CN114498286A - 集成加热功能的半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成加热功能的半导体激光器及其制备方法，在半导体激光器的上表面和/或下表面制备微纳加热丝及加热丝电极，微纳加热丝的两端与加热丝电极连接，加热丝电极向微纳加热丝供电，微纳加热丝对半导体激光器进行加热。本发明能够实现半导体激光器的芯片级加热功能的集成，不会额外增加芯片体积及成本；加热丝通过常规的金属沉积工艺即可制备完成，制备方法简单，兼容性好。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种集成加热功能的半导体激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器由于具有体积小、效率高、波长丰富等独特优势，近年来已经广泛应用到航天、医疗、工业、通信等领域，未来在消费电子、激光雷达、AR/VR、传感探测等领域还将得到更为广阔的应用。
随着应用领域的不断扩展，越来越多的应用场景要求半导体激光器具有加热功能。例如，当激光雷达工作在环境温度较低如冰冻环境下，半导体激光器芯片表面易于出现结霜或者结露现象，引起表面材料受损或者电极的短路甚至烧损；当半导体激光器应用于航天时，极低的工作温度下半导体材料甚至容易出现载流子冻析效应，使得半导体激光器的工作电压急剧升高，无法正常传输载流子，使得半导体激光器无法正常发光。因而，在上述环境中应用时，需要采用加热系统确保半导体激光器芯片的工作温度正常。但是现有的控温方式均将半导体激光器封装到TEC控温模块或者带有液体循环系统的温控模块中，控温模块的成本及体积均远远超出了半导体激光器芯片本身的成本与体积，限制了半导体激光器的应用领域。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种集成加热功能的半导体激光器及其制备方法，在半导体激光器本体上制备加热丝，具有成本低、体积小的优势。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种集成加热功能的条形半导体激光器，包括激光器芯片和制备在激光器芯片正面和背面的激光器电极，激光器电极与激光器芯片电连接，在激光器芯片的正面和/或背面制备有微纳加热丝和加热丝电极，微纳加热丝与加热丝电极连接。
优选地，微纳加热丝为单层结构或通过绝缘层隔离开的叠层结构。
优选地，微纳加热丝的走线形式为Z形走线、蛇形走线、环形走线或回字形走线。
优选地，在激光器芯片的正面和/或背面避开激光器电极的区域制备微纳加热丝和加热丝电极。
优选地，激光器电极位于激光器芯片的正面和/或背面的中心区域，在激光器电极的一侧或两侧制备微纳加热丝和加热丝电极。
本发明提供一种集成加热功能的条形半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在激光器芯片的正面和背面制备激光器电极；
S2、在激光器芯片的正面和/或背面制备微纳加热丝和加热丝电极，微纳加热丝与加热丝电极连接。
优选地，步骤S2具体包括如下步骤：
S21、通过光刻工艺将掩模版的掩模图形制备到激光器芯片的正面和/或背面的预定区域；
S22、通过金属沉积工艺在激光器芯片的正面和/或背面的预定区域沉积金属材料，形成微纳加热丝与加热丝电极。
本发明提供一种集成加热功能的垂直腔面发射激光器，包括衬底，在衬底的背面依次制备有下电极和下绝缘层，在衬底的正面依次制备有下DBR反射镜、发光层和上DBR反射镜，在上DBR反射镜的上表面制备有上电极，在发光层上避开上DBR反射镜的位置制备有上绝缘层，在上绝缘层和/或下绝缘层的表面制备有微纳加热丝和加热丝电极，微纳加热丝与加热丝电极连接。
本发明提供一种集成加热功能的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底的背面依次制备下电极和下绝缘层，在衬底的正面依次制备下DBR反射镜、发光层和上DBR反射镜，以及在上DBR反射镜的上表面制备上电极；
S2、在上绝缘层和/或下绝缘层的表面制备有微纳加热丝和加热丝电极，微纳加热丝与加热丝电极连接。
优选地，步骤S2包括如下具体步骤：
S21、通过光刻工艺将掩模版的掩模图形制备到上绝缘层和/或下绝缘层的表面；
S22、通过金属沉积工艺在上绝缘层和/或下绝缘层的表面沉积金属材料，形成微纳加热丝与加热丝电极。
与现有技术相比，本发明在半导体激光器本体上制备加热丝，不必将半导体激光器封装到TEC控温模块或者带有液体循环系统的温控模块中，不会增加半导体激光器的额外成本及体积，从而解除对半导体激光器的应用领域的限制。
附图说明
图1是根据本发明实施例1提供的集成加热功能的边发射激光器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例2提供的集成加热功能的垂直腔面发射激光器的截面结构示意图；
图3是根据本发明实施例2提供的微纳加热丝的环形走线示意图。
实施例1的附图标记包括：激光器芯片1、激光器电极2、微纳加热丝3和加热丝电极4。
实施例2的附图标记包括：衬底5、下电极6、下绝缘层7、下DBR反射镜8、发光层9、上DBR反射镜10、上电极11、上绝缘层12、微纳加热丝13和加热丝电极14。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提出了一种半导体激光器的集成加热方案，半导体激光器可以为常规的条型半导体激光器，例如高功率条型边发射激光器、带有内部分布反馈式布拉格反射镜(DFB)或者表面分布布拉格反射镜(DBR)的半导体激光器，半导体激光器还可以为表面出光的垂直腔面发射激光器。
本发明的改进之处在于在半导体激光器的上表面、下表面或者双表面集成由微型往复式结构组成的密集微纳加热丝。该微纳加热丝可在激光器工艺制备完成后，通过光刻工艺定义好微纳加热丝的制备位置，采用激光器表面电极制备工艺所采用的金属沉积工艺完成微纳加热丝的布线制备，与激光器制备工艺兼容性好。
下面以发射激光器和垂直腔面发射激光器作为两个实施例对本方案进行详细说明。
实施例1
图1示出了根据本发明实施例1提供的集成加热功能的边发射激光器的结构。
如图1所示，本发明实施例1提供的集成加热功能的边发射激光器包括激光器芯片1和激光器电极2，激光器电极2分别制备在激光器芯片1的正面和背面，激光器电极2与激光器芯片1电连接，为激光器芯片1供电产生激光。
在激光器芯片1的正面和背面避开激光器电极2的区域制备有微纳加热丝3和加热丝电极4，微纳加热丝3覆盖在激光器电极2以外的绝缘区域，微纳加热丝3的两端分别与加热丝电极4连接，加热丝电极4与外部电源相连接，为微纳加热丝3供电，覆盖在激光器芯片1的正面和背面的微纳加热丝3对边发射激光器的两面进行加热。
在激光器芯片1的正面和背面，激光器电极2位于激光器芯片1的中心区域，微纳加热丝3分布在激光器电极2的一侧或两侧，图1示出了分布于激光器电极2两侧的情景，激光器电极2每一侧的微纳加热丝3的两端分别与加热丝电极4连接。
当然，微纳加热丝3也可以单独制备在激光器芯片1的正面或背面，只对激光器芯片1的正面或背面进行加热。
微纳加热丝3可以为制备出的单层加热丝结构，还可以为通过绝缘层隔离工艺在相同位置制备的双层或多层堆叠的加热丝结构。
微纳加热丝3的分布形式可以为蛇形分布、Z形分布、环形分布或回字形分布，对应地，微纳加热丝3的走线方式为蛇形走线、Z形走线、环形走线或回字形走线。图1中示出了蛇形分布的微纳加热丝3。
由于边发射激光器的结构尺寸在微米量级，因而微纳加热丝3的宽度在微米量级，厚度在纳米量级。
上述内容详细说明了本发明实施例1提供的集成加热功能的边发射激光器的结构。与该结构相对应，本发明实施例1还提供一种集成加热功能的边发射激光器的制备方法。
本发明实施例1提供的集成加热功能的边发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在激光器芯片的正面和背面制备激光器电极。
步骤S1为现有技术，故在此不再赘述。
S2、在激光器芯片的正面和/或背面制备微纳加热丝和加热丝电极，微纳加热丝与加热丝电极连接。
在激光器芯片的正面和/或背面避开激光器电极的绝缘区域制备微纳加热丝和加热丝电极。
在激光器芯片的正面制备微纳加热丝和加热丝电极的步骤如下：
S21、通过光刻工艺将掩模版的掩模图形制备到激光器芯片的正面的预定区域。
S22、通过金属沉积工艺在激光器芯片的正面的预定区域沉积金属材料，形成微纳加热丝与加热丝电极。
在激光器芯片的背面制备微纳加热丝和加热丝电极的方法与正面一致，只是需要先将激光器芯片反转，再在激光器芯片的背面完成微纳加热丝与加热丝电极的掩模图形化及金属沉积工艺。
金属沉积工艺为热蒸发、电子束蒸发或者磁控溅射等工艺。金属材料可以采用钛、铂、金等金属，也可以采用其他非金属导电材料如ITO等材料。
当边发射激光器工作时，向边发射激光器正面及背面的加热丝电极供电，则由于微纳加热丝具有很长的产热距离，因而就能实现对激光器芯片的快速加热。
实施例2
图2示出了根据本发明实施例2提供的集成加热功能的垂直腔面发射激光器的截面结构。
如图2所示，本发明实施例2提供的集成加热功能的垂直腔面发射激光器，包括衬底5，在衬底5的背面依次向下制备有下电极6和下绝缘层7，在衬底5的正面依次向上制备有下DBR反射镜8、发光层9和上DBR反射镜10，在上DBR反射镜10的上表面制备有上电极11，在发光层9上避开上DBR反射镜10的位置制备有上绝缘层12，在上绝缘层12和下绝缘层7的表面制备有微纳加热丝13和加热丝电极14，微纳加热丝13的两端分别与加热丝电极14连接，加热丝电极14与外部电源连接，为微纳加热丝13供电，微纳加热丝13对垂直腔面发射激光器的正面和背面进行加热。
当然，微纳加热丝13与加热丝电极14也可只制备在上绝缘层12或下绝缘层7上，单独对垂直腔面发射激光器的正面或背面进行加热。
微纳加热丝13可以为制备出的单层加热丝结构，还可以为通过绝缘层隔离工艺在相同位置制备的双层或多层堆叠的加热丝结构。
微纳加热丝13的分布形式可以为蛇形分布、Z形分布、环形分布或回字形分布，对应地，微纳加热丝13的走线方式为蛇形走线、Z形走线、环形走线或回字形走线。图3中示出了在垂直腔面发射激光器背面环形分布的微纳加热丝13，微纳加热丝13的内圈的一端与外圈的一端分别与加热丝电极14连接，覆盖在垂直腔面发射激光器正面的微纳加热丝13同理可得。
由于垂直腔面发射激光器的结构尺寸在微米量级，因而微纳加热丝3的宽度在微米量级，厚度在纳米量级。
上述内容详细说明了本发明实施例2提供的集成加热功能的垂直腔面发射激光器的结构。与该结构相对应，本发明实施例2还提供一种集成加热功能的垂直腔面发射激光器的制备方法。
本发明实施例2提供的集成加热功能的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底的背面依次制备下电极和下绝缘层，在衬底的正面依次制备下DBR反射镜、发光层和上DBR反射镜，以及在上DBR反射镜的上表面制备上电极。
步骤S1为现有技术，故在此不在赘述。
S2、在上绝缘层和/或下绝缘层的表面制备有微纳加热丝和加热丝电极，微纳加热丝与加热丝电极连接。
既可以在上绝缘层的表面制备微纳加热丝和加热丝电极，又可以在下绝缘层的表面制备微纳加热丝和加热丝电极，还可以在上绝缘层和下绝缘层的表面分别制备微纳加热丝和加热丝电极。
在上绝缘层制备微纳加热丝和加热丝电极的步骤如下：
S21、通过光刻工艺将掩模版的掩模图形制备到上绝缘层的表面。
S22、通过金属沉积工艺在上绝缘层的表面沉积金属材料，形成微纳加热丝与加热丝电极。
在下绝缘层制备微纳加热丝和加热丝电极的方法与上绝缘层一致，只是需要先将垂直腔面发射激光器反转，再在下绝缘层的表面完成微纳加热丝与加热丝电极的掩模图形化及金属沉积工艺。
金属沉积工艺为热蒸发、电子束蒸发或者磁控溅射等工艺。金属材料可以采用钛、铂、金等金属，也可以采用其他非金属导电材料如ITO等材料。
当垂直腔面发射激光器工作时，加热丝电极通电后，向微纳加热丝供电，微纳加热丝对覆盖区域进行快速制热，使得垂直腔面发射激光器能够快速增温，从而达到加热垂直腔面发射激光器的目的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种集成加热功能的条形半导体激光器，包括激光器芯片和制备在所述激光器芯片正面和背面的激光器电极，所述激光器电极与所述激光器芯片电连接，其特征在于，在所述激光器芯片的正面和/或背面制备有微纳加热丝和加热丝电极，所述微纳加热丝与所述加热丝电极连接。
2.如权利要求1所述的集成加热功能的条形半导体激光器，其特征在于，所述微纳加热丝为单层结构或通过绝缘层隔离开的叠层结构。
3.如权利要求1或2所述的集成加热功能的条形半导体激光器，其特征在于，所述微纳加热丝的走线形式为Z形走线、蛇形走线、环形走线或回字形走线。
4.如权利要求3所述的集成加热功能的条形半导体激光器，其特征在于，在所述激光器芯片的正面和/或背面避开所述激光器电极的区域制备所述微纳加热丝和所述加热丝电极。
5.如权利要求4所述的集成加热功能的条形半导体激光器，其特征在于，所述激光器电极位于所述激光器芯片的正面和/或背面的中心区域，在所述激光器电极的一侧或两侧制备所述微纳加热丝和所述加热丝电极。
6.一种如权利要求1～5中任一项所述的集成加热功能的条形半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在激光器芯片的正面和背面制备激光器电极；
S2、在所述激光器芯片的正面和/或背面制备微纳加热丝和加热丝电极，所述微纳加热丝与所述加热丝电极连接。
7.如权利要求6中所述的集成加热功能的条形半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：
S21、通过光刻工艺将掩模版的掩模图形制备到所述激光器芯片的正面和/或背面的预定区域；
S22、通过金属沉积工艺在所述激光器芯片的正面和/或背面的预定区域沉积金属材料，形成所述微纳加热丝与所述加热丝电极。
8.一种集成加热功能的垂直腔面发射激光器，包括衬底，在所述衬底的背面依次制备有下电极和下绝缘层，在所述衬底的正面依次制备有下DBR反射镜、发光层和上DBR反射镜，在所述上DBR反射镜的上表面制备有上电极，在所述发光层上避开所述上DBR反射镜的位置制备有上绝缘层，其特征在于，在所述上绝缘层和/或所述下绝缘层的表面制备有微纳加热丝和加热丝电极，所述微纳加热丝与所述加热丝电极连接。
9.一种如权利要求8所述的集成加热功能的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在所述衬底的背面依次制备下电极和下绝缘层，在所述衬底的正面依次制备下DBR反射镜、发光层和上DBR反射镜，以及在所述上DBR反射镜的上表面制备上电极；
S2、在所述上绝缘层和/或所述下绝缘层的表面制备有微纳加热丝和加热丝电极，所述微纳加热丝与所述加热丝电极连接。
10.如权利要求9所述的集成加热功能的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，步骤S2包括如下具体步骤：
S21、通过光刻工艺将掩模版的掩模图形制备到所述上绝缘层和/或所述下绝缘层的表面；
S22、通过金属沉积工艺在所述上绝缘层和/或所述下绝缘层的表面沉积金属材料，形成所述微纳加热丝与所述加热丝电极。
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