专利名称：氮化镓基蓝光激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别是指氮化镓基蓝光激光器的制作方法。背學技术GaN基宽禁带材料作为半导体发光材料目前是很多国:研究的热门方向。GaN基蓝光激光器更是由于其在高密度:储、新一代DVD系统、激光打印、激光投影及医疗方面的应,引起人们广泛关注。在实际应用中，器件的稳定性至关i重要15 GaN激光器热学特性的提高对实现器件高温下稳定工作至关 重要。在GaN激光器制作方面，目前生长GaN激光器结构采用 的衬底有蓝宝石衬底、SiC衬底及GaN衬底等。相对于其他衬 底，由于蓝宝石衬底价格便宜，所以目前得到广泛使用。但是 以蓝宝石作衬底有很多不利的方面其 一 由于其导热率很低20 (只有砷化镓衬底的 一 半左右)导致G a N激光器的散热成为一 个难题；其二蓝宝石和GaN材料晶格失配严重，并且二者的晶 格面相差3 0 Q ，使得很难解理出好的激光器腔面
发明内容
本发明的目的是提供一种氮化镓基蓝光激光器的制作方 法，这种方法有利于制备出高质量的激光器腔面并且能够有效 5提高激光器的散热能力，提高管芯的性能和寿命。本发明一种氮化镓基蓝光激光器的制作方法，其特征在 于，包括如下步骤1 )在蓝宝石衬底上利用金属化学有机气相沉积方法依次外延生长氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、N型覆盖层、N型波 10导层、有源区多量子阱层、P型波导层、P型覆盖层、P型氮 化镓层，形成氮化镓激光器结构；2 )利用干法刻蚀的方法，刻蚀P型氮化镓层、P型覆盖 层、P型波导层、有源区多量子阱层、N型波导层和N型覆盖 层的部分两侧刻蚀，形成脊型波导；15 3 )在脊型波导的两侧及N型覆盖层上制备绝缘保护层；4 )在脊型波导的顶部制备P型电极；5)在P型电极及绝缘保护层的上表面制备金属覆盖层；6 )取一砷化镓衬底，在该砷化镓衬底上制备金属覆盖层；7 )利用非平面金属键合技术将步骤5 )制备好的样片倒 20置与步骤6 )制备好的样片键合在一起，使两样片金属覆盖层紧密接触；8 )在键合好的两样片之间的空隙处导入导热绝缘的环氧树脂封胶，并固化；9)除去蓝宝石衬底，露出N型氮化镓； 1 0 )在N型氮化镓上制作N型电极； 5 1 1 )解理，分割成单个管芯；12)在解理后的管芯腔面镀膜；1 3 )通过焊料层将砷化镓衬底底部焊接到热沉上，并分 别从热沉的焊料层上和N型电极上引出P电极引线和N电极引 线，完成蓝光激光器的制作。 io 其中P型电极的材料为Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、Ti、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s的单层、合金 或者多层结构。其中绝缘保护层的材料为Si02 、 SiNx、 Zr02或Ti02。其中金属覆盖层的材料为Ni、 Co、 Ti、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 15Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 Os单层、合金或者多层结构。其中步骤9 )中的除去蓝宝石衬底，具体方法是先将宝石衬底减薄，利用激光划线的方法在蓝宝石衬底背面划出线条槽，然后利用蓝宝石和氮化镓的湿法腐蚀液，将线条槽底部的20 蓝宝石衬底完全腐蚀掉，接着通过线条槽将氮化镓缓冲层腐蚀掉，从而将蓝宝石衬底从氮化镓外延片上完全剥离开。 其中N型电极的材料为Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pc、 Rh、 Ir、 Ru、 0s单层、合金或者多层结构。其中在解理后的管芯腔面镀膜，是指在垂直脊形波导的一5面镀抗反膜，另一面镀高反膜。其中腔面镀膜采用的材料为Si02、 SiNx、 Ti02单膜或 多层膜结构。其中热沉采用的材料为无氧铜、钨铜合金、或铜金属。 io
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施方式及附图对本发明做一详细的描述，其中图1表示本发明中以蓝宝石为衬底的氮化镓基激光器的 外延结构图。15 图2表示本发明中制备氮化镓激光器P区脊型后的剖面图。图3表示本发明中制备完P区脊型的以蓝宝石为衬底的 外延片和砷化镓衬底键合在 一 起后的剖面图。图4表示本发明中利用激光划线在蓝宝石衬底被面划 20 出的线条布局图。图5 表示本发明中将蓝宝石衬底除去后的剖面图。
图 6 表示本发明中制备N型电极后的剖面图。图7表示焊接在热沉上制作本发明的氮化镓基蓝光激光 器的剖面图。
具体实施方式
本发明是一种氮化镓基蓝光激光器的制作方法。其具体过 程为如下如图1所示，在蓝宝石衬底1上利用金属化学有机气相沉 积方法依次外延生长氮化镓缓冲层2 a、 N型氮化镓层2b、 N io 型覆盖层3、 N型波导层4、有源区多量子阱层5、 P型波导 层6、 N型覆盖层7、 P型氮化镓层8，形成氮化镓激光器结 构。这种氮化镓激光器结构的特点是氮化镓缓冲层2 a的缺陷 密度远大于N型氮化镓层2 b，所以在氮化镓湿法腐蚀液中氮 化镓缓冲层2a的腐蚀速率要远大于N型氮化镓层2b的腐蚀15 速率。如图2所示首先利用干法刻蚀的方法刻蚀P型氮化镓 层、P型覆盖层7、 P型波导层6，形成脊型波导。利用等 离子体化学气相沉积(PECVD)的方法在刻蚀出脊型波导的样 片表面整体沉积一层绝缘保护层，绝缘保护层选用材料为Si0 20 2 、 SiNx、 Zr02或Ti02单层或多层结构。然后通过甩胶光 刻的方法暴露出脊型台的顶部区域，湿法腐蚀除去脊型台的顶 部区域的绝缘保护层，最终形成绝缘保护层1 0，露出P型氮
化镓层8。利用电子束蒸发或磁控溅射的方法在脊型台顶部的P型氮化镓层8上制备P型电极9 ， P型电极采用材料为Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s等单层、合金或者多层结构，然后对P型电极9进行 5氧气氛下5 0 0度高温煺火处理。利用电子束蒸发或磁控溅射 的方法在进行完上述步骤后的样片表面沉积金属覆盖层1 1 。金属覆盖层1 1采用材料为Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 Os等单层、合金 或者多层结构。这样便形成如图2所示的结构。io 另取一片砷化镓衬底l 3，在其表面也沉积一层金属覆盖层1 1 ,采用材料为Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 Os等单层、合金或者多层结构。如图3所示将制备好如图2结构的样片倒置和制备好金 15属覆盖层l 1的砷化镓衬底采用非平面金属键合技术键和在 一起，键和时两个样片的金属覆盖层面为结合面，并且对齐两 个样片的对准边。在键合好的样片空隙处导入导热绝缘的环氧 树脂封胶1 2 ，并进行固化处理。其目的一方面增强两个样片 机械结合的强度，另一方面可以提高激光器的散热能力。 20 然后将上述键和好的样片的蓝宝石衬底1去除，如图5所示。具体方法是首先将上述键和好的样片的蓝宝石衬底1均匀 减薄至3 0 um左右，然后利用激光划线的方法在蓝宝石衬底
面按照如图4设计好的线条布局划上深度为2 5 um左右的线 条组。接着将样片放入熔融氢氧化钾溶液中，控制腐蚀时间至rm,宝石衬底从样片上脱落时取出样片。腐蚀的具体过程是首先宝石腐蚀液中被腐蚀，当蓝宝石被腐蚀5 um左右时，线条槽底部的蓝宝石被完全腐蚀去，露出氮化镓缓冲层2a，由于氮化镓缓冲层2a的缺陷密度远大于N型氮化镓层2b，所以在氮化镓湿法腐蚀液中氮化镓缓冲层2a的腐蚀速率要远大于N型氮化镓层2b的腐蚀速率。这样，腐蚀液透过线条槽迅速将氮化镓缓冲层2a钻蚀，从而将蓝宝石衬底从样片上剥离io去，蓝宝石一脱落就将样片从腐蚀液中取出。此时N型氮化镓层2b暴露在最外层，单管芯横截面如图5所示；接着如图6所示在N型氮化镓层2 b上制作N型电极1 5 ， N型电极采用材料为Ni、 Co、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s等单层、合金或者多层结 15构。制作完N型电极15后解理样片为单个管芯，并将管芯腔 面镀膜，在垂直脊形波导的一面镀抗反膜，另一面镀高反膜， 腔面镀膜采用的材料为Si02、 SiNx、 Ti02单膜或多层膜结 构。管芯腔面镀膜后，将其砷化镓衬底1 3通过焊料层1 4焊 20接到热沉1 6上，并分别引出P型电极引线1 7和N型电极引 线l 8，形成一个完整的具有良好导热性能的管芯，其横截面 如图7所示。本发明是一种氮化镓基蓝光激光器的制作方法，在制备完 脊型波导后，通过非平面金属键合技术将氮化镓外延片高度平 整地键合在砷化镓衬底1 3上，这样可以实现通过机械研磨将 蓝宝石衬底均匀减薄到很薄的程度(3 0 lim)，然后利用激光 5 划线及湿法腐蚀的方法将蓝宝石衬底除去。这样成功实现氮化 镓激光器的衬底由蓝宝石衬底切换为砷化镓衬底。这种方法的 特点蓝宝石去除方法对设备要求低容易实现。传统的以蓝宝石 作衬底制作氮化镓基蓝光激光器有很多不利的方面其一由于其导热率很低(只有砷化镓衬底的一半左右)导致GaN激光器 io的散热成为一个难题；其二蓝宝石和GaN材料晶格失配严重， 并且二者的晶格面相差3 0 0，使得很难解理出好的激光器腔 面。而在实现衬底切换为砷化镓衬底后，按照砷化镓的解理方 向可以容易获取高质量的激光器腔面，同时由于激光器热量主 要产生区的脊型波导区通过金属和砷化镓衬底相结合，热量可 15以通过导热率好得多的砷化镓衬底导到热沉上，散发出去，这 样热特性得到大大提高，从而大大提高了激光器的性能。
权利要求
1、一种氮化镓基蓝光激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤1)在蓝宝石衬底上利用金属化学有机气相沉积方法依次外延生长氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、N型覆盖层、N型波导层、有源区多量子阱层、P型波导层、P型覆盖层、P型氮化镓层，形成氮化镓激光器结构；2)利用干法刻蚀的方法，刻蚀P型氮化镓层、P型覆盖层、P型波导层、有源区多量子阱层、N型波导层和N型覆盖层的部分两侧刻蚀，形成脊型波导；3)在脊型波导的两侧及N型覆盖层上制备绝缘保护层；4)在脊型波导的顶部制备P型电极；5)在P型电极及绝缘保护层的上表面制备金属覆盖层；6)取一砷化镓衬底，在该砷化镓衬底上制备金属覆盖层；7)利用非平面金属键合技术将步骤5)制备好的样片倒置与步骤6)制备好的样片键合在一起，使两样片金属覆盖层紧密接触；8)在键合好的两样片之间的空隙处导入导热绝缘的环氧树脂封胶，并固化；9)除去蓝宝石衬底，露出N型氮化镓；10)在N型氮化镓上制作N型电极；11)解理，分割成单个管芯；12)在解理后的管芯腔面镀膜；13)通过焊料层将砷化镓衬底底部焊接到热沉上，并分别从热沉的焊料层上和N型电极上引出P电极引线和N电极引线，完成蓝光激光器的制作。
2 、根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光激光器的制作方 法，其特征在于，其中P型电极的材料为Ni、 Co、 Fe、 Cr、ioAl、 Cu、 Au、 Ti、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s 的单层、合金或者多层结构。
3 、根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光激光器的制作方 法，其特征在于，其中绝缘保护层的材料为Si02 、 SiNx、 ZrO 2或Ti0 2 。15
4 、根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光激光器的制作方法，其特征在于，其中金属覆盖层的材料为Ni、 Co、 Ti、 Fe、 Cr、 Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s 单层、合金或者多层结构。
5 、根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光激光器的制作方 20 法，其特征在于，其中步骤9)中的除去蓝宝石衬底，具体方法是先将蓝宝石衬底减薄，利用激光划线的方法在蓝宝石衬底 背面划出线条槽，然后利用蓝宝石和氮化镓的湿法腐蚀液，将线条槽底部的蓝宝石衬底完全腐蚀掉，接着通过线条槽将氮化 镓缓冲层腐蚀掉，从而将蓝宝石衬底从氮化镓外延片上完全剥离开。
6 、根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光激光器的制作方 5法，其特征在于，其中N型电极的材料为Ni、 Co、 Fe、 Cr、Al、 Cu、 Au、 W、 Mo、 Ta、 Ag、 Pt、 Pd、 Rh、 Ir、 Ru、 0s单层、 合金或者多层结构。
7 、根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光激光器的制作方 法，其特征在于，其中在解理后的管芯腔面镀膜，是指在垂直10脊形波导的一面镀抗反膜，另一面镀高反膜。
8 、根据权利要求7所述的氮化镓基蓝光激光器的制作方 法，其特征在于，其中腔面镀膜采用的材料为Si02 、 SiNx、 Ti0 2单膜或多层膜结构。
9 、根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光激光器的制作方 15法，其特征在于，其中热沉采用的材料为无氧铜、钨铜合金、或铜金属。
全文摘要
一种氮化镓基蓝光激光器的制作方法，包括在蓝宝石衬底上依次外延生长氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、N型覆盖层、N型波导层、有源区多量子阱层、P型波导层、P型覆盖层、P型氮化镓层，形成氮化镓激光器结构；刻蚀，形成脊型波导；制备绝缘保护层和P型电极；制备金属覆盖层；在砷化镓衬底上制备金属覆盖层；将制备好的两样片键合在一起，在其空隙处导入导热绝缘的环氧树脂封胶，固化；除去蓝宝石衬底；解理；在解理后的管芯腔面镀膜；通过焊料层将砷化镓衬底底部焊接到热沉上，并分别从热沉的焊料层上和N型电极上引出P电极引线和N电极引线，完成蓝光激光器的制作。
文档编号H01L33/00GK101132111SQ20061011254
公开日2008年2月27日 申请日期2006年8月23日 优先权日2006年8月23日
发明者慧 李, 明 种 申请人:中国科学院半导体研究所