半导体器件芯片结构及其制备方法

摘要

本公开提供了一种半导体器件芯片结构及其制备方法，其中，所述半导体器件芯片结构的制备方法，包括以下步骤：在半导体外延片上形成光刻胶掩膜，并通过曝光后显影形成周期性结构；刻蚀去除无光刻胶掩蔽区域的部分外延层，在半导体外延片上形成脊形台面结构；在形成有脊形台面结构的所述半导体外延片的表面上沉积电绝缘介质层；去除所述脊形台面上的电绝缘介质，制作出电流注入窗口；以及在半导体外延片上形成P型电极和N型电极，由此完成半导体器件芯片结构的制备。本公开半导体器件芯片结构及其制备方法，在确保器件性能良好的前提下，简化了半导体器件的制备流程，提高了制备时效。

权利要求

1.一种半导体器件芯片结构的制备方法，包括以下步骤：

在半导体外延片上形成光刻胶掩膜，并通过曝光后显影形成周期性结构；

刻蚀去除无光刻胶掩蔽区域的部分外延层，在半导体外延片上形成脊形台面结构；

在形成有脊形台面结构的所述半导体外延片的表面上沉积电绝缘介质层；

去除所述脊形台面上的光刻胶及光刻胶上的电绝缘介质，制作出电流注入窗口；以及在半导体外延片上形成P型电极和N型电极，由此完成半导体器件芯片结构的制备。

2.根据权利要求1所述的半导体器件芯片结构的制备方法，其中，在所述在半导体外延片上形成光刻胶掩膜，并通过曝光后显影形成周期性结构的步骤和所述刻蚀去除无光刻胶掩蔽区域的部分外延层，在半导体外延片上形成脊形台面结构的步骤之间，还包括：对曝光和显影后的外延片进行烘焙。

3.根据权利要求1所述的半导体器件芯片结构的制备方法，其中，所述在半导体外延片上形成光刻胶掩膜，并通过曝光后显影形成周期性结构的步骤包括以下子步骤：清洗半导体外延片并烘干；

将光刻胶涂覆在清洗、烘干之后的所述外延片上，并通过光刻曝光显影将光刻版图复制转移到外延片的上表面形成周期性结构；以及对形成有所述周期性结构后的所述外延片进行坚膜。

4.根据权利要求1所述的半导体器件芯片结构的制备方法，其中，所述光刻胶为负性光刻胶或反转光刻胶，光刻胶掩膜的厚度为3.0～5.0μm，所述脊形台面的宽度为2～150μm；所述电绝缘介质层的厚度为所述光刻胶掩膜厚度的3％～8％，生长电绝缘介质层的温度低于光刻胶掩膜所需要坚膜的温度。

5.根据权利要求1所述的半导体器件芯片结构的制备方法，其中，采用有机溶剂去除所述脊形台面上的电绝缘介质，制作出电流注入窗口，所述有机溶剂为丙酮和异丙醇。

6.根据权利要求1所述的半导体器件芯片结构的制备方法，其中，所述半导体外延片由下而上依次包括：一衬底、一缓冲层、一下限制层、一下波导层、一有源层、一上波导层、一上限制层以及一欧姆接触层。

7.根据权利要求6所述的半导体器件芯片结构的制备方法，其中，在刻蚀去除无光刻胶掩蔽区域的部分外延层，在半导体外延片上形成脊形台面结构的步骤中，采用干法或湿法刻蚀依次刻蚀外延片上表面的欧姆接触层、上限制层和上波导层，且所述上波导层未完全刻蚀穿，由此形成脊形台面结构。

8.根据权利要求6所述的半导体器件芯片结构的制备方法，其中，所述衬底为GaAs材料；所述P型电极为Ti/Pt/Au金属层，所述N型电极为Au/Ge/Ni金属层；所述电绝缘介质的材质为二氧化硅，采用的沉积工艺为电感耦合增强等离子体沉积法，沉积温度为90℃。

9.一种半导体器件芯片结构，其采用如权利要求1至8中任一项所述的制备方法制备而成。

10.根据权利要求9所述的半导体器件芯片结构，其中，所述半导体器件为半导体激光器、半导体发光二极管或半导体探测器。

说明书

半导体器件芯片结构及其制备方法

技术领域

[0001] 本公开属于半导体光电技术领域，尤其涉及一种半导体器件芯片结构及其制备方法。

背景技术

[0002] 半导体器件，例如半导体激光器是当今光电子实用器件的核心技术之一，其具有体积小，质量轻、寿命长等优点，广泛应用于民用生产和军事领域。现有的半导体激光器在制备工艺中通常都是涂覆2～3次光刻胶，利用光刻胶作为掩膜，使用腐蚀液对外延片进行腐蚀，形成台面；腐蚀在其上生长二氧化硅或碳化硅等绝缘介质，形成电流注入窗口。现有半导体器件芯片结构的制备方法可操作性很强，可获得性能良好的器件，但是制备效率较低。因此，在制备性能良好的器件的同时，简化半导体激光器生产制备流程，对于提高半导体激光器制备效率具有非常重要的意义。

发明内容

[0003] (一)要解决的技术问题

[0004] 鉴于上述技术问题，本公开的主要目的在于提供一种半导体器件芯片结构及其制备方法，在确保器件性能良好的前提下简化了半导体器件的制备流程，提高了器件芯片的制备时效。

[0005] (二)技术方案

[0006] 根据本公开的一个方面，提供了一种半导体器件芯片结构的制备方法，包括以下步骤：在半导体外延片上形成光刻胶掩膜，并通过曝光后显影形成周期性结构；刻蚀去除无光刻胶掩蔽区域的部分外延层，在半导体外延片上形成脊形台面结构；在形成有脊形台面结构的所述半导体外延片的表面沉积电绝缘介质层；去除所述脊形台面上的电绝缘介质，制作出电流注入窗口；以及在半导体外延片上形成P型电极和N型电极，由此完成半导体器件芯片结构的制备。

[0007] 在一些实施例中，在所述在半导体外延片上形成光刻胶掩膜，并通过曝光后显影形成周期性结构的步骤和所述刻蚀去除无光刻胶掩蔽区域的部分外延层，在半导体外延片上形成脊形台面结构的步骤之间，还包括：对曝光和显影后的外延片进行烘焙。

[0008] 在一些实施例中，所述在半导体外延片上形成光刻胶掩膜，并通过曝光后显影形成周期性结构的步骤包括以下子步骤：清洗半导体外延片并烘干；将光刻胶涂覆在清洗、烘干之后的所述外延片上，并通过光刻曝光显影将光刻版图复制转移到外延片的上表面形成周期性结构；以及对形成有所述周期性结构后的所述外延片进行坚膜。

[0009] 在一些实施例中，所述光刻胶为负性光刻胶或反转光刻胶，光刻胶掩膜的厚度为3.0～5.0μm，所述脊形台面的宽度为2～150μm；所述电绝缘介质层的厚度为所述光刻胶掩膜厚度的3％～8％，生长电绝缘介质层的温度低于光刻胶掩膜所需要坚膜的温度。

[0010] 在一些实施例中，采用有机溶剂去除所述脊形台面上的电绝缘介质，制作出电流注入窗口，所述有机溶剂为丙酮和异丙醇。

[0011] 在一些实施例中，所述半导体外延片由下而上依次包括：一衬底、一缓冲层、一下限制层、一下波导层、一有源层、一上波导层、一上限制层以及一欧姆接触层。

[0012] 在一些实施例中，在刻蚀去除无光刻胶掩蔽区域的部分外延层，在半导体外延片上形成脊形台面结构的步骤中，采用干法或湿法刻蚀依次刻蚀外延片上表面的欧姆接触层、上限制层和上波导层，且所述上波导层未完全刻蚀穿，由此形成脊形台面结构。

[0013] 在一些实施例中，所述衬底为GaAs材料；所述P型电极为Ti/Pt/Au金属层，所述N型电极为Au/Ge/Ni金属层；所述电绝缘介质的材质为二氧化硅，采用的沉积工艺为电感耦合增强等离子体沉积法，沉积温度为90℃。

[0014] 根据本公开的另一个方面，提供了一种半导体器件芯片结构，其采用所述的制备方法制备而成。

[0015] 在一些实施例中，所述半导体器件为半导体激光器、半导体发光二极管或半导体探测器。

[0016] (三)有益效果

[0017] 从上述技术方案可以看出，本公开半导体器件芯片结构及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：

[0018] (1)采用本公开提出的制备方法制备得到的脊形台面半导体器件芯片结构，性能好、良品率高，能够实现输出高的光束质量的光。

[0019] (2)本公开只需涂覆一次光刻胶，进行一次曝光和显影就可以完成器件芯片结构的制备，简化了制备流程，提高了制备时效。

[0020] (3)本公开在外延片上生长二氧化硅或氮化硅绝缘介质后，无需进行涂覆光刻胶和曝光等操作，而是可以直接去除脊形台面区域上的二氧化硅等电绝缘介质，进而生长电极后完成器件芯片的制备，提高了脊形半导体器件的制备时效。

附图说明

[0021] 通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。

[0022] 图1是本公开实施例中脊形半导体激光器外延片的结构示意图。

[0023] 图2是本公开实施例中在外延片上涂覆光刻胶并曝光显影后脊形半导体激光器的截面示意图。

[0024] 图3是本公开实施例中干法刻蚀外延片中部分半导体材料后脊形半导体激光器的截面示意图。

[0025] 图4是本公开实施例中在外延片上表面生长二氧化硅后脊形半导体激光器的截面示意图。

[0026] 图5是本公开实施例中去除部分二氧化硅后脊形半导体激光器的截面示意图。

[0027] <符号说明>

[0028] 1-衬底、2-缓冲层、3-下限制层、4-下波导层、5-有源层、6-上波导层、7-上限制层、8-上接触层、9-光刻胶、10-二氧化硅。

具体实施方式

[0029] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

[0030] 需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。

[0031] 本公开公开了一种脊形台面半导体器件芯片结构的制备方法，包括以下步骤：

[0032] S1、在半导体外延片上形成光刻胶掩膜，并通过光刻机曝光后显影形成周期性结构；

[0033] S2、干法或湿法刻蚀去除无光刻胶掩蔽区域的部分外延层，在半导体外延片上形成脊形台面结构；

[0034] S3、在半导体外延片的表面沉积一层电绝缘介质；

[0035] S4、用有机溶剂去除脊形台面上的光刻胶及光刻胶上的电绝缘介质，制作出电流注入窗口。

[0036] S5、蒸发溅射P型电极，减薄衬底，溅射N型电极，蒸发合金，完成芯片的制备。

[0037] 可见，本公开只需涂覆一次光刻胶，进行一次曝光和显影就可以完成器件芯片结构的制备，在外延片上生长二氧化硅或氮化硅绝缘介质后，无需进行涂覆光刻胶和曝光等操作，而是可以直接去除脊形台面区域上的二氧化硅等电绝缘介质，进而生长电极后完成器件芯片的制备，提高了脊形半导体器件的制备时效提高了脊形半导体器件的制备时效。

[0038] 在上述步骤S1和S2之间，还包括对曝光和显影后的外延片进行烘焙。

[0039] 上述步骤S1中光刻胶掩膜的厚度为3.0～5.0μm，脊形台面的宽度为2～150μm。

[0040] 优选地，上述光刻胶为负性光刻胶或反转光刻胶。

[0041] 优选地，上述电绝缘介质的厚度应为光刻胶掩膜厚度的3％～8％，生长电绝缘介质层的温度应低于光刻胶掩膜所需要坚膜的温度。

[0042] 优选地，上述有机溶剂为丙酮和异丙醇。

[0043] 优选地，上述半导体外延片的结构包括一欧姆接触层、一上限制层、一上波导层、一有源层、一下波导层、一下限制层、一缓冲层、一衬底。

[0044] 优选地，上述衬底为GaAs材料。

[0045] 优选地，上述P型电极为Ti/Pt/Au金属层，N型电极为Au/Ge/Ni金属层。

[0046] 优选地，上述半导体器件可为半导体激光器、半导体发光二极管或半导体探测器。

[0047] 本公开在外延片上生长二氧化硅或氮化硅绝缘介质后，无需进行涂覆光刻胶和曝光等操作，而是可以直接去除脊形台面区域上的二氧化硅等电绝缘介质，进而生长电极后完成器件芯片的制备，提高了制备时效。

[0048] 以下通过具体实施例对本公开提出的半导体器件芯片结构的制备方法进行详细描述。

[0049] 本实施例中以脊形半导体激光器为例，半导体激光器采用脊形台面结构，具体工艺包括以下步骤：

[0050] S1，在半导体激光器外延片上形成光刻胶掩膜，并通过光刻机曝光后显影形成周期性结构；其中，如图1所示，所述半导体激光器外延片由下而上依次包括：一衬底1、一缓冲层2、一下限制层3、一下波导层4、一有源层5、一上波导层6、一上限制层7以及一上接触层8(也称欧姆接触层)。

[0051] 具体的，所述步骤S1包括以下子步骤：

[0052] S11，将半导体激光器外延片清洗干净并烘干。

[0053] S12，将光刻胶9涂覆在外延片上，并通过光刻曝光显影将光刻版图复制转移到外延片的上表面形成周期性结构；本实施例中，所述光刻胶为负性光刻胶，其厚度4.0μm，光刻版条宽为3.0μm，周期为10μm。显影后外延片上的图形结构如图2所示。

[0054] S13，将外延片在一定条件下进行坚膜，本实施例中，所述一定条件为：温度115℃，时间20分钟。

[0055] S2，干法或湿法刻蚀去除无光刻胶掩蔽区域的部分外延层，在半导体外延片上形成脊形台面结构；

[0056] 具体的，本实施例中采用干法刻蚀依次刻蚀无光刻胶掩蔽区域的半导体激光器外延片的欧姆接触层8、上限制层7和上波导层6。在本实施例中，上波导层6未被完全刻蚀穿，形成脊形台面结构。其中，获得的脊形台面的宽度为3μm。刻蚀后的器件结构如图3所示。

[0057] S3，在半导体外延片的表面沉积一层电绝缘介质；

[0058] 具体的，本实施例中，电绝缘介质的材质为二氧化硅，采用电感耦合增强等离子体沉积法，沉积二氧化硅的温度设置在90℃。在经过刻蚀过的半导体激光器外延片的上表面生长300nm的二氧化硅绝缘介质膜10。此时外延片的结构如图4所示。由此，本公开在此工艺条件下实现了附着光刻胶的外延片进行二氧化硅的生长。

[0059] S4，用有机溶剂去除脊形台面上的光刻胶及光刻胶上的电绝缘介质，制作出电流注入窗口。

[0060] 具体的，可将生长完二氧化硅后的外延片用丙酮浸泡若干小时，直至将脊形结构上面的光刻胶9及二氧化硅10完全去除，形成如图5所示的结构。

[0061] 与现有制备方法相比，本公开在实现了附着光刻胶的外延片进行二氧化硅的生长的条件下，长完二氧化硅后就可以把台面区域上留有的光刻胶及其上二氧化硅等去除，无需先去除光刻胶，再生长二氧化硅，然后涂覆光刻胶，再将脊形台面上的二氧化硅去除，从而简化了制备流程。

[0062] 步骤S5，蒸发溅射P型电极，减薄衬底，溅射N型电极，蒸发合金，完成芯片的制备。

[0063] 具体的，利用溅射设备，在外延片上表面溅射Ti/Pt/Au金属层(即在所述外延片上依次溅射Ti、Pt、Au)。然后将其背面减薄并抛光，将外延片清洗干净后在背面溅射Au/Ge/Ni金属层，由此完成器件芯片结构的制备。

[0064] 另外，本公开还提供了一种半导体器件芯片结构，其采用所述半导体器件芯片结构的制备方法制备而成。

[0065] 其中，所述半导体器件可为半导体激光器、半导体发光二极管或半导体探测器。

[0066] 至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

[0067] 需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

[0068] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

[0069] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。