CN110289548B - flip chip型VCSEL芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光芯片技术领域，尤其涉及flip chip型VCSEL芯片及其制造方法，该VCSEL芯片包括由上至下设置的衬底、外延片，衬底上蚀刻有出光孔，外延片生长在衬底底面，外延片包括依次层叠设置的第一型反射层、量子阱、限制层和第二型反射层，第二型反射层、限制层、量子阱的侧壁被蚀刻至第一型反射层表面形成台柱，台柱上包覆有SiNx层，SiNx层在第二型反射层上成型有孔一，SiNx层的相对两侧分别生长有N‑contact和P‑contact，P‑contact和N‑contact相对设置成型有孔二，P‑contact和N‑contact的表面蒸镀有Sn层。N‑contact的材料包括但不限于AuGe、Au，P‑contact的材料包括但不限于Ti、Pt、Au。本发明的VCSEL芯片的散热路径无需通过衬底，可实现高效散热，达到热电分离的状态，从而提高了饱和电流，提高了功率效率及斜率效率。

Description

flip chip型VCSEL芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及激光芯片技术领域，尤其涉及flip chip型VCSEL芯片及其制造方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)芯片，又称VCSEL芯片，是以砷化镓半导体材料为基础的激光发射芯片，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。不同于需要切割成条状或者片状芯片才可以使用的传统侧发光激光器，垂直腔面发光激光器发光垂直于晶圆表面，因此可以在一个晶圆上生长更多的激光器，而且仅需要检测晶圆就可以达到监测激光器的目的，也同时具有圆形的光斑和比较小的发散角。更重要的是，VCSEL激光器的工艺简单可靠，产品的功耗低、尺寸小、成本低，适合于规模化生产，已经在超级计算机和数据中心的光互联中得到了应用。
VCSEL由于为上下电极，封装时需将VCSEL芯粒通过银胶将N电极固定，再在P电极进行打线，这种芯粒的封装操作过于繁琐；且现有的VCSEL芯片散热需经过较厚的衬底，从而导致散热效果不佳，导致VCSEL芯片功率效率及斜率效率不高。Flip Chip是指倒装芯片，其是将芯片翻转加热利用熔融的锡铅球与陶瓷基板相结合。Flip Chip既是一种芯片互连技术，又是一种理想的芯片粘接技术。早在30年前IBM公司已研发使用了这项技术。近几年来，Flip-Chip已成为高端器件及高密度封装领域中经常采用的封装形式。因此，如果能够将Flip-Chip技术应用在VCSEL芯片上，用于解决VCSEL芯片散热不佳导致的功率效率及斜率效率不高的问题，将具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供flip chip型VCSEL芯片及其制造方法，制造得到的VCSEL芯片的散热路径无需通过衬底，可实现高效散热，达到热电分离的状态，从而提高了饱和电流，提高了功率效率及斜率效率。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
本发明的一方面提供了一种flip chip型VCSEL芯片，包括由上至下设置的衬底、外延片，所述衬底上蚀刻有出光孔，所述外延片生长在衬底底面，所述外延片包括依次层叠设置的第一型反射层、量子阱、限制层和第二型反射层，所述第二型反射层、限制层、量子阱的侧壁被蚀刻至第一型反射层表面形成台柱，所述台柱的侧壁及所述台柱背离衬底的一面上均包覆有SiNx层，所述SiNx层在第二型反射层上成型有孔一，所述SiNx层的相对两侧分别生长有N-contact和P-contact，所述P-contact和N-contact相对设置且之间设置有孔二，所述P-contact和N-contact的表面蒸镀有Sn层。N-contact的材料包括但不限于AuGe、Au，P-contact的材料包括但不限于Ti、Pt、Au。
进一步，所述SiNx层分为第一SiNx层和第二SiNx层，所述第一SiNx层截面呈L形覆盖在台柱上，所述第二SiNx层截面呈Z字形覆盖在台柱上，所述第一SiNx层和第二SiNx层相对设置并在第二型反射层上形成孔一。SiNx层一方面作为保护层能够保护VCSEL芯片，另一方面SiNx层将由金属材料形成的第一型反射层与第二型反射层以及量子阱进行有效隔离，防止导通。
进一步，所述N-contact截面呈Z字形覆盖在第一SiNx层上，所述P-contact覆盖在第二SiNx层上，且所述P-contact完全填充孔一。
进一步，所述限制层包括导电结构和环绕所述导电结构的氧化结构。
进一步，所述导电结构为是由Al0.98GaAs形成的结构，所述氧化结构是由Al0.98GaAs经氧化处理形成的结构。
进一步，所述第一型反射层为N型分布式布拉格反射镜DBR层，所述第二型反射层为P型分布式布拉格反射镜DBR层。
进一步，所述衬底是厚度为100μm～170μm的GaAs衬底。
本发明的另一方面提供了上述flip chip型VCSEL芯片的制备方法，包括以下步骤：
提供衬底；
在衬底上依次生成第一型反射层、量子阱、导电结构、第二型反射层；
ICP干蚀刻外延片中的第二型反射层、导电结构、量子阱至第一型反射层表面形成台柱，在氧化炉内氧化部分导电结构形成氧化结构，所述氧化结构和未被氧化的导电结构构成限制层，所述第一型反射层、量子阱、限制层和第二型反射层构成外延片；
使用PEVCD机台在台柱的侧面和表面上生长一层SiNx层，蚀刻SiNx层在第二型反射层上形成孔一；
使用蒸镀机台在SiNx层上蒸镀金属生成N-contact和P-contact，N-contact和P-contact相对设置且形成有孔二；
在N-contact和P-contact上镀Sn层；
对衬底进行研磨减薄，翻转片源使衬底朝上；
在衬底上蚀刻出光孔；
固晶，当片源固晶电流导通时，激光从衬底上的出光孔射出。
进一步，所述SiNx层的生长条件为300～350℃，生长厚度为3000～5000埃。
进一步，所述衬底被研磨减薄至100～170um。
本发明的Flip chip型VCSEL芯片可简化封装，且由此结构构成的VCSEL芯片的散热路径不经过衬底，相较于传统的VCSEL芯片散热需经过厚度100um～150um左右的衬底而言，本发明的Flip chip型VCSEL芯片具有较短的散热路径，能够达到高效散热，达到热电分离的状态。另外，本发明的Flip chip型VCSEL芯片高效散热的设计提高了饱和电流，进而提高了功率效率及斜率效率。
附图说明
图1至图6是本发明flip chip型VCSEL芯片的制造方法中各步骤对应的结构示意图；
图7是本发明的flip chip型VCSEL芯片的电流扩展方向及散热路径示意图；
其中，衬底100、第一型反射层210、量子阱220、限制层230、氧化结构231、导电结构232、第二型反射层240、出光孔3、第一SiNx层410、第二SiNx层420、孔一5、N-contact 600、P-contact 700、孔二8。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图6所示，本发明的flip chip型VCSEL芯片，包括由上至下设置的衬底100、外延片，衬底100采用GaAs衬底，衬底100的厚度取值为100μm～170μm，即衬底100的厚度可以设置为100μm、120μm、130μm、150μm、160μm、170μm等，优选为100μm。
衬底100上蚀刻有出光孔3，外延片生长在衬底100底面，外延片包括依次层叠设置的第一型反射层210、量子阱220、限制层230和第二型反射层240。第一型反射层210为N型分布式布拉格反射镜DBR层，即N-DBR，第二型反射层240为P型分布式布拉格反射镜DBR层，即P-DBR。具体地，N-DBR包括30个层叠排列的反射单元，P-DBR包括20个层叠排列的反射单元，反射单元包括一层砷化铝层和一层砷化镓铝层，每个反射单元的厚度与VCSEL芯片出射的光线的波长关系为，反射单元的厚度为VCSEL芯片出射的光线的波长的四分之一。限制层230包括导电结构232和环绕导电结构232的氧化结构231，导电结构232由Al0.98GaAs生成，氧化结构231由Al0.98GaAs经氧化处理形成。第二型反射层240、限制层230、量子阱220的侧壁被蚀刻至第一型反射层210表面形成台柱，台柱的侧壁及台柱背离衬底的一面上均包覆有SiNx层，SiNx层的厚度取值范围为3000～5000埃，SiNx层一方面作为保护层能够保护VCSEL芯片，另一方面SiNx层将由金属材料形成的第一型反射层与第二型反射层以及量子阱进行有效隔离，防止导通。
具体地，SiNx层分为第一SiNx层410和第二SiNx层420，第一SiNx层410截面呈L形覆盖在台柱上，第二SiNx层420截面呈Z字形覆盖在台柱上，第一SiNx层410和第二SiNx层420相对覆盖在台柱上并在第二型反射层240上形成孔一5。
SiNx层的相对两侧分别生长有N-contact 600和P-contact 700，N-contact 600采用材料AuGe、Au蒸镀生长形成，P-contact 700采用材料Ti、Pt、Au蒸镀生长形成，P-contact 700和N-contact 600相对设置成型有孔二8，具体的，N-contact 600截面呈Z字形覆盖在第一SiNx层410上，P-contact 700覆盖在第二SiNx层420上，且P-contact 700完全填充孔一5。P-contact 700和N-contact 600的表面蒸镀有Sn层。
如图7所示，上述实施例描述的flip chip型VCSEL芯片散热路径不需要经过100um～150um厚的衬底，相对而言，散热路径较短，散热效果较好，能够达到热电分离的状态，进而提高了斜率效率和功率效率。下面结合flip chip型VCSEL芯片的制造方法，以及相应附图图1-图6对本发明实施例提供的技术方案进行更详细的描述。本发明实施例提供的flipchip型VCSEL芯片的制造方法，包括以下步骤：
S1.提供衬底100，在衬底100上按照常规方法依次叠加生长第一型反射层210、量子阱220、导电结构和第二型反射层240，此时的导电结构覆盖量子阱220，导电结构采用Al0.98GaAs材料生成，经过步骤S1后的衬底及其表面结构的剖面示意图参考图1；
S2.如图2所示，按照图2示出的图形，使用ICP干蚀刻外延片中的第二型反射层240、导电结构、量子阱220至第一型反射层210表面形成台柱，在氧化炉内通过常规的湿法氧化方法对导电结构进行氧化处理，氧化部分导电结构形成氧化结构231，氧化结构231和未被氧化的导电结构构成限制层230，第一型反射层210、量子阱220、限制层230和第二型反射层240构成外延片；
S3.使用PECVD机台通过常规方法，于生长条件温度300～350℃在台柱上生长一层厚度尺寸为3000～5000埃的SiNx层，按照如图3所示的图形，蚀刻SiNx层在第二型反射层上形成孔一5，孔一5的相对两侧的SiNx层分别为第一SiNx层410、第二SiNx层420，如图3所示，第一SiNx层410截面呈L形覆盖在台柱上，第二SiNx层420截面呈Z字形覆盖在台柱上，SiNx层一方面作为保护层能够保护VCSEL芯片，另一方面SiNx层将由金属材料形成的第一型反射层与第二型反射层以及量子阱进行有效隔离，防止导通；
S4.如图4所示，在第一SiNx层410上，采用材料AuGe、Au通过蒸镀机台蒸镀生成N-contact 600，在第二SiNx层420上，采用材料Ti、Pt、Au通过蒸镀机台蒸镀生成P-contact700，P-contact 700完全填充孔一，N-contact 600和P-contact 700相对设置且成型有孔二；
S5.在N-contact 600和P-contact 700上表面使用E-Gun机台按照常规方法镀Sn层，使得后续封装可以采用倒装片这种简易的封装形式；
S6.如图5所示，将衬底进行研磨减薄至100～170um，随后翻转片源，使衬底100朝上；
S7.如图6所示，按照常规方法在衬底上蚀刻出出光孔3；
S8.如图7所示，按照常规方法进行固晶，当片源固晶电流导通时，激光从衬底100上的出光孔3射出。
上述制造方法制造的VCSEL芯片可简化封装，且由此结构构成的VCSEL芯片的散热路径不经过衬底，相较于传统的VCSEL芯片散热需经过厚度100um～150um左右的衬底而言，具有较短的散热路径，能够达到高效散热，达到热电分离的状态，进而提高了功率效率及斜率效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.flip chip型VCSEL芯片，其特征在于，包括由上至下设置的衬底、外延片，所述衬底上蚀刻有出光孔，所述外延片生长在衬底底面，所述外延片包括依次层叠设置的第一型反射层、量子阱、限制层和第二型反射层，所述第二型反射层、限制层、量子阱的侧壁被蚀刻至第一型反射层表面形成台柱，所述台柱的侧壁及所述台柱背离衬底的一面上均包覆有SiNx层，所述SiNx层分为第一SiNx层和第二SiNx层，所述第一SiNx层截面呈L形覆盖在台柱的侧面和顶面上，所述第二SiNx层截面呈Z字形覆盖在台柱上，所述第一SiNx层和第二SiNx层相对设置并在第二型反射层上形成孔一；
所述第一SiNx层上生长有N-contact，所述N-contact截面呈Z字形覆盖在第一SiNx层上，所述第二SiNx层上生长有P-contact，所述P-contact覆盖在第二SiNx层的侧面及顶面上，且所述P-contact完全填充孔一，所述P-contact和N-contact相对设置且之间设置有孔二，所述P-contact和N-contact的表面蒸镀有Sn层。
2.根据权利要求1所述的flip chip型VCSEL芯片，其特征在于，所述限制层包括导电结构和环绕所述导电结构的氧化结构。
3.根据权利要求2所述的flip chip型VCSEL芯片，其特征在于，所述导电结构为是由Al0.98GaAs形成的结构，所述氧化结构是由Al0.98GaAs经氧化处理形成的结构。
4.根据权利要求3所述的flip chip型VCSEL芯片，其特征在于，所述第一型反射层为N型分布式布拉格反射镜DBR层，所述第二型反射层为P型分布式布拉格反射镜DBR层。
5.根据权利要求1-4任一所述的flip chip型VCSEL芯片，其特征在于，所述衬底是厚度为100μm～170μm的GaAs衬底。
6.flip chip型VCSEL芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在衬底上依次生成第一型反射层、量子阱、导电结构、第二型反射层；
蚀刻外延片中的第二型反射层、导电结构、量子阱至第一型反射层表面形成台柱，在氧化炉内氧化部分导电结构形成氧化结构，所述氧化结构和未被氧化的导电结构构成限制层，所述第一型反射层、量子阱、限制层和第二型反射层构成外延片；
在台柱的侧面和表面上生长一层SiNx层，所述SiNx层分为第一SiNx层和第二SiNx层，所述第一SiNx层截面呈L形覆盖在台柱的侧面和顶面上，所述第二SiNx层截面呈Z字形覆盖在台柱上，所述第一SiNx层和第二SiNx层相对设置并在第二型反射层上形成孔一；
在第一SiNx层上蒸镀金属生成N-contact，所述N-contact截面呈Z字形覆盖在第一SiNx层上，在第二SiNx层上蒸镀金属生成P-contact，所述P-contact覆盖在第二SiNx层的侧面及顶面上，且所述P-contact完全填充孔一，N-contact和P-contact相对设置且形成有孔二；
在N-contact和P-contact上镀Sn层；
对衬底进行研磨减薄，翻转片源使衬底朝上；
在衬底上蚀刻出光孔；
固晶。
7.根据权利要求6所述的flip chip型VCSEL芯片的制造方法，其特征在于，所述SiNx层的生长条件为300～350℃，生长厚度为3000～5000埃。
8.根据权利要求7所述的flip chip型VCSEL芯片的制造方法，其特征在于，所述衬底被研磨减薄至100～170um。
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