CN105203305A - 一种半导体激光器无损波长分类筛选方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，通过电致发光初检及工艺片整片扫描光荧光谱复检的方法，可有效筛选不同波长范围的半导体激光器外延片，适用范围广。本发明可在前道工艺完成整片激光工艺片波长筛选分类，定位精准，数据全面，速度快，大大提高后道工艺工作效率。同时本发明避免了对激光器工艺片的结构破坏，提高了外延片利用率，节约大量成本。

Description

一种半导体激光器无损波长分类筛选方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，属于半导体激光器生产制造工艺的技术领域。

背景技术

半导体激光器又称激光二极管(LD)，主要是以半导体材料为介质实现激光输出的光电器件。半导体材料中电子(空穴)的分裂能级形成能带，高能量导带与低能量价带被禁带分隔，当以适当形式激励在半导体中引入非平衡电子-空穴对并使其复合时，释放的能量以受激辐射方式，最终实现激光出射。半导体激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、工作寿命长等优点，并可与其他类型集成电路相兼容，因此应用领域广泛，市场容量及价值日益升高。

半导体激光器受实际应用(尤其是作为泵浦源使用)的需要，对其激射波长和光谱特征有着严格的要求，例如Nd:YAG晶体主吸收峰位于808nm，其吸收峰线宽仅为1.5nm左右，而目前808nm半导体激光器器件的工作中心波长线宽就达到2nm以上，因此仅有将半导体激光器的激射峰值波长尽可能固定于808nm，才能使晶体的吸收效率达到最大化，有效利用泵浦光源能量，提高激光晶体光光转化效率，产生更高的1064nm激光输出。

由于上述原因，目前普遍使用的边发射激光器必须对激射波长进行筛选，选取合适的外延片针对不同应用投料。由于边发射激光器结构中外延方向与激光发射方向相垂直，因此主要筛选方法是通过对外延生长后的外延片进行腐蚀，去除吸收较大的部分外延材料后，才能通过荧光光谱验证外延材料的发射波长。此种方法是一种破坏性检测，因此检测后的外延片已经无法继续使用，同时对批量生产中大量的外延片，仅能抽取极少数进行检测，对每片参数的各异性无法掌控，因此局限性非常大。

目前，现有专利中专门针对大规模半导体激光器外延片筛选方法涉及极少，相关专利说明如下：

中国专利CN101339092B公开一种LED芯片/晶圆/外延片的非接触式检测方法及检测装置，其方法包括：通过检测可控激励光照射下待测器件PN结的光致发光，对LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性进行检测；检测装置包括：装置中的检测控制和信号处理单元对光检测单元传来的信号进行处理、分析，测试台用于夹持/移动待测器件、支承光检测单元。该发明仅可对表面出光的LED芯片/晶圆/外延片的发光特性和电特性进行非接触、无损检测，但对边发射的半导体激光器无法应用。

中国专利CN101515701B公开了一种半导体激光器波长筛选装置，其内容包括：支柱、座板、滑管、内滑管、调节帽、第一螺母、悬臂梁、第二螺母、导向管、测头和测台，支柱固定在座板上，支柱的一端与座板螺纹连接，滑管与座板固定连接，滑管与内滑管通过螺丝固定连接，内滑管与第一螺母螺纹连接，调节帽与第一螺母螺纹连接，悬臂梁与第一螺母、内滑管接触式连接，第二螺母和导向管螺纹连接，测头与导向管弹性连接，测台与座板通过螺丝固定连接。该发明虽然可完成脉冲或低占空比的不同波长的巴条测试，解决了封装后才可挑选波长的弊病，但属于后道封装工艺中的筛选工作，无法在前道工艺中对外延片或工艺片进行波长筛选分类。

中国专利CN104568386A提供了一种激光波长筛选方法及其装置，其中，方法包括如下步骤：激光器波长调谐模块驱动待测激光器进行激光调制波长扫描；在气室中充满标准气，利用标准气吸收透过气室的激光；激光器波长采集模块接收并采集从气室输出的激光的光强；激光器波长筛选模块根据采集到的激光光强，通过相应算法计算出待测激光器的中心波长。该方法应用于成品半导体激光器波长检测筛选，但无法应用于前道工艺中对外延片或工艺片进行波长筛选分类。

于2008年10月出版的《长春师范学院学报(自然科学版)》中记载有《半导体激光器筛选方法及可行性测试》，文献采用高温度筛选扫描筛选不能接受的短生命期激光器并且确保挑选出的激光器都达到一个统计学上能接受的水平。装置一般在一个或者更多的关键的基本操作特性上筛选。为了使筛选时间最小，筛选温度和筛选电流应该尽可能的高,选择筛选条件和扫描标准随着激光器的种类而有明显的不同。该方法主要应用于已封装好的半导体激光器产品，无法应用于前道工艺中对外延片或工艺片进行波长筛选分类。

如上述专利所述外延片的检测方法，无法有效满足边发射半导体激光器具体应用对外延片的波长筛选，进而无法保证后续工艺中针对不同应用需求进行分类的生产要求，将会大大降低生产效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，本发明通过简单工艺处理后，可对整片激光器外延片进行荧光测试，完成外延片整片光谱特征图及相关数据，进而根据实际应用需要进行分类筛选。

技术词语解释：

电致发光：又可称电场发光，是通过加在两电极的电压产生电场引致电子在能级间的跃迁、变化、复合导致发光的一种物理现象。

本发明的技术方案如下：

一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，包括步骤如下：

1)通过电致发光对半导体激光器外延片进行初步测试、判断：

首先，设定半导体激光器外延片波长阈值；

其次，如半导体激光器外延片电致发光波长符合半导体激光器外延片波长阈值，则进行步骤2)；否则，将所述半导体激光器外延片归为废品弃用；

2)采用管芯工艺对半导体激光器外延片进行加工：在所述半导体激光器外延片的顶部刻蚀出脊形条结构，并暴露半导体激光器外延片的部分外延层；此处设计的优点在于，由于半导体边发射激光器外延片表面层对光荧光测试入射光吸收较大，且其本身也会产生受激自发辐射，因此当直接用外延片测试光荧光谱时，入射光由于吸收作用进入有源区将非常有限，导致有源区荧光强度非常弱，且与表面层荧光难以区分，因此本发明引入对激光器外延片进行加工，刻蚀脊形，腐蚀相应暴露部分的外延材料，使入射激发光能够有效注入有源区；

3)将加工后的半导体激光器外延片置于荧光谱测试仪中：

首先，获取半导体激光器外延片的影像图片，并同时将半导体激光器外延片和影像图片按照统一尺寸标准划分区域；例如；将半导体激光器外延片和影像图片统一划分为尺寸相同的四个区域；

其次，利用入射激光照射所述半导体激光器外延片的各区域，使其有源区产生受激荧光，最终由荧光光谱仪接收发光谱峰值；

4)记录所述半导体激光器外延片的各区域对应的发光谱峰值及特征，并在所述影像图片上的各区域上分别标出，即形成所述半导体激光器外延片的扫描图；

5)根据步骤4)获得的扫描图对半导体激光器外延片进行分区域筛选分类。

根据本发明优选的，所述电致发光对半导体激光器外延片进行初步测试的方法包括：将所述半导体激光器外延片置于金属平板上，并在半导体激光器外延片上设置光谱仪，电源正极通过探针与所述半导体激光器外延片顶部表面电连接，电源负极与所述金属平板电连接。

根据本发明优选的，所述步骤1)中，所设定半导体激光器外延片波长阈值是根据不同参数半导体激光器而设定的。如808nm±3nm、940nm±3nm、980nm±3nm等，但不仅限于此。

根据本发明优选的，所述步骤2)中刻蚀出脊形条结构：条宽尺寸为1～500μm，周期尺寸为200～1000μm，但不仅限于此。

根据本发明优选的，所述步骤4)记录的发光谱峰值单位为nm，并以1nm为分档分类标准。

根据本发明优选的，所述步骤2)中，采用管芯工艺对半导体激光器外延片进行加工，还包括通过同时制作肩槽和解离槽以制备脊形带肩结构，所述脊形条结构与所述脊形带肩结构周期交替设置。此处设计的优点在于，为了减小半导体激光器封装应力对其性能影响，采用脊形带肩结构，该结构按照现有技术在一次光刻中同时完成肩槽和解离槽的刻蚀，实现去除吸收光的接触层和部分上限制层的目的。完成刻蚀后的外延片可直接放置入荧光谱测试仪中进行检测。

根据本发明优选的，在步骤2)后且在步骤3)之前，在所述半导体激光器外延片的顶部表面设置透明绝缘介质保护膜。透明绝缘介质保护膜种类可以是SiO2、SiN、SiNOx等，厚度范围：50～500nm。

本发明的有益效果：

本发明采用无损筛选方法对半导体激光器外延片光谱进行分析，通过电致发光初检及工艺片整片扫描光荧光谱复检的方法，可有效筛选不同波长范围的半导体激光器外延片，适用范围广。本发明可在前道工艺完成整片激光工艺片波长筛选分类，定位精准，数据全面，速度快，大大提高后道工艺工作效率。同时本发明避免了对激光器工艺片的结构破坏，提高了外延片利用率，节约大量成本。

附图说明

图1为本发明所述半导体激光器无损波长分类筛选方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1所述外延片电致发光检测方法示意图；

图3为本发明实施例1所述外延片脊形条结构刻蚀前的结构示意图；

图4为本发明实施例1所述脊形条结构刻蚀后荧光检测示意图；

图5为本发明实施例2所述脊形带肩结构刻蚀后荧光检测示意图；

图6为图4设置透明绝缘介质保护膜后的示意图；

图7为图5设置透明绝缘介质保护膜后的示意图；

在图1-7中，1、半导体激光器外延片；2、金属平板；3、探针；4、光谱仪；5、电源；6、衬底；7、下限制层；8、有源区；9、上限制层；10、接触层；11、脊形条结构；12、入射激光；13、荧光；14、脊形带肩结构；14-1、肩槽；14-2、解离槽；15、透明绝缘介质保护膜。

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，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但不限于此，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1、

如图1-4所示。

一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，包括步骤如下：

1)通过电致发光对半导体激光器外延片进行初步测试、判断：

首先，设定半导体激光器外延片1波长阈值；所设定半导体激光器外延片波长阈值是根据不同参数半导体激光器而设定的：如808nm±3nm、940nm±3nm、980nm±3nm等，但不仅限于此；

其次，如半导体激光器外延片1电致发光波长符合半导体激光器外延片波长阈值，则进行步骤2)；否则，将所述半导体激光器外延片归为废品弃用；

2)采用管芯工艺对半导体激光器外延片1进行加工：在所述半导体激光器外延片1的顶部刻蚀出脊形条结构11，并暴露半导体激光器外延片1的部分外延层；

3)将加工后的半导体激光器外延片1置于荧光谱测试仪中：

首先，获取半导体激光器外延片的影像图片，并同时将半导体激光器外延片和影像图片按照统一尺寸标准划分区域；例如；将半导体激光器外延片和影像图片统一划分为尺寸相同的四个区域；

其次，利用入射激光照射所述半导体激光器外延片的各区域，使其有源区产生受激荧光，最终由荧光光谱仪接收发光谱峰值；

4)记录所述半导体激光器外延片的各区域对应的发光谱峰值及特征，并在所述影像图片上的各区域上分别标出，即形成所述半导体激光器外延片的扫描图；记录的发光谱峰值单位为nm，并以1nm为分档分类标准；

5)根据步骤4)获得的扫描图对半导体激光器外延片进行分区域筛选分类。

所述电致发光对半导体激光器外延片进行初步测试的方法包括：将所述半导体激光器外延片1置于金属平板2上，并在半导体激光器外延片1上设置光谱仪4，电源5正极通过探针3与所述半导体激光器外延片1顶部表面电连接，电源5负极与所述金属平板2电连接。具体为：首先通过电致发光测试进行初步检测，将半导体激光器外延片1放置于作为电极的金属平板2上，外延片的P面向上，调节探针3接触半导体激光器外延片1的顶部表面，开启电源5开关，将测试电流调至标准电流，标准电流根据不同规格的半导体激光器外延片而定，范围在50～200mA。测量半导体激光器外延片1于小电流下电致发光波长，例如，如果电致发光波长位于标准中心波长±3nm以内，如808nm±3nm，则视为合格品下传管芯工艺，否则将半导体激光器外延片归为废品类。波长检验标准依照半导体激光器类型而定，但不仅限于此。

实施例2、

如图5所示。

如实施例1所述的一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其区别在于，所述步骤2)中，采用管芯工艺对半导体激光器外延片进行加工，还包括通过同时制作肩槽14-1和解离槽14-2以制备脊形带肩结构14，所述脊形条结构11与所述脊形带肩结构14周期交替设置。

实施例3、

如图6所示。

如实施例1所述的一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其区别在于，在步骤2)后且在步骤3)之前，在所述半导体激光器外延片1的顶部表面设置透明绝缘介质保护膜15。

实施例4、

如图7所示。

如实施例2所述的一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其区别在于，在步骤2)后且在步骤3)之前，在所述半导体激光器外延片1的顶部表面设置透明绝缘介质保护膜15。

实施例5、

如实施例1、2所述的一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其区别在于，所述步骤2)中刻蚀出脊形条结构：条宽尺寸为1～500μm，周期尺寸为200～1000μm。但不仅限于此。

实施例6、

如实施例3、4所述的一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其区别在于，所述透明绝缘介质保护膜15为SiO2、SiN、SiNOx等，厚度范围为50～500nm。

Claims (5)

1.一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其特征在于，该筛选方法包括步骤如下：

1)通过电致发光对半导体激光器外延片进行初步测试、判断：

首先，设定半导体激光器外延片波长阈值；

其次，如半导体激光器外延片电致发光波长符合半导体激光器外延片波长阈值，则进行步骤2)；否则，将所述半导体激光器外延片归为废品弃用；

2)采用管芯工艺对半导体激光器外延片进行加工：在所述半导体激光器外延片的顶部刻蚀出脊形条结构，并暴露半导体激光器外延片的部分外延层；

3)将加工后的半导体激光器外延片置于荧光谱测试仪中：

首先，获取半导体激光器外延片的影像图片，并同时将半导体激光器外延片和影像图片按照统一尺寸标准划分区域；

其次，利用入射激光照射所述半导体激光器外延片的各区域，使其有源区产生受激荧光，最终由荧光光谱仪接收发光谱峰值；

4)记录所述半导体激光器外延片的各区域对应的发光谱峰值及特征，并在所述影像图片上的各区域上分别标出，即形成所述半导体激光器外延片的扫描图；

5)根据步骤4)获得的扫描图对半导体激光器外延片进行分区域筛选分类。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其特征在于，所述电致发光对半导体激光器外延片进行初步测试的方法包括：将所述半导体激光器外延片置于金属平板上，并在半导体激光器外延片上设置光谱仪，电源正极通过探针与所述半导体激光器外延片顶部表面电连接，电源负极与所述金属平板电连接。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其特征在于，所述步骤4)记录的发光谱峰值单位为nm，并以1nm为分档分类标准。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其特征在于，所述步骤2)中，采用管芯工艺对半导体激光器外延片进行加工，还包括通过同时制作肩槽和解离槽以制备脊形带肩结构，所述脊形条结构与所述脊形带肩结构周期交替设置。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器无损波长分类筛选方法，其特征在于，在步骤2)后且在步骤3)之前，在所述半导体激光器外延片的顶部表面设置透明绝缘介质保护膜。