CN110224300A - 一种半导体激光器结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体激光器结构及其制备方法。所述半导体激光器结构包括由下至上依次设置的N‑金属层、N‑电流阻挡层、衬底、外延材料层、P‑电流阻挡层及P‑金属层；所述衬底下表面有设置有周期性排列孔洞和N‑电流阻挡层。本发明在衬底减薄后设置孔洞及电流阻挡层，释放外延片内部应力，N面焊接封装时增大与焊料接触面积，键合牢固，缓冲热应力，同时限制电流注入区域，提高光电转换效率。

Description

一种半导体激光器结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器结构及其制备方法，属于半导体激光器的技术领域。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、省电等优点，在激光打印和印刷、光学测量、机器人与自动控制、美容、医疗等领域有广泛的应用。

在半导体激光器芯片生产过程中，要经历外延膜层生长、光刻图形、蒸发金属、机械减薄等复杂的工艺流程，外延片及衬底在高温或外在机械力量的影响下会产生较大的应力，若这些应力得不到有效的释放，很容易导致芯片翘曲、裂纹甚至破片，降低了生产良率。

对于负极面与热沉相连接的封装方式，由于半导体芯片与热沉的热膨胀系数不同，温度变化产生的应力会造成焊料开裂、半导体芯片断裂等问题，降低了半导体激光器的可靠性及寿命。此外，负极面和热沉通过焊料固定连接时，由于平坦的负极面比表面积小，表面能低，造成结合不牢，再加上热应力的作用，增加了焊料开裂的几率。

另外，为了提高半导体激光器光电转换效率及光斑质量，除了良好的热管理外，还需要提高有效区域的电流注入密度，减少向非有效区域的扩展，目前通常采用在正面电极制作具有特定位置窗口的电流阻挡层的方式，仅向发光区位置注入电流。这种方式只在注入端设计窗口，负极面不做处理，电流在外延膜层及衬底上的横向扩展限制不彻底，降低了光电转换效率。

中国专利CN103715600A公开了一种低热应力结构的高功率半导体激光器。包括一次层叠的四层结构，第一层为正极连接层的热沉，第二层包括半导体激光器芯片和绝缘片，第三层是电极连接层，第四层是负极连接块。其中电极连接层中，与半导体激光器芯片焊接的部位为平面齿状结构，用以降低芯片与连接层之间的热应力。该专利是通过改变封装热沉部件结构来降低热应力，并未涉及半导体激光器芯片自身应力的降低或释放。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体激光器结构，通过对衬底结构化设计，释放半导体激光器芯片自身应力，增加芯片与焊料的接触面积，提高散热能力，同时提高有效区域的电流密度，提高光电转换效率。

本发明还提供一种降低应力的半导体激光器结构的制备方法，尤其适用于正装焊接(N面与焊料接触)封装方式的半导体激光器。

术语说明:

MOCVD：金属有机物化学气相沉积。是用于外延材料生长的常规技术。

PECVD：等离子体增强化学的气相沉积法。是用于生长SiO₂或SiN_x材料的常用技术。

ICP刻蚀：感应耦合等离子体刻蚀，利用高密度等离子体引起的化学反应和反应气体离子物理轰击作用进行刻蚀，属于干法刻蚀的一种。

本发明的技术方案如下：

一种半导体激光器结构，包括由下至上依次设置的N-金属层、N-电流阻挡层、衬底、外延材料层、P-电流阻挡层及P-金属层；其中，

所述外延材料层上有周期性设置的脊条、位于脊条两侧的沟槽和位于沟槽外侧的肩部；形成带肩脊条结构；

在所述的脊条、沟槽和肩部的表面设置有P-电流阻挡层；所述P-电流阻挡层在脊条位置设有窗口1，且窗口1宽度小于脊条宽度；形成P面；

在衬底下表面对应于P面的肩部区域上有周期性设置的孔洞或沟道；

所述衬底下表面设置有N-电流阻挡层；所述N-电流阻挡层在对应于所述脊条位置设有窗口2，窗口2位置及宽度与所述窗口1相同。

根据本发明优选的，所述衬底材料为砷化镓、蓝宝石或硅衬底材料；优选衬底厚度为100～150μm。

根据本发明优选的，所述孔洞或沟道总面积与衬底下表面对应于P面的肩部区域面积之比为0.2～0.6：1。

根据本发明，所述孔洞或沟道的深度小于衬底厚度，优选的，所述孔洞或沟道的深度为0.5～20μm；本发明所述的孔洞并非通孔；

根据本发明优选的，所述孔洞为圆形、椭圆形、矩形、菱形或多边形；所述孔洞有10～200个，根据P面的肩部区域面积确定。所述孔洞宽度为1～6μm；其中所述孔洞宽度，圆形以直径计，椭圆形以长轴计，矩形、菱形以对角线计，多边形以最长的对角线计。

根据本发明优选的，所述P-电流阻挡层的厚度为所述N-电流阻挡层的厚度为

根据本发明，所述P-金属层和N-金属层分别设置在P-电流阻挡层和N-电流阻挡层上。所述P-金属层材料体系优选为TiAu、TiCu、CrTiAu或NiCrAu；所述N-金属层材料体系优选为NiAu、GeAu、GeCu、NiCrAu或TiGeAu；优选的，所述P-金属层厚度为所述N-金属层厚度为

根据本发明优选的，所述P-电流阻挡层和N-电流阻挡层是SiO₂或SiN_x材料。

根据本发明，一种半导体激光器结构的制备方法，包括：

(1)采用MOCVD技术在衬底上生长外延材料层；

(2)在外延材料层上经光刻、刻蚀制作周期性排列的带肩脊条结构；

(3)利用PECVD生长SiO₂或SiN_x作为P-电流阻挡层，并通过光刻腐蚀制作出脊条位置的窗口；

(4)蒸镀P-金属层，完成P面电极制备；

(5)对衬底进行减薄至100～150μm；

(6)在衬底下表面经光刻、刻蚀制作周期性排列的孔洞或沟道；

(7)在衬底上采用PECVD生长SiO₂或SiN_x作为N-电流阻挡层，并通过光刻腐蚀制作出与P-电流阻挡层对应的窗口；

(8)蒸镀N-金属层。

根据本发明，对芯片衬底减薄的方法可采用现有技术，一般是通过机械法减薄。

本发明中未详加限定的部分均按现有技术。

在本发明以上制备步骤(8)制成的半导体激光器结构基础上，继续进行芯片合金处理，和欧姆接触电极的制备，得半导体激光器。

本发明具有以下优点：

1、常规半导体激光器衬底减薄后不做结构设计，本发明在衬底减薄后设置孔洞及电流阻挡层，本发明在衬底对应P面肩部区域设置孔洞进行图形化的结构设计，可有效释放衬底材料在成型过程中因晶格缺陷、温度变化，外力作用等产生的残余内应力，减轻芯片翘曲，降低芯片裂纹、破裂的几率；同时保持脊条及靠近脊条两侧有效发光区域纵向结构的完整性、衬底电阻的一致性，使电流纵向流通均匀稳定；

2、本发明在衬底对应P面肩部区域图形化的结构设计，在N面焊接封装时，焊料进入孔洞，增加了接触面积，键合更加牢固；有热应力释放时，孔洞处具有缓冲作用，避免焊料开裂或芯片断裂，提高了可靠性；

3、与现有技术相比，本发明增加的N-电流阻挡层的独特设计，并与P-电流阻挡层在脊条处的对应开窗口设置，将注入电流最大程度的限制在有效发光区域，减少横向扩展，提高光电转换效率和光束质量，尤其适用于要求单模光斑的半导体激光器。

附图说明

图1为本发明所述P面电极制备后的结构示意图；

图2为衬底圆形孔洞结构示意图；

图3为本发明半导体激光器结构示意图；

其中，1、衬底，2、外延材料层，3、P-电流阻挡层，4、P-金属层，5、衬底下表面孔洞，6、N-电流阻挡层，7、N-金属层。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

一种半导体激光器结构，包括由下至上依次设置的N-金属层7、N-电流阻挡层6、衬底1、外延材料层2、P-电流阻挡层3及P-金属层4；

所述外延材料层2上有周期性设置的脊条、位于脊条两侧的沟槽和位于沟槽外侧的肩部；形成带肩脊条结构；

在所述的脊条、沟槽和肩部表面设置有P-电流阻挡层3，P-电流阻挡层3为SiO₂，厚度为所述P-电流阻挡层3在脊条位置设有窗口，且窗口宽度小于脊条宽度；

所述衬底1下表面对应于P面的肩部位置有周期性设置的椭圆形孔洞5；所述孔洞总面积与衬底下表面对应P面的肩部区域面积的比例为0.4：1；孔洞开口长轴长度4μm，深度为8μm。每个周期内的孔洞个数为30个，如图2所示。

所述衬底表面设置有N-电流阻挡层6，N-电流阻挡层6为SiO₂，厚度为所述N-电流阻挡层6在对应于脊条位置设有窗口，窗口位置及宽度与P-电流阻挡层3脊条处窗口宽度相同；

在所述P-电流阻挡层3和N-电流阻挡层6上分别设置有P-金属层4和N-金属层7；所述P-金属层4材料为TiAu；所述N-金属层7材料为NiAu；所述P-金属层厚度为所述N-金属层厚度为

所述衬底1材料为砷化镓。厚度为120μm。也可以选用蓝宝石或硅等半导体发光器件常用衬底材料。

实施例2、

如实施例1所述的一种半导体激光器结构，所不同的是：

所述衬底的圆形孔洞5每个周期内共有50个，孔洞直径为3μm，深度为5μm；圆形孔洞的总面积与衬底下表面对应P面肩部区域面积的比例为0.5:1。

所述P-电流阻挡层3为SiN_x，厚度为所述N-电流阻挡层6为SiN_x，厚度为

所述P-金属层4材料体系为TiCu，厚度为

所述N-金属层材料体系为GeCu，厚度为

实施例3、

如实施例1、2所述的半导体激光器结构的制备方法，包括：

(1)使用MOCVD在衬底上生长外延材料层；所述衬底为GaAs衬底；

(2)在外延片上经光刻、刻蚀制作周期性排列的带肩脊条结构；

(3)利用PECVD生长SiO₂或SiN_x做P-电流阻挡层3，并通过光刻腐蚀制作出脊条位置的窗口；

(4)蒸镀P-金属层4，完成P面电极制备；如图1所示。

(5)机械法对芯片衬底进行减薄；所述减薄后衬底厚度为100～150μm；

(6)在衬底下表面经光刻、ICP刻蚀制作周期性排列的椭圆形或圆形孔洞5；

(7)在衬底上利用PECVD生长SiO₂或SiN_x做N-电流阻挡层6，并通过光刻腐蚀制作出与P-电流阻挡层3对应的窗口；

(8)蒸镀N-金属层7；如图3所示。

对比例：如实施例1所述，所不同的是在衬底上不设周期性孔洞，衬底下表面为平面。

将实施例1和对比例的半导体激光器结构继续进行芯片合金处理和欧姆接触电极装作，完成半导体激光器的制备。然后进行裂片率测试实验、封装合格率测试实验和光电转换效率测试。实验结果如下：

表1是本发明实施例1激光器与对比例激光器的量产过程中的芯片裂片率对比数据，本发明实施例1激光器芯片裂片率明显低于对比例激光器；

表1

表2是本发明实施例1激光器与对比例激光器封装合格率对比数据；其中，封装方式均采用N面与焊料接触的正装封装方式，所用焊料均为金锡焊料，热沉均为铜热沉；从表2中可看出本发明实施例1激光器的封装合格率高于对比例的激光器。

表2

经测试，实施例1的产品光电转换效率比对比例高8％。

Claims (10)

1.一种半导体激光器结构，包括由下至上依次设置的N-金属层、N-电流阻挡层、衬底、外延材料层、P-电流阻挡层及P-金属层；其中，

所述外延材料层上有周期性设置的脊条、位于脊条两侧的沟槽和位于沟槽外侧的肩部；形成带肩脊条结构；

在所述的脊条、沟槽和肩部的表面设置有P-电流阻挡层；所述P-电流阻挡层在脊条位置设有窗口1，且窗口1宽度小于脊条宽度；形成P面；

在衬底下表面对应于P面的肩部区域上有周期性设置的孔洞或沟道；

所述衬底下表面设置有N-电流阻挡层；所述N-电流阻挡层在对应于所述脊条位置设有窗口2，窗口2位置及宽度与所述窗口1相同。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述衬底材料为砷化镓、蓝宝石或硅；优选的，衬底厚度为100～150μm。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述孔洞或沟道总面积与衬底下表面对应于P面的肩部区域面积之比为0.2～0.6：1。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述孔洞或沟道的深度为0.5～20μm。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述孔洞为圆形、椭圆形、矩形、菱形或多边形；优选的，所述孔洞宽度为1～6μm。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述P-电流阻挡层的厚度为所述N-电流阻挡层的厚度为

7.根据权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述P-电流阻挡层和N-电流阻挡层是SiO2或SiNx材料。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述P-金属层和N-金属层分别设置在P-电流阻挡层和N-电流阻挡层上；优选的，所述P-金属层厚度为 所述N-金属层厚度为

9.根据权利要求1所述的半导体激光器结构，其特征在于，所述P-金属层材料为TiAu、TiCu、CrTiAu或NiCrAu；所述N-金属层材料体系为NiAu、GeAu、GeCu、NiCrAu或TiGeAu。

10.权利要求1-9任一项半导体激光器结构的制备方法，包括：

(1)采用MOCVD技术在衬底上生长外延材料层；

(2)在外延材料层上经光刻、刻蚀制作周期性排列的带肩脊条结构；

(3)利用PECVD生长SiO2或SiN_x作为P-电流阻挡层，并通过光刻腐蚀制作出脊条位置的窗口；

(4)蒸镀P-金属层，完成P面电极制备；

(5)对芯片衬底进行减薄至100～150μm；

(6)在衬底下表面经光刻、刻蚀制作周期性排列的孔洞或沟道；

(7)在衬底上采用PECVD生长SiO₂或SiN_x作为N-电流阻挡层，并通过光刻腐蚀制作出与P-电流阻挡层对应的窗口；

(8)蒸镀N-金属层。