CN102957094B - 一种全固态三基色激光器芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全固态三基色激光器芯片及其制作方法。该全固态三基色激光器芯片包括构成层叠结构的第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片及第三波长激光器芯片；将去除衬底的第二波长激光器芯片与第一波长激光器芯片集成在一起，同样再将去除衬底的第三波长激光器芯片外延层与去除衬底的第二波长激光器芯片外延层集成在一起。本发明三基色激光器各波长芯片两电极间的电流、电压可分别控制，三波长的光混合产生白光。本发明的全固态三基色激光器芯片使用寿命长、稳定性好、体积小、发光效率高。

Description

一种全固态三基色激光器芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种全固态三基色激光器芯片及其制作方法，属于激光器芯片技术领域。

背景技术

激光显示是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的第四代显示技术。在众多不断发展的显示技术中，激光显示技术代表显示技术未来发展的趋势和主流方向，是未来显示领域竞争的焦点。激光显示技术在继承了数字显示技术所有优点的基础上，以红、绿、蓝三基色激光作为显示光源，在色度学方面实现了重大突破，解决了显示技术领域长期以来悬而未决的大色域色彩再现的难题，所以能够最完美地再现自然色彩。

激光显示是以红、绿、蓝(RGB)三基色激光为光源的显示技术，激光显示技术的最核心关键技术是三基色激光光源，它决定了基于激光显示技术的终端显示产品的色域空间、使用寿命以及工作方式。近年最受产业界关注的红、绿、蓝三基色激光光源获得了一定的突破：以红外全固态激光进行谐波变换产生红、绿、蓝三基色激光的技术在小型化方面取得了突破。

传统全固态三基色激光器(LD)采用三波长钕激光器腔内或腔外倍频的方法，其结构一般包括激光晶体、倍频晶体、分束镜、平面反射镜、谐波反射镜等复杂的光路结构。目前红、蓝、绿单色半导体激光器发展迅速，尤其是蓝、绿激光器的发展推动了三基色激光显示的进展；但目前三基色激光显示的光源结构主要采用三只单独的激光器芯片组合组成，结构复杂。例如CN201093366Y(CN200720138027.2)公开了一种三基色多芯片功率发光管，包括蓝光、绿光和红光三个基色的发光管芯片、特种金属环、环状陶瓷壳体、电极、引线、带螺栓的铜底座、光学胶，其中环状陶瓷壳体通过特种金属环对准烧结在带螺栓的铜底座上，三只不同基色的发光管芯片分别粘结或烧结在带螺栓的铜底座的顶部平面上，发光管三基色芯片电源输入端通过引线与R、G、B、接地四个电极分别连接，电极烧结在环状陶瓷壳体上，反射杯安装在环状陶瓷壳体的内壁上，拱形透光镜面由光学胶灌注在由环状陶瓷壳体、反射杯和带螺栓的铜底座顶端平面构成的腔体内自然形成。

除激光显示外，由于三种基色芯片可独立及组合控制，可以发出七彩的激光，在激光装饰、动画、舞台等都有着非常广泛的应用。目前研发包括三基色发光光源的单一芯片正成为一种新的技术方向。

发明内容

为了克服传统三基色激光器光源结构及制作方法的不足，本发明一种全固态三基色激光器芯片及其制作方法，将红、蓝、绿三种颜色的激光器通过键合技术集成到同一个芯片上，结构紧凑、工艺简单。

本发明的技术方案如下：

一种全固态三基色激光器芯片，包括第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片及第三波长激光器芯片；第一波长激光器芯片衬底的底面镀有金属欧姆接触层I、芯片表面蒸镀有绝缘介质膜I、金属键合层I，第二波长激光器芯片表面通过该金属键合层I与第一波长激光器芯片表面集成在一起，去除衬底的第二波长激光器芯片另一面蒸镀有金属欧姆接触层II、绝缘介质膜II、金属键合层II，第三波长激光器芯片表面通过该金属键合层II与去除衬底的第二波长激光器芯片另一面集成在一起，去除衬底的第三波长激光器芯片另一面蒸镀有金属欧姆接触层III；

在所述金属欧姆接触层III一端向下腐蚀露出部分第二波长激光器芯片金属欧姆接触层II；所述的金属欧姆接触层I、II、III分别为第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片、第三波长激光器芯片的N电极焊线区。

在所述金属欧姆接触层III另一端向下腐蚀分别露出部分第一波长激光器芯片的金属层、金属键合层I和第二波长激光器芯片金属键合层II，分别作为第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片和第三波长激光器芯片的P电极焊线区。

所述第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片、第三波长激光器芯片分别为蓝色激光器芯片、绿色激光器芯片或红色激光器芯片中的一种；三种波长的光混合产生白光。

根据本发明优选的，所述的三种波长的激光器芯片衬底选自SiC、Al₂O₃、GaN、Si或GaAs衬底中的任意一种；所述绝缘介质膜选自SiO₂、SiN₄或Al₂O₃；所述金属键合层选自TiAu、Au、AuSn、NiAu、Ag或In；所述金属欧姆接触层选自NiAu、TiAu、GeAu或CrAu。

所述蓝色激光器芯片、绿色激光器芯片或红色激光器芯片均按现有技术。激光器芯片(LD)结构包括衬底、外延层、电流阻挡层和金属欧姆接触层，外延层包括缓冲层、N限制层、有源区、P限制层、欧姆接触层等。上述芯片的电流阻挡层、金属欧姆接触层可以与本发明中提到的后来蒸镀的介质膜、金属键合层为同一种材料或者不同种材料。根据本领域常规选择即可。

根据本发明优选的，所述金属欧姆接触层I、II、III的厚度可为：0.5μm-3μm；

根据本发明优选的，所述金属键合层I、II、III的厚度可为：0.5μm-3μm；

根据本发明优选的，所述绝缘介质膜I、II的厚度可为：100nm-500nm。

根据本发明优选的，所述激光器结构选用氧化物条形结构或脊型结构。

本发明的一种全固态三基色激光器芯片的制作步骤如下：

(1)按常规MOCVD外延生长方法，在衬底上生长第一波长激光器芯片外延层，制备出第一波长激光器芯片结构；在衬底上生长第二波长激光器芯片外延层，制备出第二波长激光器芯片结构；在衬底上生长第三波长激光器芯片外延层，制备出第三波长激光器芯片结构；

(2)在第一波长激光器芯片衬底的底面镀有金属欧姆接触层I，芯片表面依次蒸镀有绝缘介质膜I、金属键合层I，将该金属键合层I表面与第二波长激光器芯片表面键合在一起，第二波长激光器芯片的衬底朝外；

(3)去除第二波长激光器芯片衬底，在去除衬底后的第二波长激光器芯片外面上依次蒸镀金属欧姆接触层II、绝缘介质膜II、金属键合层II；金属键合层II表面与第三波长激光器芯片表面键合在一起；第三波长激光器芯片的衬底在外端；

(4)去除第三波长激光器芯片衬底；在去除衬底的第三波长激光器芯片外面上蒸镀金属欧姆接触层III；

(5)将第三波长激光器芯片金属欧姆接触层III一端边缘部分区域腐蚀至第二波长激光器芯片金属欧姆接触层II，该处的金属欧姆接触层II作为第二波长激光器芯片的N电极焊线区，第三波长激光器芯片金属欧姆接触层面作为第三波长激光器芯片的N电极焊线区，第一波长激光器芯片衬底金属欧姆接触层面作为第一波长激光器芯片的N电极焊线区；

(6)将第三波长激光器芯片金属欧姆接触层III另一端边缘部分区域分别腐蚀至第一波长激光器芯片的金属层、金属键合层I和第二波长激光器芯片金属键合层II，分别作为第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片和第三波长激光器芯片的P电极焊线区；至此三基色激光器芯片集成在同一芯片上。

本发明所述第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片及第三波长激光器芯片分别为蓝色激光器芯片、绿色激光器芯片、红色激光器芯片中的一种；本发明中三种波长激光器芯片层叠结构顺序不限。三种波长不等，光混合产生白光。

本发明制备的全固态三基色激光器芯片是将单独制作的三种波长的激光器芯片通过依次键合、基于两次衬底转移，最后集合为单一芯片，三波长的激光混合形成白光，只需单一芯片即可发出白光，是一种真正意义上的白光激光器芯片。本发明制作的全固态三基色激光器芯片具有使用寿命长、稳定性好、体积小、高发光效率等优点。除激光显示外，由于三种芯片可独立及组合控制，可以发出七彩的激光，在激光装饰、动画、舞台等都有着非常广泛的应用。

本发明的三个波长的激光器共用一衬底，是一种真正意义上的单一芯片，可以克服两衬底对芯片散热造成的不利影响。并且三基色激光器芯片可通过不同电路分别控制电流、电压。

附图说明

图1是常规蓝色激光器芯片结构示意图。图2是常规绿色激光器芯片结构示意图。图3是常规红色激光器芯片结构示意图。

图4是表面蒸镀绝缘介质膜和金属键合层的蓝色激光器芯片结构示意图。图5是蓝色激光器芯片与绿色激光器芯片键合示意图。图6是去除绿色激光器衬底后芯片结构示意图。图7是在绿色激光器芯片表面蒸镀金属欧姆接触层、绝缘介质膜、金属键合层的芯片结构示意图。图8是绿色激光器芯片与红色激光器芯片键合后去除红色激光器芯片衬底并在表面蒸镀金属欧姆接触层的芯片结构示意图。

图9是蚀刻出绿色激光器芯片N电极焊线区的芯片结构示意图。图10是蚀刻出蓝色激光器芯片P电极焊线区的芯片结构示意图。图11是蚀刻出绿色激光器芯片P电极焊线区的芯片结构示意图。图12是蚀刻出红色激光器芯片P电极焊线区的芯片结构示意图。

图中：100、NiAu欧姆接触层，110、SiC衬底，120、SiO₂电流阻挡层，130、GaN层，140、NiAu金属层，150、SiO₂介质膜，160、TiAu金属键合层，200、Al ₂O₃衬底，210、SiO₂电流阻挡层，220、GaN层，230、NiAu金属层，240、NiAu欧姆接触层，250、SiO₂介质膜，260、TiAu金属键合层，300、GaAs衬底，310、SiO₂电流阻挡层，320、GaAs层，330、NiAu金属层，340、GeAu欧姆接触层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、全固态三基色激光器芯片

结构如图12所示。由第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片及第三波长激光器芯片形成的层叠结构构成。在本实施例中，第一波长激光器芯片为蓝色激光器芯片，第二波长激光器芯片为绿色激光器芯片，第三波长激光器芯片为红色激光器芯片，蓝色激光器芯片衬底选用SiC衬底、绿色激光器芯片衬底选用Al ₂O₃衬底、红色激光器芯片衬底选用GaAs衬底。所述激光器结构选用氧化物条形结构。

具体制备过程如下：

(1)采用常规MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)工艺在SiC衬底110上生长蓝色激光器外延层，制备出常规蓝色激光器芯片结构，并在SiC衬底110底部蒸镀NiAu欧姆接触层100，厚度为1.5μm，如图1所示，芯片结构还包括SiO2电流阻挡层120、GaN层130和NiAu金属层140，厚度分别为300nm、1μm和1.5μm；SiC衬底110与SiO₂电流阻挡层120之间的常规激光器外延层没有标识，按常规技术。下同。

(2)采用常规MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)工艺在Al₂O₃衬底200上生长绿色激光器外延层，制备出常规绿色激光器芯片结构，如图2所示，芯片结构包括SiO₂电流阻挡层210、GaN层220和NiAu金属层230，厚度分别为300nm、1μm和1.5μm；

(3)采用常规MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)工艺在GaAs衬底300上生长红色激光器外延层，制备出常规红色激光器芯片结构，如图3所示，芯片结构包括SiO₂电流阻挡层310、GaAs层320和NiAu金属层330，厚度分别为300nm、1μm和1.5μm；

(4)在制作的蓝色激光器芯片表面依次蒸镀SiO₂绝缘介质膜150、TiAu金属键合层160，厚度分别为300nm和1.5μm，如图4所示；

(5)将蒸镀好的蓝色激光器TiAu金属键合层160面与绿色激光器NiAu金属层230面通过键合技术键合在一起，两者的衬底均在外端，如图5所示；

(6)通过激光剥离去除绿色激光器芯片Al₂O₃衬底200(可通过剥离、研磨等现有通用方法)，如图6所示；

(7)在去除衬底的绿色激光器芯片上依次蒸镀NiAu欧姆接触层240、SiO₂介质膜250、TiAu金属键合层260，厚度分别为1.5μm、300nm和1.5μm，如图7所示；

(8)将蒸镀好的绿色激光器TiAu金属键合层260面与红色激光器NiAu金属层330面通过键合技术键合在一起，GaAs衬底300在外端；

(9)通过湿法腐蚀去除红色激光器芯片GaAs衬底300(可通过湿法腐蚀、剥离、研磨等现有通用方法)，腐蚀液配比为双氧水、氨水和水的体积比为1∶3∶3，腐蚀干净后用去离子水清洗；

(10)在去除衬底的红色激光器芯片上蒸镀GeAu欧姆接触层340，厚度为1.5μm，如图8所示；

(11)如图9所示，将红色激光器GeAu欧姆接触层340面一边边缘部分区域腐蚀至绿色激光器NiAu欧姆接触层240，此NiAu欧姆接触层240作为绿色激光器的N电极焊线区，此外红色激光器GeAu欧姆接触层340作为红色激光器的N电极焊线区，蓝色激光器衬底NiAu欧姆接触层100作为蓝色激光器的N电极焊线区；

(12)将红色激光器GeAu欧姆接触层340面的另一边边缘部分区域腐蚀至蓝色激光器NiAu金属层140处，NiAu金属层140作为蓝色激光器的P电极焊线区，如图10所示；将红色激光器GeAu欧姆接触层340面的另一边边缘部分区域腐蚀至TiAu金属键合层160处，TiAu金属键合层160作为绿色激光器的P电极焊线区，如图11所示；将红色激光器GeAu欧姆接触层340面的另一边边缘部分区域腐蚀至TiAu金属键合层260处，TiAu金属键合层260作为红色激光器的P电极焊线区，如图12所示；腐蚀液配比为氢氟酸和水的体积比为1∶20，腐蚀干净后均用去离子水清洗干净；至此三基色激光器芯片集成在同一芯片上。

本实施例最终产品是共有一个衬底的单一芯片，三基色激光在单芯片内混合为白光，并且三基色激光器芯片可通过不同电路分别控制电流、电压。

实施例2、全固态三基色激光器，由第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片及第三波长激光器芯片形成的层叠结构构成。如实施例1所述，所不同的的是：

所述第一波长激光器芯片为红色激光器芯片，第二波长激光器芯片为绿色激光器芯片，第三波长激光器芯片为蓝色激光器芯片。红色激光器芯片衬底选用GaAs衬底、绿色激光器芯片衬底选用GaN衬底、蓝色激光器芯片衬底选用Al₂O₃衬底。所述激光器结构选用氧化物条形结构。所述蓝色激光器芯片、绿色激光器芯片或红色激光器芯片均按现有技术。

所述绝缘介质膜选自SiN₄；所述金属键合层选自Au；所述金属欧姆接触层选自GeAu。

所述金属欧姆接触层I、II、III的厚度均为2μm；所述金属键合层的厚度均为3μm；所述绝缘介质膜I、II的厚度均为500nm。

具体制备过程如下：

(1)按现有技术制备出常规红色激光器芯片结构，步骤同实施例1。在GaAs衬底底部蒸镀GeAu欧姆接触层，厚度为2μm，所述SiO₂电流阻挡层、GaAs层和NiAu金属层的厚度分别为300nm、1μm和2μm；

(2)按现有技术在GaN衬底上制备出常规绿色激光器芯片结构，步骤同实施例1。所述SiO₂电流阻挡层、GaN层和NiAu金属层的厚度分别为300nm、1μm和2μm；

(3)按现有技术在Al ₂O₃衬底上制备出常规蓝色激光器芯片结构，步骤同实施例1。所述SiO₂电流阻挡层、GaN层和NiAu金属层的厚度分别为300nm、1μm和2μm；

(4)在制作的红色激光器芯片表面依次蒸镀SiN₄绝缘介质膜、Au金属键合层，厚度分别为500nm和3μm；

(5)将(4)蒸镀好的红色激光器Au金属键合层面与(3)绿色激光器NiAu金属层面键合在一起，两者的衬底均在外端；

(6)通过湿法腐蚀去除绿色激光器芯片GaN衬底，腐蚀液配比为磷酸、硫酸和水的体积比为3∶1∶3，腐蚀干净后用去离子水清洗；

(7)在去除衬底的绿色激光器芯片上依次蒸镀GeAu金属欧姆接触层、SiN₄绝缘介质膜、Au金属键合层的厚度分别为2μm、500nm和3μm；

(8)将蒸镀好的绿色激光器Au金属键合层面与蓝色激光器NiAu金属层面通过键合技术键合在一起，Al₂O₃衬底在外端；

(9)通过激光剥离去除蓝色激光器Al₂O₃衬底；

(10)在去除衬底的蓝色激光器芯片上蒸镀GeAu金属欧姆接触层，厚度为2μm；

(11)将蓝色激光器GeAu欧姆接触层面一边边缘部分区域腐蚀至绿色激光器的GeAu金属欧姆接触层，此GeAu金属欧姆接触层作为绿色激光器的N电极焊线区，此外蓝色激光器GeAu金属欧姆接触层作为蓝色激光器的N电极焊线区，红色激光器衬底GeAu金属欧姆接触层作为红色激光器的N电极焊线区；

(12)将蓝色激光器GeAu金属欧姆接触层面的另一边边缘部分区域腐蚀至红色激光器NiAu金属层处，NiAu金属层作为红色激光器的P电极焊线区；将蓝色激光器GeAu金属欧姆接触层面的另一边边缘部分区域腐蚀至红色激光器Au金属键合层处，此Au金属键合层作为绿色激光器的P电极焊线区；将蓝色激光器GeAu金属欧姆接触层面的另一边边缘部分区域腐蚀至绿色激光器Au金属键合层处，此Au金属键合层作为蓝色激光器的P电极焊线区；腐蚀液配比为氢氟酸和水的体积比为1∶20，腐蚀干净后均用去离子水清洗干净；至此三基色激光器芯片集成在同一芯片上。

Claims (1)

1. 一种全固态三基色激光器芯片，包括第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片及第三波长激光器芯片；第一波长激光器芯片衬底的底面镀有金属欧姆接触层I、芯片表面蒸镀有绝缘介质膜I、金属键合层I，第二波长激光器芯片表面通过该金属键合层I与第一波长激光器芯片表面集成在一起，去除衬底的第二波长激光器芯片另一面蒸镀有金属欧姆接触层II、绝缘介质膜II、金属键合层II，第三波长激光器芯片表面通过该金属键合层II与去除衬底的第二波长激光器芯片另一面集成在一起，去除衬底的第三波长激光器芯片另一面蒸镀有金属欧姆接触层III；

在所述金属欧姆接触层III一端向下腐蚀露出部分第二波长激光器芯片金属欧姆接触层II；所述的金属欧姆接触层I、II、III分别为第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片、第三波长激光器芯片的N电极焊线区；

在所述金属欧姆接触层III另一端向下腐蚀分别露出部分第一波长激光器芯片的金属层、金属键合层I和第二波长激光器芯片金属键合层II，分别作为第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片和第三波长激光器芯片的P电极焊线区；

所述第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片、第三波长激光器芯片分别为蓝色激光器芯片、绿色激光器芯片或红色激光器芯片中的一种；三种波长的光混合产生白光；

所述绝缘介质膜选自SiO₂、SiN₄或Al₂O₃；

所述绝缘介质膜I、II的厚度为100nm-500nm。

2.根据权利要求1所述的全固态三基色激光器芯片，其特征在于所述的三种波长的激光器芯片衬底选自SiC、Al₂O₃、GaN、Si或GaAs衬底中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的全固态三基色激光器芯片，其特征在于所述金属键合层选自TiAu、Au、AuSn、NiAu、Ag或In。

4.根据权利要求1所述的全固态三基色激光器芯片，其特征在于所述金属欧姆接触层选自NiAu、TiAu、GeAu或CrAu。

5.根据权利要求1所述的全固态三基色激光器芯片，其特征在于所述金属欧姆接触层I、II、III的厚度为0.5μm-3μm。

6.根据权利要求1所述的全固态三基色激光器芯片，其特征在于所述金属键合层I、II、III的厚度为0.5μm-3μm。

7.根据权利要求1所述的全固态三基色激光器芯片，其特征在于，所述激光器结构选用氧化物条形结构或脊型结构。

8.权利要求1-7任一项所述全固态三基色激光器芯片的制作方法，步骤如下：

（1）按常规MOCVD外延生长方法，在衬底上生长第一波长激光器芯片外延层，制备出第一波长激光器芯片结构；在衬底上生长第二波长激光器芯片外延层，制备出第二波长激光器芯片结构；在衬底上生长第三波长激光器芯片外延层，制备出第三波长激光器芯片结构；

（2）在第一波长激光器芯片衬底的底面镀有金属欧姆接触层I，芯片表面依次蒸镀有绝缘介质膜I、金属键合层I，将该金属键合层I表面与第二波长激光器芯片表面键合在一起，第二波长激光器芯片的衬底朝外；

（3）去除第二波长激光器芯片衬底，在去除衬底后的第二波长激光器芯片外面上依次蒸镀金属欧姆接触层II、绝缘介质膜II、金属键合层II；金属键合层II表面与第三波长激光器芯片表面键合在一起；第三波长激光器芯片的衬底在外端；

（4）去除第三波长激光器芯片衬底；在去除衬底的第三波长激光器芯片外面上蒸镀金属欧姆接触层III；

（5）将第三波长激光器芯片金属欧姆接触层III一端边缘部分区域腐蚀至第二波长激光器芯片金属欧姆接触层II，该处的金属欧姆接触层II作为第二波长激光器芯片的N电极焊线区，第三波长激光器芯片金属欧姆接触层面作为第三波长激光器芯片的N电极焊线区，第一波长激光器芯片衬底金属欧姆接触层面作为第一波长激光器芯片的N电极焊线区； 

（6）将第三波长激光器芯片金属欧姆接触层III另一端边缘部分区域分别腐蚀至第一波长激光器芯片的金属层、金属键合层I和第二波长激光器芯片金属键合层II，分别作为第一波长激光器芯片、第二波长激光器芯片和第三波长激光器芯片的P电极焊线区；至此三基色激光器芯片集成在同一芯片上。