CN105071220A - 一种消除波长双峰的808nm激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除波长双峰的808nm激光器及其制备方法，包括：在激光器芯片的N面电极制备孔；将处理后的激光器芯片放置在金属板上，所述激光器芯片的含孔一面与所述金属板背离设置；采用808nm波长的激光对所述激光器芯片进行照射；将处理后的激光器芯片进行烘烤，温度范围120-150℃，烘烤1-2小时；对激光器芯片封装测试，完成制备。本发明所述消除波长双峰的808nm激光器，其结构简易，制作过程简单，通过在所述激光器芯片的N面电极上制备孔、后续采用激光照射和烘烤处理，进而减小激光器芯片受内部压应力影响，使激光器波长双峰减少，大大提高了激光器生产合格率。

Description

一种消除波长双峰的808nm激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种消除波长双峰的808nm激光器及其制备方法，属于半导体激光器封装的技术领域。

背景技术

半导体激光器具有高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑等优点，广泛用于光纤通信，激光泵浦，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等领域。随着半导体技术的日益发展和成熟，激光二极管在功率，转换效率，波长扩展和运行寿命等方面已经有很大的提高。由于半导体激光器具有量子效率高、可靠性高、使用寿命长、发射波长与激光介质吸收峰很好对应、激光输出光束质量好等特点，有利于与泵浦技术相互结合，成为激光泵浦技术中的一个重要突破，泵浦激光器的迅速发展逐渐成为一种趋势。

光在波导中传播时，如果电场偏振方向垂直于传播方向则称为TE模式，如果磁场偏振方向垂直于传播方向则称为TM模式。在量子阱激光器中，量子尺寸效应使有源区材料的重空穴与轻空穴的能带简并度解除，这对应于晶体中的对称性发生变化，会导致跃迁矩阵元的各向异性。

如果阱材料受到平行于阱面方向的双轴压应变和垂直于阱面方向的拉伸应变使其价带顶的重空穴能级上升，轻空穴能级下降，重空穴能级曲率变大，有效质量减小。这种变化不仅可以降低激光器的阈值电流密度，还能提高微分增益，提高其动态工作特性。

如果在平行方向受到双轴张应变和垂直方向压应变，将会提升轻空穴带，而使重空穴带降低，且减小其有效质量，所以可以增加TE模与TM模的对称性，输出与偏振模式无关的激光或TM偏振模激光。

TE或者TM偏振激光具有不同的激发波长，并且泵浦晶体时需要选择不同的方向，因此两个模式存在竞争时会影响泵浦效率。

然而，激光器因为在外延生长和芯片工艺制作中，反复经历了高温退火工艺，导致激光器芯片内部聚集大量残余应力得不到释放，不同偏振模式相互竞争，封装后激光器波长呈现2个或2个以上的波峰，如附图3、图4所示：图3为封装后激光器波长呈现2个波峰的情况，图4为封装后激光器波长呈现单个波峰情况，即为正常合格情况。

如图3所示，当激光器出现2个波峰时，尤其是808nm激光器泵浦绿光时，2个波峰的相互竞争导致晶体的吸收效率降低，泵浦绿光的功率降低，因此在激光器生产时必须解决波长双峰的现象。长期以来外延工艺、管芯工艺、封装工艺各领域想尽办法抑制波长双峰的发生，但均未取得显著效果。

在《中国激光》第2010年1月公开的名称为《大功率半导体激光器阵列光谱展宽机理研究》的文章中指出激光器光谱展宽常常会在光谱的一边或两边出现肩膀或尾巴,有时也会出现双峰或多峰。研究结果表明在光谱长波方向(中心波长右端)出现的肩膀或尾巴通常是由于热效应造成的,而在光谱短波方向(中心波长左端)的肩膀或尾巴一般是激光器阵列内热应力效应造成的结果。根据大功率半导体激光器阵列光谱展宽的机制,提出了控制光谱展宽的方案和方法。但是此文献是针对激光器阵列的，主要通过优化封装工艺解决激光器双峰或多峰。如果器件本身应力过大或者不容易应力弛豫，后段工艺是较难解决激光器光谱展宽问题的。

中国专利CN102760794B涉及一种低应力的氮化镓外延层制备方法，在衬底的正面或背面刻蚀图案，刻蚀的深度为1μm-100μm，刻蚀图案为正方形或圆形，图案之间的间距尺寸为1μm-10μm；用硫酸或者硫酸/磷酸混合溶液对刻蚀处理过的衬底层进行腐蚀，用去离子水进行清洗，在处理过的衬底的正面上采用MOCVD法生长氮化镓外延层。该专利用于GaN材料体系，GaN是透明材料，不吸光；而本发明是GaAs材料体系，GaAs不透明利用吸光特性改善内部应力；该专利主要目的是降低外延生长过程中的应力，芯片制作过程中的应力没有去处；而本发明是在芯片工艺完成后进行，同时降低外延生长和芯片制作过程中的应力。

中国专利CN203503972U公开了一种降低应力的激光器芯片结构，包括激光器芯片主体，激光器芯片主体具有正极和与外部电极电性连接的负极，正极上设置有多个发光部，并且发光部之间设置有第一凹槽，还包括热沉结构，热沉结构包括热沉主体，热沉主体的正面通过焊料层焊接在激光器芯片主体的正极上，在热沉主体的位于激光器芯片主体的第一凹槽相对应的部位上开有第二凹槽，并且该第二凹槽与第一凹槽一一对应。该专利主要介绍了一种多个发光点激光器芯片和热沉的结合方法，在热沉上面开凹槽，利用热沉凹槽缓解封装时金属受热产生的应力，主要目的是消除封装过程中的热应力，核心是热沉的凹槽结构。而本发明是消除芯片生长中和芯片制作过程中的应力，重在外延层内部的改善。因此该专利与本发明两者具有本质区别。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种消除波长双峰的808nm激光器。

本发明还提供上述消除波长双峰的808nm激光器的制备方法。本发明的核心技术是将激光器芯片中残余应力，利用外延层吸收808nm激光能量，诱导残余应力释放，最后利用低温退火，即，减少激光器芯片内部应力。

本发明的技术方案如下：

一种消除波长双峰的808nm激光器，包括激光器芯片，在所述激光器芯片的N面电极上设置有延伸至外延衬底层的孔。

根据本发明优选的，所述孔仅设置在所述激光器芯片的N面电极上。

根据本发明优选的，所述孔横穿设置在所述激光器芯片的N面电极上，并嵌入所述外延衬底层内。

根据本发明优选的，所述孔嵌入外延衬底层内深度范围小于等于50μm。

根据本发明优选的，在所述孔的直径为80-100μm。

根据本发明优选的，所述孔的中心与所述激光器芯片解离边的距离为60-150μm；所述孔的中心与所述激光器芯片腔面的距离为60-150μm。

根据本发明优选的，所述孔的中心与所述激光器芯片解离边的距离为100μm；所述孔的中心与所述激光器芯片腔面的距离为100μm。

根据本发明优选的，所述孔的周期为120-180μm。

根据本发明优选的，所述孔的周期为150μm。

上述消除波长双峰的808nm激光器的制备方法，包括：

(1)在激光器芯片的N面电极制备孔：去除孔对应的N面电极金属，直至裸露出所述激光器芯片的外延衬底层；

(2)将经步骤(1)处理后的激光器芯片放置在金属板上，所述激光器芯片的含孔一面与所述金属板背离设置；

(3)采用808nm波长的激光对所述激光器芯片进行照射；本发明采用808nm激光对所述激光器芯片进行照射，可穿透衬底层，利用所述激光的能量消除外延生长过程中的应力；

(4)将经步骤(3)处理后的激光器芯片进行烘烤，温度范围120-150℃，烘烤1-2小时；

(5)对激光器芯片封装测试，完成制备。

根据本发明优选的，所述步骤(3)的照射时间为4-6小时。

根据本发明优选的，所述金属板为铜金属板、不锈钢金属板或铝金属板。

根据本发明优选的，所述金属板的厚度为2-3mm，尺寸8X10cm，所述金属板的表面平整。

根据本发明优选的，所述808nm波长的激光的发出光源为大功率808nm激光器，功率范围10-20W，所述大功率808nm激光器距离所述激光器芯片的距离为5-10cm，所述大功率808nm激光器的光斑输出为圆形或方形。

本发明的技术优势：

本发明所述消除波长双峰的808nm激光器，其结构简易，制作过程简单，通过在所述激光器芯片的N面电极上制备孔、后续采用激光照射和烘烤处理，进而减小激光器芯片受内部压应力影响，使激光器波长双峰减少，大大提高了激光器生产合格率。

附图说明

图1是本发明中所述激光器芯片的结构示意图。

图2是本发明所述制备方法中，所述激光器芯片在激光照射时的结构示意图。

图1、图2中：1、808激光器芯片N面电极；2、孔；3、外延衬底层；4、金属板；5、大功率808nm激光器。

图3为封装后激光器波长呈现2个波峰的情况示意图；

图4为封装后激光器波长呈现单个波峰情况示意图，即为激光器正常合格情况。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1-2所示。

实施例1、

一种消除波长双峰的808nm激光器，包括激光器芯片，在所述激光器芯片的N面电极2上设置有延伸至外延衬底层3的孔2。

所述孔2仅设置在所述激光器芯片的N面电极1上。

实施例2、

如实施例1所述的一种消除波长双峰的808nm激光器，其区别在于，所述孔2横穿设置在所述激光器芯片的N面电极1上，并嵌入所述外延衬底层3内。所述孔嵌入外延衬底层3内深度范围小于等于50μm。

实施例3、

如实施例1、2所述的一种消除波长双峰的808nm激光器，其区别在于，在所述孔2的直径为80-100μm。

所述孔2的中心与所述激光器芯片解离边的距离为60-150μm；所述孔2的中心与所述激光器芯片腔面的距离为60-150μm。

优选的，所述孔2的中心与所述激光器芯片解离边的距离为100μm；所述孔的中心与所述激光器芯片腔面的距离为100μm。

实施例4、

如实施例3所述的一种消除波长双峰的808nm激光器，其区别在于，所述孔2的周期为120-180μm。优选的，所述孔2的周期为150μm。

实施例5、

如实施例1-4所述消除波长双峰的808nm激光器的制备方法，包括：

(1)在激光器芯片的N面电极1制备孔：去除孔2对应的N面电极1金属，直至裸露出所述激光器芯片的外延衬底层3；

(2)将经步骤(1)处理后的激光器芯片放置在金属板4上，所述激光器芯片的含孔2一面与所述金属板4背离设置；所述金属板的厚度为2-3mm，尺寸8X10cm，所述金属板的表面平整；所述金属板为铜金属板；

(3)采用808nm波长的激光对所述激光器芯片进行照射4-6小时；本发明采用808nm激光对所述激光器芯片进行照射，可穿透衬底层，利用所述激光的能量消除外延生长过程中的应力；

(4)将经步骤(3)处理后的激光器芯片进行烘烤，温度范围120-150℃，烘烤1-2小时；

(5)对激光器芯片封装测试，完成制备。

实施例6、

如实施例5所述消除波长双峰的808nm激光器的制备方法，其区别在于，所述金属板为不锈钢金属板。

所述808nm波长的激光的发出光源为大功率808nm激光器，功率范围10-20W，所述大功率808nm激光器距离所述激光器芯片的距离为5-10cm，所述大功率808nm激光器的光斑输出为圆形或方形。

实施例7、

如实施例6所述消除波长双峰的808nm激光器的制备方法，其区别在于，所述金属板为铝金属板。

对比实验：

利用本发明所述实施例5-7的方法制备激光器后，所述半导体激光器芯片的内部应力逐步释放，压应力影响逐渐消失。将其与按照现有技术正常工艺制作的808nm激光器芯片进行封装测试，以封装后激光器波长呈现单个波峰为激光器正常合格情况，对比数据如表1：

表1

由表1的数据表明，用本发明方法制作的激光器芯片双峰比例大幅下降，效果明显，可提高激光器的生产合格率。

Claims (10)

1.一种消除波长双峰的808nm激光器，其特征在于，该激光器包括激光器芯片，在所述激光器芯片的N面电极上设置有延伸至外延衬底层的孔。

2.根据权利要求1所述的一种消除波长双峰的808nm激光器，其特征在于，所述孔仅设置在所述激光器芯片的N面电极上。

3.根据权利要求1所述的一种消除波长双峰的808nm激光器，其特征在于，所述孔横穿设置在所述激光器芯片的N面电极上，并嵌入所述外延衬底层内。

4.根据权利要求3所述的一种消除波长双峰的808nm激光器，其特征在于，所述孔嵌入外延衬底层内深度范围小于等于50μm。

5.根据权利要求1所述的一种消除波长双峰的808nm激光器，其特征在于，在所述孔的直径为80-100μm。

6.根据权利要求1所述的一种消除波长双峰的808nm激光器，其特征在于，所述孔的中心与所述激光器芯片解离边的距离为60-150μm；所述孔的中心与所述激光器芯片腔面的距离为60-150μm；优选的，所述孔的中心与所述激光器芯片解离边的距离为100μm；所述孔的中心与所述激光器芯片腔面的距离为100μm。

7.根据权利要求1所述的一种消除波长双峰的808nm激光器，其特征在于，所述孔的周期为120-180μm；优选的，所述孔的周期为150μm。

8.如权利要求1-7任意一项所述消除波长双峰的808nm激光器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：

(1)在激光器芯片的N面电极制备孔：去除孔对应的N面电极金属，直至裸露出所述激光器芯片的外延衬底层；

(2)将经步骤(1)处理后的激光器芯片放置在金属板上，所述激光器芯片的含孔一面与所述金属板背离设置；

(3)采用808nm波长的激光对所述激光器芯片进行照射；

(4)将经步骤(3)处理后的激光器芯片进行烘烤，温度范围120-150℃，烘烤1-2小时；

(5)对激光器芯片封装测试，完成制备。

9.如权利要求8所述消除波长双峰的808nm激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的照射时间为4-6小时；优选的，所述808nm波长的激光的发出光源为大功率808nm激光器，功率范围10-20W，所述大功率808nm激光器距离所述激光器芯片的距离为5-10cm，所述大功率808nm激光器的光斑输出为圆形或方形。

10.如权利要求8所述消除波长双峰的808nm激光器的制备方法，其特征在于，所述金属板为铜金属板、不锈钢金属板或铝金属板；优选的，所述金属板的厚度为2-3mm，尺寸8X10cm，所述金属板的表面平整。