CN113540964B - 高可靠性边发射激光器及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明为高可靠性边发射激光器及工艺，公开了一种提高边发射激光器可靠性的方法，包括以下步骤：激光器结构中仅去除边发射激光器端面附近的衬底材料，且利用腐蚀截止层从背面去除；将与衬底形貌契合的导热介质作为异质衬底，填充在端面处被腐蚀的区域；导热介质的热导率高于原衬底材料，且导热介质热膨胀系数大于原衬底材料；通过高温退火改变端面量子阱的带隙。本发明通过去除边发射激光器端面附近的衬底材料，用高热导率、高热膨胀系数的材料替代，用于提升激光器COD，改善可靠性。

Description

高可靠性边发射激光器及工艺

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，尤其涉及一种用于提高任意规格的边发射半导体激光器芯片可靠性的激光器结构及其工艺。

背景技术

目前边发射半导体激光器芯片是高速光通信领域不可缺少的核心器件，同时它作为光纤激光器中的种子源和泵浦源也广泛应用于工业加工领域。虽然经过多年的发展，现在的边发射激光器拥有种类繁多、性能优异、超高功率以及覆盖多波段等特点，但是可靠性问题一直较难解决。随着应用方对边发射半导体激光器可靠性的要求越来越高，可靠性逐渐成为评价芯片优劣的首要检测内容。

边发射激光器芯片出现可靠性问题的主要原因是端面灾难性光学损伤(catastrophic optical damage),简称为端面COD现象。而产生端面COD的过程是：边发射激光器端面(即为解离面)有许多缺陷与悬挂键，当激光器腔内产生光能量时这些缺陷以及悬挂键会发生非辐射复合现象使端面处温度升高。温度升高会导致端面材料的折射率升高和带隙缩小两个后果。其中折射率升高会使腔内更多的光能量集中在端面、光斑缩小、单位面积的光能量(光功率密度)增加，而带隙缩小则使端面材料吸收更多的光能量，产生大量光生载流子进一步提升端面的温度。由此可见，端面缺陷和悬挂键所引起的温度上升，借由折射率升高和带隙缩小机制使端面温度不断升高直至烧熔。

提升边发射激光器可靠性的方法，即破坏上述使温度不断上升的循环机制。常见方法为在端面处使用带隙较大的材料，阻止端面材料吸收光而使温度进一步增加，实现方式为腐蚀端面材料后，采用对接生长工艺填充高带隙材料。由于对接生长涉及到二次外延生长，较容易在对接位置产生缺陷，如果对接处存在缺陷，则很容易在该位置产生COD现象。特别当对接位置存在高铝组分材料的情况下，由于高铝组分的材料容易氧化，会导致对接处产生大量缺陷。

专利CN102237634A公开了一种提高GaN基边发射激光器的方法，该激光器在外延工艺完成后，会利用刻蚀和腐蚀工艺将端面处的一部分衬底去除，以达到改变端面量子阱带隙和形成非注入吸收区的目的。但是从正面进行端面刻蚀工艺会损伤谐振腔面，导致边发射激光器发光特性变差；去除部分衬底也代表着降低了端面的散热能力，不利于提高芯片的可靠性；如果激光芯片不是压应变量子阱时，去除衬底的方法反而会使端面的量子阱带隙缩小，使芯片的可靠性劣化。

专利CN102694341A公开了一种提高垂直发光激光器散热能力的方法，该激光器通过去除部分衬底使有源区和散热介质更近，从而提高芯片的散热性能。但是该方法中，端面处量子阱和其他区域量子阱所受到的应力是相同的，因此当芯片功率逐渐增加时，芯片端面会吸收腔内产生的光能量，当吸收的光所产生的发热量超过芯片散热能力时，芯片仍然会产生COD现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中端面灾难性光学损伤的缺陷，提供一种可提高边发射半导体激光器的可靠性，且不需要采用对接生长工艺，制备工艺和晶圆级流片工艺兼容，适合批量生产，且可以用于任意材料体系的芯片中的高可靠性边发射激光器及工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种提高边发射激光器可靠性的方法，包括以下步骤：

激光器结构中仅去除边发射激光器端面附近的衬底材料，且利用腐蚀截止层从背面去除；

将与衬底形貌契合的导热介质作为异质衬底，填充在端面处被腐蚀的区域；导热介质的热导率高于原衬底材料，且导热介质热膨胀系数大于原衬底材料；

通过高温退火改变端面量子阱的带隙。

接上述技术方案，方法中适用的激光器结构包含张应变量子阱激光器结构，压应变量子阱激光器结构以及无应变量子阱激光结构。

接上述技术方案，衬底材料为InP,GaAs，GaSb或者GaN，衬底材料中间包含一层腐蚀截止层材料，通过外延工艺生长，腐蚀截止层材料为四元材料，腐蚀截止层的量子阱约500～1100nm。

接上述技术方案，仅仅腐蚀端面附近长约5um～60um，宽约4～20um的衬底材料，腐蚀深度至腐蚀截止层。

接上述技术方案，根据导热介质的形态通过直接涂覆，固化完成芯片晶圆和导热介质的结合工艺，或者通过粘结材料，使晶圆与导热介质之间进行晶圆级对位，并进行烧结或键合。

接上述技术方案，原衬底为凹型结构，异质衬底为与原衬底契合的凸型结构。

接上述技术方案，高温退火改变端面量子阱的带隙时，温度为300～400度，时间为30秒～3分钟。

接上述技术方案，当导热介质不导电时，在导热介质上制作通孔，使上电极层和下电极层处于电导通状态。

接上述技术方案，腐蚀截止层的厚度为10nm～300nm。

本发明还提供了一种高可靠性边发射激光器，该激光器根据上述提高边发射激光器可靠性的方法制作而成，从下至上依次包括衬底、腐蚀截止层、下包层、下波导层、有源区量子阱、上波导层、上包层、P面电极层，其中衬底包括原衬底和异质衬底，异质衬底为导热介质，填充在激光器芯片端面处，与原衬底的形貌契合，该异质衬底的热导率和热膨胀系数均高于原衬底。

接上述技术方案，原衬底为凹型结构，异质衬底为与原衬底契合的凸型结构。

接上述技术方案，导热介质上设置下电极层和上电极层，当导热介质不导电时，在导热介质设置通孔，使上电极层和下电极层处于电导通状态。

本发明产生的有益效果是：本发明通过去除边发射激光器端面附近的衬底材料，用高热导率、高热膨胀系数的材料替代，用于提升激光器COD，改善可靠性。在激光器衬底层和下包层之前存在一层腐蚀截止层，用于去除端面处衬底材料时不损伤下包层材料。采用去除衬底和加热的方式使端面量子阱的应变发生变化，改变端面材料的带隙宽度。

进一步地，激光器端面附近形貌为凹面，导热介质表面为凸面，两者同样以光刻对准工艺制作并两者相互契合，以维持晶圆、芯片的机械稳定性(不容易碎裂)。

进一步地，激光器芯片和导热介质热膨胀系数不同，两者在高温下粘结，然后降温至室温，使端面处的量子阱产生较大的压应变，带隙变宽，而非端面处的量子阱带隙不变。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的高可靠性激光器芯片示意图；

图2是本发明实施例高可靠性激光器芯片中芯片部分的示意图；

图3是本发明实施例高可靠性激光器芯片中导热介质的示意图；

图4是本发明实施例高可靠性激光器芯片的截面示意图；

图5是本发明实施例InGaAs压应变量子阱，在不同应变下的吸收波长(对应带隙)；

图6是本发明实施例InGaAs压应变量子阱，在衬底材料由GaAs替换为Cu材料后，不同键合温度下量子阱吸收波长的变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所公知的形式。另外，虽然本文提供了包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的具体材料和厚度等参数只是用来说明而并非用来限制本发明。

本发明实施例提高边发射激光器可靠性的方法，包括以下步骤：

激光器结构中仅去除边发射激光器端面附近的衬底材料，且利用腐蚀截止层从背面去除；

将与衬底形貌契合的导热介质作为异质衬底，填充在端面处被腐蚀的区域；导热介质的热导率高于原衬底材料，且导热介质热膨胀系数大于原衬底材料；

通过高温退火改变端面量子阱的带隙。

其中，适用的激光器结构包含张应变量子阱激光器结构，压应变量子阱激光器结构以及无应变量子阱激光结构。

本发明实施例中，可在衬底和下包层之间增加腐蚀截止层；当完成激光器正面工艺后，仅腐蚀激光器芯片端面处的衬底材料；腐蚀截止层材料可通过外延工艺生长，腐蚀截止层的厚度为10nm～300nm。腐蚀截止层材料为四元材料，腐蚀截止层的量子阱约500～1100nm。仅仅腐蚀端面附近长约5um～60um，宽约4～20um的衬底材料，腐蚀深度至腐蚀截止层。

具体制作时，可以半导体材料InP,GaAs，GaSb或者GaN作为衬底，依次完成腐蚀截止层，下包层，下波导层，有源区量子阱，上波导层，上包层，P面电极层的制作。

本发明实施例的高可靠性激光器芯片包含激光器芯片(如图2所示)和导热介质(如图3所示)两个主要组成部分，如图1所示，导热介质位于激光器芯片的端面处。如图4所示，其中激光器芯片从下至上依次包含衬底层22、腐蚀截止层23、下包层24、下波导层25、有源层26、上波导层27、上包层28、上电极层29。导热介质1从下至上包含下电极层11，介质层12和上电极层13。激光器芯片的下电极层和导热介质上电极层中间采用一层可导电的材料互相粘接。衬底包括原衬底和异质衬底，异质衬底为导热介质，填充在激光器芯片端面处，与原衬底的形貌契合，该异质衬底的热导率和热膨胀系数均高于原衬底。

本发明实施例中，原衬底可为凹型结构，异质衬底为与原衬底契合的凸型结构。

本发明的独特之处在于：激光器芯片中增加了一层腐蚀介质层，该腐蚀截止层位于衬底和下包层之间，主要目的是为了在腐蚀衬底的过程中，防止腐蚀下包层材料(即去除激光器芯片端面处的衬底材料的同时，保留其余位置的衬底材料)。

由于激光器芯片只对腔面处的衬底进行去除，保留其他位置处的衬底材料，导热介质的形貌与激光器芯片衬底形貌契合，即能够作为异质衬底填充在激光器端面被腐蚀的区域。导热介质的热导率高于原衬底材料；导热介质热膨胀系数大于激光器材料(即原衬底材料)；当导热介质不导电时，导热介质上设置通孔14，可使导热介质的上下电极层处于电导通状态。

该技术方案的实现流程为：设计时，在任意结构的边发射激光器中添加一层腐蚀截止层至衬底与下包层之间。制作时，当完成激光器常规正面工艺后，利用光刻和腐蚀技术去除端面部分的衬底，然后完成背面金属工艺(具体指蒸发制备AuGeNi-Au以及退火合金等工艺，用来做金属半导体接触作为激光器芯片的下电极)。接着在高温下使用任意工艺在背面金属上依次添加可导电的粘结材料制作粘结层15、导热介质上电极层和导热介质层，然后降低温度至室温，采用光刻和刻蚀技术在导热介质层上制作小尺寸的通孔(远小于一颗边发射激光器芯片的尺寸)，最后完成导热介质的下电极层。

根据导热介质的形态通过直接涂覆，固化完成芯片晶圆和导热介质的结合工艺，或者通过粘结材料，使晶圆与导热介质之间进行晶圆级对位，并进行烧结或键合。

其中，本发明实施例在制作粘结层15时，在激光器芯片的背面金属上涂覆一层粘结材料，与导热介质之间进行晶圆级对位，并进行烧结或键合。

进一步地，还包括步骤：在导热介质上加工解离道，对激光器芯片进行解离和镀膜。

除以上方式外，导热介质也可以独立制作为指定的形貌，完成上下电极后，通过贴装、烧结等方式与芯片粘接。不论以何种方式实现，主要目的是完成本发明所描述的激光器芯片，导热介质以及两者的组合结构。其中导热介质可选择高热膨胀系数的导热材料。

该技术方案的实现原理主要为两点，第一点是提高了端面处衬底的热导率，防止端面温度过高，第二点是提高了端面处材料的压应变，增加了材料带隙，减少了端面处的光吸收。

接下来进行详细说明本发明的结构如何实现以上两点的。第一点：常规结构的边发射激光器芯片采用N面贴装，芯片产生的热量主要依靠衬底传导进入热沉，因此衬底的热导率直接影响芯片的温度。由此可以知道，此类激光器是由于端面处产生的热量超过了衬底导热的能力而导致了COD现象。本发明将端面处的衬底更换为热导率大于衬底的材料，因此能够大幅度提升端面处COD的损伤阈值。第二点：常规结构的边发射激光器芯片有源区应力主要来源于衬底和量子阱材料的晶格常数差值。本发明通过去除端面处的衬底材料和填充导热介质，使有源区材料的应力主要受到导热介质的影响。由于导热介质的热膨胀系数大于激光芯片，使用高温粘结激光器芯片和导热介质后，端面处量子阱材料会受到较大的压应力，无论之前是压应变量子阱结构或是张应变量子阱结构，此时量子阱材料的带隙都会增加(或者说吸收波长变短)，温度不会因为吸收光能量而增加。采用公式对第二点进行更具体的说明，材料吸收波长λ的可以写作：

其中ΔEg代表材料无应变情况下的带隙宽度，κ为和材料相关的大于零的常数，Δε为应变，压应变为负数，张应变为正数。对于热膨胀系数不同情况下的材料应变可以近似为：

其中d0代表衬底的晶格常数，Δα为热膨胀系数差值(数值为导热介质的热膨胀系数减去衬底的热膨胀系数)，ΔT为温度变化大小(ΔT为负数表示高温降低至室温)，dw代表量子阱材料的晶格常数，因此根据以上关系可以得出包含热膨胀系数和温度变化的材料吸收波长λ表达式：

例如边发射激光器采用压应变量子阱时，Δε为负数。在热膨胀系数差值Δα为正，温度差值ΔT为负时，Δα，ΔT绝对值越大，吸收波长越短。由于端面材料吸收波长变短，温度不会因为吸收光能量而增加。

相对于对接生长方案，本发明提供的结构不需要二次外延工艺，且能够用于各类材料(包括高铝组分)边发射激光器芯片。由于衬底只在腔面处进行部分深腐蚀，所以仍可以保持较高的机械硬度，保证后期加工中不会出现崩裂现象，因此本结构可以采用晶圆级加工方式，实现方式简单，适合于大批量生产。

实施例1：如图1所示，以InP或GaAs等半导体材料作为衬底，依次完成腐蚀截止层、下包层、下波导层、有源区量子阱、上波导层、上包层、P面电极层等结构实现激光器结构。其中腐蚀截止层根据工艺不同可以选择10nm～300nm左右。

采用合适的方法保护正面材料，并减薄衬底后，对晶圆背面进行光刻和腐蚀直至完全去除端面附近的衬底材料。接着完成芯片的背面金属(背面做金属是为了半导体金属接触，即导电，然后粘结材料导电，导热介质上下表面导电，保证整体芯片能够电导通)，并涂覆一层AuSn合金之类的粘结材料，作为粘结层。以Cu等高热导率高热膨胀系数的薄层材料为导热介质，利用光刻和刻蚀等工艺完成凸起，通孔，解离道等特征形貌(如图3所示)，然后蒸发或电镀完成上下电极层。由于激光器晶圆背面腐蚀和导热材料都采用光刻实现，因此两者可以完成晶圆级对位。对位后，粘结层与导热介质在300度左右的温度下进行烧结或键合，即可完成图1所示的结构。最后利用Cu薄片上加工的解离道对芯片进行解离和镀膜。

以InGaAs/GaAs 975nm大功率激光器芯片材料为例，该芯片采用了压应变InGaAs量子阱结构。如图5所示，当压应力逐渐增加时，量子阱材料的带隙逐渐增加，吸收波长逐渐变短。普通InGaAs/GaAs激光器结构由于衬底存在的缘故，芯片中量子阱材料的应变都是固定的，即晶圆完成生长后无法调节量子阱的应变。但是如果采用本发明所指的结构，将端面处衬底更换为含Cu的导热材料，就可以避免上述缺陷。GaAs的热导率约为45W/Mk，热膨胀系数约为6*10E-6/C,而含Cu材料热导率一般都大于100W/Mk，含Cu材料的热膨胀系数大于17*10E-6/C。因此当端面产生更多的热量时，温度也不会上升，此时激光器COD阈值可以的到显著提升。此外根据GaAs和Cu的热膨胀系数之差，材料吸收波长λ的公式可以得到图6中的曲线关系，横坐标表示Cu材料和InGaAs/GaAs材料的粘结温度与室温的差值。当横坐标的温度差值为0度时，即分离的状态下，端面处InGaAs压应变量子阱的吸收波长为975nm，和其他部分的量子阱吸收波长相同，此时不具备提高器件可靠性的效果。当横坐标的温度差值为300度时，端面处InGaAs吸收波长降低至947nm，不会吸收腔内975nm的光能量，因此温度也不会继续升高，避免了端面的COD现象。

综上，本发明的优点在于：

1.去除边发射激光器端面附近的衬底材料，用高热导率、高热膨胀系数的材料替代，用于提升激光器COD，改善可靠性；

2.激光器衬底层和下包层之前存在一层腐蚀截止层，用于去除端面处衬底材料时不损伤下包层材料；

3.激光器端面附近形貌为凹面，导热介质表面为凸面，两者同样以光刻对准工艺制作并两者相互契合，以维持晶圆、芯片的机械稳定性(不容易碎裂)，此外凹凸设置还保证了芯片的机械强度，使得芯片和导热介质不容易脱离，增加导热介质和芯片端面材料的接触面积，更有利于导热；

4.激光器芯片和导热介质热膨胀系数不同，两者在高温下粘结，然后降温至室温，使量子阱产生较大的压应变，带隙变宽；

5.采用去除衬底和加热的方式使端面量子阱的应变发生变化，改变端面材料的带隙宽度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高边发射激光器可靠性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

以InP或GaAs半导体材料作为衬底，依次完成腐蚀截止层、下包层、下波导层、有源区量子阱、上波导层、上包层、P面电极层实现激光器结构；

当完成边发射激光器正面工艺后，利用光刻和腐蚀技术去除端面附近的衬底材料，且利用腐蚀截止层从背面去除；腐蚀截止层在衬底和下包层之间；

将与衬底形貌契合的导热介质作为异质衬底，填充在端面处被腐蚀的区域；导热介质的热导率高于原衬底材料，且导热介质热膨胀系数大于原衬底材料；并通过高温退火改变端面量子阱的带隙；

高温下，在激光器芯片的下电极层上依次添加可导电的粘结材料制作粘结层、导热介质上电极层和导热介质层，然后降低温度至室温，采用光刻和刻蚀技术在导热介质层上制作小尺寸的通孔，最后完成导热介质的下电极层，当导热介质不导电时，使导热介质的上下电极层处于电导通状态；其中，在制作粘结层时，在激光器芯片的下电极层上涂覆一层粘结材料，与导热介质之间进行晶圆级对位，并进行烧结或键合；

制作成的高可靠性边发射激光器包含激光器芯片和导热介质，导热介质位于激光器芯片的端面处，其中激光器芯片从下至上依次包含衬底层、腐蚀截止层、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上包层、上电极层；导热介质从下至上包含下电极层，介质层和上电极层。

2.根据权利要求1所述的提高边发射激光器可靠性的方法，其特征在于，方法中适用的激光器结构包含张应变量子阱激光器结构，压应变量子阱激光器结构以及无应变量子阱激光结构。

3.根据权利要求1所述的提高边发射激光器可靠性的方法，其特征在于，衬底材料为InP,GaAs，GaSb或者GaN，衬底材料中间包含一层腐蚀截止层材料，通过外延工艺生长，腐蚀截止层材料为四元材料，腐蚀截止层的量子阱500~1100nm。

4.根据权利要求1所述的提高边发射激光器可靠性的方法，其特征在于，仅仅腐蚀端面附近长5um~60um，宽4~20um的衬底材料，腐蚀深度至腐蚀截止层。

5.根据权利要求1所述的提高边发射激光器可靠性的方法，其特征在于，原衬底为凹型结构，异质衬底为与原衬底契合的凸型结构。

6.根据权利要求1所述的提高边发射激光器可靠性的方法，其特征在于，高温退火改变端面量子阱的带隙时，温度为300~400度，时间为30秒~3分钟。

7.根据权利要求3所述的提高边发射激光器可靠性的方法，其特征在于，腐蚀截止层的厚度为10nm~300nm。

8.一种高可靠性边发射激光器，其特征在于，该激光器根据权利要求1-7中任一项所述的提高边发射激光器可靠性的方法制作而成，从下至上依次包括衬底、腐蚀截止层、下包层、下波导层、有源区量子阱、上波导层、上包层、P面电极层，其中衬底包括原衬底和异质衬底，异质衬底为导热介质，填充在激光器芯片端面处，与原衬底的形貌契合，该异质衬底的热导率和热膨胀系数均高于原衬底。