CN116613626B - 一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及垂直腔面发射激光器技术领域，具体是涉及一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片及其制备方法，该VCSEL芯片自下而上依次是背面SiN层、GaAs衬底、GaAs缓冲层、N‑DBR、氧化层、N‑限制层、多量子阱有源层、P‑限制层、P‑DBR、GaAs CaP层、P电极、SiN层、N电极、聚酰亚胺、双电极P极和双电极N极，双电极P极和双电极N极位于所述VCSEL芯片同侧，且材料均为Ti/Pt/Au/AuSn金属材料。本发明通过对芯片材料结构进行优化，同时通过优化封装材料及形式，以贴片方式封装，可有效解决VCSEL芯片的散热问题，有利于大规模生产。

Description

一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器技术领域，具体是涉及一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片及其制备方法。

背景技术

VCSEL（垂直腔面发射激光器）芯片是一种面发射半导体激光器，相较于EEL（边发射激光器），VCSEL因具有效率高、光束质量好、精度高、功耗低、高可靠、调制速率快、可大量生产、制造成本低等优势，而得到广泛应用。VCSEL芯片因其应用范围广，所以在应用条件、封装形式上都有很大差异。随着客户使用条件的加大，VCSEL芯片散热也成为需要迫切解决的问题。因此，研发一种能高效散热的VCSEL芯片很有必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片及其制备方法，该VCSEL芯片不仅从芯片材料结构进行优化，同时还通过优化封装材料及形式，以贴片方式封装，可有效解决VCSEL芯片的散热问题，有利于大规模生产。

本发明提供一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，所述VCSEL芯片自下而上依次是背面SiN层、GaAs衬底、GaAs缓冲层、N-DBR、氧化层、N-限制层、多量子阱有源层、P-限制层、P-DBR、GaAs CaP层、P电极、SiN层、N电极、聚酰亚胺、双电极P极和双电极N极；

所述双电极P极和双电极N极位于所述VCSEL芯片同侧，且材料均为Ti/Pt/Au/AuSn金属材料；具体地，双电极的厚度均为3μm-4μm。

AuSn材料具有较高的热导率和导电性，且可以在300℃下与金层无需助焊剂，直接焊接。正常VCSEL芯片是一种垂直结构VCSEL芯片且正面出光，而本发明中通过将电极设置在同侧（背面出光），并在电极表面蒸镀AuSn材料，不仅具有快速散热的作用，同时由于该材料的特殊性，可直接进行贴片封装，进一步提高芯片散热性能的同时，可改善器件的可靠性，有效从芯片材料结构以及封装材料及形式优化上，改善芯片散热问题。

进一步的，上述技术方案中，在所述P电极正下方通过截止于所述N-DBR的隔离槽与其它部位隔离，并形成一个圆形台柱，所述圆形台柱内部靠近圆柱边缘的氧化层被氧化后，形成一个氧化孔。通过在P电极的正下方氧化一个氧化孔形成出光孔，提高出光效率。

进一步的，上述技术方案中，所述SiN层覆盖除P电极外的外延层表面，所述N电极通过蚀刻掉部分位于隔离槽底部的SiN层与所述N-DBR欧姆接触，并延伸至台阶表面。通过使用SiN覆盖外延层表面及圆形台柱侧壁，起绝缘保护作用，可有效提高芯片的可靠性；将N电极引至P电极同侧，方便后续正负电极直接焊接、贴合。

进一步的，上述技术方案中，所述隔离槽用所述聚酰亚胺填充。聚酰亚胺为一种非光敏聚酰亚胺材料，通过在台阶处填充聚酰亚胺，起到绝缘钝化作用，进一步提高芯片的可靠性。

进一步的，上述技术方案中，所述氧化层中铝的组分为0.99；所述P电极的材料为Ti/Pt/Au，厚度为1800埃-2000埃；所述N电极的材料为AuGe/Ni/Au，厚度为1800埃-2000埃。

进一步的，上述技术方案中，所述N-DBR的对数为18对-20对，所述P-DBR的对数为43对-45对。

进一步的，上述技术方案中，所述SiN层为钝化保护层，厚度为3μm-4μm。

进一步的，上述技术方案中，所述背面SiN层的厚度为2800埃-3200埃。

本发明还提供一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片的制备方法，包括以下步骤：

S1.在GaAs衬底上，利用MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积）生长出AlGaAs激光外延片；

S2.在外延片上，采用负胶套刻和电子束蒸镀方式制作图案化的P电极；

S3.采用光刻方式制作出图案化台面图形，通过ICP刻蚀（感应耦合等离子体刻蚀），刻蚀出具有预设角度的圆形台柱，刻蚀至N-DBR层，接着通过湿法氧化工艺对氧化层进行氧化；

S4.通过PECVD（等离子体增强化学的气相沉积法）沉积SiN层；

S5.采用套刻和干法蚀刻方式，蚀刻出PV图形，并通过电子束蒸镀方式蒸镀N电极；

S6.对刻蚀台阶处进行平坦化处理，填充聚酰亚胺材料；

S7.采用负胶套刻和电子束蒸镀方式制作图案化的双电极；

S8.利用机械研磨进行GaAs衬底减薄，进行CMP抛光（化学机械抛光），并通过PECVD沉积背面SiN层；

S9.最后进行测试、切割等工艺，形成VCSEL芯片。

进一步的，上述技术方案S3中，所述圆形台柱的角度为80°-85°，蚀刻过2对N-DBR，其蚀刻条件为：功率为300W，BCl₃流量为15sccm，Cl₂流量为5sccm，N₂流量为20sccm，SF₆流量为30sccm。本技术方案中，通过将圆形台柱设计成具有一定角度的斜面，有利于后续侧壁金属的覆盖，可靠性好。

进一步的，上述技术方案S3中，湿法氧化工艺为：氧化时间为35min-45min，氧化温度为420℃-440℃，N₂/H₂流量为6L/min-8L/min，水汽为40g/h，压力为750mbar。本技术方案中，通过对圆形台柱内并靠近圆形台柱边缘的氧化层进行氧化处理，可通过控制氧化时间、温度等条件，控制氧化孔的大小，实现电流密度的改变，从而到达背面出光的目的。

本发明还提供一种由上述制作方法制作的VCSEL芯片的贴片封装方法，将VCSEL芯片贴合在需要的基板上，300℃下10s后，进行冷却，即可完成贴片封装。本发明得到的VCSEL芯片双电极表面为AuSn材料，可在300℃下与金属基板直接焊接，无需助焊剂，贴片封装，有利于大规模生产，降低成本，同时该贴片封装散热好，方便与电子元器件一起贴片加工。

本发明与现有技术相比，其有益效果有：

1.本发明通过将常规垂直结构且正面出光VCSEL芯片，设置成同侧电极结构且背面出光，同时在双电极表面蒸镀具有较高导热和导电性能的AuSn层，不仅可以实现快速散热，同时由于该材料的特殊性，无需助焊剂就可直接焊接在基板上，进一步借助基板实现快速将热散出去的目的，可焊性强，可直接进行贴片封装，易于封装，器件的可靠性强；

2.本发明将P电极所在的区域蚀刻出一定角度的圆形台柱，并通过对其正下方的氧化层氧化成一个氧化孔，形成出光孔，提高背面出光效率，同时将圆形台柱侧边形成一定的斜面，有利于侧壁金属的覆盖，提高芯片可靠性；

3.本发明不仅通过对芯片的结构进行设计，同时优化封装形式，直接贴片封装，有效从芯片材料结构以及封装材料及形式优化上，改善芯片散热问题；

4.本发明制作方法简单，得到的VCSEL芯片直接与基板贴片封装，散热性、可靠性好，方便与电子元器件一起贴片加工，更有利于大规模生产，有效降低成本。

附图说明

图1为本发明外延片结构示意图；

图2为本发明VCSEL芯片截面结构示意图；

图3为本发明VCSEL芯片贴片封装示意图。

示意图中标号说明：

1、GaAs衬底；2、GaAs缓冲层；3、N-DBR；4、氧化层；5、N-限制层；6、多量子阱有源层；7、P-限制层；8、P-DBR；9、GaAs Cap层；10、P电极；11、氧化孔；12、SiN层；13、N电极；14、聚酰亚胺；15-1、双电极P极；15-2、双电极N极；16、背面SiN层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

请参阅图1至图3，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

本发明的一些实施例提供一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其结构示意图如图2所示，所述VCSEL芯片自下而上依次是背面SiN层16、GaAs衬底1、GaAs缓冲层2、N-DBR3、氧化层4、N-限制层5、多量子阱有源层6、P-限制层7、P-DBR8、GaAs CaP层9、P电极10、SiN层12、N电极13、聚酰亚胺14、双电极P极15-1和双电极N极15-2；

具体地，所述双电极P极15-1和双电极N极15-2位于所述VCSEL芯片同侧，且材料均为Ti/Pt/Au/AuSn金属材料；将电极设置在同侧且背面出光，并在电极表面蒸镀AuSn材料，可加快快速散热的作用；

具体地，在所述P电极10正下方通过截止于所述N-DBR3的隔离槽与其它部位隔离，并形成一个圆形台柱，所述圆形台柱内部靠近圆柱边缘的氧化层被氧化后，形成一个氧化孔11；通过对在P电极的正下方的氧化层进行氧化，形成一个氧化孔即出光孔，提高出光效率。

具体地，所述SiN层12覆盖除P电极10外的外延层表面，所述N电极13通过蚀刻掉部分位于隔离槽底部的SiN层12与所述N-DBR3欧姆接触，并延伸至台阶表面。通过使用SiN覆盖外延层表面及圆形台柱侧壁，起绝缘保护作用，可有效提高芯片的可靠性；将N电极引至P电极同侧，方便后续正负电极直接焊接、贴合。

具体地，用聚酰亚胺填充隔离槽（台阶），由于聚酰亚胺为一种非光敏聚酰亚胺材料，起到绝缘钝化作用，提高芯片的可靠性。

本发明的另一些实施例还提供一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片的制备方法，包括以下步骤：

S1.提供一GaAs衬底作为外延结构生长衬底，在MOCVD机台设置好程序，GaAs衬底上依次生长，GaAs缓冲层，N-DBR，N-限制层，氧化层，多量子阱有源层，P-限制层，P-DBR，GaAs Cap层，该外延片结构示意图如图1所示，其中，N-DBR对数为18对-20对，P-DBR对数为43对-45对，氧化层铝组份为0.99；

S2.利用酸碱溶液清洗外延片，在外延片表面，采用负胶套刻制作图案化的P电极图形，通过电子束蒸镀方式完成P电极蒸镀，并配合lift-off工艺（揭开一剥离工艺）剥离，得到P电极；其中，P电极厚度为1800埃-2000埃，包括Ti/Pt/Au金属材料；

S3.利用去胶溶液去除表面光刻胶，并进行晶片表面有机清洗，采用正胶套刻方式制作出图案化台面图形，通过ICP刻蚀，刻蚀出具有预设角度的圆形台柱，刻蚀至N-DBR层，其中，ICP刻蚀功率300W，BCl₃流量15sccm，Cl₂流量5sccm，N₂流量20sccm，SF₆流量30sccm；刻蚀过N-DBR 2对，台柱角度80°-85°，将圆形台柱设计成具有一定角度的斜面，有利于后续侧壁金属的覆盖，提高可靠性；接着通过湿法氧化工艺对氧化层进行氧化，形成的氧化孔（即出光孔）大小，其中，氧化工艺为：氧化时间为35min-45min，氧化温度为420℃-440℃，N₂/H₂流量为为6L/min-8L/min，水汽为40g/h，压力为750mbar；具体地，将圆形台柱内并靠近圆形台柱边缘的氧化层进行氧化处理，可得到出光孔，有利于背面出光；

S4.利用弱碱氨水溶液清洗晶片，通过PECVD沉积3μm-4μm厚的SiN层，SiN层为钝化保护层，沉积温度为250℃-270℃；

S5.使用负性光刻胶制作掩膜PV图形，通过显影液将PV图形显现出来，利用ICP刻蚀掉部分SiN层，并露出刻蚀过的N-DBR表面；通过电子束蒸镀方式蒸镀N电极，并配合lift-off工艺剥离，得到N电极，N电极厚度为1800埃-2000埃，包括AuGe/Ni/Au金属材料，并将N电极在360℃高温下熔合，并使得N电极材料与刻蚀的N-DBR形成良好的欧姆接触，同时可增强与其的附着效果；

S6.采用旋涂方式，将晶片表面涂满聚酰亚胺材料，并在120℃-130℃热板软烘2min-3min，并利用整形光刻胶制作图案化的图形，然后对聚酰亚胺材料进行烘烤固化，其中烘烤最高温度不超过350℃；

S7.采用负胶套刻制作双电极光刻图形，通过电子束蒸镀方式蒸镀双电极，并配合lift-off工艺剥离，得到双电极P电极和双电极N电极，双电极的厚度均为3μm-4μm，包括Ti/Pt/Au/AuSn金属材料，其中，AuSn层为最外层；

S8.将GaAs衬底采用机械砂轮研磨的方式并配合抛光材料进行表面抛光，得到的芯片厚度为150μmm；并对抛光衬底面进行有机清洗，通过PECVD沉积背面SiN层，厚度为2800埃-3200埃，沉积背面SiN层的功率为150W-160W，温度为160℃-180℃；其中沉积背面SiN层的目的是起到钝化保护的作用；

S9.利用测试机对VCSEL芯片进行测试，采用刀片双面切割的方式，以固定的间距，将芯片切穿，形成VCSEL芯片并进行AOI分选。

本发明的另一些实施例还提供一种VCSEL芯片的贴片封装方法，将所得VCSEL芯片贴合在需要的基板上，300℃下10s-15s后，进行冷却，即可完成贴片封装，该VCSEL芯片贴片封装示意图如图3所示。本发明得到的VCSEL芯片双电极表面为AuSn材料，可在300℃下与金属基板直接焊接，无需助焊剂，贴片封装，有利于大规模生产，降低成本，同时该贴片封装散热好，方便与电子元器件一起贴片加工。

综上所述，本发明通过将VCSEL芯片设置成同侧电极结构且背面出光，同时在双电极表面蒸镀具有较高导热和导电性能的AuSn层，不仅可以实现快速散热，同时由于该材料的特殊性，无需助焊剂就可直接焊接在基板上，进一步借助基板实现快速将热散出去的目的，有效从芯片材料结构和封装材料及形式上优化，改善芯片散热问题，该制作方法简单，得到的VCSEL芯片直接与基板贴片封装，散热性、可靠性好，方便与电子元器件一起贴片加工，更有利于大规模生产，有效降低成本。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，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 (9)

1.一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其特征在于，所述VCSEL芯片自下而上依次是背面SiN层、GaAs衬底、GaAs缓冲层、N-DBR、氧化层、N-限制层、多量子阱有源层、P-限制层、P-DBR、GaAs覆盖层、P电极、SiN层、N电极、聚酰亚胺、双电极P极和双电极N极；

所述双电极P极和双电极N极位于所述VCSEL芯片同侧，且材料相同，均依次为Ti/Pt/Au/AuSn，其中AuSn在最外层；

所述AuSn电极背面出光VCSEL芯片的制备方法包括以下步骤：

S1.在GaAs衬底上，利用MOCVD生长出AlGaAs激光外延片；

S2.在外延片上，采用负胶套刻和电子束蒸镀方式制作图案化的P电极；

S3.采用光刻方式制作出图案化台面图形，通过ICP刻蚀，刻蚀出具有预设角度的圆形台柱，刻蚀至N-DBR层，接着通过湿法氧化工艺对氧化层进行氧化；

S4.通过PECVD沉积SiN层；

S5.采用套刻和干法蚀刻方式，刻蚀掉部分SiN层，露出刻蚀过的N-DBR表面，并通过电子束蒸镀方式蒸镀N电极；

S6.对刻蚀台阶处进行平坦化处理，填充聚酰亚胺材料；

S7.采用负胶套刻和电子束蒸镀方式制作图案化的双电极；

S8.利用机械研磨进行GaAs衬底减薄，进行CMP抛光，并通过PECVD沉积背面SiN层；

S9.最后进行测试、切割等工艺，形成VCSEL芯片。

2.根据权利要求1所述的一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其特征在于，在所述P电极正下方通过截止于所述N-DBR的隔离槽与其它部位隔离，并形成一个圆形台柱，所述圆形台柱内部靠近圆柱边缘的氧化层被氧化后，形成一个氧化孔。

3.根据权利要求2所述的一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其特征在于，所述SiN层覆盖除P电极外的外延层表面，所述N电极通过蚀刻掉部分位于隔离槽底部的SiN层与所述N-DBR欧姆接触，并延伸至台阶表面。

4.根据权利要求3所述的一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其特征在于，所述隔离槽用所述聚酰亚胺填充。

5.根据权利要求1所述的一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其特征在于，所述双电极P极和双电极N极的厚度均为3μm-4μm；所述氧化层中铝的组分为0.99；所述P电极的材料依次为Ti/Pt/Au，厚度为1800埃-2000埃；所述N电极的材料依次为AuGe/Ni/Au，厚度为1800埃-2000埃。

6.根据权利要求1所述的一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其特征在于，所述N-DBR的对数为18对-20对，所述P-DBR的对数为43对-45对。

7.根据权利要求1所述的一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其特征在于，所述SiN层为钝化保护层，厚度为3μm-4μm；所述背面SiN层的厚度为2800埃-3200埃。

8. 根据权利要求1所述的一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其特征在于，S3中，所述圆形台柱的角度为80°-85°，蚀刻过2对N-DBR ，其蚀刻条件为：功率为300W，BCl₃流量为15sccm，Cl₂流量为5sccm，N₂流量为20sccm，SF₆流量为30sccm。

9.根据权利要求1所述的一种AuSn电极背面出光VCSEL芯片，其特征在于，S3中，湿法氧化工艺为：氧化时间为35min-45min，氧化温度为420℃-440℃，N₂/H₂流量为6L/min-8L/min，水汽为40g/h，压力为750mbar。