一种氮化镓激光器巴条解理的方法与流程

本发明涉及一种氮化镓基半导体激光器巴条解理的方法，属于半导体光电子器件工艺技术领域。

背景技术：

氮化镓基激光器指以gan材料为基本工作物质而产生激光的器件。其主要工作原理在于通过一定的激励方式（电注入、光泵浦等方式），在gan材料体系的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。基于f-p腔的大功率氮化镓激光器和dfb（分布反馈式）激光器均采用边发射的有源区出光模式，利用半导体晶体的天然解理面作为反射面形成谐振腔，并在腔内形成自激震荡，从而实现从谐振腔端面出光。由于其出色的性能特点，使得氮化镓基激光器在量子技术、水下通信、光信息存储、激光显示等众多技术领域得到广泛的应用。

作为gan基激光器制备过程中一项十分重要的工艺技术，巴条解理后得到腔面质量的好坏将会直接影响gan基激光器的阈值电流、输出功率，从而会进一步影响激光器的稳定性和可靠性。但与inp、gaas基等材料不同，六方晶系gan为纤锌矿结构，低指数晶面a面、m面与c面垂直，m面为gan的第一解理面，因而一般均以gan的m面作为激光器的腔面。但当在gan外延层上生长激光器结构时，由于晶格失配和热失配等因素，激光器外延层中会产生较大的应力，这种应力容易在机械解理巴条时释放，从而易出现内部应力较大的激光器外延层从gan衬底上分开的现象，这种情况也容易影响到激光器的阈值特性等。

目前氮化镓激光器的巴条解理方法主要集中于激光端面切割+裂片机和金刚刀跳跃切割+滚轮这两种机械解离方法，这两种方法也主要应用于gan激光器的p面结构构造完成后减薄至120µm以下厚度的情况下。但激光端面切割+裂片机的解离方法并且会经常存在解离方向并未按照解离槽方向裂开的情况，解理成功率不高，并且容易在腔面形成不良条纹，并且延伸至有源区，从而影响到激光器的光电学性能。此外，金刚刀跳跃切割+滚轮方法由于金刚刀切割精度较差，也会经常出现解离面偏离预期的导向槽，并且在巴条腔面容易出现小面积、高密度的台阶，并且金刚石在切割过程中由于其机械压力容易在导向槽旁边的高应变外延层中形成有害的裂缝，从而影响到激光器的最终性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于给出一种氮化镓基激光器巴条解理的方法，通过这种方法提高gan激光器的巴条解理成功率及腔面质量，从而提高gan激光器的稳定性和可靠性。

一种氮化镓基激光器巴条解理的方法，其特征包括以下步骤：

步骤1：在gan外延片上通过光刻、刻蚀、镀膜等工艺将gan基激光器脊型结构以及p面电极制备完成，样品表面除了脊型结构区域以外均有sio2绝缘层覆盖，并通过激光划片工艺切割得到gan激光器样品，切割后的样品在巴条的两端留下距离样品边缘留有一定的空白距离，以便进行大沟道的刻蚀。

步骤2：在划片得到的样品的p面，通过光刻技术制备出长度大于或等于300µm，宽度大于或等于40µm以上的大解理导向槽的光刻图形，以及小于或等于3µm宽的小解理导向槽的光刻图形，并且在距离每个脊型结构的一定距离处被中断，以及宽度大于或等于20µm的垂直于解理边的单管隔离导向槽的光刻图形。

制备大小解理导向槽的光刻图形、单管隔离导向槽的光刻图形的区域均为无胶区域。

步骤3：采用反应离子刻蚀技术以光刻胶为软掩膜进行sio2绝缘层的刻蚀，将暴露在空间的sio2刻蚀完毕，采用有机清洗的方法将残余的光刻胶进行清洗去除。

步骤4：采用电感耦合等离子刻蚀技术以sio2绝缘层为硬掩膜进行gan的刻蚀，刻蚀深度大于或等于3µm。其中小于或等于3µm宽的小解理导向槽图形需形成v型槽，v型槽的陡直度大约为63°~75°，并且v型槽底部刻蚀深度也大于或等于3µm，使得刻蚀深度超过整个外延层的深度，以便应力大部分都集中于v型槽底部。

步骤5：将刻蚀后的样品正面旋涂光刻胶烘烤后通过减薄机进行背面减薄，在研磨、抛光后通过丙酮、异丙醇、去离子水进行清洗，紧接着进行背面cl2刻蚀、背电极的生长。

步骤6：通过激光切割机精确对准宽度大于或等于40µm以上的大解理导向槽的中心区域进行激光切割，然后使用loomis解理机的滚轮沿着平行于解理边的大、小解离导向槽进行滚滑，从而得到巴条腔面。

本发明的有益效果如下：

1）本方法采用大解理导向槽作为解离方向的开口两端，以及采用了跳跃式的小解离导向槽（v型），这种深刻蚀的v型小解理导向槽能使得应力大部分都集中在v型槽底部，具有很强的解离方向性，从而对巴条解理提供了更强的指向性，最终大大提高了巴条解离的成功率。

2）本方法的解理导向槽的刻蚀深度大于或等于3µm，刻蚀深度已延伸超过整个外延层结构，因此能使得解理导向槽的形成过程几乎都是在无应力的gan晶体中进行的，这样容易产生更平滑的腔面。

3）本方法采用激光精确切割两端大解理导向槽，克服了传统金刚刀跳跃切割解离的一些缺点，从而避免了金刚刀使用过程中所产生的表面裂缝而影响解离成功率以及管芯质量的问题。

附图说明

图1为本发明的gan基激光器p面脊型结构的构造图。

图2为本发明的导向槽的光刻图形示意图。

图3为本发明的v型小解理导向槽的截面图。

附图标记说明:

l1-gan衬底；l2-gan外延层；l3-脊型结构（包含gan脊型区域，p电极）；l4-大解理导向槽的光刻图形；l5-小解理导向槽的光刻图形；l6-单管隔离导向槽的光刻图形；l7-解理边方向；l8-刻蚀形成的v型小解理导向槽；l9-垂直于解理边方向。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采用的技术手段及功效，以下结合图例阐述本发明的具体实施方式。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。具体步骤如下：

步骤p1：在gan外延片上，采用软掩摸或者硬掩摸的方式，利用光刻、干湿法刻蚀等方法实现脊型结构的刻蚀，如图1所示（p电极、sio2绝缘层省略），再使用pecvd在样品表面沉积超过600纳米厚度的sio2绝缘层，pecvd的气体流量：sih4/n2o/n2=4/710/180sccm，功率20w，气压2000mt，但需通过光刻、rie工艺裸露出脊型表面的p-电极。利用激光切割机将样品切割成（5~9）mm*（5~9）mm大小的样品，采用的划片激光波长为355nm，功率＜2w可调，光斑聚焦深度0~30μm，划片速度10~30mm/sec，激光划片后得到的样品中的bar条有效区域两端需存在距离样品边缘大于或等于400µm的空白距离。

步骤p2：将划片后得到的样品在180°c的热板上烘烤10min，然后将样品放置于匀胶机的吸盘上，在样品表面涂布az5214或者6130光刻胶，启动匀胶机，匀胶机的前转速度600r/min，时间为5s，后转时间4000r/min，时间为30s，再将匀胶后的样品放置于95°c或者100°c的热板上烘烤90s或者100s，使用光刻机进行图形的制作，曝光时间为4~7s，显影40-45s，从而获得具有光刻胶图型的样品，如图2所示，从而形成大解理导向槽的光刻图形l4、小解理导向槽的光刻图形l5、单管隔离导向槽的光刻图形l6。其中：大解理导向槽的光刻图形l4的长度大于或等于300µm，宽度大于或等于40µm；小解理导向槽的光刻图形l5的宽度小于或等于3µm，并且小解理导向槽的光刻图形距离每个脊部±（3μm~8μm）的距离处被中断；单管隔离导向槽的光刻图形l6的宽度大于或等于20µm。

步骤p3：采用rie工艺以光刻胶为掩膜刻蚀sio2，刻蚀深度rie的工艺参数为：真空度1850mtorr，rf功率：200w，衬底温度100-380℃，气体sf6/chf3/he=5.5/32/150sccm，将未被光刻胶覆盖的sio2刻蚀完，再使用丙酮、异丙醇、去离子水将光刻胶洗净。

步骤p4：采用icp工艺以sio2为掩膜刻蚀gan，icp的刻蚀参数：icp功率1500w，rf功率100w，cl2=20ml/min，bcl3=8ml/min，ar=5ml/min，气压666.61mpa，温度20°c，使得刻蚀深度超过整个gan外延层，使得gan刻蚀陡直度大约为70°~75°，从而使得小解理导向槽图形形成v型导向槽l8，v型导向槽l8的深度大于或等于3µm，如图3所示。

步骤p5：将样品的表面旋涂光刻胶（选用的光刻胶种类为az6130、az5214、az4620），烘烤5min后将样品取下。将减薄磨盘放置于80°c的热板上，涂覆石蜡于磨盘上，待石蜡在80°c的热板上融化后，将样品的正面（涂覆光刻胶的一面）通过石蜡紧贴于磨盘上，冷却热压后通过减薄机减薄至120µm以下，再通过研磨抛光使得样品背面变得光亮，取下样品将其通过丙酮、异丙醇、去离子水进行石蜡以及光刻胶的清洗，再通过icp工艺刻蚀样品的背面，刻蚀参数：刻蚀时间5min，rf功率50w，icp功率1000w，cl2=18sccm，pressure=3mtorr。再进行背电极的生长，沉积金属为ti/pt/au。

步骤p6：通过激光划片机沿着大解理导向槽进行精确对准切割，为保证导向槽的有效性，采用的划片激光波长为355nm，功率＜2w可调，光斑聚焦深度0~30μm，划片速度10~30mm/sec。再使用loomis解理机的滚轮沿着大、小解理导线槽进行滚压，从而解理成巴条，最终得到巴条腔面。