CN105119143A - 一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构及减少封装应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构及减少封装应力的方法。所述芯片结构是在具有电流注入区域和发光增益区域的增益波导型半导体激光器结构中刻蚀出沿激光振荡方向延伸的2个沟槽，电流注入区域位于2个沟槽中间，通过适当加大沟槽的开口宽度及调控开口宽度和深度比，使后续封装时的焊料充分进入和浸润到发光增益区域两侧的沟槽内并减少了发光增益区域两侧的焊料，残余应力明显降低，激射光波长单一且稳定；同时改善导电导热能力。本发明方法不增加工序及制造成本，利于工业应用。

Description

一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构及减少封装应力的方法

技术领域

本发明涉及一种用于减少半导体激光器封装应力的芯片结构，属于半导体激光器芯片工艺技术领域。

背景技术

随着科技的进步和社会的发展，大条宽长腔长的半导体激光器由于其高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑等优点，在各领域的应用逐步扩展，广泛应用于医疗、显示、通讯、激光泵浦和安保等领域。对于半导体激光器不仅要求高输出功率，还要求单一而稳定的波长，以保证激光的照射、传导或泵浦效果。目前普遍采用的半导体激光器芯片的结构如图1所示，是在半导体基片1上采用金属有机气相外延法顺次生长第一包覆层2、第一光波导层3、发光活性层4、第二光波导层5和第二包覆层6，而后利用光刻和气相外延生长的方法，刻蚀去除部分第二光波导层5和第二包覆层6后形成发光增益区域A，然后部分覆盖注入阻隔层7，再沉积P面电接触层8，形成电流注入区域W，最后沉积N面电接触层9。通过电流注入区域W和光增益区域A对电子和光子的限域效应，提升激光器的输出功率和稳定性。激光器芯片需要通过焊料烧结到热沉上使用，一般工艺是将焊料层与P面电接触层8烧结和合金。金属焊料在烧结的升降温过程中形变较半导体发光层要大得多，在发光增益区域两侧的焊料会在烧结后对发光增益区域A产生显著的残余应力，如图1中的箭头所示。

目前半导体激光器一般采用的量子阱结构中，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。当阱材料受到平行或垂直于阱面方向的应变作用时，其价带顶的重空穴能级和轻空穴能级的位置、曲率和有效质量均将发生变化。因此，发光增益区域受到的应力不仅影响半导体激光器的阈值电流和增益效应，还将改变出射激光的物理特性，激光的波长、峰位和偏振模式都将发生变化，一般表现为激光波长出现多双峰且不断变换(如图3所示)。而正常工作所需的是单一发光峰且波长位置稳定的激光器。因而，需要优化芯片结构，降低半导体激光器烧结后的焊料残余应力。

中国专利文献CN103427330A提出了一种降低应力的激光器芯片结构和热沉结构及其制备方法，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，发光部之间设置有第一凹槽；还包括在位于激光器芯片主体的第一凹槽相对应的位置开有第二凹槽的热沉结构，第二凹槽与第一凹槽一一对应。该技术方案利用芯片和热沉结构上相互对应的凹槽，降低封装后的应力。但这样设计的结构针对的是巴条型激光器芯片的封装，通过在芯片与热沉对应位置开有凹槽，减小了相邻芯片间的受力差异，从而减少热应力造成的巴条弯曲，实现低应力封装，其芯片结构与现有的工艺基本相同，并没有对每个芯片在封装中的应力进行降低。主要是靠热沉上的凹槽减少了封装过程中热沉的收缩量，从而缓解芯片与热沉之间热膨胀系数不同造成的应力，所采用的热沉结构需要特别加工制造，并且在封装时需要与巴条上芯片的位置逐一对应，增加了封装成本以及工艺复杂度，不易实现。

综上所述，现有半导体激光器工艺中对输出激光发光峰和波长的稳定性的研究以及对半导体激光器芯片的封装应力的关注，均为从芯片内的外延结构或者与芯片贴合的热沉上进行修改和优化。而实际应用中激光器芯片是通过焊料贴装到热沉上的，所受到的应力作用也是由于焊料和热沉的变形并经由焊料传递到芯片发光层的。本发明人研究发现芯片的外侧形状和结构的优化，对调控芯片表面的焊料的分布状态，进而降低封装应力甚为重要，因此提出本发明。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有低的封装应力和高的激光输出稳定性的半导体激光器芯片结构，以解决现有技术中半导体激光器芯片在封装后由于烧结残余应力而造成的激光多双峰且波长位置不稳定等问题。

本发明还提供所述半导体激光器芯片结构的加工方法。

本发明还提供一种减少半导体激光器封装应力的方法。

发明概述：在半导体基片上通过金属有机气相外延法及光刻工艺形成的具有电流注入区域和发光增益区域的增益波导型半导体激光器结构中，在发光增益区域两侧形成具有沿激光振荡方向延伸的2个沟槽；通过适当加大沟槽的开口宽度和调控开口宽度和深度比，使后续封装工序的焊料充分进入和浸润到沟槽内并减少了发光增益区域两侧的焊料，以保证芯片烧结面的导电导热能力，从而明显降低烧结封装后产生的残余应力，使得通过焊料烧结到热沉上的激光器芯片的发光峰位单一且波长稳定。

本发明的技术方案如下：

一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构，包括半导体基片，该芯片结构是在上述半导体基片上通过金属有机气相外延法形成的具有电流注入区域和发光增益区域的增益波导型半导体激光器结构；具有沿激光振荡方向延伸的2个沟槽，上述发光增益区域设置于2个沟槽的中间位置；通过适当加大沟槽的开口宽度及调控开口宽度和深度比，使后续封装时的焊料充分进入和浸润到沟槽内并减少了发光增益区域两侧的焊料；

所述2个沟槽开口的宽度之和占芯片宽度的总比例控制在5-30％，所述沟槽的开口宽度和深度的比例在2-50。

通过适当加大沟槽开口的宽度和控制沟槽开口宽度和深度的比例，可使焊料充分进入和浸润沟槽内部以保证芯片烧结面的导电导热能力；通过在发光增益区域两侧设置2个适当宽度的沟槽并调控开口宽度和深度比，能显著减少发光增益区域周围的焊料，从而明显降低烧结封装后产生的残余应力，获得发光峰位单一且稳定的激光器芯片。

根据本发明优选的，所述半导体激光器芯片的宽度为100-500μm，发光增益区域的宽度为芯片宽度的20％-80％，发光增益区域的宽度一般为20-200μm。

根据本发明优选的，所述沟槽的截面形状为方形、梯形或半圆形。采用梯形时，沟槽下边长与上开口的比例在50％-150％。

根据本发明优选的，所述的2个沟槽形状、尺寸相同。

根据本发明优选的，沟槽开口的宽度为5-50μm，占芯片宽度的总比例控制在5-30％，以减少发光增益区域周围的焊料；

根据本发明优选的，沟槽的深度为0.5-5μm，沟槽的宽度和深度的比例在2-50，进一步优选沟槽的宽度和深度的比例在10-20；以保证焊料充分进入和浸润沟槽内部。特别优选沟槽的宽度和深度之比为15-17。最优选沟槽的宽度和深度之比为15。

根据本发明进一步优选，沟槽的开口宽度为15-30μm，深度为1-2μm。

根据本发明优选的，所述半导体基片选自GaAs基片、SiC基片、InP基片或GaN基片。

本发明所述的增益波导型半导体激光器结构，是在半导体基片上采用金属有机气相外延法顺次生长第一包覆层、第一光波导层、量子阱结构的发光活性层、第二光波导层和第二包覆层；利用光刻工艺在表面进行刻蚀，至少将部分区域内的全部第二包覆层和适当厚度的第二光波导层去除，形成2个沟槽，沟槽之间余留部分形成发光增益区域；再利用气相外延生长的方法沉积阻隔层，中间部分不沉积，以留出发光增益区域的电注入窗口，即发光增益区域正上方为电流注入区域；最后沉积P面电接触层和N面电接触层，形成本发明的芯片结构。

根据本发明，所述沟槽是利用光刻工艺在芯片表面进行刻蚀，至少刻蚀掉所述沟槽区域的第二包覆层和适当厚度的第二光波导层；或者刻蚀到发光活性层、第一光波导层、第一包覆层中的任一层，或者刻蚀到半导体基片层。

根据本发明，一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构的加工方法，包括步骤：

(1)在半导体基片上采用金属有机气相外延法顺次生长第一包覆层、第一光波导层、量子阱结构的发光活性层、第二光波导层和第二包覆层；

(2)在步骤(1)的芯片外延层上表面沿激光振荡方向选择两条间隔为W的长方形区域，该长方形区域宽度区域内采用光刻工艺刻蚀去除至少全部厚度的第二包覆层和部分厚度的第二光波导层，形成2个沿激光振荡方向延伸的沟槽，获得宽度为W的电流注入区域；

(3)电流注入区域W部分作为电注入窗口，其余部分利用气相外延的方法沉积注入阻隔层；

(4)在注入阻隔层上沉积P面电接触层，在半导体基片下面沉积N面电接触层。

上述金属有机气相外延生长和光刻等工艺均使用公知技术。

本发明中，采用AlGaInP或AlGaInAs材料体系获得0.6-1μm的激射波长，采用适配的光波导层和包覆层材料。为得到所需波长的激光，可以适当的决定各层的厚度、成分和掺杂量等。

根据本发明，一种减少半导体激光器封装应力的方法，包括采用以上所述的任一形式的芯片结构，通过加大沟槽的开口宽度及调控开口宽度和深度比，使后续封装时的焊料充分进入和浸润到沟槽内并减少了发光增益区域两侧的焊料，以保证芯片烧结面的导电导热能力，从而明显降低烧结封装后产生的残余应力，使得通过焊料烧结到热沉上的芯片的发光峰位单一且波长稳定。

所述2个沟槽的宽度及深度等技术方案如前文所述。

本发明的有益效果：

1、本发明打破现有技术仅仅从芯片内的外延结构或者与芯片贴合的热沉上来降低封装应力的思路，创造性提出了通过对芯片的外侧形状和结构的设计优化，使后续封装工序的焊料充分进入和浸润到沟槽内实现调控芯片表面的焊料的分布状态，来降低芯片在烧结封装完成后的使用过程中所受到的应力作用，获得低成本高效率的减少半导体激光器封装应力并提升出射激光的波长单一性和稳定性的芯片结构。

2、本发明采用发光增益区域两侧设计有适当宽度和深度的沟槽的芯片结构，显著减少了发光增益区域两侧的焊料，因而在烧结封装后产生的残余应力明显降低；同时保证焊料充分进入和浸润到沟槽内部，整个P面电接触层通过焊料贴合到热沉上，以保证导电导热能力不会因沟槽的引入而降低。

3、本发明利用光刻和外延过程中的刻蚀、生长工艺，加工出减少封装后残余应力的沟槽，制造出具有减少封装应力的芯片结构的半导体激光器。没有附加额外的工艺和设备，因此不会带来制造成本的增加，易于实现。

附图说明

图1是原有工艺的半导体激光器芯片对比例的结构示意图。A为发光增益区域，W为电流注入区域。箭头表示两侧焊料在烧结后对发光增益区域A产生的残余应力；

图2是本发明半导体激光器芯片的结构示意图。A为发光增益区域，W为电流注入区域。

图1、图2中，1、半导体基片，2、第一包覆层，3、第一光波导层，4、发光活性层，5、第二光波导层，6、第二包覆层，7、注入阻隔层，8、P面电接触层，9、N面电接触层；图2中第二包覆层6在光刻工艺后形成了三部分。

图3是原有工艺的半导体激光器芯片封装后激光器波长呈现双峰的情况，有两个临近的发光峰。

图4是本发明实施例1的半导体激光器芯片封装后激光器波长呈现单个波峰情况。

具体实施方式

下面结合实施例、对比例和附图对本发明做进一步描述。但不限于此。

实施例1：

一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构，如图2所示。

在GaAs基片1上采用金属有机气相外延法顺次生长1μm的AlGaAs第一包覆层2、0.5μm的AlGaAs第一光波导层3、AlGaInAs/AlGaAs量子阱结构的发光活性层4、0.5μm的AlGaAs第二光波导层5和1μm的AlGaAs第二包覆层6，芯片宽度L为300μm。

在芯片上表面沿激光振荡方向选择两条间隔50μm的长方形区域，该长方形区域宽度为20μm，在该区域内采用光刻工艺刻蚀去除全部厚度的第二包覆层6和部分厚度的第二光波导层5，形成2个沿激光振荡方向延伸的沟槽，获得宽度为50μm的电流注入区域W，沟槽截面形状为方形，宽度为20μm，深度为1.2μm。

然后，利用气相外延的方法沉积部分覆盖0.3μm的SiO₂注入阻隔层7，电流注入区域W中间部分不沉积阻隔层，以留出发光增益区域的电注入窗口；在芯片最上层沉积有P面电接触层8，在GaAs基片1下面沉积有N面电接触层9，分别采用Ti/Pt/Au及Ni/Au多层金属薄膜。上述金属有机气相外延生长和光刻等工艺均使用公知技术。

将制成的芯片P面通过铟焊料烧结到AlN陶瓷热沉上，引出电极线，进行通电测试，记录其激射的波长光谱。如图4所示，波长呈现单个波峰，为合格品。

对比例1：

制作如图1所示的增益波导型半导体激光器芯片结构，作为对比例。所制成的半导体激光器的构成，除了在P面电接触层一侧没有加工出沟槽而是将发光区域两侧完全刻蚀形成了平台外，激光器的制造和封装工艺的各部分构造和制造方法均与实施例1相同。

分别采用本发明方法制作激光器芯片和原方法制作的对比芯片在相同的封装工艺下制成激光器件，测试其波长，如图3所示，波长呈现双峰的情况，有两个临近的发光峰。

实施例1激光器芯片与对比例1的产品封装实验得到对比数据如下表1：

表1

注：“多双峰”是指波长呈现双峰或3个及以上的多个临近的发光峰。

测试数据表明，采用本发明方法的激光器芯片在相同封装工艺下得到的激光器件，由于封装产生的应力显著降低，其多双峰比例大幅下降，效果明显，可明显提升激光器的合格率。

实施例2：

一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构，如图2所示。

在GaAs基片1上采用金属有机气相外延法顺次生长0.9μm的AlGaAs第一包覆层2、0.35μm的AlGaAs第一光波导层3、AlGaInAs/AlGaAs量子阱结构的发光活性层4、0.35μm的AlGaAs第二光波导层5和0.8μm的AlGaAs第二包覆层6，芯片宽度L为200μm。

在芯片上表面沿激光振荡方向选择两条间隔35μm的长方形区域，该长方形区域宽度为15μm，在该区域内采用光刻工艺刻蚀去除全部厚度的第二包覆层6和部分厚度的第二光波导层5，形成2个沿激光振荡方向延伸的沟槽，获得宽度为35μm的电流注入区域W，沟槽截面形状为方形，宽度为15μm，深度为1μm。

然后，利用气相外延的方法沉积部分覆盖0.3μm的SiO₂注入阻隔层7，电流注入区域W中间部分不沉积阻隔层，以留出发光增益区域的电注入窗口；最后，沉积P面电接触层8以及N面电接触层9，分别采用Ti/Pt/Au以及Ni/Au多层金属薄膜。上述金属有机气相外延生长和光刻等工艺均使用公知技术。

将制成的芯片P面通过铟焊料烧结到AlN陶瓷热沉上，引出电极线，进行通电测试，记录其激射的波长光谱。

对比例2：

制作如图1所示的增益波导型半导体激光器芯片结构，作为对比例。所制成的半导体激光器的构成，除了在P面电接触层一侧没有加工出沟槽而是将发光区域两侧完全刻蚀形成了平台外，激光器的制造和封装工艺的各部分构造和制造方法均与实施例2相同。

分别采用本发明方法制作激光器芯片和原方法制作的对比芯片在相同的封装工艺下制成激光器件，测试其波长。实验数据表明，采用本发明方法的激光器芯片在相同封装工艺下得到的激光器件，由于封装产生的应力显著降低，其多双峰比例大幅下降。本实施例2的多双峰比例由对比例2的25.3％下降至7％。

实施例3：

一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构，如图2所示。

在GaAs基片1上采用金属有机气相外延法顺次生长0.8μm的AlGaAs第一包覆层2、0.6μm的AlGaAs第一光波导层3、AlGaInP/AlGaAs量子阱结构的发光活性层4、0.6μm的AlGaAs第二光波导层5和1.5μm的AlGaAs第二包覆层6，芯片宽度L为500μm。

在芯片上表面沿激光振荡方向选择两条间隔100μm的长方形区域，该长方形区域宽度为30μm，在该区域内采用光刻工艺刻蚀去除全部厚度的第二包覆层6和部分厚度的第二光波导层5，形成2个沿激光振荡方向延伸的沟槽，获得宽度为100μm的电流注入区域W，沟槽截面形状为方形，宽度为30μm，深度为2μm。

然后，利用气相外延的方法沉积部分覆盖0.25μm的SiN注入阻隔层7，电流注入区域W中间部分不沉积阻隔层，以留出发光增益区域的电注入窗口；最后，沉积P面电接触层8和N面电接触层9，分别采用Ti/Pt/Au以及Ni/Au多层金属薄膜。上述金属有机气相外延生长和光刻等工艺均使用公知技术。

将制成的芯片P面通过金锡焊料烧结到AlN陶瓷热沉上，引出电极线，进行通电测试，记录其激射的波长光谱。

对比例3：

制作如图1所示的增益波导型半导体激光器芯片结构，作为对比例。所制成的半导体激光器的构成，除了在P面电接触层一侧没有加工出沟槽而是将发光区域两侧完全刻蚀形成了平台外，激光器的制造和封装工艺的各部分构造和制造方法均与实施例3相同。

分别采用本发明方法制作激光器芯片和原方法制作的对比芯片在相同的封装工艺下制成激光器件，测试其波长。数据表明，采用本发明方法的激光器芯片在相同封装工艺下得到的激光器件，由于封装产生的应力显著降低，其多双峰比例大幅下降。本发明实施例3的多双峰比例由对比例3的20.2％下降至4.9％。

Claims (10)

1.一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构，包括半导体基片，该芯片结构是在上述半导体基片上通过金属有机气相外延法形成的具有电流注入区域和发光增益区域的增益波导型半导体激光器结构；具有沿激光振荡方向延伸的2个沟槽，上述发光增益区域设置于2个沟槽中间位置；其特征在于，通过适当加大沟槽的开口宽度及调控开口宽度和深度比，使后续封装时的焊料充分进入和浸润到沟槽内并减少了发光增益区域两侧的焊料；

所述2个沟槽开口的宽度之和占芯片宽度的总比例控制在5-30％，所述沟槽的开口宽度和深度的比例在2-50。

2.如权利要求1所述的减少半导体激光器封装应力的芯片结构，其特征在于所述半导体激光器芯片的宽度为100-500μm，发光增益区域的宽度为芯片宽度的20％-80％。

3.如权利要求1所述的减少半导体激光器封装应力的芯片结构，其特征在于所述沟槽的截面形状为方形、梯形或半圆形。

4.如权利要求1所述的减少半导体激光器封装应力的芯片结构，其特征在于所述的2个沟槽形状、尺寸相同。

5.如权利要求1所述的减少半导体激光器封装应力的芯片结构，其特征在于沟槽开口的宽度为5-50μm，占芯片宽度的总比例控制在5-30％。

6.如权利要求1所述的减少半导体激光器封装应力的芯片结构，其特征在于所述沟槽的深度为0.5-5μm，沟槽的宽度和深度的比例在2-50；优选沟槽的宽度和深度的比例在10-20。

7.如权利要求1所述的减少半导体激光器封装应力的芯片结构，其特征在于沟槽的开口宽度为15-30μm，深度为1-2μm。

8.如权利要求1所述的减少半导体激光器封装应力的芯片结构，其特征在于是在半导体基片上采用金属有机气相外延法顺次生长第一包覆层、第一光波导层、发光活性层、第二光波导层和第二包覆层；利用光刻工艺在芯片表面进行刻蚀形成2个沟槽，沟槽之间余留部分形成发光增益区域；再利用气相外延生长的方法沉积阻隔层，中间部分不沉积，以留出发光增益区域的电注入窗口，即发光增益区域正上方为电流注入区域；最后沉积P面电接触层和N面电接触层，形成芯片结构；优选的，所述沟槽是利用光刻工艺在芯片表面进行刻蚀，至少刻蚀掉所述沟槽区域的第二包覆层和适当厚度的第二光波导层；或者刻蚀到发光活性层、第一光波导层、第一包覆层中的任一层，或者刻蚀到半导体基片层。

9.如权利要求1-8任一项所述的减少半导体激光器封装应力的芯片结构，其特征在于所述半导体基片选自GaAs基片、SiC基片、InP基片或GaN基片。

10.一种减少半导体激光器封装应力的方法，包括采用权利要求1-8任一项所述的芯片结构，通过适当加大沟槽的开口宽度及调控开口宽度和深度比，使后续封装时的焊料充分进入和浸润到沟槽内并减少了发光增益区域两侧的焊料，以保证芯片烧结面的导电导热能力，从而降低烧结封装后产生的残余应力，使得通过焊料烧结到热沉上后的激光器芯片的发光峰位单一且波长稳定。