CN116260041A - 一种降低激光器烧结爬铟的芯片结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种降低激光器烧结爬铟的芯片结构及制备方法，属于半导体激光技术领域，包括外延片，外延片从下至上依次为衬底、缓冲层、下限制层、有源区、上限制层和帽层，外延片的中心位置设置有脊型光腔，脊型光腔深至上限制层，脊型光腔的两侧设置有隔离槽，隔离槽的外侧设置肩区，肩区的外侧设置有管芯解理槽，管芯解理槽及除脊型光腔外的外延片的上表面均设置有介质膜，在除管芯解理槽之外的区域上沉积P电极，衬底底部沉积有N电极。本发明芯片制作时管芯解理槽深度延伸至衬底，倒装焊接时，软焊料铟距离衬底较远，铟不易攀爬，并且，芯片侧壁有绝缘的介质层保护，能有效解决常规铟烧结中的爬铟问题。

Description

一种降低激光器烧结爬铟的芯片结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种降低激光器烧结爬铟的芯片结构及制备方法，属于半导体激光技术领域。
背景技术
半导体激光器具有体积小、成本低、可靠性高、转换效率等优点，在激光泵浦、工业、医疗、军事等领域得到广泛应用。随着应用领域增加，对其性能要求越来越高，这就对激光器芯片及封装工艺提出了更高要求。半导体激光器的封装中选择合适的焊料和次热沉是提高激光器寿命的关键，在量产中普遍使用铟(In)焊料、铜(Cu)热沉。铟焊料在激光器芯片焊接中有一些优势，但是也有一些问题，烧结过程中易攀爬，形成铟须、污染电极和腔面，严重时会造成激光器短路，严重影响器件的成品率，不利于量产。
现有降低烧结爬铟常采用金锡焊料，金锡焊料粘滞性较低，流动性很好，焊缝中的孔隙可以得到很好的填充，无溶蚀、无电迁移现象，但金锡焊料无法释放有源区应力，价格贵、延展性差、质地较脆、不易加工，成本高，不适合小功率的规模化生产。
发明内容
为解决上述问题，本发明专利不改变烧结方式的前提下，提出一种降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构及制备方法，芯片制作时管芯解理槽深度延伸至衬底，倒装焊接时，软焊料铟距离衬底较远，铟不易攀爬，并且，芯片侧壁有绝缘的介质层保护，能有效解决常规铟烧结中的爬铟问题。
一种降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，包括外延片，外延片从下至上依次为衬底、缓冲层、下限制层、有源区、上限制层和帽层，外延片的中心位置设置有脊型光腔，脊型光腔深至上限制层，脊型光腔的两侧设置有隔离槽，隔离槽的外侧设置肩区，肩区的外侧设置有管芯解理槽，管芯解理槽及除脊型光腔外的外延片的上表面均设置有介质膜，在除管芯解理槽之外的区域上沉积P电极，最后将制备好的样品经过减薄、N面电极沉积、合金的方法，形成激光器芯片，后将激光器芯片经过巴条解理、腔面镀膜、管芯划/裂片、烧结、装架、焊线、封帽等工步完成激光器封装。
本发明的脊型光腔是为了对激光器注入的载流子在平行和垂直PN结平面的两个方向上产生限制，使之产生光增益，达到激射的阈值条件；隔离槽是为了抑制电流侧向扩展；肩区目的是分割隔离槽和管芯解理槽，利于管芯解理槽后续工艺腐蚀。
本发明增加了管芯解理槽，且管芯解理槽表面有介质层，倒装焊接时利用介质层的绝缘特性，减小铟迁移，或者说此绝缘介质层可容忍铟在一定范围内迁移，只要迁移的深度不超过介质层的覆盖区域，都在安全范围内，此结构在一定范围内，增加了铟工艺窗口，减小了量产的难度。
优选的，所述脊型光腔两侧的隔离槽、管芯解理槽及肩区相对脊型光腔为水平布局的对称结构，方便量产。
优选的，所述管芯解理槽高度延伸至缓冲层以下，管芯解理槽腐蚀深度贯穿至衬底。
优选的，所述介质膜为Si3N4，也可以SiO2、Al2O3、SiON、Ta2O5、Si、TiO2、HfO2、AlN等介质膜的一种或多种。
本发明的介质膜除了隔绝空气，阻止电流向非注入区泄露，辅助改变激光器发散角外，还保护了管芯解理槽侧壁，增加了铟攀爬高度，降低烧结过程中爬铟导致的短路风险。
优选的，激光器烧结使用倒装焊，即P面接触铟焊料，铟焊料的厚度在2.5-5μm之间，优选3.5μm。
一种上述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底上依次生长缓冲层、下限制层、有源区、上限制层、帽层形成外延层结构；
(2)在外延层上的P面电极及肩区上方覆盖一层光刻胶，通过曝光、显影、腐蚀的方法，腐蚀出脊型光腔结构，脊型光腔高度小于上限制层高度，然后使用丙酮、异丙醇浸泡去除光刻胶掩膜；
脊型光腔是使用腐蚀液腐蚀后产生的，其腐蚀深度不超过上限制层，故上限制层高度大于脊型光腔；腐蚀后的脊型光腔高度小于上限制层高度原因：一旦脊型光腔深度到达或超过有源区，有源区材料接触空气后易氧化，激光器可靠性就会降低，故腐蚀后的脊型光腔高度小于上限制层高度。
(3)在肩区以外区域，覆盖一层光刻胶，通过曝光、显影、腐蚀的方法，在肩区腐蚀出管芯解理槽区域，管芯解理槽深度延伸至GaAs衬底；本发明将GaAs衬底替换为GaN或其他含Ga的其他三五族化合物，也可以实现本发明的目的；
(4)在肩区上方覆盖一层光刻胶，曝光、显影后使用PECVD蒸镀一层或多层介质膜，也可以使用电子束蒸发、磁控溅射等方式，介质膜为200nm的Si3N4薄膜，后使用丙酮、异丙醇浸泡去除光刻胶掩膜；
(5)在管芯解理槽上方覆盖一层光刻胶，曝光、显影后使用电子束蒸发制备P电极，蒸镀完成后，使用丙酮、异丙醇浸泡去除光刻胶掩膜；
(6)进行衬底减薄及在衬底表面蒸镀N型欧姆接触电极金属，形成N电极，再经退火，使脊型光腔表面及衬底形成良好的欧姆接触，形成激光器芯片。
优选的，制备方法还包括以下步骤：
(7)使用LOOMIS解理机将半导体激光器芯片解理巴条，放置于专门的夹持巴条的夹具中，将巴条夹具放置于电子束蒸发设备，在巴条腔面两端分别蒸镀增透膜和高反膜；
(8)镀膜后的巴条使用全自动划片机、裂片机，沿着管芯解理槽将激光器巴条分成单个激光器芯片；
(9)在激光器烧结前，将无氧铜热沉使用稀盐酸、丙酮及去离子水清洗，去除表面氧化膜及无机物，将清洗后的无氧铜放入电子束蒸发设备，蒸镀3.5μm厚的铟焊料；
(10)将单个激光芯片使用贴片机，P面朝下放置于蒸铟的铜热沉上形成COS,将COS放置于真空回流炉烧结；
将烧结后COS安装在TO金属管座上，使用焊线机进行金丝键合，使用全自动封帽机完成TO封装。
优选的，步骤(3)中，管芯解理槽腐蚀使用NH3·H2O:H2O2:H2O溶液、Br2:H2O溶液或H2SO4:H2O2:H2O溶液。
优选的，步骤(10)中，激光器的烧结温度为160-220℃，烧结时间为1-3min，烧结时充入氮气或氢气保护；优选的，烧结温度为170℃，烧结时间2min。
优选的，脊型光腔及肩区使用的腐蚀液为NH3·H2O:H2O2:H2O溶液，按照NH3·H2O:H2O2:H2O＝1:1:6的体积比例配比。
本发明的有益效果为：
现有的激光器，管芯解理后，芯片解理槽侧壁裸露在空气中且无绝缘介质膜保护，铟极易迁移管芯，造成短路；
对比现有的激光器芯片结构(如图3)，本发明增加了解理槽结构，管芯解理槽深度延伸至衬底，倒装焊接时，软焊料铟距离衬底较远，铟不易攀爬，并且，倒装焊接时芯片侧壁有绝缘介质膜保护，铟焊料不易攀爬至芯片，即使有攀爬，由于介质膜的作用，也很难攀爬至裸露的芯片侧壁。
另外，管芯解理槽侧壁有介质膜保护，管芯解理后，有源区有介质膜保护，激光器有源区不易氧化。
附图说明
图1为本发明的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构示意图；
图2为多个激光器芯片的立体图；
图3为现有的激光器结构示意图；
图中，1-N电极，2-衬底，3-缓冲层，4-下限制层，5-有源区，6-上限制层，7-帽层，8-介质膜，9-P电极，10-管芯解理槽，11-隔离槽，12-肩区，13-脊型光腔。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，如图1-2所示，包括外延片，外延片从下至上依次为衬底2、缓冲层3、下限制层4、有源区5、上限制层6和帽层7，外延片的中心位置设置有脊型光腔13，脊型光腔13深至上限制层6，脊型光腔13的两侧设置有隔离槽11，隔离槽11的外侧设置肩区12，肩区12的外侧设置有管芯解理槽10，管芯解理槽10及除脊型光腔外的外延片的上表面均设置有介质膜8，在除管芯解理槽之外的区域上沉积P电极9，衬底底部沉积有N电极1。
本发明的脊型光腔13是为了对激光器注入的载流子在平行和垂直PN结平面的两个方向上产生限制，使之产生光增益，达到激射的阈值条件；隔离槽是为了抑制电流侧向扩展；肩区目的是分割隔离槽和管芯解理槽，利于管芯解理槽后续工艺腐蚀。
本实施例增加了管芯解理槽，且管芯解理槽表面有介质层，倒装焊接时利用介质层的绝缘特性，减小铟迁移，或者说此绝缘介质层可容忍铟在一定范围内迁移，只要迁移的深度不超过介质层的覆盖区域，都在安全范围内，此结构在一定范围内，增加了铟工艺窗口，减小了量产的难度。
实施例2：
一种降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，如实施例1所述，所不同的是，脊型光腔13两侧的隔离槽11、管芯解理槽10及肩区12相对脊型光腔为水平布局的对称结构，方便量产。
实施例3：
一种降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，如实施例2所述，所不同的是，管芯解理槽腐蚀深度贯穿至衬底。
介质膜为Si3N4，介质膜除了隔绝空气，阻止电流向非注入区泄露，辅助改变激光器发散角外，还保护了管芯解理槽侧壁，增加了铟攀爬高度，降低烧结过程中爬铟导致的短路风险。
实施例4：
一种降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，如实施例3所述，所不同的是，激光器烧结使用倒装焊，即P面接触铟焊料，铟焊料的厚度为3.5μm。
实施例5：
一种降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底上依次生长缓冲层、下限制层、有源区、上限制层、帽层形成外延层结构；
(2)在外延层上的P面电极及肩区上方覆盖一层光刻胶，通过曝光、显影、腐蚀的方法，腐蚀出脊型光腔结构，脊型光腔高度小于上限制层高度，然后使用丙酮、异丙醇浸泡去除光刻胶掩膜；
脊型光腔是使用腐蚀液腐蚀后产生的，其腐蚀深度不超过上限制层，故上限制层高度大于脊型光腔；腐蚀后的脊型光腔高度小于上限制层高度原因：一旦脊型光腔深度到达或超过有源区，有源区材料接触空气后易氧化，激光器可靠性就会降低，故腐蚀后的脊型光腔高度小于上限制层高度。
脊型光腔及肩区使用的腐蚀液为NH3·H2O:H2O2:H2O溶液，按照NH3·H2O:H2O2:H2O＝1:1:6的体积比例配比；
(3)在肩区以外区域，覆盖一层光刻胶，通过曝光、显影、腐蚀的方法，在肩区腐蚀出管芯解理槽区域，管芯解理槽深度延伸至GaAs衬底；本发明将GaAs衬底替换为GaN或其他含Ga的其他三五族化合物，也可以实现本发明的目的；
管芯解理槽腐蚀使用NH3·H2O:H2O2:H2O溶液；
(4)在肩区上方覆盖一层光刻胶，曝光、显影后使用PECVD蒸镀一层或多层介质膜，也可以使用电子束蒸发、磁控溅射等方式，介质膜为200nm的Si3N4薄膜，后使用丙酮、异丙醇浸泡去除光刻胶掩膜；
(5)在管芯解理槽上方覆盖一层光刻胶，曝光、显影后使用电子束蒸发制备P电极，蒸镀完成后，使用丙酮、异丙醇浸泡去除光刻胶掩膜；
(6)进行衬底减薄及在衬底表面蒸镀N型欧姆接触电极金属，形成N电极，再经退火，使脊型光腔表面及衬底形成良好的欧姆接触，形成激光器芯片，如图1；
(7)使用LOOMIS解理机将半导体激光器芯片解理巴条，放置于专门的夹持巴条的夹具中，将巴条夹具放置于电子束蒸发设备，在巴条腔面两端分别蒸镀增透膜和高反膜；
(8)镀膜后的巴条使用全自动划片机、裂片机，沿着管芯解理槽(图2)将激光器巴条分成单个激光器芯片；
(9)在激光器烧结前，将无氧铜热沉使用稀盐酸、丙酮及去离子水清洗，去除表面氧化膜及无机物，将清洗后的无氧铜放入电子束蒸发设备，蒸镀3.5μm厚的铟焊料；
(10)将单个激光芯片使用贴片机，P面朝下放置于蒸铟的铜热沉上形成COS,将COS放置于真空回流炉烧结；
激光器的烧结温度为170℃，烧结时间为2min，烧结时充入氮气保护；
将烧结后COS安装在TO金属管座上，使用焊线机进行金丝键合，使用全自动封帽机完成TO封装。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，包括外延片，外延片从下至上依次为衬底、缓冲层、下限制层、有源区、上限制层和帽层，其特征在于，外延片的中心位置设置有脊型光腔，脊型光腔深至上限制层，脊型光腔的两侧设置有隔离槽，隔离槽的外侧设置肩区，肩区的外侧设置有管芯解理槽，管芯解理槽及除脊型光腔外的外延片的上表面均设置有介质膜，在除管芯解理槽之外的区域上沉积P电极，衬底底部沉积有N电极。
2.根据权利要求1所述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，其特征在于，所述脊型光腔两侧的隔离槽、管芯解理槽及肩区相对脊型光腔为水平布局的对称结构。
3.根据权利要求2所述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，其特征在于，所述管芯解理槽腐蚀深度贯穿至衬底。
4.根据权利要求3所述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，其特征在于，所述介质膜为Si3N4，也可以SiO2、Al2O3、SiON、Ta2O5、Si、TiO2、HfO2、AlN等介质膜的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构，其特征在于，激光器烧结使用倒装焊，即P面接触铟焊料，铟焊料的厚度在2.5-5μm之间，优选3.5μm。
6.一种权利要求5所述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在衬底上依次生长缓冲层、下限制层、有源区、上限制层、帽层形成外延层结构；
(2)在外延层上的P面电极及肩区上方覆盖一层光刻胶，通过曝光、显影、腐蚀的方法，腐蚀出脊型光腔结构，脊型光腔高度小于上限制层高度，然后使用丙酮、异丙醇浸泡去除光刻胶掩膜；
(3)在肩区以外区域，覆盖一层光刻胶，通过曝光、显影、腐蚀的方法，在肩区腐蚀出管芯解理槽区域，管芯解理槽深度延伸至GaAs衬底；
(4)在肩区上方覆盖一层光刻胶，曝光、显影后使用PECVD蒸镀一层或多层介质膜，介质膜为200nm的Si3N4薄膜，后使用丙酮、异丙醇浸泡去除光刻胶掩膜；
(5)在管芯解理槽上方覆盖一层光刻胶，曝光、显影后使用电子束蒸发制备P电极，蒸镀完成后，使用丙酮、异丙醇浸泡去除光刻胶掩膜；
(6)进行衬底减薄及在衬底表面蒸镀N型欧姆接触电极金属，形成N电极，再经退火，使脊型光腔表面及衬底形成良好的欧姆接触，形成激光器芯片。
7.根据权利要求6所述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构的制备方法，其特征在于，还包括：
(7)使用LOOMIS解理机将半导体激光器芯片解理巴条，放置于夹持巴条的夹具中，将巴条夹具放置于电子束蒸发设备，在巴条腔面两端分别蒸镀增透膜和高反膜；
(8)镀膜后的巴条使用全自动划片机、裂片机，沿着管芯解理槽将激光器巴条分成单个激光器芯片；
(9)在激光器烧结前，将无氧铜热沉使用稀盐酸、丙酮及去离子水清洗，去除表面氧化膜及无机物，将清洗后的无氧铜放入电子束蒸发设备，蒸镀3.5μm厚的铟焊料；
(10)将单个激光芯片使用贴片机，P面朝下放置于蒸铟的铜热沉上形成COS,将COS放置于真空回流炉烧结；
将烧结后COS安装在TO金属管座上，使用焊线机进行金丝键合，使用全自动封帽机完成TO封装。
8.根据权利要求7所述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，管芯解理槽腐蚀使用NH3·H2O:H2O2:H2O溶液、Br2:H2O溶液或H2SO4:H2O2:H2O溶液。
9.根据权利要求7所述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构的制备方法，其特征在于，步骤(10)中，激光器的烧结温度为160-220℃，烧结时间为1-3min，烧结时充入氮气或氢气保护；优选的，烧结温度为170℃，烧结时间2min。
10.根据权利要求8所述的降低半导体激光器烧结爬铟的激光器芯片结构的制备方法，其特征在于，脊型光腔及肩区使用的腐蚀液为NH3·H2O:H2O2:H2O溶液，按照NH3·H2O:H2O2:H2O＝1:1:6的体积比例配比。
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