковых устройств.

Согласно первому аспекту предложено светоизлучающее полупроводниковое устройство, содержащее подложку, светоизлучающую слоистую структуру и геттерный слой AlGaAs для снижения содержания примесей в светоизлучающей слоистой структуре. Светоизлучающая слоистая структура содержит активный слой и слои с различным содержанием алюминия, причем условия роста слоев светоизлучающей слоистой структуры, содержащей алюминий, отличаются, по сравнению с условиями роста геттерного слоя AlGaAs, вследствие чего первая концентрация примеси в геттерном слое AlGaAs, по меньшей мере, на 50% выше, по сравнению со второй концентрацией примеси в слоях светоизлучающей слоистой структурой, содержащей алюминий. Условия роста выбирают из группы, состоящей из парциального давления мышьяка, парциального давления кислорода, температуры десорбции, давления общего осаждения и скорости осаждения алюминия. Скорость осаждения алюминия в геттерном слое AlGaAs выбирают таким образом, чтобы геттерный слой AlGaAs содержал подслой, в котором содержание алюминия различается менее чем на 0,5%/нм между первым содержанием алюминия и вторым содержанием алюминия, отличным от первого содержания алюминия.

Светоизлучающие полупроводниковые устройства содержат Светоизлучающие диоды (СИД) или лазерные диоды, такие как, например, лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSEL) или светоизлучающие диоды с торцевым излучением. Геттерный слой AlGaAs может быть описан структурной формулой Al_xGa_1-xAs, в которой x описывает содержание алюминия в геттерном слое AlGaAs, которое может изменяться в геттерном слое AlGaAs. AlGaAs может содержать дополнительные элементы в небольших количествах, без ущерба для действенности геттерного слоя. Содержание алюминия может изменяться от x1=0 до x2=1, причем обычные значения находятся между x1=0,05 и x2=0,9. Полный диапазон от x1=0 до x2=1 может быть использован, если геттерный слой AlGaAs осаждается между подложкой и светоизлучающей слоистой структурой так, что поглощение фотонов и окисление, например, AlAs не будут играть роли. Примеси заключены в геттерном слое AlGaAs, вследствие чего концентрация примесей в газовой фазе в оборудование для осаждения снижается. Лишь одно из условий роста может быть отличным или представлять собой сочетание из двух или более из условий роста из группы, состоящей из парциального давления мышьяка, парциального давления кислорода, температуры осаждения, общего давления осаждения и скорости осаждения алюминия, которые могут быть различными в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs. Может так случиться, например, что парциальное давление мышьяка или отношение парциального давления мышьяка к парциальному давлению галлия в газовой фазе может быть идентичным парциальному давлению мышьяка слоя светоизлучающей слоистой структуры, тогда как содержание алюминия в геттерном слое AlGaAs, определенное по скорости осаждения Al в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs, будет изменяться в геттерном слое AlGaAs иначе, по сравнению со слоями светоизлучающей слоистой структуры.

В качестве альтернативы, допускается, чтобы парциальное давление мышьяка можно было контролировать в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs по-другому, по сравнению с осаждением слоев светоизлучающей слоистой структуры, содержащей алюминий. Она может иметь другое отношение парциального давления мышьяка к парциальному давлению галлия или динамическое изменение упомянутого отношения в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs.

Динамическое варьирование или изменение различных условий роста в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs может иметь преимущество, состоящее в том, что необходимо точно согласовать определенные условия, для снижения концентрации примеси. Это может быт достаточно для изменения условий роста в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs настолько медленно, чтобы концентрация в газовой фазе оборудования для осаждения была значительно снижена, когда условия осаждения соответствуют условиям для внедрения примеси или примесей в геттерный слой AlGaAs. Значительно в том отношении означает снижение, по меньшей мере, на 20%, предпочтительно, на 50%, более предпочтительно, на 90% соответствующе примеси в газовой фазе. Также допускается, чтобы существоали два или более геттерных слоев AlGaAs, причем в первом слое изменяется скорость осаждения Al, во втором слое - парциальное давление As, в третьем слое – температура, и т.д. Изменения условий роста в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs также могут содержать колебания условий роста. Al-содержание в геттерном слое AlGaAs может повышаться, например, от первого Al-содержания x1 до второго Al-содержания x2, а затем понижаться до третьего Al-содержания x3.

В газовой фазе имеет место множество примесей, таких как S, P, O, Zn, Si, B, N, In, и т.д., которые могут неблагоприятно влиять на срок службы светоизлучающих полупроводниковых устройств. Примесь в этом отношении означает, что соответствующий элемент представляет собой нежелательную добавку к газовой фазе оборудования для осаждения или прибора на одном специальном этапе осаждения. Желательная лигатура на одном этапе осаждения может представлять собой примесь на другом этапе осаждения.

Эксперименты показали, что в частности сера может резко снижают срок службы светоизлучающего полупроводникового устройства. Геттерный слой AlGaAs, таким образом, может быть адаптирован для внедрения серы, для снижения концентрации серы в газовой фазе оборудования для осаждения.

Активный слой, который содержит светоизлучающие слои, подобные квантовой яме, является наиболее чувствительной по отношению к внедрению примесей, воздействующих на срок службы светоизлучающего полупроводникового устройства. Таким образом, является предпочтительным, чтобы геттерный слой AlGaAs был установлен между подложкой и активным слоем. Один или более геттерных слоев AlGaAs могут быть осаждены непосредственно на подложку или, например, могу быть внедрены в случае VCSEL в нижний диэлектрический брэгговский отражатель (ДБО), осажденный перед осаждением активного слоя.

Эксперименты показали, что на скорость осаждения алюминия сильно влияет внедрение примесей. Скорость осаждения алюминия геттерного слоя AlGaAs выбирают таким образом, чтобы содержание алюминия в геттерном слое AlGaAs изменялось менее чем со скоростью 0,5%/нм. Эксперименты дополнительно показали, что медленное изменение содержания Al в геттерном слое AlGaAs может способствовать усиленному снижению примесей в газовой фазе оборудования для осаждения. Содержание алюминия может быть повышено с постоянной скоростью 0,4%/нм или предпочтительно даже 0,3%/нм от первого содержания алюминия x1 в начале геттерного слоя AlGaAs до второго содержания алюминия x2 в конце геттерного слоя AlGaAs. В качестве альтернативы, содержание алюминия может быть понижено. Нижнее содержание алюминия x1 может составлять 0,1 или 0,2, а верхнее второе содержание алюминия x2 может составлять 0,9. Второе содержание алюминия x2 может составлять предпочтительно 0,6, 0,5 или 0,4. Может быть выгодным, чтобы геттерный слой AlGaAs содержал один или более подслоев с повышающимся и понижающимся содержанием алюминия. Повышающееся и понижающееся относится к стороне геттерного слоя AlGaAs, которая находится рядом с подложкой. Последнее может быть выгодным, если, например, в зависимости от других условий роста примесь может быть предпочтительно внедрена при содержании Al от x1=0,2 до x2=0,4. Можно внедрить большую часть примеси или примесей в относительно тонкий геттерный слой AlGaAs, с последующим изменением содержания Al от x1 до x2 при скорости 0,3%/нм. Как бы то ни было, также представляется возможным, чтобы геттерный слой AlGaAs содержал область с постоянным содержанием Al.

В дополнение, скорость осаждения алюминия слоев светоизлучающей слоистой структуры, содержащей алюминий, может быть выбрана таким образом, чтобы содержание алюминия слоев светоизлучающей слоистой структуры, содержащей алюминий, изменялось, по меньшей мере, со скоросью 0,5%/нм. Эксперименты показали, что быстрое изменение содержания алюминия снижает, - в отличие от медленного изменения, вероятность внедрения примесей в слои светоизлучающей слоистой структуры. Последнее способствует предотвращению внедрения примесей в чувствительную область в ней и рядом с активным слоем, если концентрация примеси находится ниже порогового значения. Быстрое изменение концентрации Al в области внутри и рядом с активным слоем, таким образом, поддерживает эффект геттерного слоя AlGaAs, который снижает концентрацию одной или более примесей в газовой фазе оборудования для осаждения.

В качестве альтернативы или в дополнение к мерам, описанным выше, может быть выгодным, чтобы парциальное давление мышьяка в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs можно было регулировать, по меньшей мере, частично, в диапазоне от 2-кратного до 200-кратного парциального давления галлия. Является предпочтительным, чтобы парциальное давление мышьяка можно было изменять в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs, по меньшей мере, частично в диапазоне от 5-кратного до 80-кратного парциального давления галлия. Изменение можно осуществлять непрерывно путем линейного изменения парциального давления мышьяка, например, от 10-кратного до 30-кратного парциального давления галлия или от 60-кратного до 20-кратного парциального давления галлия. В качестве альтернативы или в дополнение, соотношение между парциальным давлением мышьяка и парциальным давлением галлия можно изменять ступенчато. Кроме того, можно обеспечить колеблющееся соотношение между парциальным давлением мышьяка и галлия (аналогично тому, как описано выше относительно содержания Al). Колебание соотношения между парциальным давлением мышьяка и галлия может обеспечить относительно тонкие геттерные слои AlGaAs, который адаптированы для снижения концентрации примесей в газовой фазе оборудования для осаждения. Изменение соотношения между парциальным давлением мышьяка и галлия не обязательно изменяет общую кристаллическую структуру геттерного слоя AlGaAs, но количество дефектов решетки можно изменить таким образом, чтобы можно было изменить вероятность попадания примесей в геттерный слой AlGaAs.

В качестве альтернативы или в дополнение к мерам, описанным выше, парциальное давление кислорода в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs может быть повышено таким образом, чтобы первая концентрация кислорода в геттерном слое AlGaAs была, по меньшей мере, на 50% выше, по сравнению со второй концентрацией кислорода в слоях светоизлучающей слоистой структуры, содержащей алюминий. Повышение парциального давления кислорода в оборудовании для осаждения в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs может усилить внедрение примесей в геттерный слой AlGaAs. Повышенное парциальное давление кислорода также повышает содержание кислорода в геттерном слое AlGaAs. Таким образом, следует позаботиться о том, чтобы дополнительный кислород не вызвал повреждения в слоях светоизлучающей слоистой структуры. Поэтому, парциальное давление кислорода выбирают таким образом, чтобы концентрация кислорода в геттерном слое AlGaAs была ниже 10¹⁸ см^-3 более предпочтительно ниже 2*10¹⁷ см^-3. Парциальное давление кислорода можно изменять непрерывно или ступенчато от первого до второго, третьего, и т.д. парциального давления, или даже колебательным образом, как было описано применительно к парциальному давлению As или к скорости осаждения Al, приведенным выше.

В качестве альтернативы или в дополнение к мерам, описанным выше, температуру осаждения в ходе осаждения геттерного слоя (190) AlGaAs можно изменять, по меньшей мере, частично в диапазоне 500-750°C. Температуру можно изменять непрерывно или ступенчато от первой до второй, третьей, и т.д. температуры, или даже колебательным образом, как было описано применительно к парциальному давлению As, к скорости осаждения Al или к парциальному давлению кислорода, приведенным выше. Температуру можно изменять, например, очень быстро путем нагрева полупроводниковой пластины со слоистой структурой светоизлучающего полупроводникового устройства, и особенно, поверхности, на которую материал осаждают посредством электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение может быть обеспечено за счет полупроводниковых источников света, допускающих быстрое изменение температуры. Быстрое изменение температуры может способствовать осаждению AlGaAs при неравновесных условиях, которые можно использовать для дополнительного повышения абсорбционной способности геттерного слоя AlGaAs и вероятности внедрения примесей в геттерный слой AlGaAs.

В качестве альтернативы или в дополнение к мерам, описанным выше, общее давление в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs можно изменять, по меньшей мере, частично в диапазоне 50-150 мбар. Общее давление можно изменять непрерывно или ступенчато от первого до второго, третьего, и т.д. давления, или даже колебательным образом, как было описано применительно к парциальному давлению As, к скорости осаждения Al, к парциальному давлению кислорода или к температуре, приведенным выше.

Время, необходимое для осаждения геттерного слоя AlGaAs, повышает общее время обработки, но для эффективного снижения концентрации примесей в газовой фазе оборудования для осаждения требуется минимальная толщина. Поэтому, толщина геттерного слоя AlGaAs может составлять, по меньшей мере, 50 нм. В зависимости от оборудования для осаждения, может быть выгодным обеспечить геттерный слой AlGaAs с толщиной 100 нм, 200 нм, 300 нм или даже до 500 нм.

Светоизлучающее полупроводниковое устройство может содержать первый, второй, третий или даже более геттерных слоев AlGaAs, которые могут быть осаждены за счет различных условий роста, так что в различные геттерные слои AlGaAs предпочтительно внедряют различные примеси. В каждый геттерный слой AlGaAs можно внедрять все примеси, но в преобладающем количестве можно внедрять только одну примесь. Геттерные слои могут быть уложены друг на друга. В качестве альтернативы или в дополнение, может быть выгодным добавлять геттерный слой AlGaAs к светоизлучающему полупроводниковому устройству после добавления, например, лигатуры к ранее осажденному слою. Геттерный слой AlGaAs может быть адаптирован для снижения концентрации лигатуры (например, Si) в газовой фазе, поскольку лигатура может представлять собой примесь для последующих осажденных слоев.

Светоизлучающее полупроводниковое устройство может представлять собой лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL), содержащий первый электрод и второй электрод, в котором светоизлучающая структура содержит нижний ДБО, активный слой и верхний ДБО, причем содержание алюминия в геттерном слое AlGaAs изменяется, по меньшей мере, в пять раз медленнее в геттерном слое AlGaAs, по сравнению с изменением содержания алюминия в слое нижнего ДБО или верхнего ДБО. Относительно медленное изменение содержания алюминия в ходе осаждения геттерного слоя AlGaAs может повысить вероятность снижения концентрации одной или более примеси в газовой фазе. Изменение скорости осаждения может составлять 0,5%/нм, 0,4%/нм, 0,3%/нм или ниже. Следует позаботиться о слое с градиентным показателем преломления (graded (refractive) index layer (GRIN)), который может быть осажден рядом с активным слоем VCSEL. Содержание Al в GRIN изменяется намного медленнее, чем содержание Al в слое одного ДБО. Изменение скорости осаждения Al в GRIN может составлять более 0,5%/нм, 0,6%/нм, предпочтительно, более 0,7%/нм, во избежание того, что GRIN будет действовать как геттерный слой AlGaAs рядом с активным слоем VCSEL, покуда концентрация примеси или примеси в газовой фазе превышает пороговое значение.

Согласно дополнительному аспекту обеспечен способ изготовления светоизлучающего полупроводникового устройства. Способ содержит этапы:

- обеспечения подложки;

- обеспечения светоизлучающей слоистой структуры при первых условиях роста; и

- обеспечения геттерного слоя AlGaAs для снижения содержания примесей в слоистой структуре светоизлучающего полупроводникового устройства при вторых условиях роста, отличных от первых условий роста, причем вторые условия роста выбирают таким образом, чтобы первая концентрация примеси в геттерном слое AlGaAs была, по меньшей мере, на 50% выше, по сравнению со второй концентрацией примеси в слоях светоизлучающей слоистой структуры, содержащей алюминий, а первый и вторые условия роста выбирают из группы, состоящей из парциального давления мышьяка, парциального давления кислорода, температуры осаждения, общего давления осаждения и скорости осаждения алюминия, причем скорость осаждения алюминия геттерного слоя (190) AlGaAs выбирают таким образом, чтобы геттерный слой (190) AlGaAs содержал подслой, в котором содержание алюминия изменяется менее чем на 0,5%/нм между первым содержанием алюминия и вторым содержанием алюминия, отличным от первого содержания алюминия.

Этап обеспечения геттерного слоя AlGaAs может быть проведен перед осаждением светоизлучающей слоистой структуры. В качестве альтернативы или в дополнение, геттерный слой AlGaAs может быть обеспечен или осажден после обеспечения части светоизлучающей слоистой структуры.

Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления изобретения также может представлять собой любое сочетание зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом. Кроме того, способ изготовления может содержать варианты осуществления, соответствующие варианту осуществления светоизлучающего полупроводникового устройства, как было описано в зависимых пунктах формулы изобретения и в описании соответствующих вариантов осуществления.

Дополнительные выгодные варианты осуществления заданы ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения станут ясными и будут освещены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже.

Изобретение теперь будет описано в виде примера, основанного на вариантах осуществления, со ссылкой на прилагаемые чертежи.

НА ЧЕРТЕЖАХ:

Фиг. 1 показывает светоизлучающее полупроводниковое устройство согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 2 показывает светоизлучающее полупроводниковое устройство согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 3 показывает профиль распределения Al в VCSEL-структуре согласно уровню техники.

Фиг. 4 показывает профиль распределения алюминия и серы в VCSEL-структуре согласно уровню техники.

Фиг. 5 показывает увеличенное изображение профиля распределения, показанного на Фиг. 4.

Фиг. 6 показывает профиль распределения алюминия и серы в VCSEL-структуре с измененными условиями роста, по сравнению с профилем распределения, показанным на Фиг. 4.

Фиг. 7 показывает профиль распределения алюминия для первого светоизлучающего полупроводникового устройства, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 8 показывает профиль распределения алюминия для второго светоизлучающего полупроводникового устройства, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 9 показывает профиль распределения Al, S и O для светоизлучающего полупроводникового устройства, с переменным парциальным давлением кислорода в ходе осаждения слоев светоизлучающего полупроводникового устройства.

Фиг. 10 показывает принципиальную схему способа согласно настоящему изобретению.

Фиг. 11 показывает эффект снижения концентрации S в светоизлучающей слоистой структуре светоизлучающего полупроводникового устройства.

На Фигуры одинаковые номера относятся к одинаковым объектам, для всех Фигур. Объекты на Фигурах не обязательно приведены в масштабе.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Различные варианты осуществления изобретения будут описаны с использованием Фигур.

Фиг. 1 показывает светоизлучающее полупроводниковое устройство 100 согласно первому варианту осуществления. Светоизлучающее полупроводниковое устройство 100 представляет собой VCSEL и содержит первый электрод 110, обеспеченный на первой стороне подложки GaAs 120, геттерный слой AlGaAs 190, обеспеченный на второй стороне подложки GaAs 120, светоизлучающую слоистую структуру 155 и второй электрод 170. Светоизлучающая слоистая структура содержит нижний ДБО 130 с коэффициентом отражения поверхности предпочтительно более 99%, обеспеченный поверх геттерного слоя AlGaAs 190, активный слой 140, локализующий слой 150 и верхний ДБО 160, обеспеченный под вторым электродом 170. Верхний ДБО обладает коэффициентом отражения поверхности предпочтительно более 95%, допуская испускание лазера через верхний ДБО 160. Активный слой 140 содержит квантовую яму, которая испускает лазерное излучение, если электроэнергия подается через первый электрод 110 и второй электрод 170. Лазерное излучение испускается через верхний ДБО 160, проходящий через кольцеобразный второй электрод 170.

Геттерный слой AlGaAs 190 также может быть установлен в нижнем ДБО 130, как показано во втором варианте осуществления светоизлучающего полупроводникового устройства 100 согласно настоящему изобретению, изображенном на Фиг. 2. Также можно обеспечить несколько геттерных слоев AlGaAs 190. Один или более геттерных слоев AlGaAs 190 могут быть обеспечены на подложке, а один или более других геттерных слоев AlGaAs 190 могут быть обеспечены между первым слоем нижнего ДБО 130 и последним слоем верхнего ДБО 160.

Фиг. 3 показывает профиль распределения алюминия 380 VCSEL-структуры согласно уровню техники. Эпитаксиальный рост начинается на подложке 120, которая находится на позиции примерно 8000 нм на Фиг. 3. Первая деталь VCSEL представляет собой нижний ДБО 130, который простирается примерно до позиции 3000 нм, а за ним следует активный слой 140, который образован из слоя с градиентным показателем преломления (graded index слой, GRIN), разделитель резонатора, квантовые ямы и барьеры, расположенные между ними. На позиции, расположенной чуть выше 2500 нм, максимальный уровень содержания Al в структуре указывает на позицию отверстия для кислорода, сформированную в локализующем слое 150, за которым следует верхний ДБО 160, который имеет меньше пар зеркал, чем нижний ДБО 130, поскольку он передает часть излучения в виде лазерного излучения. Последние две детали VCSEL на позициях близко к 0 нм на Фиг. 3 представляют собой субгерметизирующие и герметизирующие слои, которые необходимы для образования электрического контакта и для подбора коэффициента отражения поверхности, с учетом скачка показателя преломления между полупроводниковым материалом и воздухом. Для повышения электропроводности материала приходится использовать лигатуры. Обычно, в качестве p-лигатуры используют углерод, а в качестве n-лигатуры - Si, однако существуют различные другие элементы, известные в литературе, которые были успешно использованы в качестве лигатур: Sn, S, Se, Te, Zn, Be, Mg. Помимо этих материалов, в реакторе обычно также присутствуют кислород и водород, и их внедряют в эпитаксиальную структуру. Существуют дополнительные вещества, которые используют, например, для очистки подложек или деталей оборудования для осаждения или реактора, или они присутствуют в газах. Все эти вещества могут быть полезными на одном технологическом этапе, но могут представлять собой примеси, неблагоприятно воздействующие на рабочие характеристики светоизлучающего полупроводника на последующем технологическом этапе. В зависимости от механизма, электропроводность может возрасти, электрооптический выход может ослабнуть, или срок службы устройств может сократиться. Поэтому, является очень желательным сокращение количество примесей в эпитаксиальной структуре.

Фиг. 4 показывает SIMS-спкектры (secondary-ion mass spectroscopy, вторичной ионной масс-спектроскопии) содержания алюминия в структуре и концентрацию примеси, которая в данном случае представляет собой серу (S). Примесь в основном внедряется в позицию в GRIN профиля 450 распределения, находящуюся в пределах от 2800 до 2600 нм, как показано по максимуму на профиль 430 распределения серы. Узкий диапазон этих спектров показан на Фигуре 5. Очевидно, примесь внедряется в область медленного изменения содержания Al. Скорость осаждения Al была отрегулирована в ходе осаждения GRIN таким образом, чтобы содержание Al изменялось со скоростью 0,31%/нм. Сера внедряется в GRIN с повышением содержания Al от 2800 до 2600 нм. Соотношение между парциальным давлением As и парциальным давлением Ga от 2800 до 2600 нм в активном слое было снижено, для облегчения p-легирования GRIN посредством углерода (C), причем в диапазоне от 2800 нм до 3400 нм соотношение между парциальным давлением As и парциальным давлением Ga было выбрано таким образом, чтобы можно было избежать внедрения углерода. Концентрация S имеет четкий максимум, начиная от содержания Al примерно x1=0,25 и заканчивая содержанием Al примерно x2=0,4. Внедрение серы может быть поддержано за счет более низкого парциального давления As относительно парциального давления Ga, что может повысить количество дефектов решетки в GRIN, в который может захватываться сера. Фиг. 11 показывает ускоренные эксперименты по сроку службы эксперименты, проведенные при 170°C и токе в цепи привода 6 мА, выполненные с помощью такого стандартного VCSEL. VCSEL с таким высоким содержанием серы обладают низким сроком службы менее 400 часов.

Фиг. 6 показывает профиль 450 распределения алюминия и профиль 430 распределения серы модифицированной VCSEL-структуры, по сравнению с профилем распределения, показанным на Фиг. 4. Напротив, Фиг. 4 и 5 показывают SIMS-спектры с более низким содержанием S и с другой структуры. Это может быть вызвано тем, что концентрация серы намного ниже, чем концентрация серы в структуре, показанной на Фиг. 4 и 5. В дополнение, можно избежать того, чтобы слой GRIN действовал как геттерный слой AlGaAs, который предпочтительно поглощает серу, за счет намного более быстрого изменения содержания Al в GRIN-области. В частности, в этой области не обнаружено никакой серы. Эксперименты показали, что это является основным для снижения концентрации в данном случае серы ниже заданного порогового значения, которое может находиться в пределах 1*10¹⁵ см³, для предотвращения быстрого разрушения светоизлучающего полупроводникового устройства. Геттерный слой AlGaAs 190, таким образом, может быть использован для внедрения возможных примесей, которые присутствуют в реакторе, для снижения концентрации примеси в газовой фазе ниже порогового значения, для обеспечения низких концентраций серы в светоизлучающей слоистой структуре, и особенно в активном слое и вблизи него. В дополнение, рядом с чувствительным активным слоем 140 необходимо исключить присутствие какого-либо геттерного слоя AlGaAs 190. Таким образом, является предпочтительным, чтобы геттерный слой AlGaAs 190 был осажден между подложкой 120 и светоизлучающей слоистой структурой или в нижней половине нижнего ДБО 130, рядом с подложкой 120.

Один пример такой структуры с геттерным слоем AlGaAs 190 показан на Фиг. 7, где показан профиль 780 распределения алюминия VCSEL-структуры согласно первому варианту осуществления. В структуре наблюдается медленное повышение и понижение содержания Al между нижним и верхним уровнем Al, - более 200 нм, примерно при 8000 нм. Повышение происходит намного медленнее, чем в ДБО-пакетах.

На Фиг. 8 показан другой пример, показывающий профиль 880 распределения алюминия VCSEL-структуры согласно второму варианту осуществления. В этом случае, структура с медленным изменением содержания Al растет примерно при 8000 нм. В примерах по Фиг. 7 и 8 такой геттерный слой AlGaAs 190 повторяется лишь однажды. Конечно, можно вырастить два или более из этих геттерных слоев AlGaAs 190 таким образом, чтобы они возможно прилегали друг к другу, для усиления внедрения примесей, таких как S или другие примеси, за счет изменения условий роста, по сравнению с условиями роста слоев светоизлучающей слоистой структуры 155, содержащей алюминий. Условия роста выбирают из группы, состоящей из парциального давления мышьяка, парциального давления кислорода, температуры осаждения, общего давления осаждения и скорости осаждения алюминия.

Фиг. 9 показывает концентрацию 910 алюминия, концентрацию 930 серы и концентрацию 920 кислорода светоизлучающего полупроводникового устройства 100, с переменным парциальным давлением кислорода в ходе осаждения слоев светоизлучающего полупроводникового устройства 100. Сера преимущественно внедряется при повышенном парциальном давлении кислорода, которое обозначено максимумами в концентрации кислорода примерно при 8000 нм и 4500 нм. Повышенное парциальное давление кислорода, таким образом, можно использовать для захвата примесей в один или более геттерных слоев AlGaAs 190. Эта дополнительный мера поддерживает в данном случае геттерный слой AlGaAs 190, который показан на правой стороне Фиг. 9.

Фиг. 10 показывает принципиальную схему способа изготовления светоизлучающего полупроводника согласно настоящему изобретению. На этапе 1010 обеспечивают подложку 120. На этапе 1020 обеспечивают светоизлучающую слоистую структуру 155 при первых условиях роста. На этапе 1030 геттерный слой AlGaAs 190 обеспечивают между подложкой 120 и светоизлучающей слоистой структурой 155, для снижения содержания примесей в слоистой структуре светоизлучающего полупроводникового устройства 155 при вторых условиях роста, отличных от первых условий роста. Вторые условия роста выбирают таким образом, чтобы первая концентрация примеси в геттерном слое AlGaAs 190 была, по меньшей мере, на 50% выше, по сравнению со второй концентрацией примеси в слоях светоизлучающей слоистой структуры 155, содержащей алюминий. Первые и вторые условия роста выбирают из группы, состоящей из парциального давления мышьяка, парциального давления кислорода, температуры осаждения, общего давления осаждения и скорости осаждения алюминия.

Фиг. 11 показывает эффект снижения концентрации S в светоизлучающей слоистой структуре 155 светоизлучающего полупроводникового устройства 100. Срок службы светоизлучающих полупроводниковых устройств 100 был измерен посредством ускоренных испытаний на срок службы при 170°C и токе в цепи привода 6 мА. Испытания на срок службы показывают, что срок службы светоизлучающих полупроводниковых устройств 100, в котором максимальная концентрация серы в светоизлучающей слоистой структуре 155 была снижена посредством геттерного слоя AlGaAs 190, повышается до более 1000 часов или даже 1500 часов, по сравнению со светоизлучающим полупроводниковым устройством 100 со сроком службы примерно 400 часов, без геттерного слоя AlGaAs 190.

Тогда как изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в последующем описании, такую иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративное или примерное, а не ограничивающее.

Из прочтения настоящего раскрытия, специалистам в данной области техники должны быть ясны и другие модификации. Такие модификации могут влечь за собой другие признаки, которые уже известны из уровня техники, и которые могут быть использованы вместо или в дополнение к признакам, уже раскрытым в настоящей работе.

Разновидности раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники, исходя из исследования чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащее» не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественности элементов или этапов. Сам факт, что определенные меры перечислены в отличных друг от друга зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что нельзя успешно использовать сочетание этих мер.

Никакие ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие его объем.

ПЕРЕВОД НАДПИСЕЙ НА ЧЕРТЕЖАХ

100 - светоизлучающее полупроводниковое устройство;

110 - первый электрод;

120 – подложка;

130 - нижний ДБО;

140 - активный слой;

150 - локализующий слой;

155 - светоизлучающая слоистая структура;

160 - верхний ДБО;

170 - второй электрод;

190 - геттерный слой AlGaAs;

380 - профиль распределения алюминия VCSEL-структуры согласно уровню техники;

430 - профиль распределения серы;

450 - профиль распределения алюминия;

780 - профиль распределения алюминия VCSEL-структуры согласно первому варианту осуществления;

880 - профиль распределения алюминия VCSEL-структуры согласно второму варианту осуществления;

910 - концентрация Al;

920 - концентрация O;

930 – концентрация S;

1010 - этап обеспечения подложки;

1020 - этап обеспечения светоизлучающей слоистой структуры;

1030 - этап обеспечения геттерного слоя AlGaAs.

Изобретение относится к светоизлучающему полупроводниковому устройству (100), содержащему подложку (120), светоизлучающую слоистую структуру (155) и геттерный слой (190) из AlGaAs для снижения содержания примесей в светоизлучающей слоистой структуре (155), причем светоизлучающая слоистая структура (155) содержит активный слой (140) и слои с различным содержанием алюминия, причем условия роста слоев светоизлучающей слоистой структуры (155), содержащей алюминий, различаются по сравнению с условиями роста геттерного слоя (190) AlGaAs. Геттерный слой (190) из AlGaAs содержит подслой, в котором содержание алюминия изменяется менее чем со скоростью 0,5 %/нм между первым содержанием алюминия и вторым содержанием алюминия, отличным от первого содержания алюминия. Геттерный слой (190) способствует снижению концентрации примесей, таких как сера и т.д., в газовой фазе осаждаемого оборудования или ростового реактора. Снижение содержания таких примесей снижает вероятность внедрения примесей в светоизлучающую слоистую структуру (155), что может неблагоприятно повлиять на срок службы светоизлучающего полупроводникового устройства (100). 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Светоизлучающее полупроводниковое устройство (100), содержащее подложку (120), светоизлучающую слоистую структуру (155) и геттерный слой (190) AlGaAs для снижения содержания примесей в светоизлучающей слоистой структуре (155), причем светоизлучающая слоистая структура (155) содержит активный слой (140) и слои с различным содержанием алюминия, причем первая концентрация примеси в геттерном слое (190) AlGaAs по меньшей мере на 50% выше по сравнению со второй концентрацией примеси в слоях светоизлучающей слоистой структуры (155), содержащей алюминий, отличающееся тем, что геттерный слой (190) AlGaAs содержит подслой, в котором содержание алюминия изменяется менее чем со скоростью 0,5%/нм между первым содержанием алюминия и вторым содержанием алюминия, отличным от первого содержания алюминия.

2. Светоизлучающее полупроводниковое устройство (100) по п. 1, в котором примесью, включенной в геттерный слой AlGaAs, является сера.

3. Светоизлучающее полупроводниковое устройство (100) по п. 1 или 2, в котором геттерный слой (190) AlGaAs расположен между подложкой (120) и активным слоем (140).

4. Светоизлучающее полупроводниковое устройство (100) по п. 1 или 2, в котором геттерный слой (190) AlGaAs содержит подслои с повышающимся и понижающимся содержанием алюминия.

5. Светоизлучающее полупроводниковое устройство (100) по п. 4, в котором геттерный слой (190) AlGaAs содержит область с постоянным содержанием алюминия.

6. Светоизлучающее полупроводниковое устройство (100) по п. 1 или 2, в котором скорость осаждения алюминия слоев светоизлучающей слоистой структуры (155), содержащей алюминий, выбрана таким образом, чтобы содержание алюминия слоев светоизлучающей слоистой структуры (155), содержащей алюминий, изменялось по меньшей мере со скоростью 0,5%/нм.

7. Светоизлучающее полупроводниковое устройство (100) по п. 1 или 2, в котором геттерный слой (190) AlGaAs содержит первую концентрацию кислорода, которая по меньшей мере на 50% выше по сравнению со второй концентрацией кислорода в слоях светоизлучающей слоистой структуры (155), содержащей алюминий.

8. Светоизлучающее полупроводниковое устройство (100) по п. 1 или 2, в котором толщина геттерного слоя (190) AlGaAs составляет по меньшей мере 50 нм.

9. Светоизлучающее полупроводниковое устройство (100) по п. 1 или 2, при этом светоизлучающее полупроводниковое устройство (100) представляет собой лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), содержащий первый электрод (110) и второй электрод (170), причем светоизлучающая структура (155) содержит нижний диэлектрический брэгговский отражатель (ДБО) (130), активный слой (140) и верхний ДБО (160), причем содержание алюминия в геттерном слое (190) AlGaAs изменяется по меньшей мере в пять раз медленнее по сравнению с изменением содержания алюминия в слое нижнего ДБО (130) или верхнего ДБО (160).

10. Способ изготовления светоизлучающего полупроводникового устройства (100), причем способ содержит этапы:

- обеспечения подложки (120);

- обеспечения светоизлучающей слоистой структуры (155) при первых условиях роста и

- обеспечения геттерного слоя (190) AlGaAs для снижения содержания примесей в слоистой структуре светоизлучающего полупроводникового устройства (155) при вторых условиях роста, отличных от первых условий роста, причем вторые условия роста выбирают таким образом, чтобы первая концентрация примеси в геттерном слое (190) AlGaAs была по меньшей мере на 50% выше по сравнению со второй концентрацией примеси в слоях светоизлучающей слоистой структуры (155), содержащей алюминий, а первое и второе условия роста выбирают из группы, состоящей из парциального давления мышьяка, парциального давления кислорода, температуры осаждения, общего давления осаждения и скорости осаждения алюминия, причем скорость осаждения алюминия геттерного слоя (190) AlGaAs выбирают таким образом, чтобы геттерный слой (190) AlGaAs содержал подслой, в котором содержание алюминия изменяется менее чем со скоростью 0,5%/нм между первым содержанием алюминия и вторым содержанием алюминия, отличным от первого содержания алюминия.