GaN基脊型激光二極管的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種GaN基脊型激光二極管的制備方法。首先，通過(guò)在干法蝕刻脊型之前在脊型的頂部使用P區(qū)接觸金屬電極作擋光層，然后使用旋涂技術(shù)涂布負(fù)性光敏性熱固化涂層膠。其次，通過(guò)背向曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)第二次光刻，擋光層可以有效阻止紫外光對(duì)脊型頂部光刻膠的曝光，實(shí)現(xiàn)光刻圖形。最后，根據(jù)負(fù)性光敏性熱固化涂層膠的性質(zhì)，通過(guò)高溫固化手段得到結(jié)構(gòu)完整規(guī)則的絕緣層。本發(fā)明的特點(diǎn)在于同時(shí)解決了目前脊型激光器電極窗口對(duì)準(zhǔn)困難和絕緣層開窗口條件難于掌控的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】GaN基脊型激光二極管的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本項(xiàng)發(fā)明屬于光電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及GaN基激光二極管(LD)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN(氮化鎵)基激光二極管(LD)器件作為光電子器件具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和巨大的產(chǎn)品市場(chǎng)。光存儲(chǔ)與光通信是目前半導(dǎo)體激光二極管的最主要應(yīng)用。對(duì)光盤而言，因?yàn)橛涗浐驮偕目赡艿娜萘颗c光源波長(zhǎng)的2次方成反比，因而要實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ)的高密度化，激光光源的短波化是很必要的。波長(zhǎng)405納米(nm)的藍(lán)紫光GaN基LD是高密度光信息存儲(chǔ)領(lǐng)域中新一代DVD，即Blu-ray Disc的核心器件；GaN基藍(lán)、綠光發(fā)光二極管已技術(shù)成熟并投放市場(chǎng)，在光顯示上的應(yīng)用已使顏色逼真的全色顯示屏發(fā)出絢麗的光彩。波長(zhǎng)450納米(nm)左右的藍(lán)光GaN基LD則作為以紅、綠、藍(lán)三基色激光中的藍(lán)光光源，在激光顯示領(lǐng)域有重要應(yīng)用，尤其是便攜式或密集型激光顯示和投影設(shè)備的不可或缺的核心器件。此外，藍(lán)光GaN基LD在深海通信、材料加工、激光打印、大氣污染監(jiān)測(cè)等方面也有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。
[0003]藍(lán)光半導(dǎo)體激光二極管由于其廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)潛力，成為世界光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，正處于迅速發(fā)展的上升期。GaN基激光二極管，以及其它半導(dǎo)體激光二極管主要采用脊型結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧剐徒Y(jié)構(gòu)有助于對(duì)電流分布的側(cè)向限制，又能有效地提高光限制因子。脊型波導(dǎo)激光二極管尤其是窄的脊型結(jié)構(gòu)可以提高激光光斑質(zhì)量，獲得較高的功率效率，并能有效利用激光能量，有助于激光二極管與應(yīng)用系統(tǒng)的耦合和集成。然而，脊型結(jié)構(gòu)的制備是包括GaN基激光二極管在內(nèi)的半導(dǎo)體激光二極管制造工藝中最重要和最困難的關(guān)鍵工藝。傳統(tǒng)工藝是先光刻脊型，再通過(guò)第二次光刻在P區(qū)絕緣層上套刻一個(gè)和脊型頂部精確對(duì)準(zhǔn)的窗口，使得P型電極能和脊型形成良好的歐姆接觸。由于紫外曝光機(jī)分辨極限的限制，和精確對(duì)版的困難，普通的紫外光刻機(jī)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)4um以下的窄脊的對(duì)準(zhǔn)曝光，使得利用常規(guī)設(shè)備制備窄的脊型波導(dǎo)激光二極管非常困難。另外，即便完成了對(duì)準(zhǔn)光刻，后工藝條件也非?？量蹋热?，腐蝕絕緣層的時(shí)間很難精準(zhǔn)掌控，腐蝕時(shí)間過(guò)短容易造成絕緣層殘留，增大開啟電壓，降低效率；腐蝕時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則容易造成側(cè)蝕，形成漏電，影響器件的發(fā)光效能和器件壽命。所以，脊型結(jié)構(gòu)的制備是決定GaN基激光二極管的性能和成本的關(guān)鍵之一。目前，制備脊型結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)工藝對(duì)曝光機(jī)精度要求高、工藝條件苛刻復(fù)雜、成本高，嚴(yán)重影響GaN激光二極管的競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種脊型GaN基激光二極管的制備方法，可以同時(shí)解決目前脊型激光二極管電極窗口對(duì)準(zhǔn)困難和絕緣層開窗口條件難于控制的兩大問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明的原理:通過(guò)在外延片外延層上方淀積金屬不透明薄膜，使用旋涂技術(shù)涂布負(fù)性光敏性熱固化涂層膠，通過(guò)背面曝光或輻照，在脊型激光二極管P區(qū)上打開與脊型頂部自然對(duì)準(zhǔn)的窗口 ；對(duì)負(fù)性光敏性涂層膠熱固化，形成絕緣層；在此基礎(chǔ)上制作P區(qū)電極的歐姆接觸。
[0006]本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0007]一種GaN基脊型激光二極管的制備方法，首先，通過(guò)在干法蝕刻脊型之前在GaN表面沉積P區(qū)接觸金屬電極作為擋光層，然后使用旋涂技術(shù)涂布負(fù)性光敏性熱固化涂層膠；其次，通過(guò)背向曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)第二次光刻，擋光層可以有效阻止紫外光對(duì)脊型頂部光敏性涂層膠的曝光，實(shí)現(xiàn)光刻圖形；最后，根據(jù)負(fù)性光敏性熱固化涂層膠的性質(zhì)，通過(guò)高溫固化手段得到絕緣層。
[0008]所述的GaN基脊型激光二極管的制備方法，包括:
[0009](I)將GaN激光二極管外延片的藍(lán)寶石或碳化硅或氧化鋅襯底背面拋光，或采用背面拋光襯底的GaN激光二極管外延片；
[0010](2)在GaN激光二極管外延片的P型材料表面制備P型擋光層；
[0011](3)在GaN激光二極管的P型擋光層上通過(guò)光刻、曝光、顯影得到激光二極管脊型結(jié)構(gòu)的光刻圖形；
[0012](4)采用腐蝕或刻蝕方法將P型擋光層制備成條形結(jié)構(gòu)(P區(qū)脊型電流注入?yún)^(qū));
[0013](5)在GaN激光二極管外延片上干法刻蝕形成激光二極管的P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)，之后去膠退火合金形成歐姆接觸；
[0014](6)在激光二極管外延片上的P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)區(qū)上涂布負(fù)性光敏性熱固化涂層膠，從拋光襯底一側(cè)對(duì)其進(jìn)行泛曝光；
[0015](7)顯影、去除P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)上方的光敏性涂層膠，形成脊型結(jié)構(gòu)上的窗口圖形，之后進(jìn)行熱固化，形成絕緣層；
[0016](8)在激光二極管外延片上P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)上光刻出P區(qū)電極形狀，沉積P型電極金屬，制得具有脊型注入結(jié)構(gòu)的GaN基激光二極管的P區(qū)電極；
[0017](9)在GaN激光二極管外延片的N型材料上制備N區(qū)電極。
[0018]本發(fā)明首先可以精確控制P區(qū)脊型電流注入?yún)^(qū)的形狀，使之與脊型頂部完全吻合，實(shí)現(xiàn)絕緣層的完整性和側(cè)壁的規(guī)則性；其次，還可以解決傳統(tǒng)工藝中絕緣層開窗口困難的問(wèn)題，提高歐姆接觸的質(zhì)量，防止電流側(cè)向泄漏和歐姆接觸電阻過(guò)大，達(dá)到減小激光二極管的閾值電流密度，提高器件的綜合性能的目的。由于省去套刻、二次曝光和濕法腐蝕絕緣層等制作脊型的傳統(tǒng)工藝，避免了復(fù)雜的對(duì)版過(guò)程，大大簡(jiǎn)化了工藝步驟，降低了對(duì)曝光機(jī)等設(shè)備分辨率和精度的要求，以及工藝難度。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:
[0020]1)P區(qū)接觸金屬電極作為擋光層，首先可以成為第二次光刻的非曝光區(qū)掩膜板，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的脊型區(qū)開窗口，克服了傳統(tǒng)光刻二次套刻精度的限制；其次，作為電極金屬可以與P型GaN形成良好的歐姆接觸，降低接觸電阻。
[0021]2)負(fù)性光敏性熱固化涂層膠的特性使其在自對(duì)準(zhǔn)曝光、顯影后，高溫固化形成結(jié)構(gòu)完整規(guī)則的絕緣層，可以簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)激光二極管脊型絕緣層的制備。解決了濕法腐蝕絕緣層難以控制導(dǎo)致的電流側(cè)向泄漏和歐姆接觸電阻過(guò)大的問(wèn)題，可以提高歐姆接觸的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)減小激光二極管的閾值電流密度和提高器件的綜合性能的目標(biāo)。
[0022]3)可利用普通的光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)小于6微米的窄條形脊型結(jié)構(gòu)激光二極管。
[0023]4)采用該技術(shù)可以簡(jiǎn)化工藝流程、降低工藝難度，使精度較低的手動(dòng)光刻機(jī)的也能符合GaN脊型激光二極管工藝要求。同時(shí)，節(jié)省了設(shè)備和人力的投入提高了成品率使得GaN基激光二極管工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1-1?1-20是實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底的GaN基激光二極管脊型結(jié)構(gòu)工藝的流程圖
[0025]圖2-1?2-11是實(shí)現(xiàn)氮化鎵襯底的GaN基激光二極管脊型結(jié)構(gòu)工藝的流程圖
[0026]其中1-藍(lán)寶石/碳化硅/氧化鋅/氮化鎵襯底，2-GaN激光二極管的外延層，3-擋光層，4-光刻膠，5-外延層上的脊型，6-光刻膠，7-N型臺(tái)面，8-光刻膠，9-N區(qū)歐姆金屬，10-負(fù)性光敏性熱固化涂層膠，11-光刻膠，12-P區(qū)歐姆接觸層，13-光刻膠，14-加厚金屬電極。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0028]實(shí)施例1:
[0029]背面拋光的藍(lán)寶石襯底I上生長(zhǎng)的GaN基LD外延層2，在該GaN基LD外延層2的正面上用電子束沉積Ni/Au作為擋光層3，并用勻膠機(jī)涂布光刻膠4，如圖1-1所示。
[0030]使用脊型光刻版通過(guò)曝光，顯影，用等離子去膠機(jī)除去底膜，形成條形光刻膠4，如圖1-2所示。
[0031 ] 用Ni/Au腐蝕液在常溫下腐蝕未被光刻膠保護(hù)的Ni/Au，保留的Ni/Au擋光層呈條形3，如圖1-3所示。
[0032]用ICP刻蝕出激光二極管的P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)5，如圖1-4所示。
[0033]清洗光刻膠4，之后退火合金形成歐姆接觸，如圖1-5所示。
[0034]用勻膠機(jī)涂布光刻膠6，使用N型臺(tái)面光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成臺(tái)面光刻圖形，如圖1-6所示。
[0035]用ICP刻蝕出激光二極管的N型臺(tái)面結(jié)構(gòu)7，如圖1-7所示。
[0036]清洗光刻膠6，如圖1-8所示。
[0037]用勻膠機(jī)涂布光刻膠8，使用N型電極光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成N型電極光刻圖形，如圖1-9所示。
[0038]用電子束蒸發(fā)沉積N型金屬電極層Ti/Al/Ti/Au (N型擋光層)9，如圖1_10所示，剝離后形成N型金屬電極，如圖1-11所示。
[0039]用勻膠機(jī)在外延片上涂布負(fù)性光敏性熱固化聚酰亞胺涂層膠10，如圖1-12，將樣品背面向上放置在紫外光刻機(jī)上曝光，如圖1-13所示。
[0040]顯影，去除外延片上脊型結(jié)構(gòu)和N型金屬電極上方的涂層膠后，在脊型和N型金屬電極上方形成窗口區(qū)圖形，在N2保護(hù)下，用熱板階梯分段烘焙負(fù)性光敏性熱固化聚酰亞胺涂層膠，使其玻璃化形成圖形化絕緣層如圖1-14所示。
[0041]用勻膠機(jī)涂布光刻膠11，使用P型電極光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成P型電極圖形，如圖1-15所示。
[0042]用電子束蒸發(fā)沉積P型金屬電極Ti/Au層12，如圖1-16所示，剝離后形成P型金屬電極，如圖1-17所示。[0043]用勻膠機(jī)涂布光刻膠13，使用N/P型電極加厚光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成N/P型電極圖形，如圖1-18所示。
[0044]用電子束蒸發(fā)沉積加厚金屬電極Au層14，如圖1-19所示，剝離后形成加厚金屬電極，完成所有藍(lán)寶石襯底的激光二極管的基本結(jié)構(gòu)，如圖1-20所示。
[0045]實(shí)施例2:
[0046]背面拋光的氮化鎵襯底上生長(zhǎng)的GaN基LD外延層2，在該GaN基LD外延層2的正面上用電子束沉積Ni/Au作為擋光層3，并用勻膠機(jī)涂布光刻膠4，如圖2-1所示。
[0047]使用脊型光刻版通過(guò)曝光，顯影，用等離子去膠機(jī)除去底膜，形成條形光刻膠，如圖2-2所不。
[0048]用Ni/Au腐蝕液在常溫下腐蝕未被光刻膠保護(hù)的Ni/Au，保留的Ni/Au擋光層呈條形3，如圖2-3所示。
[0049]用ICP刻蝕出激光二極管的P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)5，如圖2-4所示。
[0050]清洗光刻膠4，之后退火合金形成歐姆接觸，如圖2-5所示。
[0051]用勻膠機(jī)在外延片上涂布負(fù)性光敏性熱固化聚酰亞胺涂層膠10，如圖2-6所示，將樣品背面向上放置在紫外光刻機(jī)上曝光，如圖2-7所示。
[0052]顯影，去除外延片上脊型結(jié)構(gòu)上方的涂層膠后，在脊型上方形成窗口區(qū)圖形，在N2保護(hù)下，用熱板階梯分段烘焙負(fù)性光敏性熱固化聚酰亞胺涂層膠，使其玻璃化形成圖形化絕緣層。如圖2-8所示。
[0053]用P型電極光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成P型電極圖形，然后用電子束蒸發(fā)沉積P型金屬電極Ti/Au層12，剝離后形成P型金屬電極如圖2-9所示。
[0054]用減薄、磨拋設(shè)備對(duì)GaN襯底進(jìn)行背向減薄、拋光處理，使LD芯片厚度在80-120微米范圍，如圖2-10所示。
[0055]在背向用電子束蒸發(fā)沉積N型金屬電極Ti/Al/Ti/Au，完成所有氮化鎵襯底的激光二極管的基本結(jié)構(gòu)，如圖2-11所示。
[0056]上面描述的實(shí)施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的變換和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
【權(quán)利要求】
1.一種GaN基脊型激光二極管的制備方法，其特征是，首先，通過(guò)在干法蝕刻脊型之前在GaN表面沉積P區(qū)接觸金屬電極作為擋光層，然后使用旋涂技術(shù)涂布負(fù)性光敏性熱固化涂層膠；其次，通過(guò)背向曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)第二次光刻，擋光層可以有效阻止紫外光對(duì)脊型頂部光敏性涂層膠的曝光，實(shí)現(xiàn)光刻圖形；最后，根據(jù)負(fù)性光敏性熱固化涂層膠的性質(zhì)，通過(guò)高溫固化手段得到絕緣層。
2.如權(quán)利要求1所述的GaN基脊型激光二極管的制備方法，其特征是，包括: (1)將GaN激光二極管外延片的藍(lán)寶石或碳化硅或氧化鋅襯底背面拋光，或采用背面拋光襯底的GaN激光二極管外延片； (2)在GaN激光二極管外延片的P型材料表面制備P型擋光層； (3)在GaN激光二極管的P型擋光層上通過(guò)光刻、曝光、顯影得到激光二極管脊型結(jié)構(gòu)的光刻圖形； (4)采用腐蝕或刻蝕方法將P型擋光層制備成條形結(jié)構(gòu)； (5)在GaN激光二極管外延片上干法刻蝕形成激光二極管的P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)，之后去膠退火合金形成歐姆接觸； (6)在激光二極管外延片上的P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)區(qū)上涂布負(fù)性光敏性熱固化涂層膠，從拋光襯底一側(cè)對(duì)其進(jìn)行泛曝光； (7)顯影、去除P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)上方的光敏性涂層膠，形成脊型結(jié)構(gòu)上的窗口圖形，之后進(jìn)行熱固化，形成絕緣層； (8)在激光二極管外延片上P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)上光刻出P區(qū)電極形狀，沉積P型電極金屬，制得具有脊型注入結(jié)構(gòu)的GaN基激光二極管的P區(qū)電極； (9)在GaN激光二極管外延片的N型材料上制備N區(qū)電極。
3.如權(quán)利要求1所述的GaN基脊型激光二極管的制備方法，其特征是，包括: 1)背面拋光的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN基LD外延層在該GaN基LD外延層的正面上用電子束沉積Ni/Au作為擋光層，并用勻膠機(jī)涂布光刻膠； 2)使用脊型光刻版通過(guò)曝光，顯影，用等離子去膠機(jī)除去底膜，形成條形光刻膠； 3)用Ni/Au腐蝕液在常溫下腐蝕未被光刻膠保護(hù)的Ni/Au，保留的Ni/Au擋光層呈條形； 4)用ICP刻蝕出激光二極管的P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)； 5)清洗光刻膠,之后退火合金形成歐姆接觸； 6)用勻膠機(jī)涂布光刻膠，使用N型臺(tái)面光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成臺(tái)面光刻圖形； 7)用ICP刻蝕出激光二極管的N型臺(tái)面結(jié)構(gòu)； 8)清洗光刻膠； 9)用勻膠機(jī)涂布光刻膠，使用N型電極光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成N型電極光刻圖形； 10)用電子束蒸發(fā)沉積N型金屬電極層Ti/Al/Ti/Au作為N型擋光層，剝離后形成N型金屬電極； 11)用勻膠機(jī)在外延片上涂布負(fù)性光敏性熱固化聚酰亞胺涂層膠，將樣品背面向上放置在紫外光刻機(jī)上曝光；12)顯影，去除外延片上脊型結(jié)構(gòu)和N型金屬電極上方的涂層膠后，在脊型和N型金屬電極上方形成窗口區(qū)圖形，在N2保護(hù)下，用熱板階梯分段烘焙負(fù)性光敏性熱固化聚酰亞胺涂層膠，使其玻璃化形成圖形化絕緣層； 13)用勻膠機(jī)涂布光刻膠，使用P型電極光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成P型電極圖形； 14)用電子束蒸發(fā)沉積P型金屬電極Ti/Au層，剝離后形成P型金屬電極； 15)用勻膠機(jī)涂布光刻膠，使用N/P型電極加厚光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成N/P型電極圖形； 16)用電子束蒸發(fā)沉積加厚金屬電極Au層，剝離后形成加厚金屬電極，完成所有藍(lán)寶石襯底的激光二極管的基本結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的GaN基脊型激光二極管的制備方法，其特征是，包括: 1)背面拋光的氮化鎵襯底上生長(zhǎng)的GaN基LD外延層，在該GaN基LD外延層的正面上用電子束沉積Ni/Au作為擋光層，并用勻膠機(jī)涂布光刻膠； 2)使用脊型光刻版通過(guò)曝光，顯影，用等離子去膠機(jī)除去底膜，形成條形光刻膠； 3)用Ni/Au腐蝕液在常溫下腐蝕未被光刻膠保護(hù)的Ni/Au，保留的Ni/Au擋光層呈條形3; 4)用ICP刻蝕出激光二極管的P區(qū)脊型結(jié)構(gòu)； 5)清洗光刻膠,之后退火合金形成歐姆接觸； 6)用勻膠機(jī)在外延片上涂布負(fù)性`光敏性熱固化聚酰亞胺涂層膠，將樣品背面向上放置在紫外光刻機(jī)上曝光； 7)顯影，去除外延片上脊型結(jié)構(gòu)上方的涂層膠后，在脊型上方形成窗口區(qū)圖形，在N2保護(hù)下，用熱板階梯分段烘焙負(fù)性光敏性熱固化聚酰亞胺涂層膠，使其玻璃化形成圖形化絕緣層； 8)用P型電極光刻版通過(guò)曝光，顯影，用離子去膠機(jī)除去底膜，形成P型電極圖形，然后用電子束蒸發(fā)沉積P型金屬電極Ti/Au層，剝離后形成P型金屬電極； 9)用減薄、磨拋設(shè)備對(duì)GaN襯底進(jìn)行背向減薄、拋光處理，使LD芯片厚度在80-120微米范圍； 10)在背向用電子束蒸發(fā)沉積N型金屬電極Ti/Al/Ti/Au，完成所有氮化鎵襯底的激光二極管的基本結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01S5/22GK103618212SQ201310665266
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】孟令海, 康香寧, 劉寧煬, 陳景春, 吳勇, 劉詩(shī)宇, 胡曉東 申請(qǐng)人:北京燕園中鎵半導(dǎo)體工程研發(fā)中心有限公司, 北京大學(xué)