CN107408790B - 针对外延侧向下安装优化的量子级联激光器 - Google Patents

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Abstract

对于量子级联激光器（QCL）的外延侧向下粘接，重要的是优化QCL芯片与芯片安装于其的热沉之间的热传递。这通过使用具有高热导率的热沉并且通过使激光器有源区和所述热沉之间的热阻最小化来实现。在涉及的倒装型构型中，QCL的有源区定位成距热沉仅几微米，这从热学观点来看是优选的。然而，这种设计的实现具有挑战性，并且如果不采取具体预防措施则通常会导致低的制造产量。由于有源区非常接近热沉，因此焊接材料可能在粘接过程期间在芯片的侧面上渗出，并可能使装置短路，从而使其不能使用。为了避免这种情况发生，本发明提出除了两个波导小平面（即有源区的端部）之外，在芯片的整个周围设置沟槽。该沟槽可被蚀刻于否则将是标准的QCL芯片中，或以其它方式被机加工于芯片中，从而在倒装贴片过程期间为由芯片使其移位的焊料的体积提供初始为空的空间，该空的空间被多余的焊料占据而不接触芯片的侧面且因此不使装置短路。

Description

针对外延侧向下安装优化的量子级联激光器
技术领域
本发明涉及量子级联半导体激光器，具体地关注这种激光器的热管理和制造产量。
背景技术
量子级联激光器（QCL）是依赖量子阱中的子带间跃迁的半导体激光器。其在中红外光谱范围内（即在3-50μm的波长下）在室温下以连续波（CW）模式操作。
因为QCL在大约10V的相对大的电压和大约1kA/cm2的阈值电流密度下操作，所以增益区中的焦耳加热导致在高占空比和CW操作期间内部温度高于热沉温度的显著上升。这种自加热通常导致性能劣化，因为激光器效率随有源区温度的升高而降低。为了将这种有害影响保持最小，重要的是通过使用由高热导率材料制成的热沉并且通过最小化激光有源区和所述热沉之间的热阻来优化热传递。
与大多数半导体激光器一样，QCL的制造由半导体异质结构在衬底上的外延生长开始。然后外延侧被图案化以形成波导，沉积电绝缘层并选择性地将其开放，并且沉积金属层以便电接触。通常在接触层的顶部电镀通常为3-5微米的额外金层，以通过侧向扩散热来增强热耗散。衬底侧通常被减薄至100-200μm，并且金属接触层沉积在其上。为了使装置发光，电流必须在外延侧接触件和衬底侧接触件之间流动通过有源区。
图1a和1b示出了对应装置几何结构的两个主要种类：图1a示出第一种类，脊波导（RWG）激光器，其中介电材料（通常为氮化硅（Si3N4）或氧化硅（SiO2））的薄层被用作绝缘体。图1b中示出第二种类，掩埋异质结构（BH）激光器，其中半绝缘的半导体材料（通常是铁掺杂的InP（Fe:InP））的选择性过生长（overgrowth）被用作绝缘体。后者具有更低的波导损耗和更高的热导率的优点。下文进一步详细描述图1a和1b。
关于上述的掩埋异质结构（BH）构型，已经针对QCL展示了至少两种不同的类型，我们在此将称之为“标准BH”和“倒置BH”。在标准BH中，首先生长平面顶部覆层，然后在顶部覆层和有源区中蚀刻脊，并且最后在所述脊的侧面上选择性地过生长半绝缘材料以完成波导。
图2示出由A. Bismuto等人在2013年9月13日提交的尚未公布的欧洲专利申请13405 109.3中描述的所谓的“倒置”BH QCL。在该结构中，在生长覆层之前在有源区14中蚀刻脊，随后在有源区14的侧面上选择性地过生长半绝缘材料15，并且最终在整个结构上生长平面顶部覆层16以完成波导。在可选的绝缘层12上的金属顶部接触层13与衬底17背面上的未示出的接触层一起为QCL提供电能。
由于与标准BH工艺相比，执行顶部覆层生长和选择性过生长的顺序是倒置的，因此该装置被称为“倒置BH QCL”。这种倒置BH架构具有相比于标准架构（通常需要约6-7μm的选择性过生长）需要更薄的选择性过生长部（通常约2-3μm）的优点。
QCL芯片能够安装成外延侧向上（“正装型（epi-up）”）或外延侧向下（“倒装型（epi-down）”）中的任一者。RWG和BH构型两者都非常适用于正装贴片。具有其平坦顶表面的BH构型也自然地非常适用于倒装贴片。在RWG构型的情况下，如由J.Su等人在AppliedPhysics Letters（应用物理学快报）88,091113（2006）中的“High-power λ〜9.5μmquantum-cascade lasers operating above room temperature in continuous-wavemode”中描述的双通道或双沟槽几何结构通常用于倒装贴片，其中通过蚀刻两个窄通道限定波导，如图3中所示。
在正装型构型中，使用导电焊料（通常为铟（In）或金-锡（AuSn））将衬底侧焊接到由高热导率材料（例如，铜）制成的热沉上。这种粘接方法通常导致高制造产量，因为能够使用厚的焊料层而不会有使装置短路的风险。然而，由于在有源区中生成的热必须穿过通常具有比热沉的热导率（对于Cu而言为401W/mK）远为更低的热导率（对于Inp而言为68W/mK）的衬底的整个厚度（> 100pm），因此所得的热阻大。
另一方面，在倒装型构型中，有源区定位成距热沉仅几微米，从而导致远为更低的热阻。尽管如此，即使从热学观点来看这种构型是优选的，但QCL制造商并不总是选择该构型，因为实现其更具挑战性，并且如果不采取具体的预防措施，则通常会导致更低的制造产量。这是因为有源区非常接近热沉，并且因此焊料可能在粘接过程期间在芯片的侧面上渗出，这容易使装置短路，从而使其不能使用。
为了使倒装贴片过程期间使装置短路的可能性最小化，需要保持焊料厚度低，通常仅几微米。因此，必须使用真空沉积工艺将焊料放置在热沉上。虽然它帮助避免短路，但使用薄的焊料层厚度增加了对表面平面度的要求：由于机械应变产生的微米大小的突起或弯曲的存在能够防止焊料润湿整个表面，并且因此导致芯片与热沉之间的不良的热接触。必须找到这两种均不利于制造产量的影响之间的权衡。
即使用薄的真空沉积焊料层，也存在倒装贴片期间使装置短路的风险。由于芯片表面是平坦的并且在该过程期间需要施加压力，因此熔融的焊料趋于朝向芯片的两侧向外流动并渗出。由于芯片的侧面不是电绝缘的，因此在有源区上方与衬底接触的焊料的少量积聚足以形成短路。
Kim等人在US 2013/0243020 A1中描述了外延侧向下安装的大功率半导体激光器，其是RWG半导体激光器的倒装贴片的构型。在该方案中，激光器脊是独立的并且具有与脊的高度近似相同的高度的柱位于两侧上以提供粘接的机械稳定性和平坦度。脊和柱之间的空容积为多余的焊料提供释放区域。
虽然所描述的方法降低了在倒装贴片过程期间使装置短路的可能性，但其具有显著减小芯片和热沉之间的接触面积的缺点（特别是相比于双通道RWG和BH构型）。实际上，仅通常1-50μm宽的RWG和通常为边的长度是20-100μm的方形并且由通常100-1000μm的自由空间分隔开的柱被焊接到热沉上。这仅相当于整个芯片面积的一小部分。因此，常常由其晶片抗切强度（die shear strength）值量化的粘接的机械稳健性显著减小，从芯片到热沉的热传递也显著减小。
本发明克服了该缺点，因为根据本发明的焊料释放沟槽通常占总芯片面积的小于20％。因此，芯片在超过其80％的面积上被焊接到热沉上，从而导致更高的晶片抗切强度。此外，更大的接触面积导致改进的热导率，特别是在其中侧向热耗散显著的BH构型中。
发明内容
本发明的目的是克服在外延侧向下粘接期间量子级联激光器芯片的电短路问题。
如上文所述，因为熔融焊料在侧面上渗出或漏出并在有源区上方与衬底接触，因此QCL芯片在安装过程期间被短路。消除这种故障模式的一种可能方式是通过提供其中多余焊料能够在没有形成短路的风险的情况下流动的释放区域来防止焊料渗出。
本发明通过在芯片的整个周围（除了激光器小平面之外）蚀刻沟槽来提供这样的释放区域。这样，在倒装贴片过程期间被推向平坦中心区域的侧面的多余焊料积聚在该沟槽中，并且不从芯片渗出。这种方法可与RWG和BH构型两者兼容。
可从本发明的若干实施例的以下描述、从附图和从所附权利要求中认识本发明的更多细节。
附图说明
附图中示出：
图1a是现有技术的脊波导（RWG）QCL设计，
图1b是现有技术的掩埋异质结构（BH）QCL设计，
图2是现有技术的“倒置”BH QCL设计，
图3是现有技术的“双通道”RWG QCL，
图4是本发明的第一实施例，BH QCL，
图5是本发明的第二个实施例，倒置BH QCL，
图6是本发明的第三实施例，RWG QCL，
图7是本发明的实施例的输出/电流图。
具体实施方式
随后以被配置为用于倒装型安装的改进的RWG、标准BH和倒置BH QCL的形式描述本发明的实施例。应理解的是，本发明能够以各种形式实现。因此，本文描述的实施例仅是示例，并且本领域技术人员可在不偏离本发明的范围的情况下利用其他实施例。
如上文所述，图1a示出常规的（即，现有技术的）脊波导（RWG）半导体激光器。沿激光器本体的长度延伸并被顶部覆层3覆盖的窄有源区4位于衬底5上。具有覆层3的顶部上的开口的该衬底5上的绝缘层1由用作有源区4的一个电接触件的金属层2覆盖。在图1a中未示出通常在衬底5的底部处的另一接触件。
图1b示出通常的现有技术的掩埋异质结构（BH）激光器。衬底11承载具有沿激光器结构的长度延伸的顶部覆层8的有源区9。有源区9和顶部覆层8两者均嵌入用作侧向约束或阻挡元件的半绝缘侧向过生长部10中。可选的绝缘层6可覆盖半绝缘侧向过生长部10，从而留下覆层8的顶部上的接触区域开放。顶部接触层7为有源区提供一个电接触件，通常在衬底11的底部处的相对接触件未示出。
用于这些激光器的通常材料包括III-V材料或化合物，诸如用于衬底的InP、用于有源区的InGaAs和AlInAs、用于覆层的InP和/或诸如掺杂的InAlAs或InGaAs的三元系，以及用于侧向约束或掩埋层的Fe掺杂的InP或InGaAs。顶部和底部电极通常由若干层组成，其最后一层通常为Au。
图2已在上文陈述，其描绘了也在上文提及的在2013年9月13日提交的A. Bismuto等人的尚未公布的欧洲专利申请13 405 109.3中所示和描述的“倒置”BH QCL。
图3也在上文简要地陈述，其示出如由J. S. Yu等人在Applied Physics Letters（应用物理学快报）88,091113（2006）发表的“High-power λ〜9.5μm quantum-cascadelasers operating above room temperature in continuous-wave mode”中描述的具有双通道或双沟槽几何结构的现有技术的RWG构型。在该QCL中，两个窄的通道被蚀刻于衬底22，从而限定用于有源区21和顶部覆层20的波导。绝缘层18覆盖除了覆层20的顶部上的条带之外的整个结构。该绝缘层18的顶部上的金属层19用作用于电流注入到QCL的有源区内的一个接触件。图3中未示出通常在衬底22的底部处的相对的接触件。
图4现在以根据本发明修改的“标准”BH QCL（即从图1a中所示的设计开始的QCL）的形式示出本发明的第一实施例。该标准BH QCL具有：在衬底28上的有源区26，该有源区26具有在其上的顶部覆层25；半绝缘侧向过生长部或掩埋层27，在顶部上具有作为用于电流注入的接触件的金属层24。可选地，可在该金属层24的下方设置具有沿脊的开口的绝缘层27a。未示出通常在衬底28的底部处的相对的接触件。根据本发明的新结构元件是用作焊料释放空间的沟槽23，除了激光器小平面之外，该沟槽23在芯片整个周围延伸。该沟槽23被蚀刻到覆盖整个QCL芯片的半绝缘过生长部或掩埋层27（如图1b中的厚掩埋层5所示）中。该沟槽23形成释放空间，在该处多余的熔融焊料能够在没有使装置短路的风险的情况下在芯片安装过程期间流动。
该QCL芯片的外延侧由有源区26和覆层25的条带组成，其构成波导的芯，并被夹在作为掩埋层27的选择性地过生长的半绝缘半导体材料（例如，Fe掺杂的InP）之间。电绝缘的介电材料（诸如SiN和/或SiO）的可选顶层27a在有源区上方开放以提供电接触。由于掩埋层27是半绝缘的并且因此提供一些电绝缘，因此该层27a对于BH QCL而言并不总是必需的。然而，其有时被用作额外的安全措施来防止掩埋层中的可能的漏电流。顶表面还包括金属接触件24和可选的一层热扩散材料，诸如相对厚的、通常为3-5μm的电镀Au层。沟槽23被蚀刻在芯片的整个周围，除了以端点为中心的两个通常50μm宽的部段（即波导的小平面）之外。
在靠近小平面的有源区的两侧上留下约20微米的未蚀刻材料确保延伸到侧向过生长部内的光学模式不受干扰，并且有源区的接近小平面的区段产生的热被有效地耗散。
在所示的实施例中，沟槽23大约宽30μm和深6-7μm。这些尺寸仅是示例性的并且可根据需要改变，例如以容纳更大量的多余焊料。建议保持沟槽深度比侧向过生长部厚度更浅，通常浅1-2μm。在这种情况下，沟槽的底部处的半绝缘材料的其余层将衬底与焊料绝缘，并且不需要用绝缘体覆盖沟槽的底部和侧壁。也可利用更深的沟槽，只要其底部和侧壁涂覆有共形绝缘层，诸如SiN和/或SiO介电层。
图5示出根据本发明针对倒装型安装的激光器优化的第二实施例。其是倒置型BHQCL，其中，除了激光器小平面之外，沟槽已被蚀刻于芯片的整个周围。
图5中所示的BH QCL具有带有顶部覆层32的有源区31，该顶部覆层32由在脊上具有孔的可选绝缘层33a覆盖；和最后地用于电流注入的金属接触层30。未示出通常在衬底34的底部处的相对的接触件。为波导设置半绝缘侧向过生长部或掩埋层33。
根据本发明的新型结构元件是沟槽29，其用作用于过量焊料的期望容器。该沟槽29在除了激光器小平面之外的芯片的整个周围延伸。
在这种倒置BH QCL的情况下，通过完全蚀刻去除导电覆层形成沟槽29，该覆层的其余部分在图中在32处示出。掩埋层33的半绝缘材料提供电绝缘以防止短路。可选地，该装置的顶部上和/或沟槽中可沉积共形绝缘涂层33a。
在倒置BH的情况下，沟槽具有移除相邻装置之间的电连接的额外益处，因此使得能够单独地测试激光巴条（laser bar）的每个装置。例如，这对在分离之前在限定小平面之后或在沉积小平面涂层之后预先筛查呈巴条形式的装置而言是有利的。
当实现了这样的焊料释放沟槽时，观察到BH QCL装置的在倒装贴片期间被短路的部分被最小化，其实际上接近零。
图6示出根据本发明的第三实施例，在此为脊波导QCL。再次地，除了波导小平面之外，在芯片的整个周围蚀刻沟槽，从而形成释放空间，在该处多余的熔融焊料能够在没有使装置短路的风险的情况下流动。该QCL再次允许根据本发明的高产量倒装贴片。
图6中所示的RWG QCL具有：带有顶部覆层37的有源区38，该顶部覆层37由在脊上具有孔的可选绝缘层35a覆盖；和最后地用于电流注入的金属接触层36。未示出通常在衬底39的底部处的相对的接触件。有源区38的任一侧上的两个通道40用作波导分界件。
如上文所述，RWG QCL芯片的外延侧的顶表面由诸如SiN和/或SiO的介电材料的电绝缘层35覆盖，其仅在有源区的顶部上开放以便电接触。该绝缘层35对于RWG QCL而言是必要的，因为有源区38的侧面上的未蚀刻材料是导电的并且连接它将导致最主要的（paramount）漏电流。如上文描述的BH QCL那样，顶表面还包括金属接触件36和热扩散材料的可选层，诸如厚（通常为3-5μm）的电镀金。根据本发明，除了两个波导小平面的区域之外，沟槽35被蚀刻在芯片的整个周围。
与BH QCL的情况不同，在RWG QCL中不需要在激光器小平面处在有源区的侧面上保留未蚀刻的材料，因为光学模式不延伸到其中，并且其对热耗散没有显著的贡献。在所示的实施例中，选择30μm的沟槽宽度和6-7μm的沟槽深度。这些尺寸仅是示例性的并且能够根据需要改变，例如以容纳更大体积的多余焊料。在RWG QCL的情况下，用绝缘共形涂层（诸如SiN和/或SiO介电层）覆盖沟槽底部和侧壁是关键的。
在图6中所示的倒装型优化的RWG QCL的优选实施例中，焊料释放沟槽的深度等于形成波导的两个通道40的深度，并且它们都在单个蚀刻步骤中同时形成。此外，单个共形涂层35a被用于使通道和沟槽的底部和侧壁绝缘。在该实施例中，与标准双通道构型相比，不需要额外的加工步骤来实现本发明。
比如，根据本发明加工的QCL芯片可用真空沉积的金-锡（AuSn）焊料倒装型地安装在氮化铝（AlN）基板（submount）上。
虽然本说明书关注QCL，但是本发明也可与其它类型的边发射半导体激光器一起使用，包括但不限于RWG带间级联激光器（ICL）以及RWG和BH二极管激光器。此外，本发明也可以被用于改善发射光通过衬底的垂直发射激光器（诸如垂直腔面发射激光器（VCSEL）和垂直外腔面发射激光器（VECSEL））的倒装贴片制造产量。在非边发射激光器的情况下，可简单地在芯片的整个周围均匀地蚀刻焊料释放沟槽。
图7示出了从倒装型安装的大功率量子级联激光器（即从实际约简（reduction）至本发明的实践）取得的测量结果。该QCL在中红外光谱范围内以4.7μm的波长发射。长度达9mm的若干装置以高制造产量安装。观察到1.3W的最大CW输出功率。图7示出在不同温度下在这种装置中测得的随电流变化的光功率和电压：对于根据本发明的外延侧向下安装的量子级联激光器，电压（左）和输出功率（右）在从-30℃至+45℃的范围中的温度下在连续波操作中显示为随电流变化。
综上所述，适用于各种QCL和类似激光器设计的所呈现的新型装置几何结构既不影响（尤其是降低）激光器性能，也不影响晶片抗切强度，而且避免了外延侧向下粘接过程期间短路的风险。

Claims (7)

1.一种制造被配置为用于外延侧向下粘接的半导体掩埋异质结构量子级联激光器芯片的方法，所述芯片包括衬底、具有两个小平面的有源区、覆层、掩埋层、以及提供电流注入于所述有源区中的顶部电极，其特征在于，
- 将沟槽蚀刻于所述芯片的覆层或掩埋层中，
- 所述沟槽在除了以所述有源区的两个小平面中的每个为中心的一小部段之外围绕所述芯片的周边延伸，以用于收集所述芯片的过量焊料或其它紧固剂；
- 所述沟槽具有宽度为所述芯片的宽度的约5-15％并且深度为所述芯片的厚度的约2-10％的横截面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述衬底由InP制成，所述有源区由InGaAs和/或AlInAs制成，所述覆层由掺杂的InP或InGaAs或AlInAs制成，并且所述电极包括若干层，其中至少一层是Au。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括
制造绝缘层，其共形地覆盖所述沟槽的底部和侧壁的至少一部分，以便使所述芯片与所述过量焊料或其它紧固剂绝缘。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述沟槽被蚀刻至小于所述掩埋层的厚度的深度。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，
所述沟槽被蚀刻为约20-50μm宽和约4-10μm深。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述沟槽被蚀刻至大于或等于所述覆层的厚度，并且小于或等于所述覆层和所述掩埋层的厚度之和的深度。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，
所述绝缘层为SiN和/或SiO介电层。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107528214B (zh) * 2017-08-07 2020-06-23 武汉大学深圳研究院 双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法及激光器
JP6981820B2 (ja) * 2017-09-06 2021-12-17 浜松ホトニクス株式会社 量子カスケードレーザ光源の製造方法
CN111755949B (zh) * 2019-03-29 2021-12-07 潍坊华光光电子有限公司 一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法
CN113507040A (zh) * 2021-07-02 2021-10-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 半导体激光器及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5198686A (en) * 1990-11-13 1993-03-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Double hetero-type semiconductor laser device
US20130182736A1 (en) * 2012-01-17 2013-07-18 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Quantum cascade laser
US20130243020A1 (en) * 2012-03-16 2013-09-19 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Epitaxial-Side-Down Mounted High-Power Semiconductor Lasers

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5988877A (ja) * 1982-11-12 1984-05-22 Hitachi Ltd 発光半導体装置およびその組立に用いる発光素子
JPH0831654B2 (ja) * 1987-11-25 1996-03-27 三菱電機株式会社 半導体レーザ装置用サブマウント
JPH02253690A (ja) * 1989-03-27 1990-10-12 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置の製造方法
JPH0567847A (ja) * 1991-09-05 1993-03-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置の製造方法
JPH05218586A (ja) * 1992-02-04 1993-08-27 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ装置およびその製造方法
JP3634538B2 (ja) * 1997-02-27 2005-03-30 シャープ株式会社 半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ装置
JPH11145558A (ja) * 1997-11-05 1999-05-28 Hitachi Ltd 半導体光素子、送受信モジュールおよび光通信システム
EP1130724A1 (fr) * 2000-03-03 2001-09-05 Alpes Lasers Laser à cascade quantique et procédé pour la fabrication d'un tel laser
DE10027519C2 (de) * 2000-06-06 2002-04-25 Siemens Ag Trennschaltereinrichtung mit geringem Platzbedarf
JP2004140141A (ja) * 2002-10-17 2004-05-13 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ
US7424042B2 (en) 2006-09-22 2008-09-09 Daylight Solutions, Inc. Extended tuning in external cavity quantum cascade lasers
JP2011222675A (ja) * 2010-04-07 2011-11-04 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置及びその製造方法
JP5803366B2 (ja) * 2011-07-14 2015-11-04 住友電気工業株式会社 埋め込みヘテロ構造半導体レーザの製造方法及び埋め込みヘテロ構造半導体レーザ
JP5810720B2 (ja) * 2011-08-01 2015-11-11 住友電気工業株式会社 量子カスケード半導体レーザ、レーザ装置および量子カスケード半導体レーザの製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5198686A (en) * 1990-11-13 1993-03-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Double hetero-type semiconductor laser device
US20130182736A1 (en) * 2012-01-17 2013-07-18 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Quantum cascade laser
US20130243020A1 (en) * 2012-03-16 2013-09-19 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Epitaxial-Side-Down Mounted High-Power Semiconductor Lasers

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