CN110021874B - 一种半导体激光器及激光器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器及激光器芯片，所述半导体激光器根据其激光器芯片的谐振腔上的温度分布，调整了过渡热沉的宽度，使沿谐振腔的前腔面到后腔面的方向上，温度均匀分布；而所述激光器芯片根据多个脊形波导结构的所处位置的温度分布，通过调整各脊形波导结构的宽度以及相互之间的间距，以减小脊形波导结构之间的热串扰现象带来的影响，使各个脊形波导结构之间的温度保持相近，由此提高了半导体激光器和激光器芯片的稳定性，并延长了半导体激光器和激光器芯片的使用寿命。

Description

一种半导体激光器及激光器芯片
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其是一种半导体激光器及激光器芯片。
背景技术
由于采用TO封装技术对激光器进行封装，具有寄生参数小、工艺简单、成本低和使用方便等优点，因此TO封装技术在激光器的封装领域得到了广泛的应用。但是采用TO封装的激光器常存在以下问题：相对于激光器的谐振腔的前腔面，激光器的谐振腔的后腔面距离激光器的散热面较近，由此导致激光器沿谐振腔方向上出现前腔面的温度高而后腔面的温度低的现象，这种温度分布不均匀的情况将影响激光器的稳定性。
而为了提高激光器的输出功率，也常常通过设置呈阵列排布的多个脊形波导结构构成多脊形半导体激光器，但是这种多脊形半导体激光器会由于各个脊形波导结构间产生热串扰现象，导致激光器芯片的温度呈现出芯片的中心处温度高，而芯片的边缘处温度低的情况，进而严重影响激光器的输出波长，影响激光器的稳定性，降低其使用寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种半导体激光器及激光器芯片，来解决上述问题。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明提供了一种半导体激光器，包括：承载热沉、过渡热沉和激光器芯片。所述过渡热沉设置在所述承载热沉上，所述过渡热沉的第一侧面与所述承载热沉的第一侧面对齐，所述激光器芯片设置在所述过渡热沉上，所述激光器芯片包括彼此相对的前腔面和后腔面，所述前腔面和所述过渡热沉的第一侧面对齐，所述过渡热沉的宽度沿着所述前腔面到所述后腔面的方向逐渐减小。
优选地，所述承载热沉包括与所述过渡热沉接触的承载面，所述过渡热沉平行于所述承载面的截面的形状呈三角形或梯形。
优选地，所述半导体激光器还包括第一焊料层和第二焊料层，所述过渡热沉通过所述第一焊料层焊接于所述承载热沉上，所述激光器芯片通过所述第二焊料层焊接于所述过渡热沉上。
优选地，所述第一焊料层和第二焊料层为金锡焊料或铟锡焊料。
优选地，所述过渡热沉由选自氮化铝、碳化硅和金刚石中的任一种制成。
优选地，所述半导体激光器还包括TO封装部，所述TO封装部包括封装座以及分别穿过所述封装座的第一引脚和第二引脚，所述承载热沉固定在所述封装座的一侧上，所述第一引脚与所述承载热沉上的过渡热沉电性连接，所述第二引脚与所述过渡热沉上的激光器芯片电性连接。
优选地，所述激光器芯片包括背电极及依序叠层设置于所述背电极上的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层、绝缘层和上电极，所述上限制层包括本体层和由所述本体层凸出形成的多个脊形条，所述多个脊形条平行排列于所述本体层上，所述脊形条沿着所述前腔面到所述后腔面的方向延伸，沿着所述多个脊形条的排列的中央分别到两端的方向上，所述脊形条的宽度逐渐增加。
优选地，沿着所述多个脊形条的排列的中央分别到两端的方向上，相邻的脊形条之间的间距逐渐减小。
本发明还提供了一种激光器芯片，包括背电极及依序叠层设置于所述背电极上的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层、绝缘层和上电极，形成彼此相对的前腔面和后腔面。所述上限制层包括本体层和由所述本体层凸出形成的多个脊形条，所述多个脊形条平行排列于所述本体层上，所述脊形条沿着所述前腔面到所述后腔面的方向延伸，沿着所述多个脊形条的排列的中央分别到两端的方向上，相邻的脊形条之间的间距逐渐减小。
优选地，沿着所述多个脊形条的排列的中央分别到两端的方向上，所述脊形条的宽度逐渐增加。
本发明提供的一种半导体激光器及激光器芯片，所述半导体激光器根据其激光器芯片的谐振腔上的温度分布，调整了过渡热沉的宽度，使沿谐振腔的前腔面到后腔面的方向上，温度均匀分布；而所述激光器芯片根据多个脊形波导结构的所处位置的温度分布，通过调整各脊形波导结构的宽度以及相互之间的间距，以减小脊形波导结构之间的热串扰现象带来的影响，使各个脊形波导结构之间的温度保持相近。
附图说明
图1是本发明实施例提供的半导体激光器的结构示意图；
图2-图5是本发明实施例提供的四种具有不同形状过渡热沉的半导体激光器分别对应的结构示意图；
图6是所述四种具有不同形状过渡热沉的半导体激光器在沿谐振腔方向的温度分布图；
图7是本发明实施例提供的半导体激光器的封装示意图；
图8是本发明实施例提供的激光器芯片的结构示意图；
图9和图10是本发明实施例提供的四组激光器芯片中各个脊形条的温度分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。
参阅图1，本实施例提供了一种半导体激光器，包括承载热沉1、过渡热沉2和激光器芯片3。所述过渡热沉2设置在所述承载热沉1上，所述过渡热沉2的第一侧面与所述承载热沉1的第一侧面对齐，所述激光器芯片3设置在所述过渡热沉2上，所述激光器芯片3包括彼此相对的前腔面和后腔面，所述前腔面和所述过渡热沉的第一侧面对齐，所述过渡热沉2的宽度沿着所述前腔面到所述后腔面的方向逐渐减小。
上述TO封装的半导体激光器，根据沿所述激光器芯片3的谐振腔的前腔面朝向后腔面的方向上的温度变化，通过使沿该方向将所述过渡热沉2的宽度逐渐缩短，改变了所述过渡热沉2的形状，使温度相对较高的前腔面上的过渡热沉的相对较多，以加强该处的散热，而温度相对较低的后腔面上的过渡热沉相对较少，以减弱该处的散热，所述过渡热沉2能适应所述激光器芯片3上的温度变化，由此能重新使所述激光器芯片3的谐振腔的温度分布变得均匀。
在本实施例中，所述承载热沉1包括与所述过渡热沉2接触的承载面11，所述过渡热沉2平行于所述承载面11的截面的形状呈三角形或梯形，也即是沿所述激光器芯片3的谐振腔的前腔面朝向后腔面的方向上，所述过渡热沉2的宽度以固定变化率逐渐减小。
如图2-图5所示，本发明以四种具有不同形状的过渡热沉2的半导体激光器作为实施例展示所述过渡热沉2的宽度变化对所述激光器芯片3的温度分布的影响，依次对应图6中的a、b、c和d四组曲线，图2对应普通的半导体激光器，其过渡热沉2的形状呈长方体型，过渡热沉2的长度d2为1400μm，宽度d1为800μm，前腔面和后腔面的温度差为5.2K；图3所示半导体激光器是在图2所示的半导体激光器的基础上，增大了过渡热沉2邻近前腔面的宽度，并减小其邻近后腔面部分的宽度，使过渡热沉2的形状呈三棱柱型，过渡热沉2的长度d4为1400μm，宽度d3为1650μm，前腔面和后腔面的温度差可减小至3.75K；图4所示半导体激光器是在图3所示的半导体激光器的基础上，去除部分超出后腔面的过渡热沉，其过渡热沉2的形状呈棱台型，过渡热沉2的长度d6为900μm，宽度d5为1650μm，前腔面和后腔面的温度差可减小至2.43K；图5所示的半导体激光器是在图4所示的半导体激光器的基础上，缩短与后腔面齐平的过渡热沉2的宽度，使其与后腔面的宽度相等，过渡热沉2的长度d8为800μm，宽度d7为1650μm，最后使得前腔面和后腔面的温度差减至0K，前腔面和后腔面之间温度均匀分布。
进一步地，所述半导体激光器还包括第一焊料层6和第二焊料层5，所述过渡热沉2通过所述第一焊料层6焊接于所述承载热沉上，所述激光器芯片3通过所述第二焊料层4焊接于所述过渡热沉2上。
具体地，所述第一焊料层6和第二焊料层5为金锡焊料或铟锡焊料。
具体地，所述过渡热沉2由选自氮化铝、碳化硅和金刚石中的任一种制成。
在本实施例中，所述承载热沉1为铜制TO管座，所述过渡热沉2为AIN热沉，所述激光器芯片是以氮化镓GaN为衬底的氮化镓基激光器芯片，所述第一焊料层6为AuSn1焊料，所述第二焊料层5为AuSn2焊料。
在本实施例中，所述过渡热沉的厚度为50微米～500微米。
如图7所示，具体地，所述半导体激光器还包括TO封装部4，所述TO封装部4包括封装座41以及分别穿过所述封装座41的第一引脚42和第二引脚43，所述承载热沉1固定在所述封装座41的一侧上，所述第一引脚42与所述承载热沉1上的过渡热沉2电性连接，所述第二引脚43与所述过渡热沉2上的激光器芯片3电性连接。
进一步地，所述激光器芯片3包括背电极30及依序叠层设置于所述背电极30上的衬底31、下限制层32、下波导层33、有源层34、上波导层35、电子阻挡层36、上限制层37、绝缘层38和上电极39，所述上限制层37包括本体层和由所述本体层凸出形成的多个脊形条371，所述多个脊形条371平行排列于所述本体层上，所述脊形条371沿着所述前腔面到所述后腔面的方向延伸，沿着所述多个脊形条371的排列的中央分别到两端的方向上，所述脊形条371的宽度逐渐增加。
更进一步地，沿着所述多个脊形条371的排列的中央分别到两端的方向上，相邻的脊形条371之间的间距逐渐减小。
如图8所示，本实施例还提供了一种激光器芯片，包括背电极30及依序叠层设置于所述背电极30上的衬底31、下限制层32、下波导层33、有源层34、上波导层35、电子阻挡层36、上限制层37、绝缘层38和上电极39，形成彼此相对的前腔面和后腔面。所述上限制层37包括本体层和由所述本体层凸出形成的多个脊形条371，所述多个脊形条371平行排列于所述本体层上，所述脊形条371沿着所述前腔面到所述后腔面的方向延伸，沿着所述多个脊形条371的排列的中央分别到两端的方向上，相邻的脊形条371之间的间距逐渐减小。
进一步地，沿着所述多个脊形条371的排列的中央分别到两端的方向上，所述脊形条371的宽度逐渐增加。
上述激光器芯片3中，根据激光器芯片3的温度呈中央区域高而芯片的边缘温度低的不均匀分布，增大位于中央区域处相邻的脊形条371即脊形波导结构之间的间距，并减小邻近芯片边缘的脊形条371之间的间距，或者通过减小位于中央区域处的脊形条371的宽度，并增大邻近芯片边缘的脊形条371的宽度，概括地，增大高温处的脊形条371之间的间距，并减小低温处的脊形条371之间的间距，以减小相邻的脊形条371之间通过热传导传递的热量；或者减小高温处的脊形条371的宽度，并增大低温处的脊形条的371的宽度，以减小高温处脊形条371的功率，降低低温处的脊形条371的功率，利用这两种方案，能有效削弱各个脊形条371之间的热串扰现象的影响，使所述激光器芯片的各个脊形条371之间的温度分布均匀。
结合图8-图10所示，以具有五个脊形波导结构的多脊形半导体激光器作为实施例，以该五个脊形波导结构分别为第一脊形条、第二脊形条、第三脊形条、第四脊形条和第五脊形条，结合表1所示，各个脊形条的宽度分别为rw1、rw2、rw3、rw4和rw5，所述第一脊形条和第二脊形条之间的间距为s1，所述第二脊形条和第三脊形条之间的间距为s2，所述第三脊形条和第四脊形条之间的间距为s3，所述第四脊形条和第五脊形条之间的间距为s4。调整前的各参数对应P1，作为第一组；通过逐步增大中央区域的脊形条之间的间距，并逐步减小邻近边缘的脊形条之间的间距，对应表1中P1-P3栏的各参数，使各脊形条的温度分布如图9所示，作为第二组和第三组；在P2基础上，减小中央区域的脊形条的宽度，增大邻近边缘的脊形条的宽度，对应表1中P4栏的各参数，使各脊形条的温度分布如图10所示，作为第四组，由此可知，P4组能使各个脊形条上的温度均匀分布。
表1：
(μm) rw1 s1 rw2 s2 rw3 s3 rw4 s4 rw5
P1 10 22.5 10 22.5 10 22.5 10 22.5 10
P2 10 19 10 26 10 26 10 19 10
P3 10 17 10 28 10 28 10 17 10
P4 12.5 19 8.25 26 8.5 26 8.25 19 12.5
上述表1示出了P1～P4四组下，所述第一脊形波导结构、第二脊形波导结构、第三脊形波导结构、第四脊形波导结构和第五脊形波导结构各自的宽度以及相互之间的间距。
综上所述，本发明提供了一种半导体激光器及激光器芯片，所述半导体激光器根据其激光器芯片3的谐振腔上的温度分布，调整了过渡热沉2的宽度，使沿谐振腔的前腔面到后腔面的方向上，温度均匀分布；而所述激光器芯片3根据多个脊形波导结构的所处位置的温度分布，通过调整各脊形波导结构的宽度以及相互之间的间距，以减小脊形波导结构之间的热串扰现象带来的影响，使各个脊形波导结构之间的温度保持相近，由此提高了半导体激光器和激光器芯片3的稳定性，并延长了半导体激光器和激光器芯片的使用寿命。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：承载热沉(1)、过渡热沉(2)和激光器芯片(3)，所述过渡热沉(2)设置在所述承载热沉(1)上，所述过渡热沉(2)的第一侧面与所述承载热沉(1)的第一侧面对齐，所述激光器芯片(3)设置在所述过渡热沉(2)上，所述激光器芯片(3)包括彼此相对的前腔面和后腔面，所述前腔面和所述过渡热沉的第一侧面对齐，所述过渡热沉(2)的宽度沿着所述前腔面到所述后腔面的方向逐渐减小；
所述激光器芯片(3)包括背电极(30)及依序叠层设置于所述背电极(30)上的衬底(31)、下限制层(32)、下波导层(33)、有源层(34)、上波导层(35)、电子阻挡层(36)、上限制层(37)、绝缘层(38)和上电极(39)，所述上限制层(37)包括本体层和由所述本体层凸出形成的多个脊形条(371)，所述多个脊形条(371)平行排列于所述本体层上，所述脊形条(371)沿着所述前腔面到所述后腔面的方向延伸，沿着所述多个脊形条(371)的排列的中央分别到两端的方向上，所述脊形条(371)的宽度逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述承载热沉(1)包括与所述过渡热沉(2)接触的承载面(11)，所述过渡热沉(2)的平行于所述承载面(11)的截面的形状呈三角形或梯形。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括第一焊料层(6)和第二焊料层(5)，所述过渡热沉(2)通过所述第一焊料层(6)焊接于所述承载热沉上，所述激光器芯片(3)通过所述第二焊料层(6)焊接于所述过渡热沉(2)上。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一焊料层(6)和第二焊料层(5)为金锡焊料或铟锡焊料。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述过渡热沉(2)由选自氮化铝、碳化硅和金刚石中的任一种制成。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括TO封装部(4)，所述TO封装部(4)包括封装座(41)以及分别穿过所述封装座(41)的第一引脚(42)和第二引脚(43)，所述承载热沉(1)固定在所述封装座(41)的一侧上，所述第一引脚(42)与所述承载热沉(1)上的过渡热沉(2)电性连接，所述第二引脚(43)与所述过渡热沉(2)上的激光器芯片(3)电性连接。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，沿着所述多个脊形条(371)的排列的中央分别到两端的方向上，相邻的脊形条(371)之间的间距逐渐减小。
8.一种激光器芯片，其特征在于，包括背电极(30)及依序叠层设置于所述背电极(30)上的衬底(31)、下限制层(32)、下波导层(33)、有源层(34)、上波导层(35)、电子阻挡层(36)、上限制层(37)、绝缘层(38)和上电极(39)，形成彼此相对的前腔面和后腔面，所述上限制层(37)包括本体层和由所述本体层凸出形成的多个脊形条(371)，所述多个脊形条(371)平行排列于所述本体层上，所述脊形条(371)沿着所述前腔面到所述后腔面的方向延伸，沿着所述多个脊形条(371)的排列的中央分别到两端的方向上，相邻的脊形条(371)之间的间距逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的激光器芯片，其特征在于，沿着所述多个脊形条(371)的排列的中央分别到两端的方向上，所述脊形条(371)的宽度逐渐增加。
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