技术领域
[0001] 本
发明属于
半导体化合物光电器件制备领域，特别涉及一种太赫兹量子级联激光器金属波导结构的制备方法及激光器。
背景技术
[0002] 太赫兹
辐射源是太赫兹技术应用的关键器件，而缺乏室温下工作的便携式高功率辐射源一直是制约太赫兹技术发展的一个重要原因。近年来的研究表明，在有源区采用共振声子结构，啁啾超晶格结构以及束缚态向连续态跃迁结构的量子级联半导体激光器能将激射
波长从
中红外覆盖到太赫兹(0.1-10THz)波段，产生稳定的相干太赫兹辐射源，该激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、节电等优点，其制造工艺与半导体器件和集成
电路的生产工艺相兼容，便于批量生产和与其它光
电子器件集成，因此将可能成为未来理想的太赫兹辐射源。自从2002年第一个太赫兹量子级联激光器问世以来，以提高其
工作温度、输出功率等性能为目标的研究就成为太赫兹领域研究的热点。太赫兹量子级联激光器波导结构主要有
等离子体波导、半绝缘
表面等离子体波导和双金属波导三种，其中双金属波导结构波导损耗低、光模式限式因子高，功率损耗低，更易于
散热；因此在提高器件工作温度和降低器件
阈值电流方面更具优势。
[0003] 太赫兹量子级联激光器一般工作在高
偏压和电流下,输入的电功率大部分转换成
焦耳热,若波导结构设计不合理会造成焦耳热不能及时从器件内部散发，而使有源区温度迅速升高,造成非辐射光学声子散射增加,粒子数反转困难,抑制器件激射,降低辐射效率。此外，太赫兹量子级联激光器的波导损耗较大，也会造成器件阈值电流增大、功率损耗增加，使器件内部温度进一步提高，影响了器件工作温度性能的提升。因此，设计和制备具有低损耗、易散热结构的波导，抑制自由载流子吸收、提高腔膜限制因子是太赫兹量子级联激光器工作性能提高的关键。提供一种半绝缘GaAs衬底,在衬底上用分子束
外延法依次生长
刻蚀停止层、下
接触层、多
量子阱有源区、上接触层、n型重掺杂层、和利用低温生长
钝化层；
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了解决背景技术中所述问题，提供一种双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法及激光器，用以解决
现有技术中太赫兹量子级联激光器波导损耗较大、散热不佳的问题。
[0005] 本发明的技术方案为一种双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0006] S1在半绝缘GaAs衬底上用分子束外延法依次生长刻蚀停止层、下接触层、多量子阱有源区、上接触层、n型重掺杂层、和利用低温生长
钝化层；
[0007] S2在步骤S1所述钝化层上运用第一次
光刻形成下金属层窗口、缓冲
氧化刻蚀、沉积
电极金属，带胶剥离形成下金属层，
退火形成非
合金欧姆接触；
[0008] S3在n掺杂GaAs接收体衬底基片上依次沉积电接触增强金属层、金属In层和金属Au层；
[0009] S4将步骤S2中的器件基片与步骤S3中的接收体基片进行倒装键合；
[0010] S5在步骤S4中倒装键合基片四周和顶部运用低温等离子增强化学
蒸汽沉积SiO2保护层；
[0011] S6
研磨步骤S5中倒装键合基片的半绝缘GaAs衬底并清洗、在倒装键合基片的n掺杂GaAs接收体衬底基片上涂
光刻胶、烤干；
[0012] S7采用湿法刻蚀掉步骤S6所述剩余半绝缘GaAs衬底至刻蚀停止层，剥离步骤S6中光刻胶；
[0013] S8将步骤S7中的倒装键合基片浸入HF酸去除刻蚀停止层，同时去除SiO2保护层；
[0014] S9在步骤S8中的倒装键合基片下接触层上，涂光刻胶、第二次光刻，形成上电极窗口，在所述上电极窗口内形成上电极金属，带胶剥离，形成肖特基
二极管接触上电极金属层；
[0015] S10在步骤S9中倒装键合基片的n掺杂GaAs接收体衬底基片的背面上采用刻蚀工艺形成脊型波导结构，形成下电极金属层；
[0016] S11将步骤S10中的倒装键合基片解理、进行封装。
[0017] 优选地，在步骤S2中钝化层表面进行缓冲氧化刻蚀时间为8～12秒，再采用
电子束蒸发工艺沉积电极金属，并形成非合金欧姆接触。
[0018] 优选地，所述步骤S3中所述电接触增强金属层为依次沉积在n掺杂GaAs接收体衬底基片上的金属Pd层、金属Ge层、金属Pd层，沉积金属Pd层后；将n掺杂GaAs接收体衬底基片浸入
水性NH4-HF2缓冲氧化物刻蚀溶液8～10秒后，再采用
电子束蒸发工艺沉积金属In层，金属In层厚度控制在1.0～1.2μm之间。
[0019] 优选地，所述步骤S4中先将器件基片、接收体两基片进行表面
净化处理，再将器件基片倒置使其下金属层和接收体基片的金属Au层晶轴对准面对面放置后，升温200～300℃并保持8～12分钟，同时给两基片加上均匀压
力，通过In-Au反应生成共熔合金使两基片键合。
[0020] 优选地，所述步骤S5中刻蚀SiO2保护层的厚度为150～250nm。
[0021] 优选地，所述步骤S6中研磨半绝缘GaAs衬底时，使用砂粒大小逐渐减小，减薄后半绝缘GaAs衬底的厚度为50μm-70μm。
[0022] 优选地，所述步骤S7中湿法刻蚀速度控制为1-2μm/分钟。
[0023] 优选地，所述步骤S10中采用
干法刻蚀或湿法刻蚀脊型波导结构；干法刻蚀为
电子回旋共振反应离子干法刻蚀，运用
肖特基二极管接触上金属层作为自对准掩模，刻蚀气体为15sccm的BCl3和5sccm的N2，膛内压力为5mTorr，ECR功率600W，RF功率15W，温度80℃，干法刻蚀至下金属层时停止；湿法刻蚀采用体积比为1:1:25的H3PO4:H2O2:H2O的蚀刻剂，速度控制在400nm/分。
[0024] 优选地，所述步骤S8与步骤S9的先后次序不能颠倒。
[0025] 一种双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器，由上述任意所述双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法所制备。
[0026] 本发明提出的双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法，具有以下有益效果：
[0027] (1)本发明步骤S2运用非合金欧姆接触替代了传统的合金欧姆接触，这种方法不仅有效降低了接触阻抗而且避免了太赫兹光电器件由于非控制掺杂分布的扩散造成的自由载流子的大量
泄漏，有效减少退火工艺带来的波导损耗。形成非合金欧姆接触的关键是利用表面态将费米能级固定在n型重掺杂层表面，在重掺杂层表面形成高掺杂水平，但是重掺杂层暴露到空气中很容易被氧化，因此本发明在步骤S1中在重掺杂层上利用低温生长法生长了一个钝化层，所述钝化层具有抗氧化特性，且所述低温生长钝化层中
缺陷态的高浓度特性,费米能级仍被固定,表面掺杂水平仍可保持高水平，从而保证形成有效的非合金欧姆接触
[0028] (2)本发明步骤S4运用In-Au反应键合法产生的共熔合金熔点远高于450℃，使得在高温时依然能够保障器件键合的
稳定性，提高了波导结构的机械强度。由于
熔化In的作用，该方法对于键合时两基片金属层表面的洁净度和平坦度要求远低于Au-Au
热压键合法，简化了制备流程，提高了器件工艺的成品率；
[0029] (3)本发明步骤S5在减薄器件基片GaAs衬底和进行波导结构刻蚀前，事先沉积了一层SiQ2保护层，在衬底上部的该层在研磨时会自动去除，而键合的两基片两侧和前后覆盖的该层则可用于在刻蚀GaAs衬底时保护接收体基片和外延层生长的有源区侧面，该方法能有效地避免在有源区产生侧向底切。步骤S6在接收体基片背面涂光刻胶，可在刻蚀时进一步保护基片。
附图说明
[0030] 图1为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器的横截面示意图；
[0031] 图2为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法的制备
流程图；
[0032] 图3为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器的器件基片结构和接收体基片结构，以及二者进行倒装键合的示意图；
[0033] 图4为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法步骤S5呈现的结构示意图；
[0034] 图5为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法步骤S6呈现的结构示意图；
[0035] 图6为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法步骤S6呈现的结构示意图；
[0036] 图7为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法步骤S7呈现的结构示意图；
[0037] 图8为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法步骤S8呈现的结构示意图。
[0038] 图9为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法步骤S9光刻后呈现的结构示意图
[0039] 图10为本发明双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法步骤S9呈现的结构示意图。
[0040] 元件标号说明
[0041] 1A 下金属层
[0042] 2A LTG-GaAs钝化层
[0043] 3A GaAs重掺杂层
[0044] 4A 上接触层
[0045] 5A 有源区
[0046] 6A 下接触层
[0047] 7A Al0.5Ga0.5As刻蚀停止层
[0048] 8A 半绝缘GaAs衬底
[0049] 9A 第一光刻胶保护层
[0050] 10A SiO2保护层
[0051] 11A 第二光刻胶保护层
[0052] 12A 上电极金属层
[0053] 13A 玻片
[0054] 1B 金属Au层
[0055] 2B 金属In层
[0056] 3B 电接触增强金属层
[0057] 4B n掺杂GaAs接收体衬底基片
[0058] 5B 加热平板
[0059] 6B 共熔合金AuIn2层
[0060] 7B 下电极金属层
具体实施方式
[0061] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本
说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0062] 请参阅图1至图10。需要说明的是，本
实施例中所提供的诸图图示仅以示意方式说明本发明的基本构想形状，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施的各组件的形态、数量、及比例可为一种随意的改变，其组件布局形态也可能更为复杂。
[0063] 本发明提供一种双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法，步骤如图2所示，所述制备方法包括以下步骤：
[0064] 一种双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0065] S1在半绝缘GaAs衬底上用分子束外延法依次生长刻蚀停止层、下接触层、多量子阱有源区、上接触层、n型重掺杂层、和利用低温生长钝化层；
[0066] S2在步骤S1所述钝化层上运用第一次光刻形成下金属层窗口、缓冲氧化刻蚀、沉积电极金属，带胶剥离形成下金属层，退火形成非合金欧姆接触；
[0067] S3在n掺杂GaAs接收体衬底基片上依次沉积电接触增强金属层、金属In层和金属Au层；
[0068] S4将步骤S2中的器件基片与步骤S3中的接收体基片进行倒装键合；
[0069] S5在步骤S4中倒装键合基片四周和顶部运用低温等离子增强化学蒸汽沉积SiO2保护层；
[0070] S6研磨步骤S5中倒装键合基片的半绝缘GaAs衬底并清洗、在倒装键合基片的n掺杂GaAs接收体衬底基片上涂光刻胶、烤干；
[0071] S7采用湿法刻蚀掉步骤S6所述剩余半绝缘GaAs衬底至刻蚀停止层，剥离步骤S6中光刻胶；
[0072] S8将步骤S7中的倒装键合基片浸入HF酸去除刻蚀停止层，同时去除SiO2保护层；
[0073] S9在步骤S8中的倒装键合基片下接触层上，涂光刻胶、第二次光刻，形成上电极窗口，在所述上电极窗口内形成上电极金属，带胶剥离，形成肖特基二极管接触上电极金属层；
[0074] S10在步骤S9中倒装键合基片的n掺杂GaAs接收体衬底基片的背面上采用刻蚀工艺形成脊型波导结构，形成下电极金属层；
[0075] S11将步骤S10中的倒装键合基片解理、进行封装。
[0076] 优选地，在步骤S2中钝化层表面进行缓冲氧化刻蚀时间为8～12秒，再采用电子束蒸发工艺沉积电极金属，并形成非合金欧姆接触。
[0077] 优选地，所述步骤S3中所述电接触增强金属层为依次沉积在n掺杂GaAs接收体衬底基片上的金属Pd层、金属Ge层、金属Pd层，沉积金属Pd层后；将n掺杂GaAs接收体衬底基片浸入水性NH4-HF2缓冲氧化物刻蚀溶液8～10秒后，再采用电子束蒸发工艺沉积金属In层，金属In层厚度控制在1.0～1.2μm之间。
[0078] 优选地，所述步骤S4中先将器件基片、接收体两基片进行表面净化处理，再将器件基片倒置使其下金属层和接收体基片的金属Au层晶轴对准面对面放置后，升温200～300℃并保持8～12分钟，同时给两基片加上均匀压力，通过In-Au反应生成共熔合金使两基片键合。
[0079] 优选地，所述步骤S5中刻蚀SiO2保护层的厚度为150～250nm。
[0080] 优选地，所述步骤S6中研磨半绝缘GaAs衬底时，使用砂粒大小逐渐减小，减薄后半绝缘GaAs衬底的厚度为50μm-70μm。
[0081] 优选地，所述步骤S7中湿法刻蚀速度控制为1-2μm/分钟。
[0082] 优选地，所述步骤S10中采用干法刻蚀或湿法刻蚀脊型波导结构；干法刻蚀为电子回旋共振反应离子干法刻蚀，运用肖特基二极管接触上金属层作为自对准掩模，刻蚀气体为15sccm的BCl3和5sccm的N2，膛内压力为5mTorr，ECR功率600W，RF功率15W，温度80℃，干法刻蚀至下金属层时停止；湿法刻蚀采用体积比为1:1:25的H3PO4:H2O2:H2O的蚀刻剂，速度控制在400nm/分。
[0083] 优选地，所述步骤S8与步骤S9的先后次序不能颠倒。
[0084] 下面结合具体附图对本发明的双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法作详细的介绍。
[0085] 首先执行步骤S1，如图3所示，提供一种半绝缘GaAs衬底8A，在所述半绝缘GaAs衬底8A表面通过分子束外延(MBE)方法
自下而上依次生长500nm厚Al0.5Ga0.5As刻蚀停止层7A、600nm厚Si掺杂GaAs下接触层6A、10μm厚GaAs或AlGaAs多量子阱有源区5A、60nm厚Si掺杂GaAs上接触层4A、10nm厚GaAs重掺杂层3A、和利用低温生长3.5nm厚LTG-GaAs钝化层2A；
[0086] 然后执行步骤S2，在上述LTG-GaAs钝化层2A上涂光刻胶、第一次光刻、
金属化，然后带胶剥离形成下金属层1A，退火形成非合金欧姆接触。本实施例中，先将材料表面进行缓冲氧化刻蚀约10秒后，再采用电子束蒸发工艺沉积Ti/Au(20/1000nm)下金属层1A，退火形成非合金欧姆接触。
[0087] 然后执行步骤S3，如图3所示，提供一种n掺杂GaAs接收体衬底基片4B，在n掺杂GaAs接收体衬底基片4B上电子束蒸发依次沉积25nm厚金属Pd层、10nm厚金属Ge层、25nm厚金属Pd层的生成电接触增强金属层3B，随后将n掺杂GaAs接收体衬底基片浸入水性NH4-HF2缓冲氧化刻蚀(BOE)溶液约10秒后，采用电子束蒸发工艺沉积厚度为1.2μm的金属In层2B和厚度为120nm的金属Au层1B。
[0088] 然后执行步骤S4，如图3所示，将器件基片与接收体基片首先用高纯N2气吹干，然后放入紫外臭氧清洗仪中15分钟进行表面净化处理，随后再用高纯N2气吹拂颗粒物，接着将再将器件基片倒置，使其下金属层1A和接收体基片的金属Au层1B面对面，并按照它们的晶轴对准放置在一个加热平板5B上，在上部放置一
块玻片13A便于加压，然后冲入惰性气体防止键合表面氧化，升温至250℃并保持大约10分钟，同时在玻片13A均匀施压，随后20分钟降至室温，完成上述器件基片与接收体基片倒装键合。该键合方法的原理是当温度上升至金属In的熔点156℃键合开始，融化的金属In横向流动填充空隙并包裹键合表面的微粒，随后液态金属In扩散进入通过金属Au层1B，并与之快速反应生成共熔合金AuIn2层(图4中6B)，该合金的熔点远高于450℃，可以保证在高温下倒装键合的稳定性。该方法的优点在于，由于熔化的金属In对空隙的填充和对微粒的包裹作用，该键合方法对键合表面洁净度和平坦度的要求可以大大降低。实施该步骤应选择合适的金属In层和Au层厚度，既使金属In完全反应避免低熔点金属残留，又使有源区相邻的金属Au层保留防止低电导率Au-In合金引入附加的波导损耗。
[0089] 然后执行步骤S5，在倒装键合基片四周和顶部运用低温等离子增强化学蒸汽(PECVD)沉积约为200nm厚的SiO2保护层10A,生成器件材料结构如图4所示。
[0090] 然后执行步骤S6，将倒装键合基片用纯净水蜡安装固定到卡盘上，然后研磨、减薄上述器件基片半绝缘GaAs衬底8A，研磨使用的砂粒大小逐渐减小，这一过程持续到用千分尺测量半绝缘GaAs衬底8A厚度约为50μm为止，然后在
超声波溶剂清洗倒装键合基片，最后在上述接收体基片背面涂光刻胶(Shipey1813)生成第一光刻胶保护层9A，将倒装键合基片放入120℃
烤箱中
烘烤20-30分钟以完成坚膜，生成器件材料结构如图5、图6所示。
[0091] 然后执行步骤S7，使用体积比为1:19的NH4OH:H2O2
腐蚀剂，用湿法刻蚀掉上述器件基片剩余半绝缘GaAs衬底8A至Al0.5Ga0.5As刻蚀停止层7A，刻蚀速度控制为每分钟1-2μm，随后将器件材料放入丙
酮溶液中3-5分钟剥离步骤S6中第一光刻胶保护层9A，生成器件材料结构如图7所示。
[0092] 然后执行步骤S8，将上述器件材料浸入48％的HF酸1-2分钟，去除Al0.5Ga0.5As刻蚀停止层7A和SiO2保护层10A，生成器件材料结构如图8所示。
[0093] 然后执行步骤S9，在上述器件基片上涂Shipey 1813生成第二光刻胶保护层11A、第二次光刻形成上电极窗口使第二光刻胶保护层11A覆盖器件基片
侧壁和共熔合金AuIn2层6B，如图9所示，然后采用电子束蒸发法沉淀20nm厚Ti和400nm厚Au金属层生成上电极金属层12A，随后将器件浸入丙酮溶液带胶剥离，退火形成肖特基二极管接触，生成器件材料结构如图10所示；
[0094] 然后执行步骤S10，采用干法或湿法刻蚀工艺形成脊型波导结构，然后在倒装键合基片背面GaAs衬底上，采用电子束蒸发法沉淀20nm厚金属Ti层和400nm金属Au层形成下电极金属层7B，生成器件材料结构如图1所示。本实施例中，采用电子回旋共振反应离子干法刻蚀(ECR-RIE)来进行刻蚀，将器件放入ECR设备，运用上电极金属层12A作为自对准掩模，刻蚀气体为BCl3：N2(15：5sccm)，膛内压力为5mTorr，ECR功率600W，RF功率15W，温度80℃，干法刻蚀至下金属层1A时停止刻蚀，形成脊型波导结构。需要注意的是在进行刻蚀前需要对ECR设备膛内进行清洁和条件调节。若采用湿法刻蚀工艺，则需要在器件基片上涂抹Shipey 1813光刻胶，第三次光刻，然后建议采用体积比为1:1:25的H3PO4:H2O2:H2O的蚀刻剂，速度控制在400nm/分，与干法刻蚀相同刻蚀至下金属层1A时应停止刻蚀，最后去除光刻胶，形成脊型波导结构。
[0095] 最后执行步骤S11，划片并解理出1-3mm长的器件，用In片焊在
铜热沉上，通过金丝球焊在上电极金属层12A、下电极金属层7B上
引出电极，完成器件制作。
[0096] 如上所述，本发明提供一种双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法，该制备工艺在步骤S1中利用低温生长法生长一钝化层，利用其具有的抗氧化特性在步骤S2中成功运用非合金欧姆接触替代了传统的合金欧姆接触，有效降低了接触阻抗、减少退火工艺带来的波导损耗；在步骤S4中运用In-Au反应键合法进行器件基片于接收体基片的倒装键合，利用共熔合金熔点高的特点，保障了高温时器件键合的稳定性，提高了波导结构的机械强度。该键合法对于键合时两基片金属层表面的洁净度和平坦度要求远低于Au-Au热压键合法，简化了制备流程，提高了器件工艺的成品率；在步骤S5中运用SiQ2保护层，在刻蚀GaAs衬底时有效保护了接收体基片和外延层生长的有源区侧面，避免在有源区产生侧向底切，提高了器件光电性能。
[0097] 一种双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器，由上述任意所述双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法所制备。
[0098] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的
修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附
权利要求书所定义的范围。
