CN113690730A - 垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器。该垂直腔面发射激光器包括：衬底；在衬底上依次生长的N接触层、N‑DBR层、MQW层、氧化层、P‑DBR层、P接触层；以及N电极、P电极和SiN钝化层；N电极设在N接触层上，P电极设在P接触层上，SiN钝化层覆盖垂直腔面发射激光器的至少部分表面上；其中，衬底上具有多个通孔，衬底的背面具有覆盖通孔的金属层，金属层的下表面形成有金属凸点；通孔内设有金属柱，金属凸点通过金属柱连接至N电极和P电极。该垂直腔面发射激光器采用衬底背面同侧电极设计，可直接在硅基材料表面进行焊接，避免了传统工艺造成的空间浪费，易于实现光电子器件集成。

Description

垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，具体而言，本发明涉及垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于其垂直于衬底面出射激光的特性，可广泛应用于硅光集成等集成光电子技术方案中，VCSEL器件的衬底可以通过键合的方式固定到硅基结构上，当前的VCSEL结构设计中封装时需要die bonding和wire bonding相结合的方式实现与基板的电气连接，这种电气连接的方式不易于实现硅基上的光电子器件集成。因而，现有的VCSEL结构设计仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器采用衬底背面同侧电极设计，可直接在硅基材料表面进行焊接，避免了传统工艺造成的空间浪费，易于实现光电子器件集成。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种垂直腔面发射激光器。根据本发明的实施例，该垂直腔面发射激光器包括：衬底；在所述衬底上依次生长的N接触层、N-DBR层、MQW层、氧化层、P-DBR层、P接触层；N电极，所述N电极设在所述N接触层上；P电极，所述P电极设在所述P接触层上；SiN钝化层，所述SiN钝化层覆盖所述垂直腔面发射激光器的至少部分表面上；其中，所述衬底上具有多个通孔，所述衬底的背面具有覆盖所述通孔的金属层，所述金属层的下表面形成有金属凸点；所述通孔内设有金属柱，所述金属凸点通过所述金属柱连接至所述N电极和所述P电极。
根据本发明上述实施例的垂直腔面发射激光器，其衬底背面(即远离所述N接触层的一侧表面)具有分别连接至器件P电极和N电极的金属凸点，从而实现了垂直腔面发射激光器的同背面电极设计。具有金属凸点的垂直腔面发射激光器可以直接使用回流焊在硅基材料表面进行焊接，简化键合工艺，避免传统工艺造成的空间浪费，易于实现光电子器件集成。另外，衬底上通孔内设置金属柱，还可以提高器件散热效率。
另外，根据本发明上述实施例的垂直腔面发射激光器还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述衬底为GaAs衬底。
在本发明的一些实施例中，所述衬底的厚度为140～160μm。
在本发明的一些实施例中，所述金属层的厚度为0.5～1.5μm。
在本发明的一些实施例中，所述金属凸点的高度为30～60μm。
在本发明的一些实施例中，所述金属层、所述金属柱、所述金属凸点为金材质。
在本发明的一些实施例中，所述SiN钝化层上设有金属走线，所述金属走线连接所述P电极与所述金属柱。
在本发明的一些实施例中，所述通孔通过对所述衬底进行ICP刻蚀形成。
在本发明的一些实施例中，所述金属凸点通过在所述金属层及所述衬底背面施加光刻胶，并进一步通过负胶剥离技术形成。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图；
图2是通过负胶剥离技术制作金属凸点的方法示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种垂直腔面发射激光器。参考图1，根据本发明的实施例，该垂直腔面发射激光器包括：衬底1；在衬底1上依次生长的N接触层2、N-DBR层4、MQW层6、氧化层7、P-DBR层8、P接触层9；以及N电极3、P电极10和SiN钝化层5；N电极3设在N接触层2上，P电极10设在P接触层9上，SiN钝化层5覆盖垂直腔面发射激光器的至少部分表面上；其中，衬底1上具有多个通孔11，衬底1的背面具有覆盖通孔11的金属层12，金属层12的下表面形成有金属凸点13；通孔内设有金属柱，金属凸点13通过金属柱连接至N电极3和P电极10。
根据本发明上述实施例的垂直腔面发射激光器，其衬底背面(即远离所述N接触层的一侧表面)具有分别连接至器件P电极和N电极的金属凸点，从而实现了垂直腔面发射激光器的同背面电极设计。具有金属凸点的垂直腔面发射激光器可以直接使用回流焊在硅基材料表面进行焊接，简化键合工艺，避免传统工艺造成的空间浪费，易于实现光电子器件集成。另外，衬底上通孔内设置金属柱，还可以提高器件散热效率。
下面进一步对根据本发明实施例的垂直腔面发射激光器进行详细描述。
根据本发明的一些实施例，衬底1为GaAs衬底。
根据本发明的一些实施例，衬底1的厚度可以为140～160μm，例如140μm、145μm、150μm、155μm、160μm等。通过控制衬底1的厚度在上述范围，衬底1的厚度较薄，可以进一步有利于在衬底1上形成通孔11，同时可以进一步有利于器件散热。
根据本发明的一些实施例，金属层12的厚度可以为0.5～1.5μm，例如0.5μm、0.8μm、1.0μm、1.2μm、1.5μm等。如果金属层12的厚度过低，则可能导致金层脱落且散热性能变差；如果金属层12得到厚度过高，则可能会影响后续电镀工艺和导致贵金属浪费。
根据本发明的一些实施例，金属凸点13的高度可以为30～60μm，例如30μm、40μm、50μm、60μm等。如果金属凸点13的高度过低，则可能在后续与基板焊接时无法形成有效的连接造成断路；如果金属凸点13得到高度过大，则可能导致金属凸点脱落或者在后续焊接工艺时将芯片顶起，且无法返工作业。
根据本发明的一些实施例，金属层、金属柱、金属凸点为金材质。
根据本发明的一些实施例，SiN钝化层5上设有金属走线，金属走线连接P电极10与金属柱。具体的，该金属走线可以通过电镀的方式形成在SiN钝化层上。
为便于理解，下面对根据本发明实施例的垂直腔面发射激光器的制备方法进行描述。
(1)在GaAs半绝缘衬底上，利用MOCVD(有机金属化学气相沉积技术)外延生长的方法按照层状结构从下至上依次形成N接触层、N-DBR层、MQW层、氧化层、P-DBR层、P接触层；其中，N接触层的作用是形成N型欧姆接触，MQW层的租用时作为发光区，氧化层的作用是限制电流和光，N-DBR层、P-DBR层的的作用是形成反射镜，P接触层的作用是形成P型欧姆接触。
(2)在P接触层上利用光刻胶剥离技术制备P电极，形成P型欧姆接触；
(3)利用ICP刻蚀技术将外延层刻至氧化层，利用氧化炉进行湿法氧化，完成氧化层的制备；
(4)利用ICP刻蚀技术将外延层刻至N接触层；
(5)利用光刻胶剥离技术制备N电极并退火形成N型欧姆接触；利用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)技术沉积SiN薄膜，并利用光刻技术形成相应钝化层的掩膜图形，最后对SiN薄膜进行刻蚀，形成钝化层；钝化层的作用是保护芯片侧壁，实现电气隔离及漏电保护；
(6)减薄衬底至140～160μm，利用ICP刻蚀技术在衬底预定位置从衬底正面刻蚀至衬底背面，形成通孔；
(7)利用电镀技术将P、N金属电极导引至衬底背面，覆盖通孔结构，形成金属柱；
(8)在衬底背面溅射一层金属层连接金属柱，并在金属层的基础上涂覆光刻胶14，做负胶剥离bumping工艺(参考图2)，得到本发明的垂直腔面发射激光器。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
衬底；
在所述衬底上依次生长的N接触层、N-DBR层、MQW层、氧化层、P-DBR层、P接触层；
N电极，所述N电极设在所述N接触层上；
P电极，所述P电极设在所述P接触层上；
SiN钝化层，所述SiN钝化层覆盖所述垂直腔面发射激光器的至少部分表面上；
其中，所述衬底上具有多个通孔，所述衬底的背面具有覆盖所述通孔的金属层，所述金属层的下表面形成有金属凸点；所述通孔内设有金属柱，所述金属凸点通过所述金属柱连接至所述N电极和所述P电极。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述衬底为GaAs衬底。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述衬底的厚度为140～160μm。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述金属层的厚度为0.5～1.5μm。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述金属凸点的高度为30～60μm。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述金属层、所述金属柱、所述金属凸点为金材质。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述SiN钝化层上设有金属走线，所述金属走线连接所述P电极与所述金属柱。
8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述通孔通过对所述衬底进行ICP刻蚀形成。
9.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述金属凸点通过在所述金属层及所述衬底背面施加光刻胶，并进一步通过负胶剥离技术形成。
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