一種減少半導體激光器封裝應力的芯片結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種用于減少半導體激光器封裝應力的芯片結構，屬于半導體激 光器芯片技術領域。
【背景技術】
[0002] 對于半導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，以保證激光 的照射、傳導或栗浦效果。目前普遍采用的半導體激光器芯片的結構如圖1所示，是在半導 體基片1上采用金屬有機氣相外延法順次生長第一包覆層2、第一光波導層3、發(fā)光活性層 4、第二光波導層5和第二包覆層6,而后利用光刻和氣相外延生長的方法，刻蝕去除部分第 二光波導層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。通過電流注入?yún)^(qū)域W和光 增益區(qū)域A對電子和光子的限域效應，提升激光器的輸出功率和穩(wěn)定性。激光器芯片需要 通過焊料燒結到熱沉上使用，一般工藝是將焊料層與P面電接觸層8燒結和合金。金屬焊 料在燒結的升降溫過程中形變較半導體發(fā)光層要大得多，在發(fā)光增益區(qū)域兩側的焊料會在 燒結后對發(fā)光增益區(qū)域A產(chǎn)生顯著的殘余應力，如附圖1中的箭頭所示。
[0003]目前半導體激光器一般采用的量子阱結構中，量子尺寸效應使有源區(qū)材料的重空 穴與輕空穴的能帶簡并度解除，這對應于晶體中的對稱性發(fā)生變化，會導致躍迀矩陣元的 各向異性。當阱材料受到平行或垂直于阱面方向的應變作用時，其價帶頂?shù)闹乜昭芗壓?輕空穴能級的位置、曲率和有效質(zhì)量均將發(fā)生變化。因此，發(fā)光增益區(qū)域受到的應力不僅影 響半導體激光器的閾值電流和增益效應，還將改變出射激光的物理特性，激光的波長、峰位 和偏振模式都將發(fā)生變化，一般表現(xiàn)為激光波長出現(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)光峰且波長位置穩(wěn)定的激光器。因而，需要優(yōu)化芯片結構，降低 半導體激光器燒結后的焊料殘余應力。
[0004] 現(xiàn)有半導體激光器中對輸出激光發(fā)光峰和波長的穩(wěn)定性以及對半導體激光器芯 片的封裝應力的關注，均為從芯片內(nèi)的外延結構或者與芯片貼合的熱沉上進行修改和優(yōu) 化。而實際應用中激光器芯片是通過焊料貼裝到熱沉上的，所受到的應力作用也是由于焊 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)有技術沒有很好的解決激光發(fā) 光峰波長穩(wěn)定性及封裝應力有效降低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型提供一種具有低的封裝應力和高的激光輸出穩(wěn) 定性的半導體激光器芯片結構，以解決現(xiàn)有技術中半導體激光器芯片在封裝后由于燒結殘 余應力而造成的激光多雙峰且波長位置不穩(wěn)定等問題。
[0006] 本實用新型的技術方案如下：
[0007] -種減少半導體激光器封裝應力的芯片結構，包括在一半導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)域的增益波導型半導體激光器結構，并具有沿激光振蕩方 向延伸的2個溝槽，所述發(fā)光增益區(qū)域設置于2個溝槽的中間位置。
[0008] 優(yōu)選的，所述2個溝槽開口的寬度之和占芯片寬度的總比例控制在5-30%，所述 溝槽的開口寬度和深度的比例在2-50。通過適當加大溝槽的開口寬度及調(diào)控開口寬度和深 度比，使后續(xù)封裝時的焊料充分進入和浸潤到溝槽內(nèi)并減少了發(fā)光增益區(qū)域兩側的焊料， 保證芯片燒結面的導電導熱能力，從而明顯降低燒結封裝后產(chǎn)生的殘余應力，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，溝槽下邊長與 上開口的比例在50% -150%。優(yōu)選所述的2個溝槽形狀、尺寸相同。
[0011] 優(yōu)選的，溝槽開口的寬度為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 ;以保證焊料充分進入和浸潤溝槽內(nèi)部。
[0013] 根據(jù)本實用新型，優(yōu)選的，溝槽的開口寬度為15-30 μ m，深度為1-2 μ m。
[0014] 根據(jù)本實用新型，所述的增益波導型半導體激光器結構，是在半導體基片上順次 生長有第一包覆層、第一光波導層、發(fā)光活性層、第二光波導層和第二包覆層；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個溝槽，溝槽深度達到至少全部第二包覆 層和適當厚度的第二光波導層，2個溝槽之間部分的發(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，形成本實用新型的芯片結構。
[0015] 根據(jù)本實用新型，所述溝槽是利用光刻工藝在芯片表面進行刻蝕形成的，至少刻 蝕掉所述溝槽區(qū)域的第二包覆層和適當厚度的第二光波導層；或者刻蝕到發(fā)光活性層、第 一光波導層、第一包覆層中的任一層，或者刻蝕到半導體基片層。
[0016] 本實用新型中，所述半導體基片選自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，采用適配的光波導層和包 覆層材料。根據(jù)所需波長的激光，適當確定各層的厚度、成分和摻雜量等。
[0017] 本實用新型的有益效果：
[0018] 本實用新型通過對芯片的外側形狀和結構的設計優(yōu)化，采用發(fā)光增益區(qū)域兩側設 計適當寬度和深度的溝槽的芯片結構，使后續(xù)封裝工序的焊料充分進入和浸潤到溝槽內(nèi)實 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)域兩側的焊料，降低芯片在燒結封 裝完成后的使用過程中所受到的應力作用，獲得低成本高效率的減少半導體激光器封裝應 力并提升出射激光的波長單一性和穩(wěn)定性的芯片結構。同時整個P面電接觸層通過焊料貼 合到熱沉上，以保證導電導熱能力不會因溝槽的引入而降低。
[0019] 本實用新型減少封裝應力的芯片結構利用現(xiàn)有工藝即可制造，無需額外的設備， 因此不會帶來制造成本的增加，易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0020] 圖1是對比例原有半導體激光器芯片的結構示意圖。A為發(fā)光增益區(qū)域，W為電 流注入?yún)^(qū)域。箭頭表示兩側焊料在燒結后對發(fā)光增益區(qū)域A產(chǎn)生的殘余應力；圖2是本實 用新型半導體激光器芯片的結構示意圖。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、半導體基片，2、第一包覆層，3、第一光波導層，4、發(fā)光活性層，5、第二光波導層，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是對比例原有半導體激光器芯片封裝后激光器波長呈現(xiàn)雙峰的情況，有兩個 臨近的發(fā)光峰。圖4是本實用新型實施例1的半導體激光器芯片封裝后激光器波長呈現(xiàn)單 個波峰情況。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合實施例、對比例和附圖對本實用新型做進一步描述。但不限于此。
[0023] 實施例1 :
[0024] -種減少半導體激光器封裝應力的芯片結構，如圖2所示。
[0025] 在GaAs基片1上依次有外延生長的Ιμπι的AlGaAs第一包覆層2、0. 5μπι的 AlGaAs第一光波導層3、AlGaInAs/AlGaAs量子阱結構的發(fā)光活性層4、0. 5 μ m的AlGaAs第 二光波導層5和1