CN111244759A - 一种具有透明顶衬与背面正负电极的vcsel器件及其制备方法 - Google Patents

一种具有透明顶衬与背面正负电极的vcsel器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法，包括：外延层上的氧化沟道和通过氧化层限定出的VCSEL单元台面结构；位于所述外延层上的透明顶衬及设置于透明顶衬上的光学元件；所述外延层背面形成的通孔；所述外延层背面包含正极与负极。本发明通过一次正面键合顶衬，然后移除背面衬底即可完成主要制程；该器件由于出光在正面，制程上对背面光刻的精准度要求比较宽松；正负电极位于背面，封装时无需打线，直接表面贴片，易与驱动等其他组件直接贴合。

Description

一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备 方法
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)技术领域，尤其涉及一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法。
背景技术
目前，在众多智慧设备比如智慧手机中，对平顶红外照明(IR)投影模块具有巨大的市场需求，该模块在TOF测量、安全摄像设备等具体应用中发挥着至关重要的作用，垂直腔面发射激光器(VCSEL)则是平顶红外照明投影模块中最为核心的器件。
现有的VCSEL器件一般采用背面出光，正负电极位于正面，器件制备过程中，正面刻蚀结束后通常需要先在正面键合(Bonding)顶衬以保护正面结构，然后移除背面衬底，进行背面制程，将背面与透明衬底键合后，再移除正面键合的顶衬。此制备过程存在如下问题：一是需要进行两次衬底键合过程，工序复杂且表面质量较难控制。采用背面出光的方式，背面衬底材料对激光波长有限制，例如GaAs衬底不适合使用940nm以下波长，对出光效率造成影响；二是背面制程所需精度高(精度小于5um)；三是封装时需打线，增加电感影响高频传输，大量生产时无法有效管控。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的问题，本发明提出一种新的正面出光，顶衬透明，背面贴装型VCSEL器件，包括：外延层上的氧化沟道和通过氧化层19限定出的VCSEL单元台面结构；位于所述外延层上的透明顶衬12；所述外延层背面形成的连接正面种子金属层10的通孔14；所述外延层背面包含负极17，所述通孔14包含正极18。
优选的，所述台面结构包括量子阱层2，位于所述量子阱层2和所述氧化层19上的P型DBR层1，位于量子阱层2下的N型DBR层3，位于所述P型DBR层1上的P型欧姆金属层5、第一钝化层4、第二钝化层9、正面种子金属层10和电镀金属层11。电流注入时电子与电洞于量子阱层2复合产生光子，光子在P型DBR层与N型DBR层组成的高反射率共振腔内来回反射并激发其他光子，当增益大于共振腔内部损耗后于正面出光。
优选的，所述透明顶衬12为均一材料的单层结构或不同材料的多层结构；所述多层结构的任一层结构上设置光学元件20。
优选的，所述光学元件20包括漫射器、超表面、透镜、光栅、衍射光学组件。
优选的，所述光学元件20用于实现远场光学效果；所述效果包括：长方形平顶、超大出射角度、小角度及近准直光束、非垂直出射方向、周期性散斑点阵。
优选的，所述外延层背面包括N+高掺杂半导体层6、N型欧姆金属层13、第三钝化层15、背面种子金属层16和负极17。
优选的，所述通孔14设有第三钝化层15、背面种子金属层16和正极18。
优选的，所述P型DBR层1、所述N型DBR层3材料选自Ⅲ-Ⅴ族化合物、SiN、SiO、SiON；所述Ⅲ-Ⅴ族化合物包括AlxGa(1-x) As，InyGa(1-y)AsP，AlN，GaN，InGaN，AlGaN。
优选的，所述量子阱层2材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物；所述Ⅲ-Ⅴ族化合物包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaP、InGaNAsP。
优选的，所述透明顶衬12材料选自AlOx、SiOx、SiNx、有机聚合物。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，包括如下步骤
1)在外延层正面形成包含氧化层19的VCSEL单元台面结构；
2)在所述台面结构上设置透明顶衬12；
3)在所述外延层背面刻蚀通孔14连接至正面种子金属层10；
4)在所述外延层背面形成负极17与正极18。
优选的，所述步骤1)包括
1.1在外延层正面通过依次执行黄光工艺、P型欧姆金属层5蒸镀、第一钝化层4沉积及蚀刻工艺形成沟槽22、VCSEL单元台面结构及相应的发光区域，后执行氧化工艺形成氧化层19；
1.2在所述第一钝化层4上沉积第二钝化层9，并暴露出所述P型欧姆金属层5；
1.3在所述外延层正面生长正面种子金属层10和电镀金属层11。
优选的，所述步骤2)包括
2.1在所述电镀金属层11上设置透明顶衬12；
2.2依次剥离所述外延层背面的衬底8和阻挡层7，暴露出所述外延层背面的N+高掺杂半导体层6(N+high-doped contact layer)。随后可在背面进行制程，简化了键合(bonding)工序，缩短制备时间；与背面出光对材料的限制相比，正面透明顶衬12出光，对激光波长没有限制，提高了出光效率；且正面出光时，背面的制程精度要求不高，易于实现。
优选的，所述步骤3)包括：
3.1在不包含台面结构垂直投影区的区域，蚀刻贯穿至所述正面种子金属层10的通孔14；
3.2在包含台面结构垂直投影区的N+高掺杂半导体层6沉积N型欧姆金属层13。
优选的，所述步骤4)包括：
4.1在外延层背面沉积第三钝化层15，并刻蚀使得N型欧姆金属层13以及正面种子金属层10暴露；
4.2在所暴露出的所述N型欧姆金属层13和所述通孔14中形成背面种子金属层16；
4.3在所述背面种子金属层16上镀金属以形成背面的负极17与通孔14中的正极18。
优选的，所述透明顶衬12上设置光学元件20；设置所述光学元件20方式包括纳米压印，灰度光刻或光刻胶回流。
优选的，所述第一钝化层4、第二钝化层9或第三钝化层15材料选自AlOx、SiOx、SiNx、SiON、有机聚合物。
优选的，所述P型欧姆金属层5、背面种子金属层16和N型欧姆金属层13材料选自Ti、Pt、Au、Pd、Ge及其合金。
以VCSEL器件为中心，透明顶衬在发光的同方向，即在原来生长衬底的反方向；正负电极均在发光的反方向，即原来生长衬底的同方向。
本发明所提供的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法取得如下有益效果：
(1)通过一次正面键合顶衬，然后移除背面衬底即可完成制程，简化了键合工序，缩短制备时间；
(2)正面出光使得背面制程不需很高的精准度(>15um)；
(3)在透明顶衬上设计光学组件，可以实现一些特殊的远场效果，可取代外部被动封装光学组件；
(4)正负电极位于背面，封装时无需打线，而且易与其他组件结合。
附图说明
图1是本发明实施例1的形成台面结构和发光区示意图；
图2是本发明实施例1的沉积第二钝化层示意图；
图3是本发明实施例1的生长正面种子金属层和电镀金属层示意图；
图4是本发明实施例1的键合透明顶衬示意图；
图5是本发明实施例1的刻蚀背面通孔的示意图；
图6是本发明实施例1的形成第三钝化层示意图；
图7是本发明实施例1的形成背面电极示意图。
P型DBR层 1，
量子阱层 2，
N型DBR层 3，
第一钝化层 4，
P型欧姆金属层 5，
N+高掺杂半导体层 6，
阻挡层 7，
衬底 8，
第二钝化层 9，
正面种子金属层 10，
电镀金属层 11，
蓝宝石透明顶衬 12，
N型欧姆金属层 13，
通孔 14，
第三钝化层 15，
背面种子金属层 16，
负极 17,
正极 18，
氧化层 19，
光学元件 20
发光孔 21
沟槽 22
具体实施方式
下面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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种具有蓝宝石透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法，如图1所示，在外延层正面依次执行黄光工艺、P型欧姆金属层5蒸镀、第一钝化层4沉积及蚀刻工艺，刻透量子阱层2，刻蚀部分N型DBR层3形成沟槽22、VCSEL单元台面结构及相应的发光区域，然后执行氧化工艺形成氧化层19，P型欧姆金属层材料为Ti。
如图2所示，在第一钝化层4上沉积第二钝化层9，刻蚀第二钝化层9暴露出P型欧姆金属层5。
如图3所示，在外延层正面生长正面种子金属层10和电镀金属层11。
如图4所示，在所述电镀金属层11上键合单层结构的蓝宝石透明顶衬12，依次剥离外延层背面的衬底8和阻挡层7，暴露出外延层背面的N+高掺杂半导体层6。
如图5所示，在不包含台面结构垂直投影区的区域，蚀刻贯穿至所述正面种子金属层10的通孔14，在包含台面结构垂直投影区的N+高掺杂半导体层6沉积N型欧姆金属层13，N型欧姆金属层材料为Pt。
如图6所示，在外延层背面沉积第三钝化层15，并刻蚀使得N型欧姆金属层13以及正面种子金属层10暴露。
如图7所示，在所暴露出的N型欧姆金属层13和通孔14中形成背面种子金属层16；在背面种子金属层16上镀金属以形成背面的负极17与通孔14中的正极18。第一钝化层、第二钝化层和第三钝化层材料为AlOx；最后在蓝宝石透明顶衬上表面设置光学元件20，设置光学元件20方式可以为纳米压印，灰度光刻或光刻胶回流。
在优选的实施例中，蓝宝石透明顶衬为不同材料的多层结构，在任一层结构上设置光学元件20，第一钝化层、第二钝化层和第三钝化层材料选自SiOx、SiNx和有机聚合物，P型欧姆金属层、N型欧姆金属层材料选自Au、Pd、Ge及其合金。背面种子金属层、正面种子金属层材料选自Ti、Pd、Ge及其合金。
Figure BDA0002369058320000071
表1·不同器件结构制备工艺对比
如表1所示，为不同器件结构制备工艺对比，由表可见，正面出光对背面光刻对齐精度要求较低，易于操作，而本实施例制得的VCSEL器件正面出光，正面蓝宝石透明顶衬键合后直接移除背面GaAs衬底进行背面制程，无须再次移除顶衬，键合次数为1次，同时正电极与负电极同面，避免打线，节省了工序又易于与其他光学组件结合。
器件结构包括：外延层上的氧化沟道和通过氧化层限定出的VCSEL单元台面结构；位于所述外延层上的均一材料的单层结构蓝宝石透明顶衬12及设置于蓝宝石透明顶衬上的光学元件20；所述外延层背面形成的通孔14；所述外延层背面形成的负电极，通孔14中形成的正电极，背面可以包含正极焊盘与负极焊盘。所述台面结构包括量子阱层2，位于所述量子阱层2和所述氧化层19上的P型DBR层1，位于量子阱层下的N型DBR层3。所述台面结构还包括位于P型DBR层1上的P型欧姆金属层5、第一钝化层4、第二钝化层9、正面种子金属层10和电镀金属层11。蓝宝石透明顶衬12位于所述电镀金属层11上。所述蓝宝石透明顶衬12上设置光学元件20；所述光学元件20包括漫射器、超表面、透镜、光栅、衍射光学组件。所述光学元件20用于实现远场光学效果；所述效果包括长方形平顶、超大出射角度、小角度及近准直光束、非垂直出射方向、周期性散斑点阵。P型DBR层1和N型DBR层3材料分别为SiN和SiO，量子阱层材料为GaAs。
优选的实施例中，P型DBR层1和N型DBR层3材料选自AlxGa(1-x)As，InyGa(1-y)AsP，AlN，GaN，InGaN，AlGaN和SiON；量子阱层2材料选自AlGaAs、InGaAs、InGaP、InGaNAsP。
所述外延层背面镀有N+高掺杂半导体层6、N型欧姆金属层13、第三钝化层15、背面种子金属层16和负极17。所述通孔14镀有第三钝化层15、背面种子金属层16和正极18。
在更优选的实施例中，蓝宝石透明顶衬12为包括玻璃层和聚合物层的多层结构，最上层的聚合物层上设置光学元件20。
本实施例制备的VCSEL器件可广泛应用于手机感测，车用感测，医疗激光，光纤通讯，量子计算机，距离感测和安全系统应用感测。
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，并不用于限定本发明的保护范围，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 (18)

1.一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：包括
外延层上的氧化沟道和通过氧化层(19)限定出的VCSEL单元台面结构、位于所述外延层上的透明顶衬(12)；
所述外延层背面形成的连接正面种子金属层(10)的通孔(14)；
所述外延层背面包含负极(17)，所述通孔(14)包含正极(18)。
2.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述台面结构包括量子阱层(2)，位于所述量子阱层(2)和所述氧化层(19)上的P型DBR层(1)，位于量子阱层(2)下的N型DBR层(3)，位于所述P型DBR层(1)上的P型欧姆金属层(5)、第一钝化层(4)、第二钝化层(9)、正面种子金属层(10)和电镀金属层(11)。
3.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述透明顶衬(12)为均一材料的单层结构或不同材料的多层结构；所述多层结构的任一层结构上设置光学元件(20)。
4.如权利要求3所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述光学元件(20)包括漫射器、超表面、透镜、光栅、衍射光学组件。
5.如权利要求4所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述光学元件(20)用于实现远场光学效果；所述效果包括：长方形平顶、超大出射角度、小角度及近准直光束、非垂直出射方向、周期性散斑点阵。
6.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述外延层背面包括N+高掺杂半导体层(6)、N型欧姆金属层(13)、第三钝化层(15)、背面种子金属层(16)和负极(17)。
7.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述通孔(14)设有第三钝化层(15)、背面种子金属层(16)和正极(18)。
8.如权利要求2所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述P型DBR层(1)、所述N型DBR层(3)材料选自Ⅲ-Ⅴ族化合物、SiN、SiO、SiON；所述Ⅲ-Ⅴ族化合物包括AlxGa(1-x)As，InyGa(1-y)AsP，AlN，GaN，InGaN，AlGaN。
9.如权利要求2所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述量子阱层(2)材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物；所述Ⅲ-Ⅴ族化合物包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaP、InGaNAsP。
10.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述透明顶衬(12)材料选自AlOx、SiOx、SiNx、有机聚合物。
11.一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)在外延层正面形成包含氧化层(19)的VCSEL单元台面结构；
2)在所述台面结构上设置透明顶衬(12)；
3)在所述外延层背面刻蚀通孔(14)连接至正面种子金属层(10)；
4)在所述外延层背面形成负极(17)与正极(18)。
12.如权利要求11所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：所述步骤1)包括
1.1在外延层正面依次执行黄光工艺、P型欧姆金属层(5)蒸镀、第一钝化层(4)沉积及蚀刻工艺形成沟槽(22)、VCSEL单元台面结构及发光区域，后执行氧化工艺形成氧化层(19)；
1.2在所述第一钝化层(4)上沉积第二钝化层(9)，并暴露出所述P型欧姆金属层(5)；
1.3在所述外延层正面生长正面种子金属层(10)和电镀金属层(11)。
13.如权利要求12所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：所述步骤2)包括
2.1在所述电镀金属层(11)上设置透明顶衬(12)；
2.2依次剥离所述外延层背面的衬底(8)和阻挡层(7)，暴露出所述外延层背面的N+高掺杂半导体层(6)。
14.如权利要求11所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：所述步骤3)包括：
3.1在不包含台面结构垂直投影区的区域，蚀刻贯穿至所述正面种子金属层(10)的通孔(14)；
3.2在包含台面结构垂直投影区的N+高掺杂半导体层(6)沉积N型欧姆金属层(13)。
15.如权利要求14所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：所述步骤4)包括：
4.1在外延层背面沉积第三钝化层(15)，并刻蚀使得N型欧姆金属层(13)以及正面种子金属层(10)暴露；
4.2在所暴露出的所述N型欧姆金属层(13)和所述通孔(14)中形成背面种子金属层(16)；
4.3在所述背面种子金属层(16)上镀金属以形成背面的负极(17)与通孔(14)中的正极(18)。
16.如权利要求11所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：所述透明顶衬(12)上设置光学元件(20)；设置所述光学元件(20)方式包括纳米压印，灰度光刻或光刻胶回流。
17.如权利要求12所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：所述第一钝化层(4)和第二钝化层(9)材料选自AlOx、SiOx、SiNx、SiON、有机聚合物；所述P型欧姆金属层(5)材料选自Ti、Pt、Au、Pd、Ge及其合金。
18.如权利要求15所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：所述第三钝化层(15)材料选自AlOx、SiOx、SiNx、SiON、有机聚合物；所述背面种子金属层(16)和所述N型欧姆金属层(13)材料选自Ti、Pt、Au、Pd、Ge及其合金。
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