阅读说明：本技术 一种柔性垂直腔面发射激光器芯片及其制作方法 (Flexible vertical cavity surface emitting laser chip and manufacturing method thereof ) 是由 杨文奕 何键华 黄嘉敬 杜伟 胡丹 于 2020-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高性能的柔性垂直腔面发射激光器芯片及其制作方法,包括下电极、下电极接触层、下布拉格反射镜层、有源区、氧化限制层、上布拉格反射镜层、上电极接触层、上电极和反射绝缘层；其中,所述下电极、下电极接触层、下布拉格反射镜层、有源区、氧化限制层、上布拉格反射镜层、上电极接触层、上电极按照从下往上的顺序依次叠加,构成一个激光器芯片主体,所述反射绝缘层制作在该激光器芯片主体的侧面,在起绝缘作用的同时兼具反射作用,以减少光的侧向发散。本发明在提高激光器芯片性能的同时,减小了激光器芯片的厚度进而提升芯片的封装密度,同时芯片具有一定的柔性,能满足一些特定应用环境的形变要求。(The invention discloses a high-performance flexible vertical cavity surface emitting laser chip and a manufacturing method thereof, wherein the high-performance flexible vertical cavity surface emitting laser chip comprises a lower electrode, a lower electrode contact layer, a lower Bragg reflector layer, an active region, an oxidation limiting layer, an upper Bragg reflector layer, an upper electrode contact layer, an upper electrode and a reflection insulating layer; the laser chip comprises a lower electrode, a lower electrode contact layer, a lower Bragg reflector layer, an active region, an oxidation limiting layer, an upper Bragg reflector layer, an upper electrode contact layer and an upper electrode, wherein the lower electrode, the lower electrode contact layer, the lower Bragg reflector layer, the active region, the oxidation limiting layer, the upper Bragg reflector layer, the upper electrode contact layer and the upper electrode are sequentially overlapped from bottom to top to form a laser chip main body, and a reflection insulating layer is manufactured on the side face of the laser chip main body, plays a role in insulation and reflection, and reduces lateral divergence of light. The invention improves the performance of the laser chip, reduces the thickness of the laser chip and further improves the packaging density of the chip, and meanwhile, the chip has certain flexibility and can meet the deformation requirements of certain specific application environments.)

一种柔性垂直腔面发射激光器芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体的技术领域，尤其是指一种柔性垂直腔面发射激光器芯片及其制作方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称：VCSEL)是以GaAs半导体材料为基础制作的一种新型半导体激光器，具有体积小、阈值电流低、效率高、功耗小、光发散角小、易集成为大面积阵列等优点，可广泛应用于光信息处理、光互联、光计算等领域。

一般的VSCEL主要结构包括衬底、下布拉格反射镜(英文：Distributed BraggReflection，简称：DBR)层、有源区、氧化限制层、上DBR层、上金属电极和下金属电极。

VSCEL外延结构生长使用的GaAs衬底厚度一般在300-600um不等，在器件的下DBR与下电极中间有一定厚度的衬底存在，这样散热性能就会稍差。一是在后期制备工艺中将GaAs衬底去掉，但去掉衬底后，器件层约为10-15μm厚度，不利于进行芯片的制备。二是先保留衬底，进行VSCEL芯片工艺后并在焊接到热沉前将衬底减薄到50μm-100μm，但衬底抛光减薄也存在一定的隐裂风险，成本也加大，同时芯片整体仍然存在一定厚度，影响散热及后续封装密度。目前有些技术采用外延层剥离工艺，制作薄膜型VSCEL，基本是采用一定厚度的Cu、Ag、Au等金属反射镜层作为电极层，金属层一般有较大的内应力，易发生翘曲形变，在剥离工艺中外延薄膜层会因此受到张应力而产生裂纹损伤，对后续芯片性能造成影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种高性能的柔性垂直腔面发射激光器芯片及其制作方法，在提高激光器芯片性能的同时，减小了激光器芯片的厚度进而提升芯片的封装密度，同时芯片具有一定的柔性，能满足一些特定应用环境的形变要求，适应性高。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种柔性垂直腔面发射激光器芯片，包括下电极、下电极接触层、下布拉格反射镜层、有源区、氧化限制层、上布拉格反射镜层、上电极接触层、上电极和反射绝缘层；其中，所述下电极、下电极接触层、下布拉格反射镜层、有源区、氧化限制层、上布拉格反射镜层、上电极接触层、上电极按照从下往上的顺序依次叠加，构成一个激光器芯片主体，所述反射绝缘层制作在该激光器芯片主体的侧面，在起绝缘作用的同时兼具反射作用，以减少光的侧向发散。

进一步，所述下电极包含有柔性导电材料层。

进一步，所述柔性导电材料层为石墨烯银纳米材料层或硼烯薄膜，厚度在1-10um，所述柔性导电材料层表面呈现褶皱状态，用于增加反射光线的方向，提高下布拉格反射镜层的整体反射率。

进一步，所述上电极接触层和下电极接触层的掺杂浓度大于1E18cm³，厚度在5-10nm。

进一步，所述下布拉格反射镜层和上布拉格反射镜层采用交替排列的高、低折射率材料层，其中，材料层为超晶格GaAs/AlAs结构或者AlGaAs/AlGaAs结构，周期对数为5-30对。

进一步，所述有源区包含InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或者GaAsP/AlGaAsP量子阱结构。

进一步，所述氧化限制层的材料为AlAs或AlGaAs。

进一步，所述绝缘反射层的材料为SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Si₃N₄、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种按照高低折射率交替构成。

本发明也提供了上述柔性垂直腔面发射激光器芯片的制作方法，包括以下步骤：

1)选取衬底；

2)在衬底上依次外延生长牺牲层及上电极接触层、上布拉格反射镜层、氧化限制层、有源区、下布拉格反射镜层、下电极接触层，其中，激光器芯片主体中带有高铝组分AlGaAs和AlAs系列材料，并且，为了提高在外延剥离工艺中的选择性腐蚀有效程度，牺牲层优选InAlP材料；

3)在外延生长完的产品表面的下电极接触层制作金属接触层，采用电子束蒸发或溅射工艺沉积金属，材料为Ag、Au、Ni、AuGeNi一种或多种组合，厚度在0.5-1um；

在产品的金属接触层表面制作柔性导电材料，具体是涂覆石墨烯银纳米材料层，或使用PVD、CVD真空沉积设备蒸发硼原子在金属接触层上沉积形成硼烯薄膜，厚度在1-10um，从而制得下电极；其中，下电极采用石墨烯银纳米线材料或硼烯薄膜，能够提高电极的柔韧性及强度，避免在外延剥离工艺中金属接触层大的应力翘曲对外延薄膜造成撕裂损伤，并且，石墨烯银纳米线材料层或硼烯薄膜表面能够通过褶皱增加反射光线的方向，提高下布拉格反射镜层的整体反射率；

产品进行外延剥离工艺前，需在下电极表面涂覆耐腐蚀保护涂层，以保证剥离工艺后下电极的可靠性和外观；其中，耐腐蚀保护涂层采用UV胶或黒蜡，利用旋涂方式使之均匀覆盖下电极表面；

4)采用剥离腐蚀液腐蚀牺牲层，在腐蚀牺牲层进行外延层剥离工艺过程中，下电极由于内部应力作用，能够带动外延层一起向背离衬底的方向卷曲，形成有效的腐蚀通道，增大剥离速率，在外延层完全脱离衬底后，由于下电极的柔性导电材料的支撑作用，也防止了外延薄膜破裂；

剥离腐蚀液采用盐酸溶液，盐酸浓度控制在25％-35％，盐酸能够对牺牲层的InAlP材料反应，而对AlGaAs、AlAs系列材料不进行腐蚀反应，使得衬底与外延薄膜得到有效分离，得到完整的外延薄膜，从而最大程度地保证外延薄膜的完整性和有效性；

将剥离后的外延薄膜通过相应的清洗剂去除下电极涂覆的耐腐蚀保护涂层，若采用UV胶保护则使用丙酮或去胶液进行去除，若采用黒蜡则使用去蜡液或甲苯进行清洗去除；

5)使用粘合剂键合于临时衬底上进行激光器芯片工艺制程，该粘合剂需与后续芯片工艺兼容，不会被清洗工艺制程中使用的各种溶液所溶解，亦能耐受各热制程而不发生性质变化；

对临时键合后的产品进行表面清洗，依次使用丙酮、异丙醇、盐酸及BOE缓冲液超声清洗以去除产品表面的有机物、金属颗粒和氧化物杂质；

采用光刻方法，旋涂光刻胶、曝光和显影，将待制作上电极区域的电极接触层用光刻胶保护起来，用湿法腐蚀或ICP刻蚀露出两侧的氧化限制层；

采用湿法氧化工艺对氧化限制层中的AlGaAs或AlAs材料进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径，根据激光器设计的出光孔径大小来确定氧化工艺的温度及时间参数，以达到所需氧化的深度；

采用PECVD或电子束蒸镀沉积反射绝缘层，选用SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Si₃N₄、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种材料组合，根据高、低折射率交替排列，厚度为100nm-300nm；

使用光刻方法开窗制作上电极图形，采用BOE蚀刻液腐蚀沉积的反射绝缘层后，蒸镀上电极金属，上电极金属材料用Au、Al、Ni、Pd、Ag、Ti中的一种或多种组合，将蒸镀完金属的产品浸泡在丙酮或光刻剥离液中，去除光刻胶及光刻胶表面的金属，得到需要的电极金属图形；

采用光刻方法套刻出光口，使用BOE蚀刻液腐蚀出光口的反射绝缘层后，采用柠檬酸或氨水溶液对电极接触层进行腐蚀，将出光口部分露出，再将产品浸泡在丙酮或去胶液中，去除光刻胶；

使用能够去除粘合剂的溶液，将粘合剂溶解，使临时衬底与激光器芯片分离；

将分离的激光器芯片进行退火合金，使电极形成良好的欧姆接触，至此，便完成激光器芯片的制作；其中，考虑到产品的柔性应力弯曲，采用低温合金工艺。

进一步，在步骤1)中，采用300-600um的GaAs衬底。

进一步，在步骤5)中，粘合剂采用高熔点蜡，溶解粘合剂时选用甲苯去除粘合剂。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过在下布拉格反射镜层的背面制作石墨烯银纳米线材料或硼烯等导电材料及在芯片器件侧面设置绝缘反射层，可增加反射效率，提高增益，同时获得更好的热稳定性，并且降低阈值电流密度。

2、可降低外延薄膜在外延剥离工艺中的受损率，提高芯片良率，并且获得的柔性垂直腔面发射激光器芯片，能满足一些特定应用环境的形变要求，并减小了芯片的厚度进而提升芯片的封装密度。

附图说明

图1是本发明所述柔性垂直腔面发射激光器芯片的结构示意图。

图2是本发明所述柔性垂直腔面发射激光器芯片的制作流程图。

图3是本发明所述柔性垂直腔面发射激光器芯片制作过程中的一个结构示意图。

图4是本发明所述柔性垂直腔面发射激光器芯片制作过程中的另一个结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1所示，本实施例提供了一种柔性垂直腔面发射激光器芯片，包括下电极8、下电极接触层7、下布拉格反射镜层6、有源区5、氧化限制层4、上布拉格反射镜层3、上电极接触层2、上电极1和反射绝缘层9。

下电极8设置有柔性导电材料层，其通过下电极接触层7直接与下布拉格反射镜层6相连，具有反射镜层、器件柔性支撑及散热作用，柔性导电材料层可为石墨烯银纳米材料层或硼烯薄膜层，厚度在1-10um。与目前使用Cu、Ag、Au等金属层作下电极材料相比，采用石墨烯银纳米材料或硼烯薄膜，可以提高电极材料的柔韧性及强度，以避免在外延剥离工艺中金属层较大的应力翘曲对外延薄膜造成撕裂损伤，同时石墨烯银纳米材料层或硼烯薄膜表面可以呈现出一定的褶皱状态，会增多反射光线的方向，提高下布拉格反射镜层6的整体反射率，进而提高VCSEL的出光效率。

上电极接触层2和下电极接触层7的掺杂浓度大于1E18cm³，厚度在5-10nm。

上、下布拉格反射镜层3、6采用交替排列的高、低折射率材料层，材料层为超晶格GaAs/AlAs结构或者AlGaAs/AlGaAs结构，周期对数为5-30对。

有源区5中的量子阱结构，可以为InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs、GaAsP/AlGaAsP等结构，可根据需要的VCSEL器件的目标波长具体选择有源层的材料体系及量子阱结构。

氧化限制层4选择易于实现氧化和控制氧化速率的材料，例如AlAs或AlGaAs。

激光器芯片主体侧面的绝缘反射层9为SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Si₃N₄、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种按照高低折射率交替构成的，使器件侧面氧化物层在起绝缘作用的同时还具有反射作用，来减少光从器件侧面的发散逸出。

上电极1材料可用Au、Al、Ni、Pd、Ag、Ti中的一种或多种组合，采用蒸镀、溅射等方式沉积金属。

参见图2所示，本实施例提供了上述柔性垂直腔面发射激光器芯片的制作方法，包括以下步骤：

步骤P1，选取衬底，具体可选300-600um的GaAs衬底。

步骤P2，结合图3所示，在衬底11上依次层叠外延生长牺牲层10及上电极接触层2、上布拉格反射镜层3、氧化限制层4、有源区5、下布拉格反射镜层6、下电极接触层7等激光器外延结构；其中，激光器芯片主体中带有高铝组分AlGaAs、AlAs等系列材料，为提高在外延剥离工艺中的选择性腐蚀有效程度，牺牲层10优选InAlP材料。

步骤P3，在外延生长完的产品表面的下电极接触层7制作金属接触层，可采用电子束蒸发、溅射等工艺沉积金属，材料可以为Ag、Au，Ni，AuGeNi一种或多种组合，厚度在0.5-1um。

在产品的金属接触层表面制作柔性导电材料，具体是涂覆石墨烯银纳米材料层，或使用PVD、CVD等真空沉积设备蒸发硼原子在金属接触层上沉积形成硼烯薄膜，厚度在1-10um，从而制得下电极8。

产品进行外延剥离工艺前，需在下电极8表面涂覆耐腐蚀保护涂层，以保证剥离工艺后下电极8的可靠性及良好的外观；其中，耐腐蚀保护涂层可采用UV胶或黒蜡，利用旋涂方式使之均匀覆盖下电极8表面。

步骤P4，采用剥离腐蚀液腐蚀牺牲层10，在腐蚀牺牲层10进行外延层剥离工艺过程中，下电极8由于内部应力作用，可带动外延层一起向背离衬底的方向卷曲，形成有效的腐蚀通道，增大剥离速率，在外延层完全脱离衬底后，由于下电极8的柔性导电材料的支撑作用，也防止了外延薄膜破裂。

剥离腐蚀液采用一定浓度的盐酸溶液，盐酸浓度控制在25％-35％，盐酸可以对牺牲层的InAlP材料反应，而对AlGaAs、AlAs等系列材料不进行腐蚀反应，使得衬底与外延薄膜得到有效分离，最大程度的保证外延薄膜的完整性和有效性，参见图4所示，得到完整的外延薄膜。

将剥离后的外延薄膜通过相应的清洗剂去除下电极8涂覆的耐腐蚀保护涂层，若采用UV胶保护可使用丙酮或去胶液进行去除，若采用黒蜡可使用去蜡液或甲苯进行清洗去除。

步骤P 5，使用粘合剂键合于临时衬底上进行激光器芯片工艺制程。粘合剂可采用高熔点蜡或其它种类粘合剂，该粘合剂需与后续芯片工艺兼容，不会被清洗工艺制程中使用的各种溶液所溶解，亦能耐受各热制程而不发生性质变化。

对临时键合后的产品进行表面清洗，依次使用丙酮、异丙醇、盐酸及BOE缓冲液超声清洗以去除产品表面的有机物、金属颗粒和氧化物等杂质。

采用光刻方法，旋涂光刻胶、曝光和显影，将待制作上电极区域的电极接触层用光刻胶保护起来，用湿法腐蚀或ICP刻蚀露出两侧的氧化限制层4。

采用湿法氧化工艺对氧化限制层4中的AlGaAs或AlAs材料进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径，根据激光器设计的出光孔径大小来确定氧化工艺的温度及时间参数，以达到所需氧化的深度。

采用PECVD或电子束蒸镀沉积反射绝缘层9，可选用SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Si₃N₄、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种材料组合，根据高、低折射率交替排列，厚度大概为100nm-300nm。

使用光刻方法开窗制作上电极图形，采用BOE蚀刻液腐蚀沉积的反射绝缘层9后，蒸镀上电极金属，上电极金属材料可用Au、Al、Ni、Pd、Ag、Ti中的一种或多种组合，将蒸镀完金属的产品浸泡在丙酮或光刻剥离液中，去除光刻胶及光刻胶表面的金属，得到需要的电极金属图形，完成上电极1的制作。

采用光刻方法套刻出光口，使用BOE蚀刻液腐蚀出光口的反射绝缘层9后，采用柠檬酸或氨水溶液对电极接触层进行腐蚀，将出光口部分露出，再将产品浸泡在丙酮或去胶液中，去除光刻胶，用纯水清洗表面吹干后得到如图1所示的激光器芯片结构。

使用可以去除粘合剂的溶液，将粘合剂溶解，使临时衬底与激光器芯片分离，溶液可以选用甲苯。

将分离的激光器芯片进行退火合金，使电极形成良好的欧姆接触，至此，便完成激光器芯片的制作；其中，考虑到产品的柔性应力弯曲，采用低温合金工艺，温度200℃，时间90-120分钟。

综上所述，本发明通过在下布拉格反射镜层(即下DBR)的背面制作石墨烯银纳米材料层或硼烯导电材料层，简化了器件的结构，并且在芯片器件侧面设置反射绝缘层，整体可以增加反射效率，提高增益性；同时采用外延剥离工艺可以有效的实现外延的转移，进而实现衬底的重复利用，降低了生产成本。并且，也大幅减小了激光器芯片的厚度，提升芯片后续的封装密度，并使芯片器件具有一定的柔性，能满足一些特定应用环境的形变要求；同时结合临时键合工艺可实现规模化芯片的制造及集成，具有实际应用价值，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。