[發(fā)明專利]一種基于3D打印的GaAs基邊發(fā)射激光器制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710414669.9
• 申請(qǐng)日: 2017-06-05
• 公開（公告）號(hào): CN107069431A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許并社;賈志剛;馬淑芳;梁建;董海亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S5/323
• 分類號(hào): H01S5/323
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙)14100
• 代理人: 朱源

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子材料領(lǐng)域的GaAs基邊發(fā)射激光器芯片制備方法，具體為一種基于3D打印的GaAs基邊發(fā)射激光器制備方法。

背景技術(shù)

在目前已商業(yè)化的激光器中，半導(dǎo)體激光器以其電光轉(zhuǎn)換效率最高、體積最小、調(diào)制速率高、覆蓋波長范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在通信、醫(yī)療、激光加工等民用領(lǐng)域及激光制導(dǎo)、無線加密通信及激光武器等國防領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，成為激光器市場發(fā)展的主流趨勢(shì)。

半導(dǎo)體激光器類型包括邊發(fā)射激光器、分布布拉格(DBR)激光器、分布反饋(DFB)激光器、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。其中，GaAs基邊發(fā)射激光器是最早出現(xiàn)的半導(dǎo)體激光器，具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是大功率半導(dǎo)體激光器的基本發(fā)光單元。GaAs基邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制備一般分為三部分：第一，外延片生長：利用MOCVD或MBE技術(shù)外延生長激光器外延材料；第二，芯片加工：利用光刻、干法或濕法刻蝕、PECVD、離子束蒸鍍、真空解理、真空鍍膜、激光劃片等技術(shù)對(duì)激光外延片進(jìn)行加工，形成激光芯片；第三，激光器封裝。其中，前兩部分工藝流程涉及到十幾種先進(jìn)的材料制備及加工技術(shù)，包括了幾十甚至上百個(gè)步驟，制備工藝非常復(fù)雜，任何一個(gè)工藝步驟出現(xiàn)問題，激光器的性能都會(huì)受到巨大的影響，甚至無法實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射。除了制備工藝復(fù)雜之外，半導(dǎo)體激光器芯片制備所需要的設(shè)備不僅昂貴，且維護(hù)成本很高。所以，開發(fā)一種新的半導(dǎo)體芯片制備方法，以避免以上所述制備工藝復(fù)雜、設(shè)備維護(hù)成本高、有毒源材料浪費(fèi)問題，對(duì)半導(dǎo)體激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有不可估量的科學(xué)意義及商業(yè)價(jià)值。而正迅速發(fā)展的3D打印技術(shù)對(duì)于為以上問題的解決提供了新的方向與契機(jī)。

自1986年Charles Hull開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)以來，3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展，已經(jīng)在材料制備方面取代了多種傳統(tǒng)方法。目前，能夠用3D打印的材料包括：熱塑性塑料、幾乎所有金屬及其合金、共晶材料、橡膠、陶瓷、石膏、紙張、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、光聚合物等。用于制備GaAs基半導(dǎo)體激光器的材料包括III-V半導(dǎo)體單晶材料、絕緣鈍化材料及金屬電極，其中半導(dǎo)體單晶材料尚無法由3D打印技術(shù)來制備，但絕緣鈍化材料及金屬電極的制備可采用3D打印技術(shù)來完成。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)GaAs基邊發(fā)射激光器制備工藝復(fù)雜、設(shè)備維護(hù)成本高的缺點(diǎn)，提出了一種基于3D打印的GaAs基邊發(fā)射激光器制備方法。

本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于3D打印的GaAs基邊發(fā)射激光器制備方法，包括以下步驟：

（1）在GaAs襯底上生長邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)；

（2）利用光刻技術(shù)在外延結(jié)構(gòu)表面曝光形成臺(tái)面圖形，利用干法刻蝕技術(shù)刻蝕出臺(tái)面，使得臺(tái)面?zhèn)缺诖怪倍盖停缓罄脻穹涛g技術(shù)進(jìn)一步修飾臺(tái)面邊緣，使臺(tái)面?zhèn)缺诠饣瑴p少光在臺(tái)面?zhèn)缺诘膿p耗；

（3）利用3D打印技術(shù)制備絕緣鈍化層；

（4）利用3D打印技術(shù)制備P面電極；

（5）對(duì)GaAs襯底進(jìn)行減薄拋光；

（6）利用3D打印技術(shù)制備N面電極；

（7）在高真空中劃片，形成單管芯片或陣列芯片，然后在同樣的高真空下蒸鍍腔面鈍化層，以防激光器腔面被氧化；

（8）利用3D打印技術(shù)進(jìn)行腔面鍍膜，完成芯片制備。

上述的一種基于3D打印的GaAs基邊發(fā)射激光器制備方法，步驟（1）中制備的外延結(jié)構(gòu)可以是面向中小功率激光器的窄波導(dǎo)外延結(jié)構(gòu)，也可以是面向大功率激光器的寬波導(dǎo)外延結(jié)構(gòu)，外延結(jié)構(gòu)中的上下波導(dǎo)層既可以是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，也可以是非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

上述的一種基于3D打印的GaAs基邊發(fā)射激光器制備方法，外延結(jié)構(gòu)生長是利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或分子束外延技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，以保證外延材料質(zhì)量。

上述的一種基于3D打印的GaAs基邊發(fā)射激光器制備方法，步驟(3)(4)(6)(8)所述的利用3D打印制備絕緣鈍化層、P面電極、N面電極、腔面鍍膜的過程均分為三步：3D建模、3D打印、樣品修正。

上述的一種基于3D打印的GaAs基邊發(fā)射激光器制備方法，步驟(3)所述絕緣鈍化層的制備過程分為三步：第一步，利用3D建模軟件建立絕緣鈍化層3D模型，絕緣鈍化層覆蓋整個(gè)外延片表面，只在上臺(tái)面表面留出開孔，用于制備P面電極，開孔面積小于臺(tái)面面積；第二步，3D打印絕緣鈍化層；第三步，修飾絕緣鈍化層，使開孔邊緣平滑整齊。