CN108631149B - 一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法 - Google Patents

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Abstract

一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法，该方法包括外延片和高掺衬底片晶向对准工艺，低温金属键合工艺、半绝缘衬底腐蚀工艺等，最终成功将生长在半绝缘衬底片上的外延结构层转移到另一个高掺杂的衬底片上。本发明的方法可以保证两个键合片之间的晶向一致性，防止激光器在解理过程中由晶向各异性带来的机械损伤；并且可以防止由于腐蚀液选择性不够带来的腐蚀不均匀及过腐蚀的问题，保证腐蚀的均匀性及完整性。本发明的方法符合标准半导体工艺流程，操作简便高效，适于工业化量产。

Description

一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法。
背景技术
量子级联激光器的发明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，导致纵向远场光斑始终呈双瓣分布。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，可以通过制作表面高阶光栅、光子晶体等结构实现高抽取效率的单模激光面发射，在保证稳定单模的基础上改善远场光斑图形，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。例如，两个键合片之间的晶向一致性难以保证，激光器在解理过程中由于晶向各异性容易导致机械损伤；腐蚀液选择性不够导致腐蚀不均匀及过腐蚀；需要高端的晶片键合设备，设备成本较高等。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法，在不依赖于高端的晶片键合设备的前提下克服制备过程中的关键技术难题，对于促进双面金属器件的发展具有重要意义。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供了一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法：该方法至少包括以下步骤：
提供一半绝缘衬底片，在所述半绝缘衬底片上依次外延截止层、下高掺层、有源区和上高掺层；
在所述上高掺层的表面制作金属波导层；
在一N+型掺杂衬底片的表面制作金属电极层，然后蒸发焊接金属层；
将所述半绝缘衬底片和所述N+型掺杂衬底片进行晶向对准，然后对所述半绝缘衬底片表面的金属波导层与所述N+型掺杂衬底片表面的焊接金属层进行低温金属键合，形成键合样片；
减薄半绝缘衬底片至所需厚度，再利用第一选择性腐蚀液腐蚀所述半绝缘衬底片，直到整个表面出现彩色花纹，截止层完全暴露；
再利用第二选择性腐蚀液腐蚀所述截止层，直到彩色花纹全部褪去，下高掺层完全暴露；
进行第一次光刻，在所述下高掺层表面制作正面金属电极图形；
进行第二次光刻，制作脊形器件结构；
对键合后样片的N+型高掺衬底进行减薄抛光到一定厚度，在所述N+型高掺衬底上形成背面电极，解理，完成激光器管芯制作。
优选地，所述半绝缘衬底片的材料为GaAs，所述截止层的材料为Al0.5Ga0.5As，所述下高掺层的材料为GaAs，所述有源区为GaAs和Al0.15Ga0.85As交替生长的超晶格结构，所述上高掺层的材料为GaAs。
优选地，所述N+型掺杂衬底片的材料为GaAs，掺杂浓度＞1017cm-3。
优选地，所述金属波导层包括所述上高掺层上的第一层和所述第一波导层上的第二波导层，其中第一波导层为Ti，第二波导层为Au，优选地，第一波导层的厚度为10-30nm，第二波导层的厚度为0.5-1.5μm。
优选地，所述金属电极层包括所述N+型掺杂衬底片上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层，其中第一电极层为Ti，第二电极层为Au，优选地，第一电极层的厚度为10-30nm，第二电极层的厚度为100-300nm；所述焊接金属层包括所述金属电极层上的第一焊接层和所述第一焊接层上的第二焊接层，其中第一焊接层为In，第二焊接层为Au，优选地，第一焊接层的厚度为1-3μm，第二焊接层的厚度为50-150nm。
优选地，所述低温金属键合的条件为：温度：250-340℃，压强：800-1200mbar，时间：30-90min。
优选地，所述第一选择性腐蚀液为NH4OH∶H2O2的体积比为1∶19的混合溶液，腐蚀温度为20-30℃。
优选地，所述第二选择性腐蚀液为质量浓度＞40％的HF溶液，腐蚀温度为20-30℃。
优选地，所述晶向对准的方法为：利用直角模具将所述半绝缘衬底片和所述N+型掺杂衬底片的两个相邻直角边对准。
优选地，利用第一选择性腐蚀液腐蚀所述半绝缘衬底片时，将键合样片放入下部凹槽可盛放磁子的花篮，将所述花篮浸入第一选择性腐蚀液，在双向搅拌下进行腐蚀。
优选地，所述正面金属电极图形的制作方法包括：首先采用光刻的方法将金属电极的图形转移到所述下高掺层的表面，然后沉积正面金属电极层，最后通过带胶剥离去除图形以外的金属；优选地，所述正面金属电极层包括所述下高掺层上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层，其中第一电极层为Ti，第二电极层为Au，优选地，第一电极层的厚度为10-30nm，第二电极层的厚度为100-300nm。
优选地，所述背面电极包括所述N+型高掺衬底上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层，其中第一电极层为Ti，第二电极层为Au，优选地，第一电极层的厚度为10-30nm，第二电极层的厚度为200-400nm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法。具有以下有益效果：
1.本发明中利用直角模具保证外延片和N+型衬底片在低温金属键合过程中两直角边对准，即保证了两个键合片之间的晶向一致性，防止激光器在解理过程中由晶向各异性带来的机械损伤。
2.本发明中利用可放置磁子的花篮带动键合后的样片在进行外延层衬底的腐蚀过程中不断匀速双向转动，防止由于腐蚀液选择性不够带来的腐蚀不均匀及过腐蚀的问题，保证了腐蚀的均匀性及完整性。
3.本发明提出的制备双面金属器件的方法可以成功制备出双面金属器件，制作方法符合标准半导体工艺流程，操作简便高效，适于工业化量产。
附图说明
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为在外延片表面蒸镀金属层后的截面示意图。
图2为在N+型掺杂衬底片表面蒸镀金属层后的截面示意图。
图3为外延片和N+型掺杂衬底片经过对准低温金属键合后得到样片的截面示意图。
图4A和4B分别为进行低温金属键合时使用直角模具装置的俯视图及前视图。
图5为湿法腐蚀外延片半绝缘衬底时所用装置的俯视图。
图6A和6B分别为湿法腐蚀外延片半绝缘衬底时所用的花篮的前视图和俯视图。
图7为双面金属阵列器件的光刻板图形。
图8为本发明实施例中双面金属阵列器件的截面示意图。
元件标号说明：
1-半绝缘衬底 2-截止层 3-下高掺层
4-有源区 5-上高掺层 6-Ti
7-Au 8-In 9-N+型掺杂衬底片
10-Au-In合金层 11-外延片蒸镀金属后的样片
12-N+型掺杂衬底蒸镀金属后的样片
13-外延片与N+型衬底片低温金属键合后的样片
14-直角模具 15-玻璃基板
16-磁子 17-花篮
18-玻璃烧杯 19-磁力搅拌器托盘
20-双面金属阵列器件的正面电极图形
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法，包括如下步骤：
步骤1：利用分子束外延设备在半绝缘衬底片1上外延截止层2、下高掺层3、有源区4和上高掺层5。在一个实施例中，半绝缘衬底1的材料为GaAs，截止层2的材料为Al0.5Ga0.5As，下高掺层3的材料为GaAs，掺杂浓度为3×1018cm-3，有源区4的材料为GaAs和Al0.15Ga0.85As交替生长的超晶格结构，上高掺层5的材料为GaAs，掺杂浓度为5×1018cm-3。
步骤2：利用电子束蒸发在外延片上高掺层5的表面蒸镀金属波导层6、7，在一个实施例中，相应的金属材料分别为Ti、Au，厚度分别为20nm和1μm，得到外延片蒸镀金属后的样片11，即第一键合片，如图1所示；如图2所示，在N+型掺杂衬底片9表面依次蒸镀金属电极层6、7，在一个实施例中，相应的金属层分别为Ti、Au，厚度为20nm和200nm，然后蒸发焊接金属层8、7，在一个实施例中，相应的金属材料分别为In、Au，厚度为2μm和100nm，表面的Au层是为了防止In层在空气中被氧化，得到N+型掺杂衬底蒸镀金属后的样片12，即第二键合片。在一个实施例中，N+型掺杂衬底片9的材料为GaAs，掺杂浓度＞1017cm-3。
步骤3：如图3所示，将外延片表面金属波导层6、7与N+型掺杂衬底片表面焊接金属层7、8进行In-Au低温金属键合，键合过程中使用直角模具14将两个键合片11和12的两个直角边进行对准，如图4A和图4B所示，防止后续管芯解理时由于晶向不一致导致的机械损伤。直角模具14的材料为不锈钢，两个外边边长为20mm，内边边长为15mm。金属键合的条件为温度：250℃，压强：1000mbar，时间：60min，最终形成In-Au合金层10。
步骤4：对键合后样片13的半绝缘衬底片1进行机械减薄。将N+型衬底片的背面用热熔胶粘在玻璃基板15上，再将玻璃基板15用热熔胶粘在磨抛机的片托上，用千分尺测量调整使磨抛机的平整度达到10μm以内；将片托装入磨抛机后减薄半绝缘衬底1至100±10μm。
步骤5：利用选择性腐蚀液NH4OH∶H2O2＝1∶19(体积比)腐蚀半绝缘衬底1直至截止层2完全暴露出来。由于选择性腐蚀液NH4OH∶H2O2＝1∶19对半绝缘GaAs材料和截止层Al0.5Ga0.5As材料的选择比较低，只有500～1000，静止腐蚀的过程中会出现过腐蚀或者腐蚀不均匀的现象。为了解决这个问题，在腐蚀过程中让样片13处于均匀双向转动的状态增强腐蚀均匀性。具体操作步骤为：将玻璃基板15从磨抛机片托上取下后，带着样片13放入花篮17中，再把花篮17放置在玻璃烧杯18中，然后将玻璃烧杯18放置在磁力搅拌器托盘19上，加入选择性腐蚀液NH4OH∶H2O2＝1∶19并打开磁力搅拌器进行双向搅拌，直至整个样片表面出现彩色花纹，截止层2完全暴露，如图5所示。花篮17的材料为聚四氟乙烯，不受腐蚀液腐蚀，下部凹槽可盛放磁子16，如图6A和6B所示。所用腐蚀液NH4OH∶H2O2＝1∶19在25℃下对GaAs半绝缘衬底的腐蚀速率为5μm/min。
步骤6：利用选择性腐蚀液48％(质量浓度)的HF溶液腐蚀截止层Al0.5Ga0.5As直至彩色花纹完全褪去，下高掺层3完全裸露出来。该腐蚀液在室温25℃下对材料Al0.5Ga0.5As和高掺GaAs的腐蚀比在～107，因此可以在室温下静止腐蚀，腐蚀速率为200nm/min。
步骤7：利用光刻、电子束蒸发、带胶剥离的方法在下高掺层3表面制作正面电极。首先，将光刻胶涂覆在样片的下高掺层3表面，再通过曝光显影将脊形电极图形转移到样片上，所用光刻胶为AZ5214，厚度为～1400nm。然后采用电子束蒸发依次蒸镀金属6/7，即Ti/Au＝20/200nm。最后利用带胶剥离技术去除图形外的金属层。
步骤8：利用光刻、干法刻蚀的方法制作脊形器件。首先将光刻胶涂覆在样片表面，再通过曝光显影将金属电极图形20(如图7所示)用光刻胶作为掩膜保护起来，再通过干法刻蚀本体至In-Au合金层10形成脊形器件结构，如图8所示，掩膜采用的光刻胶为NR9，厚度为～6μm。最后，利用热熔胶将样片13脊形图形朝下粘在磨抛机片托上减薄抛光N+型衬底片9至120±10μm。将样片取下，利用电子束蒸发在N+型衬底片9的背面依次蒸发金属6、7，即Ti/Au＝20/300nm。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明提供的一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法有了清楚的认识。该方法的独特之处在于不依赖于高端的晶片键合设备，利用人工方法解决了双面金属器件复杂的制作工艺问题，包括外延片和高掺衬底片晶向对准工艺，低温金属键合工艺、半绝缘衬底腐蚀工艺等，最终成功将生长在半绝缘衬底片上的外延结构层转移到另一个高掺杂的衬底片上。对于太赫兹量子级联激光器来说，外延片高掺层表面的蒸镀金属层和有源区下方的键合金属层形成了对有源区光场的双面限制作用，有利于提高器件工作温度，降低阈值电流与功耗。同时，可以利用双面金属结构制作单模面发射器件，在保证稳定单模输出的基础上改善激光器远场光斑图形。所以，双面金属器件的制备方法对于太赫兹量子级联激光器的发展具有重要意义。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一半绝缘衬底片，在所述半绝缘衬底片上依次外延截止层、下高掺层、有源区和上高掺层；
在所述上高掺层的表面制作金属波导层；
在一N+型掺杂衬底片的表面制作金属电极层，然后蒸发焊接金属层；
将所述半绝缘衬底片和所述N+型掺杂衬底片进行晶向对准，然后对所述半绝缘衬底片表面的金属波导层与所述N+型掺杂衬底片表面的焊接金属层进行低温金属键合，形成键合样片；
减薄半绝缘衬底片至所需厚度，再利用第一选择性腐蚀液腐蚀所述半绝缘衬底片，直到整个表面出现彩色花纹，截止层完全暴露；
再利用第二选择性腐蚀液腐蚀所述截止层，直到彩色花纹全部褪去，下高掺层完全暴露；
进行第一次光刻，在所述下高掺层表面制作正面金属电极图形；
进行第二次光刻，制作脊形器件结构；
对键合后样片的N+型高掺衬底进行减薄抛光到一定厚度，在所述N+型高掺衬底上形成背面电极，解理，完成激光器管芯制作；
所述晶向对准的方法为：利用直角模具将所述半绝缘衬底片和所述N+型掺杂衬底片的两个相邻直角边对准；
所述低温金属键合的条件为：温度：250-340℃，压强：800-1200mbar，时间：30-90min；
利用第一选择性腐蚀液腐蚀所述半绝缘衬底片时，将键合样片放入下部凹槽可盛放磁子的花篮，将所述花篮浸入第一选择性腐蚀液，在双向搅拌下进行腐蚀。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半绝缘衬底片的材料为GaAs，所述截止层的材料为Al0.5Ga0.5As，所述下高掺层的材料为GaAs，所述有源区为GaAs和Al0.15Ga0.85As交替生长的超晶格结构,所述上高掺层的材料为GaAs。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述N+型掺杂衬底片的材料为GaAs，掺杂浓度＞1017cm-3。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属波导层包括所述上高掺层上的第一波导层和所述第一波导层上的第二波导层，其中第一波导层为Ti，第二波导层为Au。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属电极层包括所述N+型掺杂衬底片上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层，其中第一电极层为Ti，第二电极层为Au；所述焊接金属层包括所述金属电极层上的第一焊接层和所述第一焊接层上的第二焊接层，其中第一焊接层为In，第二焊接层为Au。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一选择性腐蚀液为NH4OH:H2O2的体积比为1:19的混合溶液，腐蚀温度为20-30℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二选择性腐蚀液为质量浓度＞40％的HF溶液，腐蚀温度为20-30℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述正面金属电极图形的制作方法包括：首先采用光刻的方法将金属电极的图形转移到所述下高掺层的表面，然后沉积正面金属电极层，最后通过带胶剥离去除图形以外的金属。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述背面电极包括所述N+型高掺衬底上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层，其中第一电极层为Ti，第二电极层为Au。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，第一波导层的厚度为10-30nm，第二波导层的厚度为0.5-1.5μm。
11.根据权利要求5所述的方法，其中，第一电极层的厚度为10-30nm，第二电极层的厚度为100-300nm；第一焊接层的厚度为1-3μm，第二焊接层的厚度为50-150nm。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述正面金属电极层包括所述下高掺层上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层，其中第一电极层为Ti，第二电极层为Au。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，第一电极层的厚度为10-30nm，第二电极层的厚度为100-300nm。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，第一电极层的厚度为10-30nm，第二电极层的厚度为200-400nm。
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