CN113922210B - 激光二极管及其封装结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种激光二极管及其封装结构，包括由第一半导体层、有源层和第二半导体层形成的外延结构，外延结构靠近第二半导体层的一侧配置有脊波导结构；垫高层形成在外延结构靠近第二半导体层的一侧并位于脊波导结构的外围，垫高层与脊波导结构的高度差小于或者等于300nm；第一电极与第一半导体层电性连接；第二电极设置在脊波导结构远离外延结构的一侧并与第二半导体层电性连接。在脊波导结构的外围设置垫高层，通过控制垫高层的高度以使脊波导结构的外围区域与脊波导结构具有较小高度差，在后续封装过程中，保证脊波导结构的外围区域与脊波导结构受力均匀，降低封装过程中焊接金属的空洞率、进而改善焊接金属沿着空洞溢出的现象。
Description
技术领域
本申请涉及半导体相关技术领域，尤其涉及一种激光二极管及其封装结构。
背景技术
激光二极管因其优良的光学特性在激光显示和激光投影等领域已经取得了广泛研究和市场应用，传统的激光二极管包括边发射脊波导结构，且边发射脊波导结构所在区域的高度和其外围区域的高度相差较大，其高度差可达1～2μm，在边发射脊波导结构上镀电极后，边发射脊波导结构所在区域的高度更高，其与外围区域的高度差进一步增大。在后续封装过程中，边发射脊波导结构与边发射脊波导结构的外围区域受力不均匀，易出现封装过程中的焊接金属空洞率较高、焊接金属沿着空洞溢出等问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种激光二极管，通过在脊波导结构的外围设置垫高层，以使脊波导结构的外围区域与脊波导结构具有较小高度差，在后续封装过程中，保证脊波导结构的外围区域与脊波导结构受力均匀，降低封装过程中焊接金属的空洞率、进而改善焊接金属沿着空洞溢出的现象。
另一目的还在于提供一种激光二极管的封装结构。
第一方面，本申请实施例提供了一种激光二极管，其包括：
外延结构，包括第一半导体层、第二半导体层以及位于两者之间的有源层，外延结构靠近第二半导体层的一侧配置有脊波导结构；
垫高层，形成在外延结构靠近第二半导体层的一侧并位于脊波导结构的外围，垫高层与脊波导结构的高度差小于或者等于300nm；
第一电极，与第一半导体层电性连接；
第二电极，设置在脊波导结构远离外延结构的一侧并与第二半导体层电性连接。
在一种可能的实施方案中，垫高层与脊波导结构间隔布置，且垫高层与脊波导结构之间的距离小于或者等于100μm。
在一种可能的实施方案中，在宽度方向上垫高层具有倾斜侧壁，且垫高层与脊波导结构之间的距离自外延结构侧向第二电极侧递增。
在一种可能的实施方案中，垫高层的长度为外延结构的长度的80％～100％。
在一种可能的实施方案中，垫高层的导热系数大于100W/(m×K)。
在一种可能的实施方案中，垫高层包括铬层、铂层、金层或者金属氮化物层。
在一种可能的实施方案中，第二电极自脊波导结构延伸至垫高层上。
在一种可能的实施方案中，该激光二极管还包括：
光场包覆层，覆盖脊波导结构的至少部分侧壁、以及外延结构上除脊波导结构之外的区域；光场包覆层位于脊波导结构之外的部分形成有垫高层。
在一种可能的实施方案中，光场包覆层的折射率小于脊波导结构的折射率。
在一种可能的实施方案中，光场包覆层包括氧化硅层、氮化硅层或者氮氧化硅层的一种或者多种；
或者，光场包覆层包括分布式布拉格反射镜。
在一种可能的实施方案中，外延结构靠近第一半导体层的一侧设置有导电衬底，第一电极位于导电衬底远离外延结构的表面上。
第二方面，本申请实施例提供了一种激光二极管的封装结构，其包括：
封装基板，其上表面形成有共晶金属层；
上述实施例的激光二极管，位于封装基板上，且第二电极与共晶金属层连接。
在一种可能的实施方案中，共晶金属层的宽度大于第二电极的宽度。
在一种可能的实施方案中，封装基板与共晶金属层之间还包括有连接金属层，且连接金属层的宽度大于共晶金属层的宽度。
与现有技术相比，本申请至少具有如下有益效果：
在脊波导结构的外围设置垫高层，通过控制垫高层的高度以使脊波导结构的外围区域与脊波导结构所在区域具有较小高度差，在后续封装过程中，保证脊波导结构的外围区域与脊波导结构受力均匀，降低封装过程中焊接金属的空洞率，进而改善焊接金属沿着空洞溢出的现象。
此外，上述垫高层具有较大的导热系数，可改善激光二极管在高工作电流密度下的散热性能。并且，在对上述激光二极管进行劈裂工艺时，由于脊波导结构的外围区域与脊波导结构所在区域具有较小高度差，则脊波导结构的外围区域与脊波导结构受力均匀，减小波纹的产生。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为现有激光二极管的结构示意图；
图2为根据本申请实施例示出的一种激光二极管的结构示意图；
图3为图2的A-A截面示意图；
图4～图7为根据本申请实施例示出的一种激光二极管处于不同制备阶段的A-A截面示意图；
图8为根据本申请实施例示出的一种激光二极管的封装结构的示意图。
图示说明：
10衬底；20外延结构；30脊波导结构；40光场包覆层；50第一电极；60第二电极；
100衬底；200外延结构；201第一半导体层；202有源层；203第二半导体层；210脊波导结构；220沟槽；300电极接触层；400光场包覆层；500垫高层；600第一电极；700第二电极；800封装基板；810连接金属层；820共晶金属层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或营业，本申请中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”和“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”和“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1为现有激光二极管的结构示意图，其包括衬底10和设置在衬底10上的外延结构20，外延结构20远离衬底10的一侧配置有脊波导结构30，脊波导结构30远离外延结构20的一侧形成有第二电极60，脊波导结构30与脊波导结构30外围区域的高度差可达1～2μm。在后续封装过程中，脊波导结构30与脊波导结构30外围区域受力不均匀，易出现封装过程中的焊接金属空洞率较高、焊接金属沿着空洞溢出等问题。同时，在劈裂过程中，脊波导结构30及其外围区域受力不均匀，容易产生波纹，从而影响激光二极管的性能。
为了解决上述技术问题，申请人通过在脊波导结构的外围设置垫高层，通过控制垫高层的高度以使脊波导结构的外围区域与脊波导结构所在区域具有较小高度差，从而在封装过程中保证脊波导结构的外围区域与脊波导结构受力均匀，降低焊接金属的空洞率，进而改善焊接金属沿着空洞溢出的现象。同时，在劈裂过程时，能够保证脊波导结构及其外围区域受力均匀，减小波纹的产生。上述垫高层具有较大的导热系数，可改善激光二极管在高工作电流密度下的散热性能。
根据本申请的一个方面，提供一种激光二极管。参见图2和图3，该激光二极管包括外延结构200、垫高层500、第一电极600和第二电极700。外延结构200自下而上包括第一半导体层201、有源层202和第二半导体层203，外延结构200靠近第二半导体层203的一侧配置有脊波导结构210。垫高层500形成在外延结构200靠近第二半导体层203的一侧并位于脊波导结构210的外围，垫高层500与脊波导结构210的高度差小于或者等于300nm。第一电极600与第一半导体层201电性连接，第二电极700位于脊波导结构210远离外延结构200的一侧并与第二半导体层203电性连接。
第二电极700优选为自脊波导结构210延伸至垫高层500上，以使脊波导结构210所在区域与脊波导结构210的外围区域的高度差更小，使得脊波导结构210和其外围区域在封装过程中受力均匀，降低焊接金属的空洞率，改善焊接金属沿着空洞溢出的现象。同时，脊波导结构210和其外围区域在劈裂过程中受力均匀，减小波纹的产生。
较佳地，参见图2和图3，垫高层500与脊波导结构210间隔布置，且垫高层500与脊波导结构210之间的距离D1小于或者等于100μm，便于脊波导结构210的散热。
较佳地，垫高层500的导热系数大于100W/(m×K)，垫高层500包括但不限于是铬层、铂层、金层或者金属氮化物层，可改善激光二极管在高工作电流密度下的散热性能。
较佳地，参见图2，在长度方向上，垫高层500的边缘相对于外延结构200的边缘内缩。垫高层500的长度优选为外延结构200的长度的80％～100％。本实施例中，外延结构200的长度优选为小于或者等于2000μm。
较佳地，参见图2，在宽度方向上，垫高层500具有倾斜侧壁，且垫高层500与脊波导结构210之间的距离自外延结构200侧向第二电极700侧递增，也就是说，随着垫高层500高度的增大，垫高层500与脊波导结构210之间的距离也增大。
较佳地，参见图3，第二半导体层203上还设有电极接触层300，电极接触层300为透明导电层，脊波导结构210为由电极接触层300和部分第二半导体层203蚀刻而形成的凸出结构。本实施例中，电极接触层300的材料包括但不限于氧化铟锡。
较佳地，脊波导结构210的数量为一个，或者脊波导结构210的数量为多个。在脊波导结构210的数量为多个时，多个脊波导结构210沿外延结构200宽度方向等间距布置。
本申请中，外延结构200、脊波导结构210、垫高层500的长度沿箭头1所指示的方向延伸；外延结构200、脊波导结构210、垫高层500的宽度沿箭头2所指示的方向延伸。需要说明的是，定义箭头1的方向和箭头2的方向仅是为了描述方便，并不是用于限定外延结构200、脊波导结构210、垫高层500的设置方位。
在一种实施方式中，参见图2和图3，该激光二极管还包括用于对脊波导结构210进行光场限制的光场包覆层400。该光场包覆层400覆盖脊波导结构210的至少部分侧壁，以及外延结构200上表面中除脊波导结构210之外的区域。光场包覆层400位于脊波导结构210之外的部分形成有垫高层500，垫高层500与脊波导结构210侧壁处的光场包覆层400接触或者存在间隙。
光场包覆层400的折射率小于脊波导结构210的折射率，其对脊波导结构210进行光场限制，提高脊波导结构210的出光效率。光场包覆层400的折射率介于1.4～2.4，其主要为绝缘和低折射率材料，具有低折射率特性且具有良好的全反射效果。光场包覆层400包括氧化硅层、氮化硅层或者氮氧化硅层的一种或者多种；或者，光场包覆层400包括分布式布拉格反射镜。
在一种实施方式中，第一半导体层201为N型半导体层，有源层202为多层量子阱层，第二半导体层203为P型半导体层。N型半导体层、多层量子阱层和P型半导体层仅是外延结构200的基本构成单元，在此基础上，外延结构200还可以包括其他对激光二极管的性能具有优化作用的功能结构层。例如，外延结构200还包括N型包覆层、N型波导层、P型包覆层和P型波导层。
参见图2和图3，外延结构200靠近第一半导体层201的一侧设置有衬底100，衬底100可选为导电衬底，导电衬底包括但不限于是氮化镓衬底或者碳化硅衬底，第一电极600位于导电衬底远离外延结构200的表面上。衬底100也可选为蓝宝石平底衬底或者蓝宝石图形化衬底，第一电极600与第二电极700位于衬底100的同一侧。
根据本申请的一个方面，提供一种激光二极管的封装结构，参见图8，该分组结构包括封装基板800以及位于封装基板800上的上述实施例中的激光二极管。封装基板800的上表面形成有共晶金属层820，第二电极700与共晶金属层820连接，且共晶金属层820的宽度大于第二电极700的宽度。
较佳地，封装基板800与共晶金属层820之间还包括有连接金属层810，且连接金属层810的宽度大于共晶金属层820的宽度。
根据本申请的一个方面，提供一种激光二极管的制备方法。以图2所示的激光二极管为例对其制备方法进行示例说明，该制备方法包括以下步骤：
S1、在衬底100的上表面形成外延结构200，自外延结构200远离衬底100的一侧蚀刻外延结构200并形成脊波导结构210。
在一种实施方式中，参见图4，衬底100为导电衬底，导电衬底包括但不限于氮化镓衬底或者碳化硅衬底。以物理气相沉积或化学气相沉积的方式在衬底100的上表面依次形成第一半导体层201、有源层202和第二半导体层203。其中，第一半导体层201为N型半导体层，有源层202为多层量子阱层，第二半导体层203为P型半导体层。N型半导体层、多层量子阱层和P型半导体层仅是外延结构200的基本构成单元，在此基础上，外延结构200还可以包括其他对激光二极管的性能具有优化作用的功能结构层。例如，外延结构200还包括N型包覆层、N型波导层、P型包覆层和P型波导层。
在第二半导体层203的上表面形成电极接触层300，电极接触层300为透明导电层，其材料包括但不限于氧化铟锡。
参见图5，蚀刻电极接触层300和第二半导体层203并形成沟槽220，沟槽220自电极接触层300延伸至第二半导体层203的内部；沟槽220外围剩余的电极接触层300和第二半导体层203构成脊波导结构210。脊波导结构210的侧壁为垂直面或者倾斜面。
参见图6，在沟槽220的至少部分侧壁和底面形成光场包覆层400。光场包覆层400的折射率小于脊波导结构210的折射率，其用于对脊波导结构210进行光场限制，提高脊波导结构210的出光效率。光场包覆层400的折射率介于1.4～2.4，其主要为绝缘和低折射率材料，具有低折射率特性且具有良好的全反射效果。光场包覆层400包括氧化硅层、氮化硅层或者氮氧化硅层的一种或者多种；或者，光场包覆层400包括分布式布拉格反射镜。
S2、在外延结构200远离衬底100的一侧形成位于脊波导结构210外围的垫高层500，垫高层500与脊波导结构210的高度差小于或者等于300nm。
在一种实施方式中，参见图7，在位于沟槽220底面处的光场包覆层400上形成垫高层500，垫高层500与脊波导结构210间隔布置，且垫高层500与脊波导结构210之间的距离D1小于或者等于100μm。垫高层500的导热系数大于100W/(m×K)，垫高层500包括但不限于是铬层、铂层、金层或者金属氮化物层。在沟槽220设置垫高层500后，可使脊波导结构210的外围区域与脊波导结构210的高度差小于或者等于300nm。
较佳地，在长度方向上，垫高层500的边缘相对于外延结构200的边缘内缩。垫高层500的长度优选为外延结构200的长度的80％～100％。本实施例中，外延结构200的长度优选为小于或者等于2000μm。
较佳地，在宽度方向上，垫高层500具有倾斜侧壁，且垫高层500与脊波导结构210之间的距离自外延结构200侧向第二电极700侧递增，也就是说，随着垫高层500高度的增大，垫高层500与脊波导结构210之间的距离也增大。
S3、在衬底100的下表面形成第一电极600；在脊波导结构210的上表面形成第二电极700，第二电极700覆盖脊波导结构210的上表面。
在一种实施方式中，第一电极600和第二电极700的材料均包括Al、Ni、Ti、Pt、Au中的一种或者至少两种，并可采用诸如电子束蒸镀或者离子束溅射等技术形成。第二电极700优选为自脊波导结构210的上表面延伸至垫高层500的上表面上。
按照上述步骤即可得到如图2所示的激光二极管，其中，该激光二极管包括一个脊波导结构210。
若制备含有多个脊波导结构210的激光二极管，则只需蚀刻出多个沟槽220，即可得到沿外延结构200宽度方向等间距布置的多个脊波导结构210。
由以上的技术方案可知，本申请在脊波导结构210的外围设置垫高层500，通过控制垫高层500的高度以使脊波导结构210的外围区域与脊波导结构210所在区域具有较小高度差，在后续封装过程中，保证脊波导结构210的外围区域与脊波导结构210受力均匀，降低封装过程中焊接金属的空洞率，进而改善焊接金属沿着空洞溢出的现象。
此外，上述垫高层500具有较大的导热系数，可改善激光二极管在高工作电流密度下的散热性能。并且，在对上述激光二极管进行劈裂工艺时，由于脊波导结构210的外围区域与脊波导结构210所在区域具有较小高度差，则脊波导结构210的外围区域与脊波导结构210受力均匀，减小波纹的产生。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。
Claims (13)
1.一种激光二极管，其特征在于，包括；
外延结构，包括第一半导体层、第二半导体层以及位于两者之间的有源层，所述外延结构靠近第二半导体层的一侧配置有脊波导结构；
垫高层，包括铬层、铂层、金层或者金属氮化物层，形成在所述外延结构靠近第二半导体层的一侧并位于所述脊波导结构的外围，所述垫高层与所述脊波导结构的高度差小于或者等于300nm；通过控制所述垫高层的高度以降低所述脊波导结构的外围区域与所述脊波导结构所在区域的高度差；
第一电极，与所述第一半导体层电性连接；
第二电极，设置在所述脊波导结构远离外延结构的一侧并与所述第二半导体层电性连接。
2.根据权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述垫高层与所述脊波导结构间隔布置，且所述垫高层与所述脊波导结构之间的距离小于或者等于100μm。
3.根据权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，在宽度方向上所述垫高层具有倾斜侧壁，且所述垫高层与脊波导结构之间的距离自外延结构侧向第二电极侧递增。
4.根据权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述垫高层的长度为所述外延结构的长度的80％～100％。
5.根据权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述垫高层的导热系数大于100W/(m×K)。
6.根据权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述第二电极自所述脊波导结构延伸至所述垫高层上。
7.根据权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，还包括：
光场包覆层，覆盖所述脊波导结构的至少部分侧壁、以及所述外延结构上除脊波导结构之外的区域；所述光场包覆层位于脊波导结构之外的部分形成有所述垫高层。
8.根据权利要求7所述的激光二极管，其特征在于，所述光场包覆层的折射率小于所述脊波导结构的折射率。
9.根据权利要求7所述的激光二极管，其特征在于，所述光场包覆层包括氧化硅层、氮化硅层或者氮氧化硅层的一种或者多种；
或者，所述光场包覆层包括分布式布拉格反射镜。
10.根据权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述外延结构靠近第一半导体层的一侧设置有导电衬底，所述第一电极位于所述导电衬底远离外延结构的表面上。
11.一种激光二极管的封装结构，其特征在于，包括：
封装基板，其上表面形成有共晶金属层；
如权利要求1～10中任一项所述的激光二极管，位于所述封装基板上，且所述第二电极与所述共晶金属层连接。
12.根据权利要求11所述的激光二极管的封装结构，其特征在于，所述共晶金属层的宽度大于所述第二电极的宽度。
13.根据权利要求11所述的激光二极管的封装结构，其特征在于，所述封装基板与所述共晶金属层之间还包括有连接金属层，且所述连接金属层的宽度大于所述共晶金属层的宽度。
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