CN112582875A - 可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构及封装方法，包括半导体激光器、半导体制冷器和设于半导体激光器与半导体制冷器之间的第一金属层，所述半导体制冷器包括硅衬底、设于硅衬底上的金属电极、沉积于金属电极上的半导体热电材料和刻蚀于半导体热电材料上的P‑N结构，所述半导体激光器包括基板、设于基板上的第二金属层、填充于相邻金属之间的硅氧化合物、依次设于第二金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上的ALD膜层、绝缘介质层、PMMA层和有源层，半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层的环形孔腔，环形孔腔内设有反射膜层。本发明能提高激光器的性能及防混光效果。

Description

可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及半导体光电技术领域，尤其涉及一种可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构的封装结构及其封装方法。

背景技术

半导体激光器具有效率高、体积小、重量轻、寿命长、制作简单、成本低等特点；其在激光打印、激光测距、激光雷达、光纤通信、红外照明、大气监视和化学光谱等方面获得了广泛的应用。早期，半导体激光器通常采用光子晶体微腔或在有源层两端镀上多层高反介质膜形成的介质腔作为光学谐振腔。2007年，A.V.Mas lov和C.Z.Ning的理论研究结果表明金属腔比介质腔对电磁波模式的局域能力更强，因此他们认为在半导体纳米线上包覆一层金属膜可以减小纳米线激光器的尺寸。另外，金属反射镜所占的体积比多层高反介质膜和光子晶体反射镜所占的体积更小，也有利于半导体激光器尺寸的减小。因此，基于金属微腔的半导体激光器成为了近年来的研究热点。

目前在半导体材料上制作金属腔的最简单的方法是在半导体材料表面覆盖一层金属膜，从而形成金属反射镜。金属反射镜和半导体材料表面上的金属膜共同组成了金属腔，作为激光器的光学谐振腔。这种制作方法虽然简单，但是金属反射镜的高度受限于半导体材料的厚度，导致金属腔的损耗较大，使得激光器的振荡阈值较高。

再者，由于光从各个角度发出，光线会扩散，从而导致混光、发光不均、亮度低等影响效果的现象发生。

对于传统的单模激光器而言，尤其是大功率的，其正常工作需要配备单独的制冷器来为激光器降温散热。而散热器目前最常用的有三类：循环冷却水降温，风冷降温和半导体制冷器降温。现有方式制成的激光器体积巨大，在很多场合都无法很好的发挥和体现半导体激光器的性能和特点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构的封装结构及封装方法，目的是便于对半导体激光器进行封装，且便于散热及降低激光的振荡阈值。

基于上述目的，本发明提供了一种可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构的封装结构，包括半导体激光器、半导体制冷器和设于半导体激光器与半导体制冷器之间的第一金属层，所述半导体制冷器包括硅衬底、设于硅衬底上的金属电极、沉积于金属电极上的半导体热电材料和刻蚀于半导体热电材料上的P-N结构，所述半导体激光器包括基板、设于基板上的第二金属层、填充于相邻金属之间的硅氧化合物、依次设于第二金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上的ALD膜层、绝缘介质层、PMMA层和有源层，所述半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层的环形孔腔，所述环形孔腔内设有反射膜层。

所述半导体激光器的电极设于基板的底部，且半导体激光器的电极通过第一金属层引出，连接至电源。

所述P-N结构包括一个P型电极和一个N型电极；所述P-N结构中的P型电极和N型电极交替设置。

所述P-N结构最外层的P型电极或者N型电极通过金属引线向外延伸，作为接触电极。

相邻的P-N结构之间通过顶部或底部金属材料相互连接。

所述反射层是采用磁控溅射形成银膜层。

所述绝缘介质层为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅或氟化锂，绝缘介质层的厚度为5-100nm。

所述有源层为半导体纳米片或半导体纳米线。

所述半导体纳米片或半导体纳米线由硒化镉、硫化镉、氧化锌、砷化镓、铟镓氮和铟镓砷磷中的一种制成；所述半导体纳米片或半导体纳米线的厚度为50-300nm。

所述金属层的厚度为50-200nm，金属层采用金属材料制成。

所述基板为硅衬底。

所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构的封装方法，包括如下步骤：

步骤一、将半导体激光器堆叠于半导体制冷器上方的第一金属层上；

步骤二、将半导体激光器的引脚连接至第一金属层，由第一金属层引出电极；

步骤三、将半导体制冷器上的P-N结构中的接触电极与第一金属层连接；

步骤四、将半导体激光器与半导体制冷器通过所述第一金属层整体封装于芯片中。

所述半导体激光器与半导体制冷器通过导热绝缘材料贴合。

本发明的有益效果：

1、本发明在封装半导体激光器的过程中，把半导体制冷器一并封装一体，半导体激光器产生的热量通过第一金属层传递到半导体制冷器向外界吸热的冷端，相较于现有技术中单独为半导体激光器配备半导体制冷器，最终使封装的半导体激光器体积减小，提高激光器的性能，半导体激光器封装在半导体制冷器的上方，相较于在半导体激光器上方或下方再制作半导体制冷器继而封装，工艺难度小。

2、本发明P-N结构中的P型电极和N型电极交替设置。掺杂五价杂质元素和三价杂质元素形成P型电极和N型电极，形成具有珀耳帖效应的半导体结构。

3、本发明相邻的P-N结构之间通过顶部或者底部金属材料相互连接。P－N结构中P型电极和N型电极彼此间形成交互形式的连接结构，确保整个P－N结构中直流电通入的方向相同，使P－N结构的顶部结点处都产生吸热现象，底部结点处产生放热现象。

4、本发明的半导体制冷器的电极通过金属引线向外延伸，由外接电源对半导体制冷器进行供电，使半导体制冷器和半导体激光器能同时工作。

5、本发明环形孔腔内的银膜作为激光器的光学谐振腔，由于银膜层反射率很高，当光线扩散时，由于银的存在会将光线反射回去，从而控制光线不往相邻外部空间扩散而导致混光、发光不均、亮度低等现象。该环形孔腔的高度设置合理，减少环形孔腔中光波导模式在腔镜处的损耗，降低激光的振荡阈值。

6、本发明位于有源层和金属层之间的绝缘介质层可以降低环形孔腔中光波导模式的传播损耗，并且通过增加绝缘介质层的厚度可以进一步降低光波导模式的传播损耗，同样有利于激光的形成。

7、本发明的半导体激光器及其制作方法因半导体纳米片或半导体纳米线的增益大以及环形孔腔的损耗小可以在室温下工作。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书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说明书一个或多个实施例，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他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明半导体激光器的结构示意图；

图3为本发明在金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上制备ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层后的结构示意图；

图4为本发明在PMMA层上涂胶后的结构示意图；

图5为本发明刻蚀形成环形空腔后的结构示意图。

图中标记为：

1、基板；2、第二金属层；3、硅氧化合物；4、ALD膜层；5、绝缘介质层；6、PMMA层；7、有源层；8、环形孔腔；9、光刻胶100、半导体激光器；101、半导体制冷器；102、第一金属层；103、硅衬底；104、金属电极；105、半导体热电材料；106、P-N结构；107、金属材料；108、接触电极。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书的实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书的实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，一种可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构，包括半导体激光器100、半导体制冷器101和设于半导体激光器100与半导体制冷器101之间的第一金属层102，半导体制冷器101包括硅衬底103、设于硅衬底103上的金属电极104、沉积于金属电极104上的半导体热电材料105和刻蚀于半导体热电材料105上的P-N结构106，所述半导体激光器100包括基板1，基板优选采用硅衬底，所述半导体激光器还包括设于基板1上的第二金属层2、填充于相邻金属之间的硅氧化合物3、依次设于第二金属层2及填充硅氧化合物3形成的结构层上的ALD膜层4、绝缘介质层5、PMMA层6和有源层7，所述半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层4、绝缘介质层5及PMMA层6的环形孔腔8，所述环形孔腔8内设有反射膜层。该半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层的环形孔腔，环形孔腔内设有反射膜层。通过此种设置反射膜层的环形孔腔结构设置，形成的环状包围结构，在反射膜的反射作用下，可将扩散的光线反射，从而控制光线不往相邻外部空间扩散而导致混光、发光不均、亮度低等现象。优选的，反射膜层是采用磁控溅射形成的Ag膜层。Ag膜的反射率很高，提高亮度。

本实施例中，第一金属层102所采用的金属为铜。半导体制冷器的制备过程：首先在硅衬底上通过热蒸发或者电子束蒸发工艺蒸镀一层金属电极，该金属电极可以选用铜，铝或镍其中一者导体金属作为接触电极，在通过磁控溅射镀膜工艺沉积半导体热电材料，例如碲化铋，再通过光刻及腐蚀工艺制作出P-N结构，形成如图1所示的结构。在封装半导体激光器100的过程中加入半导体制冷器101的制作，来主动实现对半导体激光器的冷却散热功能。导体激光器堆叠设置在半导体制冷器的上方，二者通过第一金属层连接。在封装半导体激光器100的过程中，把半导体制冷器101一并封装一体，半导体激光器100产生的热量通过第一金属层102传递到半导体制冷器101向外界吸热的冷端，相较于现有技术中单独为半导体激光器100配备半导体制冷器101，最终使封装的半导体激光器100体积减小,提高激光器的性能。半导体激光器封装在半导体制冷器的上方，相较于在半导体激光器上方或下方再制作半导体制冷器继而封装，工艺难度小。

作为可选的实施方式，半导体激光器100的电极设于基板1的底部，且半导体激光器的电极通过第一金属层102引出，连接至电源。在具体实施例中，半导体激光器100的引脚连接至第一金属层102连接，由第一金属层102引出电极，外接至电源。电源供电时产生的热量也由第一金属层102传递至半导体制冷器101。

作为可选的实施方式，每组P-N结构106包括一个P型电极和一个N型电极；P-N结构106中的P型电极和N型电极交替设置。在具体实施例中，如图1所示，在对半导体热电材料光刻及腐蚀工艺之后，再对半导体热电材料进行五价杂质元素和三价杂质元素的掺杂，形成交替的P型电极和N型电极。掺杂五价杂质元素和三价杂质元素形成P型电极和N型电极，形成具有珀耳帖效应的半导体结构。

作为可选的实施方式，相邻的P-N结构106之间通过顶部或者底部金属材料107相互连接。在具体实施例中，如图1所示，假设金属电极104在底部，则金属材料107在顶部，可以采用金属铜片连接相连的两个P型电极和N型电极，并且金属电极104和金属材料107不同时连接同一组P-N结构14，使P型电极和N型电极彼此间形成交互形式的连接结构，确保整个P-N结构中直流电通入的方向相同，使P-N结构的顶部结点处都产生吸热现象，底部结点处产生放热现象。

作为可选的实施方式，P-N结构106最外层的P型电极或者N型电极通过金属引线向外延伸，作为接触电极108。在具体实施例中，最外层的P-N结构106中的N型电极或P型电极底部金属电极104通过金属引线向外延伸，作为连接电源的接触电极108。接触电极108与第一金属层102连接，外接电源同时对半导体激光器100和半导体制冷器101供电，使二者能够同时工作。半导体制冷器100的电极通过金属引线向外延伸，由外接电源对半导体制冷器101进行供电，使半导体制冷器101和半导体激光器100能同时工作。

作为可选的实施方式，半导体激光器100与半导体制冷器101通过导热材料进行贴合。如图1所示，半导体制冷器100顶部的金属材料107上方再设置一层硅衬底103，作为导热材料将半导体制冷器101与半导体激光器100贴合连接。具体地，导热材料还能采用陶瓷片。导热材料是绝缘体。半导体激光器100和半导体制冷器101之间通过绝缘导热材料间隔，可有效的防止干扰及相互影响。

绝缘介质层5可为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅或氟化锂，绝缘介质层5的厚度为5-100nm。在本实施例中，绝缘介质层5选用的是二氟化镁。绝缘介质层的厚度越厚，光波导模式的传播损耗越小，激光形成的阈值越低。

作为可选的实施形式，有源层7为半导体纳米片或半导体纳米线。

作为可选的实施形式，半导体纳米片或半导体纳米线由硒化镉、硫化镉、氧化锌、砷化镓、铟镓氮和铟镓砷磷中的一种制成；所述半导体纳米片或半导体纳米线的厚度为50-300nm。在本实施例中，所述有源层选用的是硒化镉纳米片。

作为可选的实施形式，第二金属层2的厚度为50-200nm，第二金属层2采用金属材料制成。如金、银、铝其中的一种，还可以使用其他金属材料，属于简单替换，不能以此限定本发明的保护范围。在本实施例中，所述金属层选用的是金膜。

本实施例中，在相邻金属之间填充硅氧化合物SiOx，目的是为了填充金属之间的间隙，以防ALD膜形成的共通层填充到间隙中，会将相邻金属导通，另外若无硅氧化合物层则后续蒸镀层时会产生尖端放电现象产生ESD。

本发明还提供所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构的封装方法，包括如下步骤：

步骤一、将半导体激光器堆叠于半导体制冷器上方的金属层上；

步骤二、将半导体激光器的引脚连接至金属层，由金属层引出电极；

步骤三、将半导体制冷器上的P-N结构中的接触电极与金属层连接；

步骤四、将半导体激光器与半导体制冷器通过所述金属层整体封装于芯片中。

上述防混光的半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在基板1上制备金属层2；制备金属层采用蒸镀或者溅射的方式形成，蒸镀或溅射的方法为现有公知的技术，在此不再过多螯述。金属层的厚度可为800A～1000A。

步骤二、在金属层2的间隙空间填充硅氧化合物3；具体采用化学气相沉积方式填充硅氧化合物。

步骤三、在金属层2及填充硅氧化合物3形成的结构层上制备ALD膜层4；

步骤四、在ALD膜层4上蒸镀绝缘介质层5；绝缘介质采用二氟化镁，用磁控溅射或电子束蒸发或脉冲激光沉积方法在ALD膜层4上蒸镀一层10nm厚的绝缘介质层，即二氟化镁薄膜。

步骤五、在绝缘介质层5上喷墨打印PMMA层6；优选的，PMMA层厚度≤10000A。

步骤六、在PMMA层6上涂胶，之后经曝光、显影、从PMMA层6依次向下刻蚀至ALD膜层4为止而形成环形孔腔8；具体而言，在PMMA层上进行涂光刻胶9，再用曝光机对基板上的结构进行曝光，曝光时只曝光围绕着布置有源层的一圈的孔腔，孔腔的厚度为5000A(即为孔腔内壁至外壁的距离)，将曝光后的基板结构进行显影，刻蚀，刻蚀过程中要刻蚀完整、均匀，将孔腔刻到ALD膜层为止。可通过三次刻蚀依次将PMMA层、绝缘介质层5、ALD层7刻蚀掉，形成环形孔腔。具体的刻蚀液各成分浓度和刻蚀温度可通过对比实验获得，优化的目标是刻蚀出侧壁光滑且陡直的结构。为减弱全息曝光中的驻波效应，在涂布光刻胶之前，可在PMMA层上先涂布一层减反膜，减反膜选用的是Brewer Science公司的系列，正性光刻胶选用的是AZ MIR-701。减反膜厚度150nm左右，光刻胶厚度为300nm左右。

步骤七、在环形孔腔8上方采用磁控溅射的方式溅射形成填满环形孔腔8的银膜层，再将表面银膜层刻蚀掉，形成银膜层环形孔腔8；具体而言，在上述步骤六刻蚀形成环形孔腔后，采用磁控溅射的方式制备Ag膜层，Ag膜层整面覆盖基板上的结构，Ag膜层的厚度为300A-500A。之后在制备过Ag膜层的基板结构上进行涂胶、曝光、显影、刻蚀，将表面300A-500A的Ag膜层全部刻蚀完，仅留下孔腔内Ag膜层，Ag膜层环形孔腔的厚度为5000A。

步骤八、利用微操作系统将有源层7转移到PMMA层6背离绝缘介质层5的那一面上，并使有源层7与PMMA层6紧密贴合。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本说明书的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构，其特征在于，包括半导体激光器、半导体制冷器和设于半导体激光器与半导体制冷器之间的第一金属层，所述半导体制冷器包括硅衬底、设于硅衬底上的金属电极、沉积于金属电极上的半导体热电材料和刻蚀于半导体热电材料上的P-N结构，所述半导体激光器包括基板、设于基板上的第二金属层、填充于相邻金属之间的硅氧化合物、依次设于第二金属层及填充硅氧化合物形成的结构层上的ALD膜层、绝缘介质层、PMMA层和有源层，所述半导体激光器内形成有贯穿ALD膜层、绝缘介质层及PMMA层的环形孔腔，所述环形孔腔内设有反射膜层。

2.根据权利要求1所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述半导体激光器的电极设于基板的底部，且半导体激光器的电极通过第一金属层引出，连接至电源。

3.根据权利要求1所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述P-N结构包括一个P型电极和一个N型电极；所述P-N结构中的P型电极和N型电极交替设置。

4.根据权利要求1所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述P-N结构最外层的P型电极或者N型电极通过金属引线向外延伸，作为接触电极。

5.根据权利要求1所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构，其特征在于，相邻的P-N结构之间通过顶部或底部金属材料相互连接。

6.根据权利要求1所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述绝缘介质层为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅或氟化锂，绝缘介质层的厚度为5-100nm。

7.根据权利要求1所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述有源层为半导体纳米片或半导体纳米线。

8.根据权利要求7所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述半导体纳米片或半导体纳米线由硒化镉、硫化镉、氧化锌、砷化镓、铟镓氮和铟镓砷磷中的一种制成；所述半导体纳米片或半导体纳米线的厚度为50-300nm。

9.根据权利要求1所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将半导体激光器堆叠于半导体制冷器上方的第一金属层上；

步骤二、将半导体激光器的引脚连接至第一金属层，由第一金属层引出电极；

步骤三、将半导体制冷器上的P-N结构中的接触电极与第一金属层连接；

步骤四、将半导体激光器与半导体制冷器通过所述第一金属层整体封装于芯片中。

10.根据权利要求9所述可降低振荡阈值的半导体激光器的封装结构的封装方法，其特征在于，所述半导体激光器与半导体制冷器通过导热绝缘材料贴合。

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