CN115832863A

CN115832863A - 垂直腔面发射半导体发光结构及其制备方法、封装组件

Info

Publication number: CN115832863A
Application number: CN202310030700.4A
Authority: CN
Inventors: 苗霈; 肖垚; 王俊; 刘恒
Original assignee: Suzhou Everbright Photonics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Everbright Photonics Co Ltd
Priority date: 2023-01-10
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明提供一种垂直腔面发射半导体发光结构及其制备方法、封装组件，垂直腔面发射半导体发光结构包括：背面电极层；位于所述背面电极层一侧的第一布拉格反射镜；位于所述第一布拉格反射镜背向所述背面电极层一侧的有源层；位于所述有源层背向所述第一布拉格反射镜一侧的第二布拉格反射镜；所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间未设置衬底层。所述垂直腔面发射半导体发光结构的散热能力提高。

Description

垂直腔面发射半导体发光结构及其制备方法、封装组件

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种垂直腔面发射半导体发光结构及其制备方法、封装组件。

背景技术

垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于具有光束质量好、阈值电流低、易于二维列阵集成、制造成本低廉和批量化生产等优点，成为诸如3D传感、激光雷达、夜视照明、健康医疗等一系列高光功率应用的重要光源。

利用多结的垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为此类激光医疗、激光脱毛产品的激光光源，VCSEL激光器具有出光方向垂直衬底、输出光斑为圆形、工艺简单易于量产等特点。一方面，随着多结技术的成熟，多结VCSEL具有较高的斜率效率和转换效率，可以满足总输出功率的需求；另一方面，常规VCSEL阵列虽然不存在腔面高温的失效模式，但是受限于有限的散热条件，导致结温远高于环境温度，进而造成高结温下斜率效率和转换效率的大大降低。

如何提高垂直腔面发射激光器的整体散热能力是需要解决的技术问题。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于解决现有技术中如何提高垂直腔面发射半导体发光结构的散热能力的问题，从而提供一种垂直腔面发射半导体发光结构及其制备方法、封装组件。

本发明提供一种垂直腔面发射半导体发光结构，包括：背面电极层；位于背面电极层一侧的第一布拉格反射镜；位于所述第一布拉格反射镜背向所述背面电极层一侧的有源层；位于所述有源层背向所述第一布拉格反射镜一侧的第二布拉格反射镜；所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间未设置衬底层。

可选的，还包括：位于所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间的接触掺杂层，所述接触掺杂层中的掺杂浓度大于第一布拉格反射镜中的掺杂浓度。

可选的，所述接触掺杂层的厚度为100nm~200nm。

可选的，所述接触掺杂层的材料包括N型掺杂GaAs。

可选的，所述垂直腔面发射半导体发光结构的厚度小于或等于10微米。

本发明还提供一种垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法，包括：提供衬底层；在所述衬底层的一侧形成第一布拉格反射镜；在所述第一布拉格反射镜背离所述刻蚀截止层的一侧依次形成有源层和第二布拉格反射镜；形成所述第二布拉格反射镜之后，刻蚀去除所述衬底层；去除所述衬底层之后，在所述第一布拉格反射镜背离所述有源层的一侧形成背面电极层。

可选的，还包括：在形成第一布拉格反射镜之前，在所述衬底层的一侧表面形成刻蚀截止层；在所述衬底层的一侧形成第一布拉格反射镜的步骤为：在所述刻蚀截止层背离所述衬底层的一侧形成第一布拉格反射镜；去除所述衬底层的步骤中，以所述刻蚀截止层为停止层；去除衬底层之后，且在形成背面电极层之前，刻蚀去除所述刻蚀截止层。

可选的，还包括：在形成所述第一布拉格反射镜之前，在所述刻蚀截止层背离所述衬底层的一侧表面形成接触掺杂层；形成背面电极层之后，所述接触掺杂层位于所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间。

可选的，还包括：刻蚀去除所述衬底层之前，在所述第二布拉格反射镜、有源层和至少部分厚度的第一布拉格反射镜中形成若干开口，相邻的开口之间构成发光柱；在所述发光柱的顶部表面形成正面电极层；形成所述正面电极层之后，在所述正面电极层背离所述衬底层的一侧以及相邻的发光柱之间形成键合胶层；提供临时衬底，形成所述键合胶层之后，将所述键合胶层键合到所述临时衬底上；将所述键合胶层键合到所述临时衬底上之后，刻蚀去除所述衬底层；形成所述背面电极层之后，去除所述临时衬底和所述键合胶层。

可选的，所述刻蚀截止层的材料包括InGaP。

可选的，所述刻蚀截止层的厚度为50nm~150nm。

本发明还提供一种封装组件，包括：本发明的垂直腔面发射半导体发光结构；热沉，所述半导体发光结构位于所述热沉上。

可选的，还包括：冷却装置；所述热沉位于所述冷却装置上。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案中的垂直腔面发射半导体发光结构，包括：背面电极层；位于所述背面电极层一侧的第一布拉格反射镜；位于所述第一布拉格反射镜背向所述背面电极层一侧的有源层；位于所述有源层背向所述第一布拉格反射镜一侧的第二布拉格反射镜。所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间未设置衬底层。由于未设置衬底层，因此有源层中的热量更好的散发出去，提高了半导体发光结构的散热能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的垂直腔面发射半导体发光结构的结构示意图；

图2至图10为本发明一实施例提供的垂直腔面发射半导体发光结构的制备过程的结构示意图。

具体实施方式

经研究发现，对于VCSEL阵列芯片，其热阻主要来自于几十微米厚（一般为接近100微米）的衬底层。因此，去除较厚的衬底层能够保证有源区的产热可以较快地耗散，进而提高垂直腔面发射激光器的整体散热能力。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种垂直腔面发射半导体发光结构，参考图1，包括：

背面电极层1；

位于所述背面电极层1一侧的第一布拉格反射镜4；

位于所述第一布拉格反射镜4背向所述背面电极层1一侧的有源层5；

位于所述有源层5背向所述第一布拉格反射镜4一侧的第二布拉格反射镜7；

所述背面电极层1和所述第一布拉格反射镜4之间未设置衬底层。

本实施例提供的垂直腔面发射半导体发光结构，由于未设置衬底层，因此有源层5中的热量更好的散发出去，提高了垂直腔面发射半导体发光结构的散热能力。

由于所述半导体发光结构的散热能力提高，因此保证了垂直腔面发射半导体发光结构的稳定输出，避免了热积累带来的热反转效应，同时提高了垂直腔面发射半导体发光结构的实际使用寿命。该垂直腔面发射半导体发光结构可以稳定实现直流或近直流输入、大功率输出工作条件下几十瓦至几百瓦的高功率高寿命高可靠性输出。

在一个实施例中，垂直腔面发射半导体发光结构还包括：位于所述背面电极层1和所述第一布拉格反射镜4之间的接触掺杂层3，所述接触掺杂层3中的掺杂浓度大于第一布拉格反射镜中的掺杂浓度。

在一个实施例中，所述接触掺杂层3的厚度为100nm~200nm 。

在一个实施例中，所述接触掺杂层3的材料N型掺杂GaAs。接触掺杂层3中具有N型导电离子。在一个实施例中，所述接触掺杂层3中的N型导电离子的掺杂浓度为1E19atom/cm³~5E19 atom/cm³。所述接触掺杂层3的作用在于：降低背面电极层1和所述第一布拉格反射镜4之间的接触电阻。

在一个实施例中，所述垂直腔面发射半导体发光结构的厚度小于或等于10微米。所述垂直腔面发射半导体发光结构的厚度非常小，有利于散热。

所述垂直腔面发射半导体发光结构还包括：位于第二布拉格反射镜7、有源层5和至少部分厚度的第一布拉格反射镜4中的若干开口，相邻的开口之间构成发光柱；位于发光柱的顶部表面的正面电极层10；位于所述有源层5和第二布拉格反射镜7之间的电流限制层6’，所述电流限制层6’包括氧化区与导电区，所述氧化区位于所述导电区的周围。

所述垂直腔面发射半导体发光结构还包括：钝化层9，所述钝化层9覆盖所述发光柱的侧壁表面和部分顶部表面；正面电极层10位于部分所述第二布拉格反射镜7背向所述有源层5的一侧，正面电极层10还覆盖位于发光柱的侧部表面和部分顶部表面的钝化层9。所述正面电极层10覆盖所述氧化区且未覆盖导电区。在一个实施例中，所述钝化层的材料包括氮化硅。

实施例2

垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法还包括：在形成第一布拉格反射镜之前，在所述衬底层的一侧表面形成刻蚀截止层；在所述衬底层的一侧形成第一布拉格反射镜的步骤为：在所述刻蚀截止层背离所述衬底层的一侧形成第一布拉格反射镜；去除所述衬底层的步骤中，以所述刻蚀截止层为停止层；去除衬底层之后，刻蚀去除所述刻蚀截止层。

垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法还包括：在形成所述第一布拉格反射镜之前，在所述刻蚀截止层背离所述衬底层的一侧表面形成接触掺杂层；形成背面电极层之后，所述接触掺杂层位于所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间。

垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法还包括：刻蚀去除所述衬底层之前，在所述第二布拉格反射镜、有源层和至少部分厚度的第一布拉格反射镜中形成若干开口，相邻的开口之间构成发光柱；在所述发光柱的顶部表面形成正面电极层；形成所述正面电极层之后，形成在所述正面电极层背离所述衬底层的一侧以及相邻的发光柱之间形成键合胶层；提供临时衬底，形成所述键合胶层之后，将所述键合胶层键合到所述临时衬底上；将所述键合胶层键合到所述临时衬底上之后，刻蚀去除所述衬底层；形成所述背面电极层之后，去除所述临时衬底和所述键合胶层。

下面参考图2至图10详细介绍所述垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法。

参考图2，提供衬底层8；在所述衬底层8的一侧形成第一布拉格反射镜4；在所述第一布拉格反射镜4背离所述衬底层的一侧依次形成有源层5和第二布拉格反射镜7。

本实施例中，还包括：在形成第一布拉格反射镜4之前，在所述衬底层8的一侧表面形成刻蚀截止层2。在所述衬底层8的一侧形成第一布拉格反射镜4的步骤为：在所述刻蚀截止层2背离所述衬底层8的一侧形成第一布拉格反射镜4。

所述刻蚀截止层2的作用在于：使得在后续去除衬底层8的步骤中降低对第一布拉格反射镜4造成损伤。

在一个实施例中，所述刻蚀截止层2的厚度为50nm~150nm，例如50nm、80nm、100nm、120nm或150nm。若所述刻蚀截止层2的厚度小于50nm，则过薄的刻蚀截止层2厚度容易因为外延生长缺陷而导致在去除衬底层的过程中刻蚀截止层2局部的过腐蚀，并由于各向同性的湿法腐蚀而扩大异常面积；若所述刻蚀截止层2的厚度大于150nm，则因为不必要的厚度而引入额外的外延生长时间的浪费。

在一个实施例中，所述刻蚀截止层2的材料包括InGaP。

在其他实施例中，不形成刻蚀截止层。

本实施例中，还包括:在所述第一布拉格反射镜4背离所述衬底层8的一侧形成有源层5之后，且形成第二布拉格反射镜7之前，在所述有源层5背向所述第一布拉格反射镜4的一侧表面形成初始电流限制层6。

本实施例中，还包括：在形成所述第一布拉格反射镜4之前，在所述刻蚀截止层2背离所述衬底层8的一侧表面形成接触掺杂层3。形成背面电极层之后，所述接触掺杂层3位于背面电极层和第一布拉格反射镜4之间。接触掺杂层3与背面电极层和第一布拉格反射镜4均接触。

在一个实施例中，所述接触掺杂层的材料包括N型掺杂GaAs。

在一个实施例中，所述接触掺杂层的厚度为100nm~200nm。

参考图3，在所述第二布拉格反射镜7、有源层5和至少部分厚度的第一布拉格反射镜4中形成若干开口，相邻的开口之间构成发光柱；所述发光柱的数量为若干个。

形成开口的步骤包括:在所述第二布拉格反射镜7背向所述衬底层8的一侧形成初始掩膜层；去除部分初始掩膜层以使所述初始掩膜层形成掩膜层，之后，以所述掩膜层为掩膜刻蚀所述第二布拉格反射镜7、有源层5和部分所述第一布拉格反射镜4，以使在所述第二布拉格反射镜7、有源层5和至少部分厚度的所述第一布拉格反射镜4形成所述开口。需要说明的是，在以所述掩膜层为掩膜刻蚀所述第二布拉格反射镜、有源层和部分所述第一布拉格反射镜的过程中，本实施例中，还刻蚀了初始电流限制层6。

需要说明的是，在形成所述初始掩膜层之前，还包括：在第二布拉格反射镜7背离所述有源层5的一侧表面形成接触导电环（未图示），所述接触导电环的外径用于定于发光柱的直径，所述接触导电环的设置未覆盖出光口的位置。形成所述掩膜层之后，所述掩膜层覆盖所述接触导电环。

在一个实施例中，形成开口的工艺包括干法刻蚀工艺。

在一个实施例中，所述掩膜层的材料包括氮化硅。

在一个实施例中，所述掩膜层的厚度为50nm-100nm，例如80nm。

在一个实施例中，所述发光柱的直径为24μm -34μm。

参考图4，在形成开口之后，对开口侧部的部分初始电流限制层6边缘区域进行氧化，使所述初始电流限制层形成电流限制层6’，电流限制层6’包括氧化区与导电区，氧化区位于导电区的周围。

对开口侧部的部分初始电流限制层6的边缘区域进行氧化的过程中，向反应腔室内通入水蒸气，升温至氧化温度以对初始电流限制层6的边缘区域进行氧化，使所述初始电流限制层6形成电流限制层6’。

在一个实施例中，所述导电区的宽度为8μm-18μm，例如15μm。

本实施例中，在形成开口之后，对初始电流限制层6的边缘区域进行氧化之前，还包括：对开口的侧壁使用刻蚀溶液处理，所述刻蚀溶液可以是稀酸（如HCl溶液）或稀碱（如NH₄OH溶液），以去除开口的侧壁与空气相接触的表面所形成的很薄的氧化层同时减小工艺制程中产生的表面缺陷。

参考图5，在所述发光柱的顶部表面形成正面电极层10。

本实施例中，在形成所述正面电极层10之前，还包括：形成钝化层9，钝化层9覆盖所述发光柱的侧壁表面和发光柱的部分顶部表面、以及开口的底部表面，所述钝化层9暴露出所述接触导电环。

在一个实施例中，不去除所述掩膜层，钝化层9与所述掩膜层接触，钝化层9位于掩膜层的上表面，钝化层9与掩膜层的总厚度例如为400 nm -600 nm，去除部分钝化层和部分掩膜层使得暴露出所述接触导电环。

在另一个实施例中，形成所述钝化层9之前去除所述掩膜层，去除部分钝化层9使得暴露出所述接触导电环。

在所述发光柱中的部分所述第二布拉格反射镜7背向所述有源层5的一侧形成正面电极层10。所述正面电极层10覆盖所述氧化区且未覆盖导电区。正面电极层10位于所述接触导电环的上表面。

在形成所述正面电极层10的过程中，所述正面电极层10还覆盖所述开口侧壁和底部的钝化层9、发光柱的部分顶部表面的钝化层9。

所述钝化层9的材料包括氮化硅。

参考图6，在所述正面电极层10背离所述衬底层8的一侧以及相邻的发光柱之间形成键合胶层11；提供临时衬底12，形成所述键合胶层11之后，将所述键合胶层11键合到所述临时衬底12上。在一个实施例中，所述临时衬底12包括GaAs衬底。

参考图7，将所述键合胶层11键合到所述临时衬底12上之后，刻蚀去除所述衬底层8。

本实施例中，在刻蚀去除衬底层8的步骤中，以所述刻蚀截止层为停止层。

参考图8，刻蚀去除所述衬底层8之后，刻蚀去除刻蚀截止层；刻蚀去除所述刻蚀截止层之后，在所述第一布拉格反射镜背离所述有源层的一侧形成背面电极层。

本实施例中，在接触掺杂层背离所述第一布拉格反射镜的一侧表面形成背面电极层1。形成背面电极层之后，所述接触掺杂层位于所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间。本实施例中，在刻蚀去除刻蚀截止层的步骤中，以所述接触掺杂层为停止层。在其他实施例中，当不形成接触掺杂层时，在刻蚀去除刻蚀截止层的步骤中，以所述第一布拉格反射镜4为停止层。

背面电极层1的材料包括Pd、Ge、Ti或Au。

参考图10，形成所述背面电极层1之后，去除所述临时衬底12和所述键合胶层11。

形成所述背面电极层1之后，还包括：在切割道上进行切割，形成芯粒；之后，参考图9，将芯粒封装到热沉13上；之后，参考图10，去除所述临时衬底12和所述键合胶层11。也可以去除所述临时衬底和所述键合胶层之后，将芯粒封装到热沉上。

本实施例中，为了给热沉的背面提供非常好的水冷散热效果，还提供冷却装置，将所述热沉位于所述冷却装置上。

关于冷却装置包括冷却通道单元、以及与冷却通道单元连通的进液通道和出液通道。冷却通道单元中具有散热通道。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种垂直腔面发射半导体发光结构，其特征在于，包括：

背面电极层；

位于背面电极层一侧的第一布拉格反射镜；

位于所述第一布拉格反射镜背向所述背面电极层一侧的有源层；

位于所述有源层背向所述第一布拉格反射镜一侧的第二布拉格反射镜；

所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间未设置衬底层。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体发光结构，其特征在于，还包括：位于所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间的接触掺杂层，所述接触掺杂层中的掺杂浓度大于第一布拉格反射镜中的掺杂浓度。

3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射半导体发光结构，其特征在于，所述接触掺杂层的厚度为100nm~200nm。

4.根据权利要求2所述的垂直腔面发射半导体发光结构，其特征在于，所述接触掺杂层的材料包括N型掺杂GaAs。

5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体发光结构，其特征在于，所述垂直腔面发射半导体发光结构的厚度小于或等于10微米。

6.一种垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底层；

在所述衬底层的一侧形成第一布拉格反射镜；

在所述第一布拉格反射镜背离所述衬底层的一侧依次形成有源层和第二布拉格反射镜；

形成所述第二布拉格反射镜之后，刻蚀去除所述衬底层；

去除所述衬底层之后，在所述第一布拉格反射镜背离所述有源层的一侧形成背面电极层。

7.根据权利要求6所述的垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法，其特征在于，还包括：在形成第一布拉格反射镜之前，在所述衬底层的一侧表面形成刻蚀截止层；在所述衬底层的一侧形成第一布拉格反射镜的步骤为：在所述刻蚀截止层背离所述衬底层的一侧形成第一布拉格反射镜；

去除所述衬底层的步骤中，以所述刻蚀截止层为停止层；

去除衬底层之后，且在形成背面电极层之前，刻蚀去除所述刻蚀截止层。

8.根据权利要求7所述的垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法，其特征在于，还包括：在形成所述第一布拉格反射镜之前，在所述刻蚀截止层背离所述衬底层的一侧表面形成接触掺杂层；形成背面电极层之后，所述接触掺杂层位于所述背面电极层和所述第一布拉格反射镜之间。

9.根据权利要求6所述的垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法，其特征在于，还包括：刻蚀去除所述衬底层之前，在所述第二布拉格反射镜、有源层和至少部分厚度的第一布拉格反射镜中形成若干开口，相邻的开口之间构成发光柱；在所述发光柱的顶部表面形成正面电极层；形成所述正面电极层之后，在所述正面电极层背离所述衬底层的一侧以及相邻的发光柱之间形成键合胶层；

提供临时衬底，形成所述键合胶层之后，将所述键合胶层键合到所述临时衬底上；将所述键合胶层键合到所述临时衬底上之后，刻蚀去除所述衬底层；形成所述背面电极层之后，去除所述临时衬底和所述键合胶层。

10.根据权利要求7所述的垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法，其特征在于，所述刻蚀截止层的材料包括InGaP。

11.根据权利要求7所述的垂直腔面发射半导体发光结构的制备方法，其特征在于，所述刻蚀截止层的厚度为50nm~150nm。

12.一种封装组件，其特征在于，包括：

如权利要求1至5任意一项所述的垂直腔面发射半导体发光结构；

热沉，所述半导体发光结构位于所述热沉上。

13.根据权利要求12所述的封装组件，其特征在于，还包括：冷却装置；所述热沉位于所述冷却装置上。