CN111211479A - 半导体激光器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种半导体激光器芯片及其制备方法，该方法包括：提供一外延片，所述外延片包括平行设置的多个共振腔；提供一热沉基板，包括相对设置的第一表面与第二表面；将所述外延片贴合在所述热沉基板的所述第一表面上以形成第一芯片半成品；沿垂直于所述共振腔的方向上对所述第一芯片半成品进行第一分割以将所述第一芯片半成品分割为多个第二芯片半成品；沿平行于所述共振腔的方向上对所述第二芯片半成品进行第二分割以将所述第二芯片半成品分割为多个半导体激光器芯片，以使得所述半导体激光器芯片包括至少一个激光巴条。通过上述方式，本申请提供的激光巴条及其制备方法中，通过先对外延片与热沉基板进行固定，然后根据具体的需要可以对其进行分割，从而可以按需得到不同型号大小的半导体激光器芯片。

Description

半导体激光器芯片及其制备方法
技术领域
本申请涉及激光器领域，特别涉及到一种半导体激光器芯片及其制备方法。
背景技术
半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。其总体效率至少要比灯泵浦高10倍，由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率，系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍，因此，半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力，使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器芯片的双重特点，它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命，也是固体激光器的发展方向。并且，它已渗透到各个学科领域，例如：激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。
现有市场上侧面泵浦源用的半导体线阵激光器，常常由四个或多个独立激光芯片组成，目前，这种半导体激光器的制备工艺首先是对整个激光器芯片进行切割和喷涂工艺，将外延片切割成一个一个激光巴条结构，在激光巴条结构沿着腔体的后腔面镀高反射膜、前腔面镀增透膜，然后将激光巴条的P面朝下一个隔一个的焊接在热沉基板上；对于制备一些大功率激光器时，需要焊接多个激光巴条在热沉基板上以保证大功率半导激光器的输出功率，现有的制备方法无法实现同时焊接多个激光巴条在热沉基板上，常规工艺均是激光巴条一个一个通过多次焊接的方式固定在热沉基板上，很显然此种工艺是无法满足大功率半导体激光器以及超大功率半导体激光器的生产效率要求的，因此急需一种新型的半导体激光器芯片制备方法。
发明内容
本申请提供一种半导体激光器芯片及其制备方法，能够解决现有技术半导体激光器芯片制备工艺较为复杂，且成本高的问题。
本申请采用的一个技术方案是：提供一种半导体激光器芯片的制备方法，其方法包括：S11:提供一外延片，所述外延片包括平行设置的多个共振腔；S12:提供一热沉基板，包括相对设置的第一表面与第二表面；S13: 将所述外延片贴合在所述热沉基板的所述第一表面上以形成第一芯片半成品；S14:沿垂直于所述共振腔的方向上对所述第一芯片半成品进行第一分割以将所述第一芯片半成品分割为多个第二芯片半成品；S15:沿平行于所述共振腔的方向上对所述第二芯片半成品进行第二分割以将所述第二芯片半成品分割为多个半导体激光器芯片，以使得所述半导体激光器芯片包括至少一个激光巴条。
根据本申请一实施方式，所述步骤S14包括：沿垂直于所述共振腔的方向对所述第一芯片半成品的所述热沉基板进行第一切割以形成第一切割缝；
根据本申请一实施方式，所述步骤S14还包括：沿所述第一切割缝方向对所述第一芯片半成品的所述外延片进行第一劈裂以形成多个所述第二芯片半成品的解理面。
根据本申请一实施方式，所述步骤S14包括：对所述第二芯片半成品的所述解理面镀膜形成共振腔，其中对所述共振腔的前腔面镀增透膜，对对所述共振腔的后腔面镀反射膜。
根据本申请一实施方式，所述第一切割缝的深度大于或等于所述热沉基板的厚度。
根据本申请一实施方式，所述步骤S15包括：沿平行于所述共振腔的方向上对所述第二芯片半成品的所述外延片进行第二分割以形成第二切割缝。
根据本申请一实施方式，所述步骤S15包括：沿所述第二切割缝方向对所述第二芯片半成品的所述热沉基板进行切割以形成多个所述半导体激光器芯片。
根据本申请一实施方式，所述第二切割缝的深度大于或等于所述外延片的厚度，所述第二切割缝的宽度小于20um。
根据本申请一实施方式，所述步骤S15包括：对所述第二芯片半成品的所述共振腔腔面镀膜形成共振腔，其中对所述共振腔的前腔面镀增透膜，对对所述共振腔的后腔面镀反射膜。
根据本申请一实施方式，所述步骤S13包括：对所述外延片的背离所述热沉基板的一面进行减薄和抛光处理。
根据本申请一实施方式，所述热沉基板为金属基板、陶瓷基板或蓝宝石基板中的一种。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种半导体激光器芯片装置，其包括热沉基板；至少一激光巴条，所述激光巴条包括共振腔；在平行于所述共振腔方向上，所述热沉基板的长度小于所述激光巴条的长度；在垂直于所述共振腔方向上，所述热沉基板的长度大于所述激光巴条的长度。
本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供半导体激光器芯片及其制备方法，通过先将外延片与热沉基板进行贴合形成第一芯片半成品，然后根据具体的需要可以对其进行分割，从而可以按需得到不同型号大小的半导体激光器芯片，并进一步通过设定切割的方向、宽度以及深度从而得到优良的半导体激光器芯片。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是本申请半导体激光器芯片的制备方法流程示意图；
图2是本申请半导体激光器芯片的制备方法的S14的具体流程示意图；
图3是本申请半导体激光器芯片的制备方法的S15的具体流程示意图；
图4是本申请的制备的第一芯片半成品结构示意图；
图5是本申请的制备的第一芯片半成品进行切割结构示意图；
图6是本申请的制备的第二芯片半成品的结构示意图；
图7是本申请制备的第二芯片半成品进行第二步切割的结构示意图；
图8是本申请的制备成半导体激光器芯片的结构示意图；
图9是本申请提供的一种半导体激光器芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1，图1是本申请半导体的制备方法的第一实施方式流程示意图，具体的方法包括如下步骤：
S11，提供一外延片100，外延片100包括平行设置的多个共振腔110。
请参阅图1与图2，该外延片包括了衬底，该衬底用于在其上进行激光器各层材料的外延生长；缓冲层，该缓冲层设置在衬底上，其目的是形成高质量的外延表面，减小衬底与其它各层之间的应力，消除衬底的缺陷向其它各层的传播，以利于器件其它各层材料的生长；N型下限制层，该 N型下限制层设置在缓冲层上，其目的是限制光场横模向缓冲层和衬底的扩展，减小光的损耗，同时也限制载流子的扩散，减小空穴漏电流，以降低器件的阈值电流，提高效率；下波导层，该下波导层设置在下限制层上，其目的是加强对光场的限制，减小光束的远场发散角，提高器件光束质量，采用轻掺杂的材料以减少该层对光的吸收损耗；以及有源层，该有源层设置在下波导层上，其作用是作为激光器的有源区，提供足够的光增益，并决定器件的激射波长以及器件的使用寿命；上波导层，该上波导层设置在有源层上，其目的是加强对光场的限制，减小光束的远场发散角，提高器件光束质量，采用轻掺杂的材料以减少该层对光的吸收损耗；P型上限制层，该P型上限制层设置在上波导层上，其目的是限制光场横模向缓冲层和衬底的扩展，减小光的损耗，同时也限制载流子的扩散，减小空穴漏电流，以降低器件的阈值电流，提高效率；过渡层，该过渡层设置在P 型上限制层上，其目的是减小上限制层与电极接触层的应力，实现从上限制层向电极接触层的过渡,可理解的是，在一变更实施例，限制层与电极层材料的粘接适配度良好的情况，无需设置过渡层。
在具体的实施方式中，所述外延片100还包括一共振腔110，共振腔 110通过在限制层上方蚀刻形成，蚀刻的深度不超过限制层，即蚀刻掉两侧的部分波导层和限制层，留下中间未蚀刻的波导层和限制层，即共振腔，设置共振腔的好处是在外延片的侧向形成一定的折射率台阶，对侧向光有一定的限制作用，另外在一些大功率激光器中，此种共振腔也作为模式选择的过滤器，关于共振腔的蚀刻方法、蚀刻深度及共振腔的宽度设计为本领域的常规技术，此处不再赘述。
其外延片100的材料具体可以是GaAs、AlGaAs、InAs、InGaAs、GaInP、 GaInAsP、AlGaInP、GaN,GaInN,AlGaN,AlGaInN中的一种或者多种。
S12，提供一热沉基板200，其包括第一表面与第二表面。
本申请提供的热沉基板200可以是金属基板，其本身具有良好的导热性能与导电性能，包括有相对设置的第一表面与第二表面；也可以是双层导热基板，其靠近第一表面的一层为金属板，靠近第二表面的一层为散热板，也可以是散热性能较好的陶瓷基板。
其中，热沉基板200的线性热膨胀系数与外延片材料线性热膨胀系数匹配性要好，如果不能及时将半导体激光器芯片工作时产生的热量带走，就会使得整个半导体激光器芯片温度升高，膨胀系数不同，受热形变量不同，在外延片材料与热沉基板材料之间产生应力，容易出现smi le效应，从而拉伤半导体激光器芯片芯片，劣化半导体激光器芯片的光电特性；如果应力过大，甚至会使激光器芯片断裂，造成半导体激光器芯片突然失效，因此通常用金属铜、石墨烯或陶瓷等高导热材料作为热沉基板。
在具体的实施例中，热沉基板200在某一方向的长度要略大于外延片 100的长度，在另外一方向上，热沉基板200的长度要略小于外延片100 的长度。
可以理解的是，在其它实施方式中，热沉基板200的长宽大于外延片 100的长宽；具体的热沉基板200的长宽是根据外延片的材料及后续的工艺良率来选择，此处不在赘述。
S13，将外延片100贴合在热沉基板200的第一表面上以形成第一芯片半成品10。
如图4，将外延片100的P面与热沉基板200的第一表面进行贴合，其中由于热沉基板200为金属基板，因此热沉基板200一方面可作为外延片100的散热结构，同时又可作为半导体激光器芯片的P面电极，即正极。
进一步的，可以对外延片100的N面进行减薄与抛光处理，以使得其 N面具有比较高的平整度和光滑度，并同时对外延片100的N面进行蒸镀、溅射以形成N面电极，即负电极，具体可以是铜箔进行图案化或者通过金线作为负电极。
S14，从热沉基板的第二表面沿垂直于共振腔110的方向上对第一芯片半成品10进行第一分割以将所述第一芯片半成品10分割为多个第二芯片半成品20。
如图5和6，在具体实施例中，需要按照具体的需求对第一芯片半成品10进行分割以得到所需要型号与大小的激光器芯片。
请参阅图2，图2是是本申请半导体激光器芯片的制备方法S14的具体实施方式，其具体包括：
S141，从热沉基板的第二表面上沿垂直于共振腔的方向对第一芯片半成品10进行第一宽度和第一深度的第一切割。
如图5所示，在形成第一芯片半成品10后，从热沉基板200的第二表面即热沉基板200背离外延片100的一面开始，沿垂直于共振腔的方向对第一芯片半成品10的热沉基板200进行切割，其切割的宽度为第一宽度，第一宽度要小于20um，具体可以是19um，18um等等。其切割的深度为第一深度，其中，第一深度要大于或等于热沉基板200的厚度，即在具体场景中，需要切割到外延片100的那一层，其前后也可以允许部分误差。优选的，即正好等于热沉基板200的厚度，即正好切割漏出外延片100 的表面。
在其他实施例，对于外延片100的减薄与抛光等处理也可以在S141 后进行处理，这里不做限定。
进行第一切割后，在第一芯片半成品10上会形成多条平行的第一切割缝。
S142，沿第一切割缝方向对第一芯片半成品10进行劈裂，以形成多个第二芯片半成品20。
如图5和6，获得具有多条平行切割缝的第一芯片半成品10后，进而从第二表面沿着第一切割缝的方向对第一芯片半成品10进行第一劈裂，其劈裂方向与第一切割的方向相同，其劈裂的中心线与第一切割缝的中心线基本重合，其也可以通过钻石刀进行辅助配合进行劈裂，沿着外延片 100的晶格可以较为容易的分开，并产生平整光滑的解理面，也可以采用乾式刻蚀或湿式刻蚀等，并通过其他处理以产生平整光滑的共振腔腔面。
在一变更实施例中，也可以从第三表面沿着第一切割缝方向进行劈裂。
具体的，其劈裂的宽度为第二宽度，深度为第二深度，其中，第二宽度要小于第一宽度，其深度大于或等于外延片100的厚度。
如图7，由于第二宽度要小于第一宽度，则形成的第二芯片半成品20 在平行于共振腔110方向上的外延片100的长度要大于热沉基板200的长度，此结构的优势在于减少后续的共振腔共振腔面镀膜时的阴影效应，有利于提高共振腔前后腔面的镀膜均匀性。
进一步对第二芯片半成品20的共振腔方向的解理面(劈裂面)进行镀膜，包括对前腔面(出光面)镀增透膜，对后腔面(后端面)镀反射膜等，以形成使受激辐射光子增生的共振腔。可以理解的是，共振腔镀膜可以在形成第二芯片半成品20后，也可以在本申请劈裂形成解理面后的其它步骤中。
S15，沿平行于共振腔110的方向上对第二芯片半成品20进行第二分割以将第二芯片半成品20分割为多个半导体激光器芯片30，以使得半导体激光器芯片30至少包括一个激光巴条。
如图7和8，在获得第二芯片半成品20后，根据实际的需求进一步对第二芯片半成品20进行分割，这里的分割可以对多个第二芯片半成品 20，也可以对单个第二芯片半成品20。
请参阅图3，图3是是本申请半导体激光器芯片的制备方法的S15的具体实施方式流程示意图，且其具体是图1中S15的子步骤，其具体包括：
S151，沿平行于共振腔110的方向对第二芯片半成品20的外延片100 进行第三宽度与第三深度的第二分割形成第二切割缝，且漏出热沉基板 200的第一表面。
如图7，沿平行于共振腔110的方向对第二芯片半成品20的外延片 100进行第三宽度与第三深度的第二分割形成第二切割缝，其切割方向与第一切割的方向垂直，其切割线与共振腔平行，且其切割缝的中心线与相邻两共振腔的中心线重合。
具体的，其切割宽度为第三宽度，切割深度为第三深度，其第三宽度要小于相邻两共振腔的距离，其第三深度要等于或大于外延片100的厚度，从而形成至少一条深度为第三深度，宽度为第三宽度的第二切割缝，且由于已经切割到了热沉基板200，则漏出了热沉基板200的第一表面。
此时第二芯片半成品20的热沉基板200表面形成有多个激光巴条，每一激光巴条包含有一共振腔110，即此时外延片100已经被切割成多个包含有共振腔110的激光巴条。进一步对第二芯片半成品20的共振腔方向的解理面(劈裂面)进行镀膜，包括对前腔面(出光面)镀增透膜，对后腔面(后端面)镀反射膜等，以形成使受激辐射光子增生的共振腔。
S152，沿第二切割缝方向对第二芯片半成品20的热沉基板200进行第四宽度和第四深度的第二切割以形成多个半导体激光器芯片30。
如图8，在获得具有第二切割缝的第二芯片半成品20后，进一步对第二芯片半成品20进行切割，具体可以是沿着第二切割缝对第二芯片半成品20进行第四宽度与第四深度的劈裂或者切割，与上述类似，其第四切割宽度要小于第三切割宽度，其第四深度大于或等于热沉基板200的厚度。
可以理解的是，在进行具体切割时，其可以根据实际的规格需求进行切割，从而得到所需型号的半导体激光器芯片30，以使得得到的半导体激光器芯片30包含有所需求个数的激光巴条等，具体的，有些半导体激光器芯片30包含有一个激光器巴条，有些半导体激光器芯片包含有多个激光巴条，与现有的一个巴条一个巴条焊接方式形成的多巴条半导体激光器芯片相比，通过对外延片的切割工艺流程的改善就可完成多激光巴条半导体激光器芯片的制备，节省了焊接工艺，进一步提升生产效率。
上述的切割均可以采用光刻、激光切割、水刀、或蚀刻等或其他常规的工艺手段。
且上述涉及到对外延片100的切割深度，即第二深度与第三深度是按照具体的操作而决定的，如提前对外延片100进行减薄处理后，则深度是当前外延片100的厚度，也就是减薄后的厚度。
请参阅图9，图9是本申请提供的一种半导体激光器芯片的结构示意图，也就是上述工艺制备的半导体激光器芯片30的结构示意图，其包括热沉基板200及设置在热沉基板200上的激光巴条120，其中激光巴条120 包括共振腔110。
如图9所示，在共振腔110方向上，热沉基板200的长度小于激光巴条的长度，这样使得激光巴条要略凸出于热沉基板200，这样设计的好处是后续的叠巴条镀膜工艺中，可减少热沉基板遮挡引发的镀膜阴影效应，有利于提高共振腔前后腔面的镀膜均匀性，进而提高激光器的稳定性和使用寿命。
在垂直于共振腔110方向的长度上，热沉基板200的长度大于激光巴条的长度，这样使得热沉基板200面积相对较大，从而增大整个散热的面积，增强散热效果。
综上，本申请提供一种半导体激光器芯片的制备方法，通过对外延片与热沉基板的切割工艺流程的改善，以形成包含多个激光巴条的半导体激光器芯片制备，节省了工艺，进一步提升了生产效率。另外本申请的半导体激光器芯片可同时完成多激光巴条半导体激光器芯片的制备，与现有多激光巴条半导体激光器芯片工艺相比，不会产生后固定影响到前面已经固定的激光巴条的连接性的问题，从而增强了整个半导体激光器芯片的质量与寿命。
以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结果或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种半导体激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S11:提供一外延片，所述外延片包括平行设置的多个共振腔；
S12:提供一热沉基板，包括相对设置的第一表面与第二表面；
S13:将所述外延片贴合在所述热沉基板的所述第一表面上以形成第一芯片半成品；
S14:沿垂直于所述共振腔的方向上对所述第一芯片半成品进行第一分割以将所述第一芯片半成品分割为多个第二芯片半成品；
S15:沿平行于所述共振腔的方向上对所述第二芯片半成品进行第二分割以将所述第二芯片半成品分割为多个半导体激光器芯片，以使得所述半导体激光器芯片包括至少一个激光巴条。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S14包括：
沿垂直于所述共振腔的方向对所述第一芯片半成品的所述热沉基板进行第一切割以形成第一切割缝。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S14还包括：
沿所述第一切割缝方向对所述第一芯片半成品的所述外延片进行第一劈裂以形成多个所述第二芯片半成品的解理面。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S14包括：对所述第二芯片半成品的所述解理面镀膜形成共振腔，其中对所述共振腔的前腔面镀增透膜，对对所述共振腔的后腔面镀反射膜。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一切割缝的深度大于或等于所述热沉基板的厚度。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S15包括：
沿平行于所述共振腔的方向上对所述第二芯片半成品的所述外延片进行第二分割以形成第二切割缝。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S15包括：
沿所述第二切割缝方向对所述第二芯片半成品的所述热沉基板进行切割以形成多个所述半导体激光器芯片。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第二切割缝的深度大于或等于所述外延片的厚度，所述第二切割缝的宽度小于20um。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S15包括：对所述第二芯片半成品的所述共振腔腔面镀膜形成共振腔，其中对所述共振腔的前腔面镀增透膜，对对所述共振腔的后腔面镀反射膜。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S13包括：对所述外延片的背离所述热沉基板的一面进行减薄和抛光处理。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热沉基板为金属基板、陶瓷基板或蓝宝石基板中的一种。
12.一种半导体激光器芯片装置，其特征在于，包括：
热沉基板；
至少一激光巴条，所述激光巴条包括共振腔；
其特征在于，在平行于所述共振腔方向上，所述热沉基板的长度小于所述激光巴条的长度；在垂直于所述共振腔方向上，所述热沉基板的长度大于所述激光巴条的长度。
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