CN103887704B - 一种用于半导体激光器p面向下封装的热沉及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半导体激光器p面向下封装的热沉，包括基体材料层以及分别生长在基体材料层上下表面的上金属层和下金属层，所述上金属层由绝缘隔离槽分离成各自独立的第一正极电极、第二正极电极和负极电极，且所述第一正极电极用于给半导体激光器的脊形波导区提供工作时所需的电信号，所述第二正极电极用于给半导体激光器的锥形增益区提供工作时所需的电信号，所述负极电极连接半导体激光器的n面电极。本发明易实现带p电极分离结构的半导体激光器的p面向下封装，在使分离的p电极能独立注入电信号的同时，增强了半导体激光器的散热能力，延长了半导体激光器的寿命，还使器件易于与系统集成。

Description

一种用于半导体激光器p面向下封装的热沉及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，特别是涉及一种实现存在p电极分离结构的半导体激光器的p面向下封装的热沉及制作该热沉的方法。

背景技术

随着科技的不断发展，输出功率高且光束质量好的半导体激光器在医疗卫生、生物成像、激光显示、光泵浦固态激光器、非线性光学、光纤通信等领域都有着十分重要的应用。具有锥形波导结构的端面发射锁模半导体激光器能够提供较高的输出功率和较好的光束质量，且能实现单模输出。锥形锁模半导体激光器通常由两部分组成：脊形波导区和锥形增益区。脊形波导区用于模式过滤，以实现单模输出；锥形增益区用于功率放大，同时还可以减小输出腔面的功率密度，抑制腔面的灾变性光学损伤(COD)，并减弱使光束质量变差的非线性效应和自聚焦现象。在器件工作时，脊形波导区需要添加一个反向偏置电压，作为饱和吸收区；而锥形增益区则需要添加一个正向偏置电流来实现光放大。因此，锥形锁模半导体激光器的p电极要做成分离的结构，即脊形波导区和锥形增益区各有一个独立的p电极来提供正常工作所需的电信号。需指出，本发明中所涉及的半导体激光器均为带p电极分离结构的半导体激光器。

由于p电极分离结构的存在，一般半导体激光器封装使用的热沉难以实现锥形锁模半导体激光器的p面向下封装。而采用n面向下方法封装p电极分离半导体激光器，由于有源区与热沉的距离较大，不利于芯片与热沉之间的热交换，导致较大的热阻，影响器件的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于半导体激光器p面向下封装的热沉及其制作方法，用于解决现有技术中由于p电极分离结构的在在所引起的不易实现p面向下封装的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于半导体激光器p面向下封装的热沉，包括基体材料层以及分别生长在基体材料层上下表面的上金属层和下金属层，所述上金属层由绝缘隔离槽分离成各自独立的第一正极电极、第二正极电极和负极电极，且所述第一正极电极用于给半导体激光器的脊形波导区提供工作时所需的电信号，所述第二正极电极用于给半导体激光器的锥形增益区提供工作时所需的电信号，所述负极电极连接半导体激光器的n面电极。

这里，对于第一正极电极、第二正极电极和负极电极的形状没有严格要求，但是其分布的位置必须要保证能与半导体激光器进行相应的连接。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述基体材料层采用的材料是氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、金刚石、碳化硅、氧化铍或氮化硼中的任意一种。

进一步，所述基体材料层的厚度为0.8mm-1mm。

进一步，所述上金属层和所述下金属层采用的材料均为金、钛金、钛铂金或金锗镍金中的任意一种。

进一步，所述第一正极电极通过焊料层与所述半导体激光器的脊形波导区连接，且所述第二正极电极通过焊料层与所述半导体激光器的锥形放大区连接。

进一步，所述负极电极通过键合金线连接所述半导体激光器的n面电极。

本发明的技术方案还包括一种制作上述热沉的方法，其具体包括以下步骤：

步骤1，制备基体材料层，并在基体材料层的上下表面分别生长上金属层和下金属层；

步骤2，制备绝缘隔离槽，通过绝缘隔离槽将上金属层分离成各自独立的第一正极电极、第二正极电极和负极电极；

步骤3，在第一正极电极和第二正极电极上镀焊料层，使第一正极电极通过焊料层与半导体激光器的脊形波导区连接，使第二正极电极通过焊料层与半导体激光器的锥形放大区连接；

步骤4，键合金线，使负极电极通过金线连接所述半导体激光器的n面电极。

在该技术方案的基础上，本发明也还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1中，上金属层和下金属层通过溅射技术、热蒸发技术、电子束蒸发技术或离子辅助电子束蒸发技术生长在所述基体材料层的表面。

进一步，所述步骤1中采用氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、金刚石、碳化硅、氧化铍或氮化硼制备基体材料层，且制备的基体材料层的厚度为0.8mm-1mm；所述步骤1中采用金、钛金、钛铂金或金锗镍金制作所述上金属层和所述下金属层。

进一步，所述步骤2中，绝缘隔离槽、第一正极电极、第二正极电极和负极电极的尺寸要保证封装后的半导体激光器的出光面与制作的热沉的边缘严格对齐。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种用于存在p电极分离结构的半导体激光器p面向下封装的热沉，应用本发明的结构设计可以很好的实现p电极分离半导体激光器的p面向下封装，在使分离的p电极能够独立注入电信号的同时，增强了半导体激光器的散热能力，保证了较低的热阻，延长了半导体激光器的寿命。同时，由于第一正极电极、第二正极电极、负极电极在同一个平面内，使器件易于与系统集成。

附图说明

图1为本发明所述的一种用于半导体激光器p面向下封装的热沉的结构示意图。

图2为本发明的实施例一中连接热沉和半导体激光器的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、基体材料层，2、上金属层，3、下金属层，4、第一正极电极，5、第二正极电极，6、负极电极，7、半导体激光器，8、焊料层，9、金线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，实施例一给出了一种用于半导体激光器p面向下封装的热沉，包括基体材料层1以及分别生长在基体材料层1上下表面的上金属层2和下金属层3，所述上金属层2由绝缘隔离槽分离成各自独立的第一正极电极4、第二正极电极5和负极电极6，且所述第一正极电极4用于给半导体激光器7的脊形波导区提供工作时所需的电信号，所述第二正极电极5用于给半导体激光器7的锥形增益区提供工作时所需的电信号，所述负极电极6连接半导体激光器7的n面电极。

本实施例中，所述基体材料层1采用的材料是氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、金刚石、碳化硅、氧化铍或氮化硼中的任意一种。

所述基体材料层1的厚度为0.8mm-1mm。

所述上金属层2和所述下金属层3采用的材料均为金、钛金、钛铂金或金锗镍金中的任意一种。

又如图2所示，所述第一正极电极4通过焊料层8与所述半导体激光器7的脊形波导区连接，且所述第二正极电极4通过焊料层8与所述半导体激光器7的锥形放大区连接，所述负极电极6通过键合金线9连接所述半导体激光器7的n面电极。

这样，通过第一正极电极4、第二正极电极5和负极电极6即可为带p电极分离结构的半导体激光器芯片提供正常工作所需的电信号。

实施例一的具体实施过程包括：

步骤1，制备基体材料层1，并在基体材料层1的上下表面分别生长上金属层2和下金属层3，且基体材料层1的侧面不镀金属层，以保证上金属层2和下金属层3之间断路。

步骤2，制备绝缘隔离槽，通过绝缘隔离槽将上金属层2分离成各自独立的第一正极电极4、第二正极电极5和负极电极6；

步骤3，在第一正极电极4和第二正极电极5上镀焊料层8，使第一正极电极4通过焊料层8与半导体激光器7的脊形波导区连接，使第二正极电极5通过焊料层8与半导体激光器7的锥形放大区连接；

步骤4，键合金线9，使负极电极6通过金线9连接所述半导体激光器7的n面电极。

上述步骤中，上金属层2和下金属层3通过溅射技术、热蒸发技术、电子束蒸发技术或离子辅助电子束蒸发技术生长在所述基体材料层1的表面，并且绝缘隔离槽、第一正极电极4、第二正极电极5和负极电极6的尺寸要保证封装后的半导体激光器7的出光面与制作的热沉的边缘严格对齐。

实施例二是在实施例一的基础上，具体地对一种GaAs基p电极分离半导体激光器芯片的p面向下封装的方法。其采用氮化硅陶瓷作为基体材料层的材料，且基体材料层的尺寸为5.5mm×4.5mm×1mm，上金属层和下金属层选用总厚度为1um的钛金、钛铂金或金锗镍金，且使用金锡材料的焊料层将p电极分离半导体激光器芯片p面向下烧结在热沉上，其实施过程主要包括以下步骤：

步骤A,采用磁控溅射的方法，在氮化硅陶瓷基体材料层的上下表面溅射厚度为1um的钛金、钛铂金或金锗镍金作为金属层，且基体材料层的侧面不镀金属层，保证上金属层和下金属层之间断路。

步骤B,制备绝缘隔离槽，将上金属层分离成独立的三部分(参照图2)，即第一正极电极、第二正极电极和负极电极。由于选用的p电极分离半导体激光器芯片中两个分离的p电极之间的隔离槽的宽度为20um，故制备的绝缘隔离槽宽度亦为20um。要保证隔离出的第二正面电极的长度与激光器增益区的长度尽可能一致，这样才能保证封装后激光器芯片的出光面与热沉的边缘严格对齐。

步骤C,在第一正极电极和第二正极电极上蒸镀金锡焊料层，将p电极分离半导体激光器p面向下烧结在热沉上。烧结时要保证激光器的出光面与热沉的边缘对齐。

步骤D，键合金线，将半导体激光器的n面电极与负极电极连接。

经过上述步骤，实施例二完成了GaAs基p电极分离半导体激光器的p面向下封装。通过第一正极电极、第二正极电极和负极电极即可为GaAs基p电极分离半导体激光器芯片提供正常工作所需的电信号。由于采用了p面向下封装，有源区与热沉的距离较n面向下封装要小很多，大大增强了半导体激光器的散热能力，保证了较低的热阻，延长了半导体激光器的寿命。同时，由于第一正极电极、第二正极电极、负极电极在同一个平面内，使器件易于与系统集成。

对于上述两个实施例，带有p电极分离结构的半导体激光器芯片还可以是GaN基、InP基半导体激光器。

此外，焊料层的焊料还可选自铟、银浆、银铜、锡铅、铜锌、钎锡银、锡银铜、金锡或金镉中的任一种。

另外，上述实施例中对于基体材料层、上金属层、下金属层、第一正极电极、第二正极电极和负极电极等的形状没有严格要求，但其尺寸要保证封装后的半导体激光器的出光面与热沉的边缘严格对齐，且其分布的位置要保证便于和半导体激光器进行相应的连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于半导体激光器p面向下封装的热沉，其特征在于，包括基体材料层(1)以及分别生长在基体材料层(1)上下表面的上金属层(2)和下金属层(3)，所述上金属层(2)由绝缘隔离槽分离成各自独立的第一正极电极(4)、第二正极电极(5)和负极电极(6)，且所述第一正极电极(4)用于给半导体激光器(7)的脊形波导区提供工作时所需的电信号，所述第二正极电极(5)用于给半导体激光器(7)的锥形增益区提供工作时所需的电信号，所述负极电极(6)连接半导体激光器(7)的n面电极。

2.根据权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述基体材料层(1)采用的材料是氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、金刚石、碳化硅、氧化铍或氮化硼中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述基体材料层(1)的厚度为0.8mm—1mm。

4.根据权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述上金属层(2)采用的材料为金、钛金、钛铂金或金锗镍金中的任意一种，所述下金属层(3)采用的材料为金、钛金、钛铂金或金锗镍金中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述第一正极电极(4)通过焊料层(8)与所述半导体激光器(7)的脊形波导区的p面电极连接，且所述第二正极电极(5)通过焊料层(8)与所述半导体激光器(7)的锥形增益区的p面电极连接。

6.根据权利要求1所述的热沉，其特征在于，所述负极电极(6)通过键合金线(9)连接所述半导体激光器(7)的n面电极。

7.一种制作如权利要求1-6中任一所述的热沉的方法，其特征在于，包括：

步骤1，制备基体材料层(1)，并在基体材料层(1)的上下表面分别生长上金属层(2)和下金属层(3)；

步骤2，制备绝缘隔离槽，通过绝缘隔离槽将上金属层(2)分离成各自独立的第一正极电极(4)、第二正极电极(5)和负极电极(6)；

步骤3，在第一正极电极(4)和第二正极电极(5)上镀焊料层(8)，使第一正极电极(4)通过焊料层(8)与半导体激光器(7)的脊形波导区的p面电极连接，使第二正极电极(5)通过焊料层(8)与半导体激光器(7)的锥形放大区的p面电极连接；

步骤4，键合金线(9)，使负极电极(6)通过金线(9)连接所述半导体激光器(7)的n面电极。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，上金属层(2)和下金属层(3)通过溅射技术、热蒸发技术、电子束蒸发技术或离子辅助电子束蒸发技术生长在所述基体材料层(1)的表面。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1中采用氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、金刚石、碳化硅、氧化铍或氮化硼制备基体材料层(1)，且制备的基体材料层(1)的厚度为0.8mm—1mm；所述步骤1中所述上金属层(2)采用的材料为金、钛金、钛铂金或金锗镍金中的任意一种，所述下金属层(3)采用的材料为金、钛金、钛铂金或金锗镍金中的任意一种。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，绝缘隔离槽、第一正极电极(4)、第二正极电极(5)和负极电极(6)的尺寸要保证封装后的半导体激光器(7)的出光面与制作的热沉的边缘严格对齐。