CN104836117B - 利用改进的基板材料用法制造含镓和氮的激光器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了利用改进的基板材料用法制造含镓和氮的激光器件的方法。在实施例中，本发明提供一种用于制造含镓和氮的激光二极管器件的方法，包括：提供具有表面区域的含镓和氮的基板；形成与表面区域重叠的外延材料，所述外延材料包括n型包层区域、包括与所述n型包层区域重叠的至少一个有源层的有源区域、以及与所述有源层区域重叠的p型包层区域；使所述外延材料图案化以形成多个芯片，所述芯片中的每个均对应于至少一个激光器件，特征在于一对芯片之间的第一节距，所述第一节距小于设计宽度；将所述多个芯片中的每个转移至载体晶片，使得每对芯片均被配置为在每对芯片之间具有第二节距，所述第二节距大于对应于所述设计宽度的所述第一节距。

Description

利用改进的基板材料用法制造含镓和氮的激光器件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制备半导体激光二极管的方法。
背景技术
在1960年，Theodore H.Maiman在Malibu(马里布)的Hughes研究实验室首次演示了激光器。
发明内容
本发明提供一种用于制备半导体激光二极管的方法。提供用于制造含镓和氮的激光二极管器件的方法，所述方法包括：提供具有表面区域的含镓和氮的基板；形成与所述表面区域重叠的外延材料，所述外延材料包括n型包层区域、包括与所述n型包层区域重叠的至少一个有源层的有源区域、以及与所述有源层区域重叠的p型包层区域；使所述外延材料图案化以形成多个芯片(dice)，所述芯片中的每个均对应于至少一个激光器件，特征在于一对芯片之间的第一节距(pitch，间距)，所述第一节距小于设计宽度；将所述多个芯片中的每个转移至载体晶片，使得每对芯片均被配置为在每对芯片之间具有第二节距，所述第二节距大于对应于所述设计宽度的所述第一节距。
附图说明
图1是根据当前技术水平的激光二极管的简化示图。
图2的(A)和(B)是根据本发明的实施例的芯片(die，小片)扩展的激光二极管的简化示图。
图3是实施例中脊形激光二极管的示意性截面。
图4的(A)至图4的(F)是实施例中选择性区域结合过程的俯视图。
图5是实施例中用于外延制备的简化过程流。
图6是实施例中选择性区域结合的简化侧视图示图。
图7是实施例中具有有源区域(active region)保护的外延制备的简化过程流。
图8是实施例中在结合之前具有有源区域保护并且具有脊形形成的外延制备的简化过程流。
图9是实施例中的固定PEC下切的简化示图(俯视图)。
图10是实施例中的固定PEC下切的简化示图(侧视图)。
具体实施方式
参考图1，图1是处理之后的本技术领域的GaN基激光二极管的侧视图示图。在包含原始镓和氮的外延基板110上制备激光二极管，通常，外延基板110具有外延n-GaN和n-侧包层101、有源区域102、p-GaN和p-侧包层103、绝缘层104、以及接触/焊接(pad)层105。标记了激光器芯片节距。在该器件设计中，浪费了未直接位于激光脊下方的所有外延材料。在实施例中，n型包层可包括GaN、AlGaN或者InAlGaN。
现参考图2的(A)和(B)，图2的(A)和(B)是芯片扩展过程之前的含镓和氮的外延晶片100以及芯片扩展过程之后的载体晶片106的侧视图示图。该图示出了大概五倍扩展和由此从仅含镓和氮并且叠层了外延材料的基板可制备的激光二极管的数目的五倍增加。出于示例性之目的，包括典型的外延层和处理层，典型的外延层和处理层为n-GaN和n-侧包层101、有源区域102、p-GaN和p-侧包层103、绝缘层104、以及接触/焊接层105。此外，在芯片扩展过程中，使用牺牲区域107和结合材料108。
图3是实施例中脊形激光二极管的示意性截面，并且显示示出了本技术领域激光二极管结构的简化示意性截面图。该示图仅是示例，其不应过度地限制本发明中所要求保护的范围。如图所示，激光器件包括氮化镓基板203，其具有下层n型金属背面接触区域201。在实施方式中，金属背面接触区域由诸如下面标注的以及其他合适的材料制成。在实施方式中，该器件还具有叠层的n型氮化镓层205(可替代地，其可以是AlGaN)、有源区域207、以及被构造为激光条带区域211的叠层p型氮化镓层(可替代地，其可以是AlGaN)。此外，除此之外，该器件还包括n-侧分别限制异质结构(SCH)206、p-侧引导层或者SCH 208、p-AlGaNEBL 209。在实施方式中，该器件还具有p++型氮化镓材料213以形成接触区域。
图4的(A)至(F)是选择性区域结合过程的俯视图的简化示图并且示出了经由选择性区域结合的芯片扩展过程。含原始镓和氮的外延晶片(wafer，硅片，晶圆)201具有外延材料的独立芯片以及通过处理限定的释放层。单独的外延材料芯片被标记为202并且以节距1间隔开。圆形载体晶片200被制备有图案化的接合垫(bonding pad，焊盘)203。这些接合垫以节距2间隔开，节距2是节距1的偶数倍，使得在选择性区域结合过程的各个反复操作中可以将所选择组的外延芯片结合。选择性区域结合过程反复操作持续至所有外延芯片被转移至载体晶片204。现在，可选地，可以制备含镓和氮的外延基板201以用于再利用。
在实施例中，图5是用于外延制备的过程流的简化示图，包括芯片扩展过程中的示例性外延制备过程流的侧视图示图。含镓和氮的外延基板100和叠置的外延材料被限定在各个芯片中，结合材料108被沉积，并且下切牺牲区域107。出于示例性目的，包括典型的外延层，并且典型的外延层是诸如GaN或AlGaN的n-GaN和n-侧包层101、有源区域102、以及诸如GaN或AlGaN的p-GaN和p-侧包层103。
在实施例中，图6是实施例中的选择性区域结合过程的侧视图的简化示图。所制备的含镓和氮的外延晶片100和所制备的载体晶片106是该过程的起始部件。第一选择性区域结合反复操作转移外延芯片的部分，且根据需要重复另外的反复操作以转移所有外延芯片。一旦完成芯片扩展过程，则继续对载体晶片执行本技术的激光处理。出于示例性之目的，包括典型的外延和处理层，并且典型的外延和处理层是诸如GaN或AlGaN的n-GaN和n-侧包层101、有源区域102、诸如GaN或AlGaN的p-GaN和p-侧包层103、绝缘层104、以及接触/焊接层105。此外，在芯片扩展过程中，使用牺牲区域107和结合材料108。
在实施例中，图7是具有有源区域保护的外延制备过程的简化示图。所示出的是可替代的外延晶片制备过程流的侧视图示图，在该过程中，在任何PEC下切蚀刻步骤过程中使用侧壁钝化来保护有源区域。该过程流允许更广泛地选择牺牲区域材料和成分。出于示例性之目的，包括典型的基板、外延层、以及处理层，并且典型的基板、外延层、以及处理层是含镓和氮的基板100、诸如GaN或AlGaN的n-GaN和n-侧包层101、有源区域102、诸如GaN或AlGaN的p-GaN和p-侧包层103、绝缘层104、以及接触/焊盘层105。此外，在芯片扩展过程中，使用牺牲区域107和结合材料108。
在实施例中，图8是在结合之前具有有源区域保护和脊形形成的外延制备过程流的简化示图。所示出的是可替代的外延晶片制备过程流的侧视图示图，在该过程中，在任何PEC下切蚀刻步骤中使用侧壁钝化来保护有源区域并且在转移之前在密集的外延晶片上限定激光器脊形。通过对密集的外延晶片执行额外的处理步骤，该过程流潜在地允许节约成本。出于示例性之目的，包括典型的基板、外延层、以及处理层，并且典型的基板、外延层、以及处理层是含镓和氮的基板100、n-GaN和n-侧包层101、有源区域102、p-GaN和p-侧包层103、绝缘层104、以及接触/焊盘层105。此外，在芯片扩展过程中，使用牺牲区域107和结合材料108。
图9是固定PEC下切的简化示例(俯视图)。所示出的是选择性区域结合过程中的可替代释放过程的俯视图。在本实施方式中，在沉积结合金属303之前，使用自上向下的蚀刻将区域300蚀刻掉。然后，使用PEC蚀刻来下切区域301。在选择性区域结合过程中，牺牲区域302保持完整(intact，原样)并且用作机械支撑。
图10是实施例中的固定PEC下切的简化示图(侧视图)。所示出的是固定PEC下切的侧视图示图。为便于机械支撑，在外延芯片的各端处包括牺牲区域支柱，直至完成结合过程。在结合之后，外延材料将在接合垫与完整的牺牲区域之间的未支撑的薄膜区域切割(cleave)，从而执行选择性区域结合过程。处于示例性之目的，包括典型的外延层和处理层，并且典型的外延层和处理层是诸如GaN或AlGaN的n-GaN和n-侧包层101、有源区域102、诸如GaN或AlGaN的p-GaN和p-侧包层103、绝缘层104、以及接触/焊盘层105。此外，在芯片扩展过程中，使用牺牲区域107和结合材料108。外延材料从含镓和氮的外延晶片100被转移至载体晶片106。下面将更为具体地描述本方法和结构的进一步细节。
如对于读者的进一步背景，难以生产大块形式的氮化镓及相关晶体。能够生产大块GaN晶锭的生长技术仍处于不成熟阶段，并且所有定向的成本比诸如Si、GaAs、以及InP等其他半导体基板的相似晶片尺寸昂贵许多。尽管可以商购较大面积、独立式的GaN基板(例如，具有两英寸或者更大的直径)，然而，较大面积的非极性和半极性GaN基板的可用性非常受限制。通常，通过c-面取向的晶锭的生长来产生这些取向，然后，该晶锭被以相对c-面成某个陡峭角度切成矩形晶片。这些晶片的宽度受c-面取向的晶锭的厚度的限制，该厚度反之受晶锭生产方法的限制(例如，通常，外在基板上的氢化物气相外延(HVPE))。这种小型晶片尺寸在若干个方面受到限制。首先，必须在这种小型晶片上进行外延生长，从而由于晶片边缘附近处生长不均匀性导致增加了晶片的不可使用的区域部分。其次，在基板上外延生长光电器件层之后，需要对小型晶片执行相同次数的处理步骤，以制备本领域技术人员在较大面积晶片上所使用的最终器件。这些影响促使在这种小型晶片上制造器件的成本增加，因为所生产的每个器件的成本和不可使用的晶片区域部分随着晶片尺寸减小而增加。相对不成熟的大块GaN生长技术额外地限制了可以生产的基板的总数目，从而潜在地限制了增大非极性或者半极性GaN基板类器件的可行性。
已知的，GaN基板的所有取向的高成本、增大晶片尺寸的难度、小型晶片处理时所固有的低效率、以及对半极性和非极性晶片的潜在供应限制，使得变得极其希望使基板和外延材料的利用率最大化。在制备侧腔激光二极管时，通常情况是由激光器腔长度确定最小芯片长度，但是，由诸如布线接合垫等其他器件部件或者诸如在芯片附接过程中用于芯片处理的机械面积等考虑因素确定最小芯片宽度。即，尽管激光器腔长度限制激光芯片长度，然而，激光芯片宽度通常远大于激光器腔宽度。因为GaN基板和外延材料仅对激光器腔区域内和附近至关重要，所以这提供了发明新方法以仅形成这些相对昂贵材料之外的激光器腔区域并且以较低成本材料形成接合垫和芯片(chip)的机械结构的极大机遇。尽管布线接合垫为～100μm宽，然而，激光器腔宽度的典型尺度为1μm-30μm。这指的是如果从GaN芯片尺度排除布线接合垫宽度限制和机械处理考虑因素，则从含镓和氮的单个外延晶片可制备大于3倍与100倍之间的更多激光二极管芯片。这转变成外延和基板成本的大于3倍至100倍的减少。在传统器件设计中，尽管不使用结构支撑之外的半导体的材料性能，然而，相对较大的接合垫由外延晶片机械支撑。
在实施例中，本发明是一种使GaN激光器件的数目最大化的方法，该方法通过扩展载体晶片上的外延材料使得布线接合垫或者其他结构元件由相对低廉的载体晶片机械地支撑同时仍从所需的外延材料制备发光区域，来使从含镓和氮的基板上的给定外延区域制备的GaN激光器件的数目最大化。本发明将大幅度降低所有基于镓和氮的激光二极管的芯片成本，特别地能够提供成本效益的非极性和半极性激光二极管技术。
这些器件包括含镓和氮的基板(例如，GaN)，其包含以半极性或者非极性构成取向的表面区域，但可以是其他配置。该器件还具有包括与表面区域重叠的InGaN的含镓和氮的材料。在具体实施方式中，如下所述，可以采用半极性或者非极性含镓基板的激光器件。如此处使用的，术语“基板”可指大块基板或者可包括诸如含镓和氮的外延区域或者诸如n型GaN等功能区域、组合的重叠生长结构。我们还针对取向于非极性m面与极性c面之间的半极性晶面研究了外延生长和切割特性。具体地，在晶面的{30-31}和{20-21}族上成长。我们实现了有前途的外延结构和切割，这创建了使激光二极管以约400nm至绿色(例如，500nm至540nm)之间的波长工作的高效二极管的途径。这些结果包括450nm范围内的亮蓝色外延、520nm范围内的亮绿色外延、以及正交于c方向投影的平滑切割面。
在具体实施方式中，氮化镓基板构件是大块GaN基板，其特征在于具有半极性或者非极性晶面区域，但可以是其他基板。在具体实施方式中，大块的氮化物GaN基板包括氮并且具有约105cm-2与约107cm-2之间或者低于105cm-2的表面位错密度。氮化物晶体或者晶片可包括AlxInyGa1-x-yN，其中，0≤x,y，x+y≤1。在一个具体实施方式中，氮化物晶体包括GaN。在一个或者多个实施方式中，GaN基板在大致正交或者倾斜于表面的方向上具有螺纹式位错，约105cm-2与约108cm-2之间的密度。由于位错的正交或者倾斜取向的结果，表面位错密度介于约105cm-2与约107cm-2之间或者低于约105cm-2。在具体实施方式中，可以在一点切余下的半极性基板上制备该器件，如共同转让的要求于2009年3月28日提交的美国临时第61/164409号的优先权以及2010年3月29日提交的美国序列号12/749466中所描述的，通过引用将其结合在此。
通常，基板设置有一个或者多个下列外延生长元素，但并不限于：
on-GaN包层区域，具有约50nm至约6000nm厚度，且具有约5E16cm-3至1E19cm-3的Si或者氧掺杂度；
o高铟含量和/或厚InGaN层的InGaN区域或者超SCH区域；
o与InGaN区域重叠的高带隙应力控制区域；
o可选地，与InGaN区域重叠的SCH区域；
o包括由1.5nm-10.0nm GaN势垒分割的三至五个或者四至六个3.0nm-5.5.0nmInGaN量子阱的多个量子阱有源区域层
o可选地，p侧SCH层，包括具有1％与10％之间的铟摩尔分数和15nm至100nm的厚度的InGaN
o电子阻挡层，包括具有5％与20％之间的铝摩尔分数和10nm至15nm厚度并且掺杂有Mg的AlGaN。
o具有400nm至1000nm厚度且具有5E17cm-3至1E19cm-3的Mg掺杂度的p-GaN包层
o具有20nm至40nm厚度且具有1E20cm-3至1E21cm-3的Mg掺杂度的p++-GaN接触层
通常，使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者适合于GaN生长的其他外延生长技术的至少一种外延沉积技术，来形成各个区域。根据一个或者多个实施方式，有源区域可包括一到二十个量子阱区域。作为示例，在预定时间段内沉积n-型AluInvGa1-u-vN层至达到预定厚度之后，沉积有源层。有源层也可包括单个量子阱和具有2-10个量子阱的多个量子阱。量子阱可包括InGaN阱和GaN势垒层。在其他实施方式中，阱层和势垒层分别包括AlwInxGa1-w-xN和AlyInzGa1-y-zN，其中，0≤w,x,y,z,w+x,y+z≤1，其中，w<u,y和/或x>v,z，使得阱层的带隙小于势垒层与n型层的带隙。阱层和势垒层可均具有约1nm与约15nm之间的厚度。在另一实施方式中，有源层包括双异质结构，约10nm至100nm厚的InGaN或者AlwInxGa1-w-xN层被GaN或者AlyInzGa1-y-zN层包围，其中，w<u,y和/或x>v,z。选择有源层的成分和结构以提供预选波长的光发射。有源层可保持未掺杂(或者非有意掺杂)或者可掺杂n型或者p型。
有源区域还可包括电子阻挡区域和分别限制异质结构。在一些实施方式中，优选设置电子阻挡层。电子阻挡层可包括AlsIntGa1-s-tN，其中，0≤s,t,s+t≤1，且具有比有源层更高的带隙，并且可掺杂有p-型，或者电子阻挡层包括AlGaN/GaN超晶格结构(包括可替代的AlGaN和GaN层)。可替代地，可不存在电子阻挡层。应注意，p型氮化镓结构被沉积在电子阻挡层和有源层上方。p型层可具有约10E16cm-3与10E22cm-3之间的掺杂度的Mg，并且可具有约5nm与约1000nm之间的厚度。p型层的最外层1nm-50nm可比该层其余部分掺杂得更重，从而能够改进电接触。
本发明旨在从半导体晶片制备光电子器件。具体地，本发明通过选择性区域结合过程以相对于原始外延晶片增加载体晶片上的芯片节距的方式将外延材料的各个芯片转移至载体晶片，来提高基板晶片和外延材料的利用率。外延材料的布置允许在更低成本载体晶片上制备器件部件，该器件部件不需要昂贵的含镓和氮的基板以及通常在含镓和氮的基板上制备的重叠外延材料的存在，从而允许更为有效地利用含镓和氮的基板以及重叠外延材料。
在实施方式中，在含镓和氮的基板上制备密集阵列的含镓和氮的激光二极管外延材料的台面。该图案节距被称之为‘第一节距’。第一节距通常是适合于在基板上制备各个外延区域的设计宽度，且对于完成的激光器件并不足够大，完整的激光器件通常希望更大非有源区域或用于接触等的区域。例如，这些台面(mesa)将具有从约5微米至约30微米或者至约50微米的范围的第一节距。各个台面均是‘芯片’。
在实施例中，之后，这些芯片被转移至第二节距的载体晶片，使得载体晶片上的第二节距大于含镓和氮的基板上的第一节距。在实施例中，以第二节距配置芯片，以允许占有载体晶片一部分的各个芯片成为激光器件，其中包括接触和其他部件。例如，第二节距为约100微米至约200微米或者至约300微米。第二芯片节距允许容易的机械处理和用于将布线接合垫定位在载体晶片区域中的、外延台面之间的空间，从而能够从给定的含镓和氮的基板以及重叠的外延材料制备大量的激光二极管。图1和图2的(A)和(B)中示出了本技术芯片扩展激光二极管的侧视图示意图。通常，激光脊形宽度以及机械和布线结合考虑因素所需的宽度的尺寸分别为1μm至30μm和100μm至300μm，从而允许本发明较大可能地改进含镓和氮的基板以及重叠外延材料的使用效率。
图3是示出了本技术的激光二极管结构的简化示意性截面图。该示图仅是示例，其不应过度地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员应当理解到其他改造、变形、以及替换。如图所示，激光器件包括具有下层n型金属背面接触区域201的氮化镓基板203。在实施方式中，金属背面接触区域由诸如下面标注的和其他的合适材料制成。在本说明书中描述了(下面更具体地)接触区域的进一步细节。
在实施方式中，该器件还具有重叠的n型氮化镓层205、有源区域207、以及被构造成激光条带区域211的重叠p型氮化镓层。此外，除此之外，该器件还包括n-侧分别限制异质结构(SCH)206、p-侧引导层或者SCH208、p-AlGaN EBL 209。在实施方式中，该器件还具有p++型氮化镓材料213以形成接触区域。在实施方式中，p++型接触区域具有合适的厚度并且范围可为约10nm至50nm或者其他厚度。在实施方式中，掺杂程度可高于p型包层区域和/或块区域。在实施方式中，p++型区域具有从约1019至1021Mg/cm3范围以及其他的掺杂浓度。p++型区域优选地引起半导体区域与重叠的金属接触区域之间的隧道效应。在实施方式中，使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或者适用于GaN生长的其他外延生长技术中的至少外延沉积技术形成这些区域中的每一个。在实施方式中，外延层是与n型氮化镓层重叠的高质量外延层。在一些实施方式中，高质量层例如掺杂有Si或者O以形成n型材料，且具有约1016cm-3与1020cm-3之间的掺杂浓度。
该器件具有与切余下的晶体取向表面区域的一部分重叠而形成的激光条带区域。
在具体实施方式中，刻面(facet)形成的方法包括使基板经受用于图案化形成的激光处理。在优选实施方式中，图案被构造为针对一个或者多个脊形激光器形成一对刻面。在优选实施方式中，该对刻面面向彼此并且彼此平行对准。在优选实施方式中，该方法使用UV(355nm)激光对激光条进行划线。在具体实施方式中，激光器被配置在***上，从而允许以一种或者多种不同图案和轮廓构成的准确划线。在一种或者多种实施方式中，根据应用可以在背面、正面或者背面和正面执行激光划线。当然，可以存在其他改造、变形以及替换。
在具体实施方式中，该方法使用背面激光划线等。使用背面激光划线，该方法优选形成垂直于GaN基板背面上的激光条的连续线激光划线。在具体实施方式中，激光划线通常为15um-20um深或者其他合适的深度。优选地，背面划线是有利的。即，激光划线处理并不取决于激光条或者其他类似图案的节距。因此，根据优选实施方式，背面激光划线可导致各个基板上更高密度的激光条。然而，在具体实施方式中，背面激光划线会导致标签(tape)残留在一个或者多个刻面上。在具体实施方式中，背面激光划线通常需要基板面向下朝向标签。使用正面激光划线，基板的背面与标签接触。当然，可能存在其他改造、变形、以及替换。
激光划线图案：激光掩模的节距为约200um，但可以是其他的尺寸。对于200um节距，该方法使用具有30um虚线的170um划线。在优选实施方式中，划线长度为最大或者增加，同时保持激光的受热影响区域远离激光脊形，其对热是敏感的。
激光划线轮廓：锯齿轮廓通常产生最小的刻面粗糙度。应当认为，锯齿轮廓形状在材料中产生非常高的应力浓度，从而致使更为容易和/或更为有效地传播切割。
在具体实施方式中，刻面形成的方法包括使基板经受用于图案形成的机械划线处理。在优选实施方式中，图案被构成为针对一个或者多个脊形激光器形成一对刻面。在优选实施方式中，该对刻面面向彼此并且彼此平行对准。在优选实施方式中，该方法使用金刚石刀片划线对激光条进行物理地划线，尽管对本领域技术人员显而易见，然而，使用比GaN更为坚硬的任何材料的划线刀片已足够。在具体实施方式中，激光器被配置在***上，从而允许以一种或者多种不同图案和轮廓配置的准确划线。在一种或者多种实施方式中，根据应用可以在背面或者正面或者背面和正面执行机械划线。当然，可能存在其他改造、变形、以及替换。
在具体实施方式中，该方法使用背面划线等。使用背面机械划线，该方法优选形成垂直于GaN基板的背面上的激光条的连续线划线。在具体实施方式中，激光划线通常为15um-20um深或者其他合适的深度。优选地，背面划线会是有利的。即，机械划线处理并不取决于激光条或者其他类似图案的节距。因此，根据优选实施方式，背面划线可导致各个基板上更高密度的激光条。然而，在具体实施方式中，背面机械划线可导致标签残留在一个或者多个刻面上。在具体实施方式中，背面机械划线通常需要基板面向下朝向标签。使用正面机械划线，基板的背面与标签接触。当然，可能存在其他改造、变形、以及替换。
熟知的是，诸如化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)、电感耦合等离子体(ICP)蚀刻、或者反应离子蚀刻(RIE)等蚀刻技术可导致产生平滑垂直的蚀刻侧壁区域，其可用作蚀刻的刻面激光二极管中的刻面。在蚀刻刻面过程中，掩模层沉积在晶片表面上并且在晶片表面上图案化。蚀刻掩模层可由诸如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SixNy)、其组合或者其他电介质材料等电介质组成。此外，掩模层可包括诸如Ni或者Cr等金属层，但可包括金属组合叠层或者包含金属和电介质的叠层。在另一种方法中，光致抗蚀剂掩模可被单独使用或与电介质和/或金属组合使用。使用常规照相平印术和蚀刻步骤使蚀刻掩模层图案化。使用接触式对准仪或者步进式对准仪可执行对准平板印刷术。该平板印刷术限定的镜像为设计工程师提供了高度控制。在完成使蚀刻掩模的顶部上的光致抗蚀剂掩模图案化之后，使用湿蚀刻或者干蚀刻技术将图案转移到蚀刻掩模。最后，使用选自于CAIBE、ICP、RIE和/或其他技术的干蚀刻技术将刻面图案蚀刻到晶片上。蚀刻刻面表面必须与晶片的表面平面具有介于约87度与约93度之间的高度垂直或者介于约89度至约91度之间的高度垂直。蚀刻刻面表面区域必须非常平滑，即，具有小于50nm、20nm、5nm、或者1nm的均方根粗糙度值。已知的是，由于蚀刻的化学特性，CAIBE提供非常平滑且低损坏的侧壁，同时其由于使晶片台倾斜以补偿蚀刻时的任何固定角度的能力，所以可提供高度垂直的蚀刻。
激光条带的特征在于长度和宽度。长度范围为约50微米至约3000微米，但优选为介于10微米与400微米之间、介于约400微米至约800微米之间、或者约800微米至1600微米之间，但可以是其他尺寸。该条带还具有约0.5微米至约50微米范围的宽度，但对于单一横向模式操作，优选为介于0.8微米至2.5微米之间，并且对于多横向模式操作，优选为介于2.5um与35um之间，但可以是其他尺度。在具体实施方式中，该器件具有约0.5微米至约1.5微米范围的宽度、约1.5微米至约3.0微米范围的宽度、约3.0微米至约35微米范围的宽度或者其他宽度。在具体实施方式中，尽管可能存在略微的变化，然而，宽度在尺度上基本一致。通常，使用本领域中惯用的掩模和蚀刻工艺形成宽度和长度。
通过选自于干蚀刻或者湿蚀刻的蚀刻处理为p型或者n型包层，提供激光条带。该器件还具有暴露p型或者n型接触区域的重叠电介质区域。与接触区域重叠的是金属或者导电氧化物或者其组合的接触材料。通过热蒸发、电子束蒸发、电镀、溅射、或者其他合适的技术可沉积p型和n型电接触。
已知的是，含镓和氮的基板的高成本以及扩大含镓和氮的基板尺寸的难度、无效率以及对含极性、半极性、以及非极性镓和氮的晶片的潜在供应限制，使得变得极其希望使含镓和氮的基板以及重叠的外延材料的可用利用率最大化。在制备侧腔激光二极管时，通常的情况是由诸如布线接合垫的器件部件或者机械处理考虑因素而非激光腔宽度来决定最小的晶片尺寸。使晶片尺寸最小化对降低制造成本至关重要，因为较小的晶片尺寸允许在单个处理操作中在单个晶片上制备大量的器件。本发明是一种使器件数目最大化的方法，该方法通过经由芯片扩展过程将外延材料散布到载体晶片上可从已知的含镓和氮的基板以及重叠的外延材料制备的器件的数目最大化。
图4的A至图4的F中描述了芯片扩展过程的一种优选实施方式的俯视图。起始材料是图案化的外延和载体晶片。此处，‘外延晶片’或者‘外延的晶片’被定义为由有源区域组成的外延材料生长于其上的原始含镓和氮的晶片，而“载体晶片”被定义为为便于处理而外延层转移至的晶片。基于任何数目的标准均可选择载体晶片，标准包括但不限于成本、导热率、热扩展系数、尺寸、导电率、光学性能、以及处理兼容性。以允许使结合的外延区域随后选择性地剥离的方式制备图案化的外延晶片。图案化的载体晶片被制备成使得按顺序布置接合垫以实现选择性的面积结合过程。通过各种过程流可制备晶片，下面将对与其的一些实施方式进行描述。在第一选择性区域结合步骤中，外延晶片与载体晶片上的预图案化接合垫对准并且压力、热、和/或声处理法的组合用于使台面结合至接合垫。结合材料可以是各种介质，包括但不限于金属、聚合物、蜡、以及氧化物。将仅结合与载体晶片上的接合垫接触的外延晶片。对于常用晶片结合器中，存在次微米对准容差是可能的。然后，移离外延晶片，在弱外延剥离层分离外延材料，使得所希望的外延层保留在载体晶片上。此处，‘选择性区域结合步骤’被定义为该过程的单一反复操作。在图4的(A)至(F)中描述的实施例中，在该第一选择性结合步骤中，转移外延晶片的四分之一，从而保留外延晶片的四分之三。然后，重复选择性区域结合步骤，以将外延晶片的第二四分之一、第三四分之一、以及第四四分之一转移至图案化的载体晶片。可以重复选择性区域结合任意次数并且不局限于图4的(A)至(F)中所描述的四个步骤。结果是，载体晶片上的外延晶片的阵列具有比外延晶片上的原始芯片节距更宽的芯片节距。外延晶片上的芯片节距被称之为节距1，并且载体晶片上的芯片节距被称之为节距2，其中，节距2大于节距1。此时，可以对载体晶片执行标准的激光二极管处理。图1和图2的(A)和(B)中分别描述了以现有技术方法和本发明中所描述的方法制备的器件的侧轮廓图。本发明所提供的器件结构仅包含光腔需要的相对昂贵外延材料并且具有位于载体晶片上的相对较大的接合垫和/或其他器件部件。激光器脊形宽度和接合垫的尺度分别为<30μm和>100μm，从而允许通过本发明三次或者多次改进外延使用效率。
存在可以实现扩展芯片节距的多种方法。图5和图6中描述了用于制备GaN基激光二极管的一个实施方式。该实施方式在对图案化载体晶片执行选择性区域结合过程之前，使用带隙选择性光电化学(PEC)蚀刻对被蚀刻成外延层的台面阵列进行下切。图5中示出了外延晶片的制备并且图6中示出了选择性区域结合过程。该过程需要包括埋入牺牲区域，这通过带隙被进行选择性PEC蚀刻。对于GaN基光电器件，示出了在PEC蚀刻过程中InGaN量子阱作为有效牺牲区域。在图5中所示的结合金属沉积之前，图5中所描述的第一步骤是暴露牺牲层的自顶至下蚀刻。通过暴露的牺牲区域，使用带隙选择性PEC蚀刻将台面下切。因此，在PEC蚀刻过程中，牺牲区域和所有其他层的带隙被选择为使得仅牺牲区域吸收光从而用于蚀刻。通过适当地控制蚀刻速率，可以保留薄条带的材料以使台面弱连接至外延基板。然后，如图6所示，晶片被对准并且被结合至图案化的载体晶片。尽管各种氧化物结合剂、聚合物结合剂、蜡结合剂等是潜在适合的，然而，在该操作中，金-金金属结合被用作示例。使用市售的晶片结合设备，可能存在次微米对准容差。载体晶片以使仅选择的台面与载体晶片上的金属接合垫接触的方式被图案化。当外延基板被剥离时，结合台面在弱牺牲区域处断开，而未结合的台面保持附接至外延基板。然后，重复该选择性区域结合过程以转移希望配置的其余台面。该过程可被重复任意次数的反复操作并且并不局限于图7中所描述的两次反复操作。载体晶片可以是任意尺寸，包括但不限于2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸、以及12英寸。在转移所有希望的台面之后，可选地，使用第二带隙选择性PEC蚀刻移除任何剩余牺牲区域材料以实现平滑的表面。此时，可对载体晶片执行标准激光二极管处理。
本发明的另一实施方式使用具有比有源区域更高的带隙的牺牲区域，使得两个层在带隙PEC蚀刻过程中均吸收。在本实施方式中，如图7所示，使用侧壁上的绝缘保护层可以防止有源区域在带隙选择性PEC蚀刻过程中被蚀刻。图7中所描述的第一步骤是暴露器件有源区域的蚀刻。该步骤在台面侧壁上沉积保护绝缘层之前，其用于在后面的牺牲区域下切PEC蚀刻步骤中阻止有源区域的PEC蚀刻。然后，如图7所示，执行第二自顶至下蚀刻以暴露牺牲层并且沉积结合金属。利用暴露的牺牲区域，带隙选择性PEC蚀刻用于将台面下切。此时，使用图6中所示的选择性区域结合处理继续制备器件。
本发明的另一实施方式包括在选择性区域结合步骤之前在密集的外延晶片上制作器件部件。在图8中所描述的实施方式中，在芯片扩展过程之前，在原始外延晶片上制备激光器脊形、侧壁钝化、以及接触金属。过程流仅用于示例性之目而提供并且并不旨在限制在芯片扩展过程之前可被处理的器件部件。因为在芯片扩展过程之前对高密度的外延晶片执行额外的步骤，所以该操作流具有潜在的成本优点。图8中描述了过程流的细节示意图。
在本发明的另一优选实施方式中，镓和氮外延材料将在含镓和氮的基板材料中下列取向中的一种上生长：m-面、{50-51}、{30-31}、{20-21}、{30-32}、{50-5-1}、{30-3-1}、{20-2-1}、{30-3-2}、或者朝向a-面和/或c-面在+/-5度内切余下的平面。
在本发明的另一实施方式中，在各个选择性结合步骤之后，使用各个PEC下切蚀刻以蚀刻仅结合台面的牺牲释放层。通过仅向下蚀刻以暴露从当前选择性结合步骤移除的台面的牺牲层来控制被下切的外延晶片。本实施方式的优点在于仅需要非常粗略地控制PEC蚀刻速率。这消除了额外处理步骤的成本和几何学约束。
在本发明的另一实施方式中，结合层可以是各种结合对，其中包括金属-金属、氧化物-氧化物、焊料合金、光致抗蚀剂、聚合物、蜡等。
在本发明的另一实施方式中，通过PEC蚀刻完全移除牺牲区域，并且通过任何其余的缺陷(defect)导柱而使台面保留固定在原位。已知的是，PEC蚀刻保留了作为再组合中心的缺陷周围的完整材料。在完成牺牲蚀刻之后，使台面保持在原位的额外机制包括静力或者范德华力(Van der Waals force)。
在本发明的另一实施方式中，成形的牺牲区域暴露台面被蚀刻成保留位于各个外延晶片的端附近的较大区域。结合金属仅放置在要被转移的外延区域中。然后，执行PEC蚀刻，使得要被转移的外延晶片被完全下切，而端处附近的较大区域仅被部分下切。位于晶片端处的完整牺牲区域通过选择性区域结合步骤提供机械稳定性。由于仅几纳米的厚度被下切，所以该几何学可与标准的结合过程相符合。在选择性区域结合步骤之后，外延和载体晶片被机械地分离，从而在结合金属与完整牺牲区域之间的弱点处切割。图9和图10中描述了该过程的示例性示意图。在完整所希望次数的重复之后，本技术领域的激光二极管制备过程可应用于芯片扩展载体晶片。
在本发明的另一实施方式中，通过不同于PEC蚀刻的诸如激光剥离等方式可以实现外延层的剥离。
在本发明的另一实施方式中，载体晶片是另一半导体材料、金属材料、或者陶瓷材料。一些潜在的备选包括硅、砷化镓、蓝宝石、碳化硅、金刚石、氮化镓、AlN、多晶AlN、磷化铟、锗、石英、铜、金、银、铝、不锈钢、或者钢。
在本发明的另一实施方式中，通过切割工艺(cleaving process)制作激光刻面。如果选择合适的载体晶片，则可以使用载体晶片来限定外延材料中的切割面。这可以提高切割的产率、质量、容易度、和/或准确度。
在本发明的另一实施方式中，通过蚀刻刻面工艺制作激光刻面。在蚀刻刻面实施方式中，平板印刷限定的镜像图案被蚀刻到镓和氮上以形成刻面。蚀刻过程可以是选自于电感耦合等离子体蚀刻(ICP)、化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)、或者反应离子蚀刻(RIE)的干蚀刻工艺。可以结合芯片扩展过程使用蚀刻刻面过程，以根据切割、潜在提高的产量以及刻面质量避免刻面形成，
在本发明的另一实施方式中，通过选择的载体晶片所辅助的切割工艺实现晶片单片化(singulation，分割)。例如，如果选择硅或者GaAs载体晶片，则存在便利的立方切割面系可用于通过切割的晶片单片化。在本实施方式中，因为仅在载体晶片材料区域中出现晶片单片化，所以切割不需要转移到外延材料。
在本发明的另一实施方式中，可结合晶片平铺使用任何上述过程流。例如，7.5mm×18mm的基板可被平铺到2英寸的载体晶片上，从而允许在多个外延基板上并行地进行顶侧处理和选择性区域结合，以进一步节省成本。
在本发明的另一实施方式中，在选择性区域结合步骤之后，通过再平面化和表面处理过程来改造基板晶片。可以重复使用外延晶片任意实际次数。
在实施例中，本发明提供一种用于使从给定外延表面面积可制备的含镓和氮的激光二极管器件的数目增加的方法；其中，含镓和氮的外延层叠置于含镓和氮的基板上。外延材料包括至少下列各层：牺牲区域，使用带隙选择性PEC蚀刻，牺牲区域可被选择性地蚀刻；n型包层区域；有源区域，包括与n型包层区域重叠的至少一个有源层；以及p型包层区域，p型包层区域与有源层区域重叠。含镓和氮的外延材料被图案化成具有第一芯片节距的晶片；含镓和氮的外延材料并具有第一节距的晶片被转移至载体晶片以在载体晶片上形成第二芯片节距；第二芯片节距大于第一芯片节距。
尽管上述是具体实施方式的全面描述，然而，可以使用各种变形、可替代的构造以及等同物。例如，封装器件可包括上述以及本说明书之外的元件的任意组合。如本文中所使用的，术语“基板”可指大块基板或者可包括诸如含镓和氮的外延区域的叠置生长结构、或者诸如n型GaN的功能区、组合等。

Claims (19)

1.一种用于制造含镓和氮的激光二极管器件的方法，所述方法包括：
提供具有表面区域的含镓和氮的基板；
形成与所述表面区域重叠的外延材料，所述外延材料包括n型包层区域、包括与所述n型包层区域重叠的至少一个有源层的有源区域、以及与所述有源层区域重叠的p型包层区域；
使所述外延材料图案化以形成多个芯片，所述芯片中的每个均对应于至少一个激光器件，特征在于一对芯片之间的第一节距，所述第一节距小于设计宽度；
将所述多个芯片中的至少部分转移至载体晶片，使得每对转移的芯片均被配置为在每对芯片之间具有第二节距，所述第二节距大于所述第一节距并且对应于所述设计宽度，所述转移包括：
选择性地移除一个或多个芯片的释放区域的至少部分，同时在所述一个或多个芯片与所述含镓和氮的基板之间保留固定区域完整，
将所述一个或多个芯片选择性结合至所述载体晶片，以及
通过使与所述一个或多个芯片中的每一个相关联的所述固定区域分离，同时所述外延材料的部分保持结合至所述载体晶片，以从所述含镓和氮的基板释放所述一个或多个芯片。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个芯片均成形为台面，并且每对芯片均具有在1μm与10μm之间或者在10微米与50微米之间的宽度或者在50μm与3000μm之间的长度的第一节距；并且所述图案化包括蚀刻处理；其中，所述载体晶片上的所述第二节距在100微米与200微米之间或者在200微米与300微米之间。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述转移之后对所述芯片中的每个进行处理以在每个芯片上形成至少一个激光器件，或者进一步包括在外延材料的每个芯片上形成一个或多个激光二极管腔。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述载体晶片重叠的每对芯片限定出所述第二节距；并且进一步包括形成与由所述第二节距限定的空间重叠的一个或者多个部件，所述一个或者多个部件选自于接触区域或者接合垫。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述载体晶片的特征在于用于一个或多个接触区域的导电材料；其中，所述激光器件中的每个的特征在于在200nm与2000nm之间的波长；并且其中，所述激光器件中的每个包括通过切割工艺或者蚀刻工艺配置的一对刻面，所述蚀刻工艺选自于感应耦合等离子体蚀刻、化学辅助离子束刻蚀、或者反应离子束蚀刻。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过在由所述第二节距限定的空间使每对芯片分离而使每个所述芯片单片化；其中，所述外延材料包含GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、InAlN、和/或InAlGaN。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含镓和氮的材料在极性、非极性、或者半极性平面上生长；其中，所述载体晶片包括硅、砷化镓、蓝宝石、碳化硅、金刚石、氮化镓、AlN、磷化铟或者金属中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地结合包括将所述一个或多个芯片中的每一个结合至所述载体晶片上的接合垫；其中，所述转移重复N次以将一个或者多个其他芯片转移至所述载体晶片，其中，N是在1到50的整数。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转移重复N次以将一个或者多个其他芯片转移至所述载体晶片，从而将要被结合的所述芯片中的每个移动至所述载体晶片，其中，N是在1到50的整数；其中，所述载体晶片具有的直径大于所述含镓和氮的基板的直径。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转移重复N次以将一个或者多个其他芯片转移至所述载体晶片，从而将要被结合的所述芯片中的每个移动至所述载体晶片，其中，N是在1至50的整数；其中，所述载体晶片具有的直径大于所述含镓和氮的基板的直径；其中，所述一个或多个芯片中的每一个与所述载体晶片之间的结合剂包括金属-金属对、氧化物-氧化物对、旋涂玻璃、焊料合金、聚合物、光致抗蚀剂、和/或蜡中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转移重复N次以将一个或者多个其他芯片转移至所述载体晶片，从而将要被结合的所述芯片中的每个移动至所述载体晶片，其中，N是在1到50的整数；其中，所述载体晶片具有的直径比所述含镓和氮的基板的直径大；其中，所述一个或多个芯片中的每一个与所述载体晶片之间的结合剂包括金属-金属对、氧化物-氧化物对、旋涂玻璃、焊料合金、聚合物、光致抗蚀剂、和/或蜡中的至少一种；并且其中，选择性地移除使用带隙选择性光电化学蚀刻以移除所述释放区域的部分。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述释放区域由具有比邻近外延层更小带隙的材料组成；其中，所述释放区域由InGaN、InN、InAlN或者InAlGaN组成。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，光电化学蚀刻选择性地移除基本上全部的所述释放区域，同时保留所述释放区域的一部分完整以提供在选择性地结合期间的结构，所述释放区域的部分形成所述固定区域。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，光电化学蚀刻选择性地移除所述释放区域，同时保留所述固定区域完整以在选择性地结合期间支撑所述芯片。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，光电化学蚀刻选择性地移除所述释放区域，同时保留所述固定区域完整以在选择性地结合期间支撑所述芯片，所述固定区域包括缺陷导柱、静力、或者范德华力。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括额外的光电化学蚀刻工艺，以在所述一个或多个芯片结合至所述载体晶片的情况下完全移除所述一个或多个芯片上的所述释放区域的剩余部分。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在转移之前形成与所述一个或者多个晶片重叠的金属材料，而保留暴露的一个或者多个固定区域，所述固定区域被配置为在选择性结合之后选择性地与所述晶片中的每个断开和分离。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述选择性地移除在所述一个或多个芯片的每一个附近形成下切区域，以实现所述一个或多个芯片中的每一个的选择性释放；其中，所述一个或多个芯片中的每一个包括用于防护光电化学蚀刻的钝化区域。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，每个所述晶片包括一个或者多个部件，所述一个或者多个部件以单独或者任意组合的方式选自于电接触、电流散布区域、光学包层区域、激光器脊形、激光器脊形钝化、或者一对刻面中的至少一种。
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