CN110265864B - 一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法 - Google Patents

一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及垂直腔面发射激光器技术领域。本发明公开了一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，采用光刻和图形化电镀技术在种子层上形成图形化的金属基底；使用胶键合技术将样品转移到临时基板上；采用自分裂激光剥离技术去除蓝宝石衬底，同时达到分离器件的目的；去除缓冲层、u‑GaN层以及一部分n‑GaN层；制作n金属电极和顶部介质膜DBR；去除临时基板，得到分立的GaN基垂直腔面发射激光器。本发明不仅有效改善了器件的散热性能，而且避免了金属切割带来的金属卷边和器件短路的问题，简化了器件制备的工艺流程，降低了成本。

Description

一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法
技术领域
本发明属于垂直腔面发射激光器技术领域，具体地涉及一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法。
背景技术
GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种极具潜力的新型半导体激光器，与传统的边发射激光器相比，垂直腔面发射激光器有很多明显的优点，包括低功耗，阈值电流低，单纵模操作，圆对称输出光束，晶圆级测试，制作成本低，和光纤高效耦合，以及易于形成密集的二维阵列。这些优点使其在信息存储、激光显示、激光打印、照明等领域具有极为广阔的应用前景和巨大的市场价值，在近年来成为光电子领域的研究热点。
GaN基VCSEL一般采用介质膜DBR作为反射镜以达到较高的反射率，但是介质膜导热性较差且GaN基VCSEL通常工作在很高的电流密度下，因而导致器件内部的发热较为严重。器件内部温度升高会造成有源区增益下降、激光器阈值升高、输出功率下降、发光光谱漂移等一系列材料以及器件性能的退化。为了解决这一问题，我们通常使用激光剥离和衬底转移技术去除原有的蓝宝石等热导率较低的衬底并将其转移到Si或者金属等具有更高热导率的支撑基板上。2017年厦门大学的梅洋等人(Mei Y,Xu RB,Weng GE,et al.TunableInGaN quantum dot microcavity light emitters with 129 nm tuning range fromyellow-green to violet[J].Applied Physics Letters,2017,111(12):121107.)使用电镀铜技术将器件转移到了具有高热导率的铜衬底上，制作出了具有铜衬底的GaN基VCSEL，从而改善了器件的散热性能。
目前，这种GaN基VCSEL所面临的一个主要问题是金属衬底的切割问题。使用激光剥离和衬底转移技术将器件转移到金属基板后，器件划片必须使用切割机或激光对金属基板进行切割。如果使用切割机切割，需要多次划片，容易发生金属基板卷边的现象；如果使用激光切割，切割时金属熔体可能会喷射到器件的侧壁，从而引起泄露电流。所以这两种切割方法都会对器件性能产生不良影响，甚至导致器件失效，降低工艺产量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，在具有蓝宝石基底的GaN基外延片上生长电流扩展层，然后采用光刻和刻蚀，制作出图形化的电流扩展层单元，再在电流扩展层单元的周围制作电流限制层，在电流限制层上制作p金属电极，p金属电极与电流扩展层单元电连接，在电流扩展层单元上方制作底部介质膜DBR；
步骤S2，在制作好底部介质膜DBR的样品上制作金属层，作为电镀的种子层，之后采用光刻和电镀技术在种子层上形成图形化的金属基底；
步骤S3，使用胶键合技术将金属基底固定在临时基板上从而将样品转移到临时基板上，并利用自分裂激光剥离技术去除蓝宝石衬底，激光剥离时，无电镀金属基底的区域的GaN基薄膜会发生分裂，形成碎片，从而使GaN基薄膜成功自分裂，实现器件分离；
步骤S4，去除外延片中的缓冲层、u-GaN层以及一部分n-GaN层，再制作n金属电极和顶部介质膜DBR；
步骤S5，去除临时基板，得到分立的GaN基垂直腔面发射激光器。
进一步的，在步骤S1中，所述GaN基外延片采用分子束外延、金属有机物化学气相外延、氢化物气相外延方法或者磁控溅射方法制备。
进一步的，在步骤S1中，所述电流限制层采用氧化硅绝缘层、氮化硅绝缘层、氧化铝绝缘层、氧化钽绝缘层和氮化铝绝缘层中的一种。
进一步的，在步骤S1中，所述电流扩展层采用ITO材料制成。
进一步的，在步骤S2中，所述的金属层为Ni层/Au层、Cr层/Au层或Ti层/Au层。
进一步的，在步骤S2中，所述的金属基底为铜基底、镍基底、金基底、锌基底或铝基底。
进一步的，在步骤S3中，胶键合时使用的胶为光敏胶、热敏胶和导电胶中的一种。
进一步的，在步骤S3中，所述的临时基板的材料为石英材料、玻璃材料、半导体材料或者金属材料。
进一步的，在步骤S4中，使用抛光技术去除外延片中的缓冲层、u-GaN层以及一部分n-GaN层。
进一步的，在步骤S5中，去除临时衬底采用的工具包括丙酮溶液、体视显微镜和手术刀。
本发明的有益技术效果：
本发明不仅可以有效解决VCSEL器件的散热问题，而且无需金属切割即可成功分离器件，有效的避免了金属切割带来的金属卷边和器件短路的问题，同时简化了器件制备的工艺流程，提高工艺产量，降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本发明具体实施例的工艺流程示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明公开了一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，在具有蓝宝石基底的GaN基外延片上生长电流扩展层，然后采用光刻和刻蚀，制作出图形化的电流扩展层单元，再在电流扩展层单元的周围制作电流限制层，在电流限制层上制作p金属电极，p金属电极与电流扩展层单元电连接，在电流扩展层单元上方制作底部介质膜DBR。
本具体实施例中，具有蓝宝石基底的GaN基外延片包括依次层叠的蓝宝石基底、N型GaN层、量子阱层和P型GaN层，如图1的(a)所示，可以采用分子束外延、金属有机物化学气相外延、氢化物气相外延方法或者磁控溅射方法制备，具体制备过程已是很成熟的现有技术，此不再细说。
步骤S1具体步骤如下：
S11，用标准清洗方法清洁蓝宝石衬底上的GaN基外延片表面，即P型GaN层的上表面，清洗方法如下：丙酮、酒精、去离子水分别超声3min，共清洗三次。但并不以此为限。
S12，在上述外延片上采用电子束蒸发设备制备30nm厚的电流扩展层，电流扩展层优选采用ITO材料，易于实现，工艺成熟，导电性好。当然，在其它实施例中，电流扩展层也可以采用其它材料，电流扩展层的厚度也可以根据实际需要进行选择。
S13，采用光刻及湿法腐蚀工艺制作出图形化的电流扩展层单元，即制作出多个间隔排列的电流扩展层单元。本具体实施例中，电流扩展层单元为圆盘状结构，直径为10μm，但并不以此为限，在其它实施例中，电流扩展层单元的形状和尺寸可以根据实际需要进行选择。
S14，采用磁控溅射技术在电流扩展层单元的周围制作250nm厚的SiO2绝缘层作为电流限制层，当然，在其它实施例中，电流限制层也可以是氮化硅绝缘层、氧化铝绝缘层、氧化钽绝缘层、氮化铝绝缘层等，厚度可以根据实际需要进行设定。
S15，采用磁控溅射技术在电流限制层上制作250nm厚的p金属电极，p金属电极同时覆盖在电流扩展层单元上表面的外周缘而与电流扩展层单元电连接，本具体实施例中，p金属电极采用Cr/Au电极(Cr/Au表示Cr层与Au层叠层设置)，当然，在其它实施例中，p金属电极也可以采用其它金属材料或复合金属层构成。
S16，通过光刻及电子束蒸发工艺在电流扩展层单元上方制作底部介质膜DBR(分布式布拉格反射镜)，形成如图1的(b)所示的结构。本具体实施例中，底部介质膜DBR采用12.5对TiO2/SiO2介质膜交替叠层构成，但并不以此为限。
步骤S2，在制作好底部介质膜DBR的样品上制作金属层，作为电镀的种子层，之后采用光刻和电镀技术在种子层上形成图形化的金属基底。
具体的，在上述制作好图形化的底部介质膜DBR的样品(即图1的(b)所示)上磁控溅射生长整层的金属层作为电镀的种子层，本具体实施例中，金属层为Cr/Au层(即Cr层与Au层叠层设置)，当然，在其它实施例中，金属层也可以是Ni/Au层、Ti/Au层等，金属层也可以采用蒸镀进行制备。
接着采用光刻的方法在金属层表面制作出20μm厚的图形化光刻胶，即外延片的器件台面上没有光刻胶，台面之间的过道里有光刻胶，过道的宽度为300um，但并不限于此。
然后电镀沉积80μm厚的铜作为金属基底，由于光刻胶具有一定的厚度且不导电，所以铜只在台面上生长，达到了图形化电镀金属基底(即形成多个间隔设置的金属基底，且与电流扩展层单元一一对应)的目的，如图1的(c)所示，当然，在其它实施例中，金属基底也可以是镍基底、金基底、锌基底或铝基底等，厚度优选在50～100μm之间。
步骤S3，使用胶键合技术将金属基底固定在临时基板上从而将样品转移到临时基板上，并利用自分裂激光剥离技术去除蓝宝石衬底，激光剥离时，无电镀金属基底的区域的GaN基薄膜会发生分裂，形成碎片，从而使GaN基薄膜成功自分裂，实现器件分离。
具体的，先采用光敏胶甩胶键合技术，将图形化电镀后的样品转移到临时基板上，如图1的(d)所示，临时基板的材料可以为石英材料、玻璃材料、半导体材料或者金属材料。当然，在其它实施例中，胶键合时使用的胶也可以是热敏胶、导电胶等其它胶。
接着采用波长为248nm的KrF准分子激光透过蓝宝石辐照样品去除蓝宝石衬底，激光剥离时，无电镀金属基底的区域的GaN基薄膜发生分裂，形成碎片，从而使GaN基薄膜成功自分裂，实现器件分离，如图1的(e)所示。
步骤S4，去除外延片中的缓冲层、u-GaN层以及一部分n-GaN层，再制作n金属电极和顶部介质膜DBR。
具体的，先采用抛光技术去除高缺陷的缓冲层、u-GaN层以及一部分n-GaN层，并控制腔长使其减短到2～3μm。当然，在其它实施例中，也可以采用ICP刻蚀去除高缺陷的缓冲层、u-GaN层以及一部分n-GaN层，或ICP刻蚀与抛光技术混合使用去除高缺陷的缓冲层、u-GaN层以及一部分n-GaN层。
接着采用光刻技术制作n金属电极和顶部介质膜DBR，如图1的(f)所示，本具体实施例中，顶部介质膜DBR采用11.5对TiO2/SiO2介质膜交替叠层构成，但并不以此为限。
步骤S5，去除临时基板，得到分立的GaN基垂直腔面发射激光器。
具体的，采用丙酮溶液、手术刀、体视显微镜等工具去除临时基板，完成自分裂GaN基垂直腔面发射激光器的制作，得到分立的GaN基垂直腔面发射激光器，如图1的(g)所示。
本发明不仅可以有效解决VCSEL器件的散热问题，而且无需金属切割即可成功分离器件，有效的避免了金属切割带来的金属卷边和器件短路的问题，同时简化了器件制备的工艺流程，提高工艺产量，降低了成本。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，在具有蓝宝石基底的GaN基外延片上生长电流扩展层，然后采用光刻和刻蚀，制作出图形化的电流扩展层单元，再在电流扩展层单元的周围制作电流限制层，在电流限制层上制作p金属电极，p金属电极与电流扩展层单元电连接，在电流扩展层单元上方制作底部介质膜DBR；
步骤S2，在制作好底部介质膜DBR的样品上制作金属层，作为电镀的种子层，之后采用光刻和电镀技术在种子层上形成图形化的金属基底；
步骤S3，使用胶键合技术将金属基底固定在临时基板上从而将样品转移到临时基板上，并利用自分裂激光剥离技术去除蓝宝石衬底，具体为：激光剥离蓝宝石衬底时，无电镀金属基底的区域的GaN基薄膜会发生分裂，形成碎片，从而使GaN基薄膜成功自分裂，实现器件分离；
步骤S4，去除外延片中的缓冲层、u-GaN层以及一部分n-GaN层，再制作n金属电极和顶部介质膜DBR；
步骤S5，去除临时基板，得到分立的GaN基垂直腔面发射激光器。
2.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述GaN基外延片采用分子束外延、金属有机物化学气相外延、氢化物气相外延方法或者磁控溅射方法制备。
3.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述电流限制层采用氧化硅绝缘层、氮化硅绝缘层、氧化铝绝缘层、氧化钽绝缘层和氮化铝绝缘层中的一种。
4.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述电流扩展层采用ITO材料制成。
5.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述的金属层为Ni层/Au层、Cr层/Au层或Ti层/Au层。
6.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述的金属基底为铜基底、镍基底、金基底、锌基底或铝基底。
7.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，胶键合时使用的胶为光敏胶、热敏胶和导电胶中的一种。
8.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述的临时基板的材料为石英材料、玻璃材料、半导体材料或者金属材料。
9.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，使用抛光技术去除外延片中的缓冲层、u-GaN层以及一部分n-GaN层。
10.根据权利要求1所述的GaN基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S5中，去除临时衬底采用的工具包括丙酮溶液、体视显微镜和手术刀。
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