CN103811992A - 一种半导体激光器芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种半导体激光器芯片及其制造方法，其中一种半导体激光器芯片包括：自下而上依次为N面散热结构、N面电极、N区外延层、有源区、P区外延层、P面电极和P面散热结构，所述N面电极通过生长衬底的转换方式形成。本发明的半导体激光器芯片制造方法过程中，生长衬底能够重复利用，降低生产成本，其中生长衬底的As不会带入半导体激光器制备的后续工艺流程，降低工业废水的污染治理成本；避免了可能导致机械损伤的研磨过程，进而提高了半导体激光器的质量可靠性，使得其具有明显的技术先进性和良好的经济效益。

Description

一种半导体激光器芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及激光领域，特别是指一种半导体激光器芯片及其制造方法。

背景技术

现有半导体激光器芯片的制备过程为：1）采用砷化镓或磷化铟衬底作为芯片生长的基底材料（即生长衬底），在生长衬底上通过MOCVD或MBE等方法外延生长总厚度为几个微米的精细芯片，形成半导体激光器外延片；2）在外延片正面采用蒸镀、溅射、光刻等工艺手段得到正面电极结构；3）采用研磨方式将衬底减薄至100微米左右后，制备背面电极材料；4）通过划裂片方式，以半导体材料的自然解理面形成出光端面，并在前后出光端面上分别镀增透膜和增反膜，以镀增透膜端面为出光端面；5）通过划裂片方式得到分立半导体激光器芯片。

上述技术存在如下问题：1）研磨过程不可避免地会发生机械损伤，这些损伤会直接影响半导体激光器的可靠性；2）半导体激光器芯片一般只有几个微米厚，芯片中绝大部分是残余的衬底材料，而砷化镓或磷化铟材料的热导率远低于金属材料（GaAs:0.55W/(cm·K)，InP:0.68W/(cm·K)，Cu:401W/(m·K)）。尽管现行半导体激光器封装工艺中广泛使用倒置工艺加强散热，但半导体激光器工作时产生的热量很难通过衬底材料散出；3）现有研磨工艺产生含砷废水，处置成本高。

发明内容

本发明提出一种半导体激光器芯片及其制造方法，解决了现有技术中生长衬底对半导体激光器芯片性能和质量的影响及其制造对环境的污染问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种半导体激光器芯片，包括：自下而上依次为N面散热结构、N面电极、N区外延层、有源区、P区外延层、P面电极和P面散热结构，所述N面电极通过生长衬底的转换方式形成。

进一步地，所述生长衬底包括预置转换层；所述预置转换层能够将所述生长衬底转换为所述N面电极。

进一步地，所述生长衬底通过外延生长方式形成所述预置转换层，所述预置转换层通过外延生长方式自下而上依次形成所述N区外延层、所述有源区和所述P区外延层。

优选地，所述预置转换层能够被腐蚀液选择性消除；所述腐蚀液具体为HF或BOE。

进一步地，所述P面电极经过光刻、刻蚀、蒸镀TiPtAu和退火形成，所述N面电极经过蒸镀AuGeNi形成。

进一步地，所述P区外延层包括电流限制结构，所述电流限制结构具体为脊形结构；所述N面散热结构和所述P面散热结构具体为铜层。

优选地，所述铜层通过电镀方式形成。

优选地，所述生长衬底包括GaAs；所述预置转换层包括AlAs。

一种半导体激光器芯片的制造方法，包括如下步骤：

a）所述生长衬底依次外延生长所述预置转换层、所述N区外延层、所述有源区和所述P区外延层；

b）经过光刻、刻蚀、蒸镀TiPtAu和退火在所述P区外延层制作所述P面电极，通过电镀方式形成所述P面散热结构；

c）将所述步骤b）所得浸入腐蚀液，利用所述腐蚀液腐蚀所述预置转换层；

d）经所述步骤c）分离所得的所述生长衬底经过表面处理步骤之后，进行再利用；

e）经所述步骤c）所得的所述N区外延层经过表面处理步骤之后，蒸镀AuGeNi制备所述N面电极，通过电镀方式形成所述N面散热结构；

f）将所述步骤e）所得进行划裂片和端面镀膜操作。

优选地，所述退火在400℃～470℃温度范围内执行；所述退火的时间范围为30s～60s。

进一步地，所述刻蚀具体为干法刻蚀或者湿法刻蚀，使用选择性的和/或各向异性的刻蚀法来执行；所述表面处理步骤至多包括抛光步骤、检测步骤以及位于所述抛光步骤之前和/或之后的清洗步骤，所述抛光步骤具体为化学抛光或机械抛光；所述清洗步骤具体为所述腐蚀液清洗或者水清洗；所述检测步骤具体为光滑度检测和表面清洁度检测。

本发明的有益效果为：

1）本发明形成的大功率半导体激光器芯片的热阻大幅下降，很大程度提高器件的光功率输出；

2）本发明半导体激光器芯片制造方法过程中，生长衬底能够重复利用，降低生产成本；

3）本发明生长衬底的As不会带入半导体激光器制备的后续工艺流程，降低工业废水的污染治理成本；

4）本发明半导体激光器芯片制造方法过程中，避免了可能导致机械损伤的研磨过程，进而提高了半导体激光器的质量可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明半导体激光器芯片示意图；

图2为本发明一种半导体激光器芯片制造方法的流程示意图；

图3为本发明步骤a）所得结构示意图；

图4为本发明步骤b）所得结构示意图；

图5为本发明步骤c）所得结构示意图。

图中：

1、生长衬底；2、N区外延层；3、有源层；4、P区外延层；5、预置转换层；6、P面电极；7、P面散热结构；8、N面电极；9、N面散热结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1及图3～5所示，本发明一种半导体激光器芯片包括：自下而上依次为N面散热结构9、N面电极8、N区外延层2、有源区3、P区外延层4、P面电极6和P面散热结构7，N面电极8通过生长衬底1的转换方式形成。

生长衬底1包括预置转换层5；预置转换层5能够将生长衬底1转换为N面电极8。生长衬底1通过外延生长方式形成预置转换层5，预置转换层5通过外延生长方式自下而上依次形成N区外延层2、有源区3和P区外延层4。P面电极6经过光刻、刻蚀和蒸镀TiPtAu退火操作形成，N面电极8经过蒸镀AuGeNi形成。P区外延层4包括电流限制结构。

生长衬底1包括GaAs；预置转换层5包括AlAs。预置转换层5能够被腐蚀液选择性消除；腐蚀液具体为BOE。

实施例2

如图1及图3～5所示，本发明一种半导体激光器芯片包括：自下而上依次为N面散热结构9、N面电极8、N区外延层2、有源区3、P区外延层4、P面电极6和P面散热结构7，N面电极8通过生长衬底1的转换方式形成。

生长衬底1包括预置转换层5；预置转换层5能够将生长衬底1转换为N面电极8。生长衬底1通过外延生长方式形成预置转换层5，预置转换层5通过外延生长方式自下而上依次形成N区外延层2、有源区3和P区外延层4。P面电极6经过光刻、刻蚀、蒸镀TiPtAu和退火形成，N面电极8经过蒸镀AuGeNi形成。P区外延层4包括电流限制结构，电流限制结构具体为脊形结构；N面散热结构9和P面散热结构7具体为铜层。铜层通过电镀方式形成。

生长衬底1包括GaAs；预置转换层5包括AlAs。预置转换层5能够被腐蚀液选择性消除；腐蚀液具体为HF。

实施例3

如图1～5所示，本发明一种半导体激光器芯片的制造方法，包括如下步骤：

a）生长衬底1依次外延生长预置转换层5、N区外延层2、有源区3和P区外延层4；

b）经过光刻、刻蚀、蒸镀TiPtAu和退火在P区外延层制作P面电极，通过电镀方式形成P面散热结构；

c）将步骤b）所得浸入腐蚀液，利用腐蚀液腐蚀预置转换层；

d）经步骤c）分离所得的生长衬底经过表面处理步骤之后，进行再利用；

e）经步骤c）所得的N区外延层经过表面处理步骤之后，蒸镀AuGeNi制备N面电极，通过电镀方式形成N面散热结构；

f）将步骤e）所得进行划裂片和端面镀膜操作。

退火在400℃温度下执行；退火时间为60s。

刻蚀具体为干法刻蚀，使用选择性的刻蚀法来执行；表面处理步骤包括抛光步骤、检测步骤以及位于抛光步骤之前的清洗步骤，抛光步骤具体为化学抛光；清洗步骤具体为腐蚀液清洗；检测步骤具体为光滑度检测和表面清洁度检测。

实施例4

如图1～5所示，本发明一种半导体激光器芯片的制造方法，包括如下步骤：

a）生长衬底1依次外延生长预置转换层5、N区外延层2、有源区3和P区外延层4；

b）经过光刻、刻蚀、蒸镀TiPtAu和退火在P区外延层制作P面电极，通过电镀方式形成P面散热结构；

c）将步骤b）所得浸入腐蚀液，利用腐蚀液腐蚀预置转换层；

d）经步骤c）分离所得的生长衬底经过表面处理步骤之后，进行再利用；

e）经步骤c）所得的N区外延层经过表面处理步骤之后，蒸镀AuGeNi制备N面电极，通过电镀方式形成N面散热结构；

f）将步骤e）所得进行划裂片和端面镀膜操作。

退火在470℃温度下执行；退火时间为30s。

刻蚀具体为湿法刻蚀，使用各向异性的刻蚀法来执行；表面处理步骤包括抛光步骤、检测步骤以及位于抛光步骤之后的清洗步骤，抛光步骤具体为机械抛光；清洗步骤具体为水清洗；检测步骤具体为光滑度检测和表面清洁度检测。实施例5

如图1～5所示，本发明一种半导体激光器芯片的制造方法，包括如下步骤：

a）生长衬底1依次外延生长预置转换层5、N区外延层2、有源区3和P区外延层4；

b）经过光刻、刻蚀、蒸镀TiPtAu和退火在P区外延层制作P面电极，通过电镀方式形成P面散热结构；

c）将步骤b）所得浸入腐蚀液，利用腐蚀液腐蚀预置转换层；

d）经步骤c）分离所得的生长衬底经过表面处理步骤之后，进行再利用；

e）经步骤c）所得的N区外延层经过表面处理步骤之后，蒸镀AuGeNi制备N面电极，通过电镀方式形成N面散热结构；

f）将步骤e）所得进行划裂片和端面镀膜操作。

退火在450℃温度下执行；退火时间为48s。

刻蚀具体为干法刻蚀，使用选择性的和各向异性的刻蚀法来执行；表面处理步骤包括检测步骤和清洗步骤；清洗步骤具体为腐蚀液清洗或者水清洗；检测步骤具体为光滑度检测和表面清洁度检测。

本发明中P面散热结构7和N面散热结构9会达到一定厚度，具体厚度为十微米到几十微米。本发明通过划裂片、端面镀膜工艺得到半导体激光器芯片。

目前使用衬底常规制造芯片，是在生长衬底1上外延生长N区外延层2、有源区3和P区外延层4。本发明先在生长衬底1上外延生长预置转换层，再外延生长N区外延层2、有源区3和P区外延层4，从而使得半导体激光器芯片制造方法过程中，生长衬底能够重复利用，降低生产成本，同时生长衬底的As不会带入半导体激光器制备的后续工艺流程，降低工业废水的污染治理成本；避免了可能导致机械损伤的研磨过程，进而提高了半导体激光器的质量可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种半导体激光器芯片，其特征在于，包括：自下而上依次为N面散热结构、N面电极、N区外延层、有源区、P区外延层、P面电极和P面散热结构，所述N面电极通过生长衬底的转换方式形成。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器芯片，其特征在于，所述生长衬底包括预置转换层；所述预置转换层能够将所述生长衬底转换为所述N面电极。

3.根据权利要求2所述的一种半导体激光器芯片，其特征在于，所述生长衬底通过外延生长方式形成所述预置转换层，所述预置转换层通过外延生长方式自下而上依次形成所述N区外延层、所述有源区和所述P区外延层。

4.根据权利要求2所述的一种半导体激光器芯片，其特征在于，所述预置转换层能够被腐蚀液选择性消除；所述腐蚀液具体为HF或BOE。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器芯片，其特征在于，所述P面电极经过光刻、刻蚀、蒸镀TiPtAu和退火形成，所述N面电极经过蒸镀AuGeNi形成。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种半导体激光器芯片，其特征在于，所述P区外延层包括电流限制结构，所述电流限制结构具体为脊形结构；所述N面散热结构和所述P面散热结构具体为铜层。

7.根据权利要求6所述的一种半导体激光器芯片，其特征在于，所述铜层通过电镀方式形成。

8.根据权利要求6所述的一种半导体激光器芯片，其特征在于，所述生长衬底包括GaAs；所述预置转换层包括AlAs。

9.一种权利要求2所述的半导体激光器芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

a）所述生长衬底依次外延生长所述预置转换层、所述N区外延层、所述有源区和所述P区外延层；

b）经过光刻、刻蚀、蒸镀TiPtAu和退火在所述P区外延层制作所述P面电极，通过电镀方式形成所述P面散热结构；

c）将所述步骤b）所得浸入腐蚀液，利用所述腐蚀液腐蚀所述预置转换层；

d）经所述步骤c）分离所得的所述生长衬底经过表面处理步骤之后，进行再利用；

e）所述N区外延层经过表面处理步骤之后，蒸镀AuGeNi制备所述N面电极，通过电镀方式形成所述N面散热结构；

f）将所述步骤e）所得进行划裂片和端面镀膜操作。

10.根据权利要求9所述的一种半导体激光器芯片的制造方法，其特征在于，所述退火在400℃～470℃温度范围内执行；所述退火的时间范围为30s～60s。

11.根据权利要求9所述的一种半导体激光器芯片的制造方法，其特征在于，所述刻蚀具体为干法刻蚀或者湿法刻蚀，使用选择性的和/或各向异性的刻蚀法来执行；所述表面处理步骤至多包括抛光步骤、检测步骤以及位于所述抛光步骤之前和/或之后的清洗步骤，所述抛光步骤具体为化学抛光或机械抛光；所述清洗步骤具体为所述腐蚀液清洗或者水清洗；所述检测步骤具体为光滑度检测和表面清洁度检测。

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