本發(fā)明涉及半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域，特別是指一種脊條形半導(dǎo)體激光器有源區(qū)腔體側(cè)壁鈍化的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器的工作原理是通過(guò)產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)分布的反轉(zhuǎn)，使受激輻射大于吸收，產(chǎn)生光增益，產(chǎn)生的光在諧振腔前后面內(nèi)反射達(dá)到一定強(qiáng)度后出射形成激光。目前主流的激光器結(jié)構(gòu)之一就是條形激光器。針對(duì)有源區(qū)的載流子和光子在結(jié)平面方向(側(cè)向)的限制問(wèn)題而采用的條形結(jié)構(gòu)，是半導(dǎo)體激光器發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。條形激光器是在平行于pn結(jié)平面的方向上，制造出條形的結(jié)構(gòu)，使平行和垂直于pn結(jié)平面的兩個(gè)方向上都能限制載流子，并產(chǎn)生光增益，建立起穩(wěn)定的光振蕩的激光器。條形激光器在結(jié)平面?zhèn)认蚓哂泄獠ㄏ拗坪洼d流子限制機(jī)制，它是相對(duì)于寬接觸而言的。條形結(jié)構(gòu)使激光器的閾值電流大幅度降低，改善了近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)、縱模與橫模特性，提高了器件的可靠性等。

最早的條型激光器是采取電極條形或質(zhì)子轟擊條形。在側(cè)向的光學(xué)限制為所謂的“增益波導(dǎo)”。實(shí)質(zhì)上，它只是限制電流流經(jīng)的通道，這種限制不可避免地存在注入電流的側(cè)向擴(kuò)展和注入載流子的側(cè)向擴(kuò)散。

腔壁性能衰退(facet degradation)是大功率長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體激光器面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。對(duì)半導(dǎo)體邊發(fā)射激光器，經(jīng)解理或離子束刻蝕后的腔壁上存在大量的懸掛鍵，在禁帶中產(chǎn)生許多表面非輻射復(fù)合中心或能級(jí)，將嚴(yán)重影響激光器的工作壽命。因此，如何減少腔壁衰退或進(jìn)行更好的腔壁鈍化保護(hù)是大功率長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體激光器刻不容緩的問(wèn)題。

在GaN基藍(lán)綠光激光器中，需經(jīng)離子束刻蝕形成激光器共振腔壁，在離子束刻蝕過(guò)程中將產(chǎn)生離子損傷和氮空位點(diǎn)缺陷等，這些點(diǎn)缺陷在表面形成懸掛鍵和表面復(fù)合中心。因此，激光器的側(cè)面上會(huì)有更多的點(diǎn)缺陷和表面復(fù)合中心等缺陷。另外，表面存在大量的氧雜質(zhì)，并誘發(fā)新的表面非復(fù)合能級(jí)。雖然這些缺陷可以經(jīng)后續(xù)的SiO₂進(jìn)行表面鈍化改善，但是由于沉積SiO₂時(shí)存在大量的離子，對(duì)激光器腔壁產(chǎn)生進(jìn)一步的損傷，增加表面非輻射復(fù)合中心并加速腔壁性能的衰減。

目前，主流的制造激光器脊條結(jié)構(gòu)的制作工藝是先通過(guò)干法刻蝕技術(shù)在有源區(qū)上方向下刻蝕出一個(gè)脊，在脊側(cè)面周?chē)ㄟ^(guò)磁控濺射或離子束蒸鍍等技術(shù)鍍上一層氧絕緣層(一般是SiO₂)，通過(guò)絕緣層使電流限制在從脊到有源層的電流通道內(nèi)。根據(jù)這一工藝過(guò)程，存在以下的問(wèn)題，即這種方法會(huì)使干法刻蝕之后產(chǎn)生的GaN截面上面的氧化層被SiO₂覆蓋，而且刻蝕造成的損傷和懸掛鍵等缺陷得不到修復(fù)，會(huì)對(duì)激光器性能造成不利影響。為避免或解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種鈍化SiO₂之前插入一薄Al膜層進(jìn)行鈍化優(yōu)化的方法。該方法利用了Al-O鍵相比于Ga-O鍵的鍵長(zhǎng)更短，鍵能更大，因此Al膜可以吸出附著在刻蝕表面的O，減少雜質(zhì)能級(jí)。而且Al膜可以修復(fù)在刻蝕脊條結(jié)構(gòu)時(shí)由于等離子體轟擊造成的損傷。Al膜在沉積之后很快會(huì)被氧化成氧化鋁薄膜，這樣可以避免沉積SiO₂時(shí)對(duì)GaN刻蝕表面造成二次傷害的作用，同時(shí)由于氧化鋁是絕緣體，所以可以減少漏電。綜上所述，使用這種方法可以有效修復(fù)因刻蝕引入的表面損傷和刻蝕之后表面附著的O元素對(duì)于電子和空穴復(fù)合的影響，氧化形成的氧化層還能保護(hù)P-GaN部分，有效提高激光器性能與壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種脊條形半導(dǎo)體激光器有源區(qū)腔體側(cè)壁鈍化的優(yōu)化方法，該方法在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，可以較好地減少脊條部分GaN中由于被氧化而造成的復(fù)合效率降低的影響，修復(fù)刻蝕脊條時(shí)造成的刻蝕損傷和表面懸掛鍵，提高器件性能。

該方法具體步驟如下：

(一)對(duì)GaN樣品進(jìn)行刻蝕，形成P-GaN有源區(qū)脊條；

(二)在不進(jìn)行去膠步驟的情況下，在步驟(一)所得產(chǎn)品上直接沉積一層Al薄層；

(三)在步驟(二)所得產(chǎn)品上再直接沉積一層SiO₂；

(四)將步驟(三)所得產(chǎn)品剝離光刻膠，使全部被刻蝕露出的表面與SiO₂層之間都鍍上一層Al薄層；

(五)重復(fù)步驟(一)-(四)標(biāo)準(zhǔn)光刻步驟進(jìn)行N型區(qū)域開(kāi)窗以及鍍擴(kuò)展電極工藝操作。

其中，步驟(一)中形成的脊條是產(chǎn)生激光的諧振腔，步驟(一)所用的刻蝕技術(shù)是ICP-RIE干法刻蝕技術(shù)。

步驟(二)中沉積Al薄層的鍍膜技術(shù)包括ALD、電子束沉積、熱蒸發(fā)沉積；所鍍Al薄層生長(zhǎng)于脊條結(jié)構(gòu)側(cè)壁和整個(gè)SiO₂層下面部分。

步驟(二)中沉積Al薄層的溫度為300℃，所沉積Al薄層的厚度為5-50nm。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：

上述方案中，本發(fā)明在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝步驟做出了調(diào)整，在被刻蝕的表面與SiO₂之間增加一層Al。這種做法有以下三點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1、Al與O的結(jié)合能力更強(qiáng)，可以吸附干法刻蝕之后的GaN表面氧化層中的O。O作為雜質(zhì)能級(jí)會(huì)束縛載流子，減少電子空穴的復(fù)合發(fā)光效率。而O被Al層吸附之后可以減少GaN中O雜質(zhì)，增加激光器發(fā)光能力；

2、Al層可以與刻蝕后的GaN表面的懸掛鍵結(jié)合，修復(fù)GaN表面的刻蝕損傷，減少GaN表面態(tài)對(duì)于復(fù)合的負(fù)面影響；

3、Al層會(huì)很快被氧化成Al₂O₃，致密的Al₂O₃層可以阻擋鍍SiO₂時(shí)等離子體對(duì)GaN表面的轟擊，保護(hù)脊條腔體，而Al層本身是通過(guò)ALD沉積上去的，對(duì)于GaN的損傷極小。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的脊條形半導(dǎo)體激光器有源區(qū)腔體側(cè)壁鈍化的優(yōu)化方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明的脊條形半導(dǎo)體激光器有源區(qū)腔體側(cè)壁鈍化的優(yōu)化方法工藝流程圖。

其中：1-P型半導(dǎo)體；2-多量子阱結(jié)構(gòu)；3-N型覆蓋層；4-N型半導(dǎo)體；5-襯底；6-歐姆接觸金屬；7-光刻膠；8-鋁薄層；9-SiO₂層；10-擴(kuò)展電極。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

傳統(tǒng)的脊條形半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)使在脊條側(cè)壁直接鍍一層SiO₂層，作為限制層使電流限制在從脊到有源層的電流通道內(nèi)，降低閾值電流。由于在鍍SiO₂之前，暴露的GaN表面不可避免地會(huì)被氧化，而且干法刻蝕對(duì)于GaN表面造成的損傷也無(wú)法得到有效的修復(fù)，再加上鍍SiO₂的同時(shí)也會(huì)引入新的損傷，因此激光器的出光能力還有進(jìn)一步提升的空間。

為了克服上述缺點(diǎn)，提升脊條形半導(dǎo)體激光器的性能，本發(fā)明提供一種脊條形半導(dǎo)體激光器有源區(qū)腔體側(cè)壁鈍化的優(yōu)化方法。

如圖1和圖2所示，該方法具體步驟如下：

(一)對(duì)GaN樣品進(jìn)行刻蝕，形成P-GaN有源區(qū)脊條；具體為：

處理前樣品層由外向內(nèi)依次為：P型半導(dǎo)體1、多量子阱結(jié)構(gòu)2、N型覆蓋層3、N型半導(dǎo)體4、襯底5，在已經(jīng)用磁控濺射鍍好歐姆接觸金屬6的樣品基礎(chǔ)上，刻蝕出P-GaN有源區(qū)脊條，也就是產(chǎn)生激光的諧振腔；

在本步驟中，首先要對(duì)樣品進(jìn)行充分的清洗，然后以光刻膠作為掩模進(jìn)行刻蝕，具體包括：在100℃以上干燥10分鐘，去除樣品表面吸附的水汽；涂膠，前烘，曝光，顯影，得到只存在于將要被刻蝕出的脊條上方的，厚度約為1.2μm的光刻膠7掩模。用等離子體去膠機(jī)去除光刻膠7底膜后，將樣品放入感應(yīng)耦合等離子體(inductively coupled plasma，ICP)刻蝕機(jī)中進(jìn)行GaN刻蝕。該工藝氣體包含Cl₂和BCl₃，ICP源和樣片臺(tái)偏置射頻源的功率分別為500W和300W，刻蝕深度約500nm。

(二)在不進(jìn)行去膠步驟的情況下，在步驟(一)所得產(chǎn)品上直接沉積一層Al薄層8；具體為：

將步驟(一)得到的襯底浸泡在去離子水中2分鐘，然后用80℃標(biāo)準(zhǔn)清洗液SC1(NH₄0H:H₂O₂：H₂O＝1：1：5)清洗10分鐘，再用去離子水清洗和氮?dú)獯蹈?，緊接著將樣品送入ALD反應(yīng)室中。樣品臺(tái)的溫度升高至300℃，使用三甲基鋁TMA作為鋁前驅(qū)體，使用氫氣作為還原劑，生長(zhǎng)參數(shù)設(shè)置為：1、高純氬氣攜帶TMA進(jìn)入沉積室，持續(xù)時(shí)間2.5s；2、氬氣清洗5s；3、通入氫氣還原15s，4、氬氣清洗5s。ALD循環(huán)為50～500個(gè)周期，厚度約5～50nm，實(shí)際沉積厚度視具體實(shí)驗(yàn)而定。

(三)在步驟(二)所得產(chǎn)品上再直接沉積一層SiO₂；具體為：

將步驟(二)得到的樣品浸泡在去離子水中清洗2分鐘，氮?dú)獯蹈?，使用ICP-CVD沉積約100nm的SiO₂層9。

(四)將步驟(三)所得產(chǎn)品剝離光刻膠，使全部被刻蝕露出的表面與SiO₂層之間都鍍上一層Al薄層；此步驟中，使用丙酮超聲清洗5分鐘，然后用NMP熱板140℃加熱20分鐘，再用異丙醇超聲清洗五分鐘過(guò)，然后用去離子水清洗吹干。

(五)重復(fù)步驟(一)-(四)標(biāo)準(zhǔn)光刻步驟進(jìn)行N型區(qū)域開(kāi)窗以及鍍擴(kuò)展電極10工藝操作。此步驟中，N型開(kāi)窗用IBE向下刻蝕到露出N型區(qū)域，擴(kuò)展電極10使用磁控濺射方法鍍Ti/Pt/Au:50/100/50nm。

步驟(二)中沉積Al薄層的鍍膜技術(shù)包括ALD、電子束沉積、熱蒸發(fā)沉積；所鍍Al薄層生長(zhǎng)于脊條結(jié)構(gòu)側(cè)壁和整個(gè)SiO₂層下面部分。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。