CN1204663C - 氮化物半导体激光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有优异光学特性的III族氮化物半导体激光器件及其制造方法。该方法并不包括需要高装配精度的步骤。该III族氮化物半导体激光器件包括具有切开部分的衬底。一个多层体的激光面位于该衬底的该切开部分之附近。
Description
发明领域
本发明一般涉及一种激光器件，尤其涉及一种III族氮化物半导体激光器件。
相关技术的说明
为了实现如激光器的工作，需要包括一对反射镜的光学激光腔室。在利用如GaAs这样的半导体晶体材料的半导体激光器件(法布里一珀罗型)中，包括激光器结构的多层体与GaAs晶体衬底同时被切开，然后这个切面(cleaved facet)用作该激光器件的谐振腔反射镜(cavity mirror)。
对于由III族氮化物形成的半导体激光器件，一般采用蓝宝石作衬底。由于蓝宝石不具有清晰的解理面，谐振腔反射镜几乎不能通过切割而形成。因此，这些半导体激光器件的谐振腔反射镜通过干蚀形成，例如通过反应离子蚀刻(RIE)。
蓝宝石的化学性能非常稳定，所以很少被蚀刻掉，因此在干蚀过程之后留下蓝宝石衬底101没有被刻蚀。结果，形成了台阶结构(台阶部分103)，如在由III族氮化物形成的多层体102之谐振腔反射镜102’之外延伸，如图1所示。在这样的情况中，由台阶部分103反射一部分激光104，由此远场图样被形成为多个点而不是单个点。因此，半导体激光器件100不能特别用作光学存储器件的光源。
为了克服此问题，已经提出一种用于将该多层体转移到非常易于切开的衬底上并且将此样品切开以形成谐振腔反射镜的方法。具体而言，在蓝宝石衬底上形成该多层体，将此样品粘到非常易于切开的承载衬底(carrier substrate)上。在从该多层体上除去该蓝宝石衬底之后，该多层体与该承载衬底一起被切开，由此获得一个激光器件，它具有用作谐振腔反射镜的切面。
在上述常规半导体激光器件100的制造过程中，即使在粘合于一起的承载衬底105和多层体102之间有轻微的偏离，如图2所示，承载衬底105的切面105’以“台阶”的形状部分地延伸到多层体102的谐振腔反射镜102’之外。在这种情况下，即使采用溅射技术在谐振腔反射镜102’上形成介质镜面叠层(dielectric mirrorstack)，也会因为台阶部分103’引起涂覆膜厚度的变化，从而不能获得足够高的反射率。结果，不能实现作为激光器件的足够光学特性。另外，正如较早所述，由台阶部分103’反射了部分光束，引起远场图样的增加，导致了实际的问题。
本发明的目的和概述
因此，本发明的目的是提供一种具有优异光学特性的III族氮化物半导体激光器件，以及提供一种在不需要高装配精度之步骤的情况下制造这种激光器件的方法。
根据本发明的一种氮化物基半导体激光器件，它包括多层体和衬底，所述多层体是由III族氮化物(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)构成的多个晶体层，所述衬底是非常易切开的，该多层体和该衬底彼此粘合，其特征在于该衬底在该多层体的激光面附近具有至少一个切开(cut-out)部分。
根据本发明的一种用于制造氮化物基半导体激光器件的方法，其中所述激光器件包括多层体，此多层体是由III族氮化物半导体(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)构成的多个晶体层顺序层叠而组成的，该方法包括：晶片形成步骤，用于通过在第一衬底上层叠该多层体而形成激光晶片；切开部分形成步骤，用于在第二衬底上形成切开部分；粘合步骤，用于对准和粘合该第二衬底之表面，在该第二衬底上，该切开部分已被形成在该多层体上；除去步骤，用于从该多层体上除去该第一衬底；切割步骤，用于对包括该第二衬底和该多层体的粘合体进行切割而形成谐振腔反射镜。
另外，根据本发明用于制造另一种氮化物基半导体激光器件的方法，其中所述激光器件包括一个多层体，该多层体是由III族氮化物半导体(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)构成的多个晶体层顺序层叠而组成的，该方法包括：晶片形成步骤，用于通过在第一衬底上形成该多层体而形成激光晶片；粘合步骤，用于在该多层体上粘合第二衬底；除去步骤，用于从该多层体上除去该第一衬底；切割步骤，用于对包括该第二衬底和该多层体的粘合体进行切割而形成谐振腔反射镜；刻蚀步骤，用于刻蚀出该第二衬底的台阶部分。
以下将参考附图描述根据本发明的氮化物半导体激光器件、特别是由III族氮化物形成的半导体激光器件的实施例。
附图的简要说明
图1是在激光面附近的蓝宝石衬底上形成的常规氮化物基半导体器件的局部放大截面图；
图2是由常规晶片转移法形成的氮化物基半导体器件的立体图；
图3是根据本发明的一种氮化物基半导体器件的立体图；
图4是根据本发明的一种激光晶片的横截面图；
图5是根据本发明的激光晶片的横截面图；
图6是根据本发明的承载衬底的立体图；
图7是一种粘合体的横截面图，该粘合体包括根据本发明的激光晶片和承载衬底且彼此粘合；
图8是根据本发明的另一种氮化物基半导体器件的立体图；
图9是根据本发明的另一种氮化物基半导体器件的立体图；
图10是图9的氮化物基半导体器件接近激光面的局部放大横截面图；以及
图11是根据本发明的又一氮化物基半导体器件的立体图。
优选实施例的详细描述
(实施例1)
如图3所示，根据本发明的III族氮化物半导体激光器件1a具有如下结构：通过粘合层4在承载衬底3上粘合由III族氮化物形成的多层体2。带有一对平行谐振腔反射镜2’的多层体2具有波导5。在多层体2中的波导5面对在承载衬底3中形成的切开部分6的开口部分而设置，该切开部分具有凹形横截面。切开部分6沿着波导5可能不延伸到在承载衬底3的相对面3’和3’之间的长度；它可以改为通过朝着刚刚接近激光面的器件的内部切开承载衬底3而形成。也就是说，由于激光7从激光器件1a的谐振腔反射镜2’射出，因此只要除去接近激光面的台阶部分8就可以防止激光7的反射。
波导5的几何形状例如可以是脊形条状结构、内部条状结构或接触条状结构，只要激光面位于切开部分6的开口部分附近即可。
以下将描述上述半导体激光器件的制造方法。
如图4所示，通过采用有机金属气相沉积法(MOCVD)等类似方法，在蓝宝石C-面衬底10上形成氮化物多层体2而获得激光晶片，其中所述多层体2是多个氮化物晶体层，例如GaN。具体而言，多层体2包括顺序层叠的各层，这些层包括：由GaN制成的低温缓冲层、已经掺杂有Si以对其提供n-型传导性的n-GaN基层12、n-AlGaN包覆层13、n-GaN引导层14、由依次层叠的Iny1Ga1-y1N(y1＝0.08，厚度30)/Iny2Ga1-y2N(y2＝0.01，厚度60)的五层构成的多量子阱(MQW)活性层15、已经掺杂有镁以对其提供p-型传导性的p-AlGaN电子势垒层16、p-GaN引导层17、p-AlGaN包覆层18和p-GaN接触层19。
接下来，利用干蚀法在多层体2的p-GaN引导层17、p-AlGaN包覆层18、p-GaN接触层19处形成脊部5。通过限制注入到该激光器件的电流以及通过形成有效的折射率分布，脊部5形成一波导。该波导的几何形状也可以是已知的其它结构，例如内部条状结构或接触条状结构。由于在随后的步骤中切开脊部5并将切面用作谐振腔反射镜，因此脊部5延伸的方向与垂直于形成多层体2的III族氮化物之解理面的方向一致(也就是，垂直于图4之图面的方向；还可参见图3)。具体而言，由于在III族氮化物的解理面(cleavageplane)(1-100)中进行切割并且该切面(cleaved facet)被用作谐振腔反射镜，因此脊部5沿着垂直于(1-100)即<1-100>的方向以延伸的方式而形成。脊部5也可以沿着垂直于III族氮化物晶体的另一解理面(11-20)即沿着<11-20>而形成。
如图5所示，在该多层体的表面上形成Ni(镍)和Au作为欧姆电极20，在欧姆电极20上还形成有由Sn和Au制成的粘合层4用以粘合承载衬底3。用于粘合层4的材料包括例如Ni、In、Pd、Sn、Au等金属或这些金属的合金，例如In-Pd和Au-Sn。
如图6所示，Cr和Au也可以作为欧姆电极20’形成在由p-GaAs制成的承载衬底3的表面上、还接着在其上形成Sn和Au的粘合层4’。通过切割方法，沿着垂直于解理面(1-100)即沿着<1-100>的方向、在承载衬底3中形成带有凹形横截面的切开部分6。粘合层4’可以由与例如上述的粘合层4相同的材料制成。承载衬底3可以由非常易切开的材料制成，例如Si(硅)、InP及AlN。
接着，如图7所示，多层体2的粘合层4粘合到承载衬底3的粘合层4’的上面。进行此粘合步骤使得多层体2的脊部5与GaAs承载衬底3的切开部分6对齐。
在加压的同时，加热多层体2和承载衬底3到约300℃的温度，使得粘合层4、4’熔化，由此将多层体2和承载衬底3粘接并结合在一起。多层体2的粘合层4的材料可以是不同于承载衬底3的粘合层4’的材料。例如，可以分别形成能够通过加热而熔化在一起的两种或更多种金属，例如In(铟)和Pd(钯)，或Sn(锡)和Au(金)。
接着，利用由聚光镜聚焦的四谐波YAG(钇铝石榴石)激光(266nm)通过该蓝宝石衬底照射n-GaN基层12。蓝宝石(即衬底)基本上透过此波长的光。另一方面，由于氮化镓的吸收边缘是365nm，因此该光由具有小穿透深度的基层12吸收。另外，由于在蓝宝石衬底10和形成基层12的GaN晶体之间有大的晶格失配(约15％)，因此在蓝宝石衬底10附近的基层12中，GaN晶体缺陷密度高。结果，这里吸收的光大部分转化为热量。因此，通过激光照射，在基层12和蓝宝石衬底10之间的界面附近的温度迅速增加，导致GaN分裂为镓和氮。这种照射光可以不是YAG激光，只要它透过该衬底(例如蓝宝石)，并由氮化镓吸收，如上所述。例如，这样的光包括KrF(氟化氪)准分子激光(248nm)。
在照射激光之后，将粘合体加热到高于镓之熔点(30℃)的温度，以便从多层体2除去蓝宝石衬底10。
然后，在垂直于脊部5延伸方向的解理面(cleavage plane)中切开该粘合体。这就产生具有多层体2的切面(1-100)或(11-20)作为谐振腔反射镜的激光器件。
在粘合步骤中，即使多层体2的解理面和承载衬底3的解理面彼此有一些偏离，在替换为有承载衬底3的切开部分的情况下，也不会在激光面附近形成上面提及的台阶部分8。因此，可以形成具有足够高的反射率的介质多层叠层，并且还可以防止形成多光束的问题。在此没有描述其它步骤，因为那些步骤与用于制造常规半导体激光器件的那些步骤相同。
(实施例2)
如图8所示，根据本发明的III族氮化物半导体激光器件1b具有这样的结构：由III族氮化物形成的多层体2和GaAs承载衬底3通过粘合层4彼此粘合，正如根据实施例1的半导体激光器件。但是，GaAs承载衬底3的边缘部分3a沿着多层体2的谐振平面(resonatorplane)2’被削去。在此情况下，由于它不存在于激光面7’附近的GaAs承载衬底3中，也可以防止由该台阶部分导致的上述问题。
在用于制造本实施例的一种方法中，切开部分6平行于GaAs承载衬底3的解理面3’形成。接着，通过粘合多层体2和GaAs承载衬底3形成粘合体，同时设置它们的晶体取向，使得这两个解理面基本上彼此平行。之后，从该粘合体除去该蓝宝石衬底。通过沿着切开部分6切开而获得激光器件1b。其它步骤与实施例1中的步骤相同，因而在此不再描述。
(实施例3)
如图9和10所示，根据本发明的另一种III族氮化物半导体激光器件1c具有这样的结构：GaAs承载衬底3被朝着该器件的内部而刻蚀掉，并超出由III族氮化物形成的多层体2的谐振腔反射镜2’之外，。
在制造本实施例的方法中，对照实施例1和2，在GaAs承载衬底3中没有提供凹形切开部分6的情况下进行该粘合步骤。除了缺少切开部分6的形成，该制造过程与实施例1和2的过程相同，直到通过切割形成该谐振腔反射镜的步骤。
在这种情况下，直到该切割步骤，如果多层体2的解理面与GaAs承载衬底3的解理面即使有轻微的偏离，就会在接近该激光面的承载衬底3中部分地形成一个台阶部分。为了除去这个台阶部分，利用刻蚀剂进行刻蚀，相对于作为承载衬底3的材料的GaAs，该刻蚀剂具有的刻蚀速率高于对构成多层体2的III族氮化物之速率。具体而言，采用硫酸、过氧化氢和水以4∶1∶1的比率混合的溶液。但是优选的是，改变该混合比等参量以控制刻蚀速率。通过这种刻蚀，GaAs承载衬底3被优先刻蚀，这样，和多层体2的谐振腔反射镜2’相比，它被除去在该器件之更内部的位置(尤其参见图10)。在这种情况下，也可以克服由于该台阶部分引起的问题，因为它不存在于承载衬底3中。
(实施例4)
如图11所示，提供根据本发明的又一种III族氮化物半导体激光器件1d。在此修改实施例1，使得半导体激光器件1a的承载衬底3也具有激光器结构。也就是说，半导体激光器件1d具有在第二多层体2b中的脊部5b(对应于实施例1的承载衬底3)，所处的位置不同于多层体2a的脊部5a。此脊部5b也沿着垂直于第二多层体2b之解理面的方向延伸。
在脊部5b顶部附近，沿着脊部5b延伸的方向C、在凹形横截面中削掉多层体2a。结果，脊部5b的顶部不与多层体2a接触。
当两个多层体2a和2b发射不同波长的激光时，半导体激光二极管1d起着两波长激光二极管的作用。第二多层体2b可以使用例如AlGaAs基激光器、GaAs基激光器、AlInP基激光器以及InP基激光器。
因此，根据本发明，在不采用需要高装配精度的步骤的条件下，能够以良好的再现性(reproducibility)获得具有高质量的谐振腔反射镜。因此，可以显著地提高产品合格率。可以获得具有优异光学特性的氮化物基半导体激光器件，这些激光器可以被用作光学存储器件的光源。
Claims (16)
1.一种氮化物半导体激光器件，包括：
一个包括多个III族氮化物半导体(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)晶体层的多层体，其中，该晶体层具有一个切开的用于发射激光的激光面；和
一个粘合在所述多层体上的切开的衬底；
其中，所述切开的衬底在所述切开的多层体的激光面附近具有一个切开部分。
2.根据权利要求1的氮化物半导体激光器件，其中所述多层体的解理面平行于所述衬底的解理面。
3.根据权利要求2的氮化物半导体激光器件，其中所述切开部分是沿着所述激光器件的波导设置的凹槽。
4.根据权利要求1至3中任意一项的氮化物半导体激光器件，其中所述衬底由导电材料制成。
5.根据权利要求1至3中任意一项的氮化物半导体激光器件，其中，所述衬底包括一个第二多层体，该第二多层体具有一个用于发射激光的第二切开的激光面；
所述多层体具有一个第二切开部分，并且所述第二多层体的所述激光器波导设置为面向所述多层体的第二切开部分的开放部分。
6.根据权利要求5的氮化物半导体激光器件，其中，所述第二切开部分是沿着所述第二多层体的激光器件的所述波导设置的凹槽。
7.根据权利要求2的氮化物半导体激光器件，其中，所述切开部分平行于所述衬底的解理面而形成。
8.根据权利要求7的氮化物半导体激光器件，其中，所述衬底由导电材料制成。
9.一种制造氮化物半导体激光器件的方法，该器件包括一个多层体，该多层体是由III族氮化物半导体(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)构成的多个晶体层顺序层叠而成的，该方法包括：
晶片形成步骤，用于通过在第一衬底上层叠所述多层体而形成激光晶片；
切开部分形成步骤，用于在第二衬底上形成一个切开部分；
粘合步骤，用于将所述多层体粘合到具有所述第二衬底的所述切开部分的表面上；
除去步骤，用于从所述激光晶片上除去所述第一衬底；
切割步骤，用于通过切割包括所述第二衬底和所述多层体的粘合体而形成谐振腔反射镜。
10.根据权利要求9的制造方法，其中所述粘合步骤包括一个对准步骤，用于对准所述多层体的解理面平行于所述第二衬底的解理面。
11.根据权利要求9的制造方法，其中所述切开部分形成步骤是用于以垂直于所述第二衬底之解理面的方向形成所述切开部分的步骤。
12.根据权利要求11的制造方法，其中所述粘合步骤包括将所述第二衬底和所述多层体粘合的步骤，以使所述激光器件的波导面向所述衬底的所述切开部分。
13.根据权利要求9的制造方法，其中所述切开部分形成步骤是用于将所述切开部分平行于所述第二衬底的解理面而形成的步骤。
14.根据权利要求13的制造方法，其中所述切割步骤包括在所述切开部分切割所述粘合体的步骤。
15.一种用于制造氮化物半导体激光器件的方法，该器件包括一个多层体，该多层体是由III族氮化物半导体(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)构成的多个晶体层顺序层叠而成的，该方法包括：
晶片形成步骤，用于通过在第一衬底上层叠一个多层体而形成激光晶片；
粘合步骤，用于在所述多层体上粘合第二衬底；
除去步骤，用于从所述多层体上除去所述第一衬底；
切割步骤，用于通过切割包括所述第二衬底和所述多层体的粘合体而形成谐振腔反射镜；及
用于形成一切开部分的刻蚀步骤，该刻蚀步骤利用刻蚀剂化学地除去所述第二衬底的一部分，以使所述第二衬底的前表面比所述多层体的用于发射激光的所述激光面更靠后，从而形成所述切开部分，其中该刻蚀剂对于所述第二衬底的材料的刻蚀率高于对所述多层体材料的刻蚀率。
16.根据权利要求15的制造方法，其中，所述粘合步骤包括一个对准步骤，使所述多层体的解理面平行于所述第二衬底的解理面。
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