CN107069431A - 一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法。制备流程，包括：外延片生长、台面刻蚀、深沟刻蚀、3D打印绝缘钝化层、3D打印P面电极、GaAs衬底减薄、抛光、3D打印N面电极、真空划片、钝化、3D打印前腔面增透膜及后腔面增反膜。其中，绝缘钝化层、P面电极、N面电极、前腔面增透膜及后腔面增反膜均由3D打印技术来制备完成。通过引入3D打印技术，本发明带来如下两方面的有益效果：(1)简化了制备过程：3D打印绝缘钝化层免去了套刻、腐蚀开孔的步骤；3D打印P面电极避免了金属电极的带胶剥离过程；(2)减少了杂质的引入：减少了套刻、刻蚀及带胶剥离的过程，所以减少了光刻胶、腐蚀液等化学试剂的引入，同时也降低了其它杂质引入的几率。

Description

一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料领域的GaAs基边发射激光器芯片制备方法，具体为一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法。
背景技术
在目前已商业化的激光器中，半导体激光器以其电光转换效率最高、体积最小、调制速率高、覆盖波长范围广的优点，在通信、医疗、激光加工等民用领域及激光制导、无线加密通信及激光武器等国防领域获得广泛的应用，成为激光器市场发展的主流趋势。
半导体激光器类型包括边发射激光器、分布布拉格(DBR)激光器、分布反馈(DFB)激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)。其中，GaAs基边发射激光器是最早出现的半导体激光器，具有结构简单，输出功率高的优点，是大功率半导体激光器的基本发光单元。GaAs基边发射半导体激光器的制备一般分为三部分：第一，外延片生长：利用MOCVD或MBE技术外延生长激光器外延材料；第二，芯片加工：利用光刻、干法或湿法刻蚀、PECVD、离子束蒸镀、真空解理、真空镀膜、激光划片等技术对激光外延片进行加工，形成激光芯片；第三，激光器封装。其中，前两部分工艺流程涉及到十几种先进的材料制备及加工技术，包括了几十甚至上百个步骤，制备工艺非常复杂，任何一个工艺步骤出现问题，激光器的性能都会受到巨大的影响，甚至无法实现激光发射。除了制备工艺复杂之外，半导体激光器芯片制备所需要的设备不仅昂贵，且维护成本很高。所以，开发一种新的半导体芯片制备方法，以避免以上所述制备工艺复杂、设备维护成本高、有毒源材料浪费问题，对半导体激光产业的发展具有不可估量的科学意义及商业价值。而正迅速发展的3D打印技术对于为以上问题的解决提供了新的方向与契机。
自1986年Charles Hull开发了第一台商业3D打印机以来，3D打印技术迅猛发展，已经在材料制备方面取代了多种传统方法。目前，能够用3D打印的材料包括：热塑性塑料、几乎所有金属及其合金、共晶材料、橡胶、陶瓷、石膏、纸张、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、光聚合物等。用于制备GaAs基半导体激光器的材料包括III-V半导体单晶材料、绝缘钝化材料及金属电极，其中半导体单晶材料尚无法由3D打印技术来制备，但绝缘钝化材料及金属电极的制备可采用3D打印技术来完成。
发明内容
本发明针对GaAs基边发射激光器制备工艺复杂、设备维护成本高的缺点，提出了一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，包括以下步骤：
（1）在GaAs衬底上生长边发射半导体激光器外延结构；
（2）利用光刻技术在外延结构表面曝光形成台面图形，利用干法刻蚀技术刻蚀出台面，使得台面侧壁垂直陡峭，然后利用湿法刻蚀技术进一步修饰台面边缘，使台面侧壁光滑，减少光在台面侧壁的损耗；
（3）利用3D打印技术制备绝缘钝化层；
（4）利用3D打印技术制备P面电极；
（5）对GaAs衬底进行减薄抛光；
（6）利用3D打印技术制备N面电极；
（7）在高真空中划片，形成单管芯片或阵列芯片，然后在同样的高真空下蒸镀腔面钝化层，以防激光器腔面被氧化；
（8）利用3D打印技术进行腔面镀膜，完成芯片制备。
上述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，步骤（1）中制备的外延结构可以是面向中小功率激光器的窄波导外延结构，也可以是面向大功率激光器的宽波导外延结构，外延结构中的上下波导层既可以是对称结构，也可以是非对称波导结构。
上述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，外延结构生长是利用金属有机化学气相沉积或分子束外延技术来实现，以保证外延材料质量。
上述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，步骤(3)(4)(6)(8)所述的利用3D打印制备绝缘钝化层、P面电极、N面电极、腔面镀膜的过程均分为三步：3D建模、3D打印、样品修正。
上述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，步骤(3)所述绝缘钝化层的制备过程分为三步：第一步，利用3D建模软件建立绝缘钝化层3D模型，绝缘钝化层覆盖整个外延片表面，只在上台面表面留出开孔，用于制备P面电极，开孔面积小于台面面积；第二步，3D打印绝缘钝化层；第三步，修饰绝缘钝化层，使开孔边缘平滑整齐。
上述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，步骤(4)所述利用3D打印技术制备的P面电极与台面对齐，面积小于台面；步骤(6)所述利用3D打印技术制备的N面电极与芯片N面对齐，面积小于芯片N面面积，留出了划片沟槽，有利于划片工艺的进行。
上述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，步骤(8)所述的腔面镀膜，分为前腔增透膜及后腔增反膜，两者结构不同，前腔增透膜为双层结构，而后腔增反膜为周期性多层结构，需要分别建立不同的3D模型进行打印。
本发明提供了一种基于3D打印技术的GaAs基边发射激光器制备方法，并带来如下有益效果：
（1）简化了工艺流程：首先，利用3D打印技术代替离子辅助化学气相沉积(PECVD)技术进行绝缘钝化层的制备，其优势在于，利用3D打印技术可以在制备过程中留出电极制备所需要的开孔，露出重掺杂的P型接触层表面，而PECVD技术所制备的绝缘钝化层需要再次利用光刻及湿法刻蚀工艺进行开孔；其次，利用3D打印代替传统的离子束或电子束蒸镀技术进行P面电极及N面电极的制备，所制备的P面电极刚好覆盖绝缘钝化层的开孔，无需经过带胶剥离过程来完成P面电极的制备，N面电极与P面电极面积相仿，上下对齐，所留出的沟道与上台面刻蚀所形成的沟道对齐，有利于真空划片的进行；
（2）减少了制备过程中引入的杂质：首先，传统方法所制备的绝缘钝化层需要光刻及刻蚀工艺进行开孔，开孔过程中所使用的光刻胶、腐蚀液等物质难免会有残留，影响器件性能，而利用3D打印制备绝缘钝化层，可以直接留出开孔，无需后续的刻蚀步骤，避免了各种化学试剂的引入；其次，利用3D打印制备的P面电极，面积略大于开孔面积，略小于上台面面积，无需进行带胶剥离过程，避免了光刻胶、丙酮等化学试剂的引入，减少了杂质引入的几率。
附图说明
图1为边发射半导体激光器制备流程图。
图2为边发射半导体激光器外延结构示意图。
图3为绝缘钝化层开孔示意图。
图4为宽接触半导体激光器芯片示意图。
图5为大功率激光巴条及发光单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一：GaAs基宽接触半导体激光器制备
宽接触半导体激光器结构简单，常被各种讲述半导体激光器的教材作为典型结构来举例说明，同时也是大功率半导体激光器的基本发光单元。本发明也首先以其作为例证，阐述基于3D打印技术的GaAs基边发射激光器制备的具体实施方式：
（1）外延片生长：利用MOCVD或MBE生长边发射半导体激光器外延结构，此结构可以是窄波导结构(中小功率激光器)，也可以是非对称宽波导结构(大功率激光器)；
（2）上台面及沟道制备：在外延片表面光刻显影，利用干法刻蚀形成具有陡峭侧壁的上台面，刻蚀深度略大于P型GaAs接触层，达到P型AlGaAs上限制层，然后通过湿法刻蚀使台面侧壁光滑；二次光刻形成沟道图形，通过干法及湿法刻蚀至GaAs缓冲层，形成沟道；
（3）绝缘钝化层制备：利用3D建模软件建立SiO2绝缘钝化层的3D模型，绝缘钝化层厚度为200nm，在已有的沟道及上台面处3D打印绝缘钝化层，并对此层进行修饰，使开孔边缘线条光滑平整；
（4）P面电极制备：在3D建模软件中建立P面电极的3D模型，3D打印P面电极，并对此电极进行修饰，使P面电极正好覆盖绝缘钝化层的开孔，并形成良好的欧姆接触；
（5）衬底减薄抛光：将N型GaAs衬底减薄至100um，并对衬底下表面进行抛光；
（6）N面电极制备：在3D建模软件中建立N面电极的3D模型，3D打印N面电极，并对此电极进行修饰，使N面电极与P面电极对齐，且面积与P面电极相同，并形成良好的欧姆接触；
（7）真空解理及钝化：在高真空下划片形成如图4激光器管芯，并在前后腔面蒸镀Si钝化层，钝化层厚度为3nm，用以防止管芯从高真空环境下取出时被氧化；
（8）腔面镀膜：3D打印前腔面增透膜及后腔面增反膜，使前腔面反射率小于5%，后腔面反射率大于95%。
例2：大功率半导体激光器制备
大功率半导体激光器的基本结构(附图5)为由宽接触半导体激光器排列形成的一维阵列，由于其基本发光单元为宽接触半导体激光器，所以，大功率半导体激光器制备过程与宽接触半导体激光器基本相同，只在第(7)步略有不同，具体制备流程如下：
(1) 外延片生长：利用MOCVD或MBE生长大功率半导体激光器外延结构，一般为非对称宽波导结构；
（2）上台面及沟道制备：在外延片表面光刻显影，利用干法刻蚀形成具有陡峭侧壁的上台面，刻蚀深度略大于P型GaAs接触层，达到P型AlGaAs上限制层，然后通过湿法刻蚀使台面侧壁光滑；二次光刻形成沟道图形，通过干法及湿法刻蚀至GaAs缓冲层，形成沟道；
（3）绝缘钝化层制备：利用3D建模软件建立SiO2绝缘钝化层的3D模型，绝缘钝化层厚度为200nm，在已有的沟道及上台面处3D打印绝缘钝化层，并对此层进行修饰，使开孔边缘线条光滑平整；
（4）P面电极制备：在3D建模软件中建立P面电极的3D模型，3D打印P面电极，并对此电极进行修饰，使P面电极正好覆盖绝缘钝化层的开孔，并形成良好的欧姆接触；
（5）衬底减薄抛光：将N型GaAs衬底减薄至100um，并对衬底下表面进行抛光；
（6）N面电极制备：在3D建模软件中建立N面电极的3D模型，3D打印N面电极，并对此电极进行修饰，使N面电极与P面电极对齐，且面积与P面电极相同，并形成良好的欧姆接触；
(7)真空解理及钝化：在高真空下划片形成如附图5所示的大功率激光巴条，并在前后腔面蒸镀Si钝化层，钝化层厚度为3nm，用以防止管芯从高真空环境下取出时被氧化；
（8）腔面镀膜：3D打印前腔面增透膜及后腔面增反膜，使前腔面反射率小于5%，后腔面反射率大于95%。
如图2所示，外延结构由下而上包括N型GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、N型AlGaAs限制层、AlGaAs波导层、GaAs垒层、InGaAs量子阱层、GaAs垒层、AlGaAs波导层、P型AlGaAs限制层、P型GaAs接触层。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）在GaAs衬底上生长边发射半导体激光器外延结构；
（2）利用光刻技术在外延结构表面曝光形成台面图形，利用干法刻蚀技术刻蚀出台面，使得台面侧壁垂直陡峭，然后利用湿法刻蚀技术进一步修饰台面边缘，使台面侧壁光滑，减少光在台面侧壁的损耗；
（3）利用3D打印技术制备绝缘钝化层；
（4）利用3D打印技术制备P面电极；
（5）对GaAs衬底进行减薄抛光；
（6）利用3D打印技术制备N面电极；
（7）在高真空中划片，形成单管芯片或阵列芯片，然后在同样的高真空下蒸镀腔面钝化层，以防激光器腔面被氧化；
（8）利用3D打印技术进行腔面镀膜，完成芯片制备。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，其特征在于步骤（1）中制备的外延结构可以是面向中小功率激光器的窄波导外延结构，也可以是面向大功率激光器的宽波导外延结构，外延结构中的上下波导层既可以是对称结构，也可以是非对称波导结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，其特征在于外延结构生长是利用金属有机化学气相沉积或分子束外延技术来实现，以保证外延材料质量。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，其特征在于步骤(3)(4)(6)(8)所述的利用3D打印制备绝缘钝化层、P面电极、N面电极、腔面镀膜的过程均分为三步：3D建模、3D打印、样品修正。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，其特征在于步骤(3)所述绝缘钝化层的制备过程分为三步：第一步，利用3D建模软件建立绝缘钝化层3D模型，绝缘钝化层覆盖整个外延片表面，只在上台面表面留出开孔，用于制备P面电极，开孔面积小于台面面积；第二步，3D打印绝缘钝化层；第三步，修饰绝缘钝化层，使开孔边缘平滑整齐。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，其特征在于步骤(4)所述利用3D打印技术制备的P面电极与台面对齐，面积小于台面；步骤(6)所述利用3D打印技术制备的N面电极与芯片N面对齐，面积小于芯片N面面积，留出了划片沟槽，有利于划片工艺的进行。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的GaAs基边发射激光器制备方法，其特征在于步骤(8)所述的腔面镀膜，分为前腔增透膜及后腔增反膜，两者结构不同，前腔增透膜为双层结构，而后腔增反膜为周期性多层结构，需要分别建立不同的3D模型进行打印。
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