CN110061414A - 一种半导体激光器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器芯片，包括：第一导电类型层和第二导电类型层，所述第二导电类型层的电极面上具有用于焊接封装半导体激光器芯片的焊料，所述半导体激光器芯片的侧壁具有用于阻止所述焊料连通所述第一导电类型层和所述第二导电类型层的绝缘膜。通过设置在半导体激光器芯片其侧壁上的绝缘膜，有效地解决现有技术中的半导体激光器芯片容易因焊料在电迁移过程中联通第一导电类型层和第二导电类型层从而形成漏电通道，导致其芯片失效甚至芯片发热烧毁的问题。

Description

一种半导体激光器芯片
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体激光器芯片。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，广泛的应用于激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面。半导体激光器芯片是半导体激光器的重要组成部分，现行的半导体激光器芯片封装所使用的焊料一般为铟，铟焊料虽然有导热率高、封装应力小等优点，但也具有易流动和易电迁移等缺点。准连续脉冲工作下，铟焊料会发生电迁移，电迁移过程中会联通PN结的两种不同极性的半导体材料，形成并联在PN结上的一个电阻，形成一个漏电通道。铟焊料形成的电阻远小于芯片PN结电阻，芯片工作时大量电流从该漏电通道流过，容易造成半导体激光器芯片发热烧毁，导致芯片失效的问题发生。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种半导体激光器芯片，以解决现有技术中的半导体激光器芯片容易因铟焊料在电迁移过程中联通PN结从而形成漏电通道，导致其芯片失效甚至芯片发热烧毁的问题。为此，本发明提供一种半导体激光器芯片，包括：第一导电类型层和第二导电类型层，第二导电类型层的电极面上具有用于焊接封装半导体激光器芯片的焊料，电极面与焊料直接焊接相连从而封装半导体激光器芯片，
半导体激光器芯片的侧壁具有用于阻止焊料连通第一导电类型层和第二导电类型层的绝缘膜。
绝缘膜分别覆盖第一导电类型层和第二导电类型层的侧壁其出光腔面以外的面。
第一导电类型层为芯片N层，第二导电类型层为芯片P层。
绝缘膜和半导体激光器芯片的基材均为受热膨胀的材料，绝缘膜包括钝化绝缘层以及应力缓冲层，应力缓冲层的热膨胀系数介于钝化绝缘层和半导体激光器芯片的基材之间。
应力缓冲层为绝缘材料。
钝化绝缘层的组成成分中包括SiO2材料；应力缓冲层的组成成分中包括Si材料；半导体激光器芯片的基材其组成成分中包括GaAs材料。
绝缘膜通过粘附材料与半导体激光器芯片的侧壁相连。
粘附材料为绝缘体。
粘附材料为Al2O3。
粘附材料的厚度分别小于钝化绝缘层和应力缓冲层的厚度。
半导体激光器芯片，包括与第一导电类型层相连的衬底，绝缘膜与衬底的侧面贴合相连。
半导体激光器芯片的加工方法，包括以下步骤：
S1在出光腔面表面镀附腔面光学膜；
S2在半导体激光器芯片其出光腔面以外的侧面镀附绝缘膜。
本发明的技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的半导体激光器芯片，包括：第一导电类型层和第二导电类型层，第二导电类型层的电极面上具有用于焊接封装半导体激光器芯片的焊料，在半导体激光器芯片的侧壁具有用于阻止焊料连通第一导电类型层和第二导电类型层的绝缘膜。半导体激光器芯片需要通过焊料封装在热沉上，例如铟焊料，铟焊料虽然有导热率高、封装应力小等优点，但也有易流动和易电迁移等缺点。在芯片处于准连续脉冲工作时，第二导电类型层其电极面上的铟焊料会因其电学迁移特性，从焊接面向芯片腔面以及芯片侧边迁移。由于半导体激光器芯片侧边是裸露的，铟焊料在向芯片侧壁迁移过程中，将联通第一导电类型层和第二导电类型层两种PN不同极性的半导体材料，形成并联在第一导电类型层和第二导电类型层之间的一个电阻，形成一个漏电通道。铟焊料形成的电阻远小于芯片的第一导电类型层和第二导电类型层之间的电阻，芯片工作时大量电流从该漏电通道流过，造成半导体激光器芯片发热烧毁，导致芯片失效的问题。通过在半导体激光器芯片的侧壁上设置绝缘膜，绝缘膜可以有效地防止铟焊料连通第一导电类型层和第二导电类型层从而形成漏电通道，保证半导体激光器芯片正常使用，不会发生发热烧毁的问题。
2.本发明提供的半导体激光器芯片，绝缘膜分别覆盖第一导电类型层和第二导电类型层的侧壁其出光腔面以外的面。通过绝缘膜将第一导电类型层和第二导电类型层之间的连接面绝缘，可以有效地保证第一导电类型层和第二导电类型层之间的每个连接面绝缘，保证铟焊料从焊接面向芯片侧边迁移时，不会联通第一导电类型层和第二导电类型层两种PN不同极性的半导体材料，避免形成漏电通道，保证半导体激光器芯片正常使用，不会发生发热烧毁的问题。
3.本发明提供的半导体激光器芯片，绝缘膜和半导体激光器芯片的基材均为受热膨胀的材料，绝缘膜包括钝化绝缘层以及应力缓冲层，应力缓冲层的热膨胀系数介于钝化绝缘层和半导体激光器芯片的基材之间。由于现有技术中的绝缘膜和半导体激光器芯片的基材其二者之间的热膨胀系数相差较大，例如钝化绝缘层采用热膨胀系数为0.5×10-6m/K的SiO2材料制成，半导体激光器芯片的基材采用热膨胀系数为6.4×10-6m/K的GaAs材料制成。当其二者被加热时半导体激光器芯片的基材热膨胀的体积远远大于绝缘膜，导致绝缘膜和半导体激光器芯片的基材之间的连接面发生很大程度的相对位移，半导体激光器芯片的基材挤压绝缘膜导致其二者的连接不稳定的问题。为了解决上述问题，通过在绝缘膜和半导体激光器芯片的基材之间设置热膨胀系数介于钝化绝缘层和半导体激光器芯片其基材之间的应力缓冲层，例如热膨胀系数为2.8×10-6m/K的Si材料。应力缓冲层可以有效地在绝缘膜和半导体激光器芯片的基材之间起到过度作用，降低温度变化影响半导体激光器芯片其基材和绝缘膜连接稳定性，有效地通过绝缘膜防止铟焊料联通PN结的两种不同极性的半导体材料，形成漏电通道的问题发生。
4.本发明提供的半导体激光器芯片，应力缓冲层为绝缘材料，绝缘材料的应力缓冲层与绝缘膜相配合进一步防止铟焊料联通PN结的两种不同极性的半导体材料，保证半导体激光器芯片的正常使用。
5.本发明提供的半导体激光器芯片，绝缘膜通过粘附材料与半导体激光器芯片的侧壁相连，例如具有粘附力高特性的Al2O3，粘附材料可以有效地增加绝缘膜和半导体激光器芯片其基材二者之间的结合力。
6.本发明提供的半导体激光器芯片，粘附材料为绝缘材料，可以有效的和应力缓冲层、绝缘膜配合，保证半导体激光器芯片的正常使用。
7.本发明提供的半导体激光器芯片，半导体激光器芯片，包括与第一导电类型层相连的衬底，绝缘膜与衬底的侧面贴合相连。可以有效地提高绝缘膜与半导体激光器芯片的侧壁其二者的连接牢固性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的半导体激光器芯片的结构示意图；
图2为本发明提供的半导体激光器芯片其第一导电类型层和第二导电类型层的立体连接结构示意图；
图3为本发明提供的半导体激光器芯片的俯视图；
图4为本发明提供的半导体激光器芯片的侧视图。
附图标记说明：
1-第一导电类型层；2-第二导电类型层；3-焊料；4-绝缘膜；5-出光腔面；6-衬底。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种半导体激光器芯片，如图1至图4所示，其包括：
衬底6；
第一导电类型层1，为设置在衬底6上的芯片N层；
第二导电类型层2，为设置在芯片N上的芯片P层，第一导电类型层1和第二导电类型层2组成半导体激光器芯片的芯片PN结。第二导电类型层2的电极面上具有用于焊接封装半导体激光器芯片的焊料3，电极面与焊料直接焊接相连从而封装半导体激光器芯片，焊料3例如铟焊料，铟焊料虽然有导热率高、封装应力小等优点，但也有易流动和易电迁移等缺点。在芯片处于准连续脉冲工作时，第二导电类型层2其电极面上的铟焊料会因其电学迁移特性，从焊接面向芯片侧边迁移，铟焊料在向芯片侧壁迁移过程中，将联通第一导电类型层1和第二导电类型层2两种PN不同极性的半导体材料，形成并联在第一导电类型层1和第二导电类型层2之间的一个电阻，形成一个漏电通道。铟焊料形成的电阻远小于芯片的第一导电类型层1和第二导电类型层2之间的电阻，芯片工作时大量电流从该漏电通道流过，造成半导体激光器芯片发热烧毁，导致芯片失效的问题；
绝缘膜4，设置在半导体激光器芯片的侧壁，覆盖第一导电类型层1和第二导电类型层2的侧壁其出光腔面5以外的面，用于阻止焊料3连通第一导电类型层1和第二导电类型层2，通过在半导体激光器芯片的侧壁上设置绝缘膜4，绝缘膜4可以有效地防止铟焊料连通第一导电类型层1和第二导电类型层2从而形成漏电通道，保证半导体激光器芯片正常使用；由于绝缘膜4和半导体激光器芯片的基材均为受热膨胀的材料，且其二者之间的热膨胀系数相差较大，例如钝化绝缘层采用热膨胀系数为0.5×10-6m/K的SiO2材料制成，半导体激光器芯片的基材采用热膨胀系数为6.4×10-6m/K的GaAs材料制成。当其二者被加热时半导体激光器芯片的基材热膨胀的体积远远大于绝缘膜4，导致绝缘膜4和半导体激光器芯片的基材之间的连接面发生很大程度的相对位移，半导体激光器芯片的基材挤压绝缘膜4导致其二者的连接不稳定的问题。本申请中的绝缘膜4包括钝化绝缘层以及绝缘材料制成的应力缓冲层，上述应力缓冲层的热膨胀系数介于钝化绝缘层和半导体激光器芯片的基材之间。例如热膨胀系数为2.8×10-6m/K的Si材料。应力缓冲层可以有效地在绝缘膜4和半导体激光器芯片的基材之间起到过度作用，降低温度变化影响半导体激光器芯片其基材和绝缘膜4连接稳定性，有效地通过绝缘膜4防止铟焊料联通PN结的两种不同极性的半导体材料，形成漏电通道的问题发生；绝缘膜4还与衬底6的侧面贴合相连，可以有效地提高绝缘膜4与半导体激光器芯片的侧壁其二者的连接牢固性能；
粘附材料，位于应力缓冲层和半导体激光器芯片的基材之间，绝缘膜4通过粘附材料与半导体激光器芯片的侧壁相连，例如具有粘附力高特性的Al2O3，粘附材料可以有效地增加绝缘膜4和半导体激光器芯片其基材二者之间的结合力，使绝缘膜4牢固可靠地固定在半导体激光器芯片上。粘附材料的厚度分别小于钝化绝缘层和应力缓冲层的厚度，从而避免粘附材料影响绝缘膜4的绝缘效果。
在本实施例中，第二导电类型层2的电极面上设置有光学膜作为绝缘保护，避免铟焊料会因电学迁移特性，从焊接面向芯片腔面迁移，铟焊料联通PN结。
半导体激光器芯片的加工方法，包括以下步骤：
S1采用电子枪热蒸发蒸镀的方式在出光腔面5表面镀附腔面光学膜；
S2在半导体激光器芯片其出光腔面5以外的侧面镀附绝缘膜4。
在本实施例中，镀膜前设备腔体真空环境达到10-4Pa，芯片衬底6加热温度为180-200℃，电子枪电压为8-10KV，Al2O3镀膜时电流为160mA，Si镀膜时电流250mA，SiO2镀膜时电流为100mA。在半导体激光器芯片其侧壁膜蒸镀在腔面膜之后。在芯片解离后，安放在镀膜夹具上，优先进行腔面光学膜的蒸镀，首先是前腔面光学膜蒸镀，芯片前腔面朝向蒸发源进行蒸镀，然后翻转180°，进行后腔面光学膜蒸镀。在芯片前后腔面光学膜蒸镀完成后，翻转夹具角度90°，芯片一个侧壁朝向蒸发源进行蒸镀，进行一个侧壁的镀膜，然后再翻转180°，进行另一个侧壁的镀膜。
当然，本发明申请对第一导电类型层1和第二导电类型层2的导电类型不做具体限制，在其它实施例中，第一导电类型层1，为设置在衬底6上的芯片P层，第二导电类型层2，为设置在芯片N上的芯片N层。
当然，本发明申请对钝化绝缘层、半导体激光器芯片的基材和应力缓冲层的材料不做具体限制，在其它实施例中，应力缓冲层还可以是其它热膨胀系数介于钝化绝缘层和半导体激光器芯片的基材之间的材料。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种半导体激光器芯片，包括：第一导电类型层(1)和第二导电类型层(2)，所述第二导电类型层(2)的电极面上具有用于焊接封装半导体激光器芯片的焊料(3)，其特征在于，
所述半导体激光器芯片的侧壁具有用于阻止所述焊料(3)连通所述第一导电类型层(1)和所述第二导电类型层(2)的绝缘膜(4)。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述绝缘膜(4)分别覆盖所述第一导电类型层(1)和所述第二导电类型层(2)的侧壁其出光腔面(5)以外的面。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述第一导电类型层(1)为芯片N层，所述第二导电类型层(2)为芯片P层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述绝缘膜(4)和所述半导体激光器芯片的基材均为受热膨胀的材料，所述绝缘膜(4)包括钝化绝缘层以及应力缓冲层，所述应力缓冲层的热膨胀系数介于所述钝化绝缘层和所述半导体激光器芯片的基材之间。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述应力缓冲层为绝缘材料。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述钝化绝缘层的组成成分中包括SiO2材料；所述应力缓冲层的组成成分中包括Si材料；所述半导体激光器芯片的基材其组成成分中包括GaAs材料。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述绝缘膜(4)通过粘附材料与所述半导体激光器芯片的侧壁相连。
8.根据权利要求7所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述粘附材料为绝缘材料。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体激光器芯片，其特征在于，包括与所述第一导电类型层(1)相连的衬底(6)，所述绝缘膜(4)与所述衬底(6)的侧面贴合相连。
10.一种权利要求1-9中任一项所述的半导体激光器芯片的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1在出光腔面(5)表面镀附腔面光学膜；
S2在所述半导体激光器芯片其所述出光腔面(5)以外的侧面镀附所述绝缘膜(4)。
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