CN108199256A - 牢固倒封装微盘腔半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

牢固倒封装微盘腔半导体激光器及其制作方法属于半导体激光器制造技术领域。现有倒封装技术不能直接用来解决微盘腔半导体激光器的散热问题。本发明之方法将发光发热区制作成彼此分立的支撑结构和微盘腔；在支撑结构上部的欧姆接触层上制作绝缘层；在微盘腔上部表面制作上电极，同时在绝缘层上表面也形成上电极金属材料层，在衬底的底部表面制作下电极；最后由一个焊接层同时将上电极、电极金属材料层与热沉焊接在一起。本发明之激光器中的彼此分立的支撑结构和微盘腔结构相同，自支撑结构上部的欧姆接触层起依次还有绝缘层、上电极金属材料层，一个焊接层一侧与热沉焊接，所述焊接层的另一侧分别与微盘腔的上电极、电极金属材料层焊接。

Description

牢固倒封装微盘腔半导体激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种牢固倒封装微盘腔半导体激光器及其制作方法，属于半导体激光器制造技术领域。
背景技术
半导体激光器在工作时会产生很高的峰值功率，电光转换效率却只有40％～50％，也就是说所输入的电能50％～60％都转换为热能。在通电后半导体激光器有源层的温度迅速提高，容易引起激光器的光学灾变，甚至烧毁器件。所以，提升半导体激光器的散热能力不仅能够使半导体激光器长时间连续工作，还能够延长器件的使用寿命。对于高功率半导体激光器来说，更需要解决散热问题。在与此有关的现有技术中，倒封装技术是一项工艺简单又能有效提升散热能力的技术。
倒封装技术在条型半导体激光器有成熟应用。如图1所示，条形半导体激光器其激光出射部位位于其侧向解理面，这种激光器被分类为边发射激光器，该激光器其管芯结构自上而下依次为上电极1、欧姆接触层2、上波导层3、有源层4、下波导层5、衬底6、下电极7，采用倒封装技术封装该激光器时，如图2所示，将管芯倒置，上电极1朝下，将管芯焊接在热沉9上，同时由焊料填充管芯脊条两侧与热沉9之间的空隙，在管芯与热沉9之间形成的焊接层8将管芯牢固地焊接在热沉9上。有源层4产生的热量不再需要通过很厚的衬底6，只需通过上波导层3、欧姆接触层2、上电极1，即可将热量快速传递给热沉9，这一措施使得散热效果的改善十分明显。采用倒封装技术封装条型半导体激光器，不会妨碍光输出。
微盘腔半导体激光器诞生于1992年，与条型半导体激光器相同的是，其管芯结构自上而下依然包括上电极1、欧姆接触层2、上波导层3、有源层4、下波导层5、衬底6、下电极7，如图3所示，借助管芯的下电极7将管芯焊接在热沉上；与条型半导体激光器不同的是，微盘腔半导体激光器管芯的上电极1、欧姆接触层2、上波导层3、有源层4、下波导层5整体呈孤岛状，由上波导层3、有源层4、下波导层5构成微盘腔，出光方向不确定，例如，在圆对称微盘腔360°圆周上都有光输出。微盘腔半导体激光器也有与条型半导体激光器相同的散热问题，如果采用倒封装技术，如图4所示，仅仅经由上电极1将管芯焊接在热沉9上，整个管芯呈头重脚轻状态，薄薄的一层焊接层8不足以将管芯牢固地固定在热沉9上，为了保证光的正常输出，还不能类似于条型半导体激光器的倒封装，在微盘腔周围、衬底6与热沉9之间的空隙内填充焊料。
发明内容
为了实现微盘腔半导体激光器的倒封装，在改善散热效果的同时，保证封装牢固，我们发明了一种牢固倒封装微盘腔半导体激光器及其制作方法。
本发明之牢固倒封装微盘腔半导体激光器的制作方法，在衬底6上表面依次制作下波导层5、有源层4、上波导层3、欧姆接触层2，形成发光发热区10，如图5所示，其特征在于，采用光刻、刻蚀技术将所述发光发热区10制作成彼此分立的支撑结构11和微盘腔12，如图6、图7所示；在支撑结构11上部的欧姆接触层上制作绝缘层13，如图8所示；在微盘腔12上部表面制作上电极1，同时在绝缘层13上表面也形成上电极金属材料层14，在衬底6的底部表面制作下电极7，如图9所示；最后由一个焊接层8同时将上电极1、电极金属材料层14与热沉9焊接在一起，如图10所示。
本发明之牢固倒封装微盘腔半导体激光器自衬底6一侧起依次有下波导层5、有源层4、上波导层3、欧姆接触层2和上电极1，下电极7位于衬底6另一侧，其特征在于，如图10所示，彼此分立的支撑结构11和微盘腔12各自均依次由所述下波导层5、有源层4、上波导层3、欧姆接触层2构成，自支撑结构11上部的欧姆接触层2起依次还有绝缘层13、上电极金属材料层14，一个焊接层8一侧与热沉9焊接，所述焊接层8的另一侧分别与微盘腔12的上电极1、电极金属材料层14焊接。
本发明其技术效果在于，由现有半导体激光器制造工艺可知，衬底6为800μm×500μm的矩形，而微盘腔12的直径仅有100μm，如图7所示，如果简单地将微盘腔12倒过来与热沉9焊接，会出现严重的“头重脚轻”现象，显然无法完成管芯的倒封装。本发明引入支撑结构11，如图7、图10、图11所示，与微盘腔12一起支撑“硕大”的衬底6，能够实现管芯的牢固倒封装。支撑结构11的制作是在外延工艺中与微盘腔12一并完成，衬底6、微盘腔12的尺度也与现有方案相同，在制作上电极1的同时完成上电极金属材料层14的制作，使得现有半导体激光器制造工艺能够兼容本发明之方法。焊接层8通过上电极1、上电极金属材料层14，在将管芯牢固地固定在热沉9上的同时，虽然将上电极1、上电极金属材料层14导通，但是，由于绝缘层13的存在，不会引起注入电流的分流。采用刻蚀工艺制作的支撑结构11具有光滑的侧壁，能够将微盘腔12发射过来的光反射回去，如图10、图11所示，因此，支撑结构11的引入不会造成光能的损失。另外，支撑结构11还有利于管芯的散热，因为它能够将微盘腔12传入到衬底6的热量传导至热沉9中。本发明成功地将现有倒封装技术引入到微盘腔半导体激光器的封装中，相比于现有微盘腔半导体激光器封装工艺，本发明将管芯的发光发热区10与热沉9的距离由150μm减小到10μm，明显改善器件的散热效果，能够大幅延长器件的使用寿命。
附图说明
图1是现有条型半导体激光器管芯结构立体示意图。
图2是从出光一侧看到的现有倒封装条型半导体激光器结构示意图。
图3是现有微盘腔半导体激光器管芯结构及出光形态立体示意图。
图4是简单地将倒封装技术引入到微盘腔半导体激光器的封装所产生的技术问题示意图。
图5、图6、图8、图9、图10是本发明之牢固倒封装微盘腔半导体激光器的制作方法各步骤示意图，其中图10还是本发明之牢固倒封装微盘腔半导体激光器结构及出光形态示意图，图10兼作为摘要附图。
图7、图11是本发明之牢固倒封装微盘腔半导体激光器中的衬底、支撑结构、微盘腔三者关系平面示意图，还示意支撑结构的两种形状以及本发明之牢固倒封装微盘腔半导体激光器的发光形态。
具体实施方式
本发明之牢固倒封装微盘腔半导体激光器的制作方法，在衬底6上表面依次制作下波导层5、有源层4、上波导层3、欧姆接触层2，形成发光发热区10，如图5所示，衬底6的厚度为400μm，发光发热区10的厚度为10～20μm。采用光刻、刻蚀技术将所述发光发热区10制作成彼此分立的支撑结构11和微盘腔12，如图6、图7所示，微盘腔12直径100μm。在支撑结构11上部的欧姆接触层上制作绝缘层13，如图8所示，以磁控溅射的方法制作绝缘层13，绝缘层13的材料为SiO2或者Si3N4。在微盘腔12上部表面制作上电极1，同时在绝缘层13上表面也形成上电极金属材料层14，在衬底6的底部表面制作下电极7，如图9所示。硅片解理后一个管芯占用的衬底6为一个800μm×500μm的矩形片，厚度减薄到150μm。最后由一个焊接层8同时将上电极1、电极金属材料层14与热沉9焊接在一起，如图10所示。
如图10所示，本发明之牢固倒封装微盘腔半导体激光器自衬底6一侧起依次有下波导层5、有源层4、上波导层3、欧姆接触层2和上电极1，下电极7位于衬底6另一侧。彼此分立的支撑结构11和微盘腔12各自均依次由所述下波导层5、有源层4、上波导层3、欧姆接触层2构成；支撑结构11朝向微盘腔12的立面为平面或者柱面，分别如图7、图11所示。自支撑结构11上部的欧姆接触层2起依次还有绝缘层13、上电极金属材料层14；绝缘层13的材料为SiO2或者Si3N4；上电极金属材料层14与上电极1材质相同。一个焊接层8一侧与热沉9焊接，所述焊接层8的另一侧分别与微盘腔12的上电极1、电极金属材料层14焊接。

Claims (5)

1.一种牢固倒封装微盘腔半导体激光器的制作方法，在衬底(6)上表面依次制作下波导层(5)、有源层(4)、上波导层(3)、欧姆接触层(2)，形成发光发热区(10)，其特征在于，采用光刻、刻蚀技术将所述发光发热区(10)制作成彼此分立的支撑结构(11)和微盘腔(12)；在支撑结构(11)上部的欧姆接触层上制作绝缘层(13)；在微盘腔(12)上部表面制作上电极(1)，同时在绝缘层(13)上表面也形成上电极金属材料层(14)，在衬底(6)的底部表面制作下电极(7)；最后由一个焊接层(8)同时将上电极(1)、电极金属材料层(14)与热沉(9)焊接在一起。
2.根据权利要求1所述的牢固倒封装微盘腔半导体激光器的制作方法，以磁控溅射的方法制作绝缘层(13)，绝缘层(13)的材料为SiO2或者Si3N4。
3.一种牢固倒封装微盘腔半导体激光器，自衬底(6)一侧起依次有下波导层(5)、有源层(4)、上波导层(3)、欧姆接触层(2)和上电极(1)，下电极(7)位于衬底(6)另一侧，其特征在于，彼此分立的支撑结构(11)和微盘腔(12)各自均依次由所述下波导层(5)、有源层(4)、上波导层(3)、欧姆接触层(2)构成，自支撑结构(11)上部的欧姆接触层(2)起依次还有绝缘层(13)、上电极金属材料层(14)，一个焊接层(8)一侧与热沉(9)焊接，所述焊接层(8)的另一侧分别与微盘腔(12)的上电极(1)、电极金属材料层(14)焊接。
4.根据权利要求3所述的牢固倒封装微盘腔半导体激光器，其特征在于，支撑结构(11)朝向微盘腔(12)的立面为平面或者柱面。
5.根据权利要求3所述的牢固倒封装微盘腔半导体激光器，其特征在于，绝缘层(13)的材料为SiO2或者Si3N4；上电极金属材料层(14)与上电极(1)材质相同。
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