CN110214399A - 具有与基板成面对关系的无焊料激光有源条的接合激光器 - Google Patents

Abstract

提供了激光光源、用于半导体激光器的基座、以及提供激光光源的方法。激光光源包括基座，该基座具有其上的第一和第二电接触以及它们之间的沟槽。通过将半导体激光器的第三和第四电接触分别接合到第一和第二电接触，来将该激光器接合到基座。激光器的第三和第四电接触被布置在激光有源条的相对侧，激光有源条被布置在基座的沟槽上方。

Description

具有与基板成面对关系的无焊料激光有源条的接合激光器

技术领域

本公开中呈现的实施例总地涉及半导体激光器。更具体而言，本文公开的实施例包括用于半导体激光器的基座，其允许在以与基座的面对关系安装激光有源(active)条并且没有焊料接触该激光有源条的情况下将半导体激光器接合到基座。

背景技术

光学收发器和其他光学电路通常包括半导体激光光源，其用焊料接合到基座。为了在这样的光学电路上实现可接受的激光器性能和光学耦合，对尺寸公差的控制、热管理以及最小或没有的对半导体激光器的有源激光条的接合诱导损坏是必要的。大多数半导体激光器在激光有源条背离基座的情况下接合，以避免将机械应力和/或热应力引入激光有源条，这可能是由激光有源条与焊料和基座的直接接触引起的。然而，这样的配置通常导致更大的尺寸公差，这可以损害光学电路的光学耦合。

附图说明

为了可以详细地理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施例获得上面简要概述的本公开的更具体的描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，将会注意，附图仅示出了本公开的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制，因为本公开可允许其他同等有效的实施例。

图1A是根据一个实施例的基座的顶部透视图。

图1B是图1A的基座的底部透视图。

图1C是图1A的基座的顶部透视图，其中光学元件被布置在基座的基板的腔中。

图1D是根据另一个实施例的基座的顶部透视图。

图2A是根据一个实施例的半导体激光器的底部透视图。

图2B是图2A的半导体激光器的侧横截面图。

图3A是与图1D的基座的电接触对准的图2A和2B的半导体激光器的分解透视图。

图3B是接合到图1D的基座的图2A和2B的半导体激光器的透视图。

图3C是接合到图1D的基座的图2A和2B的半导体激光器的侧横截面图。

图4是根据另一个实施例的接合到基座的图2A和2B的半导体激光器的侧横截面图。

图5是根据又一个实施例的接合到基座的图2A和2B的半导体激光器的侧横截面图。

图6A是根据另一个实施例的半导体激光器的侧横截面图。

图6B是与图1D的基座的电接触对准的图6A的半导体激光器的分解透视图，其中基座被修改为包括附加的电接触。

图6C是接合到图1D的基座的电接触的图6A的半导体激光器的透视图，其中附加的电接触经由导线连接到半导体激光器。

为了便于理解，在可能的情况下，已经使用相同的附图标记来表示附图所共有的相同元件。预期在一个实施例中公开的元件可以有利地用于其他实施例而无需具体叙述。

具体实施方式

概览

在独立权利要求中阐述了本发明的各方面，并且在从属权利要求中阐述了优选特征。一个方面的特征可以单独应用于每个方面或者与其他方面组合应用。

在本公开中呈现的一个实施例中，一种激光光源包括基座。基座包括基板，该基板包括第一侧和相对的第二侧。基座还包括布置在第一侧的第一电接触和第二电接触。第一电接触和第二电接触由沟槽隔开。激光光源还包括半导体激光器，该半导体激光器包括第三电接触和第四电接触。半导体激光器包括布置在第三和第四电接触之间的激光有源条。第三电接触连接到半导体激光器中的n掺杂侧或p掺杂侧中的一个。基座的第一电接触接合到半导体激光器的第三电接触，并且基座的第二电接触接合到半导体激光器的第四电接触。激光有源条被布置在第三和第四电接触之间并在沟槽上方。

在本公开中呈现的另一个实施例中，一种用于固态激光器的基座包括基板，该基板包括第一侧和相对的第二侧。基座还包括布置在第一侧的第一电接触和第二电接触。第一电接触和第二电接触由蚀刻到基板中的沟槽隔开。第一和第二电接触布置成与放置在基板的第一侧的半导体激光器的相应电接触接合。基座被配置为在第一和第二电接触两端提供电偏压来为激光器供电。

在本公开中呈现的另一个实施例中，一种方法包括提供基座。基座包括基板，该基板包括第一侧和相对的第二侧。基座还包括布置在第一侧的第一电接触和第二电接触。第一电接触和第二电接触由沟槽隔开。该方法还包括提供半导体激光器。半导体激光器包括第三电接触和第四电接触。半导体激光器包括布置在第三和第四电接触之间的激光有源条。第三电接触连接到p掺杂侧。第四电接触连接到n掺杂侧。该方法还包括将半导体激光器布置在基座的基板的第一侧上，使得第一电接触与第三电接触对准并且第二电接触与第四电接触对准。该方法还包括将第三电接触接合到第一电接触。该方法还包括将第四电接触接合到第二电接触。

还描述了用于实现本文描述的方法的系统和装置，包括用于实现这些方法的网络节点、计算机程序、计算机程序产品、计算机可读介质、以及在有形介质上编码的逻辑。

示例实施例

在本文描述的实施例中，包括激光有源条的半导体激光器被接合到基座，其中激光有源条以与基座的面对关系被布置。基座包括第一和第二电接触，其间具有沟槽。半导体激光器包括布置在激光有源条的相对侧的第三和第四电接触。半导体激光器的第三和第四电接触接合到基座的第一和第二电接触，使得激光有源条被布置在沟槽上方。沟槽防止或减少接合电接触的焊料或导电环氧树脂将接触激光有源条的可能性。这样的接触以及这样的接触部分之间的热膨胀不匹配可能导致激光有源条上的机械应力。沟槽还防止或减少焊料或环氧树脂在n掺杂侧和p掺杂接触之间形成导电桥的可能性，这可能导致电短路。

图1A和1B分别是可以电连接到半导体激光器的基座100的顶部透视图和底部透视图。基座100包括基板102，基板102包括第一侧104和相对的第二侧106。基板102的第一侧104包括布置在其上的第一电接触116和第二电接触118。第一电接触116和第二电接触118可以接合到半导体激光器的相应电接触。例如，在一个实施例中，基座100的第一电接触116接合到半导体激光器的p掺杂电接触，并且基座的第二电接触118接合到半导体激光器的n掺杂电接触。在另一个实施例中，基座100的第一电接触116接合到半导体激光器的n掺杂电接触，并且基座100的第二电接触118接合到半导体激光器的p掺杂电接触。为了便于接合，第一电接触116包括第一焊料条128，并且第二电接触118包括第二焊料条130。焊料条128和130可以预先沉积在相应的电接触116和118上，或者可以在组装期间作为预制件引入。在替代实施例中，使用导电环氧树脂来代替焊料条128和130。在又一替代实施例中，使用金属到金属结合剂来代替焊料条。

在图1A和1B所示的实施例中，第一电接触116和第二电接触118分别布置在凸起表面112和114上，凸起表面112和114突出在第一侧104的表面108的其余部分的上方。在一个实施例中，基板102可以以与表面112和114齐平的均匀表面开始。此后，基板102的第一侧104可以例如被蚀刻或机械加工以从基板102移除材料以形成凸起表面112和114以及表面108。凸起表面112和114形成沟槽140，沟槽140位于第一电接触116和第二电接触118之间。如下面将更详细地讨论的，半导体激光器的电接触被布置成使得在半导体激光器的电接触被接合到基座100的第一和第二电接触116和118时半导体激光器的激光有源条被布置在沟槽140上方。

基板102的第二侧106包括布置在第二侧106的表面110上的第一电源接触124和第二电源接触126。第一和第二电源接触124和126电连接到电路，以为安装到基板102的第一侧104的第一电接触116和第二电接触118的半导体激光器提供电力。分别通过电通孔(对于硅基板被称为“TSV”)120和122将电力从第一和第二电源接触124和126传输到相应的第一和第二电接触116和118。

在图1A和1B所示的实施例中，基板102包括在基板102的第一侧上的腔132，腔132被配置为容纳光学部件，诸如球透镜或对由半导体激光器发射的激光进行操作的其他光学部件。例如，腔132可以被蚀刻或机械加工到基板102中。腔132可以包括允许被放置在其中的光学部件自定位(self-locate)的形状。在各个方面，腔132的形状可以促进光学部件与半导体激光器的被动对准或主动对准。图1C示出了布置在腔132中的光学元件180。

在各种实施例中，基座可以省略用于光学部件的腔132。例如，图1D示出了基座100’的实施例，其中，基板102’的第一侧104’的表面110’不包括用于光学部件的腔132。

在各种实施例中，基板102可以包括一个或多个基准点，其使机器视觉系统能够识别基板102及其位置和取向以进行组装。图1A、1C和1D示出了布置在基板102的凸起表面112和114上的一组基准点136。图1A和1C示出了布置在基板102的第一侧104的表面108上的另一组基准点134。将基准点134和136示出为十字形状，但是可以改为使用其他合适的形状。基准点134和136可以被蚀刻到基板102的表面108、112和114中，或者被形成为金属图案的一部分。此后，与组装机器通信的数码相机可以使用基准点134和136来定位基板102并确定基板102相对于组装机器和/或相对于其他电路部件(诸如要接合到基座100的半导体激光器)的方位。

图2A和2B分别是根据一个实施例的半导体激光器200的底部透视图和横截面侧视图。半导体激光器200包括具有n掺杂侧204和p掺杂侧206的主体202。p掺杂侧206包括多个p掺杂区206a、206b和206c，它们通过图2B所示的间隙240和242而彼此隔开。第二p掺杂区206b和第二p掺杂区206b与n掺杂侧204之间的p-n结(junction)214限定激光有源条250。在激光有源条250的p-n结214两端生成的电压激活激光器(在图2B中表示为点212，使得激光束离开页面)。所生成的电压可以是恒定电压或脉冲电压。

半导体激光器200包括分别电连接到p掺杂侧206和n掺杂侧204的电接触。具体而言，半导体激光器200包括第三电接触208(其中第一电接触116和第二电接触118布置在图1A中所示的基座100上)，其布置在第一p掺杂区、间隙240和第二p掺杂区206b的面向外的表面230上方。可选地，第三电接触还可以相对于第三p掺杂区206c布置。第三电接触208通过绝缘层218(例如，介电材料)而与第一p掺杂区206a和第三p掺杂区206c电绝缘，使得第三电接触208仅电连接到第二p掺杂区206b。如图2B所示，绝缘层218覆盖第一p掺杂区206a、第一间隙240、第二间隙242和第三p掺杂区206c，使得第三电接触208不分别与第一和第三p掺杂区206a和206c电连接并且不与间隙240和242中的n掺杂材料电连接。

半导体激光器200包括电连接到n掺杂侧204的第四电接触210。第四电接触210布置在覆盖第三p掺杂区206c的绝缘层218的面向外的表面232上。绝缘层218使第三p掺杂区206c与第四电接触210电绝缘。如图2B所示，第三p掺杂区206c包括沿着主体202的边缘的底切244，使得n掺杂区204被暴露。第四电接触210延伸到底切244以接触底切244中的n掺杂区204。结果，第四电接触210电连接到n掺杂区域204。半导体激光器200可以可选地包括在n掺杂区204的面向外的表面238上的第五电接触210’。可以提供第五电接触210’来代替第四电接触210或者除了第四电接触210之外还提供第五电接触210’。

在图2A和2B中示出并在上面描述的半导体激光器200的实施例中，由附图标记204表示的半导体激光器200的那一侧被描述为n掺杂侧，并且由附图标记206表示的半导体激光器200的那一侧被描述为p掺杂侧。在各种实施例中，基板可以用各种制造技术由其他材料制成，以构造n掺杂和p掺杂层，从而创建p-n结区域并形成用于生成激光的有源条。

图3A示出了与图1D的基座100’对准的半导体激光器200，并且图3B和3C示出了接合到基座100’的半导体激光器200。如图3A所示，半导体激光器200与基座100’对准，使得基座100’的第一电接触116与半导体激光器200的第三电接触208对准并使得基座100’的第二电接触118与半导体激光器200的第四电接触210对准。当半导体激光器200与基座100’对准时，半导体激光器200在箭头A的方向上移动以接触基座100’。此后，分别使第一和第二电接触116和118上的焊料条128和130熔化，以将第一电接触116与第三电接触208接合并且将第二电接触118与第四电接触210接合。如本文所使用，术语“接合(bonding)”和“接合(bond)”指的是机械、电气和/或热连接。换句话说，焊料条128和130在熔化和再硬化之后将半导体激光器200固定(affix)到基座100’，并且还在第一和第三电接触116和208之间以及第二和第四电接触118和210之间创建相应的电连接。这些连接还创建热传导路径，以对在被供电时在激光有源条250处生成的热进行消散。

主要参考图3B，在半导体激光器200接合到基座100’并且基座100’经由第一和第二电源接触124和126而电连接到电压源之后，可以在第一和第二电接触116和118两端施加电压。如上面讨论，该电压可以是恒定电压或脉冲电压。第一和第二电接触116和118两端的电压被传输到第三和第四电接触208和210并传输到半导体激光器200的p掺杂侧206和n掺杂侧204。p-n结214两端的电压激活激光有源条250(由图3B中的箭头L以及由图3C中的点212指示)。

主要参考图3C，当半导体激光器200接合到基座100’时，激光有源条250被布置在沟槽140上方。结果，激光有源条250不与基板102的表面108’接触并且不与接合第一和第三电接触116和208以及第二和第四电接触118和210的焊料条128和130接触。接触激光有源条250的焊料的不存在和由沟槽140提供的间隙可以实现激光有源条250的可接受的热传导特性和机械应力特性。作为示例，接触激光有源条250的焊料的不存在使得激光有源条250能够随温度变化而膨胀和收缩，而没有否则由接合到激光有源条250的具有不同热膨胀特性的焊料引起的诱导机械应力。改进的热诱导机械应力特性可以导致激光有源条250在操作期间的改进的性能。另外，由于激光有源条250以与基座100’的面对关系布置在半导体激光器200的一侧，因此相对于基板102’的第一侧104’的表面108’的尺寸公差被减小。

图3A-3C中所示的沟槽140被示出为具有矩形横截面轮廓，这意味着沟槽140的侧壁142垂直于基板102’的第一侧104’的蚀刻表面108’。在各种其他实施例中，沟槽140可具有其他横截面轮廓形状。例如，图4示出了具有基板402的基座400，基板402包括具有三角形横截面轮廓的沟槽440，这意味着该沟槽的侧壁442相对于基板402的蚀刻表面408以非正交和非平行的角度布置。可以使用氢氧化钾(KOH)蚀刻剂在硅晶体基板102上创建沟槽440的这样的三角形横截面轮廓。

在至少一个实施例中，其上布置有激光有源条250的沟槽可以通过具有增加的厚度的基座的第一和第二接触形成。参考图5，第一电接触116’和第二电接触118’相对于图3C和图4中所示的第一电接触116和第二电接触118具有增加的厚度，使得第一电接触116’和第二电接触118’突出在基板500的第一侧504的表面508上方。第一电接触116’和第二电接触118’之间的沟槽540由相应的第一电接触116’和第二电接触118’的侧壁542和544并由基板500的表面508限定。如图5所示，第一电接触116’和第二电接触118’具有足够的厚度，使得接合的半导体激光器200和基座500包括激光有源条250与基板502的第一侧504的表面508之间的间隙。为了在接合期间进一步控制焊料，可以在侧壁542和544上以及表面508上添加薄的电绝缘层以防止焊料流入沟槽540。

在至少一个实施例中，上述基座可以与半导体激光器一起使用，该半导体激光器包括在该半导体激光器的一侧的一个电接触和在该半导体激光器的相对的第二侧的另一电接触。图6A是半导体激光器200’的横截面侧视图，半导体激光器200’包括在半导体激光器200’的一侧的第三和第四电接触208’(其中第一电接触116和第二电接触118布置在基座上)和在半导体激光器200’的相对的第二侧的第五电接触210’。在图6A所示的实施例中，第三和第四电接触208’电连接到半导体激光器200’的p掺杂区206b。与上面参考图2B、图3、图4和图5讨论的半导体激光器200一样，第一p掺杂区206a和第三p掺杂区206c的面向外的表面230和232覆盖有绝缘层218，使得第一p掺杂区206a和第三p掺杂区206c不电连接到第三和第四电接触208’。

第五电接触210’布置在半导体激光器200’的n掺杂侧204的面向外的表面238上，其中面向外的表面238在半导体激光器200’的与面向外的表面230和232相对的一侧。第五电接触210’电连接到半导体激光器200的n掺杂侧204。

图6B和6C分别示出了与基座600对准并接合到基座600的半导体激光器200’。在该实施例中，基座600的第一和第二电接触116和118两者都接合到半导体激光器200’的第三和第四电接触208’。然而，第二电接触118通过间隙604而与TSV 122电隔离。结果，半导体激光器200’的第三和第四电接触208’仅从第一电接触116接收电流。间隙604形成电连接到TSV 122的第六电接触602。半导体激光器200’的第五电接触210’经由导线610或其他导电结构而电连接到第六电接触602。在操作中，在基座600的第一和第二电接触116和118与第六电接触602之间产生电压差。该电压差可以是恒定电压或脉冲电压。该电压差被传输到第三和第四电接触208’并传输到半导体激光器200’的第五电接触210’，以在p-n结214两端产生电压以激活激光器212。

总之，描述了激光光源、用于半导体激光器的基座、以及提供激光光源的方法。激光光源包括基座，该基座具有其上的第一和第二电接触以及它们之间的沟槽。通过将半导体激光器的第三和第四电接触分别接合到第一和第二电接触来将该激光器接合到基座。激光器的第三和第四电接触被布置在激光有源条的相对侧，激光有源条被布置在基座的沟槽上方。

在前文中，参考了本公开中呈现的实施例。然而，本公开的范围不限于具体描述的实施例。替代地，所描述的特征和元素的任何组合，无论是否与不同的实施例相关，都被预期为实现和实践预期的实施例。另外，尽管本文公开的实施例可以实现优于其他可能的解决方案或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施例实现特定优点不是对本公开的范围的限制。因此，前述方面、特征、实施例和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求的元素或限制，除非在(一个或多个)权利要求中明确地陈述。

本文描述的实施例是有利的，因为它们使得激光有源条能够以与基座的面对关系被布置，而不经由接触激光有源条的焊料对激光有源条施加热应力或机械应力。这样的配置实现激光有源条相对于基座的改进的尺寸公差。

Claims (20)

1.一种激光光源，所述激光光源包括：

基座，包括：

基板，包括第一侧和相对的第二侧；

被布置在所述第一侧上的第一电接触和第二电接触，其中所述第一电接触和所述第二电接触由沟槽隔开；

半导体激光器，包括第三电接触和第四电接触，其中所述半导体激光器包括布置在所述第三电接触和所述第四电接触之间的激光有源条，其中所述第三电接触连接到所述半导体激光器中的第一掺杂侧中的一个，其中所述基座的所述第一电接触接合到所述半导体激光器的所述第三电接触，并且所述基座的所述第二电接触接合到所述半导体激光器的所述第四电接触，并且其中所述激光有源条被布置在所述第三电接触和所述第四电接触之间并在所述沟槽上方。

2.如权利要求1所述的激光光源，其中，所述第四电接触连接到所述半导体激光器的第二掺杂侧，其中所述第二掺杂侧与所述第一掺杂侧相反地掺杂，并且其中所述半导体激光器被配置为基于所述第一电接触与所述第二电接触之间的电压差来在p-n结中生成激光束。

3.如权利要求2所述的激光光源，其中，所述第一电接触与所述第二电接触之间的所述电压差被配置为恒定电压或脉冲电压。

4.如权利要求2或3所述的激光光源，其中，所述第一掺杂侧包括第一掺杂区、第二掺杂区、和第三掺杂区，其中所述第一掺杂区、所述第二掺杂区、和所述第三掺杂区由间隙隔开，其中所述第三电接触贴着所述间隙的轮廓以电连接到所述第二掺杂区。

5.如权利要求1所述的激光光源，其中，所述第四电接触连接到所述第一掺杂侧，其中所述半导体激光器还包括连接到所述半导体激光器的第二掺杂侧的第五电接触，其中所述基座还包括第六电接触，其中所述第六电接触电连接到所述第五电接触，并且其中所述半导体激光器被配置为基于所述第一电接触和所述第二电接触与所述第六电接触之间的电压差来在p-n结中生成激光束。

6.如权利要求5所述的激光光源，其中，所述第一电接触和所述第二电接触与所述第五电接触之间的电压差被配置为恒定电压或脉冲电压。

7.如权利要求1至6中任一项所述的激光光源，其中，所述第一电接触和所述第二电接触在所述基板的所述第一侧的表面上方突出，并且其中所述沟槽由所述第一电接触和所述第二电接触的侧壁以及其间的所述基板的表面限定。

8.如权利要求1至7中任一项所述的激光光源，其中，所述沟槽是在所述基板的所述第一侧上所述第一电接触与所述第二电接触之间的表面中的蚀刻特征。

9.如权利要求8所述的激光光源，其中，所述沟槽限定矩形横截面轮廓。

10.如权利要求8所述的激光光源，其中，所述沟槽限定三角形横截面轮廓。

11.如权利要求1至10中任一项所述的激光光源，还包括在所述基板的所述第一侧上的腔，所述腔被配置为容纳光学部件，该光学部件改变来自所述半导体激光器的所述激光有源条的激光。

12.如权利要求11所述的激光光源，还包括透镜，所述透镜被布置在所述基板的所述第一侧上的所述腔中。

13.如权利要求1至12中任一项所述的激光光源，其中，所述基板包括被布置在所述第二侧上的第一电源接触和第二电源接触，其中所述基座包括第一电通孔，该第一电通孔从所述第一侧到所述第二侧并电连接所述第一电接触和所述第一电源接触，并且其中所述基座包括第二电通孔，该第二电通孔从所述第一侧到所述第二侧并电连接所述第二电接触和所述第二电源接触。

14.一种用于固态激光器的基座，所述基座包括：

基板，包括第一侧和相对的第二侧；

被布置在所述第一侧上的第一电接触和第二电接触，其中所述第一电接触和所述第二电接触由被蚀刻到所述基板中的沟槽隔开，并且

其中所述第一电接触和所述第二电接触被布置成与被放置在所述基板的所述第一侧上的半导体激光器的相应电接触接合，其中所述基座被配置为在所述第一电接触和所述第二电接触两端生成电压来为激光器供电。

15.如权利要求14所述的基座，其中，所述沟槽具有矩形横截面轮廓。

16.如权利要求14所述的基座，其中，所述沟槽具有三角形横截面轮廓。

17.如权利要求14至16中任一项所述的基座，其中所述基板包括被布置在所述第二侧上的第一电源接触和第二电源接触，其中所述基座包括第一电通孔，该第一电通孔从所述第一侧到所述第二侧并电连接所述第一电接触和所述第一电源接触，并且其中所述基座包括第二电通孔，该第二电通孔从所述第一侧到所述第二侧并电连接所述第二电接触和所述第二电源接触。

18.如权利要求14至17中任一项所述的基座，还包括在所述基板的所述第一侧上的腔，所述腔被配置为容纳光学部件，该光学部件改变来自所述半导体激光器的所述激光有源条的激光。

19.一种方法，包括：

提供基座，所述基座包括：

基板，包括第一侧和相对的第二侧；和

被布置在所述第一侧上的第一电接触和第二电接触，其中所述第一电接触和所述第二电接触由沟槽隔开；

提供半导体激光器，所述半导体激光器包括第三电接触和第四电接触，其中所述半导体激光器包括被布置在所述第三电接触和所述第四电接触之间的激光有源条，其中所述第三电接触连接到第一掺杂侧，其中所述第四电接触连接到第二掺杂侧，并且其中所述第二掺杂侧与所述第一掺杂侧相反地掺杂；

将所述半导体激光器布置在所述基座的所述基板的所述第一侧上，使得所述第一电接触与所述第三电接触对准并且所述第二电接触与所述第四电接触对准；

将所述第三电接触接合到所述第一电接触；和

利用预先沉积在所述第二电接触上的焊料或导电环氧树脂来将所述第四电接触接合到所述第二电接触。

20.如权利要求19所述的方法，其中，将所述第三电接触接合到所述第一电接触和将所述第四电接触接合到所述第二电接触包括：利用在所述半导体激光器被布置在所述基座的所述基板的所述第一侧上之前被布置在所述第一电接触和所述第二电接触上的焊料或导电环氧树脂来进行接合。