脊条形半导体激光器有源区腔体侧壁钝化的优化方法与流程

本发明涉及半导体工艺领域，特别是指一种脊条形半导体激光器有源区腔体侧壁钝化的优化方法。

背景技术：

半导体激光器的工作原理是通过产生足够的粒子数分布的反转，使受激辐射大于吸收，产生光增益，产生的光在谐振腔前后面内反射达到一定强度后出射形成激光。目前主流的激光器结构之一就是条形激光器。针对有源区的载流子和光子在结平面方向(侧向)的限制问题而采用的条形结构，是半导体激光器发展史上的一个重要里程碑。条形激光器是在平行于pn结平面的方向上，制造出条形的结构，使平行和垂直于pn结平面的两个方向上都能限制载流子，并产生光增益，建立起稳定的光振荡的激光器。条形激光器在结平面侧向具有光波限制和载流子限制机制，它是相对于宽接触而言的。条形结构使激光器的阈值电流大幅度降低，改善了近场与远场、纵模与横模特性，提高了器件的可靠性等。

最早的条型激光器是采取电极条形或质子轰击条形。在侧向的光学限制为所谓的“增益波导”。实质上，它只是限制电流流经的通道，这种限制不可避免地存在注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散。

腔壁性能衰退(facet degradation)是大功率长寿命半导体激光器面临的一个重要问题。对半导体边发射激光器，经解理或离子束刻蚀后的腔壁上存在大量的悬挂键，在禁带中产生许多表面非辐射复合中心或能级，将严重影响激光器的工作寿命。因此，如何减少腔壁衰退或进行更好的腔壁钝化保护是大功率长寿命半导体激光器刻不容缓的问题。

在GaN基蓝绿光激光器中，需经离子束刻蚀形成激光器共振腔壁，在离子束刻蚀过程中将产生离子损伤和氮空位点缺陷等，这些点缺陷在表面形成悬挂键和表面复合中心。因此，激光器的侧面上会有更多的点缺陷和表面复合中心等缺陷。另外，表面存在大量的氧杂质，并诱发新的表面非复合能级。虽然这些缺陷可以经后续的SiO₂进行表面钝化改善，但是由于沉积SiO₂时存在大量的离子，对激光器腔壁产生进一步的损伤，增加表面非辐射复合中心并加速腔壁性能的衰减。

目前，主流的制造激光器脊条结构的制作工艺是先通过干法刻蚀技术在有源区上方向下刻蚀出一个脊，在脊侧面周围通过磁控溅射或离子束蒸镀等技术镀上一层氧绝缘层(一般是SiO₂)，通过绝缘层使电流限制在从脊到有源层的电流通道内。根据这一工艺过程，存在以下的问题，即这种方法会使干法刻蚀之后产生的GaN截面上面的氧化层被SiO₂覆盖，而且刻蚀造成的损伤和悬挂键等缺陷得不到修复，会对激光器性能造成不利影响。为避免或解决上述问题，本发明提出了一种钝化SiO₂之前插入一薄Al膜层进行钝化优化的方法。该方法利用了Al-O键相比于Ga-O键的键长更短，键能更大，因此Al膜可以吸出附着在刻蚀表面的O，减少杂质能级。而且Al膜可以修复在刻蚀脊条结构时由于等离子体轰击造成的损伤。Al膜在沉积之后很快会被氧化成氧化铝薄膜，这样可以避免沉积SiO₂时对GaN刻蚀表面造成二次伤害的作用，同时由于氧化铝是绝缘体，所以可以减少漏电。综上所述，使用这种方法可以有效修复因刻蚀引入的表面损伤和刻蚀之后表面附着的O元素对于电子和空穴复合的影响，氧化形成的氧化层还能保护P-GaN部分，有效提高激光器性能与寿命。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种脊条形半导体激光器有源区腔体侧壁钝化的优化方法，该方法在传统工艺的基础上，可以较好地减少脊条部分GaN中由于被氧化而造成的复合效率降低的影响，修复刻蚀脊条时造成的刻蚀损伤和表面悬挂键，提高器件性能。

该方法具体步骤如下：

(一)对GaN样品进行刻蚀，形成P-GaN有源区脊条；

(二)在不进行去胶步骤的情况下，在步骤(一)所得产品上直接沉积一层Al薄层；

(三)在步骤(二)所得产品上再直接沉积一层SiO₂；

(四)将步骤(三)所得产品剥离光刻胶，使全部被刻蚀露出的表面与SiO₂层之间都镀上一层Al薄层；

(五)重复步骤(一)-(四)标准光刻步骤进行N型区域开窗以及镀扩展电极工艺操作。

其中，步骤(一)中形成的脊条是产生激光的谐振腔，步骤(一)所用的刻蚀技术是ICP-RIE干法刻蚀技术。

步骤(二)中沉积Al薄层的镀膜技术包括ALD、电子束沉积、热蒸发沉积；所镀Al薄层生长于脊条结构侧壁和整个SiO₂层下面部分。

步骤(二)中沉积Al薄层的温度为300℃，所沉积Al薄层的厚度为5-50nm。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，本发明在传统工艺的基础上，对工艺步骤做出了调整，在被刻蚀的表面与SiO₂之间增加一层Al。这种做法有以下三点优点：

1、Al与O的结合能力更强，可以吸附干法刻蚀之后的GaN表面氧化层中的O。O作为杂质能级会束缚载流子，减少电子空穴的复合发光效率。而O被Al层吸附之后可以减少GaN中O杂质，增加激光器发光能力；

2、Al层可以与刻蚀后的GaN表面的悬挂键结合，修复GaN表面的刻蚀损伤，减少GaN表面态对于复合的负面影响；

3、Al层会很快被氧化成Al₂O₃，致密的Al₂O₃层可以阻挡镀SiO₂时等离子体对GaN表面的轰击，保护脊条腔体，而Al层本身是通过ALD沉积上去的，对于GaN的损伤极小。

附图说明

图1为本发明的脊条形半导体激光器有源区腔体侧壁钝化的优化方法流程示意图；

图2为本发明的脊条形半导体激光器有源区腔体侧壁钝化的优化方法工艺流程图。

其中：1-P型半导体；2-多量子阱结构；3-N型覆盖层；4-N型半导体；5-衬底；6-欧姆接触金属；7-光刻胶；8-铝薄层；9-SiO₂层；10-扩展电极。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

传统的脊条形半导体激光器的结构使在脊条侧壁直接镀一层SiO₂层，作为限制层使电流限制在从脊到有源层的电流通道内，降低阈值电流。由于在镀SiO₂之前，暴露的GaN表面不可避免地会被氧化，而且干法刻蚀对于GaN表面造成的损伤也无法得到有效的修复，再加上镀SiO₂的同时也会引入新的损伤，因此激光器的出光能力还有进一步提升的空间。

为了克服上述缺点，提升脊条形半导体激光器的性能，本发明提供一种脊条形半导体激光器有源区腔体侧壁钝化的优化方法。

如图1和图2所示，该方法具体步骤如下：

(一)对GaN样品进行刻蚀，形成P-GaN有源区脊条；具体为：

处理前样品层由外向内依次为：P型半导体1、多量子阱结构2、N型覆盖层3、N型半导体4、衬底5，在已经用磁控溅射镀好欧姆接触金属6的样品基础上，刻蚀出P-GaN有源区脊条，也就是产生激光的谐振腔；

在本步骤中，首先要对样品进行充分的清洗，然后以光刻胶作为掩模进行刻蚀，具体包括：在100℃以上干燥10分钟，去除样品表面吸附的水汽；涂胶，前烘，曝光，显影，得到只存在于将要被刻蚀出的脊条上方的，厚度约为1.2μm的光刻胶7掩模。用等离子体去胶机去除光刻胶7底膜后，将样品放入感应耦合等离子体(inductively coupled plasma，ICP)刻蚀机中进行GaN刻蚀。该工艺气体包含Cl₂和BCl₃，ICP源和样片台偏置射频源的功率分别为500W和300W，刻蚀深度约500nm。

(二)在不进行去胶步骤的情况下，在步骤(一)所得产品上直接沉积一层Al薄层8；具体为：

将步骤(一)得到的衬底浸泡在去离子水中2分钟，然后用80℃标准清洗液SC1(NH₄0H:H₂O₂：H₂O＝1：1：5)清洗10分钟，再用去离子水清洗和氮气吹干，紧接着将样品送入ALD反应室中。样品台的温度升高至300℃，使用三甲基铝TMA作为铝前驱体，使用氢气作为还原剂，生长参数设置为：1、高纯氩气携带TMA进入沉积室，持续时间2.5s；2、氩气清洗5s；3、通入氢气还原15s，4、氩气清洗5s。ALD循环为50～500个周期，厚度约5～50nm，实际沉积厚度视具体实验而定。

(三)在步骤(二)所得产品上再直接沉积一层SiO₂；具体为：

将步骤(二)得到的样品浸泡在去离子水中清洗2分钟，氮气吹干，使用ICP-CVD沉积约100nm的SiO₂层9。

(四)将步骤(三)所得产品剥离光刻胶，使全部被刻蚀露出的表面与SiO₂层之间都镀上一层Al薄层；此步骤中，使用丙酮超声清洗5分钟，然后用NMP热板140℃加热20分钟，再用异丙醇超声清洗五分钟过，然后用去离子水清洗吹干。

(五)重复步骤(一)-(四)标准光刻步骤进行N型区域开窗以及镀扩展电极10工艺操作。此步骤中，N型开窗用IBE向下刻蚀到露出N型区域，扩展电极10使用磁控溅射方法镀Ti/Pt/Au:50/100/50nm。

步骤(二)中沉积Al薄层的镀膜技术包括ALD、电子束沉积、热蒸发沉积；所镀Al薄层生长于脊条结构侧壁和整个SiO₂层下面部分。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。