阅读说明：本技术 一种制造垂直腔面发射激光器的精简工艺流程方法 (Simplified process flow method for manufacturing vertical cavity surface emitting laser ) 是由 翁玮呈 丁维遵 刘嵩 梁栋 于 2019-12-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种制造垂直腔面发射激光器的精简工艺流程方法,相对于传统的VCSEL制造方法,本制造方法将P型欧姆接触金属与阳极焊盘金属结合为一次光刻工艺,可以实现完整包覆发光平台侧壁或者完整填埋为氧化刻蚀而制作的沟道,形成有效连接P电极金属层;同时,由于金属是连续的,器件的散热不受影响。这个制作工艺将原本需要多次光刻的工艺凝缩成一张光罩实现,在VCSEL量产制造中形成成本优势。最后,P和N电极金属层可以共享一次退火工艺同时实现良好的欧姆连接。(The invention provides a simplified process flow method for manufacturing a vertical cavity surface emitting laser, compared with the traditional VCSEL manufacturing method, the manufacturing method combines P-type ohmic contact metal and anode bonding pad metal into a one-time photoetching process, can realize complete cladding of the side wall of a light-emitting platform or complete burying of a channel manufactured for oxidation etching to form an effective connection P electrode metal layer, and meanwhile, because the metal is continuous, the heat dissipation of a device is not influenced. The manufacturing process condenses the process which originally needs multiple times of photoetching into a photomask to realize, and forms cost advantage in VCSEL mass production. Finally, the P and N electrode metal layers may share an annealing process while achieving good ohmic connections.)

一种制造垂直腔面发射激光器的精简工艺流程方法

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术领域，尤其涉及一种制造垂直腔面发射激光器的精简工艺流程方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器由于其优良性能以及广泛应用而备受关注。要实现低制造成本就要高生产效率，因此对用于生产制造的方法要求严格可控。常规工艺一张光罩制作P电极金属层后，一般需要再新增二至三层光罩，然后再镀上一层更厚的Au，制作焊盘并与P电极金属层连接。工艺时间长，需要多张光罩，及较多的金属耗材是目前面临的问题。刻蚀掉钝化层与GaAs需要一张光罩来定义出发光平台的区域，因此需要利用两种不同的参数，甚至是两种不同机台设备来刻蚀钝化层和GaAs晶圆，其花费工艺时间长。将切割道上的薄膜去除需要一张光罩，使切割过程不会因薄膜破损而伤到组件本身。衬底磨薄，必需使用另一片衬底做晶圆贴膜，保护正面使其容易进行晶圆传送或是背面工艺，但在磨薄后会有极高的破片风险，所以对薄晶圆的任何处理要非常小心。晶圆背面镀上N电极金属层后需要再镀一层更厚的Au叠上去，避免在组件使用过程中伤到GaAs基板。P电极金属层与N电极金属层的退火分别制作，可以得到较好的欧姆连接效果。经过统计发现，现有的主要工艺类型大于11道工序，光罩数大于7，镀金属次数大于5次，需要衬底磨薄，平均总工艺工时大于3周，以上是主流工艺的基本状况，也是本领域中急需进一步降低时间及成本的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种制造垂直腔面发射激光器的精简工艺流程方法，其正面或背面单一金属层(P或者N电极金属层) 透过一个光罩即可实现，进一步的降低生产成本。所述方法包括以下步骤：

1）制备VCSEL器件半导体外延层结构，并进行第一次化学沉积形成第一钝化层；

2）在所述外延层结构上刻蚀形成沟道或形成发光台面结构；

3）利用所述沟道暴露出氧化层，定义出对应的发光区域；

4）进行第二次化学沉积，形成第二钝化层，并将水平方向上台面边缘以内与发光区域以外之间的钝化层刻蚀掉以形成P型欧姆接触区，将切割道的第一钝化层、第二钝化层刻蚀掉以形成单元芯片区；

5）在所述第二钝化层上，光刻定义出P型欧姆接触金属，然后镀多层P型欧姆金属形成P电极金属层；

6）在N型衬底下镀N电极金属层；

通过调节P型欧姆接触金属厚度，将P型欧姆接触金属作为阳极焊盘金属使用。

若是背发射元件，由N型区发光，需要定义N型欧姆接触区图形，上述方法同样适用。

对于上述切割道，可按照产品需求选择是否执行此工艺，若是验证外延特性可略过该工艺，直接可达到省成本与缩短周期的效果。

外延层结构上刻蚀形成沟道，即每个发光点周围可以有单个连续沟道或者多个不连续沟道，或者形成发光台面结构及类似结构。

水平方向上台面两边可以留有一定余量以包容工艺的精准度，全部或者部分刻蚀掉以形成P电极金属层接触面区。

本方法的执行过程中，使用一张光罩并利用调整P型欧姆接触金属厚度或是镀金属的角度来提高平台侧壁的金属包覆性，将P型欧姆接触金属作为阳极焊盘金属使用，以此省略相关阳极焊盘金属工艺；并根据不同图形的产品设计与形貌加工要求性，选择性利用蒸镀、溅镀、电镀或化镀技术等方式定义P电极金属层;根据不同功率的产品，比如将P电极金属层的最后一层金属层选择为Au金属层，对最后一层Au金属层的厚度进行调整，若为高功率产品，则Au金属层需要厚一点，若是低功率及短脉冲的产品，Au金属层可以薄一点。此方法不需要数张光罩，而且进一步调节了金属耗材与工艺周期。

通过调节P型欧姆接触金属厚度，将P型欧姆接触金属作为阳极焊盘金属使用，即将P型欧姆接触金属与阳极焊盘金属结合为一次工艺处理，其包覆性性能与原标准工艺的相同。该方法不仅减少光罩数与工艺程序，而且工艺时间缩短了不少，此外也调节了金属使用量。

优选地，所述半导体外延层结构包括，P型分布布拉格反射镜、量子阱层、 N型分布布拉格反射镜、N型衬底层、P电极金属层、N电极金属层。

优选地，所述P型分布布拉格反射镜和N型分布布拉格反射镜材料选自Al,Ga,As,In,P元素化合物的一种或几种，或Si, N, O, Al元素形成电介质的一种或几种，量子阱层材料选自Ga, Al, In, As, P, N元素化合物的一种或几种，P电极金属层、N电极金属层材料选自: Ti, Pt, Au, Pd, Ge, Ni金属的一种或几种。

具体的P型分布布拉格反射镜和N型分布布拉格反射镜材料可以为AlGaAs /GaAs，量子阱层材料可以为GaAs/ InGaAs / InGaP /AlGaInP /AlGaInAsP /InGaAlAs等。

优选地，所述氧化层的形成利用湿氧化工艺，离子注入工艺取代湿氧化工艺也可以定义出对应的发光区域。

优选地，所述氧化层形成之后用离子注入的方式进行钝化和电学隔离。

优选地，所述第一钝化层材料、第二钝化层材料选自Si, N, O, Al元素形成电介质的一种或几种。

具体的第一钝化层材料、第二钝化层材料可以为SiN、SiO或SiON等。

优选地，P型欧姆金属形成利用蒸镀、溅镀、电镀或化镀技术。

优选地，调节N型欧姆接触金属厚度，将N型欧姆接触金属作为阴极焊盘金属使用。

对于衬底去除的工艺类似切割道，在低功率、低转换效率与外延片验证的产品可不需要衬底去除工艺，而高功率也可依需求选择是否省略此工艺。经实际验证的结果，发现在常温下其特性并无差异。

在某些情况下，调节N型欧姆接触金属厚度，将N型欧姆接触金属作为阴极焊盘金属使用，即在最后一层把Au镀厚即可达到与标准工艺一样的保护作用，通常将N电极金属层的最后一层金属层选择为Au金属层，可以根据不同功率的产品进行Au金属层的厚度调整。若背面也需要定义发光区，则仅需制作一张光罩和执行一次性镀金属工艺即可完成，综合各种需求都可以达到节省成本与缩短周期的效果。

本方法的执行过程中，可以略过衬底去除工艺，不仅可以更容易执行晶圆传送及其工艺，而且不易破片，此外与磨薄后的薄晶圆有相似的特性，既省时又省成本。

调节N型欧姆接触金属厚度，将N型欧姆接触金属作为阴极焊盘金属使用，即将N电极金属层与阴极焊盘金属结合为一次工艺，通常将N电极金属层的最后一层金属层选择为Au金属层，调整最后一层Au的厚度可以达到测试与封装的需求，组件不会受损，此外还可以省时。在高质量外延片或低性能、形貌加工要求不高等情况下，可以不需要第一钝化层，直接利用湿/干蚀刻法刻蚀并定义出发光平台区，省下刻蚀钝化层的时间。

怎样节约成本是所有产品都会遇到的问题也是业界的终极目标，而上述本发明所提供的方法，无论是在感测，医疗，工业用，通讯，量子计算机，测距，安防等激光组件；还是在组件设计的单颗，数组，散斑激光等都可按照需求选择应用。

本发明的有益效果至少包括：

1、调节P型欧姆接触金属厚度，将P型欧姆接触金属作为阳极焊盘金属使用，该方法不仅减少光罩数与工艺程序，而且工艺时间缩短了不少，此外也调节了金属使用量。

2、对于快速验证或者对形貌加工的要求较低的情况下，可以省略衬底去除工艺，从而节省光罩数与工艺时间。

3、N型欧姆接触金属与阴极焊盘金属结合为一次工艺，省略电镀工艺，并直接将N电极金属层的最后一层，按照产品需求将其厚度进行调整。

4、对不同电极若要形成好的欧姆连接，对温度及时间的合理搭配通常具有严格的特定要求。而在本方法的执行过程中，使用相似的退火温度并只需执行一次退火工艺，就可以使P电极金属层、N电极金属层达到良好的欧姆连接，这样既简化工艺又降低了制作时间。

附图说明

图1 是介电薄膜沉积示意图。

图2 是台面干/湿腐蚀和氧化示意图。

图3 是SiN沉积及蚀刻切割道示意图。

图4 是镀金属示意图。

图5 是单个VCSEL器件俯视示意图。

图6-7是不同排列形式的多个VCSEL器件俯视示意图。

（1）第一钝化层、（2）P-DBR层、（3）量子阱层、（4）N-DBR层、（5）N型衬底层、（6）氧化层、（7）沟道、（8）第二钝化层、（9）P型欧姆接触区、（10）P电极金属层、（11）发光区域、（12）N电极金属层、（13）台面与发光区、（14）切割道。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明提供了一种制造垂直腔面发射激光器的精简工艺流程方法，所述方法包括：

如图1所示，制备VCSEL器件半导体外延层结构，包括P-DBR层2、量子阱层3、N-DBR层4以及N型衬底层5，进行第一次化学沉积形成第一钝化层1。在高质量外延片或低性能、形貌加工要求不高等情况下，可以不需要第一钝化层，直接利用湿/干刻蚀法刻蚀定义出发光平台区，省下刻蚀钝化层的时间与成本。在N 型衬底层5下镀N电极金属层12，调节N型欧姆接触金属厚度，将N型欧姆接触金属作为阴极焊盘金属，衬底的去除工艺类似切割道，在低功率、低转换效率与外延片验证的产品可不需要衬底去除工艺，而高功率也可按照需求选择是否省略此工艺，经实际验证的结果发现在常温下其特性并无差异。

如图2所示，通过刻蚀在外延层结构上形成VCSEL单元的台面结构及相应沟道7，利用沟道并以湿氧化工艺形成氧化层6，定义出对应的发光区域11。

如图3所示，进行第二次化学沉积，形成第二钝化层8，并将台面边缘内部与发光区域外部之间的钝化层刻蚀掉形成P型欧姆接触区9。可按照产品需求选择是否执行此工艺，若是验证外延特性可略过此工艺，可达到缩短周期的功效。

如图4所示，在第二钝化层上与P型欧姆接触区内镀P电极金属层10，从而可以仅使用一张光罩，并利用调整金属的厚度或从镀金属的角度来提高平台侧壁的金属包覆性，因此利用此原理可以将P电极金属层与阳极焊盘合并，按照不同图形的产品设计、形貌加工要求性等选择性利用蒸镀、溅镀、电镀或化镀等技术方式，定义P电极金属层与衬底的图形；将P电极金属层的最后一层金属层选择为Au金属层，按照不同功率的产品，可以针对最后一层Au金属的厚度进行调变，若为高功率产品，则Au需要厚一点，若是低功率、短脉冲的产品，可以薄一点。此方法不需要数张光罩，并大大降低金属耗材与工艺周期。一次工艺就可以使得P电极金属层与阳极焊盘金属结合，包覆性效果与原标准工艺相同。该方法不仅减少光罩数和工艺数量，缩短工艺时间，而且也可以调节金属耗材。图5是单个VCSEL器件俯视示意图，图6-7是不同排列形式的多个VCSEL器件俯视示意图。

N电极金属层与阴极焊盘金属结合为一次工艺，将N电极金属层的最后一层金属层选择为Au金属层，调整最后一层Au金属层的厚度一样可以达到测试与封装的需求，组件不会受损，也能达到省时与调节金属耗材。

至此形成一个完整的VCSEL器件。

工艺流程	功率(W)	电压(V)	能量转换效率(%)	阈值电流(A)
					精简流程	1.25	2.66	33.48	0.21
精简流程	1.22	2.61	33.22	0.22
					传统流程	1.23	2.57	33.78	0.21

从实验各项性能对比表格可以看出，本工艺所制备的VCSEL器件与传统工艺制备的VCSEL器件，各项性能差异不大。