CN102405569A - 半导体激光器的抗断裂金属化图案 - Google Patents

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Abstract

提供金属化图案以降低半导体激光器中芯片断裂的可能性。根据本文披露的一个实施例，金属化图案的焊盘边缘跨过激光器衬底的多个结晶平面而延伸。如此，在任何给定应力集中处开始的裂纹将需要跨衬底中的许多结晶平面传播，以达到很大的尺寸。本公开的其它实施例涉及相邻多对接触焊盘的相应几何形状和取向。公开并要求保护又一些其它的实施例。

Description

半导体激光器的抗断裂金属化图案
关联申请的交叉引用
本申请要求2009年4月20日提交的美国申请No.12/426,563的优先权益。
背景
本公开涉及半导体激光器，包括但不仅限于：红外或近红外分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射体(DBR)激光器、法布里-珀罗激光器等。本公开也涉及包含这类激光器的经频率转换的激光源。更具体地，本公开涉及半导体激光器的抗断裂金属化图案。
发明内容
尽管本公开的各种理念不仅限于工作在光谱的任何特定部分的激光器，然而在这里频繁地引用倍频绿光激光器，其示例性图示示出于图6中。在图6中，经频率转换的激光源100包括激光二极管110、波长转换器件120、耦合光学器件130、准直光学器件140以及输出滤色器150。在所示实施例中，使用耦合光学器件130将激光二极管110的输出(可以是IR光)耦合到波长转换器件120，该波长转换器件120可以是周期性极化MgO-掺杂的铌酸锂SHG晶体或一些其它类型的二次或更高次谐波波长转换器件，该耦合光学器件130可包括两个非球面透镜。在SHG晶体中产生的绿光和残留的IR泵浦光通过准直光学器件140被准直，并且剩下的IR光由滤色器150消除。
根据本公开的半导体激光器配有金属化图案以利于激光二极管的正确控制。例如，在经频率转换的激光源100的背景下，提供特殊的金属化图案以提供一些手段，籍此可在操作中调谐激光二极管110的发射波长以使其保持在波长转换器件120的转换带宽内。也可提供金属化图案用来控制激光二极管110的强度或调制率。金属化图案的不同部分可专门用来控制激光二极管的不同部分。尽管本公开不局限于任何特殊类型的控制机制，然而传统激光器设计采用金属接触焊盘，用于电流注入、热控制或其两者。本公开也构思半导体激光器中的金属化图案的尚在研发阶段的使用的适用性。
半导体激光器芯片的制造是复杂的并且经常涉及许多工艺步骤，包括材料生长、蚀刻、金属沉积和抛光。在制造激光器芯片后，通常由易碎材料制成的芯片(例如基于GaAs、InP、GaP、GaN、GaSb、InAs、InN、InSb或AlN的半导体材料系统)被安装在载体上。可由AlN或任意其它适合载体材料制成的载体提供所需的功能，即电连接、散热结构、机械支承等。经常被称为混合结构上芯片(COH)器件的这种类型封装件经常是例如合成绿光激光器的波长转换器激光源的重要组件。COH器件经常具有很高的芯片断裂率的特征，最常发生在COH器件暴露于温度变化后，所述温度变化可以是从-40℃至80℃的相对低温循环或例如在焊接操作中遇到的相对高的温度变化。在焊接操作中的温度变化可从300C至室温。
本发明人已认识到，芯片断裂最常发生在形成于半导体激光器芯片顶表面上的金属化焊盘的边界附近。进一步仔细的检查已发现，这些断裂常见地开始于金属化焊盘附近的芯片表面处，并通过半导体激光器芯片的横截平面传播。有限元模拟显示，在将半导体芯片安装于载体上之后，沿半导体芯片形成拉伸应力。必须注意，芯片内的幅值和天然(拉伸或挤压)应力取决于激光二极管芯片附连于其上的载体的材料特性以及温度加载(受热或受冷)的方向。确定应力性质的关键材料特性是激光二极管芯片和载体的热膨胀系数，并且两种材料的弹性模量在确定应力的幅值中起到一定作用。另外，应力性质依赖于整个结构正被加热还是正被冷却而改变。例如，在激光器操作中，整个结构将被加热，而在焊接操作中，整个结构将被冷却。如果这些应力集中线大体平行于激光器芯片的晶体平面行进，则随着应力级别在温度循环过程中增加，断裂能轻易地通过激光器芯片的横截面传播。
根据本公开的一些实施例，提供金属化图案以降低半导体激光器中芯片断裂的可能性。根据本文披露的一个实施例，金属化图案的焊盘边缘跨过激光器衬底的多个结晶平面而延伸。如此，在任何给定应力集中处开始的裂纹将需要跨衬底中的许多结晶平面传播，以达到很大的尺寸。
附图简述
本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中：
图1是DBR激光二极管的抗断裂金属化图案的示意性平面图；
图2是其中金属化图案可相对于激光器芯片的晶格平面取向的方式的示意图；
图3-5示出根据本公开的一些构思的相邻接触构造；以及
图6是包含DBR激光二极管的经频率转换的激光源的一般化示意图。
详细说明
首先参见图1和图2，其示出包括安装在载体衬底30上的激光器芯片20的半导体激光器10。图1示出激光器芯片20的金属化表面的平面图，而图2是金属化表面22的一部分、激光器芯片20的下层结晶结构的一部分以及载体衬底30的一部分的示意图。在图2中，为了解说目的，将晶体晶格的比例夸大表示。
激光器芯片20可以是任何传统或尚在研发的半导体激光器，例如分布式布拉格反射体(DBR)激光器，该DBR激光器包括增益区12、相位控制区14以及波长选择区16。在任何情形下，激光器芯片20将包括一种或多种这些类型的结晶功能区以及沿激光器芯片20通过结晶功能区12、14、16传播的纵向光轴延伸的波导25。
如图1和图2所示，包括金属和非金属部分的激光器芯片20的金属化表面22具有金属化图案24，该金属化图案24形成在激光器芯片20的结晶功能区12、14、16之上。金属化图案24基本平行于激光器芯片20的纵向光轴延伸，如波导25所定义的那样。可由任何传统或尚在研发的适于激光器应用的半导体制造的结晶功能区12、14、16具有一种晶格结构的特征，这种晶格结构包括多个晶格平面L1，L2，Li，Lj，…，这些晶格平面与激光器芯片20的金属化表面22相交。
典型激光二极管金属化图案将包括多个接触焊盘，这些接触焊盘提供用于焊接线、电连接线等的区域。典型的激光器芯片将需要许多不同类型的电连接，这导致许多分离的金属化焊盘。这些金属化焊盘可例如由在SiN层顶部上的5μm厚的金制成。两相邻的接触焊盘之间的边界经常平行于激光器芯片的诸主晶格平面中的一个，例如晶向<011>。本发明人已认识到，在这些类型的激光器芯片中，相对大的芯片断裂率通常发生在已将激光器芯片安装在载体上并随后在低温或高温下处理之后。
芯片断裂可使激光二极管的特性剧烈恶化。更具体地，本发明人已认识到，激光器的光谱更可能变成多模，并随机地从一个波长跳至另一波长。另外，在断裂的激光器芯片中，激光器输出功率可能更快速地减小。本发明人已认识到，芯片断裂可能由于将激光器芯片安装在载体上并随后使混合结构上芯片(COH)封装件处于极端温度所引起的应力而造成。执行1060nm激光器芯片封装件的有限元建模和分析，并披露了各封装件组件的相应热膨胀系数的不匹配造成激光器芯片的表面上的热机械应力。例如基于GaAs的半导体的典型激光器芯片是相对易碎的，并且在激光器芯片的各个功能区之间的间隙刻蚀区内存在很高的芯片破裂可能性。
本公开引入新的金属化图案，用来减少或消除前面提到的芯片断裂问题。总地来说，新图案的特征包括但不局限于：倾斜的焊接线焊盘；45°和135°的焊盘角而不是90°焊盘角；以及提供连续的金属化条、带或跨激光器芯片的几乎全部增益区和相位控制区延伸的其它部分28，用于提高强度。
在所示实施例中，激光器芯片20包括纵向相邻的接触焊盘P1-P5，这些接触焊盘P1-P5形成纵向相邻的多对接触焊盘，即(P1，P2)、(P2，P3)、(P3，P4)和(P4，P5)。为了提高这种类型金属化图案的抗断裂能力，纵向相邻的多对接触焊盘P1-P5的相对边被取向成跨多个晶格平面L1、L2、Li、Lj……延伸，这些晶格平面与激光器芯片20的金属化表面22相交。如此，由于焊盘边缘不与任何具体的晶格平面对准，断裂要传播通过激光器芯片的厚度可能需要更多能量。另外，构想到，将接触焊盘配置成占据金属化图案的绝大部分并形成跨多个晶格平面延伸的居间间隙σ，所述晶格平面与激光器芯片的金属化表面相交。
再次参见图1和图2，请注意典型金属化图案将进一步包括多个导电迹线26，这些导电迹线26可基本平行于晶格平面L1、L2、Li、Lj……地取向。在一些情形下，金属化图案的这些导电迹线和其它类型导电部分可沿器件的具体结晶平面延伸，因为多数成问题的裂纹线经常平行于且背离芯片的短边缘。类似地，在芯片边缘附近并沿芯片的纵向的焊盘边缘也可沿结晶平面延伸而没有显著的破裂风险。然而，可通过确保导电迹线不主宰金属化图案的表面积而减轻这些导电迹线对激光器芯片的抗断裂性的影响。同样要注意，纵向相邻的多对接触焊盘P1-P5的附加边缘可基本平行于晶格平面L1、L2、Li、Lj……地取向。为了减轻这些附加边缘对激光器芯片的抗断裂性的影响，可将金属化图案设计成确保这些附加边缘通过跨晶格平面L1、L2、Li、Lj……延伸的相对边缘在金属化图案中受控。通常，激光器芯片的晶格结构将相对于传播的光轴正交地对准，但也可考虑将本发明的理念应用于相对传播光轴角度不对准的晶格结构。
如前面提到的，激光器芯片的结晶功能区可包括增益区12、相位控制区14、波长选择区16或其结合。在一些特定实施例中，相邻的多对接触焊盘将位于激光器芯片的波长选择区16内，但也可考虑使相邻的多对接触焊盘位于激光器芯片的其中一个结晶功能区，位于激光器芯片的相邻结晶功能区的界面处，或两者兼而有之。
要注意，本文中对本公开的部件以特定方式“配置”以使特定特性具体化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与期望用途的叙述相反。更具体地，本文所提到的部件被“配置”的方式表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为对部件的结构特性的明确陈述。
为了描述和限定本发明，注意在本文中采用术语“基本上”来表示可归因于任何数量的比较、值、测量、或其它表示的固有不确定程度。在本文中还采用术语“基本上”来表示数量表示可以不同于所叙述的参考值但不在此问题上导致发明主题的基本功能改变的程度。
注意，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不用于限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至对要求保护的本发明的结构或功能而言重要。相反，这些术语仅仅旨在标识本发明的实施例的特定方面，或强调可用于也可不用于本发明的特定实施例的替代或附加特征。
为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语“近似地”来表示可归因于任何定量比较、数值、测量值、或其它表示的固有不确定程度。本文还采用术语“近似地”来表示一定量表示偏离规定参考值的程度，但不会在此问题上导致本发明主题的基本功能改变。
已详细地并参照本发明的具体实施例描述了本发明的主题，但显然多种修改和变化是可能的，且不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围。更具体地，虽然本发明的某些方面在本文中被标识为优选的或特别有优势的，但可构想本发明不一定限于这些方面。
注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明的目的，应注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入所附权利要求中的，该开放式的过渡短语用于引入对所述结构的一系列特性的陈述，且应当按照与更常用的开放式前序术语“包括”相似的方式进行解释。

Claims (17)

1.一种包括安装在载体衬底上的激光器芯片的半导体激光器，其中：
所述激光器芯片包括一个或多个结晶功能区以及沿通过所述激光器芯片的结晶功能区传播的纵向光轴延伸的波导；
所述激光器芯片还包括金属化表面，所述金属化表面包括形成在所述激光器芯片的结晶功能区之上并基本平行于所述激光器芯片的纵向光轴延伸的金属化图案；
所述激光器芯片的结晶功能区的特征是，包含与所述激光器芯片的金属化表面相交的多个晶格平面的晶格结构；
所述金属化图案包括形成纵向相邻的多对接触焊盘的多个纵向相邻的接触焊盘；以及
所述纵向相邻的多对接触焊盘的相对边缘取向成跨与所述激光器芯片的金属化表面相交的多个晶格平面延伸。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述金属化图案的接触焊盘占据所述金属化图案的绝大部分。
3.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述金属化图案进一步包括基本平行于晶格平面取向的多个导电迹线，所述晶格平面与所述激光器芯片的金属化表面相交。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：
所述纵向相邻的多对接触焊盘的附加边缘基本平行于与所述激光器芯片的金属化表面相交的晶格平面取向；以及
基本平行于晶格平面取向的所述附加边缘通过跨所述晶格平面延伸的相对边缘在所述金属化图案中受控。
5.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述金属化图案的接触焊盘受界定显著大于或显著小于90°的棱角的焊盘角落主宰。
6.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器芯片的金属化表面包括金属和非金属部分。
7.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器芯片的结晶功能区包括增益区、相位控制区、波长选择区或其结合。
8.如权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述相邻的多对接触焊盘位于所述激光器芯片的波长选择区内。
9.如权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述相邻的多对接触焊盘位于所述激光器芯片的结晶功能区中的一个内，位于所述激光器芯片的相邻结晶功能区的界面处，或两者兼而有之。
10.如权利要求9所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器芯片的剩余结晶功能区内的金属化图案受跨基本整个剩余功能区延伸的连续金属化部分控制。
11.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器芯片的晶格结构相对于传播光轴正交地对准。
12.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器芯片的晶格结构相对于传播光轴成角度地不对准。
13.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器芯片包括红外或近红外半导体激光器。
14.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器芯片包括分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射体(DBR)激光器或法布里-珀罗激光器。
15.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器耦合于经频率转换的激光源中的波长转换器件。
16.如权利要求15所述的半导体激光器，其特征在于，所述经频率转换的激光源形成多色激光投影仪的组件。
17.一种包括安装在载体衬底上的激光器芯片的半导体激光器，其中：
所述激光器芯片包括一个或多个结晶功能区以及沿通过所述激光器芯片的结晶功能区传播的纵向光轴延伸的波导；
所述激光器芯片还包括金属化表面，所述金属化表面包括形成在所述激光器芯片的结晶功能区之上并基本平行于所述激光器芯片的纵向光轴延伸的金属化图案；
所述激光器芯片的结晶功能区的特征是，包含与所述激光器芯片的金属化表面相交的多个晶格平面的晶格结构；
所述激光器芯片的金属化平面上的金属化图案包括多个接触焊盘；以及
所述接触焊盘占据所述金属化图案的绝大多数部分，并且在相邻接触焊盘之间的居间间隙跨过与所述激光器芯片的金属化表面相交的多个晶格平面延伸。
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