专利名称：半导体激光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光二极管及其制造方法，更具体地，涉及一种半导体激光二极管及其制造方法，其能防止倒装芯片工艺(flip-chip process)期间脊部分(ridge portion)上的应力集中。
背景技术：
因为半导体激光二极管具有较小尺寸和比传统激光器件低的用于激光振荡的低阈值电流，所以它们在通讯领域和激光盘播放器中被广泛用于高速数据传输、记录和读取。特别地，氮化物半导体激光二极管提供在绿至紫外区域的波，使得它们被广泛用于各种应用例如高密度光数据记录和再现、高解析度激光印刷机、以及投影TV。
图1示出美国专利申请公开No.2004/0174918A1中公开的一种半导体激光二极管。参照图1，半导体激光二极管包括顺序形成在衬底110上的第一材料层120、有源层130、以及第二材料层140。第一材料层120包括顺序形成在衬底110与有源层130之间的缓冲层121、第一包层(cladding layer)122、以及第一波导层123。第二材料层140包括从有源层130顺序形成的第二波导层141、第二包层142、以及帽层(cap layer)143。在第二材料层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包括第二包层142的上部分和帽层143。另外，P型第二电极层171形成在脊部分151的帽层143上。凸出部分152形成在与脊部分151类似的高度从而防止倒装芯片工艺期间脊部分151上的应力集中。因此，当半导体激光二极管倒装芯片键合到底座(submount)(散热结构)时应力可有效地分散，使得在整个脊波导区域上可均匀地发光。此外，由电介质材料形成的电流限制层160形成在第二包层142、凸出部分152、以及脊部分151的表面上用于控制横向模式(lateral mode)。电流限制层160暴露形成在脊部分151的顶表面上的第二电极层171。另外，键合金属层(bonding metallayer)172形成在电流限制层160和第二电极层171的表面上，N型第一电极层182形成在键合金属层172旁边具有台阶部分的缓冲层121的暴露表面上。
为了制造具有前述结构的半导体激光二极管，第一材料层120、有源层130、第二材料层140、以及第二电极层171顺序形成在衬底110上。然后，通过蚀刻形成脊部分151和凸出部分152，电流限制层160完全沉积在脊部分151和凸出部分152之上。接着，通过采用光致抗蚀剂的光刻且通过蚀刻，第二电极层171的顶表面被暴露。然后，沉积键合金属层172。
然而，在该制造方法中，脊部分151具有约数微米的窄的顶宽度。因此，光刻期间难以精确构图光致抗蚀剂从而暴露第二电极层171，从而降低了工艺稳定性。
同时，如果第二电极层171通过平坦化被暴露，则形成在凸出部分152上的电流限制层160也由于过蚀刻(over etching)而被除去。因此，由p-GaN形成的凸出部分152会被暴露。图2是SEM照片，示出回蚀(etch-back)平坦化期间由于电流限制层160的过蚀刻而导致的凸出部分152的暴露拐角“A”，进行该回蚀平坦化而没有在图1的半导体激光二极管上形成键合金属层172之前在位于凸出部分152上的电流限制层160上准备保护层。结果，如果键合金属层172形成在暴露的凸出部分152上，则键合金属层172与第二包层142的凸出部分152接触从而导致电流泄漏。
发明内容
本发明提供一种半导体激光二极管及其制造方法，该半导体激光二极管通过利用用于制造工艺稳定性的平坦化工艺来暴露第二电极层的顶表面而具有改进的结构。
根据本发明一方面，提供一种半导体激光二极管，包括顺序形成在衬底上的第一材料层、有源层、以及第二材料层；沿与所述有源层垂直的方向形成在第二材料层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侧；与所述脊部分的顶表面接触地形成的第二电极层；形成在所述第二材料层的整个表面上且暴露所述第二电极层的电流限制层；形成在所述第一凸出部分之上所述电流限制层的表面上且具有与所述电流限制层的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性的保护层；以及与所述第二电极层电连接地形成在所述电流限制层和保护层上的键合金属层。
所述第一材料层可包括顺序形成在所述衬底上的缓冲层、第一包层、以及第一波导层。所述第二材料层可包括顺序形成在所述有源层上的第二波导层和第二包层，所述脊部分和所述第一凸出部分可以形成在所述第二包层上。
所述电流限制层可以由选自含有SiO2、SiNx和Si的组的至少一种材料形成。另外，所述电流限制层可以由N型AlGaN或者未掺杂的AlGaN形成。
所述保护层可以由选自含有金属、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的组的至少一种形成。所述金属可包括选自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的组的至少一种。所述保护层可具有10nm至500nm的厚度。所述保护层可形成为覆盖所述第一凸出部分之上所述电流限制层的拐角部分。
第一凸出部分可以以与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键合金属层的顶表面可具有与位于所述脊部分之上的所述键合金属层的顶表面至少相同的高度。
所述第一材料层在所述脊部分的另一侧可包括暴露的表面，第一电极层可形成在所述暴露表面上。
第二凸出可以以与所述脊部分基本相同的高度形成在所述脊部分的另一侧。此处，所述第二凸出部分与所述脊部分可以通过定义在其间从而暴露所述第一材料层的沟槽间隔开，第一电极层可以与所述第一材料层的所述暴露表面电连接地形成在所述第二凸出部分之上所述电流限制层上。位于所述第二凸出部分上的所述第一电极层的顶表面可具有与位于所述脊部分上的所述键合金属层的顶表面至少相同的高度。位于所述第一凸出部分之上的所述键合金属层的顶表面可具有与位于所述第二凸出部分之上的所述第一电极层的所述顶表面相同的高度。位于所述第一凸出部分上的所述键合金属层的顶表面和位于所述第二凸出部分上的所述第一电极层的顶表面可以在高度上有0.5μm或更小的不同。该半导体激光二极管还可包括形成在所述第二凸出部分上的所述电流限制层与所述第一电极层之间的保护层。
同时，所述第一电极层可形成在所述衬底的底表面上。
根据本发明另一方面，提供一种用于制造半导体激光二极管的方法，该方法包括在衬底上顺序形成第一材料层、有源层、第二材料层、以及电极层；通过顺序蚀刻所述电极层和所述第二材料层，在所述第二材料层的上部分上形成脊部分和凸出部分；形成电流限制层从而覆盖所述第二材料层和所述电极层；在所述凸出部分之上所述电流限制层上形成保护层，所述保护层由具有与所述电流限制层的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性的材料形成；通过平坦化暴露所述保护层和形成在所述脊部分上的所述电极层；以及在所述电流限制层上形成键合金属层从而覆盖所述电极层和所述保护层。
该方法还可包括在所述脊部分和所述凸出部分的形成之后从所述凸出部分除去所述电极层。
所述保护层和所述电极层的暴露可包括在所述电流限制层上沉积光致抗蚀剂至预定厚度从而覆盖所述保护层；顺序蚀刻所述光致抗蚀剂和形成在所述脊部分上的所述电流限制层从而暴露所述保护层和形成在所述脊部分上的所述电极层；以及除去留在所述电流限制层上的所述光致抗蚀剂。
通过参考附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显，附图中图1是根据现有技术的半导体激光二极管的透视图；图2是SEM照片，示出回蚀平坦化期间由于电流限制层的过蚀刻而导致的凸出部分的暴露拐角“A”，进行该回蚀平坦化而没有在位于凸出部分上的电流限制层上准备保护层；图3是根据本发明一实施例的半导体激光二极管的透视图；图4是具有图3所示的半导体激光二极管和底座的半导体激光二极管组件的剖视图，半导体激光二极管倒装芯片键合到该底座上；图5是根据本发明另一实施例的半导体激光二极管的透视图；图6是具有图5所示的半导体激光二极管和底座的半导体激光二极管组件的剖视图，半导体激光二极管倒装芯片键合到该底座上；图7是根据本发明再一实施例的半导体激光二极管的透视图；图8A至8H示出根据本发明一实施例制造半导体激光二极管的方法；以及图9A和9B是分别示出根据本发明的平坦化之后的脊部分和凸出部分的截面的SEM照片。
具体实施例方式
现在将参照附图更充分地描述本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。附图中相似的附图标记表示相似的元件。
图3是根据本发明一实施例的半导体激光二极管的透视图。参照图3，第一材料层220、有源层230、以及第二材料层240顺序形成在衬底210上。第一材料层220包括从衬底210的顶表面顺序形成的缓冲层221、第一包层222、以及第一波导层223。第二材料层240包括从有源层230的顶表面顺序形成的第二波导层241和第二包层242。
衬底210可以是蓝宝石衬底或者GaN或SiC基III-V族化合物半导体衬底。缓冲层221可以是由GaN基III-V族化合物半导体形成的n型材料层或者未掺杂的材料层。优选地，缓冲层221可以是n型GaN层。第一和第二包层222和242可以是GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，优选地，分别为n型GaN层和p型GaN层。另外，第一和第二波导层223和241可以是GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，优选地，分别为n型GaN层和p型GaN层。第一和第二波导层223和241具有比有源层230低且比第一和第二包层222和242高的反射率。
有源层230是通过电子和空穴的载流子复合而发光的材料层。有源层230可以是具有多量子阱(MQW)结构的GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，优选地，是InxAlyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。有源层230还可以是含有预定比率的铟(In)的GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，例如InGaN层。
在第二包层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从而减小用于激光振荡(laser oscillation)的阈值电流且获得模式稳定性(mode stability)。以与脊部分251基本相同的高度形成凸出部分252从而防止用于半导体激光二极管和底座的倒装芯片工艺期间脊部分251上的应力集中。凸出部分252可以比脊部分251宽。
在第二包层242的脊部分251的顶表面上，形成第二电极层271用于键合金属层272与脊部分251之间的电连接。另外，电流限制层260覆盖第二包层242的整个表面，除了形成有第二电极层271的脊部分251的表面。形成电流限制层260从而控制横向模式。电流限制层260可以由选自含有SiO2、SiNx、以及Si的组的至少一种材料形成。另外，电流限制层260可以由N型AlxGa1-xN或者未掺杂的AlxGa1-xN形成，其中0≤x≤1。
电流限制层260的形成在凸出部分252上的部分被覆盖以保护层265。优选地，保护层265由具有与电流限制层260的蚀刻选择性(etch selectivity)不同的蚀刻选择性的材料形成。保护层265可以由选自含有金属、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的组的至少一种材料形成。所述金属可包括选自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的组的至少一种。保护层265可具有10nm至500nm的厚度。保护层265防止从键合金属层272至第二包层242的凸出部分252的电流泄漏。当描述半导体激光二极管的制造方法时还将详细描述保护层265。同时，保护层265可以由多层构成，且与电流限制层260接触的多层之一优选地可具有高水平的相关于电流限制层260的粘合性。键合金属层272形成在第二电极层271和部分覆盖以保护层265的电流限制层260的表面上。键合金属层272的位于凸出部分252之上的一顶表面部分具有与位于脊部分251之上的另一顶表面部分至少相同的高度。
缓冲层221包括在关于脊部分251与凸出部分252相对的位置处的暴露顶表面，N型第一电极层282形成在缓冲层221的该暴露顶表面上。为了第一和第二电极层282和271之间的绝缘，形成钝化层(passivation layer)290从而覆盖第二包层242、第二波导层241、有源层230、第一波导层223、第一包层222、以及缓冲层221的暴露表面。
如上所述，保护层265完全覆盖凸出部分252上的电流限制层260。然而，保护层265可形成为仅覆盖凸出部分252上的电流限制层260的拐角部分。
图4是具有图3所示的半导体激光二极管和底座的半导体激光二极管组件的剖视图，该半导体激光二极管倒装芯片键合到该底座上。
参照图4，底座410是散热结构，用于防止激光振荡期间由有源层230中产生的热导致的半导体激光二极管200的过热。图4中，附图标记411表示底座基板，附图标记412a和412b表示第一和第二金属层，附图标记413a和413b表示第一和第二焊料层(solder layer)。
优选地，底座基板411由AlN，SiC，GaN、以及具有与AlN、SiC和GaN之一的传热系数相当的传热系数的绝缘材料中的一种形成。第一和第二金属层412a和412b由Au/Cr合金或者与Au/Cr合金相当的金属材料形成。第一和第二焊料层413a和413b由Au/Sn合金或者与Au/Sn合金相当的金属材料形成。当半导体激光二极管200键合到底座410时，第一焊料层413a熔合到N型第一电极层282且第二焊料层413b熔合到键合金属层272。
如图4所示，凸出部分252以与脊部分251基本相同的高度形成在脊部分251的一侧，凸出部分252之上键合金属层272的顶表面具有与脊部分251之上键合金属层272的顶表面至少相同的高度。因此，当半导体激光二极管200键合到底座410时，第二焊料层413b同时接触凸出部分252和脊部分251之上的键合金属层272或者先接触凸出部分252之上的键合金属层272。然后，第二焊料层413b被熔化且自然地键合到键合金属层272。
如上所述，根据本发明一实施例的半导体激光二极管，倒装芯片键合期间产生的热应力分散到与脊部分251相邻的凸出部分252。因此，能防止由脊波导上热应力的集中导致的不均匀发光。另外，尽管第一和第二焊料层413a和413b由于其厚度差而未同时熔化，但是机械应力分散到宽度比脊部分252的宽度宽的凸出部分252，因此，可以防止脊部分251上机械应力的集中。
图5是根据本发明另一实施例的半导体激光二极管的透视图。参照图5，第一材料层320、有源层330、以及第二材料层340顺序形成在衬底310上。第一材料层320包括从衬底210的顶表面顺序形成的缓冲层321、第一包层322、以及第一波导层323。第二材料层340包括从有源层330的顶表面顺序形成的第二波导层341和第二包层342。衬底310、缓冲层321、第一包层322、第一波导层323、有源层330、第二波导层341、以及第二包层342由与上述相同的材料形成，因此其描述将被省略。同时，第一材料层320、有源层330、以及第二材料层340被蚀刻从而定义具有预定深度的沟槽385。缓冲层321或者第一包层322的上部通过沟槽385被暴露。
在沟槽385旁边第一包层342的上部分上以预定高度形成脊部分351和第一凸出部分352。另外，第二凸出部分353形成在沟槽385的另一侧缓冲层321上。第一和第二凸出部分352和353具有与脊部分351基本相同的高度从而防止半导体激光二极管和底座的倒装芯片工艺期间脊部分351上的应力集中。
第二电极371形成在脊部分351的顶表面上，由绝缘材料形成的电流限制层360形成在包括第一和第二凸出部分352和353及脊部分351的第二包层342整个之上。此处，电流限制层360暴露第二电极371。另外，保护层365形成在第一凸出部分352上电流限制层360的表面上。同时，保护层365可形成为仅覆盖第一凸出部分352上电流限制层360的拐角部分。如上所述，保护层365可由具有与电流限制层360的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性的材料形成。保护层365可具有10至500nm的厚度。同时，保护层365可由多层构成，与电流限制层360接触的多层之一优选地可具有相关于电流限制层360的高水平的粘合性。键合金属层372形成在第二电极层371和电流限制层360的表面上。优选地，第一凸出部分352之上键合金属层372的一顶表面部分具有与脊部分351上键合金属层372的另一顶表面部分至少相同的高度。
同时，N型第一电极层382从缓冲层321或者第一包层322的暴露上部分延伸至第二凸出部分353之上的电流限制层360的顶表面。第二凸出部分353上第一电极层382的顶表面可具有与脊部分351上键合金属层372的另一顶表面部分至少相同的高度。此处，第二凸出部分353上第一电极层382的顶表面可具有与第一凸出部分352上键合金属层372的一顶表面部分相同的高度。此外，第二凸出部分353上第一电极层382的顶表面与第一凸出部分352上键合金属层372的一顶表面部分之间可存在0.5μm或更小的高度差。
第一电极层382与第二电极层371之间，形成绝缘钝化层390从而覆盖第二包层342、第二波导层341、有源层330、第一波导层323、第一包层322、以及缓冲层321的暴露表面。同时，保护层365可形成在第二凸出部分353之上电流限制层360上。在这种情况下，第一电极层382可从缓冲层321或第一包层322的暴露上表面形成至形成在第二凸出部分353之上的电流限制层360上的保护层365的上表面。
图6是具有图5所示的半导体激光二极管和底座的半导体激光二极管组件的剖视图，该半导体激光二极管倒装芯片键合该底座。参照图6，底座420是散热结构，用于防止激光振荡期间有源层330中产生的热导致的半导体激光二极管300的过热。图6中，附图标记421表示底座基板，附图标记422a和422b表示第一和第二金属层，附图标记423a和423b表示第一和第二焊料层。
优选地，底座基板421由AlN，SiC，GaN，以及具有与AlN、SiC和GaN之一的传热系数相当的传热系数的绝缘材料中的一种形成。第一和第二金属层422a和422b由Au/Cr合金或者与Au/Cr合金相当的金属材料形成。第一和第二焊料层423a和423b由Au/Sn合金或者与Au/Sn合金相当的金属材料形成。当半导体激光二极管300键合到底座420时，第一焊料层423a熔合到N型第一电极层382且第二焊料层423b熔合到键合金属层372。
如图6所示，第一和第二凸出部分352和353以与脊部分351基本相同的高度分别形成在脊部分351的一侧和另一侧。因此，当半导体激光二极管300键合到底座420时，第二焊料层423b接触第一凸出部分352和脊部分351之上的键合金属层272，同时第一焊料层423a接触形成在第二凸出部分353之上的第一电极层382。然后，第一焊料层423a熔化且自然地键合到形成在第二凸出部分353之上的第一电极层382，且第二焊料层423b键合到形成在脊部分351和第一凸出部分352之上的键合金属层372。
图7是根据本发明再一实施例的半导体激光二极管的透视图。参照图7，第一材料层520、有源层530、第二材料层540顺序形成在衬底510上。第一材料层520包括从衬底510的顶表面顺序形成的缓冲层521、第一包层522、以及第一波导层523。第二材料层540包括从有源层530的顶表面顺序形成的第二波导层541和第二包层542。衬底510、缓冲层521、第一包层522、第一波导层523、有源层530、第二波导层541、以及第二包层542由与上面描述的相同的材料形成，因此其描述将被省略。
脊部分551和凸出部分552以预定高度形成在第二包层542的上部分上。如上所述，凸出部分552具有与脊部分551基本相同的高度，从而防止半导体激光二极管和底座的倒装芯片工艺期间脊部分551上的应力集中。第二电极571形成在第二包层542的脊部分551的顶表面上，电流限制层560形成在包括凸出部分552和脊部分551的第二包层542整个之上。此处，电流限制层560暴露第二电极571。另外，保护层565形成在凸出部分552之上电流限制层560的表面上。同时，保护层565可形成为仅覆盖突出部分552之上电流限制层560的拐角部分。如上所述，保护层565可以由具有与电流限制层560的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性的材料形成。保护层565可具有10至500nm的厚度。同时，保护层565可由多层构成，优选地，与电流限制层560接触的多层之一可以是对电流限制层560有粘合性的。键合金属层572形成在第二电极层571和被保护层565覆盖的电流限制层560的表面上，N型第一电极层582形成在衬底510的底表面上。凸出部分552之上键合金属层572的一顶表面部分可具有与脊部分551之上键合金属层572的另一顶表面部分至少相同的高度。
现在将描述根据本发明一实施例制造半导体激光二极管的方法。图8A至8H是示出制造图3所示的半导体激光二极管的方法的剖视图。
首先，参照图8A，第一材料层220、有源层230、第二材料层240、以及第二电极层271顺序形成在衬底210上。第一材料层220可以通过在衬底210上顺序设置缓冲层221、第一包层222、以及第一波导层223来形成。第二材料层240可以通过在有源层230上顺序设置第二波导层241和第二包层242来形成。
衬底210可以是蓝宝石衬底或者GaN或SiC基III-V族化合物半导体衬底。缓冲层221可以是由GaN基III-V族化合物半导体形成的n型材料层或者未掺杂的材料层。优选地，缓冲层221可以是n型GaN层。第一和第二包层222和242可以是GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，优选地，分别是n型GaN层和p型GaN层。另外，第一和第二波导层223和241可以是GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，优选地，分别是n型GaN层和p型GaN层。有源层230可以是GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，优选地，是InxAlyGa1-x-yN层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。有源层230还可以是含有预定比率的铟(In)的GaN基III-V族氮化物化合物半导体层，例如InGaN层。
接着，参照图8B，第二电极层271和第二包层242被蚀刻从而在第二包层242的上部分上以预定高度形成脊部分251和凸出部分252，且然后凸出部分252上的第二电极层271被除去。同时，与附图不同，凸出部分252上的第二电极层271可被保留。
接着，参照图8C，电流限制层260形成为完全覆盖第二包层242和第二电极层271。电流限制层260可由选自包括SiO2、SiNx和Si的组的至少一种材料形成。另外，电流限制层260可由N型AlxGa1-xN或者未掺杂的AlxGa1-xN形成，其中0≤x≤1。
接着，参照图8D，电流限制层260的形成在凸出部分252上的部分被覆盖以具有预定厚度的保护层265。在图8D中，保护层265形成在凸出部分252之上的电流限制层260整个上；然而，保护层265可形成为仅覆盖凸出部分252之上电流限制层260的拐角部分。此处，保护层265可以以如下方法形成。第一方法中，保护层材料形成在电流限制层260整个之上，然后保护层材料被除去，除了凸出部分252的顶和侧表面之上的部分，从而形成保护层265。在第二方法中，保护层材料形成在电流限制层260整个之上，然后保护层材料通过光刻被构图从而形成保护层265。
优选地，保护层265由具有与电流限制层260的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性的材料形成。保护层265可以由选自含有金属、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的组的至少一种材料形成。所述金属可包括选自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的组的至少一种。保护层265可具有10至500nm的厚度。同时，保护层265可以由多层构成，优选地，与电流限制层260接触的多层之一可以是对电流限制层260有粘合性的。
然后，保护层265和脊部分251上的第二电极层通过回蚀平坦化被暴露。具体地，如图8E所示，光致抗蚀剂275在保护层265和电流限制层260上形成至预定厚度。接着，如图8F所示，光致抗蚀剂275和形成在第二电极层271上的电流限制层260被顺序蚀刻从而暴露形成在脊部分251上的第二电极271。同时，形成在凸出部分252上的保护层在回蚀平坦化期间也被暴露。因为保护层265具有与电流限制层260的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性，所以保护层265可被保留在凸出部分252之上，而光致抗蚀剂275和电流限制层260被蚀刻。图9A和9B是SEM照片，分别显示根据本发明回蚀平坦化之后脊部分251和凸出部分252的截面。参照图9A和9B，可发现脊部分251上的第二电极层271和凸出部分252之上的保护层265被暴露。然后，从电流限制层260除去保留的光致抗蚀剂275。
同时，如果保护层265未形成在第二包层242的凸出部分252之上的电流限制层260上，则凸出部分252上的电流限制层260在回蚀平坦化期间由于过蚀刻而被除去，进行该回蚀平坦化从而暴露形成在脊部分251上的第二电极层271。图2是SEM照片，示出回蚀平坦化期间由电流限制层的过蚀刻引起的凸出部分的暴露的拐角“A”，进行该回蚀平坦化但没有在位于凸出部分上的电流限制层上准备保护层。象这样，如果键合金属层形成在暴露的凸出部分上，则键合金属层接触该凸出部分从而导致电流泄漏。为了解决该问题，根据本发明一实施例，具有与电流限制层260的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性的保护层265形成在凸出部分252之上电流限制层260上。因此，从键合金属层到第二包层242的凸出部分252的电流泄漏可被防止。
接着，参照图8G，电流限制层260、第二包层242、第二波导层241、有源层230、第一波导层223、第一包层222、以及缓冲层221在关于脊部分251与凸出部分252相对的位置处被顺序蚀刻从而暴露缓冲层221的上部分。接着，参照图8H，是N型电极层的第一电极层282形成在缓冲层221的暴露的上部分上，且键合金属层272形成在电流限制层260上从而覆盖保护层265和第二电极层271。然后，为了第一电极层282与键合金属层272之间的绝缘，形成钝化层290以覆盖第二包层242、第二波导层241、有源层230、第一波导层223、第一包层222、以及缓冲层221的暴露表面。同时，图5和7所示的半导体激光二极管可通过与上述方法类似的方法制造。因此，其描述将被省略。
如上所述，具有与电流限制层的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性的保护层形成在凸出部分之上电流限制层上，使得从键合金属层到凸出部分的电流泄漏可被防止且制造工艺的稳定性可以得到改进。
虽然参照其示例性实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应理解，在实施例中可进行形式和细节上的各种变化。例如，本发明的半导体激光二极管的堆叠结构不限于这里描述的结构。如本发明的另一实施例，其它类的III-V族化合物半导体材料可被包括在半导体激光二极管的堆叠结构中。另外，本发明的半导体激光二极管的制造方法的每个操作的顺序可以与所示不同地被改变。因此，本发明的范围由权利要求定义。
权利要求
1.一种半导体激光二极管，包括第一材料层、有源层、以及第二材料层，其顺序形成在衬底上；脊部分和第一凸出部分，其沿与所述有源层垂直的方向形成在所述第二材料层上，所述第一凸出部分形成在所述脊部分的一侧；第二电极层，其与所述脊部分的顶表面接触地形成；电流限制层，其形成在所述第二材料层的整个表面上且暴露所述第二电极层；保护层，其形成在所述第一凸出部分之上所述电流限制层的表面上且具有与所述电流限制层的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性；以及键合金属层，其与所述第二电极层电连接地形成在所述电流限制层和所述保护层上。
2.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述第一材料层包括顺序形成在所述衬底上的缓冲层、第一包层、以及第一波导层。
3.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述第二材料层包括顺序形成在所述有源层上的第二波导层和第二包层，所述脊部分和所述第一凸出部分形成在所述第二包层上。
4.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述电流限制层由选自含有SiO2、SiN、以及Si的组的至少一种材料形成。
5.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述电流限制层由N型AlGaN或者未掺杂的AlGaN形成。
6.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述保护层由选自含有金属、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的组的至少一种形成。
7.如权利要求6所述的半导体激光二极管，其中所述金属包括选自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的组的至少一种。
8.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述保护层具有10nm至500nm的厚度。
9.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述保护层形成为覆盖所述第一凸出部分之上所述电流限制层的拐角部分。
10.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述第一凸出部分以与所述脊部分基本相同的高度形成。
11.如权利要求10所述的半导体激光二极管，其中位于所述第一凸出部分之上的所述键合金属层的顶表面具有与位于所述脊部分之上的所述键合金属层的顶表面至少相同的高度。
12.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述第一材料层包括位于所述脊部分的另一侧的暴露表面，且第一电极层形成在所述暴露表面上。
13.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中第二凸出部分以与所述脊部分基本相同的高度形成在所述脊部分的另一侧。
14.如权利要求13所述的半导体激光二极管，其中所述第二凸出部分与所述脊部分通过定义在其间从而暴露所述第一材料层的沟槽间隔开，且第一电极层与所述第一材料层的所述暴露表面电连接地形成在所述第二凸出部分之上所述电流限制层上。
15.如权利要求14所述的半导体激光二极管，其中位于所述第二凸出部分之上的所述第一电极层的顶表面具有与位于所述脊部分之上的所述键合金属层的顶表面至少相同的高度。
16.如权利要求15所述的半导体激光二极管，其中位于所述第一凸出部分之上的所述键合金属层的顶表面具有与位于所述第二凸出部分之上的所述第一电极层的顶表面相同的高度。
17.如权利要求15所述的半导体激光二极管，其中位于所述第一凸出部分之上的所述键合金属层的顶表面和位于所述第二凸出部分之上的所述第一电极层的顶表面在高度上具有0.5μm或更小的不同。
18.如权利要求14所述的半导体激光二极管，还包括在形成在所述第二凸出部分上的所述电流限制层与所述第一电极层之间的保护层。
19.如权利要求1所述的半导体激光二极管，其中第一电极层形成在所述衬底的底表面上。
20.一种半导体激光二极管组件，包括半导体激光二极管和底座，所述半导体激光二极管倒装芯片键合到该底座上，该半导体激光二极管包括第一材料层、有源层、以及第二材料层，其顺序形成在衬底上；脊部分和凸出部分，其沿与所述有源层垂直的方向形成在所述第二材料层上，所述凸出部分形成在所述脊部分的一侧；第二电极层，其与所述脊部分的顶表面接触地形成；电流限制层，其形成在所述第二材料层的整个表面上且暴露所述第二电极层；保护层，其形成在所述凸出部分之上所述电流限制层的表面上且具有与所述电流限制层的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性；键合金属层，其与所述第二电极层电连接地形成在所述电流限制层和所述保护层上；以及第一电极层，其形成在所述第一材料层的暴露表面上，所述暴露表面形成在所述脊部分的另一侧，所述底座包括第一焊料层，其键合到所述第一电极层；以及第二焊料层，其键合到所述脊部分和所述凸出部分之上的所述键合金属层。
21.如权利要求20所述的半导体激光二极管组件，其中位于所述凸出部分之上的所述键合金属层的顶表面具有与位于所述脊部分上的所述键合金属层的顶表面至少相同的高度。
22.一种半导体激光二极管组件，包括半导体激光二极管和底座，所述半导体激光二极管倒装芯片键合到该底座上，该半导体激光二极管包括第一材料层、有源层、以及第二材料层，其顺序形成在衬底上；脊部分和第一凸出部分，其沿与所述有源层垂直的方向形成在所述第二材料层上，所述第一凸出部分形成在所述脊部分的一侧；第二凸出部分，其形成在所述脊部分的另一侧且与所述脊部分通过定义在其间从而暴露所述第一材料层的沟槽间隔开；第二电极层，其与所述脊部分的顶表面接触地形成；电流限制层，其形成在所述第二材料层的整个表面上且暴露所述第二电极层；保护层，其形成在所述第一凸出部分之上所述电流限制层的表面上且具有与所述电流限制层的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性；键合金属层，其与所述第二电极层电连接地形成在所述电流限制层和所述保护层上；以及第一电极层，其与所述第一材料层的所述暴露表面电连接地形成在所述第二凸出部分之上所述电流限制层上，所述底座包括第一焊料层，其键合到位于所述第二凸出之上的所述第一电极层；以及第二焊料层，其键合到位于所述脊部分和所述第一凸出部分之上的所述键合金属层。
23.如权利要求22所述的半导体激光二极管组件，其中位于所述第二凸出部分之上的所述第一电极层的顶表面具有与位于所述脊部分之上的所述键合金属层的顶表面至少相同的高度。
24.如权利要求22所述的半导体激光二极管组件，其中位于所述第一凸出部分之上的所述键合金属层的顶表面具有与位于所述第二凸出部分之上的所述第一电极层的顶表面相同的高度。
25.如权利要求22所述的半导体激光二极管组件，还包括形成在所述第二凸出部分上的所述电流限制层与所述第一电极层之间的保护层。
26.一种用于制造半导体激光二极管的方法，包括在衬底上顺序形成第一材料层、有源层、第二材料层、以及电极层；通过顺序蚀刻所述电极层和所述第二材料层，在所述第二材料层的上部分上形成脊部分和凸出部分；形成电流限制层从而覆盖所述第二材料层和所述电极层；在所述凸出部分之上所述电流限制层上形成保护层，所述保护层由具有与所述电流限制层的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性的材料形成；通过平坦化暴露所述保护层和形成在所述脊部分上的所述电极层；以及在所述电流限制层上形成键合金属层从而覆盖所述电极层和所述保护层。
27.如权利要求26所述的方法，还包括在所述脊部分和所述凸出部分的形成之后从所述凸出部分除去所述电极层。
28.如权利要求26所述的方法，其中所述电流限制层由选自含有SiO2、SiNx和Si的组的至少一种材料形成。
29.如权利要求26所述的方法，其中所述电流限制层由N型AlGaN或者未掺杂的AlGaN形成。
30.如权利要求26所述的方法，其中所述保护层由选自金属、ZrO2、HfO2、Al2O3、Ta2O5、以及AlN的组的至少一种形成。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述金属包括选自含有Pt、Pd、Ni、Mo、W、Ru、Ta、Al、Ag、Ir、Co、Os、Cr、Ti、Zr、以及Rh的组的至少一种。
32.如权利要求26所述的方法，其中所述保护层具有10nm至500nm的厚度。
33.如权利要求26所述的方法，其中所述保护层形成为覆盖所述凸出部分之上的所述电流限制层或者覆盖所述凸出部分之上的所述电流限制层的拐角部分。
34.如权利要求26所述的方法，其中所述保护层和所述电极层的暴露包括在所述电流限制层上沉积光致抗蚀剂至预定厚度从而覆盖所述保护层；顺序蚀刻所述光致抗蚀剂和形成在所述脊部分上的所述电流限制层从而暴露所述保护层和形成在所述脊部分上的所述电极层；以及除去留在所述电流限制层上的所述光致抗蚀剂。
全文摘要
本发明提供一种半导体激光二极管及其制造方法。在所述半导体激光二极管中，第一材料层、有源层、以及第二材料层顺序形成在衬底上，脊部分和第一凸出部分以与所述有源层垂直的方向形成在所述第二材料层上，所述第一凸出部分形成在所述脊部分的一侧，第二电极层与所述脊部分的顶表面接触地形成，电流限制层形成在所述第二材料层的整个表面上且暴露所述第二电极层，保护层形成在所述第一凸出部分之上所述电流限制层的表面上且具有与所述电流限制层的蚀刻选择性不同的蚀刻选择性，键合金属层与所述第二电极层电连接地形成在所述电流限制层和所述保护层上。
文档编号H01S5/323GK1858946SQ20061001985
公开日2006年11月8日 申请日期2006年3月1日 优先权日2005年5月7日
发明者成演准, 张泰勋 申请人:三星电子株式会社