CN112510482B - 一种高速率半导体激光器及其封装结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速率半导体激光器及其封装结构和方法，该高速率半导体激光器封装结构包括半导体激光器和热沉，所述热沉上设有P型过渡电极，所述半导体激光器倒装在热沉上，半导体激光器的P型电极朝下，并通过焊料与热沉上对应的P型过渡电极焊接，热沉上的P型过渡电极与管座上对应的封装引脚电连接，本发明的有源区条宽为1‑5um，P面电极很窄，大大提高了速率，所述半导体激光器的P面无需设置金丝引线焊盘，能达到提高散热并降低寄生电容的效果，从而提升激光器速率。

Description

一种高速率半导体激光器及其封装结构和方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种高速率半导体激光器及其封装结构和方法。

背景技术

随着5G技术和数据中心的发展，对光通信半导体激光器的调制速率要求越来越高，当前10G速率已经量产成熟，25G速率激光器也开始大规模使用。为了提高激光器调制速率，一种措施是缩小激光器芯片的尺寸，比如减小芯片长度和有源区宽度等，但是会导致解理困难，激光器发热严重等问题；另一种措施是优化量子阱设计，比如增大应变量等，但是会导致位错和缺陷的发生，降低器件可靠性。另一方面，对于高速率半导体激光器封装，业界一般采用P面电极朝上的方法，该方法简单易行，缺点是发热比较严重，发热会导致激光器工作速率降低。同时P面电极金丝引线需要加入焊盘，增大了寄生电容，同时焊盘尺寸比较小，焊盘位置一般只能打一根金线，导致引入较大的寄生电感。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种高速率半导体激光器及其封装结构和方法，本发明能达到提高散热并降低寄生电容的效果，从而提升激光器速率。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种高速率半导体激光器封装结构，包括半导体激光器和热沉，所述热沉上表面设有P型过渡电极，所述半导体激光器倒装在热沉上，半导体激光器的P型电极朝下，并与热沉上表面设置的P型过渡电极对应焊接，热沉上的P型过渡电极与管座上对应的封装引脚电连接。

进一步地，激光器发光端面外伸出热沉端面。

进一步地，所述半导体激光器的P型电极包括两层P型电极，靠近脊波导的一层P型电极一直覆盖到激光器的端面，该层P型电极的边界与端面平齐，而远离脊波导的一层P型电极的边界与激光器端面之间留有间距。

进一步地，激光器包含宽度1-5um的有源区发光条，P型电极与发光条欧姆接触，P型电极的宽度超过发光条宽度1-50um。本发明的P面电极很窄，可以大大提高速率。

进一步地，激光器的P面设置有辅助倒装焊接的助焊电极，P型电极和助焊电极互相电隔离。

进一步地，所述半导体激光器的P面位于助焊电极与P型电极之间设有腐蚀隔离沟，腐蚀隔离沟内覆盖有绝缘层，使P型电极与助焊电极互相电隔离；腐蚀隔离沟腐蚀到了半导体激光器的N型衬底；所述热沉上也设有与半导体激光器的助焊电极对应的电极，半导体激光器倒装在热沉上时，半导体激光器的助焊电极朝下，并通过焊料与热沉上对应的电极焊接。

进一步地，半导体激光器倒装在热沉上后，半导体激光器P面的P型电极与热沉上表面设置的P型过渡电极对应焊接，热沉上的P型过渡电极延伸超出激光器，P型过渡电极超出激光器的延伸部与管座上对应的封装引脚电连接；所述热沉的下表面全面覆盖金属化电极，热沉下表面的金属化电极上覆盖金锡焊料，用于与管座焊接。

进一步地，所述半导体激光器位于P型电极的一侧或两侧设有助焊电极。

热沉的上表面设有与半导体激光器P面设置的各电极对应的金属化电极，热沉上表面的金属化电极上覆盖焊料，用于分别与半导体激光器P面的各电极焊接；金属化电极的材料为Ti-Pt-Au的三层结构。

进一步地，所述热沉为陶瓷热沉；半导体激光器为边发射激光器；所述半导体激光器包括N型衬底，N型衬底的上表面生长有外延结构，所述外延结构上表面刻蚀出脊波导后沉积绝缘层，去掉脊波导上表面的绝缘层，并沉积P型电极；N型衬底的下表面设置有N型电极。

半导体激光器的脊波导的侧壁覆盖SiO₂，仅仅在脊波导顶部将SiO₂去除，此处为P型电极的接触位置。

本发明公开了一种高速率半导体激光器，包括N型衬底，N型衬底的上表面生长有外延结构，所述外延结构上表面刻蚀出脊波导后沉积绝缘层，去掉脊波导上表面的绝缘层，并沉积P型电极；N型衬底的下表面设置有N型电极。

进一步地，所述P型电极的一侧或两侧设有助焊电极，所述助焊电极与P型电极同面设置，均位于半导体激光器的P面；所述半导体激光器的P面位于助焊电极与P型电极之间设有腐蚀隔离沟，腐蚀隔离沟内覆盖有绝缘层，使P型电极与助焊电极互相电隔离；腐蚀隔离沟腐蚀到了半导体激光器的N型衬底；助焊电极与P型电极具有相同的厚度；

所述半导体激光器的P型电极包括两层P型电极，靠近脊波导的一层P型电极一直覆盖到激光器的端面，该层P型电极的边界与端面平齐，而远离脊波导的一层P型电极的边界与激光器端面之间留有间距。

本发明公开了一种高速率半导体激光器倒装封装方法，包括如下步骤：

制作上述结构的半导体激光器；

准备热沉，在热沉上覆盖电极，电极上覆盖焊料；

将制作的半导体激光器倒装在热沉上，半导体激光器的P型电极朝下，并通过焊料与热沉上对应的P型过渡电极焊接，将热沉上的P型过渡电极与管座上的封装引脚电连接。

进一步地，激光器发光端面外伸出热沉端面；所述热沉的下表面全面覆盖金属化电极，热沉下表面的金属化电极上覆盖金锡焊料，将热沉下表面与管座焊接；

热沉的上表面设有与半导体激光器P面设置的各电极对应的金属化电极，热沉上表面的金属化电极上覆盖焊料，用于分别与半导体激光器P面的各电极焊接。

金属化电极的材料为Ti-Pt-Au的三层结构。

本发明至少具有如下有益效果：本专利提出一种新型的高速率半导体激光器P面朝下，N面朝上的封装方法，半导体激光器P型电极仅仅覆盖发光条，宽度2-55um，无金丝引线焊盘，该封装方法降低了寄生电容大小；

本专利中陶瓷热沉设置有与激光器倒装后P型电极形貌和宽度相同的电极，其长度向激光器背光方向延伸超出激光器长度后引出P型电极，陶瓷热沉上延伸的电极不会额外增加激光器的电容，因此延伸电极尺寸可以增大，从而P型电极金丝引线的根数可以增多，降低寄生电感的影响；或者延伸电极宽度增加到50-20000um，从该区域直接通过焊接方式与封装引脚连接，同样降低寄生电感的影响；

因为本发明的P面电极较窄，焊接不牢靠，所以本发明的激光器P面设置有辅助倒装焊接的助焊电极，助焊电极可以使得激光倒装焊接更加牢靠，同时P型电极和助焊电极互相电隔离，不会引入额外的寄生电容；

本发明中P型电极在激光器端面回缩1-50微米，一次二次电极的高度差形成台阶使得倒装贴片时端面有空隙，从而焊料不会爬升到激光器发光端面，可提高封装的良率；

另外，与常见的P面朝上封装对比，有源层的发热不是通过厚度～100um的衬底传导到热沉，而是几乎直接与热沉接触，降低了器件热阻从而降低了芯片的工作温度，在同样芯片尺寸和量子阱设计下可以提高芯片的工作速率。对于传统的P面朝上封装方式，对于典型的激光器腔长～200um,热阻一般为～200K/W；对于P面朝下的封装方式，发热的有源层通过～2um厚度的InP限制层和很薄的InGaAs层直接与热沉接触，假定有源层宽度为2um，InP的热导率为0.68W/cm/℃,按照热阻公式进行近似估算的热阻为～74K/W,按照光通信半导体激光器发热近似～100mW计算，P面朝上温升20℃，P面朝下温升7.4度，下降13.6度，温度下降有利于提高器件的可靠性和调制速率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的激光器P面P型电极和助焊电极的示意图；

图2为图1的A-A'剖视图；

图3为图1的局部放大图；

图4为传统激光器P面P型电极示意图；

图5为本发明一种实施例的激光器陶瓷热沉焊接示意图；

图6为图5的B-B'剖面图；

图7为图5的C-C'的剖面图；

图8为本发明另一种实施例的激光器陶瓷热沉焊接示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参见图1至图3，本发明实施例提供一种高速率半导体激光器，包括N型衬底，N型衬底的上表面生长有外延结构，所述外延结构上表面刻蚀出脊波导后沉积绝缘层，脊波导两侧为凹槽，脊波导两侧的凹槽内也覆盖绝缘层，只去掉脊波导上表面的绝缘层，并在脊波导上表面沉积P型电极；N型衬底的下表面设置有N型电极。

沉积P型电极时，P型电极可以仅仅覆盖脊波导的上表面区域，当然，也可以在沉积P型电极时，将P型电极的沉积区域从脊波导上表面向脊波导两侧延伸设定的距离，延伸的P型电极位于在绝缘层上方。

优选地，激光器包含宽度1-5um的有源区发光条，P型电极与发光条欧姆接触，P型电极的宽度超过发光条宽度1-50um。P型电极宽度范围为2-55um之间。

进一步地，激光器的P面设置有辅助倒装焊接的助焊电极，P型电极和助焊电极互相电隔离；本实施例的所述激光器位于P型电极的一侧或两侧设有助焊电极，所述半导体激光器的P面位于助焊电极与P型电极之间设有腐蚀隔离沟，腐蚀隔离沟内覆盖有绝缘层，使P型电极与助焊电极互相电隔离；腐蚀隔离沟腐蚀到了半导体激光器的N型衬底；

所述半导体激光器的P型电极包括两层P型电极，靠近脊波导的一层P型电极一直覆盖到激光器的端面，该层P型电极的边界与端面平齐，而远离脊波导的一层P型电极的边界与激光器端面之间留有间距。

如图1所示为激光器P面电极形貌，靠近脊波导的一层P型电极为一次电极，其宽度设置为2-50um,覆盖激光器的脊波导或发光条，一次电极厚度为0.1-5um之间；在一次P型电极上覆盖相同形状和尺寸的二次P型电极，其厚度在0.1-6um之间，其中二次电极在激光器的端面缩回1-50um。

其中两层P型电极均为Ti-Pt-Au的三层结构。助焊电极可以在制作P型电极时一起制备。图4给出了传统激光器的对比电极形貌，由于P面朝上，设置了额外的圆形的金丝引线电极，该电极增大了寄生电容效应。而本发明的激光器的P面朝下的P型电极缩小了电极面积，降低了寄生电容大小。

进一步地，所述P型电极的一侧或两侧设有助焊电极，所述助焊电极与P型电极同面设置，均位于半导体激光器的P面；所述半导体激光器的P面位于助焊电极与P型电极之间设有腐蚀隔离沟，腐蚀隔离沟内覆盖有SiO₂绝缘层，使P型电极与助焊电极互相电隔离；腐蚀隔离沟腐蚀到了半导体激光器的N型InP衬底。本实施例的半导体激光器在P型电极的一侧或者两侧设置有至少一个辅助倒装焊接的助焊电极，该助焊电极与P面电极互相电隔离。

半导体激光器为边发射激光器，从半导体激光器的端面发光；所述半导体激光器包括N型衬底，N型衬底的上表面生长有外延结构，所述外延结构上表面刻蚀出脊波导后沉积绝缘层，去掉脊波导上表面的绝缘层，并沉积P型电极，P型电极覆盖脊波导的上表面区域，如本实施例的P型电极宽度为2-50um，半导体激光器P面上不设置金丝引线焊盘，该封装结构降低了寄生电容大小。

N型衬底的下表面设置有N型电极，从N型电极上金丝引线大于1根，本实施例为3根，从而降低寄生电感。

半导体激光器的脊波导的侧壁覆盖SiO₂，仅仅在脊波导顶部将SiO₂去除，此处为P型电极的接触位置。

实施例二

参见图5至图8，本发明实施例提供一种高速率半导体激光器封装结构，包括半导体激光器和热沉，所述热沉上表面设有P型过渡电极，所述半导体激光器倒装在热沉上，半导体激光器的P型电极朝下，并通过焊料与热沉上表面设置的P型过渡电极对应焊接，热沉上的P型过渡电极延伸超出激光器，P型过渡电极超出激光器的延伸部与管座上对应的封装引脚电连接，P型过渡电极超出激光器的延伸部可以与管座上对应的封装引脚通过金丝引线连接，也可以直接焊接。

进一步地，激光器发光端面外伸出热沉端面。本实施例所述半导体激光器倒装贴片到热沉时，其发光端面伸出陶瓷热沉端面1-30um，因为P面朝下发光区紧贴陶瓷热沉，发散角如图所示在垂直激光器平面方向为～35°左右，激光器端面悬空可避免陶瓷热沉挡住发出的光。另一方面，一次、二次电极的高度差形成台阶使得倒装贴片时一次电极与金锡焊料之间有空隙，从而焊料不会爬升到激光器发光端面。

进一步地，陶瓷热沉双面金属化，具体是：所述热沉的下表面全面覆盖金属化电极，热沉下表面的金属化电极上覆盖金锡焊料，用于与管座比如TO56等焊接；热沉的上表面设有与半导体激光器P面设置的各电极对应的金属化电极，热沉上表面的金属化电极上覆盖焊料，用于分别与半导体激光器P面的各电极焊接；金属化电极的材料为Ti-Pt-Au的三层结构。金锡焊料厚度为1-5um之间。倒装焊接完毕激光器P面与陶瓷热沉上表面通过金锡焊料焊接在一起。

热沉上表面的金属化电极与激光器的P型电极和助焊电极形貌互相对应，宽度尺寸匹配，本实施例的助焊电极对应的电极长度超出激光器长度10-1000um，典型值为200um。陶瓷热沉上与激光器P型电极对应电极延伸超出激光器长度后引出P型电极，其延伸的电极面积加大但是不会增大寄生电容大小。

进一步地，所述热沉为陶瓷热沉。陶瓷热沉为AlN、SiC等材料。

热沉上表面设置有与激光器倒装后P型电极形貌和宽度相同的P型过渡电极，其长度向激光器背光方向延伸超出激光器长度后引出P型电极，P型过渡电极的延伸部的电极面积加大但是不会增大寄生电容大小。

如图5至图7所示，P型电极引出方法的一种具体实施例是：热沉上表面上与激光器P型电极对应的P型过渡电极延伸超出激光器后弯折，宽度增加到50-1000um，优选值比如为100um。弯折后长度50-5000um，优选值比如为300um，热沉上表面的P型过渡电极的延伸部通过金丝引线与管座上固定的封装引脚连接。且金丝根数大于1根，示例为3根，引线增加可以降低寄生电感的影响。

如图8所示，P型电极引出方法的另一种具体实施例是：热沉上表面上与激光器P型电极对应的P型过渡电极延伸超出激光器后宽度增加到50-20000um，热沉上表面的P型过渡电极的延伸部直接通过焊接方式与管座上固定的封装引脚连接，所用焊料比如Sn-Ag-Cu无铅焊料。

实施例三

参见图5至图8，本发明实施例提供一种高速率半导体激光器倒装封装方法，

包括如下步骤：

制作实施例一所述的半导体激光器；

半导体激光器的制作步骤包括：在N型InP衬底上生长缓冲层，量子阱有源区，以及P型InP限制层和P型InGaAs接触层组成。工艺制备中，需要刻蚀出宽度近似2um的有源区发光条，然后沉积绝缘层，去掉发光条上的绝缘层，然后沉积P型电极。衬底减薄到近似～100um后，在N面沉积N型电极，然后通过解理和解个等将激光器划切为腔长150-500um，宽度～250um，厚度～100um的长方体，其中在激光器的出光两端分别镀有高反和低反膜。

准备热沉，在热沉上表面、下表面分别覆盖电极，在热沉上表面的电极上覆盖焊料；

将制作的半导体激光器倒装在热沉上，半导体激光器的P型电极朝下，并通过焊料与热沉上对应的P型过渡电极焊接；

在热沉下表面的电极上覆盖焊料，将热沉焊接固定在管座上；热沉与管座的上表面垂直设置，与管座上的引脚平行设置。

热沉上的P型过渡电极延伸超出激光器，将P型过渡电极超出激光器的延伸部与管座上对应的封装引脚电连接，P型过渡电极超出激光器的延伸部可以与管座上对应的封装引脚通过金丝引线连接，也可以直接焊接。

进一步地，激光器发光端面外伸出热沉端面；所述热沉的下表面全面覆盖金属化电极，热沉下表面的金属化电极上覆盖金锡焊料，用于与管座焊接；热沉的上表面设有与半导体激光器P面设置的各电极对应的金属化电极，热沉上表面的金属化电极上覆盖焊料，用于分别与半导体激光器P面的各电极焊接。

本发明提出了高速率半导体激光器P面朝下，N面朝上的封装方法，半导体激光器P型电极仅仅覆盖发光条，无金丝引线焊盘，该封装方法降低了寄生电容大小；

本专利中陶瓷热沉设置有与激光器倒装后P型电极形貌和宽度相同的电极，其长度向激光器背光方向延伸超出激光器长度后引出P型电极，陶瓷热沉上延伸的电极不会额外增加激光器的电容，因此延伸电极尺寸可以增大，从而P型电极金丝引线的根数可以增多，降低寄生电感的影响；或者延伸电极宽度增加到50-20000um，从该区域直接通过焊接方式与封装引脚连接，同样降低寄生电感的影响；

激光器P面设置有辅助倒装焊接的助焊电极，助焊电极可以使得激光倒装焊接更加牢靠，同时P型电极和助焊电极互相电隔离，不会引入额外的寄生电容。

本专利中P型电极在激光器端面回缩1-50微米，一次二次电极的高度差形成台阶使得倒装贴片时端面有空隙，从而焊料不会爬升到激光器发光端面，可提高封装的良率；

另外，与常见的P面朝上封装对比，有源层的发热不是通过厚度～100um的衬底传导到热沉，而是几乎直接与热沉接触，降低了器件热阻从而降低了芯片的工作温度，在同样芯片尺寸和量子阱设计下可以提高芯片的工作速率。对于传统的P面朝上封装方式，对于典型的激光器腔长～200um,热阻一般为～200K/W；对于P面朝下的封装方式，发热的有源层通过～2um厚度的InP限制层和很薄的InGaAs层直接与热沉接触，假定有源层宽度为2um，InP的热导率为0.68W/cm/℃,按照热阻公式进行近似估算：

计算的热阻为～74K/W,按照光通信半导体激光器发热近似～100mW计算，P面朝上温升20℃，P面朝下温升7.4度，下降13.6度，温度下降有利于提高器件的可靠性和调制速率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速率半导体激光器封装结构，其特征在于：包括半导体激光器和热沉，所述热沉上表面设有P型过渡电极，所述半导体激光器倒装在热沉上，半导体激光器P面的P型电极朝下，与热沉上表面设置的P型过渡电极对应焊接，热沉上的P型过渡电极与管座上对应的封装引脚电连接；激光器的P面设置有辅助倒装焊接的助焊电极，P型电极和助焊电极互相电隔离；所述半导体激光器的P面位于助焊电极与P型电极之间设有腐蚀隔离沟，腐蚀隔离沟内覆盖有绝缘层，使P型电极与助焊电极互相电隔离；所述热沉上也设有与半导体激光器的助焊电极对应的电极，半导体激光器倒装在热沉上时，半导体激光器的助焊电极朝下，并通过焊料与热沉上对应的电极焊接。

2.如权利要求1所述的高速率半导体激光器封装结构，其特征在于：激光器发光端面外伸出热沉端面。

3.如权利要求1所述的高速率半导体激光器封装结构，其特征在于：所述半导体激光器的P型电极包括两层P型电极，靠近脊波导的一层P型电极沿脊波导长度方向一直覆盖到激光器的端面，即沿脊波导长度方向该层P型电极的边界与端面平齐，而沿脊波导长度方向远离脊波导的一层P型电极的边界与激光器端面之间留有间距；激光器包含宽度1-5um的有源区发光条，P型电极与发光条欧姆接触，P型电极的宽度超过发光条宽度1-50 um。

4.如权利要求1所述的高速率半导体激光器封装结构，其特征在于：腐蚀隔离沟腐蚀到了半导体激光器的N型衬底。

5.如权利要求1或4所述的高速率半导体激光器封装结构，其特征在于：半导体激光器倒装在热沉上后，半导体激光器P面的P型电极与热沉上表面设置的P型过渡电极对应焊接，热沉上的P型过渡电极延伸超出激光器，P型过渡电极超出激光器的延伸部与管座上对应的封装引脚电连接；所述热沉的下表面全面覆盖金属化电极，热沉下表面的金属化电极上覆盖金锡焊料，用于与管座焊接。

6.如权利要求1所述的高速率半导体激光器封装结构，其特征在于：所述热沉为陶瓷热沉；半导体激光器为边发射激光器；所述半导体激光器包括N型衬底，N型衬底的上表面生长有外延结构，所述外延结构上表面刻蚀出脊波导后沉积绝缘层，去掉脊波导上表面的绝缘层，并沉积P型电极；N型衬底的下表面设置有N型电极。

7.一种高速率半导体激光器，其特征在于：包括N型衬底，N型衬底的上表面生长有外延结构，所述外延结构上表面刻蚀出脊波导后沉积绝缘层，去掉脊波导上表面的绝缘层，并沉积P型电极；N型衬底的下表面设置有N型电极；所述P型电极的一侧或两侧设有辅助倒装焊接的助焊电极，所述助焊电极与P型电极同面设置，P型电极和助焊电极互相电隔离；所述半导体激光器的P面位于助焊电极与P型电极之间设有腐蚀隔离沟，腐蚀隔离沟内覆盖有绝缘层，使P型电极与助焊电极互相电隔离。

8.如权利要求7所述的高速率半导体激光器，其特征在于：腐蚀隔离沟腐蚀到了半导体激光器的N型衬底；助焊电极与P型电极具有相同的厚度；

所述半导体激光器的P型电极包括两层P型电极，靠近脊波导的一层P型电极沿脊波导长度方向一直覆盖到激光器的端面，即沿脊波导长度方向该层P型电极的边界与端面平齐，而沿脊波导长度方向远离脊波导的一层P型电极的边界与激光器端面之间留有间距。

9.一种高速率半导体激光器倒装封装方法，其特征在于，包括如下步骤：

制作如权利要求7或8所述的半导体激光器；

准备热沉，在热沉上覆盖电极，电极上覆盖焊料；

将制作的半导体激光器倒装在热沉上，半导体激光器的P型电极朝下，并通过焊料与热沉上对应的P型过渡电极焊接，将热沉上的P型过渡电极与管座上的封装引脚电连接。

10.如权利要求9所述的高速率半导体激光器倒装封装方法，其特征在于：激光器发光端面外伸出热沉端面；所述热沉的下表面全面覆盖金属化电极，热沉下表面的金属化电极上覆盖金锡焊料，将热沉下表面与管座焊接；

热沉的上表面设有与半导体激光器P面设置的各电极对应的金属化电极，热沉上表面的金属化电极上覆盖焊料，用于分别与半导体激光器P面的各电极焊接。

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