製作氮化物半導體發光器件的方法

2023-05-07 18:14:41 2

專利名稱：製作氮化物半導體發光器件的方法
技術領域：
本發明涉及一種氮化物半導體發光器件，例如氮化物半導體雷射器。
背景技術：
利用氮化物半導體材料，如GaN (氮化鎵)、A1N (氮化鋁)、InN (氮化銦)和它們的混合晶體，已經在商用和試驗基礎上製作出了可以從紫外光到可見光光譜範圍內發出雷射的氮化物半導體雷射器。為了實現這個目的，通常使用GaN作為襯底，然而，GaN襯底的使用還遠未使具有令人滿意地長發光壽命的氮化物半導體雷射器的生產成為可能。所以，此後人們在尋求更長的雷射發光壽命。氮化物半導體雷射器的發光壽命，受到在GaN襯底上製備氮化物半導體層時所產生的裂紋和類似缺陷的影響。因而，裂紋的發生是引起氮化物半導體雷射器退化的因素之一，需要將其減少到最小。
按照為解決上述問題而提出的一種傳統技術，氮化物半導體器件通過這樣的方法來製作，即先在GaN襯底的上面生長一層具有低於GaN的熱膨脹係數的氮化物半導體，再進一步在它的上面形成半導體發光器件的結構。這有助於減少特別是在形成於GaN襯底上的n型接觸層中的微裂紋的發生，(參見日本專利申請乂>開No.2000-299497，下文中稱為專利^Hf 1 )。
然而，即使半導體雷射器的結構是按照上述專利公開1所提出的技術在GaN村底上製備的，裂紋有時也會在晶片的表面上發生。這些出現在表面上的裂紋成為引起半導體雷射器性能退化的因素之一，導致過短的雷射發光壽命，並且由於沿裂紋產生的裂縫使晶片以不可預料的方式裂開，從而造成成品率降低
發明內容
考慮到上述通常所遇到的問題，本發明的目的是提供一種製作氮化物發光器件的方法，藉此，當通過在氮化物半導體襯底上形成氮化物半導體生長層來製備氮化物發光器件時，可以形成具有較少裂紋和良好表面平面度的氮化物半導體生長層。
為了實現上述目的，根據本發明，氮化物半導體發光器件包括表面上形成有以條形延伸的槽和脊的氮化物半導體襯底，以及在氮化物半導體襯底上形成的含有多個氮化物半導體層的氮化物半導體生長層，這種氮化物半導體
發光器件的製作方法包括第一步，通過在氮化物半導體襯底上形成氮化物半導體生長層，至少在槽和脊之一上形成一個大於或等於l(Hmi寬的平坦區，從而槽上的氮化物半導體生長層的高度小於脊上氮化物半導體生長層的高度；第二步，在形成於第一步的平坦區中的氮化物半導體生長層的表面上，形成一個抬高的脊條(ridge stripe)部分；第三步，沿著平行於脊條部分的分割線，至少沿槽和脊之一進行分割。
根據本發明，槽截面的形狀可以是矩形或者是倒錐形，從而槽開口處的寬度小於槽底部的寬度；或者是正錐形，從而槽開口處的寬度大於槽底部的寬度。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，在氮化物半導體襯底上形成的槽的寬度可以大於或等於5(Hmi但又小於或等於l，20(Him。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，在氮化物半導體襯底上形成的槽的深度可以大於或等於3 iam但又小於或等於20 jam。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，在氮化物半導體襯底的表面上形成的n型GaN層的厚度大於或等於0.1 " m但又小於或等於2 " m。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，氮化物半導體襯底頂部表面的偏角(off angle)可以為0.2。或更小。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，脊的寬度可以大於或等於70
jum但又小於或等於1,200 iam。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，脊條形部分在平坦區內形成，並與平坦區的邊鄉彖3巨離5 jam或更遠。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，第三步中，分割線至少與脊條形部分距離20 ju m遠。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，第三步中，可以沿分割線對槽或脊上形成的氮化物半導體發光器件進行分割，使如此分割得到的氮化物半導體發光器件不包含槽和脊之間形成的臺階部分。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，第三步中，可以沿分割線對槽或脊上形成的氮化物半導體發光器件進行分割，使如此分割得到的氮化物半導體發光器件包含槽和脊之間形成的臺階部分。
上述製作氮化物半導體發光器件的方法中，當在槽和脊上都形成有氮化物半導體發光器件時，可以對槽和脊上形成的氮化物半導體發光器件進行分
割，使如此分割得到的氮化物半導體發光器件之一 包含槽和脊之間形成的臺階部分。


圖1是部分晶片的橫截面示意圖,表示其上形成有本發明第一實施例中
的氮化物半導體雷射器；
圖2是本發明第一實施例中所觀察的、尚未在其上形成氮化物半導體生長層的n型GaN襯底的頂視圖3是表示本發明第一、第二和第三實施例中觀察的氮化物半導體生長層的結構的橫截面示意圖4A到4C是反映爬升(creep-up)生長過程的圖解；
圖5是表示在晶片上從何處對晶片進行分割的圖解，晶片上形成有本發明第 一 實施例的氮化物半導體雷射器；
圖6是表示在晶片上從何處對晶片進行分割的圖解，晶片上形成有本發明第 一 實施例的氮化物半導體雷射器；
圖7是部分晶片的橫截面示意圖，表示其上形成有本發明第二實施例中的氮化物半導體雷射器；以及
圖8是部分晶片的橫截面示意圖，表示其上形成有本發明第三實施例中的氮化物半導體雷射器。
具體實施例方式
首先，給出本說明書中頻繁使用的一些術語的定義。"氮化物半導體襯底，，表示由氮化物半導體形成的任何襯底，因而可互換地使用"AlaGabIncN襯底，，(其中0< a《1, 0《b《1， 0《c<l,且a+b+c=l )。在這樣的AlaGabIncN (其中0《a《l， 0《b<l, 0< c<l，且a+b+c=l ) 4於底中， 所含的氮大約有10%或更少(只要它具有六方晶系)可以由As、 P、或Sb 代替。本說明書中，任何這樣的襯底都統稱為"GaN襯底"。
本說明書中，"槽"表示在氮化物半導體襯底頂面(生長表面)上形成 的條形凹陷部分。同樣地，"脊"表示在該表面上形成的條形抬高部分。這 樣的槽或脊的截面形狀不一定是矩形的，例如，也可以是正錐形或倒錐形。 當形成槽時，表面出現了，該表面同時是槽和相鄰脊的側面。由於這些表面 都是同一的，本說明書中，所有這樣的表面都稱為"脊側面"。
本說明書中，"有源層，，均表示任何含有單個勢阱層或者同時含有單個 或多個勢阱層和勢壘層的層。例如，具有單量子阱結構的有源層可以是由單 勢阱層構成，或者是由勢壘層、勢阱層和勢壘層組合構成。另一方面，有源 層也可以是由多個勢阱層和多個勢壘層構成的多量子阱結構。
本說明書中，"偏角"表示由GaN單晶經切割或其它方法得到的GaN襯 底的表面與C面所成的夾角，C面又稱(0001)面，它是GaN單晶的晶體生長 面。
晶體學中，習慣在指數的絕對值上加一橫線來表示負的晶面或晶向指 數。本說明書中，由於不可能使用這樣的符號，所以在指數的絕對值前加一 個負號"-"來表示負的指數。
第一實施例
結合相關附圖，描述本發明的第一實施例。作為氮化物發光器件的例子， 以下描述涉及一種氮化物半導體雷射器。圖l是部分晶片的橫截面示意圖， 其上形成有本發明第一實施例中的氮化物半導體雷射器。圖2是該實施例中， 尚未在其上形成氮化物半導體生長層11的n型GaN襯底10的頂一見圖。在 這些圖中，同時標出了晶面方向。圖1所示的氮化物半導體雷射器，是通過 在圖2所示的n型GaN襯底10上放置或形成氮化物半導體生長層11來制 作的。
如圖2所示，在n型GaN襯底10上，沿著平行於的方向形成 脊17和槽18。這裡，假定脊和槽具有矩形截面。圖3是反映氮化物半導體 生長層11結構的橫截面示意圖。
該氮化物半導體雷射器中，下面結合相關的

如何製作n型GaN 襯底10。 n型GaN襯底10的頂面的主平面方向為(1000)面，n型GaN襯底10相對於主平面方向有0.1°的偏角(圖中未示出)。在該n型GaN襯底10 的頂面上，氣相沉積Si02、 SiHc或其它類似物。在本實施例中假定是Si02; 然而，也可以是任何其它類型的介質膜或類似物。下一步，在Si02膜上塗敷 光刻膠，採用通常的光刻技術，在方向上形成條形光刻膠掩模圖案。 下一步，通過RIE (反應離子刻蝕)或其它類似技術，在Si02和n型GaN 襯底10的頂面上刻蝕出槽18。此後，使用刻蝕劑例如HF (氬氟酸)去除 Si02。這樣就製成了圖2所示的n型GaN襯底10，其包含沿方向形 成的脊17和槽18。本實施例中，使用RIE技術來刻蝕n型GaN襯底10的 頂面以形成槽18;然而，也可以使用任何其它技術，如溼法刻蝕技術。
上述的脊17和槽18是在n型GaN襯底10的頂面上沿平行於 的方向形成的。槽的寬度M為500nm,脊的寬度L為50(Him，槽的深度Z (見圖1 )為5)im。脊17和槽18截面的形狀可以是矩形或者是正錐形，從 而槽18在開口處的寬度大於其底部的寬度；或者是倒錐形，從而槽18在開 口處的寬度小於其底部的寬度。
在形成氮化物半導體生長層11時，槽18的深度Z影響槽18的填充情 況。因此，如果在n型GaN襯底10上形成的槽18的深度小於3pm,則當 在n型GaN襯底10上形成氮化物半導體生長層11時，下面將要描述的爬 升生長會引起槽18在較大範圍內填滿。不利地是，這不僅不能保證用來形 成脊條形部分的區域，同時也降低了氮化物半導體生長層11的表面平面度。 另一方面，如果槽18的深度大於20pm,不利地是，很可能在氮化物半導體 雷射器的製作過程中產生裂紋或其它問題。所以，優選地使槽18的深度Z 大於或等於3|im但又小於或等於20|am,更優選地使其大於或等於5jam但 又小於或等於l(Him。
優選地使形成有脊17和槽18的n型GaN襯底10與主平面所形成的偏 角不超過0.2。。如果在偏角大於0.2°的GaN襯底上形成氮化物半導體生長層 11,不利地是，脊17的頂面和槽18的中部可能會沿著某個特定方向傾斜， 或者在氮化物半導體生長層11的整個表面出現波狀起伏，導致整個晶片表 面的平面度降低。
在經上述過程獲得的襯底上，通過MOCVD(金屬有機物化學氣相沉積) 或其它類似方法外延生長圖3所示的氮化物半導體生長層11。這樣，就製成 了圖1所示氮化物半導體雷射器。如圖3所示，在n型GaN村底10上形成的氮化物半導體生長層11包 括以下諸層，這些層按照所列舉的順序彼此層疊lpm厚的n型GaN層21; 1.2pm厚的n型Al(nGao,9N覆蓋層22; O.lpm厚的n型GaN導光層23;多 量子阱結構有源層24，它由4個8nm厚的InaG1Ga.99N勢壘層和3個4nm厚 的InaiGao.9N勢阱層構成；20nrn厚的p型AlQ.3Ga.7N載流子阻擋層25; O.lpm 厚的p型GaN導光層26; 0.5jam厚的p型AlaiGao.9N覆蓋層27;以及0.1 |im 厚的p型GaN接觸層28。
下面，將說明如何製作氮化物半導體生長層11。以下所描述的是使用 MOCVD方法的例子；然而，只要可以外延生長，也可以使用除MOCVD方 法之外的任何其它生長方法，例如，可用的生長方法包括其它氣相生長方法 如MBE (分子束外延)方法和HDVPE (氬化物氣相外延)方法。
把n型GaN襯底10放置在MOCVD設備的生長爐內的預製基座上。然 後將基座溫度升至1050°C。然後，H2或N2作為載氣、NH3作為N源、TMGa (三曱基鎵)或TEGa (三乙基鎵)作為Ga源、以及SiH4作為用作n型雜 質(摻雜劑)的Si源被通入到生長爐中，生長n型GaN層21。然後，TMA1 (三曱基鋁)或TEA1 (三乙基鋁)作為Al源通入到生長爐中，生長n型 AlaiGaa9N覆蓋層22。在上述層中，作為n型雜質(摻雜劑)的Si的濃度 控制在5xlO力cm3到lxlO力cm3的範圍內。隨後，生長n型GaN導光層23， 並將膜中Si的濃度控制在lxlO"/cn^到lxl018/cm3的範圍內。
然後，將基座溫度降至750°C,生長多量子阱結構有源層24,該層包括 3個周期的In(uGao.9N勢阱層和4個周期的In。.Q1Ga。.99N勢壘層。該多量子阱 結構有源層24通過以下順序生長組分層而形成勢壘層、勢阱層、勢壘層、 勢阱層、勢壘層、勢阱層、勢壘層。當該多量子阱結構有源層24形成後， 將SiH4通入到生長爐中，使勢壘層或勢壘層和勢阱層中Si的濃度在 lxl0'6/cm3到1xl0"/cm3的範圍內。
下一步，將基座溫度升回到1，050°C,並停止SiH4供應，然後向生長爐 中通入作為N源的NH3、作為Ga源的TMGa (三曱基鎵)或TEGa (三乙 基鎵)、以及作為Al源的TMA1 (三曱基鋁)或TEA1 (三乙基鋁)，從而依 次形成p型AlQ.3Gao.7N載流子阻擋層25、p型GaN導光層26、p型AlaiGaa9N 覆蓋層27和p型GaN接觸層28。當這些膜形成以後，作為Mg源以提供p 型雜質(摻雜劑)的EtCP2Mg (二乙基環戊烯鎂)通入到爐中，使膜中Mg的濃度控制在lxlO"/cmS到2xl0，cm3的範圍內。在這裡，任何其它戊基 Mg材料也可以用來作為Mg源，例如環戊烯^:或二曱基環戊烯《美。殘留在p 型層如p型AlQ.3Gao.7N載流子阻擋層25、p型GaN導光層26、p型Al。jGao.9N 覆蓋層27和p型GaN接觸層28中的氫，會阻礙p型摻雜劑Mg的激活。為 了去除殘留的氫，可以伴隨p型層的生長混入微量的氧。
以此方法形成p型GaN接觸層28後，MOCVD設備中的所有氣體都置 換成N2和NH3，並以6CTC/min的速率降低基座的溫度。當基座溫度降至800 。C時，停止,3供應，而後使基座在800。C的溫度下保持5分鐘。然後，基 座溫度降至室溫。本實施例中，基座溫度在80(TC保持5分鐘；然而，也可 在任何其它溫度下保持任意長的時間。優選地使基座溫度保持在650。C到900 。C的範圍內，使保持時間在3到IO分鐘內。基座溫度下降的速率優選地為 30。C/min或更大。
釆用喇曼測量方法對上述氮化物半導體生長層11進行測量評估，得到 如下結果。晶片在從MOCVD設備中取出後，甚至在進行p型化退火前， Mg已經被激活而實現了一定的p型化。此外，p電極形成後的接觸電阻減 小了。這些結果有利地表明，按照慣例進行p型化退火處理有助於進一步提 高Mg的激活率。
生長多量子阱結構有源層24時，在勢壘層生長後勢阱層生長前和勢阱 層生長後勢壘層生長前，最好暫停層形成，持續時間不少於1秒但不多於180 秒。這有助於增強各勢壘層和勢阱層的平面度。良好的平面度使In組分分 布均勻，也使各勢壘層和勢阱層的厚度均勻，從而有助於減小雷射發光波長 的不均衡。這也有利地減小了自發(自然的)發光的FWHM (半最大值全 寬)。
在多量子阱結構有源層24中，可以通入AsH3 (三氫化砷)、TBAs (叔-丁基砷)或TMAs (三曱基砷)來加入As;通入PH3 (三氫化磷)、TBP (叔 -丁基磷)或TMP (三甲基磷)來加入P;通入TMSb (三曱基銻)或TESb (三乙基銻)來加入Sb。在形成多量子阱結構有源層24時，可以使用除NH3 之外的其它物質作為N源，例如肼類材料如二曱基肼或者疊氮化物如疊氮基 乙酉旨(ethylazide )。
本實施例中，在由多層InxGai_xN量子阱構成有源層時，或者在有源層 中加入As或P構成量子阱結構有源層時，如果在量子阱層中出現穿透位錯(貫穿型位錯)，In會不利地沉澱在位錯處。因此，在由上述Ii^Ga^N作為 量子阱層構成有源層的情況下，應優選地儘可能地將量子阱層中的晶體缺陷 如位錯減到最少，以獲得良好的氮化物半導體雷射特性。
本實施例中，多量子阱結構有源層24的形成是以勢壘層開始並以勢壘 層結束；然而，也可以以勢阱層開始並以勢阱層結束。所形成的勢阱層的層 數不限於3層，只要不超過10層也可以是其它的層數，因為這樣可以提供 低閾值電流密度，並允許室溫下連續激射。特別優選地，所形成的勢阱層的 層數應不少於2層但又不多於6層，這樣它們可以提供低閾值電流密度。多 量子阱結構有源層24可以含有Al。
本實施例中，多量子阱結構有源層24的勢阱層和勢壘層中都摻雜了 Si 雜質；然而，這些層也可以不含有任何雜質。摻雜雜質不限於Si，也可以是 O、 C、 Ge、 Zn或Mg。摻雜總量優選地在約lxl0卩到8xl018/cm3的範圍內。 不一定非要在勢阱層和勢壘層中都進行摻雜，也可以只在勢阱層中或只在勢 壘層中摻雜。
這樣，在經由前文所述過程製成的n型GaN襯底10的表面上，從n型 GaN層21開始形成氮化物半導體生長層11，以獲得良好的平面度，完成無 裂紋的氮化物半導體雷射器的製作。這裡採用了爬升生長方法，它受到槽18 的深度Z和n型GaN層21的設計層厚度等因素的極大影響。下面即給出爬 升生長的描述。
當構成氮化物半導體生長層11的各氮化物半導體層，在含有槽18和脊 17的n型GaN襯底的上形成時，會出現一些區域，該區域中在槽18的邊緣 附近生長的氮化物半導體層的厚度，大於從脊側面17b (見圖1)上大致沿 <11-20〉方向(下文稱"水平，，)生長的氮化物半導體層的厚度，也大於從槽 底面18a (見圖1 )上大致沿方向(下文稱"垂直")生長的氮化物半 導體層的厚度。隨著氮化物半導體層的進一步生長，由於在槽18邊緣附近 生長的氮化物半導體層的垂直生長速度大於其它地方的生長速度，槽18邊 緣附近區域的生長層達到了從脊頂面17a (見圖1)上垂直生長的氮化物半 導體層的厚度，從而導致槽18開始被填滿。
在槽18的邊緣附近區域，氮化物半導體層的生長就象是從槽18的底面 開始向脊17側面上爬升。這就是為什麼在本說明書中把這種現象稱作"爬 升生長"。爬升生長發生的區域稱作"爬升生長區"，通過爬升生長形成的部
ii分稱作"爬升生長部分"。此外，本說明書中，當從槽底面18a上生長的氮 化物半導體層的表面高度大部分變得與從脊頂面17a上生長的氮化物半導體 層的表面高度相等時，稱槽被"填滿"。
現在，結合相關

，當氮化物半導體層在n型GaN襯底IO上以 常規方式和上述爬升方式生長時，所觀察的層是怎樣發展形成的。圖4A到 4C示出了所觀察的部分晶片的截面形狀，此時在含有槽18和脊17的n型 GaN襯底IO上已形成了不同厚度的n型GaN層21。
圖4A到4C中，在n型GaN襯底IO上形成的脊17的寬度L為300pm, 槽18的寬度M為lO(Hrni、深度Z為5pm,脊和槽都平行於方向形 成。圖4A示出了所觀察的部分晶片的截面形狀，其中在n型GaN襯底lO 上形成的是設計層厚度為0.2|am的n型GaN層21。 n型GaN層21同時在 脊頂面17a、脊側面17b和槽底面18a上生長，分別形成頂面生長部分31a、 側面生長部分31b和底面生長部分31c。在這裡，4巴夾在頂面生長部分31a 和側面生長部分31 b之間的區域稱作生長部分31 d。
在頂面生長部分31a和槽底面生長部分31c的中間部分32中，生長的n 型GaN層21約為0.2pm厚。在靠近生長部分31d的側面生長部分31b中， n型GaN層21向槽18的中心方向生長，厚度約為0.3nm。在靠近槽底面18a 的側面生長部分31b中，n型GaN層21從脊側面17b上生長並突起，形成 突出部分34。在形成了突出部分34的爬升區域33中，爬升生長處在早期階 段。因此，從槽底面18a上垂直生長的底面生長部分31c,還未與脊側面17b 上的突出部分34連接在一起。
圖4B示出了所觀察的部分晶片的截面形狀，其中在n型GaN襯底10 上形成的是設計層厚度為2pm的n型GaN層21。圖4A所示的在靠近槽底 面18a的側面生長部分31b上形成的突出部分34,已經和乂人槽底面18a上垂 直生長的底面生長部分31c連接在一起。這已造成爬升生長，並形成了爬升 生長部分31e。然而，在爬升區域33中形成的爬升生長部分31e的垂直厚度， 還沒有達到在脊頂面17a上生長的頂面生長部分31a的高度，所以其具有傾 斜的形狀。爬升區域33向槽18的中心擴展，在槽的中間部分32上形成足 夠寬的平坦區。
如上所述，從槽底面18a上垂直生長的底面生長部分31c和從脊側面17b 上水平生長的側面生長部分31b，在槽18的邊緣處連接在一起，並促進了爬升生長。隨著爬升生長進一步地發展，在爬升區域33中形成的爬升生長部
分31e的n型GaN層21,達到了在脊頂面17a上生長的、由n型GaN層21 構成的頂面生長部分31a的表面的高度。隨著生長進一步地發展，在槽18 中的尚未被填充的區域中，槽18的填充過程同時受到來自槽底面18a的垂 直膜生長和來自爬升生長部分31 e的水平膜生長的影響。
圖4C示出了所觀察的部分晶片的截面形狀，其中在n型GaN襯底10 上形成的是設計層厚度為5nm的n型GaN層21。這裡，圖4C所示的n型 GaN層21經過爬升生長，使爬升生長部分31e水平方向上變得更厚。這加 寬了爬升區域33,並導致槽18除了在約20pm寬的中間部分32外被填滿。 這樣，就不可能確保在槽中間部分32處有一個平坦區域。此外，頂面生長 部分31a的表面平面度已經惡化。這是因為加寬了的爬升區33使得不可能 充分地吸收n型GaN層21中的應變。如果進一步通過在頂面生長部分31a 上形成氮化物半導體生長層11來製作氮化物半導體雷射器，很可能會產生 裂紋，並導致較差的平面度。因此，這就不可能製作出具有高可靠性的氮化 物半導體雷射器。
這些圖示說明了以下問題。如上所述，爬升生長與在n型GaN襯底10 上生長的n型GaN層21的厚度相關。爬升生長在GaN生長時最為顯著，因 而，如果n型GaN層21的厚度太大，爬升生長的發展會導致較差的平面度。 因此，這裡希望層的厚度不超過2pm。另一方面，如果不生長n型GaN層 21而直接在n型襯底上生長n型Al(uGao.9N覆蓋層22，進而製作氮化物半 導體雷射器，那麼氮化物半導體生長層11會受到n型GaN襯底10的影響， 從而導致結晶度下降。所以，優選地生長0.1nm或更厚的n型GaN層21。 這樣，生長的n型GaN層21的厚度優選大於或等於O.lpm但又不超過2pm。 此外，優選地，在從槽底面18a上垂直生長的由n型GaN層21構成的底面 生長部分31c，與從脊側面17b上水平生長的由n型GaN層21構成的側面 生長部分31b連接在一起之前，完成n型GaN層21的生長。附帶說明，已 經發現，爬升生長不易發生在AlGaN和InGaN上。
如果槽18的寬度不足，爬升生長會使它們填滿，從而不能確保在槽的 中間部分32處有一個平坦區。所以，槽18優選為50liin或更寬。另一方面， 雖然加大槽18的寬度可以防止它們被完全填滿，但是這也使它不能充分吸 收發生在氮化物半導體生長層U中的應變，從而使裂紋更容易發生，並導
13致較差的平面度。所以，槽18優選為小於或等於1,200nm寬。
已經發現，採用上述方法在n型GaN襯底10上生長n型GaN層21及 其它層，在所形成的氮化物半導體生長層11的表面上，脊17的邊緣附近， 出現了邊緣生長19 (見圖1 )，它們為20pm到30jnm寬、約0.3pm高的膜 突起。這些邊緣生長19在p型層生長時會顯著發生，而在構成氮化物半導 體生長層11的n型層生長時幾乎不會發生。
然而，在如圖4C所示,爬升生長已經使槽18在較大範圍內填滿了的晶 片上，邊緣生長19幾乎不會出現。但是，在邊緣生長19幾乎不會發生的條 件下，在脊17和槽18表面上形成的氮化物半導體生長層11的表面平面度 變得極差。相比之下，在邊緣生長19發生的條件下，除了邊緣生長19已經 發生的區域，在脊17表面上形成的氮化物半導體生長層11的表面平面度良 好。脊17表面上的平坦區的寬度至少應允許在其中形成脊條形部分。因此， 為了允許在邊緣生長19發生的區域之外，即距脊17的邊緣20|am到30(im 寬的區域之外形成脊條形部分，脊17的寬度優選地為70lam或更大。若脊 17的寬度L太大，可能會產生裂紋，所以該寬度優選地為120(Him或更小。 根據本發明，通過上述工藝過程，能夠在含有槽18和脊17的n型GaN 襯底IO上形成圖3所示氮化物半導體生長層11，並且可以實現在整個晶片 上無裂紋產生，同時可以確保在脊17上有400pm寬的平坦區以及在槽18 上有400pm寬的平坦區。在獲得的平坦區內，製作圖1所示的氮化物半導 體雷射器。
通過上述工藝過程，圖1所示的氮化物半導體雷射器包括在含有槽18 和脊17的n型GaN襯底IO上形成的圖3所示的氮化物半導體生長層11。 此外，在氮化物半導體生長層11的表面上，形成脊條形部分U作為雷射光 波導，在脊條形部分l2之間形成Si02層13作為電流限制的絕緣膜。另夕卜， 分別在脊條形部分12和相鄰的Si02層13的表面上形成p電極14，在n型 GaN襯底10的底面上形成n電極15。
對於脊條形部分12形成的位置沒有特別的限制，只是它們應該形成在 脊17和槽18表面上的平坦區內；更進一步，它們優選地位於距平坦區邊緣 5pm或更遠處。本實施例中，脊條部分12形成在脊17和槽18上的氮化物 半導體生長層11的表面上，靠近獲得的平坦區的中心，該中心距離兩側脊 側面17b各250^im遠。
14脊條形部分12通過以下方式形成。通過常用的光刻^J支術和幹法刻蝕技
術，對氮化物半導體生長層11的一部分進行刻蝕，從其最上表面(p型GaN 接觸層28 )向下刻蝕到p型AlaiGaa9N覆蓋層27中，留下一個條形圖案從 而形成脊條形部分12。條形的寬度為lpm到3|am,優選地為1.3pm到2pm。 從p型GaN導光層26和p型Al(uGao.9N覆蓋層27的界面到刻蝕底面的距 離為0.1 jim到0.4jim。
隨後，在脊條形部分12之外的表面上，形成Si02層13作為限制電流的 絕緣膜。這時，未被刻蝕而留下的條形p型GaN接觸層28是暴露的，在這 些暴露的部分上和SiCb層13上，按順序氣相沉積上Pb/Mo/Au從而形成p 電極14。
如上所述，本實施例中使用Si02作為絕緣膜；然而，絕緣膜也可以由其 它材料形成，這類材料的例子包括矽、鈦、鋯、鉭、鋁或類似元素的氧化物 或氮化物。p電極14由Pb/Mo/Au構成；然而，也可以由其它材料組合而成， 這些組合例如Pd/Pt/Au、 Pd/Au或Ni/Au。
下一步，通過從底面一側進行拋光或蝕刻去除部分n型GaN襯底10， 使晶片大致為80到200pm厚。然後，在n型GaN襯底10的底面上順序沉 積作為n電極15的Hf/Al層。n電極15也可以由其它材料組合而成，這些 組合例如Hf/Al/Mo/Au、 Hf/Al/Pt/Au、 Hf/Al/W/Au、 Hf/Au和Hf/Mo/Au。作 為這些材料組合的變種，也可以用Ti或Zr代替其含有的Hf。 n電極15可 以為每個氮化物半導體雷射器形成如圖l所示的不連續的小塊，也可以形成 為一個連續層(見圖7)。
形成氮化物半導體生長層11、脊條形部分12、 p電極14和n電極15 後，沿垂直於方向(見圖1)即垂直於脊條形部分12形成的方向對 晶片進行解理，從而形成腔的端面(或稱諧振腔端面)。這樣，就製成了腔 長400pm的波導型法布裡-珀羅(Fabry-Perot)腔(或諧振腔)。腔長並不限 於400pm，而是可以在300nm到lOOOpm的範圍內取值。
經過上述晶片解理和形成諧振腔端面的過程，晶片被分割成條。每一條 都含有大量在水平行中形成的氮化物半導體雷射器結構，每個氮化物半導體 雷射器結構都如圖1所示。所形成的諧振腔端面對應氮化物半導體晶體的 {1-100}面。先用金剛石刀片在整個晶片的底面上劃線，再對晶片施加適當的
力從而完成解理。可選地，解理時也可以只在晶片的局部劃線，如只在晶片的邊緣上，然後使晶片從這些局部的劃線開始進行解理。諧振腔端面可以通 過刻蝕方法形成。
這樣，為每個波導型法布裡-珀羅諧振腔形成一前一後兩個端面後，在
每個諧振腔端面上，交替氣相沉積反射率為70%的SiCb和Ti02介質膜，從
而形成多層介質反射膜。形成的兩個諧振腔端面中， 一面可以作為雷射發射
面，例如在該端面上形成反射率為5%的多層介質反射膜；另一面可以作為 雷射反射面，例如在該端面上形成反射率為95%的多層介質反射膜。也可以 在這些端面上形成上面特別提到的以外的反射率值。介質膜的材料不限於 Si02/Ti02;例如，可以使用Si02/Al203。下一步，包含大量水平排列的氮化 物半導體雷射器的條，沿平行於脊條部分12的方向分割成單獨的氮化物半 導體雷射器(管芯)。
這時，把條放置在平臺上，使晶片的底面向上，然後在光學顯微鏡下， 逐一對準劃線部位以使用金剛石刀片在條的底面上劃線。再對條施加適當的 力，使其沿劃線分割成單獨的氮化物半導體雷射器(管芯)。這種方法稱作 劃片法。
除了劃片法，也可以用其它方法在條底面上形成劃痕、槽或類似情形， 再分割成管芯完成晶片分割。晶片分割的其它方法包括，例如小塊切割法， 使用線鋸或薄刀片進行劃刻或切割；雷射劃片法，使用雷射如準分子雷射照 射目標元件，先使元件受熱再突然使其冷卻，這樣所產生的裂紋即形成劃線； 以及雷射燒蝕法，使用高能密度的雷射照射目標元件，使其蒸發從而形成槽。
通過上述晶片分割過程，在圖1所示的脊17和槽18的平坦區內形成的 氮化物半導體雷射器被分割成單獨的管芯。每個單獨的氮化物半導體雷射器 寬40(Vm。本實施例中，脊17和槽18是以500pm的間隔形成在n型GaN 襯底上的，如圖5所示，沿分割線51分割成單獨的氮化物半導體雷射器， 分割線51位於/人脊側面17b距脊17和槽18的中心各50|am遠處。本實施 例中，分割使脊17和槽18之間的臺階不包含在內。可選地，如圖6所示， 可以沿分割線61進行分割，使脊17上的氮化物半導體雷射器或槽18上的 氮化物半導體雷射器包含這些臺階。分割線也可以在上述特定位置之外的地 方；然而，優選地使分割線位於脊條形部分12之外20pm或更遠處。
按照上述方法製成的本實施例的氮化物半導體雷射器，在多數管芯中， 觀察到的在氮化物半導體生長層11上每平方釐米裂紋的數量為零。按照傳統方法製成的氮化物半導體雷射器，在氮化物半導體生長層11上觀察到的
每平方釐米裂紋的數量為3到6個。因此，使用本實施例中的方法，能夠減 少裂紋的發生。此外，也能夠在整個晶片上獲得良好的平面度和均勾性，帶 來更高的成品率。
具體地說，傳統方法製成的氮化物半導體雷射器中，構成氮化物半導體 生長層11的不同層之間，如AlGaN覆蓋層和GaN層之間，因晶格常數和熱 膨脹係數的不同會產生應變，進而產生裂紋。相比之下，本實施例的氮化物 半導體雷射器中，氮化物半導體生長層11形成時不會填滿在n型GaN襯底 上形成的槽18。這分散了出現在氮化物半導體生長層11中的應變，從而減 少了裂紋的發生。另一方面，氮化物半導體生長層11中應變的不均勻程度 的降低，使平面度良好。
本實施例的氮化物半導體雷射器是假定具有一個法布裡-珀羅諧振腔 的；然而，它也可以設計成採用其它反饋方法的氮化物半導體雷射器，例如 在電流注入區內部形成光^t的分布反饋(DFB)雷射器，或者在電流注入區 外部形成光柵的分布布拉格反射(DBR)雷射器。
第二實施例
結合相關附圖，下面描述本發明的第二實施例。圖7是部分晶片的示意 性截面圖，其上形成有本實施例的氮化物半導體雷射器。本實施例中，在n 型GaN襯底IO頂面上形成的氮化物半導體生長層11，具有如圖3所示相同 的結構，只是n型GaN層21的厚度不同。所以，這裡使用與第一實施例同 樣的參考標記，並且本實施例的描述中將省略詳細的解釋，與第一實施例相 對應的部分將加以引述。雖然在圖7中未示出，但本實施例中n型GaN襯 底10相對於主平面即C面(0001)的偏角為0.2°。
n型GaN襯底10包含在其上沿平行於的方向形成的槽18和脊 17。脊17的寬度L為50pm,槽18的寬度M為300^im,槽18的深度Z為 20nm。形成槽18和脊17的方法等與第一實施例相同，其詳細描述不再重 復。脊17和槽18的截面形狀可以是矩形或者是正錐形，從而槽18開口處
的寬度大於其底部的寬度；或者是倒錐形，從而槽18開口處的寬度小於其 底部的寬度。
在含有槽18和脊17的n型GaN襯底10的頂面上，形成圖3所示的氮 化物半導體生長層11。本實施例中，n型GaN層21的層厚為2(im。這樣形成氮化物半導體生長層11後，在晶片的頂面上，脊17上的平坦區比較狹窄，
並且由於邊緣生長19(未示出)突出顯著，使得平面度較差。另一方面，在 槽18中，/人脊側面17b向槽18的中心出現了約3(Him寬的爬升區33。因此， 在槽18中獲得了約240pm寬的平坦區。
下一步，在以上述方法製成的晶片上，形成氮化物半導體雷射器。本實 施例中，由於脊狹窄，在上面得到的平坦區寬度不足。因此，脊條形部分12 和SiCb層13形成在槽18的平坦區內，並在它們上面形成p電才及14。形成 方法等與第一實施例相同，其詳細描述不再重複。本實施例中，所形成的
與第一實施例一樣，通過常用的光刻技術和幹法刻蝕技術，可以分割Si02 層13和p電極14,使它們分別形成在各個單獨的氮化物半導體雷射器上。
對於脊條形部分12形成的位置沒有特別的限制，只是它們應該形成在 脊17和槽18表面上的平坦區內；更進一步地它們優選地位於平坦區邊緣以 外5pm或更遠處。本實施例中，脊條形部分12形成在脊17和槽18上的氮 化物半導體生長層11的表面上，靠近獲得的平坦區的中心，該中心距離兩 側脊側面17b各150lim遠。
下一步，通過從底面進行拋光或刻蝕處理去除部分n型GaN襯底10, 使晶片大致為80到200jam厚。然後，在n型GaN襯底10的底面上形成n 電極15。去除n型GaN襯底10的底面的方法和形成n電極15的方法等與 第一實施例相同，其詳細描述不再重複。本實施例中，所形成的n電極15 不是在各個氮化物半導體雷射器上分開形成的；然而，與第一實施例一樣， 通過常用的光刻技術和幹法刻蝕技術，可以分割n電極15,使它們分別形成 在各個單獨的氮化物半導體雷射器上。
形成氮化物半導體生長層11、脊條形部分12、 p電極14和n電極15 後，沿垂直於方向(見圖7)即垂直於脊條12形成的方向對晶片進 行解理，從而形成諧振腔端面。這樣，就製成了腔長為600|im的波導型法 布裡-珀羅諧振腔。腔長並不限於600|am,而是可以在300|am到lOOOpm的 範圍內取值。諧振腔端面的形成方法等與第一實施例相同，其詳細描述不再 重複。
這樣，為每個波導型法布裡-珀羅諧振腔形成一前一後兩個端面後，在 每個諧振腔端面上，交替地氣相沉積上反射率為70%的Si02和Ti02介質膜，從而形成多層介質反射膜。形成的兩個諧振腔端面中， 一面可以作為雷射發
射面，例如在該端面上形成反射率為5%的多層介質反射膜；另一面可以作 為雷射反射面，例如在該端面上形成反射率為95%的多層介質反射膜。也可 以在這些端面上形成上面特別提到的以外的反射率值。介質膜的材料不限於 Si02/Ti02;例如，可以使用Si02/Al203。下一步，包含大量沿水平行排列的 氮化物半導體雷射器結構的條，沿平行於脊條形部分12的方向分割成單獨 的氮化物半導體雷射器(管芯)。晶片分割的方法等與第一實施例相同，其 詳細描述不再重複。
通過上述晶片分割過程，在圖7所示的槽18的平坦區內形成的氮化物 半導體雷射器被分割成單獨的管芯。分割後每個單獨的氮化物半導體雷射器 寬350pm。本實施例中，脊17和槽18是以350pm的間隔形成在n型GaN 襯底上的，如圖7所示，沿分割線71分割成單獨的氮化物半導體雷射器， 分割線71位於從脊側面17b距槽18的中心40|im遠處。分割線71也可以 在上述特定位置之外的地方；然而，優選地使分割線位於脊條形部分12之 夕卜20lim或更遠處。
按照上述方法製成的本實施例的氮化物半導體雷射器，在多數管芯中， 觀察到的在氮化物半導體生長層11上每平方釐米裂紋的數量為零。按照傳 統技術製成的氮化物半導體雷射器，在氮化物半導體生長層11上觀察到的 每平方釐米裂紋的數量為3到6個。因此，使用本實施例中的方法，能夠減 少裂紋的發生。此外，也能夠在整個晶片上獲得良好的平面度和一致性，帶 來更高的成品率。
本實施例的氮化物半導體雷射器是假定具有一個法布裡-珀羅諧振腔 的；然而，它也可以設計成採用任何其它反饋方法的氮化物半導體雷射器， 例如在電流注入區內部形成光柵的分布反饋(DFB)雷射器，或者在電流注 入區外部形成光柵的分布布拉格反射(DBR)雷射器。
笫三實施例
結合相關附圖，下面描述本發明的第三實施例。圖8是部分晶片的示意 性截面圖，其上形成有本實施例的氮化物半導體雷射器。本實施例中，在n 型GaN村底IO頂面上形成的氮化物半導體生長層11,具有如圖3所示同樣 的結構，只是n型GaN層21的厚度不同。所以，這裡使用與第一實施例同 樣的參考標記，並且本實施例的描述中將省略詳細的解釋，與第一實施例相
19對應的部分將加以引述。雖然在圖8中未示出，但本實施例中n型GaN襯 底10相對於主平面即C面(0001)的偏角為0°。
本實施例中，n型GaN襯底10包含在其上沿平行於的方向形成 的槽18和脊17。脊17的寬度L為120(^m，槽18開口處的寬度M為50pm， 槽18的深度Z為10pm。槽18的截面形狀是倒錐形的，從而槽18底面18a 處的寬度N大於其開口處的寬度M。
首先，與第一實施例一樣，通過常用的光刻^L術和幹法刻蝕技術去除部 分Si02和n型GaN襯底，形成與第一實施例一樣的具有矩形截面形狀的槽 18。隨後，進行溼法刻蝕使槽18形成倒錐形的截面形狀，從而槽18底面18a 處的寬度N大於其開口處的寬度M,如圖8所示。
這裡，使用KOH (氫氧化鉀)溶液或者NaOH (氫氧化鈉)和KOH的 混合溶液進行溼法刻蝕。把溶液加熱到80。C到250。C使其能夠進行各向同性 刻蝕，使槽18形成倒錐形的形狀。
在含有倒錐形截面的槽18的n型GaN襯底10上，形成如圖3所示的 氮化物半導體生長層ll。本實施例中，n型GaN層21的厚度為O.lpm。
本實施例中，槽18在開口處的寬度M為50nm,即小於槽18在底面處 的寬度N，使槽18具有倒錐形的截面形狀。這限制了爬升生長，並可以防 止槽18被填滿。所以，氮化物半導體生長層11形成以後，在槽18的中部 得到約1(Him寬的平坦區，在脊17上得到約1140,到1150pm寬的平坦區。 大致在槽18平坦區的中間部分和脊17平坦區的中間部分上，形成脊條形部 分12、 Si02層13和p電極14。它們形成的方法等與第一實施例相同，並使 用通用的參考標記和符號，其詳細解釋不再重複。本實施例中，所形成的 Si02層13和p電極14不是在各個氮化物半導體雷射器上分開形成的；然而， 與第一實施例一樣，通過常用的光刻技術和幹法刻蝕技術，可以分割Si02 層13和p電極14,使它們分別形成在各個單獨的氮化物半導體雷射器上。
對於脊條形部分12形成的位置沒有特別的限制，只是它們應該形成在 脊17和槽18表面上的平坦區內；更進一步地它們優選地位於平坦區邊緣以 夕卜5,或更遠處。
下一步，通過/人底面進行拋光或刻蝕處理去除部分n型GaN襯底10， 使晶片大致為80到2001im厚。然後，在n型GaN襯底10的底面上形成n 電極15。去除n型GaN村底10的底面的方法和形成n電極15的方法等與第一實施例相同，其詳細描述不再重複。本實施例中，所形成的n電極15
不是在各個氮化物半導體雷射器上分開形成的；然而，與第一實施例一樣，
通過常用的光刻技術和幹法刻蝕技術，可以分割n電極15，使它們分別形成 在各個單獨的氮化物半導體雷射器上。
形成氮化物半導體生長層11、脊條形部分12、 p電極14和n電極15 後，沿垂直於方向即垂直於脊條形部分12形成的方向對晶片進行解 理，從而形成諧振腔端面。在本實施例中，製成了腔長為400pm的波導型 法布裡-珀羅諧振腔。腔長並不限於400pm，而是可以在300inm到1000nm 的範圍內取值。諧振腔端面的形成方法等與第一實施例相同，其詳細描述不 再重複。
這樣，為每個波導型法布裡-珀羅諧振腔形成一前一後兩個端面後，在 每個諧振腔端面上，交替地氣相沉積上反射率為70%的Si02和Ti02介質膜， 從而形成多層介質反射膜。形成的兩個諧振腔端面中， 一面可以作為雷射發 射面，例如在該端面上形成反射率為5%的多層介質反射膜；另一面可以作 為雷射反射面，例如在該端面上形成反射率為95%的多層介質反射膜。也可 以在這些端面上形成上面特別提到的以外的反射率值。介質膜的材料不限於 Si02/Ti02;例如，可以使用Si02/Al203。下一步，包含大量沿水平行排列的 氮化物半導體雷射器結構的條，沿平行於脊條形部分12的方向分割成單獨 的氮化物半導體雷射器(管芯)。晶片分割的方法等與第一實施例相同，其 詳細描述不再重複。
通過晶片分割過程，在圖8所示的脊17的平坦區內和槽18的平坦區內 形成的氮化物半導體雷射器被分割成單獨的管芯。本實施例中，槽18在開 口處的寬度小到只有50|iim。所以，例如沿脊17上的分割線81進行解理。 在這種情況下，與第二實施例一樣，優選地在脊條形部分12之外20pm或 更遠處進行分割。
按照上述方法製成的本實施例的氮化物半導體雷射器，在多數管芯中， 觀察到的在氮化物半導體生長層11上每平方釐米裂紋的數量為零。按照傳 統方法製成的氮化物半導體雷射器，在氮化物半導體生長層11上觀察到的 每平方釐米裂紋的數量為3到6個。因此，使用本實施例中的方法，能夠減 少裂紋的發生。此外，也能夠在整個晶片上獲得良好的平面度和一致性，帶 來更高的成品率。本實施例的氮化物半導體雷射器是假定具有一個法布裡-珀羅諧振腔
例如在電流注入區內部形成光柵的分布反饋(DFB)雷射器，或者在電流注 入區外部形成光柵的分布布拉格反射(DBR)雷射器。
根據本發明製成的氮化物半導體發光器件可被用作雷射二極體，適合用 在光碟裝置如DVD驅動器的光學拾波器中，用來產生藍色雷射。
本申請要求於2004年2月20日提交的日本專利申請No.2004-044630 的優先權，其全部內容在此加以參考引用。
2權利要求
1.一種製作氮化物半導體發光器件的方法，該器件包括氮化物半導體襯底，在它的頂面上形成有槽和脊並以條形延伸；以及氮化物半導體生長層，在氮化物半導體襯底頂上且具有在彼此頂上的n型氮化物半導體層、有源層、和p型氮化物半導體層，該方法包括第一步，通過形成氮化物半導體生長層，至少在槽和脊之一上形成一個大於或等於10μm寬的平坦區，從而使槽上的氮化物半導體生長層的高度小於脊上的氮化物半導體生長層的高度；以及第二步，在形成於第一步的平坦區中的氮化物半導體生長層的表面上，形成一個抬高的脊條形部分。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中槽截面的形狀是矩形或者是倒錐形，從而槽在開口處的寬度小於其底部的寬度；或者是正錐形，從而槽在開口處的寬度大於其底部的寬度。
3. 衝艮據權利要求1所述的方法，其中在氮化物半導體襯底上形成的槽的寬度大於或等於5(Han但又小於或等於1200pm。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中在氮化物半導體襯底上形成的槽的深度大於或等於3|im但又小於或等於20jim。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中氮化物半導體襯底頂面的偏角為0.2。或更小。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中脊的寬度大於或等於70nm但又小於或等於U00jmi。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中在平坦區內形成脊條形部分，並距離平坦區的邊緣5pm或更遠。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中在平行於脊條形部分的方向上，至少與脊條形部分距離20pm遠才丸行分割。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中形成於槽或脊上的氮化物半導體發光器件至少包括脊條形部分，且在不包含槽和脊之間形成的臺階部分的位置被分割。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中形成於槽或脊上的氮化物半導體發光器件至少包括脊條形部分，且在包含槽和脊之間形成的臺階部分的位置被分割。
全文摘要
本發明提供了一種製作氮化物半導體發光器件的方法，該半導體發光器件包括在其頂面上形成有延伸成條形的槽和脊的氮化物半導體襯底，以及在氮化物半導體襯底上形成的由多個氮化物半導體層構成的氮化物半導體生長層。該方法包括一個步驟，即通過在氮化物半導體襯底上形成氮化物半導體生長層，至少在槽和脊之一上形成一個大於或等於10μm寬的平坦區，使得在槽上形成的氮化物半導體生長層的高度小於在脊上形成的氮化物半導體生長層的高度。
文檔編號H01S5/02GK101645481SQ200910140670
公開日2010年2月10日 申請日期2005年2月18日 優先權日2004年2月20日
發明者神川剛, 金子佳加, 高倉輝芳 申請人:夏普株式會社