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一种用于制造能够发射蓝光的激光器的工艺，其中在CAIBE中使用超过500℃的温度和超过500V的离子束来蚀刻GaN晶片，以形成激光器波导以及镜。

1.  一种制造激光器的工艺，包括：
蚀刻基于氮化物的半导体晶片，以制造大量激光器；
在所述激光器处于所述晶片上的同时，蚀刻所述激光器以形成激光器镜；
形成用于所述激光器的电接触点；
测试所述晶片上的激光器；以及
此后将所述晶片分成单个的，以分离所述激光器从而进行封装。

2.  一种制造基于氮化物的半导体激光器的方法，包括：
在基于氮化物的半导体激光器结构上，使用高温稳定的掩模；以及
在CAIBE中使用超过500℃的温度在所述激光器结构中形成刻面。

3.  一种制造基于氮化物的半导体激光器的方法，包括：
在基于氮化物的半导体激光器结构的p型掺杂保护层上，形成掩模；
所述掩模保持所述保护层的导电性；以及
在CAIBE中使用超过500V的离子束，以便在所述激光器结构中形成经蚀刻的刻面。

4.  一种制造基于氮化物的半导体激光器的方法，包括：
用掩模涂布衬底；
在第一蚀刻步骤中以相对于蚀刻系统中的离子束成一定角度来蚀刻前刻面，从而形成接近垂直的刻面；
在第二蚀刻步骤中蚀刻后刻面；
在第三蚀刻步骤中蚀刻脊；
在脊上的掩模中产生一开口；以及
在开口中放置导电材料。

5.  一种基于氮化物的半导体激光器，包括：
衬底；
第一干法蚀刻的刻面，所述第一刻面定位成相对于所述衬底成90度或约90度；
第二干法蚀刻的刻面；
干法蚀刻的脊，所述脊位于所述第一和第二蚀刻的刻面之间；以及
其中在干法蚀刻系统中形成所述第一蚀刻的刻面，所述干法蚀刻系统包含用于产生被引向所述衬底的离子束的离子束源，并且在干法蚀刻期间所述衬底被定位成与所述离子束成一个非垂直入射的角度。

6.  如权利要求5所述的氮化物器件，其特征在于，所述第二刻面与所述衬底成90度或约90度。

7.  如权利要求5所述的氮化物器件，其特征在于，所述第二刻面与所述衬底成45度或约45度。

8.  一种基于氮化物的半导体激光器，包括：
衬底；
第一干法蚀刻的刻面；
第二干法蚀刻的刻面；
干法蚀刻的脊，所述脊位于所述第一和第二蚀刻的刻面之间；
脊上的电介质；
所述电介质具有一开口；以及
通过干法蚀刻和湿法蚀刻形成所述开口。

9.  如权利要求8所述的氮化物激光器，其特征在于，所述电介质完全封装了所述蚀刻刻面。

10.  如权利要求8所述的氮化物激光器，其特征在于，所述衬底支撑其中制造了所述脊的外延的基于AlGaInN的结构，所述结构包括p型掺杂的保护层。

11.  如权利要求10所述的氮化物结构，还包括沉积在所述保护层上的接触点。

12.  如权利要求12所述的氮化物激光器，其特征在于，在所述第一和第二刻面之间的脊的长度是100μm或更少。

使用经蚀刻的刻面技术生产的基于AlGaInN的激光器
发明背景
本申请要求2005年6月22日提交的美国临时专利申请60/692,583的权益，其内容引用在此作为参考。
本发明一般涉及制造能够发射蓝光的激光器的工艺，尤其，涉及利用用于制造激光器件的蚀刻刻面技术(EFT)来制造基于AlGaInN的激光器。
一般通过机械加工劈开半导体晶体而在激光腔的末端处形成用于边发射半导体激光二极管的反射镜。一般，对于任何半导体材料来说，劈开与光刻法相比是一种不精确的工艺。此外，对于该工艺来说，处理用于器件测试和其它后续操作的易碎的条状物或小芯片成为必要的步骤。它还趋向于与单片电路集成不兼容，因为它需要通过物理方法使晶片碎裂以得到功能全面的激光器。
GaN的劈开特别成问题。Nichia Chemical在1995年首先展示了在蓝宝石衬底上的基于GaN的蓝色激光器，而且接着已经能够大批量制造CW激光器[S.Nakamura等人，2000年“The Blue Laser Diode：The Complete Story，”Springer-Verlag]。通常使用劈开来形成蓝色激光器的刻面，但是这些器件的价格极高。劈开蓝宝石衬底以形成基于GaN的激光器刻面是特别困难的，由于蓝宝石具有许多劈开平面，这些平面相互在小的角距离内具有近似相等的劈开长度。由于这样，容易使破裂界面从一个劈开平面到另一个劈开平面改变方向，甚至在劈开过程期间扰动较小时也会这样，当发生这种情况时，激光器是不可使用的。虽然有这些问题，但是已经选择蓝宝石作为用于氮化物生长的衬底，因为它相对不昂贵和在GaN沉积所要求的高温处理期间较稳定。然而，蓝宝石和更昂贵的SiC衬底两者的晶格与GaN大大地失配，在所生长的材料中产生了高密度的缺陷。自立式GaN衬底是一个局部解决方案，并且只是在现在才可得到，但是不同于立方体InP和GaAS，GaN的晶体结构是六边形的，更难于劈开。因此，期望即使使用GaN衬底，劈开也将继续成为挑战性的工艺。通过使用CAIBE中的倾斜的衬底，已经制造了垂直蚀刻刻面蓝色激光器[Kneissl等人，Appl.Phys.Lett.72，1539-1541]；然而，这些激光器是条状的或增益-引导类型的。因此，需要一种以可靠的和有成本效益的方式来制造脊型蓝色激光器的改进的工艺。
影响基于GaN的蓝色激光器的产量和成本的一个重要的因素是缺乏可用的具有低的缺陷密度的激光器质量材料。几个研究实验室已经开发了一些技术，诸如在蓝宝石上的外延横向过度生长(ELOG)，这使缺陷密度改进到10⁵/cm²的水平。因为上述劈开的难度，当今可以实际制造的最小的腔长度为600μm的数量级。使用经蚀刻的刻面来代替机械加工的劈开的刻面允许形成100μm或更小的较短的腔器件。制造较短的腔器件的能力导致器件中的缺陷的概率较低，因此而导致更高的产量。这些激光器与较长的腔器件相比可能具有较低的最大功率率；然而，将在下一代DVD只读应用中使用大多数激光器，较低的功率已足够，并且还要求较低的成本和较低的功耗。EFT提供的特定的制造、集成和完整的晶片测试能力还对制造用于可写入光盘应用的高功率GaN激光器提供了重要的优点。
发明内容
由于蚀刻刻面发蓝光激光器在加工产量和成本前景方面的吸引力，以及它在制造集成的基于AlGaInN的光子学器件方面的潜能，已经开发了新的EFT工艺，以便在基于AlGaInN的结构中实现刻面蚀刻。几年前，开拓了新技术[A.Behfar-Rad等人，1989，Appl.Phys.Lett.54，439-495；美国专利4,851,3682]，其中使用基于掩模的光刻法确定以及化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)的工艺来形成激光器刻面。纽约的Bin Optics Corporation of Ithaca已经开发了使用这种蚀刻刻面技术(EFT)可大批量得到的基于InP的激光器产品。通过使镜子精确地定位而使质量和反射率与通过劈开得到的质量和反射率相等来给出这些产品的特征。用EFT，在晶片上以与在硅上制造集成电路芯片极相同的方法来制造激光器。这允许激光器与其它光子学器件整体地集成在单个芯片上，并且进行晶片等级的不昂贵的测试[P.Vettiger等人，1991，IEEE J.Quantum Electron.27，1319-13314].
A.Behfar等人在2005 Photonics West 5737-08页中描述了使用蚀刻刻面构造表面发射激光器的新颖的和成本有效的方法。还可见Alex A.Behfar于2005年10月5日提交的题为“Surface Emitting and Receiving Photonic Devices”的共同待批美国专利申请10/958,069(代理案卷号BIN 15)以及Alex A.Behfar等人于2004年10月14日提交的题为“Surface Emitting and Receiving PhotonicDevices With Lens”的共同待批美国专利申请10/963,739(代理案卷号BIN19)，两个专利都已转让给本申请的受让人，这里结合其揭示作为参考。所描述的水平腔、表面发射激光器(HCSEL)具有衬底上延长腔的形式，并且通过在发射器端处蚀刻45°角的刻面以及在腔的后端蚀刻90°的刻面来制造。后端反射区域可以结合与后刻面相邻的蚀刻的分布式Bragg反射器(DBR)，或可以使用电介质涂层进行刻面反射率修改(FRM)。还可以把监视光电检测器(MPD)和接收检测器集成到芯片中，如在Alex A.Behfar于2005年1月19日提交的题为“Integrated Photonic Devices”的共同待批美国专利申请11/037,334(代理案卷号BIN 17)中所述，该专利已转让给本申请的受让人。
根据本发明，在晶片上以与在硅上制造集成电路芯片极相同的方法来制造激光器，以致以完整晶片的形式来形成芯片。在晶片上使用EFT工艺来蚀刻一些激光器镜，并且制造用于这些激光器的电接触点。在晶片上测试激光器，此后，分开晶片成单个而分离这些激光器进行封装。对经蚀刻的基于AlGaInN的刻面进行的电子显微镜图像扫描示出使用本发明新开发的EFT工艺得到的垂直度和平滑度。本发明允许激光器和集成器件在基于AlGaInN的材料可达到的波长要求范围内可用于多种应用。
可以总结根据本发明制造激光器的工艺包括下列步骤：蚀刻具有基于AlGaInN的结构的晶片以在晶片上制造大量激光器波导腔；然后当它们仍在晶片上时，在波导的末端蚀刻激光器腔以形成激光器刻面或镜。此后，在激光器腔上形成电接触点，测试晶片上的各个激光器，将晶片分成单个的进而分离这些激光器从而进行封装。根据本发明，蚀刻刻面的方法包括：用维持保护层的导电率的掩模，在晶片上的基于AlGaInN的激光器波导结构的掺杂p的保护层上使用高温稳定的掩模以确定刻面的位置，然后以CAIBE使用超过500℃的温度和电压超过500V的离子束通过掩模在激光器结构中蚀刻刻面。
为了得到光子学中使用的平直表面，在半导体的蚀刻和屏蔽材料之间的选择性是很重要的。根据本发明，通过执行高温下的CAIBE而得到屏蔽和基于GaN的结构之间的选择性。还发现CAIBE中的大的离子束电压可增强选择性。选择屏蔽材料来经受住高温蚀刻，但是还防止对于基于GaN的结构的p-接触点的损伤。
附图说明
从本发明的下述详细说明连同附图，本发明的上述内容和另外的目的、特征和优点对熟悉本领域的技术人员将变得显而易见，其中：
图1示出现有技术激光器制造工艺，在该工艺中劈开激光器刻面；
图2示出现有技术激光器制造工艺，通过蚀刻激光器刻面使晶片上测试成为可能；
图3是曲线图，示出在恒定离子束电流密度和电压的情况下CAIBE中的温度对GaN蚀刻速率以及蚀刻GaN以腐蚀SiO₂掩模的选择性的影响；
图4是曲线图，示出在恒定温度和恒定离子束电流密度的情况下CAIBE中的离子束电压对GaN蚀刻速率以及蚀刻GaN以腐蚀SiO₂掩模的选择性的影响；
图5示出在CAIBE期间不同倾斜角情况下GaN刻面相对于衬底的法线的角度；
图6-18示出根据本发明制造具有在CAIBE中使用三个蚀刻步骤的垂直刻面的基于氮化物的脊状激光器的工艺；
图19在透视图中示出根据本发明的EFT工艺制造的水平腔、表面发射激光器(HCSEL)；
图20是图19的激光器的侧视图；以及
图21示出集成在单个芯片上的HCSEL和接收检测器。
具体实施方式
如通常在图1中的10示出的那样，在晶片12上的半导体的机械劈开是用于确定在边发射二极管激光器的腔末端处的反射镜或刻面的经常用的工艺。在该工艺中，在晶片衬底上制造多个波导14，施加金属接触层，以及沿劈开线16用机械方法劈开晶片，以形成激光器器件20的条18。然后如22处所示那样堆叠条18，并且涂布激光器器件的劈开的端刻面，以提供所要求的反射和发射特性。然后如24处那样，可以通过在各个激光器上施加偏置电压26来测试各个激光器器件20，以及检测所产生的输出光束28。然后可以如30处那样分开或分离激光器器件的各个条，如34处那样以已知方式产生适合于封装的各个芯片32。
然而，对于大多数半导体器件来说，上述劈开工艺是不精确的，因为这与半导体材料的结晶平面的位置和角度有关。例如，对于一些材料，可能存在相互之间以如此尖锐的角度定向的近似于相等强度的劈开平面，在劈开期间发生的微小的扰动可以使破裂界面从一个劈开平面重新定向到另一个劈开平面。此外，图1所示的劈开工艺产生了在测试和封装期间难于处理的易碎的条和小的芯片。此外，用机械方法的劈开趋向于与各个芯片的以后的加工(如提供在芯片上的元件的单片电路集成所需要的加工)兼容，例如，由于必须用物理方法使晶片破裂以得到完整功能的激光器。
在图2中的40处一般示出制造诸如激光器之类的光子学器件的另一种现有技术，其中在合适的晶片衬底44上制造多个波导42。最好这些是沿晶片延伸的平行的波导，如所示。然后使用基于光刻法和化学方法辅助的离子束蚀刻(CAIBE)的工艺在沿波导的要求位置处形成刻面以产生激光器波导腔。这些刻面是精确地定位的，质量与反射率与通过劈开得到的刻面的质量与反射率等同。由于以与在硅上制造集成电路芯片极相同的方法在晶片上制造激光器腔和刻面，这个工艺允许激光器与其它光子学器件整体地集成在单个芯片上，并且允许在保留在晶片上的同时对器件进行不昂贵的测试，如46处所示。此后，可以分开晶片成单个，如48处所示，以分离芯片50，然后可以封装芯片，如52处所示。这种工艺具有高产量和低成本，还允许制造具有极短腔的激光器。在1992年5月的IEEE Journal of Quantum Electronics，28卷，1227-1231页上A.Behfar-Rad和S.S.Wong的“Monolithic AlGaAs-GaAs Single Quantum-WellRidge Lasers Fabricated with Dry-Etched Facets and Ridges”中更详细地描述了图2的现有技术制造工艺。
根据本发明，利用图2所示的一般工艺来制造激光器，但是在具有基于AlGaInN的外延结构的晶片上，以与在硅上制造集成电路芯片极相同的方法来制造激光器，以致以完整的晶片形式来形成芯片。使用本发明的新的蚀刻刻面技术(EFT)在晶片上蚀刻激光器镜，并且在晶片上的激光器腔上制造用于激光器的电接触点。按上述方式在晶片上测试激光器，此后分开晶片成单个以分离激光器进行封装。对经蚀刻的基于AlGaInN的刻面进行的电子显微镜图像扫描示出使用本发明的EFT工艺可以得到高的垂直度和平滑度。本发明允许激光器和集成器件在基于AlGaInN的材料可达到的波长要求范围内可用于多种应用。
如下更详细地描述，在本发明的工艺中，基于AlGaInN的激光器结构是通过外延法沉积在衬底上的，并且包含掺杂n的AlGaInN的下覆层、具有量子阱和AlGaInN屏障的活性区(在这个成分中Al和/或In可以是零)，掺杂p的AlGaInN的上覆层以及掺杂较高p的GaN和/或GaInN的保护层。
在基于氮化物的激光器结构上沉积PECVD SiO₂的层。执行平版印刷术和RIE以形成SiO₂的图案来提供SiO₂的掩模，该掩模用于确定激光器刻面和激光器台面。每个激光器都形成一个脊，首先通过平版印刷术，并且通过RIE除去脊位置之外的区域中的SiO₂，然后再通过CAIBE，再次使用它来形成脊。用PECVD SiO₂来封装样品，形成接触开口，并且在晶片的顶部形成p-接触点，接着在底部形成n-接触点。
在本发明的工艺的一个较佳形式中，在约500℃和约700℃之间的温度以及500V和200V之间的离子束电压下进行按CAIBE的蚀刻以提供改进的选择性。图3在曲线60处示出在离子束电压、束电流密度以及氯流恒定地保持在110V、0.35mA/cm²和20sccm的情况下具有CAIBE的温度对GaN的蚀刻速率或蚀刻速率增益的影响。这个图还在曲线62处示出GaN和SiO₂之间的蚀刻选择性，并且示出选择性随温度的提高而改进，在700℃附近得到超过10∶1的选择性。然而，在超过700℃的温度处，GaN刻面开始展现蚀损斑性能，在高温下，该蚀损斑恶化。
图4在曲线64处示出在温度、离子束电流密度以及氯流恒定地保持在275℃、0.30mA/cm²和20sccm的情况下具有CAIBE的束电压对GaN的蚀刻速率的影响。这个图还在曲线66处示出GaN和SiO₂之间的蚀刻选择性，并且示出选择性随束电压的增加而改进。
在得到GaN和SiO₂之间较低的蚀刻选择性的CAIBE情况下，可以在远离衬底的垂直线的一个角度处形成蚀刻刻面，但是，通过在CAIBE系统中的一个角度处进行蚀刻可以进行补偿。既然是这样，使样品定位在与远离垂直入射线的离子束成一个角度处。图5中的曲线70示出蚀刻角度作为CAIBE样品保持器级中的倾斜的函数。用于产生图5中的数据的一些条件是1250V的离子束电压；0.3mA/cm²的离子电流密度；20sccm的Cl2流；以及700℃的衬底级温度。
现在转到本发明的工艺的更详细的说明，使用图7到18的工艺步骤来制造图6的透视图中示出的Fabry-Perot激光器波导100，其中示出了在衬底102上制造高可靠性的基于AlGaInN的蓝色激光器波导。虽然将从诸如图6的104处示出的具有脊的激光器方面来描述本发明，但是应该理解，可以使用该工艺来制造其它类型的激光器或其它光子学器件。
像传统上那样，例如，衬底102可以是由能够适当地掺杂的、III-V类化合物或它们的合金形成的晶片。如图7和8所示，这些图分别是从图6的线7-7和8-8的方向上取得的器件的视图，例如，通过使用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)等外延沉积在衬底102的顶部表面108上沉积一系列的层106。然后对这些层进行蚀刻以形成光波导，诸如图2中示出的波导42或图6中示出的波导100，一般包括活性区域112以及上和下覆层区域114和116，如图7和8所示。注意，图7、9、11、13和15是在图6的箭头7-7方向上取得的波导100的端视图，而图8、10、12、14和16是在图6的箭头8-8方向上取得的波导100横截面图。
在一个例子中，基于AlGaInN的半导体激光器光子学器件100的层106是通过外延法在掺杂n的GaN衬底102上形成的，并且包含掺杂n的AlGaN的下覆层区域116、具有AlGaInN(在该成分中的Al和/或In可以是零)的量子阱和屏障的活性区域112、掺杂p的AlGaN的上覆层区域114以及GaN和/或GaInN的高度掺杂p的保护层118。光子学结构的上和下覆层区域114和116分别具有比活性区域112的折射率较低的折射率，而提供GaN和/或GaInN的保护层118以允许欧姆接触。虽然该例子是基于在GaN衬底上提供蓝色激光器器件的，但是应该理解，可以在诸如蓝宝石、SiC或AlN之类的其它衬底上形成这些器件。
通过等离子体增强的化学气相沉积法(PECVD)在基于氮化物的激光器结构上沉积诸如SiO₂之类的电介质层120，使用光刻法确定旋涂光刻胶层上的刻面位置，并且使用CHF₃反应离子蚀刻(RIE)使光刻胶上的图案转移到SiO₂中以产生掩模。用氧等离子体除去光刻胶，并且按基于Cl₂的化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)放置样品使衬底适当地倾斜以允许形成第一垂直刻面126，如图8所示。CAIBE的参数如下：在0.3mA/cm²的电流密度时1250eV Xe离子、20sccm的Cl₂流速以及650℃的衬底级温度。蚀刻得足够深以形成激光器垂直波导的适当的刻面表面。使用经缓冲的HF除去剩下的SiO₂掩模120，把PECVD SiO₂的新的层127沉积在基于氮化物的激光器结构上，覆盖第一经蚀刻的垂直刻面126。使用第二光刻法来确定光刻胶层中第二刻面的位置，并且使用RIE把光刻胶图案转移到SiO₂中。除去光刻胶，按CAIBE放置样品使衬底适当地倾斜以允许形成第二垂直刻面128，如图10所示。像第一经蚀刻的刻面的情况那样，第二刻面蚀刻得足够深以形成激光器垂直波导的适当的刻面表面。在形成第二刻面期间通过SiO₂掩模127来保护第一刻面126。
除去剩下的SiO₂掩模127，把PECVD SiO₂的新的层129沉积在基于氮化物的激光器结构上，覆盖第一和第二经蚀刻的垂直刻面。使用光刻法来确定光刻胶中的脊104的位置，使用RIE使光刻胶图案转移到SiO₂层129中。除去光刻胶，按CAIBE放置样品使衬底基本上与用于形成脊的离子束垂直，如图11和12所示。脊104提供蓝色激光器结构的横向波引导。
除去剩下的SiO₂掩模129，沉积PECVD SiO₂的新的层130以封装结构，如图13和14所示。使用光刻法来确定光刻胶中的脊的顶部的开口132的位置，使用RIE使光刻胶中的孔部分地转移到SiO₂中，如图15和16所示，以形成掩模。从开口132除去剩余的SiO₂，使用经缓冲的HF，以致暴露了基于氮化物的激光器结构的接触层118的高度掺杂的表面。这样，RIE不会损坏高度掺杂的接触层118的表面。沉积p-接触点140，使用图15和16所示的金属化卸下(lift-off)图案134，以覆盖开口132，在使用金属化卸下的p-接触点的同一侧或在衬底导电的情况下沉积在晶片的背面，来形成n接触点142，如图17和18所示。卸下图案的边缘136确定了p-接触点。
可以在两个工艺步骤中形成p-接触点，其中通过金属化卸下执行开口上的金属的第一沉积，诸如沉积30nm的Ni，接着沉积30nm的Au。在O₂环境中550℃下用快速热退火器(RTA)使第一沉积退火以形成与基于氮化物的结构的优良接触。然后也通过金属化卸下执行金属的第二沉积，诸如15nm的Ti，500nm的Pt和100nm的Au，以提供p-金属的较佳的导电率以及提供把导线结合到p-接触点的较佳的基座。
可以用角度蚀刻来代替相对于图7-10所描述的工艺，该角度蚀刻导致以45°角蚀刻刻面126和128中的一个刻面或两个刻面以形成表面发射器件或HCSEL 150，诸如图19-21中所示。在这些图中，HCSEL结合单个45°角的刻面152，虽然如果需要的话两个刻面都可以有角度。如图21所示，可以使一个或多个接收检测器154与HCSEL 150集成在一起。
影响基于AlGaInN的蓝色激光器的产量和成本的一个重要的因素是缺乏可用的具有低的缺陷密度的激光器质量材料。几个研究实验室已经开发了一些技术，诸如在蓝宝石上的外延横向过度生长(ELOG)，而其他人已经开发了使缺陷密度改进成105/cm2水平的GaN衬底。因为上述劈开的难度，可以实际制造的最小的腔长度为600μm的数量级。使用经蚀刻的刻面来代替机械加工的劈开的刻面允许形成100μm或更小的较短的腔器件。制造较短的腔器件的能力导致每个器件中的缺陷的概率较低，因此而导致更高的产量。这些较短的激光器与较长的腔器件相比可能具有较低的最大功率率；然而，将在下一代DVD只读应用中使用大多数激光器，较低的功率已足够，并且还要求较低的成本和较低的功耗。EFT提供的特定的制造、集成和完整的晶片测试能力还对制造用于可写入光盘应用的高功率GaN激光器提供了重要的优点。
虽然已经根据较佳实施例说明了本发明，但是应该理解，可以作出各种变化和修改而不偏离由下面权利要求书所阐明的本发明的真实精神和范围。