专利名称：氮化物半导体激光二极管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及氮化物半导体激光二极管，尤其涉及在n型层上具有脊状结构的氮化物半导体激光二极管的制作方法。
背景技术：
通常，氮化物半导体激光二极管已开发并制造应用于大容量信息存储设备及彩色打印机。另外，利用氮化物半导体激光二极管还有各种应用。
为了将氮化物半导体激光二极管应用于大容量信息存储设备及彩色打印机，要求氮化物半导体激光二极管具有包括低阈值电流(Ith)、高外部量子效率(ηex)和低工作电压(VOP)特性以提供涉及使用寿命和低功耗的高可靠性。
低工作电压是氮化物半导体激光二极管中需要改善的主要因素。即，必须改善氮化物半导体激光二极管的电流-电压(I-V)特性。
下面参照图1描述传统的氮化物半导体激光二极管。
图1为传统的氮化物半导体激光二极管的横截面视图。如图1所示，传统的氮化物半导体激光二极管包括在由GaN或蓝宝石(sapphire)制成的衬底(未示出)上形成的无掺杂的GaN层1、n-GaN层2、柔性层(InGaN)3、n-覆层(n-ALGaN)4、n-波导层(GaN)5、多量子阱(MQW)6、电子阻隔层(EBL)7、p-波导层(GaN)8、p-覆层(p-ALGaN)9、覆盖层(p-GaN)10，以及在覆盖层10上形成的p-衬垫金属层(未示出)。
图1中，n-GaN层2和衬底一起向右和向左方向延伸，并且通过台面蚀刻所延伸的n-GaN层2和衬底(未示出)形成暴露的p-衬垫金属层(未示出)。
传统的氮化物半导体激光二极管是一种p-n型二极管。即，传统的氮化物半导体激光二极管包括发光的多量子阱MQW 6，和以多量子阱6为中心在其周围形成的GaN波导层5和8以及ALGaN覆层4、9。
氮化物半导体激光二极管接收来自p-衬垫金属层(未示出)的电流并在MQW6中耦合电子和空穴而发光。该光通过覆盖层(p-GaN)10向外辐射。
在发光时，GaN波导层5、8以及ALGaN覆层4、9将电子和空穴聚集在MQW6中并导引所发射的光。
为有效发射激光束并改善激光二极管的光束特性，氮化物半导体激光二极管已经采用脊状结构。
图2为具有脊状结构的传统氮化物半导体激光二极管的横截面视图。
如图2所示，这种具有脊状结构的氮化物半导体激光二极管包括在MQW6、EBL7和p-波导层8上形成的p-覆层9，p-覆层9的中心部分凸出而MQW6、EBL7和p-波导层8与图1中所示的相同部分一致；在p-覆层9的凸出部分的上表面形成覆盖层10；和在覆盖层10上形成的欧姆接触金属(ohmic contact metal)11。图2中，p-覆层9的凸出部分、覆盖层10和欧姆接触金属层11形成脊状结构。
通常将脊状结构制造成宽度小于3μm并且来自p-衬垫金属层13的电流流过该脊状结构。
在脊状结构的侧表面和p-波导层8的上表面形成绝缘层12。绝缘层12形成之后，在绝缘层12和欧姆接触金属层11上形成p-衬垫金属层13。
根据上述现有技术，通常是在p-型层8、9和10上形成脊状结构。
在形成p-型层时，用镁Mg作为掺杂剂。由于Mg具有记忆效应，所以p-型层须在n-型层、波导层和MQW形成之后形成。因此，结构上可简单方便地在p-型层上形成脊状结构。
但是，该氮化物具有大的带隙、低载流子浓度和低迁移率。因此，与其他化合物半导体相比难以形成欧姆接触金属层11。
而且，由于与n-型层相比，p-型层具有低载流子浓度和低迁移率，所以电阻极大地增加并且难以形成欧姆接触金属11。
此外，根据现有技术的脊状结构导致元件电阻突然增加。使氮化物半导体激光二极管的I-V特性下降。
电阻的增加导致工作电压增加并引起与p-衬垫金属接触的脊状结构部分发热。因此，p-欧姆金属和元件特性下降且激光二极管的可靠型如寿命下降。
发明内容
因此，本发明提出一种在n-型层上具有脊状结构的氮化物半导体激光二极管及其制作方法，可充分消除由于现有技术的局限性和缺陷导致的一个或多个问题。
本发明的目的是提供一种具有在n-型层上形成的脊状结构的氮化物半导体激光二极管的制作方法，以代替在具有较大电阻且难以形成欧姆接触金属层的p-型层上形成脊状结构。
本发明另外的优点，目的和特性，一部分将在下面的说明书中得到阐明，而另一部分对于本领域的普通技术人员通过对下文的考察将是显然的或从本发明的实施中认识到。通过在说明书和权利要求书及附图中特别指出的结构可实现和获得本发明目的和其它优点。
为实现所述目的和其他优点并根据本发明的目的，如这里所具体表达和广泛实施的，提供了一种氮化物半导体激光二极管的制作方法，该方法包括步骤a)通过顺序地蒸发衬底、无掺杂的GaN层、n-型层、多量子阱(MQW)、电子阻隔层(EBL)和p-型层形成氮化物半导体层；b)通过研磨衬底和无掺杂的GaN层去除氮化物半导体层内的衬底和无掺杂的GaN层；和c)在n-型层上形成脊状结构。
该方法还包括步骤d)利用固定衬底固定氮化物半导体层，其中该固定衬底粘结在p-型层上侧。
固定氮化物半导体层的步骤可以包括步骤d-1)在p-型层上侧蒸发p-欧姆金属；d-2)在p-欧姆金属上侧蒸发衬垫-金属和粘结金属；d-3)将粘结金属粘到该固定衬底；和d-4)通过压缩和热处理将从固定衬底蒸发的粘结金属固定在衬垫金属和粘结金属上。
固定氮化物半导体层的步骤还包括步骤d-5)进行热处理以在p-型层上的p-GaN层和p-欧姆金属层之间产生欧姆状态。
形成脊状结构的步骤包括步骤c-1)通过蚀刻n-型层左右侧去除n-型层左右侧预定的部分而保留n-型层的中间部分；和c-2)在所去除的n-型层侧面蒸发绝缘层。
本发明的另一技术方案，提供一种氮化物半导体激光二极管，包括n-型层、活化层、EBL和p-型层，其中该n-型层具有脊状结构。
因此，本发明提供了一种容易在n-型层上形成脊状结构的方法，可改善I-V特性、抑制热的产生并延长使用寿命。
可以理解，本发明前面的一般说明和下面的详细描述是示范性的和解释性的，并旨在对所要求的本发明提供进一步的说明。
附图用来提供对本发明的进一步理解，其包含在本申请中并构成本申请的一部分，说明本发明的实施例并与说明书一起用来解释本发明的原理。附图中图1为传统的氮化物半导体激光二极管的示图；图2为传统的具有脊状结构的氮化物半导体激光二极管的示图；图3至图5所示为根据本发明的优选实施例的在n-型层具有脊状结构的氮化物半导体激光二极管用于解释其制作方法的示图；以及图6所示为根据本发明的优选实施例的具有在n-型层上形成的脊状结构的氮化物半导体激光二极管的的横截面视图。
具体实施例方式
现在，将详细说明本发明的优选实施例，其范例在附图中进行说明。尽可能将整个附图中使用的相同的附图标记表示相同或相似部分。
图3至图5所示为说明根据本发明的优选实施例的采用晶片粘结技术在n-型层上具有脊状结构的氮化物半导体激光二极管的的制作方法的示图。
如图3所示，首先在由蓝宝石(Al2O3)、SiC或GaN 1制成的衬底101上形成如图1中所示的氮化物表层(epilayer)102。
即，在衬底101上顺序形成GaN层(无掺杂的GaN)、n-GaN层、柔性层(InGaN)、n-覆层(n-ALGaN)、n-波导(GaN)层、多量子阱(MQW)、电子阻隔层(EBL)、p-波导(GaN)层、p-覆层(p-AlGaN)以及覆盖层(p-GaN)。
在覆盖层(p-GaN)形成以后，在氮化物表层102上蒸发p-欧姆金属层103。通常采用金属作为p-欧姆金属层103。但是，p-欧姆金属层103可采用可调整为p-层波函数的导电材料形成。
蒸发p-欧姆金属层103之后，在p-欧姆金属层103上蒸发衬垫金属和粘结金属104。
在蒸发时进行热处理以在覆盖层(p-GaN)和p-欧姆金属103之间产生欧姆状态。但是在蒸发衬垫金属和粘结金属104之后可不进行热处理。该可在后续的热处理粘结固定衬底106和氮化物结构时产生欧姆状态。
进行热处理以后，在固定衬底106上蒸发粘结金属105。固定衬底106用于固定如图3所示的已蒸发的结构且通常采用GaAs或Si作为固定衬底106。
通过图5所示的压缩和热处理将固定衬底106蒸发的粘结金属105与图3的氮化物结构耦合。
耦合期间，在覆盖层(p-GaN)层和p-欧姆金属层103之间的欧姆状态可通过热处理产生。
如图5所示，通过研磨氮化物表层102内的无掺杂GaN层和衬底层101可暴露n-型层。
为了减少由于研磨导致的n-型层损毁，进行活性离子(Ion)蚀刻处理和热处理。进行RIE和热处理以防止n-衬垫金属和n-型层之间的欧姆接触。即，防止接触电阻率增加。
在去除无掺杂GaN层之后，通过蚀刻暴露的n-型层左右侧预定的部分去除所暴露的n-型层左侧和右侧的预定部分。即，剩下所暴露的n-型层的中心部分。
换句话说，蚀刻暴露的n-型层以凸出包括n-GaN层、InGaN层和n-覆层的n-型层的中心部分。即，在n-型层的中心部分形成脊状结构。
蚀刻之后，在暴露的n-型层左侧和右侧蒸发绝缘层。绝缘层形成以后，在绝缘层和脊状结构上蒸发n-衬垫金属。
图6所示为按上述方法制作的包括在n-型层上具有脊状结构的氮化物半导体激光二极管。
如图6所示，在n-波导(GaN)层112的中心形成具有脊状结构的n-覆层110。n-波导层112形成在多量子阱(MQW)113和电子阻隔层(EBL)114上。在n-覆层110上，顺序蒸发InGaN层109和n-GaN层108以形成脊状结构。
而且，在脊状结构侧面和n-波导层112上形成绝缘层111。在绝缘层111和n-GaN层108上形成n-衬垫金属层107。
如上所述，本发明中脊状结构是在n-型层上形成，与p-型层相比n-型层具有优越的载流子浓度特性和较高的迁移率。因此，电阻减小(载流子浓度和迁移率与电阻成反比)而且易于形成欧姆接触金属层108。
在形成上述脊状结构之后，采用上/下接合或自顶向下(top-down)的方法形成制造激光二极管管壳的工序。
如上所述，本发明提供一种采用固定衬底固定氮化物半导体层而易于在n-型层上形成脊状结构的方法。
而且，本发明通过在n-型层上形成脊状结构来提高元件的I-V特性、抑制发热并延长使用寿命。
对本发明做出各种修改和变化对于本领域的技术人员是显而易见的。因而，本发明将涵盖落在所附的权利要求及其等效范围内的对本发明作出的修改和改变。
权利要求
1.一种氮化物半导体激光二极管的制作方法，该方法包括如下步骤a)通过顺序蒸发衬底、无掺杂的GaN层、n-型层、多量子阱(MQW)、电子阻隔层(EBL)和p-型层形成氮化物半导体层；b)通过研磨衬底和无掺杂的GaN层去除氮化物半导体层内的衬底和无掺杂的GaN层；和c)在n-型层上形成脊状结构。
2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤d)利用固定衬底固定氮化物半导体层。
3.如权利要求2所述的方法，其中该固定衬底粘结在p-型层上面。
4.如权利要求2所述的方法，其中在去除衬底和无掺杂的GaN层之前利用该固定衬底固定氮化物半导体层。
5.如权利要求2所述的方法，其中该固定衬底是由具有高导热性的GaAs或Si制成。
6.如权利要求2所述的方法，其中步骤d)包括下列步骤d-1)在p-型层上面蒸发p-欧姆金属；d-2)在p-欧姆金属上面蒸发衬垫金属和粘结金属；d-3)将粘结金属粘结到该固定衬底；和d-4)通过压缩和热处理将从固定衬底蒸发的粘结金属固定在衬垫金属和粘结金属上。
7.如权利要求6所述的方法，其中步骤d)还包括步骤d-5)进行热处理以在p-型层上的p-GaN层和p-欧姆金属层之间产生欧姆状态。
8.如权利要求1所述的方法，该方法还包括步骤e)进行活性离子蚀刻(RIE)处理和热处理以减小所去除侧的损耗。
9.如权利要求1所述的方法，其中步骤c)包括如下步骤c-1)通过蚀刻n-型层左右侧去除n-型层左右侧预定的部分而保留n-型层的中心部分；和c-2)在该n-型层的去除侧蒸发绝缘层。
10.如权利要求9所述的方法，其中去除的n-型层的左右侧是n-覆层、InGaN层和n-GaN层。
11.如权利要求1所述的方法，还包括步骤f)在脊状结构上面形成n-衬垫金属。
12.一种氮化物半导体激光二极管的制作方法，该方法包括如下步骤a)通过顺序蒸发衬底、无掺杂的GaN层、n-型层、多量子阱(MQW)、电子阻隔层(EBL)和p-型层形成氮化物半导体层；b)通过在p-型层上面粘结固定衬底以固定氮化物半导体层；c)去除氮化物半导体层的衬底和无掺杂的GaN层；d)在n-型层上形成脊状结构；和e)在脊状结构的上面形成n-衬垫金属。
13.一种氮化物半导体激光二极管的制作方法，该方法包括如下步骤a)形成氮化物半导体层；b)采用固定衬底固定氮化物半导体层；c)通过研磨n-型层的底部去除氮化物半导体层的n-型层的底部；和d)在n-型层上形成脊状结构。
14.如权利要求13所述的方法，其中n-型层的去除的底部是衬底或无掺杂的GaN层。
15.如权利要求13所述的方法，其中步骤d)包括下列步骤d-1)通过蚀刻n-型层左右侧预定的部分去除n-型层左右侧预定的部分而保留n-型层的中心部分；和d-2)在n-型层的去除的左侧和右侧面蒸发绝缘层。
16.一种氮化物半导体激光二极管，包括n-型层、活化层、EBL和p-型层，其中n-型层具有脊状结构。
17.如权利要求16所述的氮化物半导体激光二极管，其中n-型层包括顺序蒸发的n-GaN层、n-波导层、n-覆层、n-GaN层、n-衬垫金属层，并且所述的n-覆层、InGaN层和n-GaN层形成脊状结构。
18.如权利要求16所述的氮化物半导体激光二极管，其中，在具有脊状结构的n-型层的左侧和右侧形成绝缘层。
全文摘要
本发明提供了氮化物半导体激光二极管及其制作方法。该方法包括步骤a)通过顺序蒸发衬底、无掺杂的GaN层、n－型层、多量子阱(MQW)、电子阻隔层(EBL)和p－型层形成氮化物半导体层；b)通过研磨衬底和无掺杂的GaN层去除氮化物半导体层内的衬底和无掺杂的GaN层；和c)在n－型层上形成脊状结构。根据本发明，易于在n－型层上形成脊状结构，改善I－V特性、抑制发热并延长使用寿命。
文档编号H01S5/02GK1645693SQ20051000185
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月18日 优先权日2004年1月19日
发明者金星源 申请人:Lg电子有限公司