專利名稱：氮化物半導(dǎo)體激光器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種激光器件，尤其涉及一種III族氮化物半導(dǎo)體激光器件。
對(duì)于由III族氮化物形成的半導(dǎo)體激光器件，一般采用藍(lán)寶石作襯底。由于藍(lán)寶石不具有清晰的解理面，諧振腔反射鏡幾乎不能通過(guò)切割而形成。因此，這些半導(dǎo)體激光器件的諧振腔反射鏡通過(guò)干蝕形成，例如通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)。
藍(lán)寶石的化學(xué)性能非常穩(wěn)定，所以很少被蝕刻掉，因此在干蝕過(guò)程之后留下藍(lán)寶石襯底101沒(méi)有被刻蝕。結(jié)果，形成了臺(tái)階結(jié)構(gòu)(臺(tái)階部分103)，如在由III族氮化物形成的多層體102之諧振腔反射鏡102’之外延伸，如

圖1所示。在這樣的情況中，由臺(tái)階部分103反射一部分激光104，由此遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣被形成為多個(gè)點(diǎn)而不是單個(gè)點(diǎn)。因此，半導(dǎo)體激光器件100不能特別用作光學(xué)存儲(chǔ)器件的光源。
為了克服此問(wèn)題，已經(jīng)提出一種用于將該多層體轉(zhuǎn)移到非常易于切開(kāi)的襯底上并且將此樣品切開(kāi)以形成諧振腔反射鏡的方法。具體而言，在藍(lán)寶石襯底上形成該多層體，將此樣品粘到非常易于切開(kāi)的承載襯底(carrier substrate)上。在從該多層體上除去該藍(lán)寶石襯底之后，該多層體與該承載襯底一起被切開(kāi)，由此獲得一個(gè)激光器件，它具有用作諧振腔反射鏡的切面。
在上述常規(guī)半導(dǎo)體激光器件100的制造過(guò)程中，即使在粘合于一起的承載襯底105和多層體102之間有輕微的偏離，如圖2所示，承載襯底105的切面105’以“臺(tái)階”的形狀部分地延伸到多層體102的諧振腔反射鏡102’之外。在這種情況下，即使采用濺射技術(shù)在諧振腔反射鏡102’上形成介質(zhì)鏡面疊層(dielectric mirrorstack)，也會(huì)因?yàn)榕_(tái)階部分103’引起涂覆膜厚度的變化，從而不能獲得足夠高的反射率。結(jié)果，不能實(shí)現(xiàn)作為激光器件的足夠光學(xué)特性。另外，正如較早所述，由臺(tái)階部分103’反射了部分光束，引起遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣的增加，導(dǎo)致了實(shí)際的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的和概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)異光學(xué)特性的III族氮化物半導(dǎo)體激光器件，以及提供一種在不需要高裝配精度之步驟的情況下制造這種激光器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一種氮化物基半導(dǎo)體激光器件，它包括多層體和襯底，所述多層體是由III族氮化物(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)構(gòu)成的多個(gè)晶體層，所述襯底是非常易切開(kāi)的，該多層體和該襯底彼此粘合，其特征在于該襯底在該多層體的激光面附近具有至少一個(gè)切開(kāi)(cut-out)部分。
根據(jù)本發(fā)明的一種用于制造氮化物基半導(dǎo)體激光器件的方法，其中所述激光器件包括多層體，此多層體是由III族氮化物半導(dǎo)體(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)構(gòu)成的多個(gè)晶體層順序?qū)盈B而組成的，該方法包括晶片形成步驟，用于通過(guò)在第一襯底上層疊該多層體而形成激光晶片；切開(kāi)部分形成步驟，用于在第二襯底上形成切開(kāi)部分；粘合步驟，用于對(duì)準(zhǔn)和粘合該第二襯底之表面，在該第二襯底上，該切開(kāi)部分已被形成在該多層體上；除去步驟，用于從該多層體上除去該第一襯底；切割步驟，用于對(duì)包括該第二襯底和該多層體的粘合體進(jìn)行切割而形成諧振腔反射鏡。
另外，根據(jù)本發(fā)明用于制造另一種氮化物基半導(dǎo)體激光器件的方法，其中所述激光器件包括一個(gè)多層體，該多層體是由III族氮化物半導(dǎo)體(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)構(gòu)成的多個(gè)晶體層順序?qū)盈B而組成的，該方法包括晶片形成步驟，用于通過(guò)在第一襯底上形成該多層體而形成激光晶片；粘合步驟，用于在該多層體上粘合第二襯底；除去步驟，用于從該多層體上除去該第一襯底；切割步驟，用于對(duì)包括該第二襯底和該多層體的粘合體進(jìn)行切割而形成諧振腔反射鏡；刻蝕步驟，用于刻蝕出該第二襯底的臺(tái)階部分。
以下將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器件、特別是由III族氮化物形成的半導(dǎo)體激光器件的實(shí)施例。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一種氮化物基半導(dǎo)體器件的立體圖；圖10是圖9的氮化物基半導(dǎo)體器件接近激光面的局部放大橫截面圖；以及圖11是根據(jù)本發(fā)明的又一氮化物基半導(dǎo)體器件的立體圖。
波導(dǎo)5的幾何形狀例如可以是脊形條狀結(jié)構(gòu)、內(nèi)部條狀結(jié)構(gòu)或接觸條狀結(jié)構(gòu)，只要激光面位于切開(kāi)部分6的開(kāi)口部分附近即可。
以下將描述上述半導(dǎo)體激光器件的制造方法。
如圖4所示，通過(guò)采用有機(jī)金屬氣相沉積法(MOCVD)等類似方法，在藍(lán)寶石C-面襯底10上形成氮化物多層體2而獲得激光晶片，其中所述多層體2是多個(gè)氮化物晶體層，例如GaN。具體而言，多層體2包括順序?qū)盈B的各層，這些層包括由GaN制成的低溫緩沖層、已經(jīng)摻雜有Si以對(duì)其提供n-型傳導(dǎo)性的n-GaN基層12、n-AlGaN包覆層13、n-GaN引導(dǎo)層14、由依次層疊的Iny1Ga1-y1N(y1＝0.08，厚度30)/Iny2Ga1-y2N(y2＝0.01，厚度60)的五層構(gòu)成的多量子阱(MQW)活性層15、已經(jīng)摻雜有鎂以對(duì)其提供p-型傳導(dǎo)性的p-AlGaN電子勢(shì)壘層16、p-GaN引導(dǎo)層17、p-AlGaN包覆層18和p-GaN接觸層19。
接下來(lái)，利用干蝕法在多層體2的p-GaN引導(dǎo)層17、p-AlGaN包覆層18、p-GaN接觸層19處形成脊部5。通過(guò)限制注入到該激光器件的電流以及通過(guò)形成有效的折射率分布，脊部5形成一波導(dǎo)。該波導(dǎo)的幾何形狀也可以是已知的其它結(jié)構(gòu)，例如內(nèi)部條狀結(jié)構(gòu)或接觸條狀結(jié)構(gòu)。由于在隨后的步驟中切開(kāi)脊部5并將切面用作諧振腔反射鏡，因此脊部5延伸的方向與垂直于形成多層體2的III族氮化物之解理面的方向一致(也就是，垂直于圖4之圖面的方向；還可參見(jiàn)圖3)。具體而言，由于在III族氮化物的解理面(cleavageplane)(1-100)中進(jìn)行切割并且該切面(cleaved facet)被用作諧振腔反射鏡，因此脊部5沿著垂直于(1-100)即<1-100>的方向以延伸的方式而形成。脊部5也可以沿著垂直于III族氮化物晶體的另一解理面(11-20)即沿著<11-20>而形成。
如圖5所示，在該多層體的表面上形成Ni(鎳)和Au作為歐姆電極20，在歐姆電極20上還形成有由Sn和Au制成的粘合層4用以粘合承載襯底3。用于粘合層4的材料包括例如Ni、In、Pd、Sn、Au等金屬或這些金屬的合金，例如In-Pd和Au-Sn。
如圖6所示，Cr和Au也可以作為歐姆電極20’形成在由p-GaAs制成的承載襯底3的表面上、還接著在其上形成Sn和Au的粘合層4’。通過(guò)切割方法，沿著垂直于解理面(1-100)即沿著<1-100>的方向、在承載襯底3中形成帶有凹形橫截面的切開(kāi)部分6。粘合層4’可以由與例如上述的粘合層4相同的材料制成。承載襯底3可以由非常易切開(kāi)的材料制成，例如Si(硅)、InP及AlN。
接著，如圖7所示，多層體2的粘合層4粘合到承載襯底3的粘合層4’的上面。進(jìn)行此粘合步驟使得多層體2的脊部5與GaAs承載襯底3的切開(kāi)部分6對(duì)齊。
在加壓的同時(shí)，加熱多層體2和承載襯底3到約300℃的溫度，使得粘合層4、4’熔化，由此將多層體2和承載襯底3粘接并結(jié)合在一起。多層體2的粘合層4的材料可以是不同于承載襯底3的粘合層4’的材料。例如，可以分別形成能夠通過(guò)加熱而熔化在一起的兩種或更多種金屬，例如In(銦)和Pd(鈀)，或Sn(錫)和Au(金)。
接著，利用由聚光鏡聚焦的四諧波YAG(釔鋁石榴石)激光(266nm)通過(guò)該藍(lán)寶石襯底照射n-GaN基層12。藍(lán)寶石(即襯底)基本上透過(guò)此波長(zhǎng)的光。另一方面，由于氮化鎵的吸收邊緣是365nm，因此該光由具有小穿透深度的基層12吸收。另外，由于在藍(lán)寶石襯底10和形成基層12的GaN晶體之間有大的晶格失配(約15％)，因此在藍(lán)寶石襯底10附近的基層12中，GaN晶體缺陷密度高。結(jié)果，這里吸收的光大部分轉(zhuǎn)化為熱量。因此，通過(guò)激光照射，在基層12和藍(lán)寶石襯底10之間的界面附近的溫度迅速增加，導(dǎo)致GaN分裂為鎵和氮。這種照射光可以不是YAG激光，只要它透過(guò)該襯底(例如藍(lán)寶石)，并由氮化鎵吸收，如上所述。例如，這樣的光包括KrF(氟化氪)準(zhǔn)分子激光(248nm)。
在照射激光之后，將粘合體加熱到高于鎵之熔點(diǎn)(30℃)的溫度，以便從多層體2除去藍(lán)寶石襯底10。
然后，在垂直于脊部5延伸方向的解理面(cleavage plane)中切開(kāi)該粘合體。這就產(chǎn)生具有多層體2的切面(1-100)或(11-20)作為諧振腔反射鏡的激光器件。
在粘合步驟中，即使多層體2的解理面和承載襯底3的解理面彼此有一些偏離，在替換為有承載襯底3的切開(kāi)部分的情況下，也不會(huì)在激光面附近形成上面提及的臺(tái)階部分8。因此，可以形成具有足夠高的反射率的介質(zhì)多層疊層，并且還可以防止形成多光束的問(wèn)題。在此沒(méi)有描述其它步驟，因?yàn)槟切┎襟E與用于制造常規(guī)半導(dǎo)體激光器件的那些步驟相同。(實(shí)施例2)如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體激光器件1b具有這樣的結(jié)構(gòu)由III族氮化物形成的多層體2和GaAs承載襯底3通過(guò)粘合層4彼此粘合，正如根據(jù)實(shí)施例1的半導(dǎo)體激光器件。但是，GaAs承載襯底3的邊緣部分3a沿著多層體2的諧振平面(resonatorplane)2’被削去。在此情況下，由于它不存在于激光面7’附近的GaAs承載襯底3中，也可以防止由該臺(tái)階部分導(dǎo)致的上述問(wèn)題。
在用于制造本實(shí)施例的一種方法中，切開(kāi)部分6平行于GaAs承載襯底3的解理面3’形成。接著，通過(guò)粘合多層體2和GaAs承載襯底3形成粘合體，同時(shí)設(shè)置它們的晶體取向，使得這兩個(gè)解理面基本上彼此平行。之后，從該粘合體除去該藍(lán)寶石襯底。通過(guò)沿著切開(kāi)部分6切開(kāi)而獲得激光器件1b。其它步驟與實(shí)施例1中的步驟相同，因而在此不再描述。(實(shí)施例3)如圖9和10所示，根據(jù)本發(fā)明的另一種III族氮化物半導(dǎo)體激光器件1c具有這樣的結(jié)構(gòu)GaAs承載襯底3被朝著該器件的內(nèi)部而刻蝕掉，并超出由III族氮化物形成的多層體2的諧振腔反射鏡2’之外，。
在制造本實(shí)施例的方法中，對(duì)照實(shí)施例1和2，在GaAs承載襯底3中沒(méi)有提供凹形切開(kāi)部分6的情況下進(jìn)行該粘合步驟。除了缺少切開(kāi)部分6的形成，該制造過(guò)程與實(shí)施例1和2的過(guò)程相同，直到通過(guò)切割形成該諧振腔反射鏡的步驟。
在這種情況下，直到該切割步驟，如果多層體2的解理面與GaAs承載襯底3的解理面即使有輕微的偏離，就會(huì)在接近該激光面的承載襯底3中部分地形成一個(gè)臺(tái)階部分。為了除去這個(gè)臺(tái)階部分，利用刻蝕劑進(jìn)行刻蝕，相對(duì)于作為承載襯底3的材料的GaAs，該刻蝕劑具有的刻蝕速率高于對(duì)構(gòu)成多層體2的III族氮化物之速率。具體而言，采用硫酸、過(guò)氧化氫和水以4∶1∶1的比率混合的溶液。但是優(yōu)選的是，改變?cè)摶旌媳鹊葏⒘恳钥刂瓶涛g速率。通過(guò)這種刻蝕，GaAs承載襯底3被優(yōu)先刻蝕，這樣，和多層體2的諧振腔反射鏡2’相比，它被除去在該器件之更內(nèi)部的位置(尤其參見(jiàn)圖10)。在這種情況下，也可以克服由于該臺(tái)階部分引起的問(wèn)題，因?yàn)樗淮嬖谟诔休d襯底3中。(實(shí)施例4)如圖11所示，提供根據(jù)本發(fā)明的又一種III族氮化物半導(dǎo)體激光器件1d。在此修改實(shí)施例1，使得半導(dǎo)體激光器件1a的承載襯底3也具有激光器結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，半導(dǎo)體激光器件1d具有在第二多層體2b中的脊部5b(對(duì)應(yīng)于實(shí)施例1的承載襯底3)，所處的位置不同于多層體2a的脊部5a。此脊部5b也沿著垂直于第二多層體2b之解理面的方向延伸。
在脊部5b頂部附近，沿著脊部5b延伸的方向C、在凹形橫截面中削掉多層體2a。結(jié)果，脊部5b的頂部不與多層體2a接觸。
當(dāng)兩個(gè)多層體2a和2b發(fā)射不同波長(zhǎng)的激光時(shí)，半導(dǎo)體激光二極管1d起著兩波長(zhǎng)激光二極管的作用。第二多層體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，根據(jù)本發(fā)明，在不采用需要高裝配精度的步驟的條件下，能夠以良好的再現(xiàn)性(reproducibility)獲得具有高質(zhì)量的諧振腔反射鏡。因此，可以顯著地提高產(chǎn)品合格率?？梢垣@得具有優(yōu)異光學(xué)特性的氮化物基半導(dǎo)體激光器件，這些激光器可以被用作光學(xué)存儲(chǔ)器件的光源。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體激光器件，包括一個(gè)多層體和一個(gè)襯底，該多層體包括多個(gè)III族氮化物半導(dǎo)體(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)晶體層，該襯底是非常易切開(kāi)的，其中，所述多層體和所述襯底彼此粘合，所述襯底在所述多層體之激光面附近具有至少一個(gè)切開(kāi)部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中所述多層體的解理面基本上平行于所述襯底的解理面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中所述切開(kāi)部分是沿著所述激光器件的波導(dǎo)設(shè)置的凹槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)的氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中所述襯底由導(dǎo)電材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)的氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中，所述襯底包括具有激光器結(jié)構(gòu)的第二多層體，具有第二切開(kāi)部分的所述多層體位于所述第二多層體的激光面附近。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中，所述第二切開(kāi)部分是沿著所述第二多層體的激光器件之波導(dǎo)設(shè)置的凹槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中，所述切開(kāi)部分基本上平行于所述襯底的解理面而形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中，所述襯底由導(dǎo)電材料制成。
9.一種制造氮化物半導(dǎo)體激光器件的方法，該器件包括一個(gè)多層體，該多層體是由III族氮化物半導(dǎo)體(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)構(gòu)成的多個(gè)晶體層順序?qū)盈B而成的，該方法包括晶片形成步驟，用于通過(guò)在第一襯底上層疊所述多層體而形成激光晶片；切開(kāi)部分形成步驟，用于在第二襯底上形成一個(gè)切開(kāi)部分；粘合步驟，用于將所述第二襯底之表面對(duì)準(zhǔn)并粘合到所述多層體上，所述切開(kāi)部分已經(jīng)形成在所述第二襯底中；除去步驟，用于從所述激光晶片上除去所述第一襯底；切割步驟，用于通過(guò)切割包括所述第二襯底和所述多層體的粘合體而形成諧振腔反射鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的制造方法，其中所述粘合步驟包括一個(gè)對(duì)準(zhǔn)步驟，用于對(duì)準(zhǔn)所述多層體的解理面基本上平行于所述第二襯底的解理面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的制造方法，其中所述切開(kāi)部分形成步驟是用于以基本上垂直于所述第二襯底之解理面的方向形成所述切開(kāi)部分的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的制造方法，其中所述粘合步驟包括將所述第二襯底和所述多層體粘合的步驟，以使所述襯底的所述切開(kāi)部分位于所述多層體的激光面附近。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的制造方法，其中所述切開(kāi)部分形成步驟是用于將所述切開(kāi)部分基本上平行于所述第二襯底的解理面而形成的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的制造方法，其中所述切割步驟包括在所述切開(kāi)部分切割所述粘合體的步驟。
15.一種用于制造氮化物半導(dǎo)體激光器件的方法，該激光器件包括一個(gè)多層體，該多層體是由III族氮化物半導(dǎo)體(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)構(gòu)成的多個(gè)晶體層順序?qū)盈B而成的，該方法包括晶片形成步驟，用于通過(guò)在第一襯底上層疊一個(gè)多層體而形成激光晶片；粘合步驟，用于在所述多層體上粘合第二襯底；除去步驟，用于從所述多層體上除去所述第一襯底；切割步驟，用于通過(guò)切割包括所述第二襯底和所述多層體的粘合體而形成諧振腔反射鏡；及刻蝕步驟，用于除去所述第二襯底的一部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的制造方法，其中，所述粘合步驟包括一個(gè)對(duì)準(zhǔn)步驟，使所述多層體的解理面基本上平行于所述第二襯底的解理面。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的制造方法，其中，所述刻蝕步驟是利用刻蝕劑進(jìn)行刻蝕的步驟，該刻蝕劑對(duì)于形成所述第二襯底的材料的刻蝕速率高于對(duì)形成所述多層體的材料的刻蝕速率。
全文摘要
一種具有優(yōu)異光學(xué)特性的III族氮化物半導(dǎo)體激光器件及其制造方法。該方法并不包括需要高裝配精度的步驟。該III族氮化物半導(dǎo)體激光器件包括具有切開(kāi)部分的襯底。一個(gè)多層體的激光面位于該襯底的該切開(kāi)部分之附近。
文檔編號(hào)H01S5/343GK1379517SQ02108590
公開(kāi)日2002年11月13日 申請(qǐng)日期2002年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月2日
發(fā)明者宮地護(hù), 太田啟之 申請(qǐng)人:先鋒株式會(huì)社