專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體激光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光二極管及其制造方法，更具體地，涉及一種半導(dǎo)體激光二極管及其制造方法，其能防止倒裝芯片工藝(flip-chip process)期間脊部分(ridge portion)上的應(yīng)力集中。
背景技術(shù)：
因?yàn)榘雽?dǎo)體激光二極管具有較小尺寸和比傳統(tǒng)激光器件低的用于激光振蕩的低閾值電流，所以它們?cè)谕ㄓ嶎I(lǐng)域和激光盤(pán)播放器中被廣泛用于高速數(shù)據(jù)傳輸、記錄和讀取。特別地，氮化物半導(dǎo)體激光二極管提供在綠至紫外區(qū)域的波，使得它們被廣泛用于各種應(yīng)用例如高密度光數(shù)據(jù)記錄和再現(xiàn)、高解析度激光印刷機(jī)、以及投影TV。
圖1示出美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.2004/0174918A1中公開(kāi)的一種半導(dǎo)體激光二極管。參照?qǐng)D1，半導(dǎo)體激光二極管包括順序形成在襯底110上的第一材料層120、有源層130、以及第二材料層140。第一材料層120包括順序形成在襯底110與有源層130之間的緩沖層121、第一包層(cladding layer)122、以及第一波導(dǎo)層123。第二材料層140包括從有源層130順序形成的第二波導(dǎo)層141、第二包層142、以及帽層(cap layer)143。在第二材料層140的上部分上，形成脊部分151和凸出部分(protrusion portion)152。脊部分151和凸出部分152包括第二包層142的上部分和帽層143。另外，P型第二電極層171形成在脊部分151的帽層143上。凸出部分152形成在與脊部分151類(lèi)似的高度從而防止倒裝芯片工藝期間脊部分151上的應(yīng)力集中。因此，當(dāng)半導(dǎo)體激光二極管倒裝芯片鍵合到底座(submount)(散熱結(jié)構(gòu))時(shí)應(yīng)力可有效地分散，使得在整個(gè)脊波導(dǎo)區(qū)域上可均勻地發(fā)光。此外，由電介質(zhì)材料形成的電流限制層160形成在第二包層142、凸出部分152、以及脊部分151的表面上用于控制橫向模式(lateral mode)。電流限制層160暴露形成在脊部分151的頂表面上的第二電極層171。另外，鍵合金屬層(bonding metallayer)172形成在電流限制層160和第二電極層171的表面上，N型第一電極層182形成在鍵合金屬層172旁邊具有臺(tái)階部分的緩沖層121的暴露表面上。
為了制造具有前述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光二極管，第一材料層120、有源層130、第二材料層140、以及第二電極層171順序形成在襯底110上。然后，通過(guò)蝕刻形成脊部分151和凸出部分152，電流限制層160完全沉積在脊部分151和凸出部分152之上。接著，通過(guò)采用光致抗蝕劑的光刻且通過(guò)蝕刻，第二電極層171的頂表面被暴露。然后，沉積鍵合金屬層172。
然而，在該制造方法中，脊部分151具有約數(shù)微米的窄的頂寬度。因此，光刻期間難以精確構(gòu)圖光致抗蝕劑從而暴露第二電極層171，從而降低了工藝穩(wěn)定性。
同時(shí)，如果第二電極層171通過(guò)平坦化被暴露，則形成在凸出部分152上的電流限制層160也由于過(guò)蝕刻(over etching)而被除去。因此，由p-GaN形成的凸出部分152會(huì)被暴露。圖2是SEM照片，示出回蝕(etch-back)平坦化期間由于電流限制層160的過(guò)蝕刻而導(dǎo)致的凸出部分152的暴露拐角“A”，進(jìn)行該回蝕平坦化而沒(méi)有在圖1的半導(dǎo)體激光二極管上形成鍵合金屬層172之前在位于凸出部分152上的電流限制層160上準(zhǔn)備保護(hù)層。結(jié)果，如果鍵合金屬層172形成在暴露的凸出部分152上，則鍵合金屬層172與第二包層142的凸出部分152接觸從而導(dǎo)致電流泄漏。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體激光二極管及其制造方法，該半導(dǎo)體激光二極管通過(guò)利用用于制造工藝穩(wěn)定性的平坦化工藝來(lái)暴露第二電極層的頂表面而具有改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明一方面，提供一種半導(dǎo)體激光二極管，包括順序形成在襯底上的第一材料層、有源層、以及第二材料層；沿與所述有源層垂直的方向形成在第二材料層上的脊部分和第一凸出部分，所述第一凸出部分形成在所述脊部分的一側(cè)；與所述脊部分的頂表面接觸地形成的第二電極層；形成在所述第二材料層的整個(gè)表面上且暴露所述第二電極層的電流限制層；形成在所述第一凸出部分之上所述電流限制層的表面上且具有與所述電流限制層的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性的保護(hù)層；以及與所述第二電極層電連接地形成在所述電流限制層和保護(hù)層上的鍵合金屬層。
所述第一材料層可包括順序形成在所述襯底上的緩沖層、第一包層、以及第一波導(dǎo)層。所述第二材料層可包括順序形成在所述有源層上的第二波導(dǎo)層和第二包層，所述脊部分和所述第一凸出部分可以形成在所述第二包層上。
所述電流限制層可以由選自含有SiO2、SiNx和Si的組的至少一種材料形成。另外，所述電流限制層可以由N型AlGaN或者未摻雜的AlGaN形成。
所述保護(hù)層可以由選自含有金屬、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的組的至少一種形成。所述金屬可包括選自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的組的至少一種。所述保護(hù)層可具有10nm至500nm的厚度。所述保護(hù)層可形成為覆蓋所述第一凸出部分之上所述電流限制層的拐角部分。
第一凸出部分可以以與所述脊部分基本相同的高度形成。位于所述第一凸出部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面可具有與位于所述脊部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面至少相同的高度。
所述第一材料層在所述脊部分的另一側(cè)可包括暴露的表面，第一電極層可形成在所述暴露表面上。
第二凸出可以以與所述脊部分基本相同的高度形成在所述脊部分的另一側(cè)。此處，所述第二凸出部分與所述脊部分可以通過(guò)定義在其間從而暴露所述第一材料層的溝槽間隔開(kāi)，第一電極層可以與所述第一材料層的所述暴露表面電連接地形成在所述第二凸出部分之上所述電流限制層上。位于所述第二凸出部分上的所述第一電極層的頂表面可具有與位于所述脊部分上的所述鍵合金屬層的頂表面至少相同的高度。位于所述第一凸出部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面可具有與位于所述第二凸出部分之上的所述第一電極層的所述頂表面相同的高度。位于所述第一凸出部分上的所述鍵合金屬層的頂表面和位于所述第二凸出部分上的所述第一電極層的頂表面可以在高度上有0.5μm或更小的不同。該半導(dǎo)體激光二極管還可包括形成在所述第二凸出部分上的所述電流限制層與所述第一電極層之間的保護(hù)層。
同時(shí)，所述第一電極層可形成在所述襯底的底表面上。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種用于制造半導(dǎo)體激光二極管的方法，該方法包括在襯底上順序形成第一材料層、有源層、第二材料層、以及電極層；通過(guò)順序蝕刻所述電極層和所述第二材料層，在所述第二材料層的上部分上形成脊部分和凸出部分；形成電流限制層從而覆蓋所述第二材料層和所述電極層；在所述凸出部分之上所述電流限制層上形成保護(hù)層，所述保護(hù)層由具有與所述電流限制層的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性的材料形成；通過(guò)平坦化暴露所述保護(hù)層和形成在所述脊部分上的所述電極層；以及在所述電流限制層上形成鍵合金屬層從而覆蓋所述電極層和所述保護(hù)層。
該方法還可包括在所述脊部分和所述凸出部分的形成之后從所述凸出部分除去所述電極層。
所述保護(hù)層和所述電極層的暴露可包括在所述電流限制層上沉積光致抗蝕劑至預(yù)定厚度從而覆蓋所述保護(hù)層；順序蝕刻所述光致抗蝕劑和形成在所述脊部分上的所述電流限制層從而暴露所述保護(hù)層和形成在所述脊部分上的所述電極層；以及除去留在所述電流限制層上的所述光致抗蝕劑。


通過(guò)參考附圖詳細(xì)描述其示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，附圖中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體激光二極管的透視圖；圖2是SEM照片，示出回蝕平坦化期間由于電流限制層的過(guò)蝕刻而導(dǎo)致的凸出部分的暴露拐角“A”，進(jìn)行該回蝕平坦化而沒(méi)有在位于凸出部分上的電流限制層上準(zhǔn)備保護(hù)層；圖3是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光二極管的透視圖；圖4是具有圖3所示的半導(dǎo)體激光二極管和底座的半導(dǎo)體激光二極管組件的剖視圖，半導(dǎo)體激光二極管倒裝芯片鍵合到該底座上；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光二極管的透視圖；圖6是具有圖5所示的半導(dǎo)體激光二極管和底座的半導(dǎo)體激光二極管組件的剖視圖，半導(dǎo)體激光二極管倒裝芯片鍵合到該底座上；圖7是根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光二極管的透視圖；圖8A至8H示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例制造半導(dǎo)體激光二極管的方法；以及圖9A和9B是分別示出根據(jù)本發(fā)明的平坦化之后的脊部分和凸出部分的截面的SEM照片。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例。附圖中相似的附圖標(biāo)記表示相似的元件。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光二極管的透視圖。參照?qǐng)D3，第一材料層220、有源層230、以及第二材料層240順序形成在襯底210上。第一材料層220包括從襯底210的頂表面順序形成的緩沖層221、第一包層222、以及第一波導(dǎo)層223。第二材料層240包括從有源層230的頂表面順序形成的第二波導(dǎo)層241和第二包層242。
襯底210可以是藍(lán)寶石襯底或者GaN或SiC基III-V族化合物半導(dǎo)體襯底。緩沖層221可以是由GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體形成的n型材料層或者未摻雜的材料層。優(yōu)選地，緩沖層221可以是n型GaN層。第一和第二包層222和242可以是GaN基III-V族氮化物化合物半導(dǎo)體層，優(yōu)選地，分別為n型GaN層和p型GaN層。另外，第一和第二波導(dǎo)層223和241可以是GaN基III-V族氮化物化合物半導(dǎo)體層，優(yōu)選地，分別為n型GaN層和p型GaN層。第一和第二波導(dǎo)層223和241具有比有源層230低且比第一和第二包層222和242高的反射率。
有源層230是通過(guò)電子和空穴的載流子復(fù)合而發(fā)光的材料層。有源層230可以是具有多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的GaN基III-V族氮化物化合物半導(dǎo)體層，優(yōu)選地，是InxAlyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。有源層230還可以是含有預(yù)定比率的銦(In)的GaN基III-V族氮化物化合物半導(dǎo)體層，例如InGaN層。
在第二包層242的上部分上，以升高的高度形成脊部分251和凸出部分252。形成脊部分251從而減小用于激光振蕩(laser oscillation)的閾值電流且獲得模式穩(wěn)定性(mode stability)。以與脊部分251基本相同的高度形成凸出部分252從而防止用于半導(dǎo)體激光二極管和底座的倒裝芯片工藝期間脊部分251上的應(yīng)力集中。凸出部分252可以比脊部分251寬。
在第二包層242的脊部分251的頂表面上，形成第二電極層271用于鍵合金屬層272與脊部分251之間的電連接。另外，電流限制層260覆蓋第二包層242的整個(gè)表面，除了形成有第二電極層271的脊部分251的表面。形成電流限制層260從而控制橫向模式。電流限制層260可以由選自含有SiO2、SiNx、以及Si的組的至少一種材料形成。另外，電流限制層260可以由N型AlxGa1-xN或者未摻雜的AlxGa1-xN形成，其中0≤x≤1。
電流限制層260的形成在凸出部分252上的部分被覆蓋以保護(hù)層265。優(yōu)選地，保護(hù)層265由具有與電流限制層260的蝕刻選擇性(etch selectivity)不同的蝕刻選擇性的材料形成。保護(hù)層265可以由選自含有金屬、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的組的至少一種材料形成。所述金屬可包括選自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的組的至少一種。保護(hù)層265可具有10nm至500nm的厚度。保護(hù)層265防止從鍵合金屬層272至第二包層242的凸出部分252的電流泄漏。當(dāng)描述半導(dǎo)體激光二極管的制造方法時(shí)還將詳細(xì)描述保護(hù)層265。同時(shí)，保護(hù)層265可以由多層構(gòu)成，且與電流限制層260接觸的多層之一優(yōu)選地可具有高水平的相關(guān)于電流限制層260的粘合性。鍵合金屬層272形成在第二電極層271和部分覆蓋以保護(hù)層265的電流限制層260的表面上。鍵合金屬層272的位于凸出部分252之上的一頂表面部分具有與位于脊部分251之上的另一頂表面部分至少相同的高度。
緩沖層221包括在關(guān)于脊部分251與凸出部分252相對(duì)的位置處的暴露頂表面，N型第一電極層282形成在緩沖層221的該暴露頂表面上。為了第一和第二電極層282和271之間的絕緣，形成鈍化層(passivation layer)290從而覆蓋第二包層242、第二波導(dǎo)層241、有源層230、第一波導(dǎo)層223、第一包層222、以及緩沖層221的暴露表面。
如上所述，保護(hù)層265完全覆蓋凸出部分252上的電流限制層260。然而，保護(hù)層265可形成為僅覆蓋凸出部分252上的電流限制層260的拐角部分。
圖4是具有圖3所示的半導(dǎo)體激光二極管和底座的半導(dǎo)體激光二極管組件的剖視圖，該半導(dǎo)體激光二極管倒裝芯片鍵合到該底座上。
參照?qǐng)D4，底座410是散熱結(jié)構(gòu)，用于防止激光振蕩期間由有源層230中產(chǎn)生的熱導(dǎo)致的半導(dǎo)體激光二極管200的過(guò)熱。圖4中，附圖標(biāo)記411表示底座基板，附圖標(biāo)記412a和412b表示第一和第二金屬層，附圖標(biāo)記413a和413b表示第一和第二焊料層(solder layer)。
優(yōu)選地，底座基板411由AlN，SiC，GaN、以及具有與AlN、SiC和GaN之一的傳熱系數(shù)相當(dāng)?shù)膫鳠嵯禂?shù)的絕緣材料中的一種形成。第一和第二金屬層412a和412b由Au/Cr合金或者與Au/Cr合金相當(dāng)?shù)慕饘俨牧闲纬伞５谝缓偷诙噶蠈?13a和413b由Au/Sn合金或者與Au/Sn合金相當(dāng)?shù)慕饘俨牧闲纬?。?dāng)半導(dǎo)體激光二極管200鍵合到底座410時(shí)，第一焊料層413a熔合到N型第一電極層282且第二焊料層413b熔合到鍵合金屬層272。
如圖4所示，凸出部分252以與脊部分251基本相同的高度形成在脊部分251的一側(cè)，凸出部分252之上鍵合金屬層272的頂表面具有與脊部分251之上鍵合金屬層272的頂表面至少相同的高度。因此，當(dāng)半導(dǎo)體激光二極管200鍵合到底座410時(shí)，第二焊料層413b同時(shí)接觸凸出部分252和脊部分251之上的鍵合金屬層272或者先接觸凸出部分252之上的鍵合金屬層272。然后，第二焊料層413b被熔化且自然地鍵合到鍵合金屬層272。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光二極管，倒裝芯片鍵合期間產(chǎn)生的熱應(yīng)力分散到與脊部分251相鄰的凸出部分252。因此，能防止由脊波導(dǎo)上熱應(yīng)力的集中導(dǎo)致的不均勻發(fā)光。另外，盡管第一和第二焊料層413a和413b由于其厚度差而未同時(shí)熔化，但是機(jī)械應(yīng)力分散到寬度比脊部分252的寬度寬的凸出部分252，因此，可以防止脊部分251上機(jī)械應(yīng)力的集中。
圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光二極管的透視圖。參照?qǐng)D5，第一材料層320、有源層330、以及第二材料層340順序形成在襯底310上。第一材料層320包括從襯底210的頂表面順序形成的緩沖層321、第一包層322、以及第一波導(dǎo)層323。第二材料層340包括從有源層330的頂表面順序形成的第二波導(dǎo)層341和第二包層342。襯底310、緩沖層321、第一包層322、第一波導(dǎo)層323、有源層330、第二波導(dǎo)層341、以及第二包層342由與上述相同的材料形成，因此其描述將被省略。同時(shí)，第一材料層320、有源層330、以及第二材料層340被蝕刻從而定義具有預(yù)定深度的溝槽385。緩沖層321或者第一包層322的上部通過(guò)溝槽385被暴露。
在溝槽385旁邊第一包層342的上部分上以預(yù)定高度形成脊部分351和第一凸出部分352。另外，第二凸出部分353形成在溝槽385的另一側(cè)緩沖層321上。第一和第二凸出部分352和353具有與脊部分351基本相同的高度從而防止半導(dǎo)體激光二極管和底座的倒裝芯片工藝期間脊部分351上的應(yīng)力集中。
第二電極371形成在脊部分351的頂表面上，由絕緣材料形成的電流限制層360形成在包括第一和第二凸出部分352和353及脊部分351的第二包層342整個(gè)之上。此處，電流限制層360暴露第二電極371。另外，保護(hù)層365形成在第一凸出部分352上電流限制層360的表面上。同時(shí)，保護(hù)層365可形成為僅覆蓋第一凸出部分352上電流限制層360的拐角部分。如上所述，保護(hù)層365可由具有與電流限制層360的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性的材料形成。保護(hù)層365可具有10至500nm的厚度。同時(shí)，保護(hù)層365可由多層構(gòu)成，與電流限制層360接觸的多層之一優(yōu)選地可具有相關(guān)于電流限制層360的高水平的粘合性。鍵合金屬層372形成在第二電極層371和電流限制層360的表面上。優(yōu)選地，第一凸出部分352之上鍵合金屬層372的一頂表面部分具有與脊部分351上鍵合金屬層372的另一頂表面部分至少相同的高度。
同時(shí)，N型第一電極層382從緩沖層321或者第一包層322的暴露上部分延伸至第二凸出部分353之上的電流限制層360的頂表面。第二凸出部分353上第一電極層382的頂表面可具有與脊部分351上鍵合金屬層372的另一頂表面部分至少相同的高度。此處，第二凸出部分353上第一電極層382的頂表面可具有與第一凸出部分352上鍵合金屬層372的一頂表面部分相同的高度。此外，第二凸出部分353上第一電極層382的頂表面與第一凸出部分352上鍵合金屬層372的一頂表面部分之間可存在0.5μm或更小的高度差。
第一電極層382與第二電極層371之間，形成絕緣鈍化層390從而覆蓋第二包層342、第二波導(dǎo)層341、有源層330、第一波導(dǎo)層323、第一包層322、以及緩沖層321的暴露表面。同時(shí)，保護(hù)層365可形成在第二凸出部分353之上電流限制層360上。在這種情況下，第一電極層382可從緩沖層321或第一包層322的暴露上表面形成至形成在第二凸出部分353之上的電流限制層360上的保護(hù)層365的上表面。
圖6是具有圖5所示的半導(dǎo)體激光二極管和底座的半導(dǎo)體激光二極管組件的剖視圖，該半導(dǎo)體激光二極管倒裝芯片鍵合該底座。參照?qǐng)D6，底座420是散熱結(jié)構(gòu)，用于防止激光振蕩期間有源層330中產(chǎn)生的熱導(dǎo)致的半導(dǎo)體激光二極管300的過(guò)熱。圖6中，附圖標(biāo)記421表示底座基板，附圖標(biāo)記422a和422b表示第一和第二金屬層，附圖標(biāo)記423a和423b表示第一和第二焊料層。
優(yōu)選地，底座基板421由AlN，SiC，GaN，以及具有與AlN、SiC和GaN之一的傳熱系數(shù)相當(dāng)?shù)膫鳠嵯禂?shù)的絕緣材料中的一種形成。第一和第二金屬層422a和422b由Au/Cr合金或者與Au/Cr合金相當(dāng)?shù)慕饘俨牧闲纬?。第一和第二焊料?23a和423b由Au/Sn合金或者與Au/Sn合金相當(dāng)?shù)慕饘俨牧闲纬?。?dāng)半導(dǎo)體激光二極管300鍵合到底座420時(shí)，第一焊料層423a熔合到N型第一電極層382且第二焊料層423b熔合到鍵合金屬層372。
如圖6所示，第一和第二凸出部分352和353以與脊部分351基本相同的高度分別形成在脊部分351的一側(cè)和另一側(cè)。因此，當(dāng)半導(dǎo)體激光二極管300鍵合到底座420時(shí)，第二焊料層423b接觸第一凸出部分352和脊部分351之上的鍵合金屬層272，同時(shí)第一焊料層423a接觸形成在第二凸出部分353之上的第一電極層382。然后，第一焊料層423a熔化且自然地鍵合到形成在第二凸出部分353之上的第一電極層382，且第二焊料層423b鍵合到形成在脊部分351和第一凸出部分352之上的鍵合金屬層372。
圖7是根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的半導(dǎo)體激光二極管的透視圖。參照?qǐng)D7，第一材料層520、有源層530、第二材料層540順序形成在襯底510上。第一材料層520包括從襯底510的頂表面順序形成的緩沖層521、第一包層522、以及第一波導(dǎo)層523。第二材料層540包括從有源層530的頂表面順序形成的第二波導(dǎo)層541和第二包層542。襯底510、緩沖層521、第一包層522、第一波導(dǎo)層523、有源層530、第二波導(dǎo)層541、以及第二包層542由與上面描述的相同的材料形成，因此其描述將被省略。
脊部分551和凸出部分552以預(yù)定高度形成在第二包層542的上部分上。如上所述，凸出部分552具有與脊部分551基本相同的高度，從而防止半導(dǎo)體激光二極管和底座的倒裝芯片工藝期間脊部分551上的應(yīng)力集中。第二電極571形成在第二包層542的脊部分551的頂表面上，電流限制層560形成在包括凸出部分552和脊部分551的第二包層542整個(gè)之上。此處，電流限制層560暴露第二電極571。另外，保護(hù)層565形成在凸出部分552之上電流限制層560的表面上。同時(shí)，保護(hù)層565可形成為僅覆蓋突出部分552之上電流限制層560的拐角部分。如上所述，保護(hù)層565可以由具有與電流限制層560的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性的材料形成。保護(hù)層565可具有10至500nm的厚度。同時(shí)，保護(hù)層565可由多層構(gòu)成，優(yōu)選地，與電流限制層560接觸的多層之一可以是對(duì)電流限制層560有粘合性的。鍵合金屬層572形成在第二電極層571和被保護(hù)層565覆蓋的電流限制層560的表面上，N型第一電極層582形成在襯底510的底表面上。凸出部分552之上鍵合金屬層572的一頂表面部分可具有與脊部分551之上鍵合金屬層572的另一頂表面部分至少相同的高度。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例制造半導(dǎo)體激光二極管的方法。圖8A至8H是示出制造圖3所示的半導(dǎo)體激光二極管的方法的剖視圖。
首先，參照?qǐng)D8A，第一材料層220、有源層230、第二材料層240、以及第二電極層271順序形成在襯底210上。第一材料層220可以通過(guò)在襯底210上順序設(shè)置緩沖層221、第一包層222、以及第一波導(dǎo)層223來(lái)形成。第二材料層240可以通過(guò)在有源層230上順序設(shè)置第二波導(dǎo)層241和第二包層242來(lái)形成。
襯底210可以是藍(lán)寶石襯底或者GaN或SiC基III-V族化合物半導(dǎo)體襯底。緩沖層221可以是由GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體形成的n型材料層或者未摻雜的材料層。優(yōu)選地，緩沖層221可以是n型GaN層。第一和第二包層222和242可以是GaN基III-V族氮化物化合物半導(dǎo)體層，優(yōu)選地，分別是n型GaN層和p型GaN層。另外，第一和第二波導(dǎo)層223和241可以是GaN基III-V族氮化物化合物半導(dǎo)體層，優(yōu)選地，分別是n型GaN層和p型GaN層。有源層230可以是GaN基III-V族氮化物化合物半導(dǎo)體層，優(yōu)選地，是InxAlyGa1-x-yN層，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。有源層230還可以是含有預(yù)定比率的銦(In)的GaN基III-V族氮化物化合物半導(dǎo)體層，例如InGaN層。
接著，參照?qǐng)D8B，第二電極層271和第二包層242被蝕刻從而在第二包層242的上部分上以預(yù)定高度形成脊部分251和凸出部分252，且然后凸出部分252上的第二電極層271被除去。同時(shí)，與附圖不同，凸出部分252上的第二電極層271可被保留。
接著，參照?qǐng)D8C，電流限制層260形成為完全覆蓋第二包層242和第二電極層271。電流限制層260可由選自包括SiO2、SiNx和Si的組的至少一種材料形成。另外，電流限制層260可由N型AlxGa1-xN或者未摻雜的AlxGa1-xN形成，其中0≤x≤1。
接著，參照?qǐng)D8D，電流限制層260的形成在凸出部分252上的部分被覆蓋以具有預(yù)定厚度的保護(hù)層265。在圖8D中，保護(hù)層265形成在凸出部分252之上的電流限制層260整個(gè)上；然而，保護(hù)層265可形成為僅覆蓋凸出部分252之上電流限制層260的拐角部分。此處，保護(hù)層265可以以如下方法形成。第一方法中，保護(hù)層材料形成在電流限制層260整個(gè)之上，然后保護(hù)層材料被除去，除了凸出部分252的頂和側(cè)表面之上的部分，從而形成保護(hù)層265。在第二方法中，保護(hù)層材料形成在電流限制層260整個(gè)之上，然后保護(hù)層材料通過(guò)光刻被構(gòu)圖從而形成保護(hù)層265。
優(yōu)選地，保護(hù)層265由具有與電流限制層260的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性的材料形成。保護(hù)層265可以由選自含有金屬、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的組的至少一種材料形成。所述金屬可包括選自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的組的至少一種。保護(hù)層265可具有10至500nm的厚度。同時(shí)，保護(hù)層265可以由多層構(gòu)成，優(yōu)選地，與電流限制層260接觸的多層之一可以是對(duì)電流限制層260有粘合性的。
然后，保護(hù)層265和脊部分251上的第二電極層通過(guò)回蝕平坦化被暴露。具體地，如圖8E所示，光致抗蝕劑275在保護(hù)層265和電流限制層260上形成至預(yù)定厚度。接著，如圖8F所示，光致抗蝕劑275和形成在第二電極層271上的電流限制層260被順序蝕刻從而暴露形成在脊部分251上的第二電極271。同時(shí)，形成在凸出部分252上的保護(hù)層在回蝕平坦化期間也被暴露。因?yàn)楸Ｗo(hù)層265具有與電流限制層260的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性，所以保護(hù)層265可被保留在凸出部分252之上，而光致抗蝕劑275和電流限制層260被蝕刻。圖9A和9B是SEM照片，分別顯示根據(jù)本發(fā)明回蝕平坦化之后脊部分251和凸出部分252的截面。參照?qǐng)D9A和9B，可發(fā)現(xiàn)脊部分251上的第二電極層271和凸出部分252之上的保護(hù)層265被暴露。然后，從電流限制層260除去保留的光致抗蝕劑275。
同時(shí)，如果保護(hù)層265未形成在第二包層242的凸出部分252之上的電流限制層260上，則凸出部分252上的電流限制層260在回蝕平坦化期間由于過(guò)蝕刻而被除去，進(jìn)行該回蝕平坦化從而暴露形成在脊部分251上的第二電極層271。圖2是SEM照片，示出回蝕平坦化期間由電流限制層的過(guò)蝕刻引起的凸出部分的暴露的拐角“A”，進(jìn)行該回蝕平坦化但沒(méi)有在位于凸出部分上的電流限制層上準(zhǔn)備保護(hù)層。象這樣，如果鍵合金屬層形成在暴露的凸出部分上，則鍵合金屬層接觸該凸出部分從而導(dǎo)致電流泄漏。為了解決該問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，具有與電流限制層260的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性的保護(hù)層265形成在凸出部分252之上電流限制層260上。因此，從鍵合金屬層到第二包層242的凸出部分252的電流泄漏可被防止。
接著，參照?qǐng)D8G，電流限制層260、第二包層242、第二波導(dǎo)層241、有源層230、第一波導(dǎo)層223、第一包層222、以及緩沖層221在關(guān)于脊部分251與凸出部分252相對(duì)的位置處被順序蝕刻從而暴露緩沖層221的上部分。接著，參照?qǐng)D8H，是N型電極層的第一電極層282形成在緩沖層221的暴露的上部分上，且鍵合金屬層272形成在電流限制層260上從而覆蓋保護(hù)層265和第二電極層271。然后，為了第一電極層282與鍵合金屬層272之間的絕緣，形成鈍化層290以覆蓋第二包層242、第二波導(dǎo)層241、有源層230、第一波導(dǎo)層223、第一包層222、以及緩沖層221的暴露表面。同時(shí)，圖5和7所示的半導(dǎo)體激光二極管可通過(guò)與上述方法類(lèi)似的方法制造。因此，其描述將被省略。
如上所述，具有與電流限制層的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性的保護(hù)層形成在凸出部分之上電流限制層上，使得從鍵合金屬層到凸出部分的電流泄漏可被防止且制造工藝的穩(wěn)定性可以得到改進(jìn)。
雖然參照其示例性實(shí)施例特別顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，在實(shí)施例中可進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。例如，本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管的堆疊結(jié)構(gòu)不限于這里描述的結(jié)構(gòu)。如本發(fā)明的另一實(shí)施例，其它類(lèi)的III-V族化合物半導(dǎo)體材料可被包括在半導(dǎo)體激光二極管的堆疊結(jié)構(gòu)中。另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管的制造方法的每個(gè)操作的順序可以與所示不同地被改變。因此，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光二極管，包括第一材料層、有源層、以及第二材料層，其順序形成在襯底上；脊部分和第一凸出部分，其沿與所述有源層垂直的方向形成在所述第二材料層上，所述第一凸出部分形成在所述脊部分的一側(cè)；第二電極層，其與所述脊部分的頂表面接觸地形成；電流限制層，其形成在所述第二材料層的整個(gè)表面上且暴露所述第二電極層；保護(hù)層，其形成在所述第一凸出部分之上所述電流限制層的表面上且具有與所述電流限制層的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性；以及鍵合金屬層，其與所述第二電極層電連接地形成在所述電流限制層和所述保護(hù)層上。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述第一材料層包括順序形成在所述襯底上的緩沖層、第一包層、以及第一波導(dǎo)層。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述第二材料層包括順序形成在所述有源層上的第二波導(dǎo)層和第二包層，所述脊部分和所述第一凸出部分形成在所述第二包層上。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述電流限制層由選自含有SiO2、SiN、以及Si的組的至少一種材料形成。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述電流限制層由N型AlGaN或者未摻雜的AlGaN形成。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述保護(hù)層由選自含有金屬、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的組的至少一種形成。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述金屬包括選自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的組的至少一種。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述保護(hù)層具有10nm至500nm的厚度。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述保護(hù)層形成為覆蓋所述第一凸出部分之上所述電流限制層的拐角部分。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述第一凸出部分以與所述脊部分基本相同的高度形成。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中位于所述第一凸出部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面具有與位于所述脊部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面至少相同的高度。
12.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述第一材料層包括位于所述脊部分的另一側(cè)的暴露表面，且第一電極層形成在所述暴露表面上。
13.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中第二凸出部分以與所述脊部分基本相同的高度形成在所述脊部分的另一側(cè)。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中所述第二凸出部分與所述脊部分通過(guò)定義在其間從而暴露所述第一材料層的溝槽間隔開(kāi)，且第一電極層與所述第一材料層的所述暴露表面電連接地形成在所述第二凸出部分之上所述電流限制層上。
15.如權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中位于所述第二凸出部分之上的所述第一電極層的頂表面具有與位于所述脊部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面至少相同的高度。
16.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中位于所述第一凸出部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面具有與位于所述第二凸出部分之上的所述第一電極層的頂表面相同的高度。
17.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中位于所述第一凸出部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面和位于所述第二凸出部分之上的所述第一電極層的頂表面在高度上具有0.5μm或更小的不同。
18.如權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體激光二極管，還包括在形成在所述第二凸出部分上的所述電流限制層與所述第一電極層之間的保護(hù)層。
19.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光二極管，其中第一電極層形成在所述襯底的底表面上。
20.一種半導(dǎo)體激光二極管組件，包括半導(dǎo)體激光二極管和底座，所述半導(dǎo)體激光二極管倒裝芯片鍵合到該底座上，該半導(dǎo)體激光二極管包括第一材料層、有源層、以及第二材料層，其順序形成在襯底上；脊部分和凸出部分，其沿與所述有源層垂直的方向形成在所述第二材料層上，所述凸出部分形成在所述脊部分的一側(cè)；第二電極層，其與所述脊部分的頂表面接觸地形成；電流限制層，其形成在所述第二材料層的整個(gè)表面上且暴露所述第二電極層；保護(hù)層，其形成在所述凸出部分之上所述電流限制層的表面上且具有與所述電流限制層的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性；鍵合金屬層，其與所述第二電極層電連接地形成在所述電流限制層和所述保護(hù)層上；以及第一電極層，其形成在所述第一材料層的暴露表面上，所述暴露表面形成在所述脊部分的另一側(cè)，所述底座包括第一焊料層，其鍵合到所述第一電極層；以及第二焊料層，其鍵合到所述脊部分和所述凸出部分之上的所述鍵合金屬層。
21.如權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體激光二極管組件，其中位于所述凸出部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面具有與位于所述脊部分上的所述鍵合金屬層的頂表面至少相同的高度。
22.一種半導(dǎo)體激光二極管組件，包括半導(dǎo)體激光二極管和底座，所述半導(dǎo)體激光二極管倒裝芯片鍵合到該底座上，該半導(dǎo)體激光二極管包括第一材料層、有源層、以及第二材料層，其順序形成在襯底上；脊部分和第一凸出部分，其沿與所述有源層垂直的方向形成在所述第二材料層上，所述第一凸出部分形成在所述脊部分的一側(cè)；第二凸出部分，其形成在所述脊部分的另一側(cè)且與所述脊部分通過(guò)定義在其間從而暴露所述第一材料層的溝槽間隔開(kāi)；第二電極層，其與所述脊部分的頂表面接觸地形成；電流限制層，其形成在所述第二材料層的整個(gè)表面上且暴露所述第二電極層；保護(hù)層，其形成在所述第一凸出部分之上所述電流限制層的表面上且具有與所述電流限制層的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性；鍵合金屬層，其與所述第二電極層電連接地形成在所述電流限制層和所述保護(hù)層上；以及第一電極層，其與所述第一材料層的所述暴露表面電連接地形成在所述第二凸出部分之上所述電流限制層上，所述底座包括第一焊料層，其鍵合到位于所述第二凸出之上的所述第一電極層；以及第二焊料層，其鍵合到位于所述脊部分和所述第一凸出部分之上的所述鍵合金屬層。
23.如權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體激光二極管組件，其中位于所述第二凸出部分之上的所述第一電極層的頂表面具有與位于所述脊部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面至少相同的高度。
24.如權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體激光二極管組件，其中位于所述第一凸出部分之上的所述鍵合金屬層的頂表面具有與位于所述第二凸出部分之上的所述第一電極層的頂表面相同的高度。
25.如權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體激光二極管組件，還包括形成在所述第二凸出部分上的所述電流限制層與所述第一電極層之間的保護(hù)層。
26.一種用于制造半導(dǎo)體激光二極管的方法，包括在襯底上順序形成第一材料層、有源層、第二材料層、以及電極層；通過(guò)順序蝕刻所述電極層和所述第二材料層，在所述第二材料層的上部分上形成脊部分和凸出部分；形成電流限制層從而覆蓋所述第二材料層和所述電極層；在所述凸出部分之上所述電流限制層上形成保護(hù)層，所述保護(hù)層由具有與所述電流限制層的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性的材料形成；通過(guò)平坦化暴露所述保護(hù)層和形成在所述脊部分上的所述電極層；以及在所述電流限制層上形成鍵合金屬層從而覆蓋所述電極層和所述保護(hù)層。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括在所述脊部分和所述凸出部分的形成之后從所述凸出部分除去所述電極層。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述電流限制層由選自含有SiO2、SiNx和Si的組的至少一種材料形成。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述電流限制層由N型AlGaN或者未摻雜的AlGaN形成。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述保護(hù)層由選自金屬、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的組的至少一種形成。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述金屬包括選自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的組的至少一種。
32.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述保護(hù)層具有10nm至500nm的厚度。
33.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述保護(hù)層形成為覆蓋所述凸出部分之上的所述電流限制層或者覆蓋所述凸出部分之上的所述電流限制層的拐角部分。
34.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述保護(hù)層和所述電極層的暴露包括在所述電流限制層上沉積光致抗蝕劑至預(yù)定厚度從而覆蓋所述保護(hù)層；順序蝕刻所述光致抗蝕劑和形成在所述脊部分上的所述電流限制層從而暴露所述保護(hù)層和形成在所述脊部分上的所述電極層；以及除去留在所述電流限制層上的所述光致抗蝕劑。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體激光二極管及其制造方法。在所述半導(dǎo)體激光二極管中，第一材料層、有源層、以及第二材料層順序形成在襯底上，脊部分和第一凸出部分以與所述有源層垂直的方向形成在所述第二材料層上，所述第一凸出部分形成在所述脊部分的一側(cè)，第二電極層與所述脊部分的頂表面接觸地形成，電流限制層形成在所述第二材料層的整個(gè)表面上且暴露所述第二電極層，保護(hù)層形成在所述第一凸出部分之上所述電流限制層的表面上且具有與所述電流限制層的蝕刻選擇性不同的蝕刻選擇性，鍵合金屬層與所述第二電極層電連接地形成在所述電流限制層和所述保護(hù)層上。
文檔編號(hào)H01S5/323GK1858946SQ20061001985
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2006年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月7日
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