專利名稱：氮化物半導體激光二極管及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氮化物半導體激光二極管，尤其涉及在n型層上具有脊狀結構的氮化物半導體激光二極管的制作方法。
背景技術：
通常，氮化物半導體激光二極管已開發(fā)并制造應用于大容量信息存儲設備及彩色打印機。另外，利用氮化物半導體激光二極管還有各種應用。
為了將氮化物半導體激光二極管應用于大容量信息存儲設備及彩色打印機，要求氮化物半導體激光二極管具有包括低閾值電流(Ith)、高外部量子效率(ηex)和低工作電壓(VOP)特性以提供涉及使用壽命和低功耗的高可靠性。
低工作電壓是氮化物半導體激光二極管中需要改善的主要因素。即，必須改善氮化物半導體激光二極管的電流-電壓(I-V)特性。
下面參照圖1描述傳統(tǒng)的氮化物半導體激光二極管。
圖1為傳統(tǒng)的氮化物半導體激光二極管的橫截面視圖。如圖1所示，傳統(tǒng)的氮化物半導體激光二極管包括在由GaN或藍寶石(sapphire)制成的襯底(未示出)上形成的無摻雜的GaN層1、n-GaN層2、柔性層(InGaN)3、n-覆層(n-ALGaN)4、n-波導層(GaN)5、多量子阱(MQW)6、電子阻隔層(EBL)7、p-波導層(GaN)8、p-覆層(p-ALGaN)9、覆蓋層(p-GaN)10，以及在覆蓋層10上形成的p-襯墊金屬層(未示出)。
圖1中，n-GaN層2和襯底一起向右和向左方向延伸，并且通過臺面蝕刻所延伸的n-GaN層2和襯底(未示出)形成暴露的p-襯墊金屬層(未示出)。
傳統(tǒng)的氮化物半導體激光二極管是一種p-n型二極管。即，傳統(tǒng)的氮化物半導體激光二極管包括發(fā)光的多量子阱MQW 6，和以多量子阱6為中心在其周圍形成的GaN波導層5和8以及ALGaN覆層4、9。
氮化物半導體激光二極管接收來自p-襯墊金屬層(未示出)的電流并在MQW6中耦合電子和空穴而發(fā)光。該光通過覆蓋層(p-GaN)10向外輻射。
在發(fā)光時，GaN波導層5、8以及ALGaN覆層4、9將電子和空穴聚集在MQW6中并導引所發(fā)射的光。
為有效發(fā)射激光束并改善激光二極管的光束特性，氮化物半導體激光二極管已經(jīng)采用脊狀結構。
圖2為具有脊狀結構的傳統(tǒng)氮化物半導體激光二極管的橫截面視圖。
如圖2所示，這種具有脊狀結構的氮化物半導體激光二極管包括在MQW6、EBL7和p-波導層8上形成的p-覆層9，p-覆層9的中心部分凸出而MQW6、EBL7和p-波導層8與圖1中所示的相同部分一致；在p-覆層9的凸出部分的上表面形成覆蓋層10；和在覆蓋層10上形成的歐姆接觸金屬(ohmic contact metal)11。圖2中，p-覆層9的凸出部分、覆蓋層10和歐姆接觸金屬層11形成脊狀結構。
通常將脊狀結構制造成寬度小于3μm并且來自p-襯墊金屬層13的電流流過該脊狀結構。
在脊狀結構的側表面和p-波導層8的上表面形成絕緣層12。絕緣層12形成之后，在絕緣層12和歐姆接觸金屬層11上形成p-襯墊金屬層13。
根據(jù)上述現(xiàn)有技術，通常是在p-型層8、9和10上形成脊狀結構。
在形成p-型層時，用鎂Mg作為摻雜劑。由于Mg具有記憶效應，所以p-型層須在n-型層、波導層和MQW形成之后形成。因此，結構上可簡單方便地在p-型層上形成脊狀結構。
但是，該氮化物具有大的帶隙、低載流子濃度和低遷移率。因此，與其他化合物半導體相比難以形成歐姆接觸金屬層11。
而且，由于與n-型層相比，p-型層具有低載流子濃度和低遷移率，所以電阻極大地增加并且難以形成歐姆接觸金屬11。
此外，根據(jù)現(xiàn)有技術的脊狀結構導致元件電阻突然增加。使氮化物半導體激光二極管的I-V特性下降。
電阻的增加導致工作電壓增加并引起與p-襯墊金屬接觸的脊狀結構部分發(fā)熱。因此，p-歐姆金屬和元件特性下降且激光二極管的可靠型如壽命下降。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提出一種在n-型層上具有脊狀結構的氮化物半導體激光二極管及其制作方法，可充分消除由于現(xiàn)有技術的局限性和缺陷導致的一個或多個問題。
本發(fā)明的目的是提供一種具有在n-型層上形成的脊狀結構的氮化物半導體激光二極管的制作方法，以代替在具有較大電阻且難以形成歐姆接觸金屬層的p-型層上形成脊狀結構。
本發(fā)明另外的優(yōu)點，目的和特性，一部分將在下面的說明書中得到闡明，而另一部分對于本領域的普通技術人員通過對下文的考察將是顯然的或從本發(fā)明的實施中認識到。通過在說明書和權利要求書及附圖中特別指出的結構可實現(xiàn)和獲得本發(fā)明目的和其它優(yōu)點。
為實現(xiàn)所述目的和其他優(yōu)點并根據(jù)本發(fā)明的目的，如這里所具體表達和廣泛實施的，提供了一種氮化物半導體激光二極管的制作方法，該方法包括步驟a)通過順序地蒸發(fā)襯底、無摻雜的GaN層、n-型層、多量子阱(MQW)、電子阻隔層(EBL)和p-型層形成氮化物半導體層；b)通過研磨襯底和無摻雜的GaN層去除氮化物半導體層內(nèi)的襯底和無摻雜的GaN層；和c)在n-型層上形成脊狀結構。
該方法還包括步驟d)利用固定襯底固定氮化物半導體層，其中該固定襯底粘結在p-型層上側。
固定氮化物半導體層的步驟可以包括步驟d-1)在p-型層上側蒸發(fā)p-歐姆金屬；d-2)在p-歐姆金屬上側蒸發(fā)襯墊-金屬和粘結金屬；d-3)將粘結金屬粘到該固定襯底；和d-4)通過壓縮和熱處理將從固定襯底蒸發(fā)的粘結金屬固定在襯墊金屬和粘結金屬上。
固定氮化物半導體層的步驟還包括步驟d-5)進行熱處理以在p-型層上的p-GaN層和p-歐姆金屬層之間產(chǎn)生歐姆狀態(tài)。
形成脊狀結構的步驟包括步驟c-1)通過蝕刻n-型層左右側去除n-型層左右側預定的部分而保留n-型層的中間部分；和c-2)在所去除的n-型層側面蒸發(fā)絕緣層。
本發(fā)明的另一技術方案，提供一種氮化物半導體激光二極管，包括n-型層、活化層、EBL和p-型層，其中該n-型層具有脊狀結構。
因此，本發(fā)明提供了一種容易在n-型層上形成脊狀結構的方法，可改善I-V特性、抑制熱的產(chǎn)生并延長使用壽命。
可以理解，本發(fā)明前面的一般說明和下面的詳細描述是示范性的和解釋性的，并旨在對所要求的本發(fā)明提供進一步的說明。


附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，其包含在本申請中并構成本申請的一部分，說明本發(fā)明的實施例并與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。附圖中圖1為傳統(tǒng)的氮化物半導體激光二極管的示圖；圖2為傳統(tǒng)的具有脊狀結構的氮化物半導體激光二極管的示圖；圖3至圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的在n-型層具有脊狀結構的氮化物半導體激光二極管用于解釋其制作方法的示圖；以及圖6所示為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的具有在n-型層上形成的脊狀結構的氮化物半導體激光二極管的的橫截面視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其范例在附圖中進行說明。盡可能將整個附圖中使用的相同的附圖標記表示相同或相似部分。
圖3至圖5所示為說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的采用晶片粘結技術在n-型層上具有脊狀結構的氮化物半導體激光二極管的的制作方法的示圖。
如圖3所示，首先在由藍寶石(Al2O3)、SiC或GaN 1制成的襯底101上形成如圖1中所示的氮化物表層(epilayer)102。
即，在襯底101上順序形成GaN層(無摻雜的GaN)、n-GaN層、柔性層(InGaN)、n-覆層(n-ALGaN)、n-波導(GaN)層、多量子阱(MQW)、電子阻隔層(EBL)、p-波導(GaN)層、p-覆層(p-AlGaN)以及覆蓋層(p-GaN)。
在覆蓋層(p-GaN)形成以后，在氮化物表層102上蒸發(fā)p-歐姆金屬層103。通常采用金屬作為p-歐姆金屬層103。但是，p-歐姆金屬層103可采用可調(diào)整為p-層波函數(shù)的導電材料形成。
蒸發(fā)p-歐姆金屬層103之后，在p-歐姆金屬層103上蒸發(fā)襯墊金屬和粘結金屬104。
在蒸發(fā)時進行熱處理以在覆蓋層(p-GaN)和p-歐姆金屬103之間產(chǎn)生歐姆狀態(tài)。但是在蒸發(fā)襯墊金屬和粘結金屬104之后可不進行熱處理。該可在后續(xù)的熱處理粘結固定襯底106和氮化物結構時產(chǎn)生歐姆狀態(tài)。
進行熱處理以后，在固定襯底106上蒸發(fā)粘結金屬105。固定襯底106用于固定如圖3所示的已蒸發(fā)的結構且通常采用GaAs或Si作為固定襯底106。
通過圖5所示的壓縮和熱處理將固定襯底106蒸發(fā)的粘結金屬105與圖3的氮化物結構耦合。
耦合期間，在覆蓋層(p-GaN)層和p-歐姆金屬層103之間的歐姆狀態(tài)可通過熱處理產(chǎn)生。
如圖5所示，通過研磨氮化物表層102內(nèi)的無摻雜GaN層和襯底層101可暴露n-型層。
為了減少由于研磨導致的n-型層損毀，進行活性離子(Ion)蝕刻處理和熱處理。進行RIE和熱處理以防止n-襯墊金屬和n-型層之間的歐姆接觸。即，防止接觸電阻率增加。
在去除無摻雜GaN層之后，通過蝕刻暴露的n-型層左右側預定的部分去除所暴露的n-型層左側和右側的預定部分。即，剩下所暴露的n-型層的中心部分。
換句話說，蝕刻暴露的n-型層以凸出包括n-GaN層、InGaN層和n-覆層的n-型層的中心部分。即，在n-型層的中心部分形成脊狀結構。
蝕刻之后，在暴露的n-型層左側和右側蒸發(fā)絕緣層。絕緣層形成以后，在絕緣層和脊狀結構上蒸發(fā)n-襯墊金屬。
圖6所示為按上述方法制作的包括在n-型層上具有脊狀結構的氮化物半導體激光二極管。
如圖6所示，在n-波導(GaN)層112的中心形成具有脊狀結構的n-覆層110。n-波導層112形成在多量子阱(MQW)113和電子阻隔層(EBL)114上。在n-覆層110上，順序蒸發(fā)InGaN層109和n-GaN層108以形成脊狀結構。
而且，在脊狀結構側面和n-波導層112上形成絕緣層111。在絕緣層111和n-GaN層108上形成n-襯墊金屬層107。
如上所述，本發(fā)明中脊狀結構是在n-型層上形成，與p-型層相比n-型層具有優(yōu)越的載流子濃度特性和較高的遷移率。因此，電阻減小(載流子濃度和遷移率與電阻成反比)而且易于形成歐姆接觸金屬層108。
在形成上述脊狀結構之后，采用上/下接合或自頂向下(top-down)的方法形成制造激光二極管管殼的工序。
如上所述，本發(fā)明提供一種采用固定襯底固定氮化物半導體層而易于在n-型層上形成脊狀結構的方法。
而且，本發(fā)明通過在n-型層上形成脊狀結構來提高元件的I-V特性、抑制發(fā)熱并延長使用壽命。
對本發(fā)明做出各種修改和變化對于本領域的技術人員是顯而易見的。因而，本發(fā)明將涵蓋落在所附的權利要求及其等效范圍內(nèi)的對本發(fā)明作出的修改和改變。
權利要求
1.一種氮化物半導體激光二極管的制作方法，該方法包括如下步驟a)通過順序蒸發(fā)襯底、無摻雜的GaN層、n-型層、多量子阱(MQW)、電子阻隔層(EBL)和p-型層形成氮化物半導體層；b)通過研磨襯底和無摻雜的GaN層去除氮化物半導體層內(nèi)的襯底和無摻雜的GaN層；和c)在n-型層上形成脊狀結構。
2.如權利要求1所述的方法，還包括步驟d)利用固定襯底固定氮化物半導體層。
3.如權利要求2所述的方法，其中該固定襯底粘結在p-型層上面。
4.如權利要求2所述的方法，其中在去除襯底和無摻雜的GaN層之前利用該固定襯底固定氮化物半導體層。
5.如權利要求2所述的方法，其中該固定襯底是由具有高導熱性的GaAs或Si制成。
6.如權利要求2所述的方法，其中步驟d)包括下列步驟d-1)在p-型層上面蒸發(fā)p-歐姆金屬；d-2)在p-歐姆金屬上面蒸發(fā)襯墊金屬和粘結金屬；d-3)將粘結金屬粘結到該固定襯底；和d-4)通過壓縮和熱處理將從固定襯底蒸發(fā)的粘結金屬固定在襯墊金屬和粘結金屬上。
7.如權利要求6所述的方法，其中步驟d)還包括步驟d-5)進行熱處理以在p-型層上的p-GaN層和p-歐姆金屬層之間產(chǎn)生歐姆狀態(tài)。
8.如權利要求1所述的方法，該方法還包括步驟e)進行活性離子蝕刻(RIE)處理和熱處理以減小所去除側的損耗。
9.如權利要求1所述的方法，其中步驟c)包括如下步驟c-1)通過蝕刻n-型層左右側去除n-型層左右側預定的部分而保留n-型層的中心部分；和c-2)在該n-型層的去除側蒸發(fā)絕緣層。
10.如權利要求9所述的方法，其中去除的n-型層的左右側是n-覆層、InGaN層和n-GaN層。
11.如權利要求1所述的方法，還包括步驟f)在脊狀結構上面形成n-襯墊金屬。
12.一種氮化物半導體激光二極管的制作方法，該方法包括如下步驟a)通過順序蒸發(fā)襯底、無摻雜的GaN層、n-型層、多量子阱(MQW)、電子阻隔層(EBL)和p-型層形成氮化物半導體層；b)通過在p-型層上面粘結固定襯底以固定氮化物半導體層；c)去除氮化物半導體層的襯底和無摻雜的GaN層；d)在n-型層上形成脊狀結構；和e)在脊狀結構的上面形成n-襯墊金屬。
13.一種氮化物半導體激光二極管的制作方法，該方法包括如下步驟a)形成氮化物半導體層；b)采用固定襯底固定氮化物半導體層；c)通過研磨n-型層的底部去除氮化物半導體層的n-型層的底部；和d)在n-型層上形成脊狀結構。
14.如權利要求13所述的方法，其中n-型層的去除的底部是襯底或無摻雜的GaN層。
15.如權利要求13所述的方法，其中步驟d)包括下列步驟d-1)通過蝕刻n-型層左右側預定的部分去除n-型層左右側預定的部分而保留n-型層的中心部分；和d-2)在n-型層的去除的左側和右側面蒸發(fā)絕緣層。
16.一種氮化物半導體激光二極管，包括n-型層、活化層、EBL和p-型層，其中n-型層具有脊狀結構。
17.如權利要求16所述的氮化物半導體激光二極管，其中n-型層包括順序蒸發(fā)的n-GaN層、n-波導層、n-覆層、n-GaN層、n-襯墊金屬層，并且所述的n-覆層、InGaN層和n-GaN層形成脊狀結構。
18.如權利要求16所述的氮化物半導體激光二極管，其中，在具有脊狀結構的n-型層的左側和右側形成絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明提供了氮化物半導體激光二極管及其制作方法。該方法包括步驟a)通過順序蒸發(fā)襯底、無摻雜的GaN層、n－型層、多量子阱(MQW)、電子阻隔層(EBL)和p－型層形成氮化物半導體層；b)通過研磨襯底和無摻雜的GaN層去除氮化物半導體層內(nèi)的襯底和無摻雜的GaN層；和c)在n－型層上形成脊狀結構。根據(jù)本發(fā)明，易于在n－型層上形成脊狀結構，改善I－V特性、抑制發(fā)熱并延長使用壽命。
文檔編號H01S5/02GK1645693SQ20051000185
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月18日 優(yōu)先權日2004年1月19日
發(fā)明者金星源 申請人:Lg電子有限公司