一种双面金属波导太赫兹量子级联激光器芯片的制作方法

本实用新型涉及一种双面金属波导太赫兹量子级联激光器芯片，属于半导体光电子器件技术领域。

背景技术：

量子级联激光器的实用新型是半导体激光器领域里程碑式的发展，开创了中远红外至太赫兹波段的半导体激光新领域，在红外对抗、毒品和爆炸物检测、环境污染监测、太赫兹成像等方向有广泛的应用前景。太赫兹量子级联激光器的传统波导结构有两种：半绝缘表面等离子体波导结构和双面金属波导结构。两种结构各有优势：半绝缘表面等离子体波导结构对光的限制作用由上金属层和下高掺层提供，因此对光的限制作用比较弱，有一大部分的光会泄露进入衬底。双面金属波导结构对光的限制作用由上下金属层提供，光场限制因子接近100％，因此器件腔面反射率较大，工作阈值电流相对较小，功耗较小，温度性能与半绝缘表面等离子体波导结构相比得到大大提升。同时，由于双面金属结构对光的限制作用较强，可以通过制作表面二阶光栅、光子晶体等结构实现单模激光面发射，在保证稳定单模的基础上改善远场光斑图形，提高激光输出功率，所以双面金属波导结构的制备是十分必要的。

但是，在双面金属器件的制备过程中涉及到诸多工艺细节的技术问题。双面金属波导激光器工艺基本步骤包括：外延片和衬底片沉积金属层真空热压键合在一起，然后去除外延片的衬底留下激光器有源区层，再将有源区层刻蚀出脊形结构并镀上表面金属层。双面金属波导激光器脊条和衬底片之间是通过金属热压键合在一起，在划片解理时，由于键合强度不够强，激光器脊条不能很好的顺着衬底解理面解理，经常出现脊条解理端面相对与衬底解理端面内缩或者凸出悬空，甚至整个脊条在解理时被剥落。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种双面金属波导太赫兹量子级联激光器芯片，增强激光器脊条和衬底键合强度，在对器件性能不产生影响的基础上，提高激光器端面的解理合格率。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种双面金属波导太赫兹量子级联激光器芯片，包括半导体衬底和激光器脊条，所述激光器脊条设于半导体衬底上方，所述激光器脊条包括上表面金属层、有源脊形结构和下表面金属层，所述上表面金属层设于有源脊形结构的上表面，所述下表面金属层设于有源脊形结构的下表面，所述半导体衬底上设有衬底金属层，所述下表面金属层与衬底金属层热压键合成一个整体，半导体衬底对激光器脊条起支撑和导电作用，所述激光器脊条的侧壁涂覆光刻胶，所述光刻胶延伸至上表面金属层和下表面金属层，用于加固激光器脊条和半导体衬底的连接强度。

所述光刻胶延伸至上表面金属层宽度为2～10μm，所述光刻胶延伸至下表面金属层上宽度为20～50μm。

所述激光器脊条的晶向和半导体衬底的晶向平行对齐。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：一种双面金属波导太赫兹量子级联激光器芯片，采用光刻胶包封激光器脊条侧壁并延伸覆盖部分下表面金属层和上表面金属层，提高了激光器脊条和半导体衬底的键合强度，并引导激光器脊条沿着半导体衬底解理方向进行解理。这种方法通过增加一步光刻流程在激光器脊条侧壁及附近引入光刻胶，在对器件性能不产生影响的基础上，提高了激光器脊条的解理合格率以及解理腔长的精确度。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种双面金属波导太赫兹量子级联激光器芯片的示意图；

图2为本实用新型实施例一种双面金属波导太赫兹量子级联激光器芯片的俯视图；

图中1半导体衬底、2衬底金属层、3下表面金属层、4有源脊形结构、5上表面金属层、6光刻胶、7解理缺口。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例中的一种双面金属波导太赫兹量子级联激光器芯片，包括半导体衬底1和激光器脊条，激光器脊条设于半导体衬底1上方，且激光器脊条的晶向和半导体衬底1的晶向平行对齐，激光器脊条包括上表面金属层5、有源脊形结构4和下表面金属层3，上表面金属层5溅射在有源脊形结构4的上表面，下表面金属层3溅射在有源脊形结构4下表面，半导体衬底1上表面溅射衬底金属层2，下表面金属层3与衬底金属层2通过热压键合成一个整体，半导体衬底1对激光器脊条起到支撑和导电作用，激光器脊条的侧壁涂覆光刻胶6，光刻胶6延伸至上表面金属层5和下表面金属层3，用于加固激光器脊条和半导体衬底1的连接强度。

光刻胶6延伸至上表面金属层5的宽度为5μm，光刻胶6延伸至下表面金属层3的宽度为30μm，即光刻胶6包封激光器脊条侧壁，并且延伸覆盖部分上表面金属层5和下表面金属层3。

一种提高双面金属波导太赫兹量子级联激光器芯片解理合格率的方法，包括如下步骤：

步骤一：提供激光器外延片和半导体衬底，在激光器外延片和半导体衬底表面溅射金属层ti/au(20/500nm)，激光器外延片置于半导体衬底上，激光器外延片和半导体衬底两个金属面相对，晶向平行对齐，在键合机真空环境下加热加压键合在一起；

步骤二：减薄激光器外延片的衬底至60μm左右，再利用柠檬酸和双氧水溶液以及氢氟酸去除激光器外延片的衬底和刻蚀阻挡层，留下10μm厚的激光器有源层；

步骤三：干法刻蚀激光器有源层形成有源脊形结构4，有源脊形结构4宽度120μm，方向平行主定位边，刻蚀深度10μm到达下表面金属层3，采用金属剥离法在有源脊形结构4表面制作100μm宽金属层ti/au(10/300nm)，形成激光器脊条，背面减薄约至180μm，抛光并溅射金属层ti/au(10/200nm)；

步骤四：旋涂az5214光刻胶，胶厚约1.5μm，曝光、显影后，光刻胶6覆盖激光器脊条侧壁，并延伸覆盖在在下表面金属层3的宽度为30μm，延伸覆盖在上表面金属层3的宽度为5μm，使得激光器脊条与半导体衬底1牢固连接；

步骤五：如图2所示，将步骤四完成后的芯片放置在手动划片机载台上，激光器脊条方向和划片方向垂直，用划片机刀头在半导体衬底1边缘划出两个解理缺口7，两解理缺口7距离2mm，解理缺口7长度约500μm；将芯片放在锐角处，并将解理缺口7对准锐角边缘，对解理缺口7两侧施加压力，芯片解理出具有多个2mm腔长的激光器芯片条。解理缺口7远离激光器脊条避免划伤激光器脊条。

光刻胶6的折射率约1.6，厚度约1.5μm，增加这一低射率的薄胶层对激光器的光学性能影响极小。此外，光刻胶6也很容易去除，如有必要，晶片裂片完成以后只需用溶剂溶去光刻胶6，器件性能就完全不受影响。

本申请方法通过增加一步光刻流程在激光器脊条侧壁及附近引入光刻胶6，在对器件性能不产生影响的基础上，提高了激光器端面的解理合格率以及解理腔长的精确度。

除上述实施例外，本实用新型还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本实用新型权利要求的保护范围之内。