一種減少半導(dǎo)體激光器封裝應(yīng)力的芯片結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種用于減少半導(dǎo)體激光器封裝應(yīng)力的芯片結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體激 光器芯片技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于半導(dǎo)體激光器不僅要求高輸出功率，還要求單一而穩(wěn)定的波長(zhǎng)，以保證激光 的照射、傳導(dǎo)或栗浦效果。目前普遍采用的半導(dǎo)體激光器芯片的結(jié)構(gòu)如圖1所示，是在半導(dǎo) 體基片1上采用金屬有機(jī)氣相外延法順次生長(zhǎng)第一包覆層2、第一光波導(dǎo)層3、發(fā)光活性層 4、第二光波導(dǎo)層5和第二包覆層6,而后利用光刻和氣相外延生長(zhǎng)的方法，刻蝕去除部分第 二光波導(dǎo)層5和第二包覆層6后形成發(fā)光增益區(qū)域A，然后部分覆蓋注入阻隔層7,再沉積 P面電接觸層8,形成電流注入?yún)^(qū)域W，最后沉積N面電接觸層9。通過(guò)電流注入?yún)^(qū)域W和光 增益區(qū)域A對(duì)電子和光子的限域效應(yīng)，提升激光器的輸出功率和穩(wěn)定性。激光器芯片需要 通過(guò)焊料燒結(jié)到熱沉上使用，一般工藝是將焊料層與P面電接觸層8燒結(jié)和合金。金屬焊 料在燒結(jié)的升降溫過(guò)程中形變較半導(dǎo)體發(fā)光層要大得多，在發(fā)光增益區(qū)域兩側(cè)的焊料會(huì)在 燒結(jié)后對(duì)發(fā)光增益區(qū)域A產(chǎn)生顯著的殘余應(yīng)力，如附圖1中的箭頭所示。
[0003]目前半導(dǎo)體激光器一般采用的量子阱結(jié)構(gòu)中，量子尺寸效應(yīng)使有源區(qū)材料的重空 穴與輕空穴的能帶簡(jiǎn)并度解除，這對(duì)應(yīng)于晶體中的對(duì)稱性發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致躍迀矩陣元的 各向異性。當(dāng)阱材料受到平行或垂直于阱面方向的應(yīng)變作用時(shí)，其價(jià)帶頂?shù)闹乜昭芗?jí)和 輕空穴能級(jí)的位置、曲率和有效質(zhì)量均將發(fā)生變化。因此，發(fā)光增益區(qū)域受到的應(yīng)力不僅影 響半導(dǎo)體激光器的閾值電流和增益效應(yīng)，還將改變出射激光的物理特性，激光的波長(zhǎng)、峰位 和偏振模式都將發(fā)生變化，一般表現(xiàn)為激光波長(zhǎng)出現(xiàn)多雙峰且不斷變換（如附圖3所示）。 而正常工作所需的是單一發(fā)光峰且波長(zhǎng)位置穩(wěn)定的激光器。因而，需要優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)，降低 半導(dǎo)體激光器燒結(jié)后的焊料殘余應(yīng)力。
[0004] 現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器中對(duì)輸出激光發(fā)光峰和波長(zhǎng)的穩(wěn)定性以及對(duì)半導(dǎo)體激光器芯 片的封裝應(yīng)力的關(guān)注，均為從芯片內(nèi)的外延結(jié)構(gòu)或者與芯片貼合的熱沉上進(jìn)行修改和優(yōu) 化。而實(shí)際應(yīng)用中激光器芯片是通過(guò)焊料貼裝到熱沉上的，所受到的應(yīng)力作用也是由于焊 料和熱沉的變形并經(jīng)由焊料傳遞到芯片發(fā)光層的。因此，現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有很好的解決激光發(fā) 光峰波長(zhǎng)穩(wěn)定性及封裝應(yīng)力有效降低的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種具有低的封裝應(yīng)力和高的激光輸出穩(wěn) 定性的半導(dǎo)體激光器芯片結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中半導(dǎo)體激光器芯片在封裝后由于燒結(jié)殘 余應(yīng)力而造成的激光多雙峰且波長(zhǎng)位置不穩(wěn)定等問(wèn)題。
[0006] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：
[0007] -種減少半導(dǎo)體激光器封裝應(yīng)力的芯片結(jié)構(gòu)，包括在一半導(dǎo)體基片上外延形成的 具有電流注入?yún)^(qū)域和發(fā)光增益區(qū)域的增益波導(dǎo)型半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，并具有沿激光振蕩方 向延伸的2個(gè)溝槽，所述發(fā)光增益區(qū)域設(shè)置于2個(gè)溝槽的中間位置。
[0008] 優(yōu)選的，所述2個(gè)溝槽開(kāi)口的寬度之和占芯片寬度的總比例控制在5-30%，所述 溝槽的開(kāi)口寬度和深度的比例在2-50。通過(guò)適當(dāng)加大溝槽的開(kāi)口寬度及調(diào)控開(kāi)口寬度和深 度比，使后續(xù)封裝時(shí)的焊料充分進(jìn)入和浸潤(rùn)到溝槽內(nèi)并減少了發(fā)光增益區(qū)域兩側(cè)的焊料， 保證芯片燒結(jié)面的導(dǎo)電導(dǎo)熱能力，從而明顯降低燒結(jié)封裝后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，獲得發(fā)光峰 位單一且穩(wěn)定的激光器芯片。
[0009] 優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體激光器芯片的寬度為100-500 μπι，發(fā)光增益區(qū)域的寬度為芯 片寬度的20% -80 %，發(fā)光增益區(qū)域的寬度一般為20-200 μ m。
[0010] 優(yōu)選的，所述溝槽的截面形狀為方形、梯形或半圓形。采用梯形時(shí)，溝槽下邊長(zhǎng)與 上開(kāi)口的比例在50% -150%。優(yōu)選所述的2個(gè)溝槽形狀、尺寸相同。
[0011] 優(yōu)選的，溝槽開(kāi)口的寬度為5-50 μπι，占芯片寬度的總比例控制在5-30%，以減少 發(fā)光增益區(qū)域周圍的焊料；
[0012] 優(yōu)選的，溝槽的深度為0. 5-5 μπι，溝槽的寬度和深度的比例在2-50,進(jìn)一步優(yōu)選 溝槽的寬度和深度的比例在10-20 ;以保證焊料充分進(jìn)入和浸潤(rùn)溝槽內(nèi)部。
[0013] 根據(jù)本實(shí)用新型，優(yōu)選的，溝槽的開(kāi)口寬度為15-30 μ m，深度為1-2 μ m。
[0014] 根據(jù)本實(shí)用新型，所述的增益波導(dǎo)型半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，是在半導(dǎo)體基片上順次 生長(zhǎng)有第一包覆層、第一光波導(dǎo)層、發(fā)光活性層、第二光波導(dǎo)層和第二包覆層；在第二包覆 層表面光刻刻蝕形成有沿激光振蕩方向延伸的2個(gè)溝槽，溝槽深度達(dá)到至少全部第二包覆 層和適當(dāng)厚度的第二光波導(dǎo)層，2個(gè)溝槽之間部分的發(fā)光增益區(qū)域上留有電注入窗口，其余 部分的第二包覆層上有阻隔層，即發(fā)光增益區(qū)域正上方為電流注入?yún)^(qū)域。還沉積有P面電 接觸層和N面電接觸層，形成本實(shí)用新型的芯片結(jié)構(gòu)。
[0015] 根據(jù)本實(shí)用新型，所述溝槽是利用光刻工藝在芯片表面進(jìn)行刻蝕形成的，至少刻 蝕掉所述溝槽區(qū)域的第二包覆層和適當(dāng)厚度的第二光波導(dǎo)層；或者刻蝕到發(fā)光活性層、第 一光波導(dǎo)層、第一包覆層中的任一層，或者刻蝕到半導(dǎo)體基片層。
[0016] 本實(shí)用新型中，所述半導(dǎo)體基片選自GaAs基片、SiC基片、InP基片或GaN基片。 采用AlGalnP或AlGalnAs材料體系獲得0. 6-1 μ m的激射波長(zhǎng)，采用適配的光波導(dǎo)層和包 覆層材料。根據(jù)所需波長(zhǎng)的激光，適當(dāng)確定各層的厚度、成分和摻雜量等。
[0017] 本實(shí)用新型的有益效果：
[0018] 本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)芯片的外側(cè)形狀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用發(fā)光增益區(qū)域兩側(cè)設(shè) 計(jì)適當(dāng)寬度和深度的溝槽的芯片結(jié)構(gòu)，使后續(xù)封裝工序的焊料充分進(jìn)入和浸潤(rùn)到溝槽內(nèi)實(shí) 現(xiàn)調(diào)控芯片表面的焊料的分布狀態(tài)，減少了發(fā)光增益區(qū)域兩側(cè)的焊料，降低芯片在燒結(jié)封 裝完成后的使用過(guò)程中所受到的應(yīng)力作用，獲得低成本高效率的減少半導(dǎo)體激光器封裝應(yīng) 力并提升出射激光的波長(zhǎng)單一性和穩(wěn)定性的芯片結(jié)構(gòu)。同時(shí)整個(gè)P面電接觸層通過(guò)焊料貼 合到熱沉上，以保證導(dǎo)電導(dǎo)熱能力不會(huì)因溝槽的引入而降低。
[0019] 本實(shí)用新型減少封裝應(yīng)力的芯片結(jié)構(gòu)利用現(xiàn)有工藝即可制造，無(wú)需額外的設(shè)備， 因此不會(huì)帶來(lái)制造成本的增加，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是對(duì)比例原有半導(dǎo)體激光器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。A為發(fā)光增益區(qū)域，W為電 流注入?yún)^(qū)域。箭頭表示兩側(cè)焊料在燒結(jié)后對(duì)發(fā)光增益區(qū)域A產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；圖2是本實(shí) 用新型半導(dǎo)體激光器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。A為發(fā)光增益區(qū)域，W為電流注入?yún)^(qū)域。圖1、圖 2中，1、半導(dǎo)體基片，2、第一包覆層，3、第一光波導(dǎo)層，4、發(fā)光活性層，5、第二光波導(dǎo)層，6、第 二包覆層，7、注入阻隔層，8、P面電接觸層，9、N面電接觸層；圖2中第二包覆層6在光刻后 分成三部分。
[0021] 圖3是對(duì)比例原有半導(dǎo)體激光器芯片封裝后激光器波長(zhǎng)呈現(xiàn)雙峰的情況，有兩個(gè) 臨近的發(fā)光峰。圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例1的半導(dǎo)體激光器芯片封裝后激光器波長(zhǎng)呈現(xiàn)單 個(gè)波峰情況。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合實(shí)施例、對(duì)比例和附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述。但不限于此。
[0023] 實(shí)施例1 :
[0024] -種減少半導(dǎo)體激光器封裝應(yīng)力的芯片結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
[0025] 在GaAs基片1上依次有外延生長(zhǎng)的Ιμπι的AlGaAs第一包覆層2、0. 5μπι的 AlGaAs第一光波導(dǎo)層3、AlGaInAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光活性層4、0. 5 μ m的AlGaAs第 二光波導(dǎo)層5和1