一種用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法。該方法是在外延片上生長SiO2或者SiNx掩膜層；在掩膜層上旋涂一層光刻膠進(jìn)行曝光、顯影得到需要的圖形；采用ICP/RIE干法刻蝕的方法刻蝕外延層；再利用磷酸與硫酸混合的腐蝕液或氫氧化鉀溶液腐蝕液濕法腐蝕的方法通過控制腐蝕液溫度和腐蝕時間，將干法刻蝕形成的倒梯形腔面變成垂直的腔面，同時去除干法刻蝕形成的損傷層，制備出平整且垂直度比較高的腔面；再生長電流阻擋層、光刻、生長電極等完成芯片的制作過程；最后在藍(lán)寶石的背面通過激光劃片的方式將芯片解離成巴條。此方法操作簡單，成本低。
【專利說明】—種用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN基半導(dǎo)體激光器在高密度光信息存儲、激光打印、醫(yī)療診斷、生物技術(shù)等領(lǐng)域取得了廣泛的商業(yè)化應(yīng)用，同時由于GaN基半導(dǎo)體激光器在海水中傳播時的衰減最小，還可應(yīng)用于繪制海底地貌圖、水下傳感等國防安全迫切需要的【技術(shù)領(lǐng)域】，GaN基半導(dǎo)體激光器成為了人們研究的焦點。隨著最近幾年的發(fā)展，GaN基光電子器件在外延膜的生長、PN型摻雜以及器件的制備等方面取得了很大的進(jìn)步。GaN基半導(dǎo)體激光器主要的襯底材料有藍(lán)寶石襯底、GaN> SiC等，由于在GaN襯底上面可以實現(xiàn)同質(zhì)外延生長，比較容易獲得聞質(zhì)量的外延層，也不存在晶格失配以及熱失配的問題，而且易于解理形成高質(zhì)量的腔面，是用于生長GaN外延層最吸引人的襯底，但是根據(jù)目前的技術(shù)水平，想要獲得面積大、具有一定厚度實用化的GaN基單晶非常的困難，而且價格十分昂貴，同時SiC襯底也非常的昂貴。GaAs和Si由于比較好解理也可以作為襯底材料，不過目前工作還處于實驗的階段，短期內(nèi)很難實現(xiàn)用GaAs或者Si作為GaN基激光器的襯底材料。相比較，藍(lán)寶石襯底不僅可以大量生產(chǎn)，而且價格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用。藍(lán)寶石作為襯底也有一個問題，其與GaN的晶格失配達(dá)到14%，且不易解理，很難形成質(zhì)量高的腔面。為了得到激光器的腔面，目前大多采用干法刻蝕的方式，但是單純的干法刻蝕很難形成平整、垂直度比較高的斷面。
[0003]中國專利文件CNlOl 13211IA提出了一種通過更換襯底材料的方法，即將制備好的管芯通過鍵合的方式轉(zhuǎn)移到砷化鎵襯底上面，再通過解理獲得質(zhì)量比較好的腔面的方法，該方法的主要技術(shù)方案是首先在藍(lán)寶石襯底上生長外延材料，通過一系列工藝步驟制備出管芯以后，利用非平面金屬鍵合技術(shù)將制備好的樣品倒置與有金屬覆蓋層的砷化嫁襯底鍵合在一起，然后將藍(lán)寶石襯底除去，露出N型氮化嫁，在N型氮化稼上制作N型電極，最后通過解理得到腔面。其工藝比較復(fù)雜，而且需要的氮化鎵襯底比較昂貴，不易生長。
[0004]2007年，李德堯在《中國科學(xué)》雜志上發(fā)表的“藍(lán)紫光InGaN多量子阱激光器”，介紹了一種將藍(lán)寶石襯底減薄到100μL?，然后在襯底的背面，沿藍(lán)寶石的[1010]方向，在激光器的解離位置劃片的方法。但是本方法沒有說明劃片的具體工藝步驟也沒有給出制備得到的腔面形貌圖，而且在后期的工藝操作中，管芯比較容易破碎。
[0005]1996 年，Shuji Nakamura 在《Jpn.J.Appl.Phys.》上發(fā)表的 InGaN-BasedMu 11 1-Quantum-ffo 11 Structure Laser Djodes,介紹了一種米用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的方法，制備以藍(lán)寶石為襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器的腔面。其斷面形貌如圖1所示。但是本方法沒有具體敘述刻蝕的工藝步驟以及參數(shù)，另外，從其斷面形貌圖中可以發(fā)現(xiàn)，腔面的垂直度雖然比較好，但是其刻蝕面還是比較粗糙，這會影響激光器的出光功率以及閾值電流等。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法。
[0007]術(shù)語解釋:
[0008]1、干法刻蝕:干法刻蝕是用等離子體進(jìn)行刻蝕的技術(shù)。當(dāng)氣體以等離子體形式存在時，它具備兩個特點，一方面等離子體中的這些氣體化學(xué)活性比常態(tài)下時要強很多，根據(jù)被刻蝕材料的不同，選擇合適的氣體，就可以更快地與材料進(jìn)行反應(yīng)，實現(xiàn)刻蝕去除的目的；另一方面，還可以利用電場對等離子體進(jìn)行引導(dǎo)和加速，使其具備一定能量，當(dāng)其轟擊被刻蝕物的表面時，會將被刻蝕物材料的原子擊出，從而達(dá)到利用物理上的能量轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)刻蝕的目的。
[0009]2、ICP刻蝕:即感應(yīng)耦合等離子體刻蝕，利用高密度等離子體引起的化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)氣體離子轟擊產(chǎn)生的物理作用進(jìn)行刻蝕，屬于干法刻蝕的一種。
[0010]3、RIE:—種采用化學(xué)反應(yīng)和物理離子轟擊去除晶片表面材料的技術(shù)，屬于干法刻蝕的一種。
[0011]4、PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等離子體化學(xué)氣相沉積。
[0012]5、MOCVD:Metal Organic Chemical Vapour Deposition,金屬有機物化學(xué)氣相沉積。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0014]一種用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，包括利用ICP/RIE干法刻蝕方法制備激光器腔面，再利用濕法腐蝕的方法通過控制腐蝕液的溫度和腐蝕時間，將干法刻蝕形成的倒梯形腔面變成垂直的腔面，同時去除干法刻蝕形成的損傷層，制備出平整且垂直度比較高的腔面，最后在藍(lán)寶石的背面通過激光劃片的方式將芯片解離成巴條。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，一種用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，步驟如下:
[0016](I)生長掩膜層
[0017]在藍(lán)寶石襯底的外延片上利用PECVD工藝生長一層ICP/RIE干法刻蝕所需要的SiO2或者SiNx掩膜層；
[0018](2)光刻、腐蝕圖形
[0019]在上述掩膜層上面旋涂一層光刻膠，利用掩膜版曝光、顯影得到需要的圖形，在烘箱內(nèi)90°C -110°C下堅膜20-30min，腐蝕掉沒有光刻膠保護(hù)的掩膜，然后用去膠液去除光刻膠；
[0020](3) ICP/RIE 干法刻蝕
[0021]采用ICP/RIE干法刻蝕的方法，從上到下依次刻蝕外延片的P型GaN層、P型GaN基覆蓋層、P型GaN基波導(dǎo)層、有源區(qū)多量子阱層、N型GaN基波導(dǎo)層、N型GaN基覆蓋層；
[0022](I)濕法腐蝕以及去除掩膜層
[0023]將步驟(3)制備的樣品放在磷酸與硫酸混合的腐蝕液中，加熱160-200°C，腐蝕10-30min,或者放在氫氧化鉀溶液的腐蝕液中，加熱60_80°C，腐蝕20_40min，制品取出后先放于50-100°C的水中靜止5-10min后，再放入室溫的水中，等制品達(dá)到室溫時按常規(guī)方法去除掩膜層，再用去離子水清洗干凈，就形成表面平整、垂直度好的腔面；
[0024](5)完成芯片制作
[0025]在步驟(4)的制品上經(jīng)過生長電流阻擋層、光刻、生長電極等工藝步驟，完成芯片的制作過程；
[0026](6)解理
[0027]將上述制備好的芯片減薄到150 μ m，再在藍(lán)寶石襯底的背面采用激光劃片的方法將藍(lán)寶石襯底解理分割開，形成巴條。
[0028]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(I)中所述SiO2的厚度為6000-8000埃，SiNx的厚度為5000-6000 埃。
[0029]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中所述的光刻膠厚度為10000-13000埃。
[0030]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟⑷中常規(guī)方法去除掩膜層，是用HF: NH1F: H2O =3:6: 20的混合溶液去除掩膜層。
[0031]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(4)中所述的磷酸與硫酸混合的腐蝕液為分析純的磷酸與硫酸等體積混合；所述氫氧化鉀溶液的腐蝕液濃度為2moil/L。
[0032]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(I)中所述的外延片，是利用MOCVD工藝在藍(lán)寶石襯底上從下往上依次生長N型GaN基覆蓋層、N型GaN基波導(dǎo)層、有源區(qū)多量子阱層、P型GaN基波導(dǎo)層、P型GaN基覆蓋層、P型GaN層。
[0033]本發(fā)明的有益效果:
[0034]本發(fā)明采用ICP/RIE干法刻蝕與濕法腐蝕相結(jié)合的方式制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面，可以得到高質(zhì)量的腔面，提高激光器的性能。此種方法操作簡單，且不需要重新購買儀器設(shè)備就可以完成以藍(lán)寶石為襯底的GaN基激光器腔面的制備。同時，使用藍(lán)寶石作為GaN基激光器的襯底材料，決絕了使用其他昂貴襯底或者更換襯底的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1 為 InGaN-Based Mult1-Quantum-ffell-Structure Laser Diodes 文章中的腔面形貌。
[0036]圖2為本發(fā)明ICP/RIE干法刻蝕完以后腔面斷面的垂直度的示意圖。
[0037]圖3為本發(fā)明ICP/RIE干法刻蝕、腐蝕液腐蝕后腔面斷面的垂直度的示意圖。
[0038]圖中，111為P型GaN層，112為P型GaN基覆蓋層，113為P型GaN基波導(dǎo)層，114為有源區(qū)多量子阱層，115為N型GaN基波導(dǎo)層，116為N型GaN基覆蓋層，117為藍(lán)寶石襯底，118為激光器的腔面。
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0040]實施例1、一種用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，步驟如下:
[0041](I)藍(lán)寶石襯底117上的外延片結(jié)構(gòu)從下往上依次是N型GaN基覆蓋層116、N型GaN基波導(dǎo)層115、有源區(qū)多量子阱層114、P型GaN基波導(dǎo)層113、P型GaN基覆蓋層112、P型GaN層111，在外延片上利用PECVD工藝生長厚度為8000埃的SiO2掩膜層；
[0042](2)在上述SiO2掩膜層上旋涂一層厚度為11000埃的光刻膠，利用所需要的掩膜版在光刻機下曝光、顯影得到需要的圖形，在烘箱內(nèi)98°C下堅膜20min，另用腐蝕液腐蝕掉沒有光刻膠保護(hù)的SiO2掩膜層，然后用去膠液去除光刻膠；
[0043](3)采用ICP/RIE干法刻蝕的方法，從上到下依次刻蝕外延片的p型GaN層111、P型GaN基覆蓋層112、P型GaN基波導(dǎo)層113、有源區(qū)多量子阱層114、N型GaN基波導(dǎo)層115、N型GaN基覆蓋層116，ICP/RIE干法刻蝕完腔面斷面的垂直度示意圖，如圖2所示，118為激光器的腔面；
[0044](4)將磷酸與硫酸等體積混合的腐蝕液加熱到180°C，將步驟(3)的制品放在腐蝕液中腐蝕15mi n，制品取出后先放于90°C的水中靜止8min后，再放入室溫的水中，等芯片達(dá)到室溫時用HF: NHlF: H20 = 3: 6: 20的混合溶液去除SiO2掩膜層，再用去離子水清洗干凈，就形成表面平整、垂直度好的腔面，如圖3所示；
[0045](5)在步驟(4)的制品上經(jīng)過生長電流阻擋層、光刻、生長電極等工藝步驟，完成芯片的制作過程；
[0046](6)將上述制備好的芯片減薄到150 μ m，再在藍(lán)寶石襯底的背面采用激光劃片的方法將藍(lán)寶石襯底解理分割開，形成巴條。
[0047]實施例2、
[0048](I)藍(lán)寶石襯底上的外延片結(jié)構(gòu)從下往上依次是N型GaN基覆蓋層116、N型GaN基波導(dǎo)層115、有源區(qū)多量子阱層114、P型GaN基波導(dǎo)層113、P型GaN基覆蓋層112、p型GaN層111，在外延片上生長厚度為5000埃的SiNx掩膜層；
[0049](2)在上述SiNx掩膜層上旋涂一層厚度為10000埃的光刻膠，利用所需要的掩膜版在光刻機下曝光、顯影得到需要的圖形，在烘箱內(nèi)98°C下堅膜20min，另用腐蝕液腐蝕掉沒有光刻膠保護(hù)的SiNx掩膜層，然后用去膠液去除光刻膠；
[0050](4)將濃度為2moil/L的氫氧化鉀溶液加熱到70°C，將步驟(3)的制品放在氫氧化鉀溶液中腐蝕25min，制品取出后先放于60°C的水中靜止5min，等樣品達(dá)到室溫時用HF: NH1F: H2O = 3: 6: 20的混合溶液去除SiNx掩膜層，再用去離子水清洗干凈，就形成表面平整、垂直度好的腔面，如圖3所示；
[0051]步驟(3)、(5)、(6)同實施例1。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，包括:(1)生長掩膜層，⑵光刻、腐蝕圖形，(3)ICP/RIE干法刻蝕，⑷濕法腐蝕以及去除掩膜層，(5)完成芯片制作，(6)解理；通過這種干法刻蝕與濕法腐蝕相結(jié)合的方式制備出平整且垂直度比較高的腔面。
2.如權(quán)利要求1所述的用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，其特征在于: 步驟(I)中的生長掩膜層，是在藍(lán)寶石襯底的外延片上利用PECVD工藝生長一層ICP/RIE干法刻蝕所需要的SiO2或者SiNx掩膜層； 步驟(2)中的光刻、腐蝕圖形，是在上述掩膜層上面旋涂一層光刻膠，利用掩膜版曝光、顯影得到需要的圖形，在烘箱內(nèi)90°C -110°C下堅膜20-30min，腐蝕掉沒有光刻膠保護(hù)的掩膜，然后用去膠液去除光刻膠； 步驟(3)中的ICP/RIE干法刻蝕，是采用ICP/RIE干法刻蝕的方法，從上到下依次刻蝕外延片的P型GaN層、P型GaN基覆蓋層、P型GaN基波導(dǎo)層、有源區(qū)多量子阱層、N型GaN基波導(dǎo)層、N型GaN基覆蓋層； 步驟(4)中的濕法腐蝕以及去除掩膜層，是將步驟(3)制備的樣品放在磷酸與硫酸混合的腐蝕液中，加熱160-200°C，腐蝕10-30min，或者放在氫氧化鉀溶液的腐蝕液中，加熱60-80°C，腐蝕20-40min，制品取出后先放于50-100°C的水中靜止5_10min后，再放入室溫的水中，等制品達(dá)到室溫時按常規(guī)方法去除掩膜層，再用去離子水清洗干凈，就形成表面平整、垂直度好的腔面； 步驟(5)中的完成芯片制作，是在步驟(4)的制品上經(jīng)過生長電流阻擋層、光刻、生長電極等工藝步驟，完成芯片的制作過程； 步驟出)中的解理，是將上述制備好的芯片減薄到150 μ m，再在藍(lán)寶石襯底的背面采用激光劃片的方法將藍(lán)寶石襯底解理分割開，形成巴條。
3.如權(quán)利要求2所述的用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，其特征在于，步驟(I)中所述SiO2的厚度為6000-8000埃，SiNx的厚度為5000-6000埃。
4.如權(quán)利要求2所述的用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的光刻膠厚度為10000-13000埃。
5.如權(quán)利要求2所述的用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，其特征在于，步驟(4)中常規(guī)方法去除掩膜層，是用HF: NH1F: H2O = 3: 6: 20的混合溶液去除掩膜層。
6.如權(quán)利要求2所述的用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，其特征在于，步驟(4)中所述的磷酸與硫酸混合的腐蝕液為分析純的磷酸與硫酸等體積混合；所述氫氧化鉀溶液的腐蝕液濃度為2moil/L。
7.如權(quán)利要求2所述的用于制備藍(lán)寶石襯底的GaN基半導(dǎo)體激光器腔面的方法，其特征在于，步驟(I)中所述的外延片，是利用MOCVD工藝在藍(lán)寶石襯底上從下往上依次生長N型GaN基覆蓋層、N型GaN基波導(dǎo)層、有源區(qū)多量子阱層、P型GaN基波導(dǎo)層、P型GaN基覆蓋層、P型GaN層。
【文檔編號】H01S5/10GK103915757SQ201310000335
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月4日
【發(fā)明者】王金翠, 沈燕, 張木青, 劉歡, 劉長江 申請人:山東華光光電子有限公司