CN100446362C - 激光二极管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光二极管的制造方法。该方法包括：在衬底上至少依次形成下覆层、谐振层、上覆层、上接触层、上电极层和牺牲层；通过蚀刻所述牺牲层、所述上电极层、所述上接触层和预定深度的所述上覆层来形成脊部；通过蚀刻在所述脊部的两侧暴露的部分所述上电极层，暴露出所述上接触层的两顶表面和与其相对应的所述牺牲层的两底表面；形成具有开口的掩埋层，所述开口至少暴露出所述牺牲层的底表面的一部分，所述掩埋层形成在所述脊部的表面上以及从所述脊部延伸的所述上覆层的顶表面上；以及通过所述开口提供蚀刻剂，除去所述牺牲层和置于其上的一部分所述掩埋层。

Description

激光二极管的制造方法
技术领域
本发明涉及一种激光二极管的制造方法，尤其涉及一种利用自对准制造激光二极管的方法。
背景技术
目前，半导体激光二极管的激光束已经在诸如光通信、多路通信和空间通信的各种领域获得了实际应用。在许多设备，诸如光盘播放器(CDP)和数字多用盘播放器(digital versatile disk player，DVDP)中，半导体激光器被广泛用作数据传输和数据记录或读取的光源。
半导体激光二极管之所以能够获得广泛应用，是因为它能够在有限空间中保持振荡特性，能够按比例缩小，并且尤其是它具有很小的激光振荡阈值电流。随着半导体激光器在更多不同领域获得应用，对具有更小阈值电流的半导体激光二极管的需求也在增加。也就是说，需要一种具有极好特性的半导体激光二极管，其能够实现低电流振荡并具有长的使用寿命。
图1是常规半导体激光二极管的截面图。该半导体激光二极管包括一脊形波导结构，使得其激光振荡的阈值电流得以降低。
参考图1，n-GaN下接触层12叠置在蓝宝石衬底10上，该下接触层12被分为第一区域R1和第二区域R2。在第一区域R1中，n-GaN/AlGaN下覆层24、n-GaN下波导层26、InGaN有源层28、p-GaN上波导层30、p-GaN/AlGaN上覆层32依次堆叠在n-GaN下接触层12上。在这种情况下，n-GaN/AlGaN下覆层24和p-GaN/AlGaN上覆层32的折射率低于n-GaN下波导层26和p-GaN上波导层30的折射率。并且，n-GaN下波导层26和p-GaN上波导层30的折射率比InGaN有源层28的折射率低。在p-GaN/AlGaN上覆层32上面的中心部分中，形成具有预定宽度的突出脊32a，提供了一脊形波导结构。P-GaN上接触层34形成在脊32a的顶表面上。在p-GaN/AlGaN上覆层32上，形成具有接触孔的掩埋层36作为钝化层。掩埋层36的接触孔36a对应于上接触层34的顶部，接触孔36a的外围部分与上接触层34顶表面的外围部分交迭。
P型上电极38形成在掩埋层36上并通过掩埋层36的接触孔36a接触上接触层34。在n-GaN下接触层12上，在比第一区域R1低的第二区域R2中形成n型下电极37。
设置在上覆层32上的脊形波导结构限制了提供给有源层28的电流，由此减少了形成在有源层28中用于激光振荡的谐振区的宽度。这样，脊形波导结构稳定了横模特性并降低了工作电流。
在提供上述脊形波导结构的工艺中，可以使用掩模通过执行光刻在覆盖上覆层的邻近区域的掩埋层中形成对应于脊的顶表面的接触孔。不过，这一光刻造成了制造工艺的低精度以及上接触层和p型上电极之间不充足的接触面积。因此，提高了激光器件的工作电压，并且不能保证驱动期间产生的热从其发散的通路。
为此，优选将自对准作为在激光二极管中形成接触孔的方法。WO No.2000/52796提出了一种通过利用材料的选择性溶解通过剥离(liftoff)形成自对准接触孔的方法。然而，在这种方法中，不能剥离具有过大厚度的掩埋层。因此，将要剥离的掩埋层厚度应当限制在预定值之下。尤其是，因为剥离法利用了材料之间溶解度的差异，所以只有有限范围的材料可以用于形成掩埋层。
在另一种使用自对准的常规方法中，执行回蚀工艺，从而在对应于脊顶表面的掩埋层中形成接触孔。具体地说，在整个晶片上形成平坦化的光致抗蚀剂，在该晶片中掩埋层形成在脊上。之后，利用干法蚀刻回蚀形成在脊上的一部分光致抗蚀剂，从而能够形成对应于脊的顶表面的接触孔。在该技术中，由于在掩埋层和脊之间没有蚀刻停止层，因此难以把握回蚀工艺期间的蚀刻停止点。此外，设置在脊部上并通过干法回蚀工艺暴露的一部分掩埋层应该利用湿法蚀刻而不是干法蚀刻被除去，因为干法蚀刻可能会损伤作为脊的上部设置的上接触层。不过，在这种情况下，用于湿法蚀刻的蚀刻剂在光致抗蚀剂和掩埋层之间渗透，因而会朝向脊的侧表面过蚀刻(over-etching)掩埋层。
发明内容
本发明提供了一种激光二极管的制造方法，该方法保护了脊形波导结构中的脊，从而可以防止泄漏电流和工作电流的增大。此外，制造过程简单，且可以改善其精度和可靠性。
根据本发明的一个方面，提供了一种激光二极管的制造方法。该方法包括：在衬底上依次至少形成下覆层、谐振层、上覆层、上接触层、上电极层和牺牲层；通过蚀刻牺牲层、上电极层、上接触层和预定深度的上覆层形成脊部；通过蚀刻暴露在脊部两侧的部分上电极层，暴露出上接触层的两顶表面和与其相对应的牺牲层的两底表面；形成具有开口的掩埋层，该开口至少暴露出牺牲层底表面的一部分，该掩埋层形成在脊部的表面上以及从脊部延伸的上覆层的顶表面上；以及通过该开口提供蚀刻剂，除去牺牲层和设置在其上的掩埋层的一部分。
暴露的上电极层可以利用H2SO4和H2O2的混合物湿法蚀刻。牺牲层和形成在其上的掩埋层部分可以利用剥离除去。牺牲层可以利用湿法蚀刻除去。可以利用通过暴露的牺牲层的至少一个底表面提供的蚀刻剂选择性地蚀刻牺牲层，该蚀刻剂可以是缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)溶液或HF溶液。因此，形成在牺牲层上的掩埋层部分可以与牺牲层一起被除去。
牺牲层可以由氧化硅、例如SiO2形成至大约100到
Figure C20051007020300051
的厚度。掩埋层可以由绝缘材料、例如TiO2形成至大约100到
Figure C20051007020300052
的厚度。
该激光二极管的制造方法可以进一步包括在衬底和下覆层之间形成缓冲层。缓冲层可以是n-GaN基III-V族氮化物半导体层，下覆层可以是n-GaN/AlGaN层。
谐振层的形成可以包括：使用具有比下覆层更高折射率的材料在下覆层上形成下波导层；使用能够实现激射(lasing)的材料在下波导层上形成有源层；以及在有源层上形成上波导层。
上和下波导层可以具有比有源层低的折射率，且由GaN基III-V族化合物半导体形成。
有源层可以由GaN基III-V族氮化物化合物半导体形成，比如InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1)。
上覆层可以由p-GaN/AlGaN形成，而上接触层可以由p-GaN基III-V族氮化物半导体形成。
在本发明中，利用一次蚀刻工艺形成包括上覆层、上接触层、上电极层和牺牲层的脊部，并利用一次淀积工艺在脊部的表面上形成掩埋层。此外，由于牺牲层和置于其上的掩埋层易于从脊部除去，制造过程简单，且提高了其精度和可靠性。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他特性和优点将会变得更加明了，在附图中：
图1是常规激光二极管的示意性横截面图；
图2是依据本发明实施例制造的激光二极管的示意性横截面图；
图3A到3G是示出根据本发明的激光二极管制造方法的截面图；
图4是通过蚀刻上电极层至一预定深度而获得的脊部的截面的SEM照片；
图5是通过在脊部的表面上形成掩埋层而获得的脊部的截面的SEM照片；以及
图6是通过除去牺牲层和置于其上的掩埋层而获得的脊部的截面SEM照片。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明做更为充分的描述，附图中示出了本发明的示例性实施例。附图中，为了解释的清晰性起见，夸大了诸层和区域的厚度、尺寸和布置。
图2是依据本发明实施例制造的半导体激光二极管的示意性横截面图。
参考图2，半导体激光二极管包括衬底50以及依次堆叠在衬底50上的缓冲层52、下覆层54、谐振层57、上覆层58、上接触层60和上电极层62。此外，上覆层58的突出部分58a、上接触层60和上电极层62形成脊部66。
作为下接触层的缓冲层52叠置在衬底50的顶表面上并具有台阶差(stepdifference)。n型下电极51置于缓冲层52的台阶部分上。
衬底50通常为蓝宝石衬底或自立(freestanding)GaN衬底。缓冲层52是n-GaN基III-V族化合物半导体层，优选为n-GaN层但不限于此。亦即，缓冲层52可以由能够实现激光振荡(激射)的其他III-V族化合物半导体形成。下覆层54优选为具有预定折射率的n-GaN/AlGaN层，但可以由其他能够实现激射的化合物半导体形成。
谐振层57包括依次堆叠在下覆层54上的下波导层53、有源层56和上波导层55。上和下波导层55和53由其折射率低于有源层56的折射率的材料形成，优选为GaN基III-V族化合物半导体。下波导层53可以是n-GaN层，而上波导层可以是p-GaN层。有源层56可以由任何能实现激射的材料形成，优选由能够振荡具有小阈值电流和稳定横模特性的激光束的材料形成。亦即，有源层56由GaN基III-V族氮化物化合物半导体形成，例如包含预定重量百分比的Al的InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1)。有源层56可以具有多量子阱(MQW)和单量子阱(SQW)中的任何一种结构，该有源层56的结构不限制本发明的技术范围。
上覆层58叠置在上波导层55上，且在中部具有突出部分58a，并且上覆层58的折射率低于上波导层55的折射率。此外，作为欧姆接触层的上接触层60形成在突出部分58a上，且上电极层62形成在上接触层60上。上覆层58的突出部分58a、上接触层60和上电极层62形成脊部66。
如果下覆层54是n型化合物半导体层，则上覆层58由p型化合物半导体形成。如果下覆层54是p型化合物半导体层，则上覆层58由n型化合物半导体形成。亦即，如果下覆层54是n-GaN/AlGaN层，则上覆层58由p-GaN/AlGaN形成。与此类似，如果缓冲层52是n型化合物半导体层，则上接触层60由p型化合物半导体形成，相反的情况也是可能的。因此，如果缓冲层52由n-GaN形成，则上接触层60由p-GaN形成。
本实施例的半导体激光二极管包括作为钝化层的掩埋层64，其形成在上覆层58的两个上角部以及脊部66的侧表面和下部蚀刻部分上。掩埋层64由诸如TiO2的绝缘材料形成。
在形成有掩埋层64的脊形波导结构中，形成在突出部分58上方的p型上电极层62接触上接触层60，p型上电极层62的两个侧面部分被掩埋层64所覆盖。
n型电极51作为下欧姆接触层形成在缓冲层52的台阶部分中。不过，n型电极51可以形成在与p型电极62相对的衬底50的底表面上。在这种情况下，衬底50可以是SiC衬底或GaN衬底。
图3A到3G是示出根据本发明的激光二极管制造方法的截面图。在以下的描述中，将会略去用于暴露缓冲层52、即n型接触层的蚀刻工艺以及在其上形成n型电极51的工艺。在n型接触层中形成台阶部分的工艺可以使用各种方法在形成脊部之前、在形成脊部之后、在另一蚀刻工艺期间、或在形成p型上电极之后进行。
参考图3A，在衬底50上依次形成缓冲层52、下覆层54、下波导层53、有源层56、上波导层55、上覆层58、上接触层60、上电极层62和牺牲层63。
在上接触层60上淀积用于p型上电极层62的金属，并在p型上电极层62上形成牺牲层63。这里，牺牲层63由SiO2形成至大约100到
Figure C20051007020300081
的厚度，优选为500到
Figure C20051007020300082
SiO2牺牲层63可以利用化学气相淀积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、物理气相淀积(PVD)或溅射形成。
参考图3B，在堆叠结构的最上部表面的顶部、即牺牲层63上，涂覆光致抗蚀剂层，然后对其构图(或者淀积SiO2层并随后对其构图)，由此形成形成脊形波导结构所需的掩模层67。
参考图3C，利用反应离子蚀刻(RIE)(或ICP-RIE)、反应离子束蚀刻(RIBE)或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)垂直蚀刻未被掩模层67覆盖的一部分牺牲层63，使得上覆层58被蚀刻至预定深度。由此在上覆层58的中心形成了脊部68。因此，脊部68包括上覆层58的突出部分58a、上接触层60、上电极层62和牺牲层63。脊部68具有条形形状。在完成上述蚀刻工艺之后，利用三氯乙烯(TCE)/丙酮/异丙醇(IPA)通过有机清洗工艺除去掩模67。
参考图3D，由脊部68的侧表面暴露的一部分上电极层62被蚀刻至预定深度，使得上接触层60的两个顶表面60a和60b以及牺牲层63的两个底表面63a和63b暴露出来。在本实施例中，利用10∶1比率的H2SO4和H2O2的混合物湿法蚀刻上电极层6215秒。更为优选地，控制混合物的比率和湿法蚀刻所花费的时间，使得在上牺牲层63和上电极层62之间界面处执行的蚀刻量大于在上电极层62和上接触层60之间的界面处执行的蚀刻量。在这种情况下，牺牲层63的两个底表面63a和63b暴露得比上接触层60的两个顶表面60a和60b多。这是因为上电极层62和由SiO2形成的牺牲层63之间的界面特性差于上电极层62和上接触层60之间的界面特性。
参考图3E，掩埋层64形成在脊部68的表面上以及从脊部68延伸的上覆层58的顶表面上。掩埋层64确保了横模特性的稳定和脊部68的电绝缘。掩埋层64包括开口70，使得牺牲层63的至少部分的底表面63a和63b暴露出来。开口70形成得对应于牺牲层63的底表面63a和63b以及上电极层62的侧表面。当如参照图3D所述将上电极层62蚀刻至预定深度时，上电极层62的宽度减小。这样，由于上电极层62的两个侧表面被牺牲层63所覆盖，因此难以在上电极层62的侧表面上形成掩埋层64。结果，掩埋层64具有开口70。
掩埋层64可以由绝缘材料、如TiO2形成至大约100到
Figure C20051007020300091
的厚度，优选为500到TiO2层可以利用CVD、PECVD、PVD或溅射形成。
参考图3F，利用通过开口70提供蚀刻剂，来除去牺牲层63和置于其上的掩埋层64部分。这里，牺牲层63和该部分掩埋层64利用剥离除去。可以使用BOE溶液或HF溶液作为蚀刻剂湿法蚀刻牺牲层63。利用通过暴露的牺牲层63的底表面63a和63b中的至少一个提供的蚀刻剂选择性地蚀刻牺牲层63，并且与牺牲层63一起除去置于牺牲层63上的该部分掩埋层64。在本实施例中，利用BOE溶液作为蚀刻剂将牺牲层63蚀刻30秒到数分钟并将其除去，而掩埋层64、即TiO2层也与牺牲层63一起被除去。
参考图3G，在根据本发明的方法制造的激光二极管中，掩埋层64以自对准的方式稳定地形成在包括上电极层62的两个侧表面的脊部66的两个侧表面上以及从脊部66延伸的上覆层58的顶表面上。因此，通过脊部66的侧表面所引起的泄漏电流得到了控制。此外，可以增大上接触层60和p型上电极之间的接触面积，从而可以有效地发散在驱动期间激光二极管中产生的热量。
图4是通过蚀刻上电极层至一预定深度获得的脊部的截面的SEM照片。
图5是通过在脊部的表面上形成掩埋层而获得的脊部的截面的SEM照片。
图6是通过除去牺牲层和置于其上的掩埋层而获得的脊部的截面的SEM照片，其示出了根据本发明的方法制造的激光二极管的一部分。参考图6，p型上电极的表面粗糙度得到了改善，且稳定地形成了掩埋层。
根据本发明，利用一次蚀刻工艺形成包括上覆层、上接触层、上电极层和牺牲层的脊部，并利用一次淀积工艺在脊部的表面上形成掩埋层。此外，由于牺牲层和置于其上的掩埋层易于从脊部除去，制造过程简单，且提高了其精度和可靠性。
结果，掩埋层的厚度可以得到充分的提高，并且可以使用比常规方法更宽范围的材料来形成掩埋层。
此外，通过利用上接触层的暴露的两个顶表面，通过自对准在包括上电极层、上接触层和上覆层的脊部的侧表面上稳定地形成了掩埋层。这样就可以有效地控制通过脊部的侧表面引起的泄漏电流。
此外，可以增大上接触层和p型上电极之间的接触面积，从而可以有效地发散在驱动期间激光二极管中产生的热量。
尽管已经参照其示例性实施例对本发明进行了具体表示和描述，但本领域普通技术人员应理解的是，在不背离由所附权利要求所界定的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种形式和细节上的变化。

Claims (10)

1.一种激光二极管的制造方法，该方法包括以下步骤：
在衬底上至少依次形成下覆层、谐振层、上覆层、上接触层、上电极层和牺牲层；
通过蚀刻所述牺牲层、所述上电极层、所述上接触层和预定深度的所述上覆层来形成脊部；
通过蚀刻在所述脊部的两侧暴露的部分所述上电极层，暴露出所述上接触层的两顶表面和与其相对应的所述牺牲层的两底表面；
形成具有开口的掩埋层，所述开口至少暴露出所述牺牲层的底表面的一部分，所述掩埋层形成在所述脊部的表面上以及从所述脊部延伸的所述上覆层的顶表面上；以及
通过所述开口提供蚀刻剂，除去所述牺牲层和置于其上的一部分所述掩埋层。
2.如权利要求1所述的方法，其中蚀刻在所述脊部的两侧暴露的部分所述上电极层是通过利用H2SO4和H2O2混合物的湿法蚀刻来执行。
3.如权利要求1所述的方法，其中除去所述牺牲层和形成在其上的所述掩埋层的所述部分是利用剥离来执行。
4.如权利要求3所述的方法，其中除去所述牺牲层是利用湿法蚀刻来执行。
5.如权利要求4所述的方法，其中利用通过所述暴露的牺牲层的至少一个底表面提供的蚀刻剂，选择性地蚀刻所述牺牲层。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述蚀刻剂是BOE溶液或HF溶液。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述开口形成为对应于所述牺牲层的底表面和所述上电极层的侧表面。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述牺牲层由氧化硅形成。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述氧化硅为SiO2，且所述牺牲层形成至100到
Figure C2005100702030002C1
的厚度。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述掩埋层由TiO2形成至100到
Figure C2005100702030002C2
的厚度。
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