CN101340057A - 氮化物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮化物半导体发光器件及其制造方法。该氮化物半导体发光器件包括作为氮化物半导体衬底的n型GaN衬底(101)、形成在该n型GaN衬底(101)上的包括p型氮化物半导体层的氮化物半导体层。该p型氮化物半导体层包括p型AlGaInN接触层(108)、在该p型AlGaInN接触层(108)之下的p型AlGaInN包层(107)、以及p型AlGaInN层(106)。由硅氮化物膜制成的保护膜(113)形成在形成于p型氮化物半导体层中的电流注入区上。

Description

氮化物半导体发光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体发光器件以及制造氮化物半导体发光器件的方法。
背景技术
将参照图10和11描述制造氮化物半导体激光器的常规方法。图10是示意图，示出常规氮化物半导体激光器的内部，图11是示出常规氮化物半导体激光器外部视图的图。
在制造氮化物半导体激光器的常规方法中，氮化物半导体激光器芯片403通过焊料406焊接到作为热沉(heatsink)的子座(sub mount)402上，然后带有焊接的氮化物半导体激光器芯片403的子座402通过焊料焊接到支承衬底(芯柱(stem))401上。然后，向支承衬底(芯柱)401提供的引脚405通过导线404电连接至氮化物半导体激光器芯片403。接着，准备工作箱(work box)，所述工作箱填充有通过除湿而露点控制为-20摄氏度以下的空气(下文称为干燥空气)。如图11所示，通过使用带有允许通过激光束的玻璃透镜407a的帽407，氮化物半导体激光器芯片与工作箱中的干燥空气一起被密封。于是，制成了氮化物半导体激光器。通过上述工艺制造的氮化物半导体激光器在干燥空气中操作。
通常，如果氮化物半导体激光器在干燥空气中操作，则它能稳定工作超过3000小时。然而，即使它被密封在干燥空气中，例如密封会是不充分的。在这种情况下，干燥空气会轻微泄漏，从而环境空气(其包含湿气且其露点不被控制)会进入帽内。如果环境空气进入上述帽内，则观察到在100至1000小时左右之后电压迅速增大的现象。在一些元件中，电压增大超过1伏，另一些元件会引起进一步恶化，导致振荡停止。
在氮化物半导体激光器芯片403未被帽407密封在干燥空气中，在包含湿气且其露点未被控制的环境空气中操作的情况下(下文称为开放空气封装)，观察到与干燥空气泄漏从而环境空气进入帽内的情况相同的现象。这样的现象是氮化物半导体激光器特有的，在传统上已实际应用的GaAs系激光器元件的情况下没有观察到该现象。如上所述，如果氮化物半导体激光器在装配或操作时由于过大的应力而泄漏干燥空气，使得环境空气进入帽内，则存在电压增大，导致故障的问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种氮化物半导体发光器件以及制造该器件的方法，当该氮化物半导体发光器件以开放空气封装操作时，其能长时间稳定操作而不会导致电压的增大。
根据本发明第一方面的氮化物半导体发光器件包括氮化物半导体衬底和形成在氮化物半导体衬底上的具有p型氮化物半导体层的氮化物半导体层。该氮化物半导体层具有电流注入到其中的电流注入区，由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜形成在该电流注入区之上。
根据本发明的该第一方面的氮化物半导体发光器件能防止环境湿气中包含的氢分子(hydrogen molecules)到达电流注入区，即使该氮化物半导体发光器件在环境空气中操作时，因为如上所述，硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜形成在电流注入区上。因此，能防止电流注入区变得具有高电阻而导致氮化物半导体发光器件的电压增大，这会发生在氢分子穿过电流注入区或者通过其扩散时。因此，氮化物半导体发光器件能稳定地长时间工作。
关于上述根据第一方面的氮化物半导体发光器件，优选地电极和/或电极焊盘形成在电流注入区上，且保护膜形成在电极和/或电极焊盘上。根据该结构，环境空气中包含的氢分子的渗透能被有效防止，因为保护膜形成在电极和/或电极焊盘上。因此，氮化物半导体发光器件中的电压增大能被容易地抑制，从而器件能长时间稳定工作。
关于上述根据第一方面的氮化物半导体发光器件，电流注入区可具有脊条结构。
根据本发明第二方面的氮化物半导体发光器件包括氮化物半导体衬底和形成在该氮化物半导体衬底上的具有p型氮化物半导体层的氮化物半导体层，其中由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜形成在p型氮化物半导体层上。
上述根据第二方面的氮化物半导体发光器件能防止环境湿气中包含的氢分子到达p型氮化物半导体层，即使该氮化物半导体发光器件在环境空气中操作时，因为如上所述由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜形成在p型氮化物半导体层之上。因此，能防止p型氮化物半导体层变得具有高电阻而导致氮化物半导体发光器件中电压增大，这会发生在氢分子穿过p型氮化物半导体层或通过其扩散时。因此，氮化物半导体发光器件能稳定地长时间工作。
关于上述根据第一或第二方面的氮化物半导体发光器件，优选地硅氮化物膜或硅氮氧化物膜的厚度为6纳米或更大。根据该结构，能容易地防止环境湿气中包含的氢分子到达氮化物半导体层。
关于上述根据第一或第二方面的氮化物半导体发光器件，优选地硅氮氧化物膜由通式SiO1-xNx表示，硅氮氧化物膜中氮的成分比x为0.1或更大。根据该结构，能容易地防止环境湿气中包含的氢分子到达氮化物半导体层。
根据本发明第三方面的制造氮化物半导体发光器件的方法包括步骤：在氮化物半导体衬底上形成具有p型氮化物半导体层的氮化物半导体层；在该氮化物半导体层中形成电流注入到其中的电流注入区；以及在该电流注入区上形成由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜制成的保护膜。
由于上述根据第三方面的制造氮化物半导体发光器件的方法包括在电流注入区上形成由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜的步骤，所以能防止环境湿气中包含的氢分子到达电流注入区，即使所获得的氮化物半导体发光器件在环境空气中操作。因此，能防止电流注入区变得具有高电阻而导致电压增大，这会发生在氢分子穿过电流注入区或者通过其扩散时。因此，氮化物半导体发光器件能稳定地长时间工作。
关于上述根据第三方面的制造氮化物半导体发光器件的方法，优选地该方法还包括步骤：在该电流注入区上形成电极和/或电极焊盘；以及在该电极和/或电极焊盘上形成保护膜。根据该结构，能有效防止环境湿气中包含的氢分子到达电流注入区，因为保护膜形成在该电极和/或电极焊盘上。
关于上述根据第三方面的制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法还可包括在该氮化物半导体层中形成脊条结构的步骤，从而该电流注入区是该脊条结构。
根据本发明第四方面的制造氮化物半导体发光器件的方法包括步骤：在氮化物半导体衬底上形成具有p型氮化物半导体层的氮化物半导体层；以及在该p型氮化物半导体层上形成由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜。
根据上述第四方面的制造氮化物半导体发光器件的方法，由于如上所述该方法包括在p型氮化物半导体层上形成由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜的步骤，所以即使所获得的氮化物半导体发光器件在环境空气中操作，也能防止环境湿气中包含的氢分子到达p型氮化物半导体层。因此，能防止p型氮化物半导体层变得具有高电阻而导致电压增大，这会发生在氢分子穿过p型氮化物半导体层或通过其扩散时。因此，氮化物半导体发光器件能稳定地长时间工作。
关于上述根据第三或第四方面的制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法优选包括形成硅氮化物膜或硅氮氧化物膜使得硅氮化物膜或硅氮氧化物膜的厚度为6纳米或更大的步骤。根据该结构，能容易地防止环境湿气中包含的氢分子到达氮化物半导体层。
关于上述根据第三或第四方面的制造氮化物半导体发光器件的方法，该方法优选地包括形成硅氮氧化物膜使得该硅氮氧化物膜由通式SiO1-xNx表示，且该硅氮氧化物膜中氮的成分比x为0.1或更大的步骤。根据该结构，能容易地防止环境湿气中包含的氢分子到达氮化物半导体层。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的氮化物半导体激光器芯片的透视图。
图2是使用图1所示的氮化物半导体激光器芯片封装在封装中的氮化物半导体激光器的示意图。
图3是示出根据比较例1的氮化物半导体激光器的老化测试结果的图。
图4是示出根据第一实施例的氮化物半导体激光器的老化测试结果的图。
图5是示出根据第一实施例的构成氮化物半导体激光器的保护膜的硅氮化物膜的厚度与输出之间关系的图。
图6是图5所示的示出硅氮化物膜的厚度与输出之间的关系的图的一部分的放大图。
图7是根据本发明第七实施例的氮化物半导体激光器芯片的透视图。
图8是根据本发明第八实施例的氮化物半导体激光器芯片的透视图。
图9是ECR溅射膜形成装置的结构示意图。
图10是示出常规氮化物半导体激光器的内部的示意图。
图11是示出常规氮化物半导体激光器的外部视图的图。
具体实施方式
以下参考附图详细说明本发明的具体实施例。
第一实施例
参考图1和图2来说明本发明的第一实施例。图1是根据本发明第一实施例的氮化物半导体激光器芯片的透视图。图2是使用图1所示的氮化物半导体激光器芯片封装在封装中的氮化物半导体激光器的示意图。
根据第一实施例的氮化物半导体激光器具有p型氮化物半导体层，至少有源层和包层(cladding layer)包括在p型氮化物半导体层中。有源层和包层由包含一主要成分的材料制成，该主要成分是选自包括铝(Al)、铟(In)和镓(Ga)的组的至少一类III(3)族元素与V(5)族元素氮的化合物，且以下面的通式(1)表示。此外，通过在下面的通式(1)表示的材料中掺杂镁(Mg)、铍(Be)等而使根据第一实施例的p型氮化物半导体层形成得具有p型导电性。
AlkInlGamN    …(1)
在该式子(1)中，k表示满足0≤k≤l的正数，l表示满足0≤l≤1的正数，m表示满足0≤m≤1的正数，其中k、l和m满足“k+l+m＝1”。
更具体地，根据第一实施例的氮化物半导体激光器具有图1所示的结构，其包括n型GaN衬底101，其上依次形成具有0.2微米厚度的n型AlGaInN缓冲层102、具有2.2微米厚度的n型Al0.05Ga0.95InN包层103、具有20纳米厚度的n型AlGaInN导层(guiding layer)104、具有70纳米厚度的AlGaInN多量子阱有源层105、具有20纳米厚度的p型Al0.3Ga0.7InN层106、具有0.5微米厚度的p型Al0.05Ga0.95InN包层107、以及具有0.2微米厚度的p型AlGaInN接触层108，其中所述AlGaInN多量子阱有源层105是三个层叠的层，每层包括8纳米厚的InGaN制成的势垒层和5纳米厚的InGaN制成的阱层，靠近p型氮化物半导体层的最后的层变成GaN层。注意，n型GaN衬底是本发明的“氮化物半导体衬底”的示例。
从本发明的氮化物半导体激光器发射的激光束的波长可通过AlGaInN多量子阱有源层105的混晶比(mixed crystal ratio)而在例如350至480纳米的范围内适当地调节。在第一实施例中，调节为发射具有405纳米波长的激光束。
p型AlGaInN包层107和p型AlGaInN接触层108每个的一部分被去除从而形成脊条(ridge stripe)部分111。更具体地，部分p型AlGaInN包层107形成为如条状的突出部分，而p型AlGaInN包层107的其他部分被去除。另外，仅形成在p型AlGaInN包层107的突出部分的上表面上的部分p型AlGaInN接触层108保留，而p型AlGaInN接触层108的其他部分被去除。如上所述，具有条形的脊条部分111形成为沿谐振器的纵向(沿Y方向)延伸。在第一实施例中，脊条部分111的条宽(沿X方向的宽度)是1.2到2.4微米，更优选地，约1.5微米。
另外，p型电极115形成在p型AlGaInN接触层108的上表面上。p型电极115由50纳米厚的钯(Pd)制成，其形成得接触p型接触层108。此外，在p型AlGaInN包层107的除了其上形成有脊条部分111的部分之外的上表面上形成绝缘膜109。绝缘膜109形成得与p型AlGaInN包层107接触，且由包括依次层叠的200纳米厚的硅氧化物(SiO2)层和50纳米厚的钛氧化物(TiO2)层的两层构成。此外，p型电极焊盘110形成在p型AlGaInN包层107的上表面和p型电极115的上表面上。p型电极焊盘110由包括从绝缘膜109依次层叠的20纳米厚的钼(Mo)层和200纳米厚的金(Au)层的两层构成。
根据第一实施例的氮化物半导体激光器具有在氮化物半导体层中的电流注入区，电流注入到该电流注入区。通常，电流注入到氮化物半导体层的有源层区域。因此，电流注入区意味着电流注入到的有源层区域。例如，在第一实施例的脊条型氮化物半导体激光器中，脊条部分正下方的p型氮化物半导体层区域成为电流注入区。更具体地，在第一实施例中，成为电流注入区的有源层区域由p型AlGaInN接触层108以及p型AlGaInN接触层108下方的部分p型AlGaInN包层107和p型AlGaInN层106构成。此外，当电流注入到电流注入区时，光从其发射。换句话说，电流注入区也是发光区。在第一实施例中，脊条部分正下方的有源层区域成为发光区。
关于本发明的氮化物半导体发光器件，硅氮化物膜或硅氮氧化物膜，或者硅氮化物膜和硅氮氧化物膜构成的保护膜形成在电流注入区，或者电极或电极焊盘，或者电极和电极焊盘上。在第一实施例中，如图1所示，保护膜113形成在p型电极焊盘110的上表面上。由于保护膜113以此方式形成，所以当包含p型氮化物半导体层的氮化物半导体激光器在环境空气中操作时，可以防止环境中的湿气包含的氢分子到达p型氮化物半导体层。因此，可以防止p型氮化物半导体层变得具有高电阻，导致电压增大，当氢穿过p型氮化物半导体层或通过其扩散时会发生该现象。
另外，导线结合窗114形成在保护膜113中。导线结合窗114是用于将稍后描述的导线结合到保护膜113之下的p型电极焊盘110的窗口。由于保护膜113是绝缘膜，如果p型电极焊盘110的整个表面被保护膜113覆盖，则电流不能通过导线注入。因此，形成了导线结合窗114。
此外，n型电极112形成在n型GaN衬底101的与其上形成各层的上表面相反的表面上。n型电极112形成得接触n型GaN衬底101，且由包括30纳米厚的铪(Hf)层、200纳米厚的铝(Al)层、30纳米厚的钼(Mo)层、50纳米厚的铂(Pt)层和200纳米厚的金(Au)层的五层构成。
下面将说明制造根据第一实施例的氮化物半导体激光器的方法。
首先，利用例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)膜形成装置，在450微米厚的n型GaN衬底101(2英寸晶片)上层叠且依次形成0.2微米厚的n型AlGaInN缓冲层102、2.2微米厚的n型Al0.05Ga0.95InN包层103和20纳米厚的n型AlGaInN导层104。
接着，包括8纳米厚的InGaN制成的势垒层和5纳米厚的InGaN制成的阱层的层以靠近p型氮化物半导体层的最后层变成GaN层的方式层叠三层，从而形成70纳米厚的AlGaInN多量子阱有源层105。接着，层叠且依次形成20纳米厚的p型Al0.3Ga0.7InN层106、0.5微米厚的p型Al0.05Ga0.95InN包层107和0.2微米厚的p型AlGaInN接触层108。然后，在p型AlGaInN接触层108上通过电子束(EB)气相沉积法形成50纳米厚的钯(Pd)层，从而形成p型电极115。
接着，条状掩模形成在p型电极115上以用于通过光刻工艺形成脊条部分111。然后，通过使用例如ICP(感应耦合等离子体)蚀刻法，p型电极115、p型AlGaInN接触层108和p型AlGaInN包层107蚀刻至p型AlGaInN包层107中间的深度。尽管蚀刻深度基于器件所需规格确定，但在第一实施例中，蚀刻进行到p型AlGaInN包层107的底部附近。以此方式，形成了脊条部分111。
接着，采用电子束(EB)气相沉积法、溅射法等，在脊条部分111和p型AlGaInN包层107的上表面上形成包括200纳米厚的硅氧化物(SiO2)层和50纳米厚的钛氧化物(TiO2)层的绝缘膜109。然后，通过浮脱法去除形成在p型电极115上的脊条掩模和绝缘膜109。之后，使用EB气相沉积法等，20纳米厚的钼(Mo)层和200纳米厚的金(Au)层从绝缘膜109依次形成在绝缘膜109和p型电极115上，从而形成p型电极焊盘110。
接着，使用抗蚀剂的掩模通过光刻工艺形成在p型电极焊盘110的上表面上在形成导线结合窗114的部分。接着，通过采用ECR(电子回旋共振)溅射法在p型电极焊盘110上形成保护层113。在第一实施例中，保护膜113具有两层结构，包括硅氮化物膜和硅氧化物膜，硅氮化物膜形成得接触p型电极焊盘，硅氧化物膜形成在硅氮化物膜上。
这里将说明制造保护膜的方法。保护膜可通过反应溅射法例如ECR溅射法、CVD(化学气相沉积)法、电子束(EB)气相沉积法等形成。在第一实施例中，ECR溅射法用于制造保护膜。将参照图9描述利用ECR溅射法制备保护膜的方法。图9是ECR溅射膜形成装置的结构示意图。
ECR溅射法是一种用于形成薄膜的方法，其中当电压施加到位于等离子周围的靶时，通过ECR产生的等离子体用于产生溅射现象，等离子体中的离子被加速进入靶，从而所发射的靶的颗粒粘附到位于附近的样品表面。此外，在本发明中，形成于样品表面上的薄膜对应于保护膜。
如图9所示，ECR溅射膜形成装置配备有膜形成腔300、磁线圈303和微波导入窗302。膜形成腔300配备有气体入口301和气体出口309。连接到RF电源308的靶304和加热器305放置在膜形成腔300中。另外，样品台307设置于膜形成腔300中，其上形成薄膜(保护膜)的样品306放置在样品台307上。注意，磁线圈303用于产生生成等离子体所需的磁场，RF电源308用于溅射靶304。此外，微波310通过微波导入窗302被导入到膜形成腔300。
作为用于形成根据本发明的保护膜的靶304，硅靶或硅氧化物靶被使用。例如，若将形成硅氮化物膜，则放置硅靶作为靶304，氮气通过气体入口301以5.5sccm的流速导入膜形成腔300。另外，氩气以40.0sccm的流速导入，从而能有效生成等离子体以增大沉积速率。然后，生成等离子体所需的微波被应用，且预定电压施加到硅靶。这样，硅氮化物膜可形成在置于样品台307上的样品306的表面上。此外，如果氧气代替氮气被导入到膜形成腔300，则能形成硅氧化物膜。
如果要沉积硅氮氧化物膜，则通过应用微波同时将氧气导入硅靶置于其中的膜形成腔300中来生成氧等离子体。然后，硅靶暴露到氧等离子体，从而硅靶被氧化到距硅靶表面数纳米左右的深度(步骤1)。这样，临时形成硅氧化物制成的靶。接着，氮气和氩气被导入膜形成腔300中，同时应用微波以用于产生等离子体状态。然后，硅氧化物制成的靶被溅射，从而硅氮氧化物膜形成在置于样品台307上的样品上(步骤2)。在该场合，硅氮氧化物膜中的氧含量可通过改变氮气和氧气之间的气体比来改变。
然而，在如上所述利用硅靶形成硅氮氧化物膜的情况下，如果氧气被导入膜形成腔300，则由于硅的高氧化属性，如果形成具有低氧含量的硅氮氧化物膜的话，难以控制氧和氮的成分，导致低的可重复性。在这种情况下，由成分式子SipOq(这里0＜p＜1，0＜q＜0.67，p+q＝1)表示的具有低氧化状态的硅氧化物可用作靶304，同时可以仅导入氮气到膜形成腔300中，而没有氧气。然后，产生等离子体所需的微波可被应用，同时预定电压可施加到硅氧化物靶。然后，具有低氧含量的硅氮氧化物膜能较容易地形成。另外，如果使用具有低氧含量的硅氮氧化物制成的靶代替由成分式子SipOq(这里0＜p＜1，0＜q＜0.67，p+q＝1)表示的具有低氧化状态的硅氧化物制成的靶，能得到类似效果。
另外，代替调节硅氮氧化物膜中的氧和氮含量，即成分比，可以改变膜形成条件例如膜形成腔内的真空度、膜形成温度、或者真空度和膜形成温度两者，从而硅氮氧化物膜中的氧含量能被改变，硅氮氧化物膜的成分能被容易的改变。此外，膜形成腔内的真空度越低，氧越容易被引入硅氮氧化物膜中。膜形成温度越高，越难以将氧引入硅氮氧化物膜中。
另外，膜形成腔的内壁(inside wall)会被氧化，或者硅氧化物形成在膜形成腔的内壁上。然后，氩气和氮气可导入膜形成腔中，同时硅靶可用于通过溅射法形成膜。然后，膜形成腔的内壁的氧通过等离子体被除去，从而硅氮氧化物制成的保护膜能被形成。如果通过使用氩气，上述反应溅射法用于溅射所述靶，氩能以很小的量(约0到10％)包含在所形成的保护膜中。在本发明中，无论在是否包含氩的情况下，所形成的保护膜能用于根据本发明的氮化物半导体发光器件。
另外，在形成保护膜之前，可在上述步骤1和步骤2之间进行氮化物半导体层、电极或电极焊盘的表面的清洁，以改善保护膜与氮化物半导体层、电极或电极焊盘之间的粘合属性。清洁可通过加热或通过应用氩等离子体、氮等离子体或者氩和氮混合气体的等离子体来进行。此外，可以结合通过加热的清洁和通过应用等离子体的清洁。在通过应用等离子体清洁的情况下，可以采用两步清洁，其中在应用氩等离子体之后应用氮等离子体，或者以相反顺序进行。此外，可以使用除了氩和氮之外的不活泼气体例如氦(He)、氖(Ne)、氙(Xe)或氪(Kr)。
在通过加热进行清洁的方法中，例如，恰在形成保护膜之前的氮化物半导体发光器件被置于膜形成腔中且在100到500摄氏度被加热，从而附在氮化物半导体层、电极或电极焊盘的表面上的氧化物膜或杂质被去除。在通过应用等离子体进行清洁的方法中，氩等离子体、氮等离子体等施加到氮化物半导体层、电极、电极焊盘等的表面以用于清洁。可以在加热的同时施加等离子体。清洁步骤之后形成保护膜的步骤优选在于温度100至500摄氏度加热的状态下进行。然而，也可以形成保护膜而没有加热。
关于制造根据第一实施例的保护膜的具体方法，硅靶用作图9所示的靶304，氮气以5.5sccm的流速通过气体入口301导入膜形成腔300。此外，氩气以40.0sccm的流速导入该腔，从而能有效生成等离子体以增加沉积速率。然后，来自RF电源308的500W的RF功率施加到硅靶以用于溅射硅靶，生成等离子体所需的500W的微波功率被应用从而以0.17纳米每秒的沉积速率形成保护膜113，其包括对633nm波长的光折射率为2.0的500纳米厚的硅氮化物膜和对所述光折射率为1.4的200纳米厚的硅氧化物膜。
然后，在形成保护膜113后，在导线结合窗114部分的掩模和保护膜113通过浮脱(lift off)法被去除，从而形成导线结合窗114。
接着，450微米厚的n型GaN衬底101被研磨和抛光成130微米厚的n型GaN衬底。接着，采用电子束(EB)气相沉积法，在n型GaN衬底101的与其上形成叠层的上表面相反的表面上依次层叠30纳米厚的铪(Hf)层、200纳米厚的铝(Al)层、30纳米厚的钼(Mo)层、50纳米厚的铂(Pt)层和200纳米厚的金(Au)层以形成n型电极112。
接着，如上所述制造的盘状晶片被解理(cleave)以制成条形。在第一实施例中，{1-100}面被选作解理面(cleavage surface)。接着，涂覆膜(coatingfilm)形成于解理面上。更具体地，采用ECR溅射法，层叠结构形成得接触光发射端的解理面，其中层叠结构包括20纳米厚的铝氮氧化物(AlON)层、150纳米厚的硅氮化物(SiN)膜和140纳米厚的铝氧化物(Al2O3)层。另一方面，在形成包括20纳米厚的铝氮氧化物(AlON)层、150纳米厚的硅氮化物(SiN)膜和140纳米厚的铝氧化物(Al2O3)层的层叠结构以接触发光端的解理面后，层叠四个71纳米厚的硅氧化物膜和46纳米厚的钛氧化物膜的对，使顶表面变成硅氧化物膜。然后，142纳米厚的硅氧化物膜形成在顶表面，从而形成高反射膜。之后，条杆状(bar-like)器件被分割成氮化物半导体激光器芯片。注意，在本发明中通过解理形成的镜面(解理端面)用作谐振器端面。
如上所述制成芯片的氮化物半导体激光器芯片用于图2所示的氮化物半导体激光器芯片203，从而制造了氮化物半导体激光器。更具体地，氮化物半导体激光器芯片203通过使用焊料(金锡)206焊接到作为热沉的子座(SiC)202，然后带有氮化物半导体激光器芯片203的子座202利用焊料(金锡)(未示出)焊接到支承衬底(芯柱)201上。之后，为支承衬底(芯柱)201提供的引脚205用导线204电连接到氮化物半导体激光器芯片203。导线204连接至氮化物半导体激光器芯片203一侧的图1所示的导线结合窗114。换句话说，氮化物半导体激光器芯片203的p型电极焊盘110通过导线204连接到支承衬底(芯柱)201的引脚205。
接着，将参考图3和4说明根据第一实施例的氮化物半导体激光器的老化测试。如上所述制造的根据第一实施例的氮化物半导体激光器用于进行老化测试。氮化物半导体激光器芯片203在开放空气封装中操作，同时测试驱动电压的变化。测试结果显示在图3和4中。图3显示稍后将说明的根据比较例1的氮化物半导体激光器的老化测试结果。图4显示根据第一实施例的氮化物半导体激光器的老化测试结果。
(比较例1)
为了与根据第一实施例的氮化物半导体激光器比较，没有保护膜113的氮化物半导体激光器被制成与第一实施例类似的芯片，从而形成比较例1的氮化物半导体激光器芯片。然后，类似于上述方法，通过将其安装在支承衬底(芯柱)上，形成了比较例1的氮化物半导体激光器。
(老化测试)
根据第一实施例的氮化物半导体激光器和根据比较例1的氮化物半导体激光器被用于进行老化测试。在输出功率连续对应于10mW(CW)的条件下，在70摄氏度温度和20-40％湿度的环境空气中进行老化测试。在第一实施例中，图2所示的无帽状态的氮化物半导体激光器用于进行老化测试。
如图3所示，一些比较例1的氮化物半导体激光器在约100小时后具有约1V的Vop(操作电压)电压上升。另一方面，如图4所示，第一实施例的氮化物半导体激光器没有Vop(操作电压)电压上升，它们每个在1000小时或更长时间后稳定地操作。从该结果看出，所形成的保护膜113可抑制Vop(操作电压)的电压上升，从而即使氮化物半导体激光器在环境空气中操作，器件也能稳定操作。
所形成的保护膜113可抑制Vop(操作电压)的电压上升从而即使氮化物半导体激光器在环境空气中操作时器件也能稳定操作的机制可认为如下。
与干燥空气不同，环境空气包含许多湿气(H2O、-H基和-OH基)。由于比较例1的氮化物半导体激光器中没有形成保护膜，所以包含在环境湿气中的氢分子经过比较例1的氮化物半导体激光器顶表面的p型电极焊盘110和p型电极115并通过其扩散。所扩散的氢分子到达形成在p型电极焊盘110底表面的绝缘膜109，从而经过绝缘膜109且通过其扩散。此外，氢分子经过p型AlGaInN包层107和p型AlGaInN接触层108并通过其扩散，且进一步经过p型AlGaInN层106且通过其扩散。认为当氢分子通过p型AlGaInN层106、p型AlGaInN包层107和p型AlGaInN接触层108扩散时，通过至少一层扩散的氢分子补偿该层中的Mg掺杂剂，从而变得具有高电阻。
另一方面，由于在第一实施例的氮化物半导体激光器中形成了保护膜113，所以认为包含在环境湿气中的氢分子与保护膜中包括的硅氮化物膜的Si基相结合且积累在保护膜中，从而扩散被抑制。因此，认为氢分子不到达p型AlGaInN层106、p型AlGaInN包层107和p型AlGaInN接触层108中的任一个，从而由于氢分子补偿Mg掺杂剂而引起的高电阻现象能被抑制。如上所述，由p型氮化物半导体层的高电阻引起的Vop(操作电压)的增大可通过在电流注入到其中的p型氮化物半导体层上形成保护膜113而被抑制，从而氮化物半导体激光器芯片可稳定操作。此外，如果p型氮化物半导体层包含铝且如果铝含量较高，存在更频繁地引起电压上升的趋势。
接着，将参考图5和6说明构成第一实施例的保护膜113的硅氮化物膜的厚度与输出之间的关系。图5是示出构成第一实施例的氮化物半导体激光器的保护膜的硅氮化物膜的厚度与输出之间的关系的图。图6是图5所示的示出硅氮化物膜的厚度与输出之间的关系的图的一部分的放大视图。
(样品制备)
制造氮化物半导体激光器芯片，使得保护膜113中硅氮化物膜的厚度为1至500微米，所获得的氮化物半导体激光器芯片用于制造氮化物半导体激光器。
(老化测试)
上述氮化物半导体激光器用于在70摄氏度温度和20-40％湿度的环境空气中在输出功率连续对应于10mW(CW)的条件下进行老化测试。注意，类似于上述情况，老化测试在图2所示的无帽状态下进行。
(输出评估)
在如上所述进行1000小时或更长时间的老化测试后，评估不导致电压上升的氮化物半导体激光器的输出。
如图5所示，存在这样的趋势，即随着硅氮化物膜的厚度变大，获得更高的输出。另外，如图6所示，当硅氮化物膜的厚度为6纳米时，输出大幅增大至约70％。根据该结果，硅氮化物膜的厚度优选为6纳米或更大以长时间稳定操作氮化物半导体激光器。如果硅氮化物膜的厚度小于6纳米，由于薄的硅氮化物膜，厚度控制变得困难。在这种状况下，会有未形成硅氮化物膜的部分。结果，包含在环境湿气中的氢分子能容易地穿过未充分形成硅氮化物膜的部分到达p型氮化物半导体层。这样，认为当氢分子经过p型氮化物半导体层且通过其扩散时，p型氮化物半导体层将变得具有高电阻，从而发生电压上升，导致输出下降。另外，如图5所示，为了抑制氮化物半导体激光器的Vop(操作电压)的上升1000小时或更长时间，使得器件能长时间稳定操作，硅氮化物膜的厚度应优选80纳米或更大，更优选地，300纳米或更大。虽然这里描述了保护层113中硅氮化物层的厚度，硅氮氧化物膜的厚度也优选6nm或更大从而获得相同效果。
(第二实施例)
接着将说明本发明的第二实施例。在本发明的第二实施例中，保护膜113形成为500纳米厚的单层硅氮氧化物膜(SiO1-xNx)的保护膜113b，从而制造第二实施例的氮化物半导体激光器。作为该保护膜113b的俄歇(Auger)分析的结果，保护膜113b(硅氮氧化物膜(SiO1-xNx))中氮的成分比x为0.6。与上述第一实施例类似地进行根据第二实施例的具有该保护膜113b的氮化物半导体激光器的老化测试。结果，类似于第一实施例，在第二实施例的氮化物半导体激光器中也没有发现老化引起的电压上升，证实氮化物半导体激光器能长时间稳定工作。注意，第二实施例的结构与第一实施例相同，除了保护膜113b替代保护膜113外。
(第三实施例)
接着将说明本发明的第三实施例。在本发明的第三实施例中，保护膜113形成为两层的保护膜113c，包括形成在p型电极焊盘110的上表面上的300纳米厚的硅氮氧化物膜和形成在硅氮氧化物膜的上表面上的120纳米厚的硅氧化物膜，从而制成第三实施例的氮化物半导体激光器。作为该保护膜113c的俄歇(Auger)分析的结果，保护膜113c中包括的硅氮氧化物膜(SiO1-xNx)中氮的成分比x为0.8。与第一实施例类似地进行根据第三实施例的具有该保护膜113c的氮化物半导体激光器的老化测试。结果，在第三实施例的氮化物半导体激光器中也没有发现老化引起的电压上升，证实氮化物半导体激光器能长时间稳定工作。注意，第三实施例的结构与第一实施例相同，除了保护膜113c替代保护膜113外。
(第四实施例)
接着将说明本发明的第四实施例。在本发明的第四实施例中，保护膜113形成为两层的保护膜113d，包括形成在p型电极焊盘110的上表面上的50纳米厚的硅氧化物膜和形成在硅氧化物膜的上表面上的300纳米厚的硅氮化物膜，从而制成第四实施例的氮化物半导体激光器。与第一实施例类似地进行根据第四实施例的具有该保护膜113d的氮化物半导体激光器的老化测试。结果，在第四实施例的氮化物半导体激光器中也没有发现老化引起的电压上升，证实氮化物半导体激光器能长时间稳定工作。注意，第四实施例的结构与第一实施例相同，除了保护膜113d替代保护膜113外。
(第五实施例)
接着将说明本发明的第五实施例。在本发明的第五实施例中，保护膜113形成为三层的保护膜113e，包括形成在p型电极焊盘110的上表面上的50纳米厚的硅氧化物膜，形成在硅氧化物膜的上表面上的300纳米厚的硅氮化物膜，以及形成在硅氮化物膜的上表面上的120纳米厚的硅氧化物膜，从而制成第五实施例的氮化物半导体激光器。与第一实施例类似地进行根据第五实施例的具有该保护膜113e的氮化物半导体激光器的老化测试。结果，在第五实施例的氮化物半导体激光器中也没有发现老化引起的电压上升，证实氮化物半导体激光器能长时间稳定工作。注意，第五实施例的结构与第一实施例相同，除了保护膜113e替代保护膜113外。
(第六实施例)
接着将说明本发明的第六实施例。在本发明的第六实施例中，保护膜113形成为150纳米厚的单层硅氮化物膜的保护膜113f，从而制成第六实施例的氮化物半导体激光器。与第一实施例类似地进行根据第六实施例的具有该保护膜113f的氮化物半导体激光器的老化测试。结果，在第六实施例的氮化物半导体激光器中也没有发现老化引起的电压上升，证实氮化物半导体激光器能长时间稳定工作。注意，第六实施例的结构与第一实施例相同，除了保护膜113f替代保护膜113外。
(第七实施例)
接着参考图7说明本发明的第七实施例。图7是根据本发明第七实施例的氮化物半导体激光器芯片的透视图。根据本发明的第七实施例，如图7所示，保护膜116形成在整个脊条部分111和p型电极焊盘110的在脊条部分111附近的部分上表面上。
与第一实施例类似地进行根据第七实施例的氮化物半导体激光器的老化测试。结果，在第七实施例的氮化物半导体激光器中也没有发现老化引起的电压上升，证实氮化物半导体激光器能长时间稳定工作。根据该结果认为，如果保护膜至少覆盖脊条部分111，则老化引起的电压上升能被抑制，从而获得长时间的稳定操作。另外，优选地，形成在p型电极焊盘110的上表面上的保护膜116形成得使脊条部分111的边缘与保护膜116的边缘之间的距离(d)为3微米或更大。如果保护膜116以此方式形成，则第七实施例的氮化物半导体激光器能长时间稳定操作。注意，第七实施例的结构与第一实施例相同，除了保护膜116的结构不同于保护膜113的结构以外。另外，保护膜116的层结构可与保护膜113、113b-113f相同。
(第八实施例)
接着参考图8说明本发明的第八实施例。图8是根据本发明第八实施例的氮化物半导体激光器芯片的透视图。根据本发明第八实施例，如图8所示，保护膜117形成得覆盖作为电流注入区的部分脊条部分111和p型电极焊盘110的部分上表面。换句话说，如图8所示，保护膜117形成得使沿谐振器方向(Y方向)的长度(L2)小于谐振器长度(L1)(沿谐振器方向的脊条部分111的长度)。
在第八实施例中，与第一实施例类似地进行其中沿谐振器方向(Y方向)的保护膜117的长度(L2)被改变的氮化物半导体激光器的老化测试。结果，在L2/L1≥0.3的条件下没有发现老化引起的电压上升，证实了氮化物半导体激光器可长时间稳定工作。另外，随着L2/L1的值接近1，其效果变得更大。根据该结果，如果至少30％或更多的脊条部分111被保护膜覆盖在作为电流注入区的脊条部分111上，则能获得抑制老化引起的电压上升的效果。注意，脊条部分111的边缘和保护膜117的边缘之间的距离(d)优选为3微米或更大。另外，第八实施例的结构与第一实施例相同，除了保护膜117的结构不同于保护膜113的结构以外。另外，保护膜117的层结构可与保护膜113和113b-113f相同。
注意，上述每个实施例仅是示例，而不应以限制的方式理解。本发明的范围不应由以上说明来定义，而应由所附权利要求定义，所附权利要求意在包括其等价意义和范围，以及该范围内的全部修改。
例如，尽管在第一至八实施例的描述中以氮化物半导体激光器作为氮化物半导体发光器件的例子，但本发明不限于该结构。氮化物半导体发光器件可以是氮化物半导体发光二极管等。另外，尽管在第一至八实施例的描述中以脊条型氮化物半导体激光器作为氮化物半导体激光器的例子，但本发明不限于该结构。氮化物半导体激光器可以是面发光氮化物半导体激光器等。注意，透光电极之下的p型氮化物半导体层区域被称为电流注入区，而发光表面是面发光氮化物半导体激光器和氮化物半导体发光二极管中的发光区域。
另外，尽管在上述第一至八实施例的描述中以GaN衬底作为氮化物半导体衬底的例子，但本发明不限于该结构。氮化物半导体衬底可以是AlGaN衬底、AlN衬底等。
另外，尽管在上述第一至八实施例的描述中以其中保护膜形成在电流注入区上的结构作为例子，但本发明不限于该结构。可采用另一结构，其中保护膜形成在p型氮化物半导体层上。在该结构中，当氮化物半导体发光器件在环境空气中操作时，也能防止环境空气中的湿气中包含的氢分子到达p型氮化物半导体层。因此，能阻止氢分子穿透p型氮化物半导体层并通过其扩散，从而抑制由于p型氮化物半导体层变得具有高电阻而引起的氮化物半导体发光器件的电压上升。这样，氮化物半导体发光器件能长时间稳定工作。注意，形成在p型氮化物半导体层上的保护膜可具有与第一至八实施例的保护膜相同的结构。
另外，尽管构成在第二和第三实施例的以上说明中例举的保护膜的硅氮氧化物膜(SiO1-xNx)具有其中氮的成分比x为0.6或0.8的结构，但本发明不限于该结构。如果氮的成分比x满足条件0＜x≤1，优选地0.1≤x≤1，更优选地0.4≤x≤1，则硅氮氧化物膜(SiO1-xNx)中氮的成分比x是足够的。此外，尽管在以上描述中以俄歇分析(AES)为例作为测量氮含量的方法，但是该方法还可以是采用TEM(透射电子束衍射显微镜)的EDX分析(能量色散荧光x射线分析)等。注意，本发明的硅氮氧化物膜中的氮成分比x意味着形成硅氮氧化物膜时溅射膜中包含的氧含量和氮含量之间的比确定的值，而不包括氩或杂质。
本发明中使用的保护膜不限于在上述第一至八实施例中描述的保护膜，它可具有其中层叠硅氮化物膜或硅氮氧化物膜的多层结构。另外，它可具有其中层叠硅氮化物膜和硅氮氧化物膜的多层结构。此外，当硅氮氧化物膜被层叠从而形成多层保护膜时，硅氮氧化物膜的每层中的氧含量(或氮含量)可在保护膜的厚度方向，即氮化物半导体层的层叠方向上彼此不同，层中的氧含量(或氮含量)可逐步改变。作为用于本发明的保护膜，从与电极的粘合性和应力的角度，例如可使用表1所示的保护膜。在表1所示的分层保护膜的任意一个中能获得与以上所述的效果类似的效果。
另外，用于本发明的保护膜可包括绝缘膜例如硅氧化物膜等，如上面在第一和第三至第五实施例中描述的那样，或者可不包括绝缘膜例如硅氧化物膜等，如在第二和第六实施例中描述的那样。除了硅氧化物，可以使用钛氧化物、硅氧化物、铌氧化物、钽氧化物、锆氧化物等。
表1
Figure A20081012728800211
与硅氮氧化物膜相比，用于本发明的保护膜更优选为硅氮化物膜。例如，如果将被使用的硅氮化物膜和硅氮氧化物膜具有相同的厚度，则抑制电压上升的效果随着氮含量变大而变大。换句话说，硅氮化物膜中的氮含量越大，则抑制电压上升的效果越大。因此，硅氮化物膜能以比硅氮氧化物膜更薄的厚度获得与硅氮氧化物膜相同的效果。
另外，从铝(Al)、锆(Zr)、铪(Hf)、钽(Ta)、铌(Nb)、钛(Ti)、镓(Ga)、钒(V)、钇(Y)等构成的组选择的至少一种或更多种添加物可掺杂到用于本发明的硅氮化物膜或硅氮氧化物膜中。在该情况下，优选添加物的掺杂比为硅氮化物膜或硅氮氧化物膜的10％或更小。
另外，尽管在第一至八实施例的以上描述中以钼(Mo)和金(Au)制成的电极焊盘，钯(Pd)制成的p型电极以及铪(Hf)、铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)和金(Au)制成的n型电极为例，但本发明不限于该结构，电极焊盘和电极可由金属材料例如镍(Ni)、钯(Pd)、金(Au)、铂(Pt)、钼(Mo)、铝(Al)、铪(Hf)等制成。
另外，尽管在上述第一至八实施例中以硅氧化物和钛氧化物制成的绝缘膜作为形成在氮化物半导体层的上表面上的绝缘膜的例子，但本发明不限于该结构。绝缘膜可由绝缘材料例如铝氧化物、钛氧化物、硅氧化物、铌氧化物、钽氧化物、锆氧化物等制成。
另外，在上述第一至八实施例中以无帽状态进行老化测试，可以通过预先压配而将没有透镜的帽附着到支承衬底以用于保护导线，从而防止导线通过老化而失效。

Claims (16)

1.一种氮化物半导体发光器件，包括：
氮化物半导体衬底；以及
形成在该氮化物半导体衬底上的具有p型氮化物半导体层的氮化物半导体层，其中
该氮化物半导体层具有电流注入到其中的电流注入区，且
由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜形成在该电流注入区上。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中电极和/或电极焊盘形成在该电流注入区上，该保护膜形成在该电极和/或电极焊盘上。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中该电流注入区是脊条结构。
4.一种氮化物半导体发光器件，包括：
氮化物半导体衬底；以及
形成在该氮化物半导体衬底上的具有p型氮化物半导体层的氮化物半导体层，其中
由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜形成在该p型氮化物半导体层上。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中该硅氮化物膜或该硅氮氧化物膜的厚度为6纳米或更大。
6.根据权利要求4所述的氮化物半导体发光器件，其中该硅氮化物膜或该硅氮氧化物膜的厚度为6纳米或更大。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中该硅氮氧化物膜由通式SiO1-xNx表示，该硅氮氧化物膜中氮的成分比x是0.1或更大。
8.根据权利要求4所述的氮化物半导体发光器件，其中该硅氮氧化物膜由通式SiO1-xNx表示，该硅氮氧化物膜中氮的成分比x是0.1或更大。
9.一种制造氮化物半导体发光器件的方法，包括步骤：
在氮化物半导体衬底上形成具有p型氮化物半导体层的氮化物半导体层；
在该氮化物半导体层中形成电流注入到其中的电流注入区；以及
在该电流注入区上形成由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜。
10.根据权利要求9所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，还包括步骤：
在该电流注入区上形成电极和/或电极焊盘；以及
在该电极和/或电极焊盘上形成该保护膜。
11.根据权利要求9所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，还包括在该氮化物半导体层中形成脊条结构从而该电流注入区具有该脊条结构的步骤。
12.一种制造氮化物半导体发光器件的方法，包括步骤：
在氮化物半导体衬底上形成具有p型氮化物半导体层的氮化物半导体层；以及
在该p型氮化物半导体层上形成由硅氮化物膜和/或硅氮氧化物膜构成的保护膜。
13.根据权利要求9所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，还包括形成该硅氮化物膜或该硅氮氧化物膜使得该硅氮化物膜或该硅氮氧化物膜的厚度为6纳米或更大的步骤。
14.根据权利要求12所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，还包括形成该硅氮化物膜或该硅氮氧化物膜使得该硅氮化物膜或该硅氮氧化物膜的厚度为6纳米或更大的步骤。
15.根据权利要求9所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，还包括形成该硅氮氧化物膜使得该硅氮氧化物膜由通式SiO1-xNx表示且该硅氮氧化物膜中氮的成分比x为0.1或更大的步骤。
16.根据权利要求12所述的制造氮化物半导体发光器件的方法，还包括形成该硅氮氧化物膜使得该硅氮氧化物膜由通式SiO1-xNx表示且该硅氮氧化物膜中氮的成分比x为0.1或更大的步骤。
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