氮化鎵基藍光雷射器的製作方法
2023-04-23 16:19:21 2
專利名稱：氮化鎵基藍光雷射器的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體技術領域，特別是指氮化鎵基藍光雷射器的製作方法。背學技術GaN基寬禁帶材料作為半導體發光材料目前是很多國:研究的熱門方向。GaN基藍光雷射器更是由於其在高密度:儲、新一代DVD系統、雷射列印、雷射投影及醫療方面的應,引起人們廣泛關注。在實際應用中，器件的穩定性至關i重要15 GaN雷射器熱學特性的提高對實現器件高溫下穩定工作至關 重要。在GaN雷射器製作方面，目前生長GaN雷射器結構採用 的襯底有藍寶石襯底、SiC襯底及GaN襯底等。相對於其他襯 底，由於藍寶石襯底價格便宜，所以目前得到廣泛使用。但是 以藍寶石作襯底有很多不利的方面其 一 由於其導熱率很低20 (只有砷化鎵襯底的 一 半左右)導致G a N雷射器的散熱成為一 個難題；其二藍寶石和GaN材料晶格失配嚴重，並且二者的晶 格面相差3 0 Q ，使得很難解理出好的雷射器腔面
發明內容
本發明的目的是提供一種氮化鎵基藍光雷射器的製作方 法，這種方法有利於製備出高質量的雷射器腔面並且能夠有效 5提高雷射器的散熱能力，提高管芯的性能和壽命。本發明一種氮化鎵基藍光雷射器的製作方法，其特徵在 於，包括如下步驟1 )在藍寶石襯底上利用金屬化學有機氣相沉積方法依次外延生長氮化鎵緩衝層、N型氮化鎵層、N型覆蓋層、N型波 10導層、有源區多量子阱層、P型波導層、P型覆蓋層、P型氮 化鎵層，形成氮化鎵雷射器結構；2 )利用幹法刻蝕的方法，刻蝕P型氮化鎵層、P型覆蓋 層、P型波導層、有源區多量子阱層、N型波導層和N型覆蓋 層的部分兩側刻蝕，形成脊型波導；15 3 )在脊型波導的兩側及N型覆蓋層上製備絕緣保護層；4 )在脊型波導的頂部製備P型電極；5)在P型電極及絕緣保護層的上表面製備金屬覆蓋層；6 )取一砷化鎵襯底，在該砷化鎵襯底上製備金屬覆蓋層；7 )利用非平面金屬鍵合技術將步驟5 )製備好的樣片倒 20置與步驟6 )製備好的樣片鍵合在一起，使兩樣片金屬覆蓋層緊密接觸；8 )在鍵合好的兩樣片之間的空隙處導入導熱絕緣的環氧樹脂封膠，並固化；9)除去藍寶石襯底，露出N型氮化鎵； 1 0 )在N型氮化鎵上製作N型電極； 5 1 1 )解理，分割成單個管芯；12)在解理後的管芯腔面鍍膜；1 3 )通過焊料層將砷化鎵襯底底部焊接到熱沉上，並分 別從熱沉的焊料層上和N型電極上引出P電極引線和N電極引 線，完成藍光雷射器的製作。 io 其中P型電極的材料為Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、Ti、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s的單層、合金 或者多層結構。其中絕緣保護層的材料為Si02 、 SiNx、 Zr02或Ti02。其中金屬覆蓋層的材料為Ni、 Co、 Ti、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 15Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 Os單層、合金或者多層結構。其中步驟9 )中的除去藍寶石襯底，具體方法是先將寶石襯底減薄，利用雷射劃線的方法在藍寶石襯底背面劃出線條槽，然後利用藍寶石和氮化鎵的溼法腐蝕液，將線條槽底部的20 藍寶石襯底完全腐蝕掉，接著通過線條槽將氮化鎵緩衝層腐蝕掉，從而將藍寶石襯底從氮化鎵外延片上完全剝離開。 其中N型電極的材料為Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pc、 Rh、 Ir、 Ru、 0s單層、合金或者多層結構。其中在解理後的管芯腔面鍍膜，是指在垂直脊形波導的一5面鍍抗反膜，另一面鍍高反膜。其中腔面鍍膜採用的材料為Si02、 SiNx、 Ti02單膜或 多層膜結構。其中熱沉採用的材料為無氧銅、鎢銅合金、或銅金屬。 io
為了進一步說明本發明的技術內容，以下結合實施方式及附圖對本發明做一詳細的描述，其中圖1表示本發明中以藍寶石為襯底的氮化鎵基雷射器的 外延結構圖。15 圖2表示本發明中製備氮化鎵雷射器P區脊型後的剖面圖。圖3表示本發明中製備完P區脊型的以藍寶石為襯底的 外延片和砷化鎵襯底鍵合在 一 起後的剖面圖。圖4表示本發明中利用雷射劃線在藍寶石襯底被面劃 20 出的線條布局圖。圖5 表示本發明中將藍寶石襯底除去後的剖面圖。
圖 6 表示本發明中製備N型電極後的剖面圖。圖7表示焊接在熱沉上製作本發明的氮化鎵基藍光雷射 器的剖面圖。
具體實施方式
本發明是一種氮化鎵基藍光雷射器的製作方法。其具體過 程為如下如圖1所示，在藍寶石襯底1上利用金屬化學有機氣相沉 積方法依次外延生長氮化鎵緩衝層2 a、 N型氮化鎵層2b、 N io 型覆蓋層3、 N型波導層4、有源區多量子阱層5、 P型波導 層6、 N型覆蓋層7、 P型氮化鎵層8，形成氮化鎵雷射器結 構。這種氮化鎵雷射器結構的特點是氮化鎵緩衝層2 a的缺陷 密度遠大於N型氮化鎵層2 b，所以在氮化鎵溼法腐蝕液中氮 化鎵緩衝層2a的腐蝕速率要遠大於N型氮化鎵層2b的腐蝕15 速率。如圖2所示首先利用幹法刻蝕的方法刻蝕P型氮化鎵 層、P型覆蓋層7、 P型波導層6，形成脊型波導。利用等 離子體化學氣相沉積(PECVD)的方法在刻蝕出脊型波導的樣 片表面整體沉積一層絕緣保護層，絕緣保護層選用材料為Si0 20 2 、 SiNx、 Zr02或Ti02單層或多層結構。然後通過甩膠光 刻的方法暴露出脊型臺的頂部區域，溼法腐蝕除去脊型臺的頂 部區域的絕緣保護層，最終形成絕緣保護層1 0，露出P型氮
化鎵層8。利用電子束蒸發或磁控濺射的方法在脊型臺頂部的P型氮化鎵層8上製備P型電極9 ， P型電極採用材料為Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s等單層、合金或者多層結構，然後對P型電極9進行 5氧氣氛下5 0 0度高溫煺火處理。利用電子束蒸發或磁控濺射 的方法在進行完上述步驟後的樣片表面沉積金屬覆蓋層1 1 。金屬覆蓋層1 1採用材料為Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 Os等單層、合金 或者多層結構。這樣便形成如圖2所示的結構。io 另取一片砷化鎵襯底l 3，在其表面也沉積一層金屬覆蓋層1 1 ,採用材料為Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 Os等單層、合金或者多層結構。如圖3所示將製備好如圖2結構的樣片倒置和製備好金 15屬覆蓋層l 1的砷化鎵襯底採用非平面金屬鍵合技術鍵和在 一起，鍵和時兩個樣片的金屬覆蓋層面為結合面，並且對齊兩 個樣片的對準邊。在鍵合好的樣片空隙處導入導熱絕緣的環氧 樹脂封膠1 2 ，並進行固化處理。其目的一方面增強兩個樣片 機械結合的強度，另一方面可以提高雷射器的散熱能力。 20 然後將上述鍵和好的樣片的藍寶石襯底1去除，如圖5所示。具體方法是首先將上述鍵和好的樣片的藍寶石襯底1均勻 減薄至3 0 um左右，然後利用雷射劃線的方法在藍寶石襯底
面按照如圖4設計好的線條布局劃上深度為2 5 um左右的線 條組。接著將樣片放入熔融氫氧化鉀溶液中，控制腐蝕時間至rm,寶石襯底從樣片上脫落時取出樣片。腐蝕的具體過程是首先寶石腐蝕液中被腐蝕，當藍寶石被腐蝕5 um左右時，線條槽底部的藍寶石被完全腐蝕去，露出氮化鎵緩衝層2a，由於氮化鎵緩衝層2a的缺陷密度遠大於N型氮化鎵層2b，所以在氮化鎵溼法腐蝕液中氮化鎵緩衝層2a的腐蝕速率要遠大於N型氮化鎵層2b的腐蝕速率。這樣，腐蝕液透過線條槽迅速將氮化鎵緩衝層2a鑽蝕，從而將藍寶石襯底從樣片上剝離io去，藍寶石一脫落就將樣片從腐蝕液中取出。此時N型氮化鎵層2b暴露在最外層，單管芯橫截面如圖5所示；接著如圖6所示在N型氮化鎵層2 b上製作N型電極1 5 ， N型電極採用材料為Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s等單層、合金或者多層結 15構。製作完N型電極15後解理樣片為單個管芯，並將管芯腔 面鍍膜，在垂直脊形波導的一面鍍抗反膜，另一面鍍高反膜， 腔面鍍膜採用的材料為Si02、 SiNx、 Ti02單膜或多層膜結 構。管芯腔面鍍膜後，將其砷化鎵襯底1 3通過焊料層1 4焊 20接到熱沉1 6上，並分別引出P型電極引線1 7和N型電極引 線l 8，形成一個完整的具有良好導熱性能的管芯，其橫截面 如圖7所示。本發明是一種氮化鎵基藍光雷射器的製作方法，在製備完 脊型波導後，通過非平面金屬鍵合技術將氮化鎵外延片高度平 整地鍵合在砷化鎵襯底1 3上，這樣可以實現通過機械研磨將 藍寶石襯底均勻減薄到很薄的程度(3 0 lim)，然後利用雷射 5 劃線及溼法腐蝕的方法將藍寶石襯底除去。這樣成功實現氮化 鎵雷射器的襯底由藍寶石襯底切換為砷化鎵襯底。這種方法的 特點藍寶石去除方法對設備要求低容易實現。傳統的以藍寶石 作襯底製作氮化鎵基藍光雷射器有很多不利的方面其一由於其導熱率很低(只有砷化鎵襯底的一半左右)導致GaN雷射器 io的散熱成為一個難題；其二藍寶石和GaN材料晶格失配嚴重， 並且二者的晶格面相差3 0 0，使得很難解理出好的雷射器腔 面。而在實現襯底切換為砷化鎵襯底後，按照砷化鎵的解理方 向可以容易獲取高質量的雷射器腔面，同時由於雷射器熱量主 要產生區的脊型波導區通過金屬和砷化鎵襯底相結合，熱量可 15以通過導熱率好得多的砷化鎵襯底導到熱沉上，散發出去，這 樣熱特性得到大大提高，從而大大提高了雷射器的性能。
權利要求
1、一種氮化鎵基藍光雷射器的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟1)在藍寶石襯底上利用金屬化學有機氣相沉積方法依次外延生長氮化鎵緩衝層、N型氮化鎵層、N型覆蓋層、N型波導層、有源區多量子阱層、P型波導層、P型覆蓋層、P型氮化鎵層，形成氮化鎵雷射器結構；2)利用幹法刻蝕的方法，刻蝕P型氮化鎵層、P型覆蓋層、P型波導層、有源區多量子阱層、N型波導層和N型覆蓋層的部分兩側刻蝕，形成脊型波導；3)在脊型波導的兩側及N型覆蓋層上製備絕緣保護層；4)在脊型波導的頂部製備P型電極；5)在P型電極及絕緣保護層的上表面製備金屬覆蓋層；6)取一砷化鎵襯底，在該砷化鎵襯底上製備金屬覆蓋層；7)利用非平面金屬鍵合技術將步驟5)製備好的樣片倒置與步驟6)製備好的樣片鍵合在一起，使兩樣片金屬覆蓋層緊密接觸；8)在鍵合好的兩樣片之間的空隙處導入導熱絕緣的環氧樹脂封膠，並固化；9)除去藍寶石襯底，露出N型氮化鎵；10)在N型氮化鎵上製作N型電極；11)解理，分割成單個管芯；12)在解理後的管芯腔面鍍膜；13)通過焊料層將砷化鎵襯底底部焊接到熱沉上，並分別從熱沉的焊料層上和N型電極上引出P電極引線和N電極引線，完成藍光雷射器的製作。
2 、根據權利要求1所述的氮化鎵基藍光雷射器的製作方 法，其特徵在於，其中P型電極的材料為Ni、 Co、 Fe、 Cr、ioAl、 Cu、 Au、 Ti、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s 的單層、合金或者多層結構。
3 、根據權利要求1所述的氮化鎵基藍光雷射器的製作方 法，其特徵在於，其中絕緣保護層的材料為Si02 、 SiNx、 ZrO 2或Ti0 2 。15
4 、根據權利要求1所述的氮化鎵基藍光雷射器的製作方法，其特徵在於，其中金屬覆蓋層的材料為Ni、 Co、 Ti、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s 單層、合金或者多層結構。
5 、根據權利要求1所述的氮化鎵基藍光雷射器的製作方 20 法，其特徵在於，其中步驟9)中的除去藍寶石襯底，具體方法是先將藍寶石襯底減薄，利用雷射劃線的方法在藍寶石襯底 背面劃出線條槽，然後利用藍寶石和氮化鎵的溼法腐蝕液，將線條槽底部的藍寶石襯底完全腐蝕掉，接著通過線條槽將氮化 鎵緩衝層腐蝕掉，從而將藍寶石襯底從氮化鎵外延片上完全剝離開。
6 、根據權利要求1所述的氮化鎵基藍光雷射器的製作方 5法，其特徵在於，其中N型電極的材料為Ni、 Co、 Fe、 Cr、Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s單層、 合金或者多層結構。
7 、根據權利要求1所述的氮化鎵基藍光雷射器的製作方 法，其特徵在於，其中在解理後的管芯腔面鍍膜，是指在垂直10脊形波導的一面鍍抗反膜，另一面鍍高反膜。
8 、根據權利要求7所述的氮化鎵基藍光雷射器的製作方 法，其特徵在於，其中腔面鍍膜採用的材料為Si02 、 SiNx、 Ti0 2單膜或多層膜結構。
9 、根據權利要求1所述的氮化鎵基藍光雷射器的製作方 15法，其特徵在於，其中熱沉採用的材料為無氧銅、鎢銅合金、或銅金屬。
全文摘要
一種氮化鎵基藍光雷射器的製作方法，包括在藍寶石襯底上依次外延生長氮化鎵緩衝層、N型氮化鎵層、N型覆蓋層、N型波導層、有源區多量子阱層、P型波導層、P型覆蓋層、P型氮化鎵層，形成氮化鎵雷射器結構；刻蝕，形成脊型波導；製備絕緣保護層和P型電極；製備金屬覆蓋層；在砷化鎵襯底上製備金屬覆蓋層；將製備好的兩樣片鍵合在一起，在其空隙處導入導熱絕緣的環氧樹脂封膠，固化；除去藍寶石襯底；解理；在解理後的管芯腔面鍍膜；通過焊料層將砷化鎵襯底底部焊接到熱沉上，並分別從熱沉的焊料層上和N型電極上引出P電極引線和N電極引線，完成藍光雷射器的製作。
文檔編號H01L33/00GK101132111SQ20061011254
公開日2008年2月27日 申請日期2006年8月23日 優先權日2006年8月23日
發明者慧 李, 明 種 申請人:中國科學院半導體研究所