CN101645481A - 制作氮化物半导体发光器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制作氮化物半导体发光器件的方法，该半导体发光器件包括在其顶面上形成有延伸成条形的槽和脊的氮化物半导体衬底，以及在氮化物半导体衬底上形成的由多个氮化物半导体层构成的氮化物半导体生长层。该方法包括一个步骤，即通过在氮化物半导体衬底上形成氮化物半导体生长层，至少在槽和脊之一上形成一个大于或等于10μm宽的平坦区，使得在槽上形成的氮化物半导体生长层的高度小于在脊上形成的氮化物半导体生长层的高度。

Description

制作氮化物半导体发光器件的方法
本申请是申请日为2005年2月18日且发明名称为“制作氮化物半导体发光器件的方法”的中国专利申请No.200510071664.8的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体发光器件，例如氮化物半导体激光器。
背景技术
利用氮化物半导体材料，如GaN(氮化镓)、AlN(氮化铝)、InN(氮化铟)和它们的混合晶体，已经在商用和试验基础上制作出了可以从紫外光到可见光光谱范围内发出激光的氮化物半导体激光器。为了实现这个目的，通常使用GaN作为衬底，然而，GaN衬底的使用还远未使具有令人满意地长发光寿命的氮化物半导体激光器的生产成为可能。所以，此后人们在寻求更长的激光发光寿命。氮化物半导体激光器的发光寿命，受到在GaN衬底上制备氮化物半导体层时所产生的裂纹和类似缺陷的影响。因而，裂纹的发生是引起氮化物半导体激光器退化的因素之一，需要将其减少到最小。
按照为解决上述问题而提出的一种传统技术，氮化物半导体器件通过这样的方法来制作，即先在GaN衬底的上面生长一层具有低于GaN的热膨胀系数的氮化物半导体，再进一步在它的上面形成半导体发光器件的结构。这有助于减少特别是在形成于GaN衬底上的n型接触层中的微裂纹的发生，(参见日本专利申请公开No.2000-299497，下文中称为专利公开1)。
然而，即使半导体激光器的结构是按照上述专利公开1所提出的技术在GaN衬底上制备的，裂纹有时也会在晶片的表面上发生。这些出现在表面上的裂纹成为引起半导体激光器性能退化的因素之一，导致过短的激光发光寿命，并且由于沿裂纹产生的裂缝使晶片以不可预料的方式裂开，从而造成成品率降低。
发明内容
考虑到上述通常所遇到的问题，本发明的目的是提供一种制作氮化物发光器件的方法，藉此，当通过在氮化物半导体衬底上形成氮化物半导体生长层来制备氮化物发光器件时，可以形成具有较少裂纹和良好表面平面度的氮化物半导体生长层。
为了实现上述目的，根据本发明，氮化物半导体发光器件包括表面上形成有以条形延伸的槽和脊的氮化物半导体衬底，以及在氮化物半导体衬底上形成的含有多个氮化物半导体层的氮化物半导体生长层，这种氮化物半导体发光器件的制作方法包括：第一步，通过在氮化物半导体衬底上形成氮化物半导体生长层，至少在槽和脊之一上形成一个大于或等于10μm宽的平坦区，从而槽上的氮化物半导体生长层的高度小于脊上氮化物半导体生长层的高度；第二步，在形成于第一步的平坦区中的氮化物半导体生长层的表面上，形成一个抬高的脊条(ridge stripe)部分；第三步，沿着平行于脊条部分的分割线，至少沿槽和脊之一进行分割。
根据本发明，槽截面的形状可以是矩形或者是倒锥形，从而槽开口处的宽度小于槽底部的宽度；或者是正锥形，从而槽开口处的宽度大于槽底部的宽度。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，在氮化物半导体衬底上形成的槽的宽度可以大于或等于50μm但又小于或等于1,200μm。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，在氮化物半导体衬底上形成的槽的深度可以大于或等于3μm但又小于或等于20μm。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，在氮化物半导体衬底的表面上形成的n型GaN层的厚度大于或等于0.1μm但又小于或等于2μm。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，氮化物半导体衬底顶部表面的偏角(off angle)可以为0.2°或更小。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，脊的宽度可以大于或等于70μm但又小于或等于1,200μm。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，脊条形部分在平坦区内形成，并与平坦区的边缘距离5μm或更远。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，第三步中，分割线至少与脊条形部分距离20μm远。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，第三步中，可以沿分割线对槽或脊上形成的氮化物半导体发光器件进行分割，使如此分割得到的氮化物半导体发光器件不包含槽和脊之间形成的台阶部分。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，第三步中，可以沿分割线对槽或脊上形成的氮化物半导体发光器件进行分割，使如此分割得到的氮化物半导体发光器件包含槽和脊之间形成的台阶部分。
上述制作氮化物半导体发光器件的方法中，当在槽和脊上都形成有氮化物半导体发光器件时，可以对槽和脊上形成的氮化物半导体发光器件进行分割，使如此分割得到的氮化物半导体发光器件之一包含槽和脊之间形成的台阶部分。
附图说明
图1是部分晶片的横截面示意图，表示其上形成有本发明第一实施例中的氮化物半导体激光器；
图2是本发明第一实施例中所观察的、尚未在其上形成氮化物半导体生长层的n型GaN衬底的顶视图；
图3是表示本发明第一、第二和第三实施例中观察的氮化物半导体生长层的结构的横截面示意图；
图4A到4C是反映爬升(creep-up)生长过程的图解；
图5是表示在晶片上从何处对芯片进行分割的图解，晶片上形成有本发明第一实施例的氮化物半导体激光器；
图6是表示在晶片上从何处对芯片进行分割的图解，晶片上形成有本发明第一实施例的氮化物半导体激光器；
图7是部分晶片的横截面示意图，表示其上形成有本发明第二实施例中的氮化物半导体激光器；以及
图8是部分晶片的横截面示意图，表示其上形成有本发明第三实施例中的氮化物半导体激光器。
具体实施方式
首先，给出本说明书中频繁使用的一些术语的定义。“氮化物半导体衬底”表示由氮化物半导体形成的任何衬底，因而可互换地使用“AlaGabIncN衬底”(其中0≤a≤1，0≤b≤1，0≤c≤1，且a+b+c＝1)。在这样的AlaGabIncN(其中0≤a≤1，0≤b≤1，0≤c≤1，且a+b+c＝1)衬底中，所含的氮大约有10％或更少(只要它具有六方晶系)可以由As、P、或Sb代替。本说明书中，任何这样的衬底都统称为“GaN衬底”。
本说明书中，“槽”表示在氮化物半导体衬底顶面(生长表面)上形成的条形凹陷部分。同样地，“脊”表示在该表面上形成的条形抬高部分。这样的槽或脊的截面形状不一定是矩形的，例如，也可以是正锥形或倒锥形。当形成槽时，表面出现了，该表面同时是槽和相邻脊的侧面。由于这些表面都是同一的，本说明书中，所有这样的表面都称为“脊侧面”。
本说明书中，“有源层”均表示任何含有单个势阱层或者同时含有单个或多个势阱层和势垒层的层。例如，具有单量子阱结构的有源层可以是由单势阱层构成，或者是由势垒层、势阱层和势垒层组合构成。另一方面，有源层也可以是由多个势阱层和多个势垒层构成的多量子阱结构。
本说明书中，“偏角”表示由GaN单晶经切割或其它方法得到的GaN衬底的表面与C面所成的夹角，C面又称(0001)面，它是GaN单晶的晶体生长面。
晶体学中，习惯在指数的绝对值上加一横线来表示负的晶面或晶向指数。本说明书中，由于不可能使用这样的符号，所以在指数的绝对值前加一个负号“-”来表示负的指数。
第一实施例
结合相关附图，描述本发明的第一实施例。作为氮化物发光器件的例子，以下描述涉及一种氮化物半导体激光器。图1是部分晶片的横截面示意图，其上形成有本发明第一实施例中的氮化物半导体激光器。图2是该实施例中，尚未在其上形成氮化物半导体生长层11的n型GaN衬底10的顶视图。在这些图中，同时标出了晶面方向。图1所示的氮化物半导体激光器，是通过在图2所示的n型GaN衬底10上放置或形成氮化物半导体生长层11来制作的。
如图2所示，在n型GaN衬底10上，沿着平行于<1-100>的方向形成脊17和槽18。这里，假定脊和槽具有矩形截面。图3是反映氮化物半导体生长层11结构的横截面示意图。
该氮化物半导体激光器中，下面结合相关的附图说明如何制作n型GaN衬底10。n型GaN衬底10的顶面的主平面方向为(1000)面，n型GaN衬底10相对于主平面方向有0.1°的偏角(图中未示出)。在该n型GaN衬底10的顶面上，气相沉积SiO2、SiNx或其它类似物。在本实施例中假定是SiO2；然而，也可以是任何其它类型的介质膜或类似物。下一步，在SiO2膜上涂敷光刻胶，采用通常的光刻技术，在<1-100>方向上形成条形光刻胶掩模图案。下一步，通过RIE(反应离子刻蚀)或其它类似技术，在SiO2和n型GaN衬底10的顶面上刻蚀出槽18。此后，使用刻蚀剂例如HF(氢氟酸)去除SiO2。这样就制成了图2所示的n型GaN衬底10，其包含沿<1-100>方向形成的脊17和槽18。本实施例中，使用RIE技术来刻蚀n型GaN衬底10的顶面以形成槽18；然而，也可以使用任何其它技术，如湿法刻蚀技术。
上述的脊17和槽18是在n型GaN衬底10的顶面上沿平行于<1-100>的方向形成的。槽的宽度M为500μm，脊的宽度L为500μm，槽的深度Z(见图1)为5μm。脊17和槽18截面的形状可以是矩形或者是正锥形，从而槽18在开口处的宽度大于其底部的宽度；或者是倒锥形，从而槽18在开口处的宽度小于其底部的宽度。
在形成氮化物半导体生长层11时，槽18的深度Z影响槽18的填充情况。因此，如果在n型GaN衬底10上形成的槽18的深度小于3μm，则当在n型GaN衬底10上形成氮化物半导体生长层11时，下面将要描述的爬升生长会引起槽18在较大范围内填满。不利地是，这不仅不能保证用来形成脊条形部分的区域，同时也降低了氮化物半导体生长层11的表面平面度。另一方面，如果槽18的深度大于20μm，不利地是，很可能在氮化物半导体激光器的制作过程中产生裂纹或其它问题。所以，优选地使槽18的深度Z大于或等于3μm但又小于或等于20μm，更优选地使其大于或等于5μm但又小于或等于10μm。
优选地使形成有脊17和槽18的n型GaN衬底10与主平面所形成的偏角不超过0.2°。如果在偏角大于0.2°的GaN衬底上形成氮化物半导体生长层11，不利地是，脊17的顶面和槽18的中部可能会沿着某个特定方向倾斜，或者在氮化物半导体生长层11的整个表面出现波状起伏，导致整个晶片表面的平面度降低。
在经上述过程获得的衬底上，通过MOCVD(金属有机物化学气相沉积)或其它类似方法外延生长图3所示的氮化物半导体生长层11。这样，就制成了图1所示氮化物半导体激光器。
如图3所示，在n型GaN衬底10上形成的氮化物半导体生长层11包括以下诸层，这些层按照所列举的顺序彼此层叠：1μm厚的n型GaN层21；1.2μm厚的n型Al0.1Ga0.9N覆盖层22；0.1μm厚的n型GaN导光层23；多量子阱结构有源层24，它由4个8nm厚的In0.01Ga0.99N势垒层和3个4nm厚的In0.1Ga0.9N势阱层构成；20nm厚的p型Al0.3Ga0.7N载流子阻挡层25；0.1μm厚的p型GaN导光层26；0.5μm厚的p型Al0.1Ga0.9N覆盖层27；以及0.1μm厚的p型GaN接触层28。
下面，将说明如何制作氮化物半导体生长层11。以下所描述的是使用MOCVD方法的例子；然而，只要可以外延生长，也可以使用除MOCVD方法之外的任何其它生长方法，例如，可用的生长方法包括其它气相生长方法如MBE(分子束外延)方法和HDVPE(氢化物气相外延)方法。
把n型GaN衬底10放置在MOCVD设备的生长炉内的预制基座上。然后将基座温度升至1050℃。然后，H2或N2作为载气、NH3作为N源、TMGa(三甲基镓)或TEGa(三乙基镓)作为Ga源、以及SiH4作为用作n型杂质(掺杂剂)的Si源被通入到生长炉中，生长n型GaN层21。然后，TMAl(三甲基铝)或TEAl(三乙基铝)作为Al源通入到生长炉中，生长n型Al0.1Ga0.9N覆盖层22。在上述层中，作为n型杂质(掺杂剂)的Si的浓度控制在5×1017/cm3到1×1019/cm3的范围内。随后，生长n型GaN导光层23，并将膜中Si的浓度控制在1×1016/cm3到1×1018/cm3的范围内。
然后，将基座温度降至750℃，生长多量子阱结构有源层24，该层包括3个周期的In0.1Ga0.9N势阱层和4个周期的In0.01Ga0.99N势垒层。该多量子阱结构有源层24通过以下顺序生长组分层而形成：势垒层、势阱层、势垒层、势阱层、势垒层、势阱层、势垒层。当该多量子阱结构有源层24形成后，将SiH4通入到生长炉中，使势垒层或势垒层和势阱层中Si的浓度在1×1016/cm3到1×1018/cm3的范围内。
下一步，将基座温度升回到1,050℃，并停止SiH4供应，然后向生长炉中通入作为N源的NH3、作为Ga源的TMGa(三甲基镓)或TEGa(三乙基镓)、以及作为Al源的TMAl(三甲基铝)或TEAl(三乙基铝)，从而依次形成p型Al0.3Ga0.7N载流子阻挡层25、p型GaN导光层26、p型Al0.1Ga0.9N覆盖层27和p型GaN接触层28。当这些膜形成以后，作为Mg源以提供p型杂质(掺杂剂)的EtCP2Mg(二乙基环戊烯镁)通入到炉中，使膜中Mg的浓度控制在1×1018/cm3到2×1020/cm3的范围内。在这里，任何其它戊基Mg材料也可以用来作为Mg源，例如环戊烯镁或二甲基环戊烯镁。残留在p型层如p型Al0.3Ga0.7N载流子阻挡层25、p型GaN导光层26、p型Al0.1Ga0.9N覆盖层27和p型GaN接触层28中的氢，会阻碍p型掺杂剂Mg的激活。为了去除残留的氢，可以伴随p型层的生长混入微量的氧。
以此方法形成p型GaN接触层28后，MOCVD设备中的所有气体都置换成N2和NH3，并以60℃/min的速率降低基座的温度。当基座温度降至800℃时，停止NH3供应，而后使基座在800℃的温度下保持5分钟。然后，基座温度降至室温。本实施例中，基座温度在800℃保持5分钟；然而，也可在任何其它温度下保持任意长的时间。优选地使基座温度保持在650℃到900℃的范围内，使保持时间在3到10分钟内。基座温度下降的速率优选地为30℃/min或更大。
采用喇曼测量方法对上述氮化物半导体生长层11进行测量评估，得到如下结果。晶片在从MOCVD设备中取出后，甚至在进行p型化退火前，Mg已经被激活而实现了一定的p型化。此外，p电极形成后的接触电阻减小了。这些结果有利地表明，按照惯例进行p型化退火处理有助于进一步提高Mg的激活率。
生长多量子阱结构有源层24时，在势垒层生长后势阱层生长前和势阱层生长后势垒层生长前，最好暂停层形成，持续时间不少于1秒但不多于180秒。这有助于增强各势垒层和势阱层的平面度。良好的平面度使In组分分布均匀，也使各势垒层和势阱层的厚度均匀，从而有助于减小激光发光波长的不均衡。这也有利地减小了自发(自然的)发光的FWHM(半最大值全宽)。
在多量子阱结构有源层24中，可以通入AsH3(三氢化砷)、TBAs(叔-丁基砷)或TMAs(三甲基砷)来加入As；通入PH3(三氢化磷)、TBP(叔-丁基磷)或TMP(三甲基磷)来加入P；通入TMSb(三甲基锑)或TESb(三乙基锑)来加入Sb。在形成多量子阱结构有源层24时，可以使用除NH3之外的其它物质作为N源，例如肼类材料如二甲基肼或者叠氮化物如叠氮基乙酯(ethylazide)。
本实施例中，在由多层InxGa1-xN量子阱构成有源层时，或者在有源层中加入As或P构成量子阱结构有源层时，如果在量子阱层中出现穿透位错(贯穿型位错)，In会不利地沉淀在位错处。因此，在由上述InxGa1-xN作为量子阱层构成有源层的情况下，应优选地尽可能地将量子阱层中的晶体缺陷如位错减到最少，以获得良好的氮化物半导体激光特性。
本实施例中，多量子阱结构有源层24的形成是以势垒层开始并以势垒层结束；然而，也可以以势阱层开始并以势阱层结束。所形成的势阱层的层数不限于3层，只要不超过10层也可以是其它的层数，因为这样可以提供低阈值电流密度，并允许室温下连续激射。特别优选地，所形成的势阱层的层数应不少于2层但又不多于6层，这样它们可以提供低阈值电流密度。多量子阱结构有源层24可以含有Al。
本实施例中，多量子阱结构有源层24的势阱层和势垒层中都掺杂了Si杂质；然而，这些层也可以不含有任何杂质。掺杂杂质不限于Si，也可以是O、C、Ge、Zn或Mg。掺杂总量优选地在约1×1017到8×1018/cm3的范围内。不一定非要在势阱层和势垒层中都进行掺杂，也可以只在势阱层中或只在势垒层中掺杂。
这样，在经由前文所述过程制成的n型GaN衬底10的表面上，从n型GaN层21开始形成氮化物半导体生长层11，以获得良好的平面度，完成无裂纹的氮化物半导体激光器的制作。这里采用了爬升生长方法，它受到槽18的深度Z和n型GaN层21的设计层厚度等因素的极大影响。下面即给出爬升生长的描述。
当构成氮化物半导体生长层11的各氮化物半导体层，在含有槽18和脊17的n型GaN衬底的上形成时，会出现一些区域，该区域中在槽18的边缘附近生长的氮化物半导体层的厚度，大于从脊侧面17b(见图1)上大致沿<11-20>方向(下文称“水平”)生长的氮化物半导体层的厚度，也大于从槽底面18a(见图1)上大致沿<0001>方向(下文称“垂直”)生长的氮化物半导体层的厚度。随着氮化物半导体层的进一步生长，由于在槽18边缘附近生长的氮化物半导体层的垂直生长速度大于其它地方的生长速度，槽18边缘附近区域的生长层达到了从脊顶面17a(见图1)上垂直生长的氮化物半导体层的厚度，从而导致槽18开始被填满。
在槽18的边缘附近区域，氮化物半导体层的生长就象是从槽18的底面开始向脊17侧面上爬升。这就是为什么在本说明书中把这种现象称作“爬升生长”。爬升生长发生的区域称作“爬升生长区”，通过爬升生长形成的部分称作“爬升生长部分”。此外，本说明书中，当从槽底面18a上生长的氮化物半导体层的表面高度大部分变得与从脊顶面17a上生长的氮化物半导体层的表面高度相等时，称槽被“填满”。
现在，结合相关附图说明，当氮化物半导体层在n型GaN衬底10上以常规方式和上述爬升方式生长时，所观察的层是怎样发展形成的。图4A到4C示出了所观察的部分晶片的截面形状，此时在含有槽18和脊17的n型GaN衬底10上已形成了不同厚度的n型GaN层21。
图4A到4C中，在n型GaN衬底10上形成的脊17的宽度L为300μm，槽18的宽度M为100μm、深度Z为5μm，脊和槽都平行于<1-100>方向形成。图4A示出了所观察的部分晶片的截面形状，其中在n型GaN衬底10上形成的是设计层厚度为0.2μm的n型GaN层21。n型GaN层21同时在脊顶面17a、脊侧面17b和槽底面18a上生长，分别形成顶面生长部分31a、侧面生长部分31b和底面生长部分31c。在这里，把夹在顶面生长部分31a和侧面生长部分31b之间的区域称作生长部分31d。
在顶面生长部分31a和槽底面生长部分31c的中间部分32中，生长的n型GaN层21约为0.2μm厚。在靠近生长部分31d的侧面生长部分31b中，n型GaN层21向槽18的中心方向生长，厚度约为0.3μm。在靠近槽底面18a的侧面生长部分31b中，n型GaN层21从脊侧面17b上生长并突起，形成突出部分34。在形成了突出部分34的爬升区域33中，爬升生长处在早期阶段。因此，从槽底面18a上垂直生长的底面生长部分31c，还未与脊侧面17b上的突出部分34连接在一起。
图4B示出了所观察的部分晶片的截面形状，其中在n型GaN衬底10上形成的是设计层厚度为2μm的n型GaN层21。图4A所示的在靠近槽底面18a的侧面生长部分31b上形成的突出部分34，已经和从槽底面18a上垂直生长的底面生长部分31c连接在一起。这已造成爬升生长，并形成了爬升生长部分31e。然而，在爬升区域33中形成的爬升生长部分31e的垂直厚度，还没有达到在脊顶面17a上生长的顶面生长部分31a的高度，所以其具有倾斜的形状。爬升区域33向槽18的中心扩展，在槽的中间部分32上形成足够宽的平坦区。
如上所述，从槽底面18a上垂直生长的底面生长部分31c和从脊侧面17b上水平生长的侧面生长部分31b，在槽18的边缘处连接在一起，并促进了爬升生长。随着爬升生长进一步地发展，在爬升区域33中形成的爬升生长部分31e的n型GaN层21，达到了在脊顶面17a上生长的、由n型GaN层21构成的顶面生长部分31a的表面的高度。随着生长进一步地发展，在槽18中的尚未被填充的区域中，槽18的填充过程同时受到来自槽底面18a的垂直膜生长和来自爬升生长部分31e的水平膜生长的影响。
图4C示出了所观察的部分晶片的截面形状，其中在n型GaN衬底10上形成的是设计层厚度为5μm的n型GaN层21。这里，图4C所示的n型GaN层21经过爬升生长，使爬升生长部分31e水平方向上变得更厚。这加宽了爬升区域33，并导致槽18除了在约20μm宽的中间部分32外被填满。这样，就不可能确保在槽中间部分32处有一个平坦区域。此外，顶面生长部分31a的表面平面度已经恶化。这是因为加宽了的爬升区33使得不可能充分地吸收n型GaN层21中的应变。如果进一步通过在顶面生长部分31a上形成氮化物半导体生长层11来制作氮化物半导体激光器，很可能会产生裂纹，并导致较差的平面度。因此，这就不可能制作出具有高可靠性的氮化物半导体激光器。
这些图示说明了以下问题。如上所述，爬升生长与在n型GaN衬底10上生长的n型GaN层21的厚度相关。爬升生长在GaN生长时最为显著，因而，如果n型GaN层21的厚度太大，爬升生长的发展会导致较差的平面度。因此，这里希望层的厚度不超过2μm。另一方面，如果不生长n型GaN层21而直接在n型衬底上生长n型Al0.1Ga0.9N覆盖层22，进而制作氮化物半导体激光器，那么氮化物半导体生长层11会受到n型GaN衬底10的影响，从而导致结晶度下降。所以，优选地生长0.1μm或更厚的n型GaN层21。这样，生长的n型GaN层21的厚度优选大于或等于0.1μm但又不超过2μm。此外，优选地，在从槽底面18a上垂直生长的由n型GaN层21构成的底面生长部分31c，与从脊侧面17b上水平生长的由n型GaN层21构成的侧面生长部分31b连接在一起之前，完成n型GaN层21的生长。附带说明，已经发现，爬升生长不易发生在AlGaN和InGaN上。
如果槽18的宽度不足，爬升生长会使它们填满，从而不能确保在槽的中间部分32处有一个平坦区。所以，槽18优选为50μm或更宽。另一方面，虽然加大槽18的宽度可以防止它们被完全填满，但是这也使它不能充分吸收发生在氮化物半导体生长层11中的应变，从而使裂纹更容易发生，并导致较差的平面度。所以，槽18优选为小于或等于1,200μm宽。
已经发现，采用上述方法在n型GaN衬底10上生长n型GaN层21及其它层，在所形成的氮化物半导体生长层11的表面上，脊17的边缘附近，出现了边缘生长19(见图1)，它们为20μm到30μm宽、约0.3μm高的膜突起。这些边缘生长19在p型层生长时会显著发生，而在构成氮化物半导体生长层11的n型层生长时几乎不会发生。
然而，在如图4C所示，爬升生长已经使槽18在较大范围内填满了的晶片上，边缘生长19几乎不会出现。但是，在边缘生长19几乎不会发生的条件下，在脊17和槽18表面上形成的氮化物半导体生长层11的表面平面度变得极差。相比之下，在边缘生长19发生的条件下，除了边缘生长19已经发生的区域，在脊17表面上形成的氮化物半导体生长层11的表面平面度良好。脊17表面上的平坦区的宽度至少应允许在其中形成脊条形部分。因此，为了允许在边缘生长19发生的区域之外，即距脊17的边缘20μm到30μm宽的区域之外形成脊条形部分，脊17的宽度优选地为70μm或更大。若脊17的宽度L太大，可能会产生裂纹，所以该宽度优选地为1,200μm或更小。
根据本发明，通过上述工艺过程，能够在含有槽18和脊17的n型GaN衬底10上形成图3所示氮化物半导体生长层11，并且可以实现在整个晶片上无裂纹产生，同时可以确保在脊17上有400μm宽的平坦区以及在槽18上有400μm宽的平坦区。在获得的平坦区内，制作图1所示的氮化物半导体激光器。
通过上述工艺过程，图1所示的氮化物半导体激光器包括在含有槽18和脊17的n型GaN衬底10上形成的图3所示的氮化物半导体生长层11。此外，在氮化物半导体生长层11的表面上，形成脊条形部分12作为激光光波导，在脊条形部分12之间形成SiO2层13作为电流限制的绝缘膜。另外，分别在脊条形部分12和相邻的SiO2层13的表面上形成p电极14，在n型GaN衬底10的底面上形成n电极15。
对于脊条形部分12形成的位置没有特别的限制，只是它们应该形成在脊17和槽18表面上的平坦区内；更选一步，它们优选地位于距平坦区边缘5μm或更远处。本实施例中，脊条部分12形成在脊17和槽18上的氮化物半导体生长层11的表面上，靠近获得的平坦区的中心，该中心距离两侧脊侧面17b各250μm远。
脊条形部分12通过以下方式形成。通过常用的光刻技术和干法刻蚀技术，对氮化物半导体生长层11的一部分进行刻蚀，从其最上表面(p型GaN接触层28)向下刻蚀到p型Al0.1Ga0.9N覆盖层27中，留下一个条形图案从而形成脊条形部分12。条形的宽度为1μm到3μm，优选地为1.3μm到2μm。从p型GaN导光层26和p型Al0.1Ga0.9N覆盖层27的界面到刻蚀底面的距离为0.1μm到0.4μm。
随后，在脊条形部分12之外的表面上，形成SiO2层13作为限制电流的绝缘膜。这时，未被刻蚀而留下的条形p型GaN接触层28是暴露的，在这些暴露的部分上和SiO2层13上，按顺序气相沉积上Pb/Mo/Au从而形成p电极14。
如上所述，本实施例中使用SiO2作为绝缘膜；然而，绝缘膜也可以由其它材料形成，这类材料的例子包括硅、钛、锆、钽、铝或类似元素的氧化物或氮化物。p电极14由Pb/Mo/Au构成；然而，也可以由其它材料组合而成，这些组合例如Pd/Pt/Au、Pd/Au或Ni/Au。
下一步，通过从底面一侧进行抛光或蚀刻去除部分n型GaN衬底10，使晶片大致为80到200μm厚。然后，在n型GaN衬底10的底面上顺序沉积作为n电极15的Hf/Al层。n电极15也可以由其它材料组合而成，这些组合例如Hf/Al/Mo/Au、Hf/Al/Pt/Au、Hf/Al/W/Au、Hf/Au和Hf/Mo/Au。作为这些材料组合的变种，也可以用Ti或Zr代替其含有的Hf。n电极15可以为每个氮化物半导体激光器形成如图1所示的不连续的小块，也可以形成为一个连续层(见图7)。
形成氮化物半导体生长层11、脊条形部分12、p电极14和n电极15后，沿垂直于<1-100>方向(见图1)即垂直于脊条形部分12形成的方向对晶片进行解理，从而形成腔的端面(或称谐振腔端面)。这样，就制成了腔长400μm的波导型法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔(或谐振腔)。腔长并不限于400μm，而是可以在300μm到1000μm的范围内取值。
经过上述晶片解理和形成谐振腔端面的过程，晶片被分割成条。每一条都含有大量在水平行中形成的氮化物半导体激光器结构，每个氮化物半导体激光器结构都如图1所示。所形成的谐振腔端面对应氮化物半导体晶体的{1-100}面。先用金刚石刀片在整个晶片的底面上划线，再对晶片施加适当的力从而完成解理。可选地，解理时也可以只在晶片的局部划线，如只在晶片的边缘上，然后使晶片从这些局部的划线开始进行解理。谐振腔端面可以通过刻蚀方法形成。
这样，为每个波导型法布里-珀罗谐振腔形成一前一后两个端面后，在每个谐振腔端面上，交替气相沉积反射率为70％的SiO2和TiO2介质膜，从而形成多层介质反射膜。形成的两个谐振腔端面中，一面可以作为激光发射面，例如在该端面上形成反射率为5％的多层介质反射膜；另一面可以作为激光反射面，例如在该端面上形成反射率为95％的多层介质反射膜。也可以在这些端面上形成上面特别提到的以外的反射率值。介质膜的材料不限于SiO2/TiO2；例如，可以使用SiO2/Al2O3。下一步，包含大量水平排列的氮化物半导体激光器的条，沿平行于脊条部分12的方向分割成单独的氮化物半导体激光器(管芯)。
这时，把条放置在平台上，使晶片的底面向上，然后在光学显微镜下，逐一对准划线部位以使用金刚石刀片在条的底面上划线。再对条施加适当的力，使其沿划线分割成单独的氮化物半导体激光器(管芯)。这种方法称作划片法。
除了划片法，也可以用其它方法在条底面上形成划痕、槽或类似情形，再分割成管芯完成芯片分割。芯片分割的其它方法包括，例如：小块切割法，使用线锯或薄刀片进行划刻或切割；激光划片法，使用激光如准分子激光照射目标元件，先使元件受热再突然使其冷却，这样所产生的裂纹即形成划线；以及激光烧蚀法，使用高能密度的激光照射目标元件，使其蒸发从而形成槽。
通过上述芯片分割过程，在图1所示的脊17和槽18的平坦区内形成的氮化物半导体激光器被分割成单独的管芯。每个单独的氮化物半导体激光器宽400μm。本实施例中，脊17和槽18是以500μm的间隔形成在n型GaN衬底上的，如图5所示，沿分割线51分割成单独的氮化物半导体激光器，分割线51位于从脊侧面17b距脊17和槽18的中心各50μm远处。本实施例中，分割使脊17和槽18之间的台阶不包含在内。可选地，如图6所示，可以沿分割线61进行分割，使脊17上的氮化物半导体激光器或槽18上的氮化物半导体激光器包含这些台阶。分割线也可以在上述特定位置之外的地方；然而，优选地使分割线位于脊条形部分12之外20μm或更远处。
按照上述方法制成的本实施例的氮化物半导体激光器，在多数管芯中，观察到的在氮化物半导体生长层11上每平方厘米裂纹的数量为零。按照传统方法制成的氮化物半导体激光器，在氮化物半导体生长层11上观察到的每平方厘米裂纹的数量为3到6个。因此，使用本实施例中的方法，能够减少裂纹的发生。此外，也能够在整个晶片上获得良好的平面度和均匀性，带来更高的成品率。
具体地说，传统方法制成的氮化物半导体激光器中，构成氮化物半导体生长层11的不同层之间，如AlGaN覆盖层和GaN层之间，因晶格常数和热膨胀系数的不同会产生应变，进而产生裂纹。相比之下，本实施例的氮化物半导体激光器中，氮化物半导体生长层11形成时不会填满在n型GaN衬底上形成的槽18。这分散了出现在氮化物半导体生长层11中的应变，从而减少了裂纹的发生。另一方面，氮化物半导体生长层11中应变的不均匀程度的降低，使平面度良好。
本实施例的氮化物半导体激光器是假定具有一个法布里-珀罗谐振腔的；然而，它也可以设计成采用其它反馈方法的氮化物半导体激光器，例如在电流注入区内部形成光栅的分布反馈(DFB)激光器，或者在电流注入区外部形成光栅的分布布拉格反射(DBR)激光器。
第二实施例
结合相关附图，下面描述本发明的第二实施例。图7是部分晶片的示意性截面图，其上形成有本实施例的氮化物半导体激光器。本实施例中，在n型GaN衬底10顶面上形成的氮化物半导体生长层11，具有如图3所示相同的结构，只是n型GaN层21的厚度不同。所以，这里使用与第一实施例同样的参考标记，并且本实施例的描述中将省略详细的解释，与第一实施例相对应的部分将加以引述。虽然在图7中未示出，但本实施例中n型GaN衬底10相对于主平面即C面(0001)的偏角为0.2°。
n型GaN衬底10包含在其上沿平行于<1-100>的方向形成的槽18和脊17。脊17的宽度L为50μm，槽18的宽度M为300μm，槽18的深度Z为20μm。形成槽18和脊17的方法等与第一实施例相同，其详细描述不再重复。脊17和槽18的截面形状可以是矩形或者是正锥形，从而槽18开口处的宽度大于其底部的宽度；或者是倒锥形，从而槽18开口处的宽度小于其底部的宽度。
在含有槽18和脊17的n型GaN衬底10的顶面上，形成图3所示的氮化物半导体生长层11。本实施例中，n型GaN层21的层厚为2μm。这样形成氮化物半导体生长层11后，在晶片的顶面上，脊17上的平坦区比较狭窄，并且由于边缘生长19(未示出)突出显著，使得平面度较差。另一方面，在槽18中，从脊侧面17b向槽18的中心出现了约30μm宽的爬升区33。因此，在槽18中获得了约240μm宽的平坦区。
下一步，在以上述方法制成的晶片上，形成氮化物半导体激光器。本实施例中，由于脊狭窄，在上面得到的平坦区宽度不足。因此，脊条形部分12和SiO2层13形成在槽18的平坦区内，并在它们上面形成p电极14。形成方法等与第一实施例相同，其详细描述不再重复。本实施例中，所形成的SiO2层13和p电极14不是在各个氮化物半导体激光器上分开形成的；然而，与第一实施例一样，通过常用的光刻技术和干法刻蚀技术，可以分割SiO2层13和p电极14，使它们分别形成在各个单独的氮化物半导体激光器上。
对于脊条形部分12形成的位置没有特别的限制，只是它们应该形成在脊17和槽18表面上的平坦区内；更进一步地它们优选地位于平坦区边缘以外5μm或更远处。本实施例中，脊条形部分12形成在脊17和槽18上的氮化物半导体生长层11的表面上，靠近获得的平坦区的中心，该中心距离两侧脊侧面17b各150μm远。
下一步，通过从底面进行抛光或刻蚀处理去除部分n型GaN衬底10，使晶片大致为80到200μm厚。然后，在n型GaN衬底10的底面上形成n电极15。去除n型GaN衬底10的底面的方法和形成n电极15的方法等与第一实施例相同，其详细描述不再重复。本实施例中，所形成的n电极15不是在各个氮化物半导体激光器上分开形成的；然而，与第一实施例一样，通过常用的光刻技术和干法刻蚀技术，可以分割n电极15，使它们分别形成在各个单独的氮化物半导体激光器上。
形成氮化物半导体生长层11、脊条形部分12、p电极14和n电极15后，沿垂直于<1-100>方向(见图7)即垂直于脊条12形成的方向对晶片进行解理，从而形成谐振腔端面。这样，就制成了腔长为600μm的波导型法布里-珀罗谐振腔。腔长并不限于600μm，而是可以在300μm到1000μm的范围内取值。谐振腔端面的形成方法等与第一实施例相同，其详细描述不再重复。
这样，为每个波导型法布里-珀罗谐振腔形成一前一后两个端面后，在每个谐振腔端面上，交替地气相沉积上反射率为70％的SiO2和TiO2介质膜，从而形成多层介质反射膜。形成的两个谐振腔端面中，一面可以作为激光发射面，例如在该端面上形成反射率为5％的多层介质反射膜；另一面可以作为激光反射面，例如在该端面上形成反射率为95％的多层介质反射膜。也可以在这些端面上形成上面特别提到的以外的反射率值。介质膜的材料不限于SiO2/TiO2；例如，可以使用SiO2/Al2O3。下一步，包含大量沿水平行排列的氮化物半导体激光器结构的条，沿平行于脊条形部分12的方向分割成单独的氮化物半导体激光器(管芯)。芯片分割的方法等与第一实施例相同，其详细描述不再重复。
通过上述芯片分割过程，在图7所示的槽18的平坦区内形成的氮化物半导体激光器被分割成单独的管芯。分割后每个单独的氮化物半导体激光器宽350μm。本实施例中，脊17和槽18是以350μm的间隔形成在n型GaN衬底上的，如图7所示，沿分割线71分割成单独的氮化物半导体激光器，分割线71位于从脊侧面17b距槽18的中心40μm远处。分割线71也可以在上述特定位置之外的地方；然而，优选地使分割线位于脊条形部分12之外20μm或更远处。
按照上述方法制成的本实施例的氮化物半导体激光器，在多数管芯中，观察到的在氮化物半导体生长层11上每平方厘米裂纹的数量为零。按照传统技术制成的氮化物半导体激光器，在氮化物半导体生长层11上观察到的每平方厘米裂纹的数量为3到6个。因此，使用本实施例中的方法，能够减少裂纹的发生。此外，也能够在整个晶片上获得良好的平面度和一致性，带来更高的成品率。
本实施例的氮化物半导体激光器是假定具有一个法布里-珀罗谐振腔的；然而，它也可以设计成采用任何其它反馈方法的氮化物半导体激光器，例如在电流注入区内部形成光栅的分布反馈(DFB)激光器，或者在电流注入区外部形成光栅的分布布拉格反射(DBR)激光器。
第三实施例
结合相关附图，下面描述本发明的第三实施例。图8是部分晶片的示意性截面图，其上形成有本实施例的氮化物半导体激光器。本实施例中，在n型GaN衬底10顶面上形成的氮化物半导体生长层11，具有如图3所示同样的结构，只是n型GaN层21的厚度不同。所以，这里使用与第一实施例同样的参考标记，并且本实施例的描述中将省略详细的解释，与第一实施例相对应的部分将加以引述。虽然在图8中未示出，但本实施例中n型GaN衬底10相对于主平面即C面(0001)的偏角为0°。
本实施例中，n型GaN衬底10包含在其上沿平行于<1-100>的方向形成的槽18和脊17。脊17的宽度L为1200μm，槽18开口处的宽度M为50μm，槽18的深度Z为10μm。槽18的截面形状是倒锥形的，从而槽18底面18a处的宽度N大于其开口处的宽度M。
首先，与第一实施例一样，通过常用的光刻技术和干法刻蚀技术去除部分SiO2和n型GaN衬底，形成与第一实施例一样的具有矩形截面形状的槽18。随后，进行湿法刻蚀使槽18形成倒锥形的截面形状，从而槽18底面18a处的宽度N大于其开口处的宽度M，如图8所示。
这里，使用KOH(氢氧化钾)溶液或者NaOH(氢氧化钠)和KOH的混合溶液进行湿法刻蚀。把溶液加热到80℃到250℃使其能够进行各向同性刻蚀，使槽18形成倒锥形的形状。
在含有倒锥形截面的槽18的n型GaN衬底10上，形成如图3所示的氮化物半导体生长层11。本实施例中，n型GaN层21的厚度为0.1μm。
本实施例中，槽18在开口处的宽度M为50μm，即小于槽18在底面处的宽度N，使槽18具有倒锥形的截面形状。这限制了爬升生长，并可以防止槽18被填满。所以，氮化物半导体生长层11形成以后，在槽18的中部得到约10μm宽的平坦区，在脊17上得到约1140μm到1150μm宽的平坦区。大致在槽18平坦区的中间部分和脊17平坦区的中间部分上，形成脊条形部分12、SiO2层13和p电极14。它们形成的方法等与第一实施例相同，并使用通用的参考标记和符号，其详细解释不再重复。本实施例中，所形成的SiO2层13和p电极14不是在各个氮化物半导体激光器上分开形成的；然而，与第一实施例一样，通过常用的光刻技术和干法刻蚀技术，可以分割SiO2层13和p电极14，使它们分别形成在各个单独的氮化物半导体激光器上。
对于脊条形部分12形成的位置没有特别的限制，只是它们应该形成在脊17和槽18表面上的平坦区内；更进一步地它们优选地位于平坦区边缘以外5μm或更远处。
下一步，通过从底面进行抛光或刻蚀处理去除部分n型GaN衬底10，使晶片大致为80到200μm厚。然后，在n型GaN衬底10的底面上形成n电极15。去除n型GaN衬底10的底面的方法和形成n电极15的方法等与第一实施例相同，其详细描述不再重复。本实施例中，所形成的n电极15不是在各个氮化物半导体激光器上分开形成的；然而，与第一实施例一样，通过常用的光刻技术和干法刻蚀技术，可以分割n电极15，使它们分别形成在各个单独的氮化物半导体激光器上。
形成氮化物半导体生长层11、脊条形部分12、p电极14和n电极15后，沿垂直于<1-100>方向即垂直于脊条形部分12形成的方向对晶片进行解理，从而形成谐振腔端面。在本实施例中，制成了腔长为400μm的波导型法布里-珀罗谐振腔。腔长并不限于400μm，而是可以在300μm到1000μm的范围内取值。谐振腔端面的形成方法等与第一实施例相同，其详细描述不再重复。
这样，为每个波导型法布里-珀罗谐振腔形成一前一后两个端面后，在每个谐振腔端面上，交替地气相沉积上反射率为70％的SiO2和TiO2介质膜，从而形成多层介质反射膜。形成的两个谐振腔端面中，一面可以作为激光发射面，例如在该端面上形成反射率为5％的多层介质反射膜；另一面可以作为激光反射面，例如在该端面上形成反射率为95％的多层介质反射膜。也可以在这些端面上形成上面特别提到的以外的反射率值。介质膜的材料不限于SiO2/TiO2；例如，可以使用SiO2/Al2O3。下一步，包含大量沿水平行排列的氮化物半导体激光器结构的条，沿平行于脊条形部分12的方向分割成单独的氮化物半导体激光器(管芯)。芯片分割的方法等与第一实施例相同，其详细描述不再重复。
通过芯片分割过程，在图8所示的脊17的平坦区内和槽18的平坦区内形成的氮化物半导体激光器被分割成单独的管芯。本实施例中，槽18在开口处的宽度小到只有50μm。所以，例如沿脊17上的分割线81进行解理。在这种情况下，与第二实施例一样，优选地在脊条形部分12之外20μm或更远处进行分割。
按照上述方法制成的本实施例的氮化物半导体激光器，在多数管芯中，观察到的在氮化物半导体生长层11上每平方厘米裂纹的数量为零。按照传统方法制成的氮化物半导体激光器，在氮化物半导体生长层11上观察到的每平方厘米裂纹的数量为3到6个。因此，使用本实施例中的方法，能够减少裂纹的发生。此外，也能够在整个晶片上获得良好的平面度和一致性，带来更高的成品率。
本实施例的氮化物半导体激光器是假定具有一个法布里-珀罗谐振腔的；然而，它也可以设计成采用任何其它反馈方法的氮化物半导体激光器，例如在电流注入区内部形成光栅的分布反馈(DFB)激光器，或者在电流注入区外部形成光栅的分布布拉格反射(DBR)激光器。
根据本发明制成的氮化物半导体发光器件可被用作激光二极管，适合用在光盘装置如DVD驱动器的光学拾波器中，用来产生蓝色激光。
本申请要求于2004年2月20日提交的日本专利申请No.2004-044630的优先权，其全部内容在此加以参考引用。

Claims (10)

1.一种制作氮化物半导体发光器件的方法，
该器件包括：
氮化物半导体衬底，在它的顶面上形成有槽和脊并以条形延伸；以及
氮化物半导体生长层，在氮化物半导体衬底顶上且具有在彼此顶上的n型氮化物半导体层、有源层、和p型氮化物半导体层，
该方法包括：
第一步，通过形成氮化物半导体生长层，至少在槽和脊之一上形成一个大于或等于10μm宽的平坦区，从而使槽上的氮化物半导体生长层的高度小于脊上的氮化物半导体生长层的高度；以及
第二步，在形成于第一步的平坦区中的氮化物半导体生长层的表面上，形成一个抬高的脊条形部分。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中槽截面的形状是矩形或者是倒锥形，从而槽在开口处的宽度小于其底部的宽度；或者是正锥形，从而槽在开口处的宽度大于其底部的宽度。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中在氮化物半导体衬底上形成的槽的宽度大于或等于50μm但又小于或等于1200μm。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中在氮化物半导体衬底上形成的槽的深度大于或等于3μm但又小于或等于20μm。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中氮化物半导体衬底顶面的偏角为0.2°或更小。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中脊的宽度大于或等于70μm但又小于或等于1200μm。
7.根据权利要求1所述的方法，
其中在平坦区内形成脊条形部分，并距离平坦区的边缘5μm或更远。
8.根据权利要求1所述的方法，
其中在平行于脊条形部分的方向上，至少与脊条形部分距离20μm远执行分割。
9.根据权利要求1所述的方法，
其中形成于槽或脊上的氮化物半导体发光器件至少包括脊条形部分，且在不包含槽和脊之间形成的台阶部分的位置被分割。
10.根据权利要求1所述的方法，
其中形成于槽或脊上的氮化物半导体发光器件至少包括脊条形部分，且在包含槽和脊之间形成的台阶部分的位置被分割。
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