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，然后使用旋涂技術涂布負性光敏性熱固化涂層膠。其次，通過背向曝光技術實現第二次光刻，擋光層可以有效阻止紫外光對脊型頂部光刻膠的曝光，實現光刻圖形。最后，根據負性光敏性熱固化涂層膠的性質，通過高溫固化手段得到結構完整規(guī)則的絕緣層。本發(fā)明的特點在于同時解決了目前脊型激光器電極窗口對準困難和絕緣層開窗口條件難于掌控的問題。
【專利說明】GaN基脊型激光二極管的制備方法
【技術領域】
[0001]本項發(fā)明屬于光電【技術領域】，具體涉及GaN基激光二極管(LD)的制備方法。
【背景技術】
[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用領域和巨大的產品市場。光存儲與光通信是目前半導體激光二極管的最主要應用。對光盤而言，因為記錄和再生的可能的容量與光源波長的2次方成反比，因而要實現光存儲的高密度化，激光光源的短波化是很必要的。波長405納米(nm)的藍紫光GaN基LD是高密度光信息存儲領域中新一代DVD，即Blu-ray Disc的核心器件；GaN基藍、綠光發(fā)光二極管已技術成熟并投放市場，在光顯示上的應用已使顏色逼真的全色顯示屏發(fā)出絢麗的光彩。波長450納米(nm)左右的藍光GaN基LD則作為以紅、綠、藍三基色激光中的藍光光源，在激光顯示領域有重要應用，尤其是便攜式或密集型激光顯示和投影設備的不可或缺的核心器件。此外，藍光GaN基LD在深海通信、材料加工、激光打印、大氣污染監(jiān)測等方面也有著巨大的應用市場。
[0003]藍光半導體激光二極管由于其廣泛的應用前景和巨大的市場潛力，成為世界光電子領域的研究熱點，正處于迅速發(fā)展的上升期。GaN基激光二極管，以及其它半導體激光二極管主要采用脊型結構，因為脊型結構有助于對電流分布的側向限制，又能有效地提高光限制因子。脊型波導激光二極管尤其是窄的脊型結構可以提高激光光斑質量，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用系統的耦合和集成。然而，脊型結構的制備是包括GaN基激光二極管在內的半導體激光二極管制造工藝中最重要和最困難的關鍵工藝。傳統工藝是先光刻脊型，再通過第二次光刻在P區(qū)絕緣層上套刻一個和脊型頂部精確對準的窗口，使得P型電極能和脊型形成良好的歐姆接觸。由于紫外曝光機分辨極限的限制，和精確對版的困難，普通的紫外光刻機難以實現對4um以下的窄脊的對準曝光，使得利用常規(guī)設備制備窄的脊型波導激光二極管非常困難。另外，即便完成了對準光刻，后工藝條件也非?？量?，比如，腐蝕絕緣層的時間很難精準掌控，腐蝕時間過短容易造成絕緣層殘留，增大開啟電壓，降低效率；腐蝕時間過長則容易造成側蝕，形成漏電，影響器件的發(fā)光效能和器件壽命。所以，脊型結構的制備是決定GaN基激光二極管的性能和成本的關鍵之一。目前，制備脊型結構的傳統工藝對曝光機精度要求高、工藝條件苛刻復雜、成本高，嚴重影響GaN激光二極管的競爭力和市場應用。

【發(fā)明內容】

[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，可以同時解決目前脊型激光二極管電極窗口對準困難和絕緣層開窗口條件難于控制的兩大問題。
[0005]本發(fā)明的原理:通過在外延片外延層上方淀積金屬不透明薄膜，使用旋涂技術涂布負性光敏性熱固化涂層膠，通過背面曝光或輻照，在脊型激光二極管P區(qū)上打開與脊型頂部自然對準的窗口 ；對負性光敏性涂層膠熱固化，形成絕緣層；在此基礎上制作P區(qū)電極的歐姆接觸。
[0006]本發(fā)明提供的技術方案如下:
[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，然后使用旋涂技術涂布負性光敏性熱固化涂層膠；其次，通過背向曝光技術實現第二次光刻，擋光層可以有效阻止紫外光對脊型頂部光敏性涂層膠的曝光，實現光刻圖形；最后，根據負性光敏性熱固化涂層膠的性質，通過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型擋光層上通過光刻、曝光、顯影得到激光二極管脊型結構的光刻圖形；
[0012](4)采用腐蝕或刻蝕方法將P型擋光層制備成條形結構(P區(qū)脊型電流注入區(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)脊型結構，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)脊型結構區(qū)上涂布負性光敏性熱固化涂層膠，從拋光襯底一側對其進行泛曝光；
[0015](7)顯影、去除P區(qū)脊型結構上方的光敏性涂層膠，形成脊型結構上的窗口圖形，之后進行熱固化，形成絕緣層；
[0016](8)在激光二極管外延片上P區(qū)脊型結構上光刻出P區(qū)電極形狀，沉積P型電極金屬，制得具有脊型注入結構的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)脊型電流注入區(qū)的形狀，使之與脊型頂部完全吻合，實現絕緣層的完整性和側壁的規(guī)則性；其次，還可以解決傳統工藝中絕緣層開窗口困難的問題，提高歐姆接觸的質量，防止電流側向泄漏和歐姆接觸電阻過大，達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工藝，避免了復雜的對版過程，大大簡化了工藝步驟，降低了對曝光機等設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，實現準確的脊型區(qū)開窗口，克服了傳統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)負性光敏性熱固化涂層膠的特性使其在自對準曝光、顯影后，高溫固化形成結構完整規(guī)則的絕緣層，可以簡單而準確地實現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致的電流側向泄漏和歐姆接觸電阻過大的問題，可以提高歐姆接觸的質量，實現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。
[0022]3)可利用普通的光刻機實現小于6微米的窄條形脊型結構激光二極管。
[0023]4)采用該技術可以簡化工藝流程、降低工藝難度，使精度較低的手動光刻機的也能符合GaN脊型激光二極管工藝要求。同時，節(jié)省了設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)模生產成為可能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1-1?1-20是實現藍寶石襯底的GaN基激光二極管脊型結構工藝的流程圖
[0025]圖2-1?2-11是實現氮化鎵襯底的GaN基激光二極管脊型結構工藝的流程圖
[0026]其中1-藍寶石/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型臺面，8-光刻膠，9-N區(qū)歐姆金屬，10-負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。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0028]實施例1:
[0029]背面拋光的藍寶石襯底I上生長的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，并用勻膠機涂布光刻膠4，如圖1-1所示。
[0030]使用脊型光刻版通過曝光，顯影，用等離子去膠機除去底膜，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)脊型結構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]用勻膠機涂布光刻膠6，使用N型臺面光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，形成臺面光刻圖形，如圖1-6所示。
[0035]用ICP刻蝕出激光二極管的N型臺面結構7，如圖1-7所示。
[0036]清洗光刻膠6，如圖1-8所示。
[0037]用勻膠機涂布光刻膠8，使用N型電極光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，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]用勻膠機在外延片上涂布負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上曝光，如圖1-13所示。
[0040]顯影，去除外延片上脊型結構和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保護下，用熱板階梯分段烘焙負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]用勻膠機涂布光刻膠11，使用P型電極光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，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]用勻膠機涂布光刻膠13，使用N/P型電極加厚光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，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，完成所有藍寶石襯底的激光二極管的基本結構，如圖1-20所示。
[0045]實施例2:
[0046]背面拋光的氮化鎵襯底上生長的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，并用勻膠機涂布光刻膠4，如圖2-1所示。
[0047]使用脊型光刻版通過曝光，顯影，用等離子去膠機除去底膜，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)脊型結構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]用勻膠機在外延片上涂布負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上曝光，如圖2-7所示。
[0052]顯影，去除外延片上脊型結構上方的涂層膠后，在脊型上方形成窗口區(qū)圖形，在N2保護下，用熱板階梯分段烘焙負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型電極光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，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、磨拋設備對GaN襯底進行背向減薄、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構，如圖2-11所示。
[0056]上面描述的實施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，可做各種的變換和修改，因此本發(fā)明的保護范圍視權利要求范圍所界定。
【權利要求】
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，然后使用旋涂技術涂布負性光敏性熱固化涂層膠；其次，通過背向曝光技術實現第二次光刻，擋光層可以有效阻止紫外光對脊型頂部光敏性涂層膠的曝光，實現光刻圖形；最后，根據負性光敏性熱固化涂層膠的性質，通過高溫固化手段得到絕緣層。
2.如權利要求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型擋光層上通過光刻、曝光、顯影得到激光二極管脊型結構的光刻圖形； (4)采用腐蝕或刻蝕方法將P型擋光層制備成條形結構； (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)脊型結構，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)脊型結構區(qū)上涂布負性光敏性熱固化涂層膠，從拋光襯底一側對其進行泛曝光； (7)顯影、去除P區(qū)脊型結構上方的光敏性涂層膠，形成脊型結構上的窗口圖形，之后進行熱固化，形成絕緣層； (8)在激光二極管外延片上P區(qū)脊型結構上光刻出P區(qū)電極形狀，沉積P型電極金屬，制得具有脊型注入結構的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)背面拋光的藍寶石襯底上生長的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，并用勻膠機涂布光刻膠； 2)使用脊型光刻版通過曝光，顯影，用等離子去膠機除去底膜，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)脊型結構； 5)清洗光刻膠,之后退火合金形成歐姆接觸； 6)用勻膠機涂布光刻膠，使用N型臺面光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，形成臺面光刻圖形； 7)用ICP刻蝕出激光二極管的N型臺面結構； 8)清洗光刻膠； 9)用勻膠機涂布光刻膠，使用N型電極光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，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)用勻膠機在外延片上涂布負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上曝光；12)顯影，去除外延片上脊型結構和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保護下，用熱板階梯分段烘焙負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)用勻膠機涂布光刻膠，使用P型電極光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，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)用勻膠機涂布光刻膠，使用N/P型電極加厚光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，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，完成所有藍寶石襯底的激光二極管的基本結構。
4.如權利要求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，并用勻膠機涂布光刻膠； 2)使用脊型光刻版通過曝光，顯影，用等離子去膠機除去底膜，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)脊型結構； 5)清洗光刻膠,之后退火合金形成歐姆接觸； 6)用勻膠機在外延片上涂布負性`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上曝光； 7)顯影，去除外延片上脊型結構上方的涂層膠后，在脊型上方形成窗口區(qū)圖形，在N2保護下，用熱板階梯分段烘焙負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型電極光刻版通過曝光，顯影，用離子去膠機除去底膜，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、磨拋設備對GaN襯底進行背向減薄、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構。
【文檔編號】H01S5/22GK103618212SQ201310665266
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月10日 優(yōu)先權日:2013年12月10日
【發(fā)明者】孟令海, 康香寧, 劉寧煬, 陳景春, 吳勇, 劉詩宇, 胡曉東 申請人:北京燕園中鎵半導體工程研發(fā)中心有限公司, 北京大學