CN113991419A - 掩埋异质结器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了掩埋异质结器件及其制备方法，该方法包括：在衬底上依次生长第一掺杂层、有源层、第二掺杂层、第一二氧化硅层；在第一二氧化硅层上制作填充窗口；将该窗口腐蚀至第一掺杂层上表面，形成沟槽并填充掩埋材料；通过腐蚀形成辅助脊；第一掺杂层和辅助脊上生长第二二氧化硅层；通过腐蚀在第二二氧化硅层上制备发光脊；在发光脊和辅助脊上分别制作沉积金属窗口；在该窗口内生长欧姆接触并制作第一正面金属电极；经处理之后，在衬底底部制作背面金属电极，解理处理后，得到芯片本体；在第一热沉材料表面制作第二正面金属电极；将芯片本体倒置烧结到第一热沉材料上；将带有芯片本体的第一热沉材料烧结到第二热沉材料上，得到掩埋异质结器件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及掩埋异质结器件及其制备方法。
背景技术
太赫兹量子级联激光器(THz QCLs)是一种发射相干辐射的半导体单极器件，整个激射过程发生在子带间，避免了复杂的价带参与，阻止了俄歇复合过程。由MBE生长有源区，通过两种交替生长的超薄半导体材料形成超晶格量子阱，并在量子阱中形成分离的导带子能级，改变材料的组分以及厚度来对发射频率进行调节。因此，在毒品和气体检测、太赫兹成像、通信、生物医疗、精密光谱分析、近场显微成像等方向有广泛的应用前景。
对于半导体激光器来说，有源区温度的提升总会导致激光器性能的恶化，尤其对于太赫兹量子级联激光器，其有源区厚度一般会达到十微米以上，脊宽通常都在上百微米，这样在激光器工作过程中，如何有效地将内部热导出成了难题。
一般来说，为了发挥太赫兹量子级联激光器的性能，对太赫兹量子级联激光器的测试会使用到液氦循环系统，这套系统是非常笨重的，只适合于实验室研究，并不适合实际应用中用于太赫兹量子级联激光器的制冷。若为了便于应用，采用液氮杜瓦封装的话，又无法有效地将内部的热量散去，难以保证器件在高温下连续工作。
为了进一步的提高有源区的散热能力，可以采用不同的封装方式。传统上太赫兹量子级联激光器不管是采用半绝缘表面等离子体波导结构还是双面金属波导结构，都是正焊的封装方式，发光脊和热沉之间隔着上百微米厚的衬底厚度，器件的纵向散热能力很差。即使去做倒焊，用二氧化硅作为绝缘层，也没有考虑横向填充，这样会导致不光散热能力比较差，而且会使软焊料对发光脊产生巨大应力，在高温压焊和低温测试几百度的温差下，容易导致器件开裂和失效，以至于成品率很低，不适合应用发展。
发明内容
有鉴于此，本发明提供掩埋异质结器件及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
作为本发明的一个方面，本发明提供了一种掩埋异质结器件的制备方法，包括：
在半绝缘衬底上依次生长第一掺杂层、有源层、第二掺杂层，其中，上述第一掺杂层的掺杂浓度小于上述第二掺杂层的掺杂浓度；
在上述第二掺杂层上生长第一二氧化硅层；
在上述第一二氧化硅层上制作至少一个填充窗口；
将上述填充窗口腐蚀至所述第一掺杂层的上表面，形成沟槽，在所述沟槽中填充掩埋材料；
通过光刻和湿法腐蚀，在上述第一掺杂层上形成辅助脊；
在上述第一掺杂层和所述辅助脊上生长第二二氧化硅层；
通过光刻和湿法腐蚀，在上述第二二氧化硅层上制备发光脊；
在上述发光脊和所述辅助脊上分别制作沉积金属窗口；
在上述沉积金属窗口内生长欧姆接触；
在上述沉积金属窗口内制作第一正面金属电极；
经减薄、抛光处理之后，在上述半绝缘衬底的底部制作背面金属电极，经解理处理之后，得到芯片本体；
在第一热沉材料表面制作第二正面金属电极，其中，上述第二正面金属电极的图形与上述第一正面金属电极的图形互为镜像对称图形；
将上述芯片本体倒置烧结到上述第一热沉材料上；
将带有上述芯片本体的上述第一热沉材料烧结到上述第二热沉材料上，得到上述掩埋异质结器件。
根据本发明的实施例，上述半绝缘衬底、第一掺杂层、第二掺杂层的材料均包括GaAs。
根据本发明的实施例，上述有源层包括GaAs和AlxGa1-xAs交替生长形成的超晶格结构，其中，0.15＜x＜3。
根据本发明的实施例，上述第一掺杂层的掺杂浓度包括2～4×1018cm-3；上述第二掺杂层的掺杂浓度包括4～6×1018cm-3。
根据本发明的实施例，上述填充材料包括以下任意一种半绝缘材料：InP、AlN、Si3N4。
根据本发明的实施例，上述将上述填充窗口腐蚀至上述第一掺杂层的上表面，形成沟槽，包括：采用混合腐蚀液将上述填充窗口在20～40℃下腐蚀至上述第一掺杂层的上表面，形成沟槽，其中，上述混合腐蚀液包括HBr、HNO3和H2O配置的混合溶液，HBr、HNO3、H2O的体积比包括1：(1～2)：(5～20)。
根据本发明的实施例，上述第一热沉材料包括以下任意一种：AlN、金刚石、Si3N4、SiC；上述第二热沉材料包括铜。
根据本发明的实施例，上述欧姆接触的材料包括Ge/Au/Ni/Au；上述正面金属电极的材料包括Ti/Au；上述填充窗口的宽度包括10～50μm。
作为本发明的另一方面，本发明提供了采用上述方法制备的掩埋异质结器件。
从上述技术方案可以看出，本发明提供一种掩埋异质结器件的制备方法及掩埋异质结器件。具有以下有益效果：
1.本发明中利用掩埋材料进行填充，既限制了电流的侧向扩散，又大大改善量子级联激光器的横向散热性能，而且保证了发光脊免受软焊料的过高压力，提高了良品率。
2.本发明中利用共面倒装焊结构，通过有源区和热沉的直接接触促进核区纵向散热。并且传统正焊器件为单脊结构，电极的正负电极分别由脊下和脊上的电极接线引出；倒装焊器件为共面双脊结构，添加辅助脊作为正电极将电注入至下高掺层。
3.本发明中将器件倒置烧结到第一热沉材料上，通过衬底上隔离的Au层做正负电极的引线，有助于电流均匀化注入。
4.本发明采用芯片烧结技术，即将激光器芯片压焊在一个第一热沉材料上，芯片电极的金和热沉表面的金属焊料，在一定的温度和压力下，发生合金化，将芯片整体焊接在热沉上，这样激光器工作时所产生的热能够被迅速导向热沉，再通过热沉耗散，解决芯片散热问题，同时也大大降低芯片被触碰损坏的可能性。
5.本发明提出的掩埋异质结器件的制备方法可以成功制备出高温连续工作器件，制作方法符合标准半导体工艺流程，操作简便高效，适于工业化量产。
附图说明
图1为本发明实施例中外延片截面示意图；
图2为本发明实施例中在外延片表面生长二氧化硅层的截面示意图；
图3为本发明实施例中在生长二氧化硅层表面腐蚀出生长掩埋材料窗口的截面示意图；
图4为本发明实施例中腐蚀出生长掩埋材料的深沟的截面示意图；
图5为本发明实施例中填充掩埋材料的截面示意图；
图6为本发明实施例中去除生长二氧化硅层的截面示意图；
图7为本发明实施例中湿法腐蚀出发光脊和辅助脊的截面示意图；
图8为本发明实施例中生长二氧化硅层的截面示意图；
图9为本发明实施例中在生长二氧化硅层表面湿法腐蚀出发光脊和辅助脊的沉积金属窗口的截面示意图；
图10为本发明实施例中在沉积金属窗口内做欧姆接触的截面示意图；
图11为本发明实施例中在沉积金属窗口内生长Ti/Au层的截面示意图；
图12为本发明实施例中电镀加厚Au层的截面示意图；
图13为本发明实施例中背面减薄抛光的截面示意图；
图14为本发明实施例中封装后的截面示意图；
图15为本发明实施例中正焊模拟示意图；
图16为本发明实施例中普通倒焊模拟示意图；
图17为本发明实施例中填充掩埋材料的倒焊模拟示意图。
附图标记说明
1：半绝缘GaAs衬底；
2：第一掺杂层；
3：有源区；
4：第二掺杂层；
5.1：第一二氧化硅层；
5.2：第二二氧化硅层；
6：掩埋填充材料；
7：发光脊；
8：辅助脊；
9：欧姆接触Ge/Au/Ni/Au；
10：Ti/Au层；
11：电镀加厚的Au层；
12：In层；
13：第一热沉材料；
14：第二热沉材料；
15：散热支撑脊1；
16：散热支撑脊2。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种掩埋异质结器件的制备方法及掩埋异质结器件，包括：
在半绝缘衬底上依次生长第一掺杂层、有源层、第二掺杂层，其中，上述第一掺杂层的掺杂浓度小于上述第二掺杂层的掺杂浓度；
图1为本发明实施例中外延片截面示意图。
利用分子束外延设备在半绝缘衬底片1上依次生长第一掺杂层2、有源区3和第二高掺杂层4，得到外延片，其中，所述第一掺杂层的掺杂浓度小于所述第二掺杂层的掺杂浓度。如图1所示，在一个实施例中，半绝缘衬底1的材料为GaAs，第一掺杂层2的材料为GaAs，掺杂浓度为3×1018cm-3，同样的材料有效提高了材料的生长质量；有源区3的材料为GaAs和Al0.22Ga0.78As交替生长的超晶格结构，第二掺杂层4的材料为GaAs，掺杂浓度为5×1018cm-3。
图2为本发明实施例中在外延片表面生长二氧化硅层的截面示意图。
利用PECVD在第二掺杂层4上生长第一二氧化硅层5.1。如图2所示，在一个实施例中，相应的生长第一二氧化硅5.1层厚度为450nm。
图3为本发明实施例中在生长二氧化硅层表面腐蚀出生长掩埋材料窗口的截面示意图；
图4为本发明实施例中腐蚀出生长掩埋材料的深沟的截面示意图。
图5为本发明实施例中填充掩埋材料的截面示意图。
图6为本发明实施例中去除生长二氧化硅层的截面示意图。
利用光刻、湿法腐蚀的方法在第一二氧化硅层5.1表面制作生长掩埋材料窗口，并填充掩埋材料，其中，上述填充材料包括以下任意一种半绝缘材料：InP、AlN、Si3N4。结合图3～6所示，在一个实施例中，首先将光刻胶涂覆在样片的第一二氧化硅层5表面，再通过曝光显影将两个窗口图形转移到样片上，所用光刻胶为AZ6130，厚度为～3μm；然后用腐蚀液HF︰NH4F︰H2O＝3︰6︰9去除多余的第一二氧化硅层5.1，制备出所需的两个窗口，再用腐蚀液HBr:HNO3:H2O＝1:1:10腐蚀出两个深沟至所述第一掺杂层2，两个深沟之间的区域是所要制备的发光脊7形器件结构；最后用MOCVD生长掩埋材料，上述生长掩埋材料选择的是掺Fe半绝缘InP材料6，其中上述的第一二氧化硅层5.1在于用作下一步掺Fe半绝缘InP材料6的MOCVD选区外延的掩膜，因为InP材料无法在二氧化硅层上进行外延，所以落在二氧化硅层上的InP分子会向无二氧化硅掩膜区域迁移，从而只在所选择区域进行外延生长，填充高度至第二掺杂层4。用腐蚀液HF︰NH4F︰H2O＝3︰6︰9去除剩余的第一二氧化硅层5.1。采用填充掩埋异质材料有效地提高横向散热，这种方法使激光器的有源区散热通道更多，方便有源区内部的热量导出，提高了器件的高温工作性能。
图7为本发明实施例中湿法腐蚀出发光脊和辅助脊的截面示意图。
图8为本发明实施例中生长二氧化硅层的截面示意图。
通过光刻和湿法腐蚀，在第一掺杂层上制作辅助脊8作为正电极，通过辅助脊8将电注入至第一掺杂层2，覆盖二氧化硅层进行绝缘处理。结合7～8所示，在一个实施例中，首先将光刻胶涂覆在样片的第二掺杂层4表面，再通过曝光显影将辅助脊8图形转移到样片上，所用光刻胶为AZ6130(5:2)，厚度为～1.4μm；然后用腐蚀液H3PO4:H2O2:H2O＝1:1:10，在恒温条件下(22℃)时腐蚀速率～0.5μm/min，腐蚀出辅助脊8作为芯片的正极。然后生长第二二氧化硅层5.2进行全面的覆盖。图9为本发明实施例中在生长二氧化硅层表面湿法腐蚀出发光脊和辅助脊的沉积金属窗口的截面示意图。
通过光刻和湿法腐蚀，在第二二氧化硅层5.2表面制备发光脊7和辅助脊8的沉积金属窗口。如图9所示，在一个实例中，首先将光刻胶涂覆在样片的第二二氧化硅层5.2表面，通过曝光显影将发光脊7和辅助脊8的沉积金属窗口图形转移到样片上，所用光刻胶为AZ6130(5:2)，厚度为～1.4μm；再用腐蚀液HF︰NH4F︰H2O＝3︰6︰9去除多余的第二二氧化硅层5.2。两侧支撑脊通过掩埋异质结为发光脊起到了更好的支撑作用，避免了大应力导致芯片出现裂纹甚至截断，极大地提高了成品率；并且限制了横向侧壁漏电流，减小器件工作阈值，提高器件性能及良率
图10为本发明实施例中在沉积金属窗口内做欧姆接触的截面示意图。
通过光刻，在所述的沉积金属窗口内，生长欧姆接触层9，进行热退火处理。如图10所示，在一个实例中，首先将光刻胶涂覆在样片表面，通过曝光显影将发光脊7和辅助脊8的欧姆接触窗口图形转移到样片上，所用光刻胶为NR9，厚度为～5μm；然后利用电子束蒸发在样片上蒸镀欧姆接触Ge/Au/Ni/Au：26nm/54nm/15nm/200nm，其中发光脊7上只在两侧蒸镀两条宽15um的欧姆接触层9，辅助脊8上全部蒸镀欧姆接触层9。最后利用带胶剥离技术去除图形外的欧姆接触层。在360℃温度和氮气环境下，进行热退火处理60s。
图11为本发明实施例中在沉积金属窗口内生长Ti/Au层的截面示意图。
通过光刻，制作正面金属电极图形。如图11所示，在一个实例中，首先将光刻胶涂覆在样片表面，通过曝光显影将正面金属图形转移到样片上，所用光刻胶为NR9，厚度为～5μm；利用电子束蒸发在样品上生长Ti/Au＝20nm/300nm，最后利用带胶剥离技术去除图形外的Ti/Au层。
图12为本发明实施例中电镀加厚Au层的截面示意图。
通过光刻，电镀加厚正面金属电极图形。如图12所示，在一个实例中，上述样片等离子去胶机去胶15s后，用台阶仪测量胶与蒸发金层的高度差，在恒温30℃恒速搅拌的条件下，以1.2mA电流进行恒流电镀，电镀时间根据所要电镀的厚度决定，一般～5μm。电镀完成后，用台阶仪测量高度差，以确定电镀厚度。在器件电子束蒸发的正面Ti/Au金属层上电镀Au层加厚至5μm以上，增强了器件的散热特性。然后在丙酮里进行带胶剥离处理。图13为本发明实施例中背面减薄抛光的截面示意图。
如图13所示，通过机械减薄和物理化学抛光将外延片衬底厚度减薄至100-150μm。例如：100μm、120μm、150μm。用电子束蒸发设备蒸镀的Ti/Au层作为背面电极，厚度20-30nm/200-400nm。例如：20nm/200nm、30nm/400nm、20nm/400nm、30nm/200nm、25nm/350nm。
进行管芯的解理。将整个外延片沿着预留的腔面和侧向解理沟道分成独立管芯，得到芯片本体。
在第一热沉材料表面制作第二正面金属电极，其中，所述第二正面金属电极的图形与所述第一正面金属电极的图形互为镜像对称图形；在将所述芯片本体倒置烧结到所述第一热沉材料上。在一个实例中，进行第一热沉材料的图形化制作和烧结，先在AlN陶瓷片表面制作与第一正面金属电极图形互为镜像的第二正面金属电极图形，蒸Au和In作为导电通道。然后在270℃温度下，把单个激光器管芯在真空加热的条件下，倒置烧结在第一热沉材料上，通过衬底上隔离的Au层做正负电极的引线，有助于电流均匀化注入。
图14为本发明实施例中封装后的截面示意图。
将带有所述芯片本体的所述第一热沉材料烧结到所述第二热沉材料上，得到所述掩埋异质结器件。如图14所示，在一个实例中，通过电镀的方法在第二热沉材料表面镀铟2μm。第二热沉材料上铟层厚度对激光器成品率影响非常大，理想厚度值在1.5-2μm。铟层过薄，烧结后铟不能很好地填充管芯表面和无氧铜热沉的间隙，降低器件散热能力，甚至会出现管芯和陶瓷片无法烧结在热沉上的情况。铟层过厚，倒焊时铟易沿管芯前后腔面爬过二氧化硅绝缘层，造成激光器漏电，甚至短路。最后将制备好的管芯和第一热沉烧结到第二热沉上，完成管芯的封装。设置第一热沉材料增加了纵向导热性，设置第二热沉材料与第一热沉材料进行配合，增大了散热面积，提高了高温作业的持续性。
根据本发明的实施例，可以成功制备出高温连续工作器件，制作方法符合标准半导体工艺流程，操作简便高效，适于工业化量产。
图15为本发明实施例中正焊模拟示意图；
图16为本发明实施例中普通倒焊模拟示意图；
图17为本发明实施例中填充掩埋材料的倒焊模拟示意图；
利用COMSOL软件的非线性有限元方法对正焊结构、倒焊结构和填充掩埋材料的倒焊结构分别进行二维热分布模拟。设定器件工作在连续波模式时的电流为1.3A，电压为13V，热沉温度为25K。半绝缘GaAs和N型高掺GaAs的热导率分别为45W/m·K，有源区的热导率为κAC＝45W/m·K，其他参数选自材料库，得到的模拟结果如图15-17所示。
对于太赫兹量子级联单脊激光器，采用倒焊明显比正焊有优势，将电注入窗口侧朝下烧结在高热导率第一热沉材料上，再将第一热沉材料烧结在第二热沉材料上，尽力提高器件的纵向散热能力。稳态条件下，在同样的注入热功率16.9W条件下，倒焊器件具有比正焊器件更优异的散热特点，分别为232K和82.4K。原因在于倒焊器件使得有源区与热沉的距离大大缩短，散热通道更加畅通，因此对于器件纵向散热都有一定的提高。而对于倒焊结构，以半绝缘InP作为电隔离层，相比常规工艺中的作为横向电隔离的二氧化硅外包金属，可以提高42.8K，器件的横向散热能力大幅提高。
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。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (10)
1.一种掩埋异质结器件的制备方法，包括：
在半绝缘衬底上依次生长第一掺杂层、有源层、第二掺杂层，其中，所述第一掺杂层的掺杂浓度小于所述第二掺杂层的掺杂浓度；
在所述第二掺杂层上生长第一二氧化硅层；
在所述第一二氧化硅层上制作至少一个填充窗口；
将所述填充窗口腐蚀至所述第一掺杂层的上表面，形成沟槽，在所述沟槽中填充掩埋材料；
通过光刻和湿法腐蚀，在所述第一掺杂层上形成辅助脊；
在所述第一掺杂层和所述辅助脊上生长第二二氧化硅层；
通过光刻和湿法腐蚀，在所述第二二氧化硅层上制备发光脊；
在所述发光脊和所述辅助脊上分别制作沉积金属窗口；
在所述沉积金属窗口内生长欧姆接触；
在所述沉积金属窗口内制作第一正面金属电极；
经减薄、抛光处理之后，在所述半绝缘衬底的底部制作背面金属电极，经解理处理之后，得到芯片本体；
在第一热沉材料表面制作第二正面金属电极，其中，所述第二正面金属电极的图形与所述第一正面金属电极的图形互为镜像对称图形；
将所述芯片本体倒置烧结到所述第一热沉材料上；
将带有所述芯片本体的所述第一热沉材料烧结到所述第二热沉材料上，得到所述掩埋异质结器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半绝缘衬底、所述第一掺杂层、所述第二掺杂层的材料均包括GaAs。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有源层包括GaAs和AlxGa1-xAs交替生长形成的超晶格结构，其中，0.15＜x＜3。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一掺杂层的掺杂浓度包括2～4×1018cm-3；所述第二掺杂层的掺杂浓度包括4～6×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料包括以下任意一种半绝缘材料：InP、AlN、Si3N4。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将所述填充窗口腐蚀至所述第一掺杂层的上表面，形成沟槽，包括：
采用混合腐蚀液将所述填充窗口在20～40℃下腐蚀至所述第一掺杂层的上表面，形成沟槽，其中，所述混合腐蚀液包括HBr、HNO3和H2O配置的混合溶液，HBr、HNO3、H2O的体积比包括1：(1～2)：(5～20)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一热沉材料包括以下任意一种：AlN、金刚石、Si3N4、SiC；所述第二热沉材料包括铜。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述欧姆接触的材料包括Ge/Au/Ni/Au；所述正面金属电极的材料包括Ti/Au。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述填充窗口的宽度包括10～50μm。
10.一种采用权利要求1～9任意一项所述的方法制备的掩埋异质结器件。
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