一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法技术

技术编号:19125205 阅读:8 留言:0更新日期:2018-10-10 06:49
一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法,该方法包括外延片和高掺衬底片晶向对准工艺,低温金属键合工艺、半绝缘衬底腐蚀工艺等,最终成功将生长在半绝缘衬底片上的外延结构层转移到另一个高掺杂的衬底片上。本发明专利技术的方法可以保证两个键合片之间的晶向一致性,防止激光器在解理过程中由晶向各异性带来的机械损伤;并且可以防止由于腐蚀液选择性不够带来的腐蚀不均匀及过腐蚀的问题,保证腐蚀的均匀性及完整性。本发明专利技术的方法符合标准半导体工艺流程,操作简便高效,适于工业化量产。

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法
本专利技术涉及半导体
,尤其涉及一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法。
技术介绍
量子级联激光器的专利技术是半导体激光器领域里程碑式的发展,开创了中远红外至太赫兹波段的半导体激光新领域,在红外对抗、毒品和爆炸物检测、环境污染监测、太赫兹成像等方向有广泛的应用前景。太赫兹量子级联激光器的传统波导结构有两种:半绝缘表面等离子体波导结构和双面金属波导结构。两种结构各有优势:半绝缘表面等离子体波导结构对光的限制作用由上金属层和下高掺层提供,因此对光的限制作用比较弱,有一大部分的光会泄露进入衬底,导致纵向远场光斑始终呈双瓣分布。双面金属波导结构对光的限制作用由上下金属层提供,光场限制因子接近100%,因此器件腔面反射率较大,工作阈值电流相对较小,功耗较小,温度性能与半绝缘表面等离子体波导结构相比得到大大提升。同时,由于双面金属结构对光的限制作用较强,可以通过制作表面高阶光栅、光子晶体等结构实现高抽取效率的单模激光面发射,在保证稳定单模的基础上改善远场光斑图形,所以双面金属波导结构的制备是十分必要的。但是,在双面金属器件的制备过程中涉及到诸多工艺细节的技术问题。例如,两个键合片之间的晶向一致性难以保证,激光器在解理过程中由于晶向各异性容易导致机械损伤;腐蚀液选择性不够导致腐蚀不均匀及过腐蚀;需要高端的晶片键合设备,设备成本较高等。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于现有技术中存在的问题,本专利技术提供了一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法,在不依赖于高端的晶片键合设备的前提下克服制备过程中的关键技术难题,对于促进双面金属器件的发展具有重要意义。(二)技术方案为实现上述目的,本专利技术提供了一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法:该方法至少包括以下步骤:提供一半绝缘衬底片,在所述半绝缘衬底片上依次外延截止层、下高掺层、有源区和上高掺层;在所述上高掺层的表面制作金属波导层;在一N+型掺杂衬底片的表面制作金属电极层,然后蒸发焊接金属层;将所述半绝缘衬底片和所述N+型掺杂衬底片进行晶向对准,然后对所述半绝缘衬底片表面的金属波导层与所述N+型掺杂衬底片表面的焊接金属层进行低温金属键合,形成键合样片;减薄半绝缘衬底片至所需厚度,再利用第一选择性腐蚀液腐蚀所述半绝缘衬底片,直到整个表面出现彩色花纹,截止层完全暴露;再利用第二选择性腐蚀液腐蚀所述截止层,直到彩色花纹全部褪去,下高掺层完全暴露;进行第一次光刻,在所述下高掺层表面制作正面金属电极图形;进行第二次光刻,制作脊形器件结构;对键合后样片的N+型高掺衬底进行减薄抛光到一定厚度,在所述N+型高掺衬底上形成背面电极,解理,完成激光器管芯制作。优选地,所述半绝缘衬底片的材料为GaAs,所述截止层的材料为Al0.5Ga0.5As,所述下高掺层的材料为GaAs,所述有源区为GaAs和Al0.15Ga0.85As交替生长的超晶格结构,所述上高掺层的材料为GaAs。优选地,所述N+型掺杂衬底片的材料为GaAs,掺杂浓度>1017cm-3。优选地,所述金属波导层包括所述上高掺层上的第一层和所述第一波导层上的第二波导层,其中第一波导层为Ti,第二波导层为Au,优选地,第一波导层的厚度为10-30nm,第二波导层的厚度为0.5-1.5μm。优选地,所述金属电极层包括所述N+型掺杂衬底片上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层,其中第一电极层为Ti,第二电极层为Au,优选地,第一电极层的厚度为10-30nm,第二电极层的厚度为100-300nm;所述焊接金属层包括所述金属电极层上的第一焊接层和所述第一焊接层上的第二焊接层,其中第一焊接层为In,第二焊接层为Au,优选地,第一焊接层的厚度为1-3μm,第二焊接层的厚度为50-150nm。优选地,所述低温金属键合的条件为:温度:250-340℃,压强:800-1200mbar,时间:30-90min。优选地,所述第一选择性腐蚀液为NH4OH∶H2O2的体积比为1∶19的混合溶液,腐蚀温度为20-30℃。优选地,所述第二选择性腐蚀液为质量浓度>40%的HF溶液,腐蚀温度为20-30℃。优选地,所述晶向对准的方法为:利用直角模具将所述半绝缘衬底片和所述N+型掺杂衬底片的两个相邻直角边对准。优选地,利用第一选择性腐蚀液腐蚀所述半绝缘衬底片时,将键合样片放入下部凹槽可盛放磁子的花篮,将所述花篮浸入第一选择性腐蚀液,在双向搅拌下进行腐蚀。优选地,所述正面金属电极图形的制作方法包括:首先采用光刻的方法将金属电极的图形转移到所述下高掺层的表面,然后沉积正面金属电极层,最后通过带胶剥离去除图形以外的金属;优选地,所述正面金属电极层包括所述下高掺层上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层,其中第一电极层为Ti,第二电极层为Au,优选地,第一电极层的厚度为10-30nm,第二电极层的厚度为100-300nm。优选地,所述背面电极包括所述N+型高掺衬底上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层,其中第一电极层为Ti,第二电极层为Au,优选地,第一电极层的厚度为10-30nm,第二电极层的厚度为200-400nm。(三)有益效果从上述技术方案可以看出,本专利技术提供一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法。具有以下有益效果:1.本专利技术中利用直角模具保证外延片和N+型衬底片在低温金属键合过程中两直角边对准,即保证了两个键合片之间的晶向一致性,防止激光器在解理过程中由晶向各异性带来的机械损伤。2.本专利技术中利用可放置磁子的花篮带动键合后的样片在进行外延层衬底的腐蚀过程中不断匀速双向转动,防止由于腐蚀液选择性不够带来的腐蚀不均匀及过腐蚀的问题,保证了腐蚀的均匀性及完整性。3.本专利技术提出的制备双面金属器件的方法可以成功制备出双面金属器件,制作方法符合标准半导体工艺流程,操作简便高效,适于工业化量产。附图说明为了进一步说明本专利技术的特征和效果,下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的说明,其中:图1为在外延片表面蒸镀金属层后的截面示意图。图2为在N+型掺杂衬底片表面蒸镀金属层后的截面示意图。图3为外延片和N+型掺杂衬底片经过对准低温金属键合后得到样片的截面示意图。图4A和4B分别为进行低温金属键合时使用直角模具装置的俯视图及前视图。图5为湿法腐蚀外延片半绝缘衬底时所用装置的俯视图。图6A和6B分别为湿法腐蚀外延片半绝缘衬底时所用的花篮的前视图和俯视图。图7为双面金属阵列器件的光刻板图形。图8为本专利技术实施例中双面金属阵列器件的截面示意图。元件标号说明:1-半绝缘衬底2-截止层3-下高掺层4-有源区5-上高掺层6-Ti7-Au8-In9-N+型掺杂衬底片10-Au-In合金层11-外延片蒸镀金属后的样片12-N+型掺杂衬底蒸镀金属后的样片13-外延片与N+型衬底片低温金属键合后的样片14-直角模具15-玻璃基板16-磁子17-花篮18-玻璃烧杯19-磁力搅拌器托盘20-双面金属阵列器件的正面电极图形具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本专利技术进一步详细说明。本专利技术实施例提供了一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法,包括如下步骤:步骤1:利用分子束外延设备在半绝本文档来自技高网...
一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法

【技术保护点】
1.一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法,其特征在于,包括以下步骤:提供一半绝缘衬底片,在所述半绝缘衬底片上依次外延截止层、下高掺层、有源区和上高掺层;在所述上高掺层的表面制作金属波导层;在一N+型掺杂衬底片的表面制作金属电极层,然后蒸发焊接金属层;将所述半绝缘衬底片和所述N+型掺杂衬底片进行晶向对准,然后对所述半绝缘衬底片表面的金属波导层与所述N+型掺杂衬底片表面的焊接金属层进行低温金属键合,形成键合样片;减薄半绝缘衬底片至所需厚度,再利用第一选择性腐蚀液腐蚀所述半绝缘衬底片,直到整个表面出现彩色花纹,截止层完全暴露;再利用第二选择性腐蚀液腐蚀所述截止层,直到彩色花纹全部褪去,下高掺层完全暴露;进行第一次光刻,在所述下高掺层表面制作正面金属电极图形;进行第二次光刻,制作脊形器件结构;对键合后样片的N+型高掺衬底进行减薄抛光到一定厚度,在所述N+型高掺衬底上形成背面电极,解理,完成激光器管芯制作。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹量子级联激光器双面金属键合的方法,其特征在于,包括以下步骤:提供一半绝缘衬底片,在所述半绝缘衬底片上依次外延截止层、下高掺层、有源区和上高掺层;在所述上高掺层的表面制作金属波导层;在一N+型掺杂衬底片的表面制作金属电极层,然后蒸发焊接金属层;将所述半绝缘衬底片和所述N+型掺杂衬底片进行晶向对准,然后对所述半绝缘衬底片表面的金属波导层与所述N+型掺杂衬底片表面的焊接金属层进行低温金属键合,形成键合样片;减薄半绝缘衬底片至所需厚度,再利用第一选择性腐蚀液腐蚀所述半绝缘衬底片,直到整个表面出现彩色花纹,截止层完全暴露;再利用第二选择性腐蚀液腐蚀所述截止层,直到彩色花纹全部褪去,下高掺层完全暴露;进行第一次光刻,在所述下高掺层表面制作正面金属电极图形;进行第二次光刻,制作脊形器件结构;对键合后样片的N+型高掺衬底进行减薄抛光到一定厚度,在所述N+型高掺衬底上形成背面电极,解理,完成激光器管芯制作。2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述半绝缘衬底片的材料为GaAs,所述截止层的材料为Al0.5Ga0.5As,所述下高掺层的材料为GaAs,所述有源区为GaAs和Al0.15Ga0.85As交替生长的超晶格结构,所述上高掺层的材料为GaAs。3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述N+型掺杂衬底片的材料为GaAs,掺杂浓度>1017cm-3。4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述金属波导层包括所述上高掺层上的第一层和所述第一波导层上的第二波导层,其中第一波导层为Ti,第二波导层为Au,优选地,第一波导层的厚度为10-30nm,第二波导层的厚度为0.5-1.5μm。5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述金属电极层包括所述N+型掺杂衬底片上的第一电极层和所述第一电极层上的第二电极层,其中第一电极层为Ti,第二电极层为Au,优选地,第一电极层的厚度为...

【专利技术属性】
技术研发人员:李媛媛梁平胡颖刘俊岐翟慎强张锦川卓宁王利军刘舒曼刘峰奇王占国
申请(专利权)人:中国科学院半导体研究所中国科学院大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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