CN111653934B - 一种基于立体掩模衬底的半导体激光器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于立体掩模衬底的半导体激光器制备方法。该方法在异质衬底上制备立体掩模层，所述立体掩模层包括第一层掩模、第二层掩模和位于第一层掩模、第二层掩模之间的中间填充层，所述第一层掩模的窗口与所述第二层掩模的窗口错开一定距离；在所述异质衬底上利用所述立体掩模层外延生长III族氮化物材料；在所述III族氮化物材料上外延生长激光器结构层。本发明能够在价格低廉的蓝宝石、Si等衬底上，配合有限步骤的简单工艺和生长步骤即可获得用于GaN基激光器外延的高质量衬底，显著降低了半导体激光器的制作成本，缩减了工艺步骤，提高了半导体激光器的制作效率。

Description

一种基于立体掩模衬底的半导体激光器制备方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于立体掩模衬底的半导体激光器制备方法。

背景技术

半导体激光器是一种非常重要的激光电子器件，尤其是GaN基半导体激光器，由于通过掺杂可以使其发射的光波覆盖了从紫外光到绿光波段，GaN基激光器在高密度光信息存储、投影显示、激光打印、水下通信、生物化学试剂的激活以及医疗方面具有重要的应用价值。虽然GaN基激光器已经实现商业化，例如日本的Nichia和德国OSRAM等公司已经有GaN激光器产品，但是其高昂的制造成本还是阻碍了其被更广泛的应用。例如在激光电视等未来可期的应用领域，由于激光器成本过高，导致制备价格高昂，普通民众家庭无法接受价格高昂的激光电视，因此还无法大规模推广应用。当前除了研究激光器结构和外延生长外，还应该用技术的创新来解决成本问题。而本发明就是针对制造成本进行优化的技术。

分析GaN基半导体激光器制造成本居高不下的原因，大致有三个方面的来源。第一个原因是制造过程复杂，耗时较长。激光器由于其复杂的材料结构，需要在衬底上进行多层材料的生长，每一层的掺杂浓度、生长温度和生长厚度都有差异，反复的调节生长条件导致生长周期长，成本远高于普通LED的生长。第二个原因是加工工艺复杂。由于激光器的电流注入方式有特殊要求，因此器件加工是非常重要的工艺环节，需要多次光刻刻蚀技术，耗费时间和成本较高。并且激光器对散热有较高的要求，需要对原有的衬底进行剥离或者减薄。剥离和磨薄的过程较为耗时。因此激光器的加工工艺成本较高。第三方面的高成本来自于生长激光器使用的衬底材料。由于GaN基半导体激光器的寿命与材料的晶体之间是正相关关系，尤其是大功率激光器，需要施加的电压和电流都相对要大很多，晶体材料中的穿透位错等缺陷会形成漏电通道增加发热量，导致器件烧毁。目前的研究表明，激光器寿命要大于1万小时需要生长材料的穿透位错密度低于5×10⁶/cm²。对于GaN材料来说，如此高的材料晶体质量要求是目前异质衬底外延很难达到的(PSS蓝宝石衬底外延的穿透位错密度在10⁸/cm²量级，侧向外延ELOG技术可以到达10⁷/cm²水平)。因此要求使用高质量GaN同质自支撑衬底(高质量GaN同质自支撑衬底自身的位错密度可以到达10⁶/cm²量级，在此基础上外延的GaN激光器结构其穿透位错密度可以低于5×10⁶/cm²)或者是二次侧向外延技术生长的衬底来生长激光器结构。在目前的技术环境下高质量的GaN同质衬底价格昂贵，且是国际上严格限制出口的产品，目前国内还没有厂家能稳定的大批量的供应高质量GaN同质衬底，因此国内GaN基半导体激光器的产业化发展受到严重的阻碍。很多研究都停留在实验室水平，很难工业化生产，因为缺乏批量高质量GaN衬底的供应。另外的二次侧向外延技术，需要反复入炉生长以及多次工艺，导致杂质并入以及良率大大降低，因此成本也相对较高，不利于产业化批量生产。

具体来说，现有技术的主要缺点包括：

1)高质量的自支撑GaN同质衬底通常是用HVPE等方法生长的，而不是MOCVD方法。因为HVPE寄生生长和晶体切割等原因使得其晶体表面需要磨抛，磨抛过后的衬底需要进行特别的处理才能进行生长，例如需要进行酸洗、刻蚀等过程，否则很难得到高质量的GaN外延层。这无疑增加了工艺环节和耗费时间，增加了制造成本。另外，由于处理后的表面也不能保证外延生长的材料有相同的状态，因此稳定性和良率控制也是其中一个难点。

2)高质量GaN同质自支撑衬底价格昂贵，且很难批量获得，属于国际限制出口高技术产品。而国内缺乏批量供应高质量GaN同质自支撑衬底的厂商。

3)高质量GaN同质自支撑衬底晶圆尺寸通常为两英寸大小。小尺寸晶圆的边角废弃面积占比较大。小尺寸晶圆的限制使得其不能像硅基集成电路一样通过扩大晶圆尺寸来提高单片晶圆的利用率来降低成本，不利于大规模量产降低成本。

4)另一方面，通过异质衬底二次侧向外延技术获得的衬底来生长激光器结构，其衬底工艺较为复杂，高质量区域较少，衬底面积利用率很低。由于第一次侧向外延的过程中，窗口区由于没有阻挡，位错密度较高，需要进行二次侧向外延，将第二次侧向外延的窗口区开在第一层的翼区(高质量区)，从而达到过滤第一次侧向外延窗口区位错的目的。然而，第一层侧向外延的翼区和窗口区通常有一定的晶格倾转，这将导致底层侧向外延的表面晶向并不完全是一个方向的，从而使得第二次侧向外延层产生更严重的晶体倾转。在此倾转较大的晶体表面外延GaN材料会产生应力，很难很好的外延好激光器结构层。

发明内容

针对工艺环节和高质量衬底成本高昂且不易获得的难题，本发明提供了一种新的技术方案，使用立体掩模衬底，旨在降低GaN基半导体激光器的的生产制造成本，使得其在国内大规模生产成为可能。通过本发明描述的技术方案，可以在价格低廉的蓝宝石、Si等衬底上，配合有限步骤的简单工艺和生长步骤即可获得用于GaN基激光器外延的高质量衬底。但是，使用立体掩模衬底与使用常规平面衬底相比，激光器的制备技术有差别。直接套用平面衬底的工艺和步骤是无法获得与平面衬底一致的预期效果的，因为衬底有其自身的特殊性。因此本发明的技术方案中，还提供了一套相应的晶体生长技术和工艺加工方案。这套晶体生长技术方案是针对立体掩模衬底的特点而设计的，是研究者从实验经验中得到的优化方案。这些技术关键点，克服了直接使用立体掩模制备激光器的难点。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于立体掩模衬底的半导体激光器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在异质衬底上制备立体掩模层，所述立体掩模层包括第一层掩模、第二层掩模和位于第一层掩模、第二层掩模之间的中间填充层，所述第一层掩模的窗口与所述第二层掩模的窗口错开一定距离；

在所述异质衬底上利用所述立体掩模层外延生长III族氮化物材料；

在所述III族氮化物材料上外延生长激光器结构层。

进一步地，所述异质衬底为蓝宝石衬底或者硅衬底。

进一步地，所述在异质衬底上制备立体掩模层，包括：

在异质衬底上沉积第一层掩模；

在第一层掩模上刻蚀窗口；

在第一层掩模上沉积中间填充层；

在中间填充层上沉积第二层掩模；

在第二层掩模上制备与第一层掩模相同图案的窗口，并与第一层掩模上的窗口错开一定距离；

使用腐蚀溶液腐蚀中间填充层，露出第一层掩模的窗口。

进一步地，采用MOCVD技术连续生长所述III族氮化物材料和所述激光器结构层。

进一步地，在所述立体掩模层的沟道内设置第一预置应力层，在III族氮化物材料之上、激光器结构层的波导层之下设置第二预置应力层；对于传递压应力的异质衬底，所述第一预置应力层提供张应力；对于传递张应力的异质衬底，所述第一预置应力层提供压应力。

进一步地，对于传递压应力的异质衬底，所述第一预置应力层为InGaN或InGaN/GaN的超晶格；对于传递张应力的异质衬底，所述第一预置应力层为AlGaN或AlGaN/GaN的超晶格。

进一步地，所述第一预置应力层为InGaN层时，其中In的摩尔百分含量为3％～30％，厚度为10～500nm；所述第二预置应力层为InGaN层，其中In的摩尔百分含量为1％～30％，厚度为10～500nm。

进一步地，在对所述激光器结构层制备电极之前，通过LPCVD沉积SiN_x绝缘薄膜作为绝缘保护层；在制备电极时，采用ICP刻蚀方法在所述绝缘保护层上开窗口来沉积金属电极。

进一步地，在外延生长所述激光器结构层之后，首先在激光器结构层上粘接背板，并通过腐蚀方式进行衬底剥离，然后进行激光器腔面解理；或者，首先将衬底减薄并进行激光器腔面解理，然后在激光器结构层上粘接背板并进行残余衬底剥离。

基于同一发明构思，本发明还提供一种采用上面所述方法制备的半导体激光器。

本发明的的关键点包括：

1、使用立体掩模制备激光器。

2、针对立体掩模，生长的时候，需要进行预置应力层生长。预置应力层分别是：设置在立体掩模沟道里的InGaN/GaN超晶格的第一预置应力层，和在钻出沟道后的InGaN/GaN超晶格的第二预置应力层。

3、工艺步骤中，需要先进行腐蚀剥离，然后进行激光器腔面解理。并且，解理之前的背板操作需要使用单窄条背板，方便激光器的解理。

4、为了保护激光器最上层结构在腐蚀过程中不被破坏，需要用LPCVD制备高致密度的SiNx薄膜作为绝缘层保护器件结构，并隔离电极。

5、相应的，在制备电极的时候，不是使用常规的BOE溶液腐蚀绝缘保护层，而是使用ICP刻蚀方法在绝缘层上开窗口来沉积金属电极。

与现有技术相比，本发明有三个明显的优势：第一个优势是大大的降低了制作成本；第二个优势是缩减了工艺步骤，提高了制作效率；第三个是打破了国际少数国家的技术垄断。下面主要以GaN为例具体说明该三个优势，这些优势也适用于其他III族氮化物材料。

1.在降低成本方面，有几个关键点：

1)同尺寸立体掩模的成本不到同质衬底的1/5，而因此极大的节约了成本。

2)本衬底技术支持4寸、6寸或更大的衬底晶圆尺寸，而同质衬底目前主要为2寸大小，更大尺寸制备还有困难。因此可以通过大尺寸衬底来提高衬底面积的利用率，减少边角废料占比，从而降低成本。

2.在工艺步骤缩减，提高制作效率方面，有几个关键点：

1)由于在立体掩模衬底上外延基础GaN层也是使用的MOCVD技术，因此几乎不需要额外的衬底表面预处理工艺就可以进行激光器结构生长，而使用同质衬底则需要进行表面处理。甚至可以直接从立体掩模上，用MOCVD技术连续生长完成所有含GaN层，包括基础GaN层和后续的激光器结构层。但是，由于立体掩模衬底的结构特点，衬底与GaN晶格产生的失配应力通过沟道向激光器结构传递，并且是传递出单轴应力，这样的应力状态不利于有源区的均匀发光，也不利于波导层的折射率稳定，从而减弱了光限制能力，使得光场泄露，激光器发光效率下降。因此必须想办法克服单轴应力问题，才能使得立体掩模被用于制备激光器并体现出优势来。在本技术方案中，通过设置预置应力层来增加本衬底的应力调控能力，克服单轴应力问题，进一步的提高晶体质量，保证激光器的发光稳定。另一方面，针对本方案中会使用湿法腐蚀来剥离衬底和激光器结构，因此还需要对器件中的绝缘保护层进行优化，优选使用LPCVD方法制备高致密度的SiN_x来防止在湿法剥离衬底的过程中被腐蚀。

2)激光器条形的长度可以通过立体衬底的窗口长度设计来控制，条形宽度和厚度可以通过生长条件和生长时间来控制。

3)解理之前可以不需要对衬底进行磨抛减薄操作，而是进行湿法腐蚀工艺步骤，通过腐蚀立体掩模衬底的中间层SiO₂来剥离衬底。剥离操作既是为了减薄，也是为了腔面解理做准备。由于蓝宝石和GaN硬度都较高，如果是用磨抛技术减薄，磨抛时间较长，将耗费数小时，而湿法腐蚀只需要十几分钟即可剥离衬底，可以节省较多的工艺时间。针对立体掩模衬底的特点，使用常规平面衬底一样的磨抛减薄然后划片的方式来解理的成功率不高。常规操作是先将蓝宝石或者GaN同质衬底等平面衬底磨薄至100um厚左右，然后在背面用激光打出引导解理的槽，再通过剁片机从正面剁开，通过蓝宝石衬底或者GaN同质衬底沿着引导槽裂开来带动激光器端面的解理。然而在立体掩模衬底中该方法受到限制，原因是衬底与外延的激光器结构通过单薄的沟道部分连接，在剁片的时候，衬底断裂的应力不能有力的且均匀的传递到激光器结构中，从而导致解理容易失败。因此，本发明提出的最优解决方案是先腐蚀，然后在背面用激光刻蚀出解理引导槽，然后从正面剁片，从而解理激光器端面形成谐振腔面。当然，也不排除使用衬底磨薄的技术可以达到解理的目的。

3.在打破国际少数国家技术垄断方面的关键点：

1)原创的使用了与同质衬底完全不同的技术方案，生长出的GaN晶体性能与同质衬底同样优异，且成本更低。

2)可大规模批量生产，改变国内无大批量稳定高质量GaN衬底供应的局面。

3)使用现有技术环境即可制备，对高度进口限制的仪器设备无依赖关系。

附图说明

图1是立体掩模制作方法示意图。

图2是用阴极荧光(CL)技术表征的立体掩模技术生长GaN材料穿透位错密度图。

图3是包含预置应力层的激光器结构示意图。

图4是在立体掩模衬底上生长完激光器后的示意图。

图5～图11是激光器制备过程示意图。

图12是图5～图11的图例说明。

图13是激光器连带立体衬底结构示意图。

图14是图13中的结构与背板粘接的示意图。

图15是图14中的结构腐蚀掉叠层衬底中间SiO₂层后的结构示意图。

图16是制备的单体横向结构激光器芯片示意图。SLs是指应力调控层，MQWs是指多量子阱，contact是指接触层，EBL是电子阻挡层，wave guide是指波导层。

图17是制备的单体垂直结构激光器芯片示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明的技术方案分为三个部分，包括提供高质量III族氮化物材料衬底的立体掩模衬底技术、激光器结构生长和激光器加工工艺步骤三个部分。下面以III族氮化物材料中的GaN为例进行说明。

1.立体掩模衬底技术

上个世纪九十年代，在高质量GaN材料的生长探索过程中，研究者提出了被称为侧向外延的技术(ELOG)。该技术的主要原理是通过在蓝宝石、硅等衬底上的部分区域设置掩模来阻挡GaN材料中的穿透位错。然而其窗口区由于没有掩模层的阻挡，导致穿透位错会延伸到表面，形成高位错密度区，使得其无法获得大面积均匀低位错密度的衬底材料。由于在侧向外延过程中，有大量位错横向延伸过程中相互作用而消失，这会导致窗口两侧生长的翼区晶体有晶格倾转的问题，而且两侧的倾转方向通常相反。这些问题使得ELOG技术的应用受到限制。在ELOG基础上发展起来的二次侧向外延技术试图通过增加工艺步骤来消除窗口区的高位错密度问题，但是由于第一层ELOG生长的翼区有倾转的问题，导致第二层ELOG生长的晶格也会有倾转，这将在两个翼区合拢的位置由于不同的倾转方向而产生大量的合拢位错，使得二次ELOG技术也没能完全解决这个问题，并且需要增加工艺步骤和进行二次生长，生产成本也居高不下。

受这些技术的启发，本发明提供了一种新的衬底技术方案，即立体掩模技术。该衬底技术的核心思想也是使用掩模阻挡穿透位错的向上延伸。具体做法是在蓝宝石或者硅等异质衬底上设置立体掩模层，掩模分为三层结构，分别是底层掩模(第一层掩模)、顶层掩模(第二层掩模)和中间填充层。其中底层掩模和顶层掩模的窗口区是错开的，再通过腐蚀液将中间填充层腐蚀开，连通上下层掩模的窗口，形成弯曲的通道。然和配合合适的生长条件，GaN将从弯曲的沟道中生长出来。在弯曲的过程中，GaN晶体中大量的位错相互作用从而湮灭，充分的释放晶格失配的应力。经过弯曲沟道钻出上层掩模窗口的GaN具有很高的晶体质量，不在是高位错密度区域。并且由于在钻出沟道前已经完成了位错合并的过程，这将大大减小晶格的倾转问题，通过该方法生长的GaN在钻出窗口后的晶格倾转几乎察觉不到，这有利于相邻两个窗口区的侧向外延晶体合并，减少合拢位错。

图1是本发明的立体掩模制作方法示意图，具体步骤包括：

1)使用低压力化学气相沉积(LPCVD)方法在蓝宝石、硅等单晶衬底1上沉积约50nm厚的SiN_x薄膜，作为第一层掩模2，如图1中(a)图所示。

2)通过光刻技术，在第一层掩模2上刻蚀出窗口图形，如图1中(b)图所示。

3)通过等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)沉积SiO₂层作为中间填充层3，如图1中(c)图所示，填充层起支撑作用，同时要便于腐蚀，方便后续通过腐蚀形成沟道。

4)通过LPCVD沉积第二层约50nm厚的SiN_x掩模，作为第二层掩模4，如图1中(d)图所示。

5)通过光刻技术，在第二层掩模4上刻蚀出上层窗口图形，要求上层图形与底层窗口图形错开，便于形成弯曲沟道，如图1中(e)图所示。

6)通过BOE腐蚀液(缓冲氧化物刻蚀液，由氢氟酸(40％)与水或氟化铵与水混合而成)对中间填充层3进行腐蚀，在使得底层掩模(第一层掩模2)的窗口完全暴露出来的时刻停止腐蚀，并冲洗干净烘干待用，如图1中(f)图所示。

通过该衬底技术，只需要一次MOCVD外延生长即可生长出高质量的GaN衬底。由于沟道生长过程充分释放了应力，生长出的接近无应力的GaN晶体具有很低的穿透位错密度(～1×10⁶/cm²)，满足大功率长寿命激光器的生长需求。

图2是用阴极荧光(CL)技术表征的立体掩模技术生长GaN材料穿透位错密度，每一个黑点代表一个穿透位错在表面露头，图中显示的穿透位错密度在10⁶/cm²量级。

2.激光器结构生长

针对立体掩模的具体特殊情况，激光器的生长结构有别于在平面衬底上的生长结构。虽然立体掩模的弯曲沟道能够过滤大部分的位错线，但是衬底通过弯曲沟道部分与沟道外的外延结构相连，衬底与沟道内生长的GaN之间的失配应力还是会通过沟道内的晶体向沟道外部的晶体传递。因此需要设置应力调控层来减少外部外延部分的应力累积。针对于平面蓝宝石衬底，通常传递给GaN晶体的是压应力，常见的做法是插入InGaN层或InGaN/GaN的超晶格以预置张应力，可以减小压应力的累积。如果是传递张应力的衬底，需要插入AlGaN层预置压应力来减小张应力。然而插入的预置应力层的晶格常数与GaN的晶格常数是有较大差异的，因此插入层会引入额外的失配位错。鉴于此，插入的应力层不能成分变化太大，否则得不偿失。而在本发明方案中，在使用蓝宝石制作的立体掩模衬底基础上，在沟道内插入相对较高的In组份的InGaN层来预置张应力，有效的抵消衬底的压应力，称为第一预置应力层，其插入位置如图3所示，位于两层掩模之间的沟道内。经过计算和试验，优选In和Ga中组份In的摩尔百分含量在1％～30％，更优选的In组份的含量为5％，即InGaN组份为In_0.05Ga_0.95N。由于沟道具有位错线过滤的作用，因此由于高In组份InGaN产生的位错线被沟道有效的过滤，使得沟道之外的外延层具有更高质量的晶体质量，不仅具有低的位错密度，而且具有低的应力残留状态，有效的减弱了由于应力引起的极化效应。由于沟道长度有限，通常需要在钻出沟道前完成插入层的生长，优选第一预置应力层厚度为10～500nm。

在钻出沟道之后，可以在外延GaN的基础层上，插入第二预置应力层，位置如图3所示，位于两个“GaN:Si”层之间，“GaN:Si”表示掺Si的n型GaN。插入第二预置应力层的目的是减弱后续激光器结构中为了增加光限制因子而生长的AlGaN波导层产生的压应力。第二预置应力层为InGaN层，但为了不再引入更多新的位错，该插入层的In组份含量要相对较低，优选In和Ga中In组份的摩尔百分含量为1％～30％，更优选为3％。第二预置应力层厚度优选范围为10～500nm。

外延过程使用MOCVD技术完成，整个外延结构在MOCVD中通过改变生长条件连续生长完成。典型的激光器结构如图3所示，包括应力调控层，n侧波导层，有源区，p侧波导，p型接触层等结构。至于激光器的长度，可以由衬底的窗口长度决定，实现单体激光器定制化生长。生长完成的激光器与衬底结构如图4所示。

3.激光器加工工艺步骤

在生长完激光器结构后，还要进行光刻刻蚀等加工工艺，形成激光器的必要结构。对于n型电极和p型电极在同侧的激光器结构，称为横向结构；n型电极和p型电极在两侧的激光器结构，称为垂直结构。下面以横向器件结构制备为例，参照图5～图12说明激光器制备中的必要工艺步骤：

1)清洗。如图5所示，除去晶片(晶片是指采用上述立体掩模技术制备的、生长了激光器所需高质量的GaN材料结构的外延片)表面的颗粒物、有机物、无机杂质及氧化薄层。

2)脊形刻蚀。通过紫外光刻和ICP刻蚀形成宽2um-50um的脊形长条。此时为浅刻蚀，刻蚀深度以接近量子阱，但又不损伤量子阱为宜。如图6所示，具体包括甩胶、光刻、显影定影坚膜、ICP刻蚀、去胶等步骤，形成脊形长条。

3)台面(Mesa)刻蚀。通过紫外光刻和ICP刻蚀形成台面，刻蚀深度达到电子注入端n型GaN材料，以便制备n型电极。如图7所示，具体包括甩胶、光刻、显影定影坚膜、ICP刻蚀、去胶等步骤，形成台面。台面是横向器件中，n电极所在位置，是电流注入的地方。由于n电极一般是要与下层生长的n型GaN接触，因此需要通过刻蚀的手段将n型层暴露出来，于是n电极的位置低于p电极，相对而言形成较低的平台，叫做“台面”。

4)SiN_x沉积。如图8所示，通过LPCVD沉积SiN_x绝缘薄膜，作为绝缘保护层，用来减小器件漏电。SiN_x厚度适中，太薄不利于绝缘，太厚不方便刻蚀开窗口。薄膜要求缺陷少，平整均匀，且击穿电压大于30V。

5)p型电极。如图9所示，先用ICP的方法在脊形条上刻蚀开窗口，窗口宽度约为2～4μm。然后以电子束蒸发Ni/Au薄电极(或者是Pd/Pt金属电极，又或者是ITO铟锡氧化物电极)作为空穴注入端的接触电极，在O₂气氛中合金退火形成欧姆接触。图9中，e-beam表示电子束蒸发乘积薄膜技术，Ni/Au表示镍/金多层薄膜电极，lift-off表示揭膜技术，将光刻胶和其上覆盖的薄膜揭掉，“合金”表示通过在特定气氛中退火工艺使得电极合金化的过程，用于制备欧姆接触电极。

6)n型电极。如图10所示，先用ICP在台面上刻蚀开窗口。然后以电子束蒸发Ti/Al/Ti/Au多层金属作为电子注入端的接触电极，在N₂气氛中合金退火形成良好的欧姆接触。

7)n、p加厚电极。按照图11所示的流程加厚电极。厚电极可以更好地散热和打线封装，因此，需要同时对电子和空穴注入端电极进行加厚。尤其需要注意的是加厚电极与原电极之间必须具有良好的黏附性，防止后续封装中电极脱落。

完成器件结构制备后，激光器连带衬底结构如图13所示。接下来要进行衬底剥离。由于剥离立体掩模衬底后，激光器本身结构较薄，不利于自支撑，因此要在剥离前用辅助支撑的背板进行粘接。支撑背板可以选用预先切割好宽度的硅条等材料。粘接材料可以使用石蜡等材料。背板宽度与激光器腔长相当，粘接的时候要垂直于激光器腔长方向，如图14所示。如此一来，在衬底被剥离后，激光器会在背板上排成一排。接下来可以将立体衬底剥离，以备进行后续解理工艺。剥离过程，使用HF酸溶液进行腐蚀，将衬底的中间层SiO₂腐蚀掉，失去支撑的激光器条如图15所示，可以在微小的机械力下与衬底很容易分离，因为弯曲沟道的GaN受到扭力作用下容易断裂(图15中示意了断裂位置)，且不影响上面条形激光器。

接下来是解理过程。先用激光划片器从背面先沿腔面平行方向划解理引导槽，前后腔面的引导槽相互平行，间距即为激光器谐振腔的长度。引导槽深度约为1um。然后用剁片机从背面剁开，剁开后即形成了激光器需要的谐振腔的解理面。完成该步骤工艺后，激光器还是并排粘接在背板上的，用夹具固定激光器排，将其竖起来，使得解理面朝上。然后放入电极蒸镀机里蒸镀反射膜，前腔面蒸镀反射率约为5％的SiO₂增透膜。然后翻转激光器连排，后腔朝上，后腔面蒸镀反射率95％的Ta₂O₅/SiO₂增反膜，完成激光谐振腔结构制备。由于本发明所述方法在生长阶段就是条形生长，因此激光器左右两侧无需再解理，只需要用有机溶剂溶解粘接剂，将激光器从背板上分离下来即可得到单个分立的激光器芯片。

在剥离衬底之后，从背板上分离，清洗去除残留物质，最终得到单芯片结构如图16所示。由于提前控制整体GaN的厚度，并且由于窗口区实际上比较窄(2～3微米，相对于100微米左右的激光器宽度来说比较窄)，分离后的激光器无需进行磨抛过程。

之后进行打线及封装工艺。通过纯金引线将芯片与封装体电极相连，封装体带散热性良好的基座。封装完成后得到独立的激光器管芯，可以方便地携带和测试测量。

为完成激光器的制作，还需要其他的细节工艺步骤配合，但并不限制和影响本发明的本质创新点，因此不再详细描述。并且，本发明所述的方法，兼容垂直结构激光器的制备，其具体差别在于n型电极的制备步骤上有所不同，这些差别不涉及本发明的核心创新点。

本发明的关键点是通过立体掩模衬底的使用，降低了GaN基半导体激光器制作过程中的衬底成本，同时缩减了工艺步骤，节省了工艺环节的成本，提高了制作效率。因此，本发明的核心保护点是“基于立体掩模技术进行GaN基半导体激光器的生长”。该技术方案使用于常见激光器结构，可以适用于垂直电极结构(正负电极分别在上下两面)和横向电极结构(电极在同一方向，通过刻蚀不同深度来分隔开)。

本发明的衬底技术可以从以下几个方面降低GaN基半导体激光器生产成本：

1、提供高质量的外延衬底，穿透位错密度可以低于1×10⁶/cm²，达到GaN同质衬底水平,从而替换同质衬底的使用。其价格预计将小于目前GaN同质衬底的1/5，替换使用将大大节约制造成本。

2、该衬底使用MOCVD技术外延制备，与生长激光器的设备一样，因此没有表面处理等预处理过程，节省生长环节，降低成本。

3、该衬底技术的晶圆尺寸是与蓝宝石衬底的晶圆尺寸一致的，因此可以很方便的制备4英寸和6英寸的衬底，可以获得比2英寸GaN同质衬底更高的衬底利用率，从而降低批量生产的成本。

4、同时，该衬底技术可以按激光器尺寸设计，生长单条的符合设计长度和宽度要求的衬底，在此分立条形上进行激光器结构外延，从而得到分立激光器单体。

总体而言，本发明的目的就是通过衬底技术的替代使用，减少GaN基半导体激光器的生产工艺步骤，降低生产成本。

以上实施例主要是针对横向器件结构的，横向结构器件的n电极和p电极在同一侧。本发明也适用于垂直结构激光器，即n电极和p电极在激光器的两侧的器件结构。与横向器件相比，激光器的外延生长都是相同的，不同的地方在于电极的制备工艺步骤。在垂直结构激光器的工艺步骤中，无需图7所示的刻蚀激光器台面的步骤。即图6所示的脊形刻蚀后，直接接的是图8所示的沉积SiN_x绝缘保护层的步骤。p电极的后续制备步骤与实施例1中的图9所示一致，制备T字形的Ni/Au电极(或者是Pd/Pt金属电极，又或者是ITO铟锡氧化物电极)。在图9所示的步骤中，一次性将T字形电极的上层加厚，因此可以省去图11所示的加厚的步骤。同时，n电极的制备也与图10所示的方法不同，无需刻蚀绝缘保护层，而是直接在背面n型GaN上电子束蒸发沉积Ti/Al/Ti/Au多层金属作为电子注入端的接触电极，在N₂气氛中合金退火形成良好的欧姆接触。制备好的单体垂直结构激光器芯片如图17所示。

本发明的另一个实施例中，解理和剥离的步骤可以调换。在该方案中，在生长完激光器材料结构后，紧接的步骤不是先腐蚀剥离衬底，而是将立体掩模衬底减薄至50～100um厚，然后在背面用激光划出解理引导槽，引导槽的位置即是激光器端面的位置，引导槽平行于激光器谐振腔腔面，深度约为50um。用剁片机从正面剁片，利用蓝宝石衬底沿着解理面裂开来带动其上生长的激光器结构沿着GaN解理面解理，得到原子级平整的激光器谐振腔面。将得到的一排排已经解理的激光器，用夹具固定，将其竖起来，使得解理面朝上，放入电极蒸镀机里蒸镀反射膜，前腔面蒸镀反射率约为5％的SiO₂增透膜。然后翻转激光器连排，后腔朝上，后腔面蒸镀反射率95％的Ta₂O₅/SiO₂增反膜，完成激光谐振腔结构制备。然后将激光器连排规则摆放到一个支撑背板上，背板上涂有石蜡等粘接剂，将激光器连排固定在背板上。然后进行残余衬底剥离步骤。对于使用蓝宝石制作的的立体掩模衬底，一方面由于蓝宝石导热性不佳，通常是需要去除的；另一方面由于垂直结构的激光器，需要在背面制备n电极，因此需要剥离不导电的蓝宝石衬底。如果是其他材料的衬底制备的立体掩模衬底，应当具体而论。剥离的方法是使用HF溶液浸泡腐蚀，立体掩模衬底的中间层SiO₂会被迅速腐蚀掉，因为沟道通常是有空隙的，HF溶液非常容易深入的内部。失去支撑的激光器条可以在微小的机械力下与衬底很容易分离，因为弯曲沟道的GaN受到扭力作用下容易断裂，且不影响上面条形激光器。腐蚀剥离后的通过清洗步骤可以洗去残留物质，然后进行n电极制备等步骤。

以上公开的本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于立体掩模衬底的半导体激光器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在异质衬底上制备立体掩模层，所述立体掩模层包括第一层掩模、第二层掩模和位于第一层掩模、第二层掩模之间的中间填充层，所述第一层掩模的窗口与所述第二层掩模的窗口错开一定距离；

在所述异质衬底上利用所述立体掩模层外延生长III族氮化物材料；

在所述III族氮化物材料上外延生长激光器结构层；

在所述立体掩模层的沟道内生长III族氮化物材料时设置第一预置应力层，在III族氮化物材料之上、激光器结构层的波导层之下设置第二预置应力层；对于传递压应力的异质衬底，所述第一预置应力层提供张应力；对于传递张应力的异质衬底，所述第一预置应力层提供压应力；通过所述第二预置应力层减弱激光器结构层中为增加光限制因子而生长的波导层产生的压应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述异质衬底为蓝宝石衬底或者硅衬底。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在异质衬底上制备立体掩模层，包括：

在异质衬底上沉积第一层掩模；

在第一层掩模上刻蚀窗口；

在第一层掩模上沉积中间填充层；

在中间填充层上沉积第二层掩模；

在第二层掩模上制备与第一层掩模相同图案的窗口，并与第一层掩模上的窗口错开一定距离；

使用腐蚀溶液腐蚀中间填充层，露出第一层掩模的窗口。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用MOCVD技术连续生长所述III族氮化物材料和所述激光器结构层。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于传递压应力的异质衬底，所述第一预置应力层为InGaN或InGaN/GaN的超晶格；对于传递张应力的异质衬底，所述第一预置应力层为AlGaN或AlGaN/GaN的超晶格。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一预置应力层为InGaN层时，其中In的摩尔百分含量为3％～30％，厚度为10～500nm；所述第二预置应力层为InGaN层，其中In的摩尔百分含量为1％～30％，厚度为10～500nm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述激光器结构层制备电极之前，通过LPCVD沉积SiN_x绝缘薄膜作为绝缘保护层；在制备电极时，采用ICP刻蚀方法在所述绝缘保护层上开窗口来沉积金属电极。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在外延生长所述激光器结构层之后，首先在激光器结构层上粘接背板，并通过腐蚀方式进行衬底剥离，然后进行激光器腔面解理；或者，首先将衬底减薄并进行激光器腔面解理，然后在激光器结构层上粘接背板并进行残余衬底剥离。

9.根据权利要求1～8中任一权利要求所述方法制备的半导体激光器。

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