一种激光二极管的制作方法

本发明涉及半导体器件领域，具体地，涉及一种激光二极管。

背景技术：

激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，引起了人们的高度关注。激光二极管的光电性能是影响其应用的重要特性。因此在激光二极管的制造过程中，光电性能测试是必不可少的关键步骤。

激光二极管主要有垂直共振腔表面发射激光的面射型激光二极管以及在共振腔一侧出射激光的边发射型激光二极管。以gan基激光二极管为例，边发射型激光二极管的结构只要是边发射脊波导结构。在对边发射型激光二极管进行测试时，需要将边发射激光二极管割裂成bar条分别进行测试。这种测试方法工序多、耗时长，操作复杂，并且无法直观地显示形成激光二极管的晶圆的调试状况，存在一系列的测试弊端。

因此，需要一种能够实现晶圆级测试的边发射型激光二极管，以解决上述弊端。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光二极管，该激光二极管在脊波导的出射腔面一侧设置有反射镜，该反射镜与脊波导结构间隔设置，能够接收自出射腔面发出的出射光，并将该光进行反射。通过对反射镜材料组成以及倾斜角度的调整，将出射腔面出射的光反射至垂直脊波导结构的方向，使其沿脊波导的法线方向出射，形成类似面射型激光二极管，从而可以对整片晶圆上的边射型激光二极管进行测试，而无需割裂成bar条。减少了测试工序，缩短了测试耗时，并且能够更加直观地显示晶圆的调试状况。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种激光二极管，包括：

基板，所述基板具有相对设置的第一表面和第二表面；

半导体层序列，位于所述基板的第一表面上，所述半导体层序列包括第一半导体层、有源层及第二半导体层，并且形成有脊波导结构，所述脊波导结构在其延伸方向的两端分别形成出射腔面及反射腔面；

反射镜，形成在所述基板的第一表面靠近半导体层序列的出射腔面，并且与所述半导体层序列间隔分布。

可选地，所述反射镜靠近所述出射腔面的一面为倾斜面。

可选地，所述反射镜的倾斜面与所述基板之间的夹角介于20°～80°。

可选地，所述反射镜为由具有不同折射率的第一材料层和第二材料层形成的dbr结构，其中所述第一材料层和第二材料层均为绝缘材料层。

可选地，所述反射镜为全角反射镜，包括dbr结构及反射金属层。

可选地，所述反射镜包括透明绝缘层和反射金属层。

可选地，所述半导体层序列层的所述第一半导体层为n型gan外延层，所述第二半导体层为p型gan外延层，所述有源层为多重量子阱。

可选地，所述基板为导电基板，所述半导体层序列及所述反射镜在所述第二半导体层一侧键合至所述导电基板，所述第一半导体层形成所述脊波导结构。

可选地，所述半导体层序列的第二半导体层的表面上还形成有反射结构，所述反射结构同时形成在所述脊波导结构的反射腔面上，并且所述反射腔面上的所述反射结构高于所述有源层。

可选地，所述激光二极管还包括形成在所述脊波导结构的第一半导体层上方的第一电极，以及形成在所述键合层和所述第二半导体层之间的第二电极。

可选地，所述基板为n型gan衬底，所述半导体层序列的第一半导体层、有源层及第二半导体层为在所述n型gan衬底的第一表面上依次生长的外延层，所述第二半导体层形成所述脊波导结构。

可选地，所述激光二极管还包括：

第一电极，位于所述n型gan衬底的第二表面；

反射结构，位于除所述第二电极之外的所述n型gan衬底的第二表面，并且包裹所述第一电极的侧壁；以及

第二电极，位于所述脊波导结构中的第二半导体层上方。

可选地，所述基板为蓝宝石衬底，所述半导体层序列的第一半导体层、有源层及第二半导体层为在所述蓝宝石衬底的第一表面上依次生长的外延层，所述第二半导体层、有源层及部分第一半导体层形成所述脊波导结构。

可选地，所述激光二极管还包括：

第一电极，位于所述脊波导结构外侧的所述第一半导体层上方；

反射结构，位于所述蓝宝石衬底的第二表面；以及

第二电极，位于所述脊波导结构中的第二半导体层上方。

如上所述，本发明提供的激光二极管，至少具备如下有益技术效果：

本发明的激光二极管包括基板，位于所述基板的第一表面上的半导体层序列，以及形成在所述基板的第一表面的反射镜，该反射镜靠近半导体层序列的出射腔面并且与所述半导体层序列间隔分布。经半导体层序列的出射腔面出射的光被反射镜接收并反射，反射后的出射光在垂直半导体层序列的方向上出射，形成类似面射型激光二极管。由此可以将包括若干上述激光二极管的基板(晶圆)置于测试装置中直接进行测试，实现边射型激光二极管的晶圆级测试，无需再将边射型激光二极管割裂成bar条进行测试。该激光二极管能够大大简化测试工序，缩短测试时长。由于实现了边射型激光二极管的晶圆级测试，因此能够直观地显示晶圆的调试状况，利于后续激光二极管制造工艺的调整。

另外，本发明激光二极管的反射镜可以由不同的材料形成，例如可以是由不同折射率的绝缘材料交替叠置形成的dbr结构，或者是dbr结构和金属反射层形成的odr结构，还可以是透明绝缘材料和反射金属层形成的odr结构。上述反射镜接收并反射出射腔面出射的光的一侧为倾斜面，该倾斜面的角度可调，并且整个反射镜的高度也是可调的，以实现最优的反射效果。

本发明的激光二极管的基板可以选择不同类型的基板，例如可以是导电基板(si晶圆或者金属基板)，与半导体层序列同质的外延基板或者其他的可生长外延层的生长衬底(例如蓝宝石等)。基板类型可以根据实际需要进行选择，增加了激光二极管的设计及制造的灵活性。

附图说明

图1显示为现有技术中一种边发射激光二极管的结构示意图。

图2显示为本发明实施例一提供的激光二极管的结构示意图。

图3显示为在生长衬底上形成半导体层序列的结构示意图。

图4显示为在图3所示的半导体层序列中形成反射镜台面的结构示意图。

图5显示为在图4所示的结构中形成反射镜及反射结构的结构示意图。

图6显示为在图5所示结构中形成键合层的结构示意图。

图7显示为在图6所示结构与基板进行键合的结构示意图。

图8显示为本发明实施例二提供的激光二极管的结构示意图。

图9显示为本发明实施例三提供的激光二极管的结构示意图。

图10显示为图9所示的激光二极管的立体视角的结构示意图。

附图标记列表

10衬底1013第二半导体层

11外延层102反射镜

11-1第一半导体层1021第一材料层

11-2有源层1022第二材料层

11-3第二半导体层103反射结构

12第一电极104第一电极

13第二电极105第二电极

14脊波导结构106键合层

15出射光107反射腔面

100基板200生长衬底

101半导体层序列201凹槽

1011第一半导体层202形成反射镜的台面

1012有源层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1所示，示出了现有技术中的一种侧面出光激光二极管。该激光二极管包括衬底10，形成在衬底10的第一表面的外延层11，该外延层至少包括依次生长的第一半导体层11-1、有源层11-2以及第二半导体层11-3。如图1所示，第二半导体层11-1(例如p型半导体层)形成脊结构，该脊结构在激光二极管中形成脊波导结构14，脊波导结构14的一端为出射腔面，另一端为反射腔面。脊波导结构14中的第二半导体表面形成第二电极13，衬底的第二表面形成有第一电极12，向第一电极和第二电极施加偏压，激光二极管自脊波导结构14的出射腔面发出出射光15。

在激光二极管进行封装等后续工艺之前，需要进行测试，通常需要测试激光二极管的liv曲线，即激光二极管的光-电流-电压曲线。测试是需要测试激光二极管的出光效率，因此对于边射型激光二极管，需要首先割裂成bar条，然后进行测试。上述过程工序复杂，耗时长，并且不能主观获得晶圆(衬底)的调试状况。针对边射型激光二极管在测试时的上述弊端，本发明提供一种能够实现晶圆级测试的激光二极管，下面通过如下实施例进行详细描述。

实施例一

本实施例提供一种激光二极管，如图2所示，该激光二极管包括基板100，形成在基板100的第一表面上的半导体层序列101，以及形成在基板100的第一表面上的反射镜102。

在本实施例中，上述基板100为导电基板，可以是半导体基板，例如单晶硅晶圆等，也可以是金属基板。在本实施例中以si晶圆为例进行说明。

同样如图2所示，半导体层序列101包括键合至si晶圆上的第二半导体层103、有源层1012以及第一半导体层101。以gan基激光二极管为例，该第一半导体层1011可以是n型层、有源层1012为量子阱层，第二半导体层为p型层。第一半导体层1011形成沿箭头a所述的方向延伸的脊结构(可参见图1所述的结构)，脊结构的表面形成第一电极104。该脊结构在激光二极管工作时形成脊波导结构，使得激光二极管沿脊波导结构的一端出射光。如图2所示，本实施例中，沿脊波导结构的延伸方向，半导体层序列101靠近反射镜的一端形成出射腔面，与出射腔面相对的一端形成为反射腔面，出射腔面与反射腔面均为垂直腔面。

第二半导体层的表面形成有第二电极105，同时形成有反射结构103，该反射结构覆盖第二半导体层除第二电极105的所有表面，并且与第二电极结构的表面齐平。同时，该反射结构103还形成在半导体层序列102的反射腔面上，在反射腔面上，反射结构至少覆盖有源层1012，即，反射结构103在反射腔面上的高度高于有源层，或者与有源层齐平。优选地，反射结构的高度高于有源层形成在部分第一半导体层的侧壁上。该反射结构能够有效反射有源层出射的光，使出射光均沿着出射腔面出射。

同样参照图2，反射镜102形成在半导体层序列102的出射腔面一侧，并且与半导体层序列间隔分布。反射镜的高度高于有源层的高度，以便能够接收半导体层序列发出的全部光。该反射镜102靠近半导体层序列的出射腔面的一面形成为斜面，即半导体层序列101的出射腔面与反射镜102之间的间距自基板100指向半导体层序列的方向逐渐变大。该斜面与基板100的表面之间的夹角介于20°～80°，优选为30°～60°。反射镜的高度以及该斜面的倾斜角均是可调的，可以根据半导体层序列出射的光的辐照范围进行调整，以半导体层序列出射的光全部被反射至沿基板的法线方向出射为准。

在可选实施例中，该反射镜102为dbr结构，由具有不同折射率的第一材料层1021和第二材料层1022交替叠置形成。图2仅示例性示出了由第一材料层和第二材料层组成的一个反射膜组，可以理解的是，反射镜102可以包括若干反射膜组。第一材料层和第二材料层可以是任意具有不同折射率的材料，可以选自氧化硅、氧化钛、氮化硅、氧化铝等。在本实施例中，形成反射镜的第一材料层和第二材料层可以是氧化硅和氧化钛，或者可以是氧化硅和氮化硅。

在本实施例的另一可选实施例中，反射镜102为由dbr和反射金属层形成的odr结构，该odr结构能够对半导体层序列的出射光进行全方位反射，使得测试结果更加准确。可选地，形成dbr结构的第一材料层和第二材料层可以是任意具有不同折射率的材料，例中，形成反射镜的第一材料层和第二材料层可以选自氧化硅、氧化钛、氮化硅、氧化铝等。反射金属层可以是ag或al等。另一可选实施例中，反射镜102还可以是有透明绝缘层和反射金属层形成的odr结构，例如由二氧化硅和ag形成的odr结构。

本实施例中，反射结构103和反射镜102可以是相同的结构，例如反射结构103同样为dbr结构或者dbr结构和反射金属层形成的odr结构。

同样参照图2，在反射镜和反射结构与基板100之间，还具有键合层106，该键合层106为键合金属层，该键合金属层可以是一层或多层结构，半导体层序列和反射镜通过该键合金属层键合至基板100。

如图2所示的激光二极管，由于在半导体层序列的出射腔面一侧形成有反射镜，自半导体层序列出射腔面出射的光经该反射镜反射后可以沿着基板的法线方向出射，即形成类似面射型的激光二极管，因此在测试时，直接在基板的正面测试激光二极管的出光效率即可，无需将边射型激光二极管割裂成bar条。节省了测试工序及时长，并且实现了边射型激光二极管的晶圆级测试，能够直观地显示晶圆的调试状况。

图2所示的激光二极管可以通过如下方法制造：

首先，如图3所示，提供一生长衬底200，例如该生长衬底200可以是蓝宝石等。在生长衬底上依次生长n型gan层1011、量子阱层1012以及p型gan层1013以形成半导体层序列。然后如图4所示，对半导体层序列进行刻蚀，在衬底上方形成凹槽201，凹槽的两侧的半导体层序列一端形成倾斜面，形成用于形成反射镜的台面202，与该倾斜面相对的半导体层序列的侧壁形成直角面，作为激光二极管的反射腔面。在该步骤中，可以采用干法刻蚀对半导体层序列进行刻蚀，通过控制刻蚀的时长、刻蚀气体的流量、角度等参数，控制刻蚀深度以及刻蚀角度，进而控制后续形成的反射镜的高度和倾斜面的角度。如图4所示，本实施例中以刻蚀至暴露生长衬底200为止，形成凹槽201。凹槽201形成为沿半导体层的生长方向，开口逐渐变大的类似倒梯形的开口形状。

形成台面202和凹槽201之后，在台面202以及凹槽201的底部和侧壁腔面上沉积不同折射率的材料层，形成反射镜102。在本实施例中，反射镜和反射结构为相同的结构，同时形成。如图5所示，在凹槽201的侧壁和底部以及第二半导体层的表面依次沉积具有不同折射率的第一材料层1021和第二材料层1022，形成反射镜和反射结构103。反射结构103同时形成在半导体层序列的反射腔面上，并且在反射腔面上反射结构至少覆盖有源层1012。

之后如图6所示，首先在第二半导体层上形成第二电极105，例如通过刻蚀反射结构、沉积导电材料等工艺形成上述第二电极105，然后沉积键合金属层106，该键合金属层填充凹槽201并且形成在反射结构的表面上。对键合金属层进行平坦化。之后，如图7所示，将图6所示的结构翻转，使得键合金属层106朝向基板100，并键合至基板100。然后剥离生长衬底200，暴露n型gan层。之后对半导体层序列进行刻蚀，形成出射腔面，同时在半导体层序列的出射腔面和反射镜之间形成间隙以隔离半导体层序列与反射镜。最后在n型gan中形成脊结构，并在脊结构表面形成第一电极104。

如上所述，本实施例中，反射镜和半导体层序列的反射腔面上的反射结构可以采用相同的材料同时形成，在实现边射型二极管的表面出光的同时，节约了制造工序。

实施例二

本实施例同样提供一种激光二极管，如图8所示，该激光二极管包括基板100，形成在基板100的第一表面上的半导体层序列101，以及形成在基板100的第一表面上的反射镜102。与实施例一的相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例这种，激光二极管的基板100为与半导体层序列同质的基板。以gan基激光二极管为例，基板100为n型gan基板，半导体层序列101包括依次在基板100上外延生长的n型gan层1011、量子阱层1012以及p型gan层1013。其中p型gan层1013、量子阱层1012以及部分n型gan层1011形成脊结构。反射腔面107形成在脊结构的后端面，例如可以通过原子层沉积的方法在该反射腔面上形成反射结构。

反射镜102形成在半导体层序列的出射腔面一侧，并且与半导体层序列间隔分布。本实施例中反射镜形成在由半导体层序列形成的台面202上。在形成半导体层序列之后，可以通过刻蚀的方式，在与反射腔面相对的脊的另一侧形成出射腔面，进一步在半导体层序列中形成具有倾斜侧面的台面202，该台面202与用作激光二极管的半导体层序列相互间隔。然后在台面202的表面沉积不同折射率的材料层形成反射镜。该反射镜与实施例一中的反射镜相同，在此不再详细描述。

如图8所示，第一电极形成在n型gan基板100的第二表面上，第二电极105形成在脊结构的p型gan层上。同时基板100的第二表面还形成反射结构103，反射结构103覆盖除第一电极之外的基板100的所有第二表面。该反射结构可以是dbr结构。

实施例三

本实施例同样提供一种激光二极管，如图9所示，该激光二极管包括基板100，形成在基板100的第一表面上的半导体层序列101，以及形成在基板100的第一表面上的反射镜102。与实施例一的相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例中，激光二极管的基板100为与半导体层序列异质的基板，例如可以是用作生长衬底的蓝宝石衬底，以gan基激光二极管为例，半导体层序列101包括依次在基板100上外延生长的n型gan层1011、量子阱层1012以及p型gan层1013。其中p型gan层1013、量子阱层1012以及部分n型gan层1011形成脊结构。在脊结构的后端面形成反射腔面107，例如可以通过原子层沉积的方法在该反射腔面上形成反射结构。

反射镜102形成在半导体层序列的出射腔面一侧，并且与半导体层序列间隔分布。本实施例中反射镜形成在由半导体层序列形成的台面202上。在形成半导体层序列之后，可以通过刻蚀的方式，在与反射腔面相对的脊的另一侧形成出射腔面，进一步在半导体层序列中形成具有倾斜侧面的台面202，该台面202与用作激光二极管的半导体层序列相互间隔。然后在台面202的表面沉积不同折射率的材料层形成反射镜。该反射镜与实施例一中的反射镜相同，在此不再详细描述。

如图10所示，第一电极104形成在脊结构一侧暴露的n型gan层上，第二电极105形成在脊结构的p型gan层上基板100的第二表面还形成反射结构103，反射结构103覆盖除第一电极之外的基板100的所有第二表面。该反射结构可以是dbr。

以上实施例仅示意性说明了激光二极管的基板类型，可以理解的是，激光二极管可以选择任意适合的基板或衬底，可以根据实际需要进行选择，由此能够增加激光二极管的设计及制造的灵活性。

如上所述，本发明提供的激光二极管，至少具备如下有益技术效果：

本发明的激光二极管包括基板，位于所述基板的第一表面上的半导体层序列，以及形成在所述基板的第一表面的反射镜，该反射镜靠近半导体层序列的出射腔面并且与所述半导体层序列间隔分布。经半导体层序列的出射腔面出射的光被反射镜接收并反射，反射后的出射光在垂直半导体层序列的方向上出射，形成类似面射型激光二极管。由此可以将包括若干上述激光二极管的基板(晶圆)置于测试装置中直接进行测试，实现边射型激光二极管的晶圆级测试，无需再将边射型激光二极管割裂成bar条进行测试。该激光二极管能够大大简化测试工序，缩短测试时长。由于实现了边射型激光二极管的晶圆级测试，因此能够直观地显示晶圆的调试状况，利于后续激光二极管制造工艺的调整。

另外，本发明激光二极管的反射镜可以由不同的材料形成，例如可以是由不同折射率的绝缘材料交替叠置形成的dbr结构，或者是dbr结构和金属反射层形成的odr结构，还可以是透明绝缘材料和反射金属层形成的odr结构。上述反射镜接收并反射出光腔面出射的光的一侧为倾斜面，该倾斜面的角度可调，并且整个反射镜的高度也是可调的，以实现最优的反射效果。

本发明的激光二极管的基板可以选择不同类型的基板，例如可以是导电基板(si晶圆或者金属基板)，与半导体层序列同质的外延基板或者其他的可生长外延层的生长衬底(例如蓝宝石等)。基板类型可以根据实际需要进行选择，增加了激光二极管的设计及制造的灵活性。