CN101527427B - 半导体光元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体光元件的制造方法，该方法可以通过简单的步骤防止波导脊顶部的半导体层和电极的接触面积的减少，并可以防止波导脊顶部的半导体层因蚀刻而受到损伤。该方法包括如下步骤：以抗蚀剂作为掩模对第二半导体层进行蚀刻，直至蚀刻到第二半导体层中途，从而形成在底部残留有第二半导体层的凹部以及与该凹部相邻的波导脊；在残留有抗蚀剂的状态下，在波导脊和凹部上形成绝缘膜；利用形成在抗蚀剂上的绝缘膜和形成在凹部上的绝缘膜的蚀刻速度的不同，除去形成在抗蚀剂上的绝缘膜使抗蚀剂露出，但同时保留形成在凹部上的绝缘膜；除去露出的抗蚀剂；除去抗蚀剂之后，在波导脊顶部形成电极。

Description

半导体光元件的制造方法
技术领域
本发明涉及在波导脊(導波路リツジ)顶部形成电极的半导体光元件的制造方法，特别涉及一种半导体光元件的制造方法，该方法可以通过简单的步骤防止波导脊顶部的半导体层和电极的接触面积的减少，并可以防止波导脊顶部的半导体层因蚀刻而受到损伤。
背景技术
近年来，广泛进行了使用AlGaInN等氮化物系III-V族化合物半导体作为半导体激光器的研究开发，并已经被实用化，所述半导体激光能够发出光盘的高密度化所必需的从蓝色区域到紫外区域的光。
这样的蓝紫色LD(下面将激光二极管记作LD)是在GaN衬底上结晶生长化合物半导体而形成的。作为代表性的化合物半导体，有III族元素和V族元素结合而得到的III-V族化合物半导体。通过使多个III族原子或V族原子以各种组成比结合，可得到混合晶体化合物半导体。作为在蓝紫色LD中使用的化合物半导体，例如有GaN、GaPN、GaNAs、InGaN、AlGaN等。
在波导脊型的LD中，波导脊被绝缘膜覆盖。在该绝缘膜的波导脊顶部设置开口，通过所述开口电极与作为波导脊的最上层的接触层连接。
绝缘膜的开口通过使用了在形成波导脊时使用的抗蚀剂掩模的剥离(lift-off)法而形成。所述抗蚀剂掩模由于沿着接触层的表面凹入，因此在剥离后，部分绝缘膜残留在所述凹入部分中。由于该残留的绝缘膜，导致存在如下的问题：与波导脊顶部的接触层的总表面积相比，电极与接触层相接触的接触面积减小。
由于在红色LD中使用接触电阻较低的GaAs等作为接触层的材料，因此，即使接触面积减小，与电极的接触电阻也不会过于增加。但是，在蓝紫色LD中，由于使用接触电阻较高的GaN等作为接触层的材料，因此，接触面积的减少使得与电极的接触电阻大幅增加，从而导致工作电压上升。
为了解决该问题，提出了下面的方法。首先，在半导体层压结构上形成电极。接着，在电极上形成抗蚀剂，对电极进行蚀刻，再对半导体层压结构进行蚀刻直至蚀刻到层压结构的中途，从而形成波导脊。接着，以残留有抗蚀剂的状态在晶片上表面形成绝缘膜。接着，除去抗蚀剂使波导脊的上表面露出。然后，以覆盖电极的方式形成p型焊盘电极(パツド電極)(例如，参照专利文献1第9页第42～50行以及图1)。
另外，还提出了下面的方法。首先，对部分半导体层压结构进行蚀刻而形成波导脊。接着，在波导脊的表面形成绝缘膜。然后在绝缘膜上依次形成底层抗蚀剂和上层抗蚀剂。其中，底层抗蚀剂使用的是仅对波长小于300nm的光反应的抗蚀剂，而上层抗蚀剂使用的是仅对波长300nm以上的光反应的抗蚀剂。接着，以波导脊附近的底层抗蚀层露出的方式对上层抗蚀剂进行图形化。然后以波导脊上的绝缘膜露出的方式对底层抗蚀剂进行图形化。接着，进行蚀刻以除去波导脊外侧的绝缘膜。然后除去残留的底层抗蚀剂和上层抗蚀剂，蒸镀金属层作为电极(例如，参照专利文献2第0024～0034段以及图7～图18)。
另外，还提出了下面的方法。首先，使用金属掩模对接触层进行蚀刻。接着，在残留有金属掩模的状态下，以接触层作为掩模对半导体层压结构进行蚀刻而形成波导脊。然后在整个面上形成绝缘膜，通过剥离除去金属掩模和形成在金属掩模上的绝缘膜。接着，利用光刻法形成使p侧电极露出的抗蚀剂。以该抗蚀剂为掩模对电极材料进行真空蒸镀。接着，通过剥离除去抗蚀剂和抗蚀剂上的电极材料，形成与波导脊的接触层相接触的电极(例如，参照专利文献3第0025～0034段以及图1)。
此外，还提出了下面的方法。首先，在接触层上形成第一保护膜，并在该第一保护膜上形成条纹状的第二保护膜。接着，在带有第二保护膜的状态下对第一保护膜进行蚀刻，然后除去第二保护膜，将第一保护膜成型为条纹状。接着，以第一保护膜为掩模对半导体层压结构进行蚀刻直至蚀刻到层压结构中途，由此形成波导脊。接着，在波导脊的侧面和通过蚀刻而露出的半导体层的平面上形成第三保护膜，所述第三保护膜是与第一保护膜不同的绝缘材料。然后，通过剥离只除去第一保护膜，并在与第三保护膜接触的接触层上形成与接触层电连接的电极(例如，参照专利文献4第0020～0027段以及图1)。
采用这些方法，可以防止波导脊的接触层与电极的接触面积的减少。但是，由于包含对金属电极和半导体层同时进行蚀刻的步骤、在使用两层抗蚀剂时的残留有底层抗蚀剂而停止上层抗蚀剂的蚀刻的步骤、使用金属掩模的步骤、以及使用多个保护膜时进行剥离的步骤，因此不能稳定地制造特性一致的器件，步骤自由度低。
因此，为了通过简便的步骤来防止波导脊的接触层与电极的接触面积的减少，提出了以下的方法。首先，通过在层压有半导体层的晶片上形成沟部来形成波导脊。接着，在晶片的整个面上形成SiO2膜。接着，以沟部的膜厚比波导脊顶部厚的方式形成抗蚀剂。然后通过干法蚀刻除去波导脊顶部的抗蚀剂，同时保留沟部的抗蚀剂。接着，以抗蚀剂为掩模进行蚀刻，确实地除去形成在波导脊顶部的SiO2膜，同时保留形成在沟部侧面和底部的SiO2膜。接着，除去抗蚀剂，然后在波导脊顶部形成电极。
另外，还提出了下面的方法。首先，在p型接触层的上面形成条纹状的金属层。接着，进行热处理(合金化)而形成p侧欧姆电极。然后，以p侧欧姆电极为掩模，使用氯气(Cl2)作为蚀刻气体进行蚀刻，直到p型引导层露出(例如，参照专利文献5第0035～0038段以及图2)。
另外，还提出了下面的方法。首先，在p侧接触层的基本整个面上形成包含Si氧化物的第一保护膜，并在该第一保护膜上形成条纹状的第三保护膜。在带有第三保护膜的状态下对第一保护膜进行蚀刻，除去第三保护膜，形成条纹状的第一保护膜。接着，从未形成第一保护膜的部分对p侧接触层进行蚀刻，从而在第一保护膜的正下方部分形成对应于保护膜形状的条纹状的波导区域。接着，在条纹状的波导的侧面、被蚀刻而露出的氮化物半导体层(p侧覆(clad)层)的平面以及第一保护膜上形成第二保护膜，所述第二保护膜是与第一保护膜不同的绝缘材料。接着，通过例如使用氢氟酸的干法蚀刻除去第一保护膜。由此，只是除去了形成在第一保护膜上的第二保护膜，在条纹状波导脊的侧面和p侧覆层的平面连续地形成第二保护膜(例如，参照专利文献6第0018～0024段以及图6)。
另外，还提出了下面的方法。首先，在蓝宝石衬底上形成GaN系材料的外延生长层，并在最外层的p-GaN接触层上形成条纹状的第一掩模(SiO2膜)。接着，以第一掩模作为掩模进行干法蚀刻，形成波导脊条纹。接着，在波导脊条纹的两肋和第一掩模上无序地形成AlGaN埋入层，在AlGaN埋入层上形成第二掩模(SiO2膜)，再通过旋涂法形成抗蚀剂。对该抗蚀剂而言，对应于波导脊条纹的顶部的SiO2膜的部分比波导脊条纹的两肋要薄。然后，通过利用氧气等进行的干法蚀刻除去对应于波导脊条纹部的部分抗蚀剂，使第二掩模露出。使用CF4选择性地对该露出的第二掩模进行蚀刻，使AlGaN埋入层露出。接着，通过酸处理除去残留的抗蚀剂，使第二掩模露出。以该第二掩模作为掩模进行湿法蚀刻，除去AlGaN埋入层，使波导脊顶部的第一掩模露出。然后，通过湿法蚀刻除去第一掩模和第二掩模(例如，参照专利文献7第0030～0040段以及图2～图12)。
此外，还提出了下面的方法。首先，通过MOCVD等在蓝宝石衬底上形成GaN系层压结构。接着，在该层压结构的接触层上形成条纹状的电极。接着，以该电极作为掩模形成波导脊。接着，以包含波导脊的两侧和波导脊所含有的覆层的两侧面以及接触层的两侧面各自的下部的方式形成绝缘层。接着，在绝缘层上涂敷抗蚀剂。该抗蚀剂在波导脊上涂敷的薄，而在波导脊的两肋涂敷的厚，从而使抗蚀剂的顶面的高度基本上为同一高度。然后，通过蚀刻使电极的顶面和两侧面、接触层的两侧面的各自的上部露出，形成与台面式晶体管结构具有同样宽度的条纹状的金属膜(例如，参照专利文献8第0064～0073段以及图3～图16)。
专利文献1：WO/2003/085790号公报
专利文献2：日本特开2000-22261号公报
专利文献3：日本特开2000-340880号公报
专利文献4：日本特开2003-142769号公报
专利文献5：日本特开2004-253545号公报
专利文献6：日本特开2000-114664号公报
专利文献7：日本特开2000-164987号公报
专利文献8：日本特开2002-335043号公报
发明内容
在以往的方法中，首先形成波导脊，并由SiO2膜进行覆盖。接着，在整个面上涂布抗蚀剂，一边保留沟部的抗蚀剂一边除去波导脊顶部的抗蚀剂。接着，以该抗蚀剂作为掩模，从表面同样地对露出的SiO2膜进行蚀刻，除去波导脊顶部的SiO2膜并保留沟部的侧面和底部的SiO2膜，从而在波导脊顶部形成SiO2膜的开口部。
但是，如果在除去SiO2膜时使用干法蚀刻，则被SiO2膜覆盖的波导脊顶部的半导体层因蚀刻而受到损伤。例如，波导脊顶部的半导体层为p型接触层时，导致接触电阻增加。此外，由于GaN系材料难以被湿法蚀刻，因此当p型接触层由GaN系材料构成时，难以通过湿法蚀刻而除去该损伤部分。
本发明是为了解决上述问题而进行的，其目的在于提供一种半导体光元件的制造方法，该方法可以通过简单的步骤防止波导脊顶部的半导体层和电极的接触面积的减少，并可以防止波导脊顶部的半导体层因蚀刻而受到损伤。
本发明的半导体光元件的制造方法包括如下步骤：在衬底上依次层压第一导电型的第一半导体层、活性层和第二导电型的第二半导体层；在第二半导体层上涂布抗蚀剂，并通过光刻法使抗蚀剂形成条纹状图形；以抗蚀剂作为掩模对第二半导体层进行干法蚀刻，直至蚀刻到第二半导体层中途，从而形成在底部残留有第二半导体层的凹部以及与该凹部相邻的波导脊；在残留有抗蚀剂的状态下，在波导脊和凹部上形成绝缘膜；利用形成在抗蚀剂上的绝缘膜和形成在凹部上的绝缘膜的蚀刻速度的不同，除去形成在抗蚀剂上的绝缘膜使抗蚀剂露出，但同时保留形成在凹部上的绝缘膜；除去露出的抗蚀剂；除去抗蚀剂之后，在波导脊顶部形成电极。本发明的其他特征可以从下面的说明中得到明确。
发明的效果
按照本发明，可以通过简单的步骤防止波导脊顶部的半导体层和电极的接触面积的减少，并可以防止波导脊顶部的半导体层因蚀刻而受到损伤。
附图说明
图1是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
图2是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
图3是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
图4是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
图5是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
图6是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
图7是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
图8是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
图9是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
图10是用于说明本发明实施方式的半导体光元件的制造方法的截面图。
符号说明
11n型GaN衬底(衬底)
13n型覆层(第一半导体层)
14n型覆层(第一半导体层)
15n型覆层(第一半导体层)
16n侧光引导层(第一半导体层)
17n侧SCH层(第一半导体层)
18活性层
19p侧SCH层(第二半导体层)
20电子势垒层(第二半导体层)
21p侧光引导层(第二半导体层)
22p型覆层(第二半导体层)
23接触层(第一半导体层)
24抗蚀剂
25沟道(凹部)
26波导脊
28SiO2膜(绝缘膜)
29p侧电极(电极)
具体实施方式
参照附图对本发明实施方式的半导体光元件的制造方法进行说明。
首先，如图1所示，在利用预先热清洗等对表面进行清洗后的作为n型GaN衬底11(衬底)的一个主面的Ga面上，利用有机金属化学气相沉积法(下面称为MOCVD法)，在例如1000℃的生长温度下形成包含n型GaN的缓冲层12。n型GaN衬底11的层厚为100μm左右，缓冲层12的层厚为1μm左右。
在其上依次层压n型覆层13、n型覆层14、n型覆层15、n侧光引导层16、n侧SCH(分离限制异质结构，Separate Confinement Heterostructure)层17、活性层18、p侧SCH层19、电子势垒层20、p侧光引导层21、p型覆层22和接触层23。
其中，n型覆层13包含层厚400nm的n型Al0.07Ga0.93N；n型覆层14包含层厚1000nm的n型Al0.045Ga0.955N；n型覆层15包含层厚300nm的n型Al0.015Ga0.985N；n侧光引导层16包含层厚80nm的无掺杂In0.02Ga0.98N；n侧SCH层17包含层厚30nm的无掺杂In0.02Ga0.98N。
活性层18是在n侧SCH层17上依次层压了层厚5nm的无掺杂In0.12Ga0.88N的阱(well)层、层厚8nm的无掺杂In0.02Ga0.98N的势垒(barrier)层和层厚5nm的无掺杂In0.12Ga0.88N的阱层而形成的二重量子阱结构。
p侧SCH层包含膜厚30nm的无掺杂In0.02Ga0.98N；电子势垒层20包含层厚20nm的p型Al0.2Ga0.8N；p侧光引导层21包含层厚100nm的p型Al0.2Ga0.8N；p型覆层22包含层厚500nm的p型Al0.07Ga0.93N；接触层23包含层厚20nm的p型GaN。
n型覆层13～15是n型(第一导电型)的第一半导体层；p型覆层22和接触层23是p型(第二导电型)的第二半导体层。其中，第二半导体层可以是一层也可以是三层以上。需要说明的是，使用Si作为n型杂质，使用Mg作为p型杂质。
接着，如图2所示，在接触层23上涂敷抗蚀剂24，通过光刻法使抗蚀剂24形成条纹状图形。条纹状的抗蚀剂的宽度为1.5μm，条纹状的抗蚀剂24之间的间隔为10μm。需要说明的是，由于比p侧光引导层21更下面一侧的层没有变化，因此省略其图示。
接着，如图3所示，以抗蚀剂24作为掩模，例如通过RIE(ReactiveIon Etching；反应离子蚀刻)对接触层23和p型覆层22进行蚀刻，直至蚀刻到p型覆层22的中途。由此，形成在底部残留有p型覆层22的沟道25(凹部)以及与沟道25相邻的波导脊26和电极焊盘基台27。
其中，波导脊26设置在作为激光二极管的共振器端面的解理(劈開)端面的宽度方向的中央部分，并延伸到作为共振器端面的两个解理端面之间。该波导脊26的长度方向的尺寸即共振器长度为1000μm，与其长度方向垂直方向的波导脊宽度为1μm～几十μm，例如为1.5μm。电极焊盘基台27是通过沟道25形成在波导脊26的两外侧的台状部分。距离波导脊26的沟道25的底面的高度a为500nm(0.5μm)左右。沟道25的宽度为10μm。
接着，如图4所示，在残留有抗蚀剂24的状态下，利用CVD法、溅射法或蒸镀法等，在沟道25、波导脊26和电极焊盘基台27上形成SiO2膜28(绝缘膜)。SiO2膜28的膜厚为0.2μm。SiO2膜28将波导脊26和电极焊盘基台27上残留的抗蚀剂24的上面和侧面、沟道25的底面和侧面覆盖。
此处，与沟道25上、即p型覆层22和接触层23上的SiO2膜28的膜质相比，在抗蚀剂24上形成的SiO2膜28的膜质并不致密。因此，与沟道25上的SiO2膜28相比，抗蚀剂24上的SiO2膜28的蚀刻速度更快。特别是，使用溅射法形成SiO2膜28时，所述蚀刻速度之差更大。
利用所述蚀刻速度的不同，如图5所示，利用使用了缓冲的氢氟酸等进行的湿法蚀刻，除去形成在抗蚀剂24上的SiO2膜28使抗蚀剂24露出，同时保留形成在沟道25上的SiO2膜28。需要说明的是，也可以进行采用CF4气体等进行的干法蚀刻来代替湿法蚀刻。
接着，如图6所示，通过有机溶剂除去露出的抗蚀剂24。需要说明的是，可以使用硫酸和过氧化氢的混合液或者O2灰化机(アツシヤ)除去抗蚀剂24。另外，也可考虑使用通过丙酮超声波处理同时除去抗蚀剂24和形成在抗蚀剂24上的SiO2膜28的剥离法，但在超声波处理时，有时会产生SiO2膜28的残渣，因而不优选。
接着，如图7所示，利用真空蒸镀法在波导脊26顶部的接触层23上依次层压AuGa、Au、Pt和Au，形成p侧电极29(电极)。具体来说，在整个面上涂敷抗蚀剂(未图示)，利用光刻法在波导脊26的最上层即接触层23的上表面、波导脊26的侧壁和沟道25底部的一部分上形成开口。然后，在整个面上形成p侧电极29，利用剥离法除去抗蚀剂和形成在抗蚀剂上的SiO2膜28。其结果，p侧电极29与接触层23电连接，并将SiO2膜28的上端、波导脊26侧壁的SiO2膜28以及沟道25底部的SiO2膜28的一部分覆盖。
接着，如图8所示，形成SiO2膜30。具体来说，在整个面上涂敷抗蚀剂(未图示)，利用光刻法在除了p侧电极29上的部分形成开口。然后，利用蒸镀在整个面上形成膜厚100nm的SiO2膜30，利用剥离法除去通过剥离法形成在p测电极29上的抗蚀剂和形成在抗蚀剂上的SiO2膜30。其结果，SiO2膜30将电极焊盘基台27上、沟道25侧壁的SiO2膜28以及沟道25底部的SiO2膜28的一部分覆盖。
接着，如图9所示，利用真空蒸镀法在p侧电极29、沟道25和SiO2膜30上层压Ti、Pt和Au，形成焊盘电极31。焊盘电极31与p侧电极29电连接，并将沟道25内的p侧电极29、SiO2膜28和SiO2膜30覆盖，并进一步延伸到电极焊盘基台27的SiO2膜30上。
最后，如图10所示，利用真空蒸镀法在n型GaN衬底11的背面依次层压Ti、Pt和Au，形成n侧电极32。按照上面的步骤，可形成本实施方式的波导脊型蓝紫色激光二极管。
如以上所述，在本实施方式中，由于是以用抗蚀剂24覆盖波导脊26顶部的状态形成SiO2膜28，不会在接触层23上残留SiO2膜28。因此，可以防止波导脊26顶部的接触层23和p侧电极29的接触面积的减少。另外，由于利用蚀刻速度的不同来除去形成在抗蚀剂24上的SiO2膜28，因此步骤简单。此外，在利用干法蚀刻在SiO2膜28上形成开口部时，抗蚀剂24残留在接触层23上。该抗蚀剂24作为保护膜发挥作用，抗蚀剂24由于可通过有机溶剂除去，因此可以防止波导脊26顶部的接触层23因干法蚀刻而受到损伤。因此，可以防止由于接触面积的减少或损伤而导致的接触电阻的增大，从而可以防止工作电压的增加。
需要说明的是，还可以使用SiOx(0＜x＜2)、SiN、SiON、TiO2、Ta2O5、Al2O3、AlN、ZrO2、Nb2O5、MgO、SiC等的绝缘膜来代替SiO2膜28、30。另外，在本实施方式中，以蓝紫色LD作为半导体光元件的例子进行了说明，但本发明并不限定于此，本发明可以适用于红色LD等所有的半导体光元件。

Claims (2)

1.半导体光元件的制造方法，其特征在于，具有如下步骤：
在衬底上依次层压第一导电型的第一半导体层、活性层和第二导电型的第二半导体层的步骤；
在第二半导体层上涂布抗蚀剂，并通过光刻法使所述抗蚀剂形成条纹状图形的步骤；
以所述抗蚀剂作为掩模，对第二半导体层进行蚀刻，直至蚀刻到第二半导体层中途，从而形成在底部残留有所述第二半导体层的凹部以及与该凹部相邻的波导脊的步骤；
在残留有所述抗蚀剂的状态下，在所述波导脊和所述凹部上形成绝缘膜的步骤；
利用形成在所述抗蚀剂上的所述绝缘膜和形成在所述凹部上的所述绝缘膜的蚀刻速度的不同，除去形成在所述抗蚀剂上的所述绝缘膜，使所述抗蚀剂露出，但同时保留形成在所述凹部上的所述绝缘膜的步骤；
除去露出的所述抗蚀剂的步骤；以及
除去抗蚀剂之后，在波导脊顶部形成电极的步骤。
2.权利要求1所述的半导体光元件的制造方法，其中，所述形成绝缘膜的步骤是通过溅射法形成SiO2膜的步骤。
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