CN100352116C - 自然解理腔面的GaN基激光二极管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种制备以GaN外延层的自然解理面作为激光器腔镜面、以金属铜Cu作为芯片热沉和支撑衬底的技术，以提高激光器腔镜面的光学质量，减小光学损耗，改善散热效率，达到减小激光器的阈值电流密度，提高器件的综合性能指标的目的，同时可以省略掉磨片、划片、裂片等大量工艺过程，简化工艺、降低成本。本发明是通过在GaN外延片的n面上电镀具有GaN基LD激光器管芯结构的厚铜，镀铜层具有于激光器管芯相同的间隔和周期，接着以铜作为解理激光器芯片时的支撑，并且作为LD芯片最终的热沉。本发明的特点在于同时解决了目前氮化镓基激光器导热、导电性能差和难以制备自然解理面的困难。

Description

自然解理腔面的GaN基激光二极管的制备方法
技术领域
本项发明属于光电技术领域，具体涉及GaN基激光二极管(LD)芯片的制备技术。包括利用波长短于GaN带隙吸收波长的激光器剥离生长在蓝宝石衬底上的GaN基LD外延层，并在此基础上制备以GaN自然解理面作为激光器腔镜面的LD芯片的相关技术。
背景技术
目前GaN基激光二极管(LD)器件大多数都是在与GaN材料有很大晶格失配的蓝宝石衬底(失配高达15％)上外延生长的，这导致了有源区位错密度高达1×108/cm2以上，同时由于GaN系材料固有的性质给材料生长和器件制备带来了一系列技术难题。其中主要包括腔镜面解理难，刻蚀难，散热差等难题。通常GaN基LD外延片要制备成LD芯片需要反复地通过光刻，刻蚀，镀膜等十几道工序，还要对蓝宝石衬底进行磨片处理将其减薄至100微米以下，最后通过划片和裂片才能制备出分离的GaN基LD管芯，同时这种通过裂解蓝宝石衬底得到的LD芯片腔镜面表面粗糙，还需要运用离子束刻蚀或者化学腐蚀等手段对腔镜面进行抛光和修饰，以减小腔镜面的表面粗糙度和倾斜度，来提高腔镜面的光学质量进而降低激光器的工作阈值，尽管如此腔面仍然难以达到自然解理面的光学质量，这个困难一直制约着GaN基激光器的发展。并且在经历的这样复杂的工艺步骤后，为了提高GaN基激光二极管的散热性能，一般还需要把GaN基LD芯片粘接或者焊接到金属热沉上。但是由于蓝宝石衬底导热导性能很差，仍然不利于LD芯片的散热，会严重影响器件性能和寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备以GaN外延层的自然解理面作为激光器腔镜面、以金属铜Cu作为芯片热沉和支撑衬底的技术，以提高激光器腔镜面的光学质量，减小光学损耗，改善散热效率，达到减小激光器的阈值电流密度，提高器件的综合性能指标的目的，同时可以省略掉磨片、划片、裂片等大量工艺过程，简化工艺、降低成本。本发明是通过在GaN外延片的n面上电镀具有GaN基LD激光器管芯结构的厚铜，镀铜层具有于激光器管芯相同的间隔和周期，接着以铜作为解理激光器芯片时的支撑，并且作为LD芯片最终的热沉。本发明的特点在于同时解决了目前氮化镓基激光器导热、导电性能差和难以制备自然解理面的困难。
本发明具体提出了两种在铜热沉上制备自然解理面的GaN基激光二极管芯片的制备方法。本发明的在铜热沉上制备自然解理面的GaN基激光二极管芯片的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底的GaN基LD外延片的p面上做好激光二极管的p型加厚电极；
(2)在p型加厚电极上涂抹有机胶并粘在Si衬底上，然后置入真空室抽真空；
(3)与Si片粘合的GaN基LD外延片在KrF准分子激光器照射后剥离去掉蓝宝石衬底；
(4)在n-GaN面上沉积金属层，该金属层作为n型电极；
(5)在n型电极上按照GaN的一个解理面光刻具有GaN基LD激光器管芯结构的图形，形成导电网络；
(6)在具有与GaN基LD激光器管芯结构一致的图形的导电网络上电镀平整的Cu；
(7)在上述步骤得到的GaN基LD外延片的n面上贴蓝膜；
(8)撑开蓝膜得到分离的激光二极管管芯。
发明的要点如下：(1)在GaN基LD外延片的P面电极上涂抹有机胶，并与Si片粘接；以Si片作为外延片的支撑，保证激光剥离蓝宝石衬底的成功，使得外延片有支撑而不致破碎。(2)在剥离后的n-GaN面上对准GaN的解理方向光刻具有与GaN基LD激光器管芯结构相应的图形，形成导电网络，从而保证电镀铜的均匀性。(3)通过光刻选择性镀厚铜，并且控制电镀铜的速度保证管芯彼此分开，以电镀的金属铜作为剥离后薄层GaN基外延层的支撑和导热导电衬底。(4)以铜的边缘为界沿着GaN的解理面，通过蓝膜诱导GaN外延层沿铜边缘自然裂解，获得激光二极管的自然解理腔面，得到以铜单元作为解理激光芯片的支撑，同时铜也作为激光器管芯最终的热沉。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细地说明：
图1a是GaN基激光二极管的端面结构图；
图1b是GaN基激光二极管的俯视结构图
其中1是P型台面、2是脊型波导、3是氧化物绝缘层、4是Ni/Au P型姆接触层、5是P型加厚电极、6是N型电极、7是N型GaN层、8是蓝宝石衬底
图2a～2f是侧向GaN基激光二极管管芯的制作工艺流程；
图3a～3i是垂直结构的GaN激光二极管管芯的制作工艺流程；
最佳实施例详细描述
下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
实施例一的技术方案：
(a)在蓝宝石衬底的GaN基LD外延片上先刻蚀出P型台面1，台面高度1.5μm-2.5μm；再在P型台面上1上刻蚀出脊形波导区2高度0.2μm-0.8μm，在P型台面上沉积氧化物绝缘层3，腐蚀出P型电极窗口之后在其中沉积Ni/Au(20nm/20nm)P型欧姆接触层4，合金之后在进行P型加厚电极Ti/Au(30nm/400nm)的沉积5，然后在N型GaN 7上腐蚀出电极窗口并沉积N型电极Ti/Al/Ti/Au(30nm/150nm/30nm/400nm)层6，氮气氛下400℃合金一分钟后形成激光二极管的基本结构，如图1a和1b；
(b)在P型金属加厚电极一面上涂抹有机胶9并粘附在清洗干净的Si衬底10上，然后置入真空室抽真空，清除气泡保证黏结的均匀性和平整性，如图2b所示。
(c)与Si片粘合的LD外延片在KrF准分子激光器11照射后剥离蓝去掉蓝石衬底，并用盐酸∶水为1∶1的溶液溶解掉GaN表面残留的金属Ga，得到n面朝上的转结在Si片上的器件外延片；
(d)在n面GaN上制备金属导电层，以便于电镀铜的均匀沉积。
(e)在N型GaN面上按照GaN的一个解理面为基线光刻具有与GaN基LD激光器管芯结构相应一致的图形，形成由光刻胶12隔离的导电网络，选择性的沉积厚铜，如图2c；
(f)在具有于GaN基LD激光器管芯结构一致的导电网络上的N型GaN面上电镀平整的金属铜，厚度为5μm-100μm，如图2d；
为获得稳定的光亮的电镀铜，所采用的镀铜液为硫酸铜∶硫酸∶盐酸＝180-220克/升∶50-70克/升∶20-80毫克/升，电镀铜温度条件为18-40℃，电流密度0.5-10安培/平方厘米。铜沉积速率为：0.5-30μm/小时。
(g)把LD外延片n面贴上蓝膜14，温度(70-80℃)；然后分别用有机溶剂溶解有机胶和光刻胶，去除粘在P面的Si片并且在N面GaN上获得相互独立的铜单元，如图2e；
(h)撑开蓝膜获得具有自然解理面为腔镜面的侧向结构的激光器管芯，如图3i。
本发明实施方案二如下(具体步骤如图3)：
(a)在蓝宝石衬底的GaN基LD外延片上先刻蚀出P型台面1，台面高度1.5μm-2.5μm；再在P型台面上1上刻蚀出脊形波导区2高度0.21μm-0.8μm，在P型台面上沉积氧化物绝缘层3，腐蚀出P型电极窗口之后在其中沉积Ni/Au(20nm/20nm)P型欧姆接触层4，合金之后在进行P型加厚电极Ti/Au(30nm/400nm)的沉积5，然后氮气氛下400℃合金一分钟，如图3a；
(b)在P型金属加厚电极一面上涂抹有机胶9并粘附在清洗干净的Si衬底10上，然后置入真空室抽真空，保证粘结的均匀性牢固性，如图3b
(c)与Si片粘合的LD外延片在KrF准分子激光器11照射后剥离蓝去掉蓝石衬底，并用盐酸∶水为1∶1的溶液溶解掉GaN表面残留的金属Ga，如图3c；
(d)利用离子束15对剥离后的GaN基LD外延片的n-GaN面进行表面刻蚀清洗，去除晶体质量较差的分解表面，以获得低电阻的n面欧姆接触电极，如图3d；
(e)在n-GaN面沉积金属层Ti/Al/Ti/Au(30nm/150nm/30nm/400nm)6作为N面电极同时作为电镀铜的导电层，如图3e；
(f)在N型GaN面上按照GaN的一个解理面为基线，光刻具有与GaN基LD激光器管芯结构相应一致的图形，形成由光刻胶12隔离的导电网络，选择性的沉积厚铜，如图3f；
(g)在具有于GaN基LD激光器管芯结构一致的导电网络上的N型GaN面上电镀平整的金属铜，厚度为5μm-100μm，如图3g；
为获得稳定的光亮的电镀铜，所采用的镀铜液为硫酸铜∶硫酸∶盐酸＝180-220克/升∶50-70克/升∶20-80毫克/升，电镀铜温度条件为18-40℃，电流密度0.5-10安培/平方厘米。铜沉积速率为：0.5-30μm/小时。
(h)把LD外延片n面贴上蓝膜14，然后分别用有机溶剂溶解有机胶和光刻胶，去除粘在P面的Si片并且在N面GaN上获得相互独立的铜单元，如图3h；
(i)撑开蓝膜获得具有自然解理面为腔镜面的垂直结构的激光器管芯，如图3i；
本发明的优点包括：(1)具有GaN基LD激光器管芯结构的周期性图形的Cu，即是解理激光芯片时的支撑，又是激光器管芯最终的热沉和衬底；(2)Cu衬底具有优良的导热导电性能，大大提高激光器的散热效率；(3)自然解理的激光器腔镜面的表面粗糙度最小，具有优异的光学质量，从而有利于降低激光器的阈值电流密度；(4)周期性的厚Cu将诱导裂片，省略了磨片、划片和裂片等工艺过程。
本发明的应用前景：
本发明由于省略了磨片、划片和裂片等工艺步骤，解决了氮化镓基激光器导热导电性能差和难以制备自然解理面的困难。为制备GaN基LD提供了一种高效的方法，同时大大地降低了工艺复杂程度和生产成本，因此该方法可以广泛的应用于GaN基激光二极管芯片的研制和生产中。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种自然解理腔面的GaN基激光二极管的制备方法，具体包括以下步骤：
1)在蓝宝石衬底的GaN基LD外延片的p面上做好激光二极管的p型加厚电极；
2)在p型加厚电极上涂抹有机胶并粘在Si衬底上，然后置入真空室抽真空；
3)与Si片粘合的GaN基LD外延片在KrF准分子激光器照射后剥离去掉蓝宝石衬底；
4)在n-GaN面上沉积金属层，该金属层作为n型电极；
5)在n型电极上按照GaN的一个解理面光刻具有GaN基LD激光器管芯结构的图形，形成导电网络；
6)在具有与GaN基LD激光器管芯结构一致的图形的导电网络上电镀平整的Cu；
7)在上述步骤得到的GaN基LD外延片的n面上贴蓝膜；
8)撑开蓝膜得到分离的激光二极管管芯。
2.根据权利要求1所述的自然解理腔面的GaN基激光二极管的制备方法，其特征在于：步骤3)剥离去掉蓝宝石衬底之后，进一步用盐酸溶液溶解掉GaN表面残留的金属Ga。
3.根据权利要求1所述的自然解理腔面的GaN基激光二极管的制备方法，其特征在于：在GaN基LD外延片的n面上贴蓝膜后，分别用有机溶剂溶解有机胶和光刻胶，去除粘在P面的Si片并且在GaN基LD外延片的n面上获得相互独立的铜单元。
4.根据权利要求1所述的自然解理腔面的GaN基激光二极管的制备方法，其特征在于：步骤3)剥离去掉蓝宝石衬底之后，利用离子束对剥离后的GaN基LD外延片的n-GaN面进行表面刻蚀清洗，去除晶体质量较差的分解表面。
5.根据权利要求3所述的自然解理腔面的GaN基激光二极管的制备方法，其特征在于：电镀平整的金属铜时，采用的镀铜液为硫酸铜、硫酸、盐酸混合溶液，电镀铜温度条件为18-40℃，电流密度0.5-10安培/平方厘米。
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