一種製備氮化鎵基半導體雷射器的p型電極的方法
2023-12-01 20:18:41
專利名稱：一種製備氮化鎵基半導體雷射器的p型電極的方法
技術領域：
本發明屬於半導體雷射器器件製備技術領域，具體涉及一種製備氮化鎵 基半導體雷射器的P型電極的方法。
背景技術：
當前信息產業發展迅速，朝著器件微型化，傳輸高速度，存儲高密度方 向發展。然而，衍射極限(聚焦光斑最小尺度約為波長的四分之一)決定著 存儲密度極限，進一步提高存儲密度的唯一途徑就是釆用波長更短的直接帶 隙半導體材料。
氮化鎵(GaN)基半導體材料具有比傳統砷化鎵(GaAs)基半導體材料更 大的禁帶能隙，其發光波長更短，是現今最具有發展潛力和應用前景的微光
度提高4-6倍以上，是下一代光存儲標準的基本光源。
典型的GaN條型及脊型半導體雷射器結構都具有鈍化層，如附圖1和圖2所 示。鈍化層主要由具有較高介電常數的薄膜(如Si02, Si3N4)構成，包裹除P 型和N型電極以外的雷射器結構表面，以減少側向漏電和避免擊穿。由於其成 膜一般採用沉積方式，如等離子增強化學氣相沉積(PECVD)，化學氣相沉積 (CVD)等。在工藝上不可避免地帶來電極窗口開啟及電極製備的問題。且考 慮到GaN基材料有別於傳統的GaAs基材料，有其自身的生長特點和材料特性。
極的角度來講，由於P型光限制層的橫向電阻遠小於縱向電阻，因此易引發高 階橫向模式，閾值電流密度較高(10kA cm—2量級)。為了降低電流橫向擴展
帶來的高閾值電流，P型電極寬度相對於其長度(幾百jam以上)小，通常為 2-10pm。因此，GaN基半導體雷射器的P型電極工藝對光刻和剝離提出了很高 要求。
目前，電極窗口開啟通常採用光刻掩膜後，B0E (緩沖HF)溶液溼法腐蝕； 或是反應離子刻蝕UIE)、電感耦合等離子刻蝕(ICP)幹法刻蝕，電極的制 備則採用光刻電極圖形，電子束蒸鍍(E-beam)電極金屬，隨後剝離(LIFT OFF) 的方法；或是直接蒸鍍電極金屬，然後光刻電極圖形，利用溼法或是幹法去 除電極以外的多餘部分，採用上述方法製備GaN基半導體雷射器的P型電極存 在如下優缺點
1)電極窗口開啟
光刻掩膜後，採用BOE溶液溼法腐蝕；或反應離子刻蝕(RIE)、電感耦合 等離子刻蝕(ICP)幹法刻蝕方法中，幹法刻蝕存在高能等離子的轟擊作用， 若電極先於鈍化層蒸鍍在P型GaN表面的情況下，直接採用此法容易對P型GaN 層和P型電極材料(Ni/Au)產生損傷。但是，幹法是各向異性的，光刻窗口 圖形向鈍化層轉移的效果4艮好。
溼法腐蝕由於腐蝕是相對各向同性的，對於一般的Si02， Si3N4會帶來明 顯的側向鑽蝕的問題。這使得光刻掩膜圖形向鈍化層轉移過程中，易造成窗 口邊緣不整齊，窗口寬度大於光刻圖形的寬度。尤其在脊型結構中，側向鑽 蝕易造成脊兩側的鈍化層被腐蝕，使得器件在工作條件下極易被擊穿。另夕卜， Ni不耐酸溶液腐蝕，P型電極Ni/Au的厚度很薄(約幾十nm),寬度很窄(2-10 iam),若電極先於鈍化層蒸鍍在P型GaN表面的情況下，直接採用BOE腐蝕開啟 窗口，電極容易剝落。
然而溼法腐蝕溶液(BOE)在處理P型GaN表面方面，可有效改善表面接觸電阻，而且B0E對不同化學成分的Si02, Si3N4的腐蝕速率存在巨大差異。 2)電才及的製備
採用直接蒸鍍，然後光刻電極圖形，利用溼法或幹法去除電極以外的多 餘部分。然而對於Ni/Au來講，將它們大面積溼法去除乾淨是十分困難的，而 且N i /Au也是極難幹法去除的金屬，都會對後續刻蝕形貌造成極為不利的影 響。採用這種方法，鈍化層是後於電極蒸鍍的，窗口開啟時存在與電極對準 誤差和電極損傷剝落的問題。
或是採用光刻電極圖形，電子束蒸鍍(E-beam)電極金屬，隨後剝離 (Lift-off)。但其剝離的好壞直接受到光刻質量的影響，如果光刻膠圖形邊 緣陡直，乃至形成理想的懸垂形貌，那麼剝離才會容易，金屬電極圖形轉移 的質量高。但不論是鈍化層是先於還是後於電極蒸鍍，都存在窗口與電極對 準誤差，光刻膠顯影不淨，汙染P型GaN表面的問題。
因此，如何合理地安排工藝流程，選用各步驟中適宜的實現方法，對於 提高工藝可靠性和器件性能有至關重要的影響。
發明內容
針對上述GaN基半導體雷射器P型電極製備方法所存在的問題，為了提 高工藝可靠性及器件性能，本發明提出了一種製備GaN基半導體雷射器的P 型電極的方法。
一種製備GaN基半導體雷射器的P型電極的方法，其步驟包括
1) 在完成整個GaN基半導體雷射器結構刻蝕後，P型和N型電極蒸鍍前， 將GaN基半導體雷射器放入酸溶液中預處理；
2) 由PECVD生長鈍化層包裹整個雷射器；
3) 在鈍化層表面甩塗上光刻膠，光刻P型電極窗口，並隨後堅膜；
4) 進行溼法腐蝕，或先幹法刻蝕去除大部分鈍化層再進行溼法腐蝕，完 全去除窗口區暴露的鈍化層；
5) 完成以上步驟後，保留原有光刻膠，烘乾後直接電子束蒸鍍(E-beam) P型Ni/Au電極；
6) 進行剝離(Lift-0ff),完成整個P型電極工藝。 步驟1中所使用的酸溶液為HC1, B0E或HF。
步驟2中如鈍化層為二氧化矽(Si02 )， PECVD生長鈍化層時，反應氣體 為矽烷(SiH4)和一氧化二氮(^0)。在反應氣氛中加入稀釋氣體，該稀釋氣 體為惰性氣體(He， Ar )。
步驟2中如鈍化層為氮化矽(Si孔)，PECVD生長鈍化層時，反應氣體為 矽烷(SiHj、氮氣(N》和氨氣(NH3)。在反應氣氛中加入稀釋氣體，該稀釋氣 體為氮氣(N2)和惰性氣體(He, Ar)，其中氨氣(NH3)可完全被氮氣(N2)替代。 惰性氣體的流量可根據實際要求而定，也可不加。
步驟4中所述幹法刻蝕為氟基氣體RIE或ICP刻蝕，溼法腐蝕是在BOE 中過腐蝕。
本發明的技術優點在於
1) 電極窗口開啟和電極蒸鍍只採用一次光刻定義，避免傳統套刻工藝由 於光刻精度誤差帶來的電極窗口和電極錯位問題，工藝簡單，成功率高。
2) 由於P型GaN生長過程中反應氣中的氫易使Mg摻雜鈍化，使得其載流子 濃度比較低(1016-1017cnT2)，所以P型歐姆接觸一般由具有較高功函數的金屬， 如Ni/Au。為了保證形成合金電極，金屬與半導體表面之間要良好接觸，本發 明採用酸溶液(諸如HC1， BOE, HF)表面預處理和鈍化層溼法過腐蝕(BOE)表
面處理相結合，可降低P型電極和P型氮化鎵表面接觸電阻。同時採用溼法腐 蝕最終去除窗口區鈍化層，可避免光刻顯影不淨造成的較高表面接觸電阻， 且利用溼法腐蝕的側向特性形成懸垂形貌有利於電極剝離。
3 )通過調整PECVD氣體組分可獲得對鈍化層溼法腐蝕速率的控制。
圖l是氮化鎵條型半導體雷射器縱剖面構造圖； 圖2是氮化鎵脊型半導體雷射器縱剖面構造其中，l-P型電極，2-P型氮化鎵，3-鈍化層，4-N型電極，5-Mesa， 6-Ridge; 圖3是P型電極工藝流程圖；其中，
P1-PECVD生長Si3N4或Si02, P2-光刻P型電極窗口， P3-開啟P型電極窗口， P4-電子束蒸鍍P型Ni/Au電極,P5-剝離(Lift-off); 圖4是氮化鎵條型半導體雷射器P型電極SEM像； 圖5是氮化鎵脊型半導體雷射器P型電極SEM像；
圖6是採用本專利工藝流程和先前工藝流程的GaN雷射器I-V特性比較。
具體實施例方式
以下結合附圖詳細描述本發明所提供的製備氮化鎵基半導體雷射器的P 型電極的方法，但不構成對本發明的限制。
本發明首先完成GaN條型半導體雷射器Mesa刻蝕或脊型半導體雷射器 Mesa和Ridge刻蝕，隨後，將GaN雷射器基片放入酸溶液中進行預處理，在 P型和N型電極蒸鍍前，採用PECVD沉積Si02或Si3N4。由於PECVD本身的成 膜機制的限制， 一般條件下所生成的Si02， Si3N4中往往含有較多的氫,在BOE
中腐蝕速度較快、不易控制。特別對於脊型雷射器的突起形貌，溼法腐蝕普
通的Si02， Si孔鈍化層，易造成脊兩側棵露。因此，必須改變PECVD反應氣 體的氣份，如生成Si02時加入He等惰性氣體稀釋；生成Si^時，增加N2 比例和加入He等惰性氣體稀釋等手段獲得腐蝕速率較慢的鈍化層。之後，在 鈍化層表面甩塗光刻膠，其膠厚取決於幹法刻蝕條件，需留有足夠厚度的光 刻膠用於剝離，同時要兼顧到光刻的解析度。光刻窗口圖形，曝光，顯影， 並隨後在熱板上堅膜，提高光刻膠的抗腐蝕性。
隨後，去除鈍化層，包括在BOE中進行較長時間的過腐蝕，比較適合具 有平坦形貌的條型GaN半導體雷射器結構，但《純化層在BOE中的速率不宜過 慢，以免發生嚴重的側向鑽蝕；或選用幹法和溼法相結合，即先使用幹法 (RIE/ICP)刻蝕去除窗口區的大部分鈍化層，然後再進行溼法腐蝕，但須注 意幹法刻蝕時，氣體中不能有02,否則光刻膠掩膜消耗得很快，光刻膠與鈍 化層選擇比降低，窗口邊緣陡直度變差。該方法比較適合具有突起形貌的脊 型GaN半導體雷射器結構，也同樣適用於條型結構。
最後，取出放置於熱板烘乾，使用E-beam進行P型電極蒸鍍，在丙酮溶 液中剝離(Lift-Off )。用異丙醇和去離子水清洗，氮氣吹乾。
本發明的實例一
如圖l所示，完成GaN條型半導體雷射器Mesa刻蝕、酸溶液預處理後，在圖 3所示工藝流程中，通過PECVD (SiH4=3sccm， N20 -lOOsccm, He =100sccm, 66Pa, 350° C, 120w， 16min)生長Si02鈍化層，然後甩上厚度大約l. 5 ja m左 右的光刻膠，曝光，顯影，用熱板在120。 C下堅膜約2min。而後在25° C的BOE 中腐蝕Si02大約12min，取出後於120。 C熱板烘乾約2min，後用E-beam進行P 型電極蒸鍍，隨後進行在丙酮溶液中剝離(Lift-Off )。最後用異丙醇和去離
子水清洗。效果見圖4。 本發明的實例二
如圖2所示，完成GaN脊型半導體雷射器Mesa和Ridge刻蝕、酸溶液預處理 後。由於突起的形貌，宜選用優化條件生長的Si扎。在圖3所示工藝流程中， 通過PECVD (SiH4=4sccm, N屍150sccm, 70Pa， 300° C， 300w, 14min)生長Si^ 鈍化層，然後甩上厚度大約1.5jam左右的光刻膠，曝光，顯影，用熱板在120 ° C下堅膜約2min。幹法RIE ( SF6=15sccm， 2Pa， 40W)刻蝕去窗口區的大部分 Si3N4,而後在25。 C的BOE中過腐蝕餘下的Si3N4約10mm，耳又出後於120。 C烘乾 約2min,後用E-beam進行P型電極蒸鍍，隨後進行在丙酮溶液中剝離(LIFT OFF)。最後用異丙醇和去離子水清洗。效果見圖5。
如圖4、圖5所示，窗口區中電極寬度明顯略小於鈍化層的寬度；鈍化層 有側向腐蝕形成的傾斜邊緣，但是側向展寬很小，都說明形成了理想的懸垂 形貌。電極位於窗口位置的正中，沒有出現錯位的現象，電極剝離(LIFTOFF) 得乾淨整齊。特別對於脊型結構，脊兩側鈍化層完整；沒有發生鈍化層生長 工藝調整前，溼法直接開啟窗口，脊兩側未被鈍化層包裹的情況。
另外，對比先前工藝得到的樣品的I-V特性，採用上述工藝的樣品電阻比 較低，可見BOE表面處理有利於獲得更好的歐姆接觸，對於降低表面接觸電阻 的效果是顯著的。特別是反向I-V特性，參考圖6，採用上述工藝流程的樣品 的漏電流整體上比先前工藝流程的樣品要低一個數量級，充分印證了前面電 鏡的觀察結果。說明採用本專利工藝流程獲得樣品具有較好的表面鈍化，有 效抑制了表面的漏電通道。
以上通過詳細實施例描述了本發明所提供的製備氮化鎵基半導體雷射器 的P型電極的方法，本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明實質的範
圍內，可以對本發明做一定的變形或修改；其製備方法也不限於實施例中所 公開的內容。
權利要求
1、一種製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電極的方法，其步驟包括:1)在完成整個GaN基半導體雷射器結構刻蝕後，P型電極和N型電極蒸鍍前，將GaN基半導體雷射器放入酸溶液中預處理；2)由PECVD生長鈍化層包裹整個GaN基半導體雷射器；3)在鈍化層表面甩塗光刻膠，光刻P型電極窗口，並隨後堅膜；4)進行溼法過腐蝕，或先幹法刻蝕去除大部分鈍化層後，再進行溼法過腐蝕，完全去除窗口區暴露的鈍化層；5)完成以上步驟後，保留原有光刻膠，烘乾後直接電子束蒸鍍P型Ni/Au電極；6)進行剝離，完成整個P型電極工藝。
2、 如權利要求1所述的製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電極的 方法，其特徵在於步驟1所使用的酸溶液為HC1、 B0E或HF。
3、 如權利要求1所述的製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電極的 方法，其特徵在於步驟2中如生長二氧化矽鈍化層，在PECVD生長鈍 化層時，反應氣體為矽烷和一氧化二氮。
4、 如權利要求3所述的製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電極的 方法，其特徵在於在PECVD生長鈍化層時，在反應氣氛中加入稀釋氣 體，該稀釋氣體為惰性氣體。
5、 如權利要求1所述的製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電極的 方法，其特徵在於步驟2中如生長氮化矽鈍化層，在PECVD生長鈍化 層時，反應氣體為矽烷、氮氣和氨氣。
6、 如權利要求5所述的製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電極的方法，其特徵在於在PECVD生長鈍化層時，反應氣氛中的氨氣被氮 氣替代。
7、 如權利要求5或6所述的製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電 極的方法，其特徵在於在PECVD生長鈍化層時，在反應氣氛中加入 稀釋氣體，該稀釋氣體為氮氣。
8、 如權利要求7所述的製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電極的 方法，其特徵在於在稀釋氣體中加入惰性氣體。
9、 如權利要求1所述的製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電極的 方法，其特徵在於步驟4中所述幹法刻蝕為RIE/ICP刻蝕，刻蝕氣體 中不含有氧氣。
10、 如權利要求1所述的製備氮化鎵基半導體雷射器的P型電極的 方法，其特徵在於步驟4中所述溼法腐蝕為在BOE中過腐蝕。
全文摘要
本發明提供了一種製備氮化鎵基半導體雷射器P型電極的方法，屬於半導體雷射器器件製備技術領域。該方法包括在完成整個氮化鎵基半導體雷射器結構刻蝕後，P型和N型電極蒸鍍前，將氮化鎵基半導體雷射器放入酸溶液中進行表面預處理；優化PECVD條件生長鈍化層包裹整個雷射器；在鈍化層表面甩塗光刻膠，光刻P型電極窗口，並隨後堅膜；採用溼法腐蝕或幹法刻蝕加溼法腐蝕去除窗口區暴露的鈍化層，然後保留原有光刻膠，烘乾後直接電子束蒸鍍P型Ni/Au電極；進行剝離，完成整個P型電極工藝。本發明儘可能地消除工藝流程中的不利因素對器件性能造成的影響，有效的提高了工藝可靠性及器件性能。
文檔編號H01L21/28GK101383480SQ20071012150
公開日2009年3月11日 申請日期2007年9月7日 優先權日2007年9月7日
發明者濤 代, 魁 包, 張國義, 科 徐, 睿 李, 王彥傑, 胡成餘, 胡曉東, 陳偉華 申請人:北京大學