一种半导体激光器芯片欧姆接触金属电极及其制备方法
【专利摘要】一种半导体激光器芯片欧姆接触电极及其制备方法，该欧姆接触电极包括接触金属层组、保护金属层和绝缘层，接触金属层组、保护金属层和绝缘层自下至上依次设置，接触金属层组和绝缘层上覆盖有焊接金属层组；其制备方法是在半导体激光器芯片上依次蒸镀接触金属层组和保护金属层，气相沉积绝缘层，再蒸镀焊接金属层组。本发明可消除金属层间的缺陷孔洞，增加金属间的黏附力，提高器件的欧姆接触、抗热疲劳和散热性能，具有粘附性好、金属层间应力小、金属系抗热疲劳、耐冲击能力强的特点，可有效提高金属电极的导电和导热性能，从而提高了半导体激光器芯片欧姆接触性能、散热能力、可靠性和寿命。
【专利说明】一种半导体激光器芯片欧姆接触金属电极及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体激光器芯片的欧姆接触电极及其制备方法，属于半导体激光器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]欧姆接触电极制备是半导体器件制造中必不可少的工艺，同时也是非常重要的工艺，其工艺的好坏，不仅仅影响半导体器件的光电转换效率，还会直接影响器件的可靠性和寿命。
[0003]温度对半导体激光器的特性影响很大，其主要影响激光器件的平均发送光功率、P-1特性的线性、工作波长及使用寿命。尤其是中大功率半导体激光器件热耗约占总功耗的50% -75%，若不能及时散热，会使芯片的温度急剧升高，输出功率严重下降，波长增加，寿命降低。所以散热能力的好坏对半导体激光器的性能和稳定性尤为重要。
[0004]在半导体器件的生产过程中，为了提高器件的参数、性能和可靠性，并不是一次性在蒸镀或是溅射设备腔室内完成所有P面金属工艺的制备，经常会在蒸镀或溅射完一次金属工艺后，会经过类似制备图形、掩膜保护或是其他半导体工艺步骤，然后会再次进行蒸镀或溅射金属工艺。甚至有些半导体器件产品最终电极的形成是经过三次或多次金属工艺，而每次金属工艺之间，不可避免金属表面都会与其他非金属物质有接触，于是在再进行二次或是多次金属前，金属表面容易残留非金属物质薄膜，从而影响金属之间的接触，金属层之间容易出现孔洞、接触不良、黏附异常等质量问题，金属薄膜的接触和散热性能必然会大大降低，严重影响半导体器件的欧姆接触性能、抗热疲劳能力，从而导致器件的光电性能、稳定性和寿命的降低。
[0005]而对于半导体激光器，尤其是小光斑半导体激光器，一般欧姆接触电极区域比较小，很难以进行焊接，所以普遍工艺是在欧姆接触电极上采用绝缘膜保护制备一层面积更大的焊接金属层以用于后期的封装焊接工艺。所以生产中经常采用二次甚至多次制备金属工艺，而金属层间的接触问题也是影响激光器性能的重要因素之一。
[0006]日本专利文献JP59109252公开了一种P型GaAs上制备Al电极的方法。但在半导体激光器器件上，尤其是大功率半导体激光器件上应用，其金属不稳定性，必然会影响欧姆接触性能，从而影响器件的可靠性。此外，日本专利文献JP02311969公开的一种P型GaAs上制备PtAu电极的方法、JP57120242公开的一种P型GaAs上制备TiZnTiAg电极的方法以及JP02311969公开的一种P型GaAs上制备Pt/AuMn/Au电极的方法均是一次金属工艺，对于二次金属电极工艺无涉猎。
[0007]中国专利文献CN102130259A公开了一种发光二极管的复合电极及其制作方法，该复合电极，其结构自下而上分别为:欧姆接触金属层、第一隔离金属层、填充金属层、第二隔离金属层、表面金属层，其中，第二隔离金属层和表面金属层覆盖在欧姆接触金属层、第一隔离金属层和填充金属层的上面和侧面，完全将这三个电极层包裹在电极内部。但是该方法采用多次蒸镀金属工艺，在实际的生产制备过程中很容易出现金属层间孔洞、黏附异常等问题，芯片较易出现欧姆接触不良、稳定性差和寿命低等问题。
【发明内容】
[0008]针对现有半导体激光器芯片电极及其制备技术存在的不足，本发明提供一种欧姆接触良好、稳定性好的半导体激光器芯片欧姆接触电极，同时提供一种该半导体激光器芯片欧姆接触电极的制备方法。
[0009]本发明的半导体激光器芯片欧姆接触电极，采用以下技术方案:
[0010]该欧姆接触电极，包括接触金属层组、保护金属层和绝缘层，接触金属层组、保护金属层和绝缘层自下至上依次设置，接触金属层组和绝缘层上覆盖有焊接金属层组，所述接触金属层组包括至少一个接触金属层，所述焊接金属层组包括至少一个焊接金属层。
[0011]所述接触金属层组中各层优选的金属体系为TiAu、TiPtAu、TiPt、NiPt或CrPt。
[0012]所述接触金属层的厚度为50埃-1000埃。
[0013]所述焊接金属层组中各层优选的金属体系为TiAu、TiPtAu、NiAu、NiPtAu、CrAu或CrPtAuο
[0014]所述焊接金属层组中最上一个焊接金属层的厚度为3000埃-20000埃，其余各个焊接金属层的厚度为100埃-1000埃。
[0015]所述保护金属层和最下一个焊接金属层为同类金属，保护金属层的厚度为10埃-500埃。
[0016]所述绝缘层的材料优选Si02或SiNx，绝缘层的厚度为1000埃-5000埃。
[0017]上述半导体激光器芯片欧姆接触电极的制备方法，包括步骤如下:
[0018](I)将半导体激光器芯片清洗处理后，光刻接触电极图形，光刻胶掩膜保护非电极图形区域；
[0019](2)将半导体激光器芯片放入金属生长设备中，当真空度达到2X 10_4Pa，蒸镀接触金属层组和保护金属层，由下而上至少蒸镀一个接触金属层；
[0020]所述金属生长设备为蒸发台或溅射台。
[0021](3)将非电极图形区域光刻胶和金属剥离，然后丙酮或乙醇水浴加热处理半导体激光器芯片表面；
[0022](4)将半导体激光器芯片清洗处理，然后采用等离子体气相沉积法(放于PECVD设备中)生长绝缘层；
[0023](5)通过光刻胶掩膜保护湿法腐蚀绝缘层，同时湿法腐蚀掉保护金属层，然后去除光刻胶；腐蚀后裸露处的接触电极尺寸应小于步骤(I)中制备的接触电极图形尺寸；
[0024](6)丙酮或乙醇水浴加热处理半导体激光器芯片表面，然后将芯片放入金属生长设备中，当真空度达到2X 10-4Pa，蒸镀焊接金属层组，由下而上至少蒸镀一个焊接金属层。
[0025]本发明在金属蒸镀后经过其它一个或多个工步，再次金属蒸镀前经过腐蚀表层金属层得到良好的金属界面，以达到与再次蒸镀的金属形成良好接触的效果，可消除金属层间的缺陷孔洞，增加金属间的黏附力，提高器件的欧姆接触、抗热疲劳和散热性能，具有粘附性好、金属层间应力小、金属系抗热疲劳、耐冲击能力强的特点，可有效提高金属电极的导电和导热性能，从而提高了半导体激光器芯片欧姆接触性能、散热能力、可靠性和寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是制备欧姆接触电极过程中蒸镀接触金属层组和保护金属层的示意图。
[0027]图2是制备欧姆接触电极过程中沉积绝缘层4的示意图。
[0028]图3是制备欧姆接触电极过程中露出保护金属层的示意图。
[0029]图4是制备欧姆接触电极过程中露出接触金属层的示意图。
[0030]图5是本发明制备的半导体激光器芯片欧姆接触电极的结构示意图。
[0031]图6是本发明在GaAs半导体激光芯片上制备的P面欧姆接触电极的示意图。
[0032]图7是现有欧姆接触电极制备工艺中存在的金属层间孔洞示意图。
[0033]图8是本发明制备的欧姆接触电极中金属层间结构示意图。
[0034]图中，1、半导体激光器芯片1，2_0、第一接触金属层，2-1、第二接触金属层，3、保护金属层，4、绝缘层，5-0、第一焊接金属层，5-1、第二焊接金属层，5-2、第三焊接金属层，6、GaAs半导体激光器芯片，6_a、GaAs半导体激光器脊区。
【具体实施方式】
[0035]如图5所示，本发明的半导体激光器芯片欧姆接触电极，包括接触金属层、保护金属层3和绝缘层4，接触金属层组、保护金属层3和绝缘层4自下至上依次设置，接触金属层组中至少设置一个接触金属层，图1中有两个，即第一接触金属层2-0和第二接触金属层2-1。第一接触金属层2-0和第二接触金属层2-1的金属体系为TiAu、TiPt, NiPt或CrPt当有三个接触金属层时，材料体系可选用TiPtAu。第一接触金属层2-0和第二接触金属层2-1的厚度均为50埃-1000埃，接触金属层组和绝缘层4上覆盖有焊接金属层组，焊接金属层组至少一个焊接金属层，图1中有三个，即第一焊接金属层5-0、第二焊接金属层5-1和第三焊接金属层5-2，三个焊接金属层的金属体系为TiPtAu、NiPtAu或CrPtAu。当有两个焊接金属层时，其金属体系为TiAiuNiAu或CrAu。焊接金属层组中最上一个焊接金属层的厚度为3000埃-20000埃，其余各个焊接金属层的厚度为100埃-1000埃。保护金属层3和最下一个焊接金属层(第一焊接金属层5-0)为同类金属，保护金属层3的厚度为10埃-500埃。绝缘层4的材料选用S12或SiNx，绝缘层4的厚度为1000埃-5000埃。
[0036]上述半导体激光器芯片欧姆接触电极的制备过程，是先在半导体激光器芯片I表面由下而上依次制备第一接触金属层2-0、第二接触金属层2-1和保护金属层3，如图1所示；然后如图2所示，制备绝缘层4 ;再腐蚀绝缘层4，露出保护金属层3，如图3所示；接着腐蚀保护金属层3，露出第二接触金属层2-1，如图4所示；最后如图5所示，由下而上制备第一焊接金属层5-0、第二焊接金属层5-1和第三焊接金属层5-2。
[0037]下面以具体条件说明在纯条型GaAs半导体激光器芯片I上制备P面欧姆接触电极的工艺过程。
[0038]其中:第一接触金属层2-0和第二接触金属层2-1的金属体系为TiPt，厚度分别为200埃和100埃；保护金属层3的材料为Ti，厚度为100埃；绝缘层4的材料为S12,厚度为2000埃；第一焊接金属层5-0、第二焊接金属层5-1和第三焊接金属层5-2的金属体系为TiPtAu，厚度分别为200埃、500埃和8000埃。
[0039]制作顺序:外延生长一光刻接触电极图形-P面蒸镀接触电极-脊条成形-PECVD —光刻腐蚀一 P面蒸镀焊接金属层组，如图6所示，具体步骤如下:
[0040](I)在GaAs半导体激光芯片I上，采用第一激光器脊条版图进行光刻，光刻胶保护非脊条台面区域，漏出脊条台面区，以待蒸镀接触电极。
[0041](2)将GaAs半导体激光器芯片I放入蒸发台腔室内，当真空度到2X 10_4Pa，蒸镀接触金属层组(TiPt)和保护金属层3 (Ti)。蒸镀先后顺序为:Ti金属层(第一接触金属层2-0)，厚度要求200埃；Pt金属层(第二接触金属层2-1)，厚度要求100埃；Ti金属层(保护金属层3)，厚度要求100埃。
[0042]通过制备保护金属层3，二次蒸镀金属前腐蚀保护金属层，制备良好的界面，可以与焊接金属层形成良好的无孔洞缺陷的接触。
[0043](3)将蒸镀完金属的芯片I取出，采用丙酮超声的方法将光刻胶及其上的金属剥尚掉。
[0044](4) Ti金属层(第一接触金属层2-0)、Pt金属层(第二接触金属层2_1)和Ti金属层(保护金属层3)作为掩膜保护，腐蚀脊条成形，形成GaAs半导体激光器脊区6-a。
[0045](5)将芯片I清洗处理干净，放于PECVD设备中沉积S12薄膜(绝缘层4)，厚度2000 埃。
[0046](6)采用第二激光器脊条版图进行光刻，光刻胶保护非脊条台面区域，漏出脊条台面区。采用现有技术腐蚀S12 (绝缘层4)，露出Ti金属层(保护金属层3)，并腐蚀Ti金属层(保护金属层3)，露出接触金属层组中金属Pt (第二接触金属层2-1)。所述第二激光器脊条版图中脊条宽度小于第一激光器脊条版图中的脊条宽度。采用丙酮去除光刻胶。
[0047](7)清洗处理后的GaAs半导体激光芯片1，再次放入蒸发台腔室内，当真空度到2 X 1-4Pa以下，蒸镀镀焊接金属层组TiPtAu (第一焊接金属层5_0、第二焊接金属层5_1和第三焊接金属层5-2)。蒸镀先后顺序为:Ti金属层(第一焊接金属层5-0)，厚度要求200埃；Pt金属层(第二焊接金属层5-1)，厚度要求500埃；Au金属层(第三焊接金属层5-2)，厚度要求8000埃。得到蒸镀完的P面欧姆接触电极芯片，如图6所示。
[0048]最后，将蒸镀完的P面欧姆接触电极芯片进行合金，完成P面欧姆接触电极的制备。
[0049]通过图7给出的现有工艺制备的欧姆接触电极的金属层间结构以及图8给出的本发明制备的欧姆接触电极的金属层间结构，可以看出本发明制备的欧姆接触电极的金属层间完全消除了现有工艺制备的欧姆接触电极中存在的金属层间孔洞问题。本发明通过制备保护金属层3，二次蒸镀金属前腐蚀保护金属层，制备良好的界面，可以与焊接金属层形成良好的无孔洞缺陷的接触。
【权利要求】
1.一种半导体激光器芯片欧姆接触电极，其特征是，包括接触金属层组、保护金属层和绝缘层，接触金属层组、保护金属层和绝缘层自下至上依次设置，接触金属层组和绝缘层上覆盖有焊接金属层组，所述接触金属层组包括至少一个接触金属层，所述焊接金属层组包括至少一个焊接金属层。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片欧姆接触电极，其特征是，所述接触金属层组中各层优选的金属体系为TiAu、TiPtAu、TiPt、NiPt或CrPt。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片欧姆接触电极，其特征是，所述接触金属层的厚度为50埃-1000埃。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片欧姆接触电极，其特征是，所述焊接金属层组中各层优选的金属体系为TiAu、TiPtAu、NiAu> NiPtAu、CrAu或CrPtAu。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片欧姆接触电极，其特征是，所述焊接金属层组中最上一个焊接金属层的厚度为3000埃-20000埃，其余各个焊接金属层的厚度为100埃-1000埃。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片欧姆接触电极，其特征是，所述保护金属层和最下一个焊接金属层为同类金属，保护金属层的厚度为10埃-500埃。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片欧姆接触电极，其特征是，所述绝缘层的材料优选Si02或SiNx，绝缘层的厚度为1000埃-5000埃。
8.—种权利要求1所述半导体激光器芯片欧姆接触电极的制备方法，其特征是，包括步骤如下: (1)将半导体激光器芯片清洗处理后，光刻接触电极图形，光刻胶掩膜保护非电极图形区域； (2)将半导体激光器芯片放入金属生长设备中，当真空度达到2X10-4Pa，蒸镀接触金属层组和保护金属层，由下而上至少蒸镀一个接触金属层； (3)将非电极图形区域光刻胶和金属剥离，然后丙酮或乙醇水浴加热处理半导体激光器芯片表面； (4)将半导体激光器芯片清洗处理，然后采用等离子体气相沉积法(放于PECVD设备中)生长绝缘层； (5)通过光刻胶掩膜保护湿法腐蚀绝缘层，同时湿法腐蚀掉保护金属层，然后去除光刻胶；腐蚀后裸露处的接触电极尺寸应小于步骤(I)中制备的接触电极图形尺寸； (6)丙酮或乙醇水浴加热处理半导体激光器芯片表面，然后将芯片放入金属生长设备中，当真空度达到2X 10-4Pa，蒸镀焊接金属层组，由下而上至少蒸镀一个焊接金属层。
【文档编号】C23C28/00GK104319621SQ201410594611
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】刘青, 沈燕, 张木青, 刘欢, 徐现刚 申请人:山东华光光电子有限公司