CN115051237A - 半导体激光器及其制作方法、半导体激光器的升温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器技术领域,提供了一种半导体激光器,包括衬底、于所述衬底上生长的有源层以及生长在所述有源层上的P型层,在所述P型层上集成有激光二极管以及用于加热所述激光二极管的加热二极管。提供一种半导体激光器的制备方法。还提供一种半导体激光器的升温方法。本发明通过在P型层集成激光二极管和加热二极管,加热效率高、升温明显,可以极大地节省功耗,另外结构以及制作工艺都较为简单,既可以控制成本、提高制作效率,又可以有更好的升温效果。与传统集成加热电阻器方案相比,能简化工艺流程;与分立电阻加热方式比,能提高加热效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域,具体为一种半导体激光器及其制作方法、半导体激光器的升温方法。
背景技术
粗波分复用(CWDM)半导体激光器芯片一般工作在扩展温度-20-85℃度,当要求在-40℃~85℃工温环境下工作,环境温度低至-40℃时,一般通过分立加热电阻的方式对管壳加热至-20℃以上,这样会导致成本的增加,另外对管壳进行加热,加热效率比较低。
现有技术中有在靠近激光器芯片的陶瓷电路基板上制作加热电阻或者贴片功率电阻,在低温环境时,通过外部电路控制加热电阻,使加热电阻按指令进行加热,以降低低温对激光器出光性能的影响。但这种方式加热效率非常低,因为一般光通信激光器的封装管壳为TO56,典型热阻为大约50K/W,在管壳内部如果用分立电阻加热,那么需要600mW的加热功率才能使激光器温度升高30℃。
另外,另外现有技术中还有采用在激光器芯片上集成薄膜电阻加热器,通过馈送可变电流控制热耗散,这种方式虽然能够起到一定的升温效果,但是不管是结构还是制备工艺都非常复杂,成本过高,应用并不广泛。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体激光器及其制作方法、半导体激光器的升温方法,加热效率高、升温明显,可以极大地节省功耗,另外结构以及制作工艺都较为简单,既可以控制成本、提高制作效率,又可以有更好的升温效果。
为实现上述目的,本发明实施例提供如下技术方案:一种半导体激光器,包括衬底、于所述衬底上生长的有源层以及生长在所述有源层上的P型层,在所述P型层上集成有激光二极管以及用于加热所述激光二极管的加热二极管。
进一步,所述加热二极管有多个,各所述加热二极管并联。
进一步,所述激光二极管包括发光条,当所述加热二极管只有一个时,所述加热二极管位于所述发光条的任一一侧;当所述加热二极管有多个时,各所述加热二极管全部在所述发光条的其中一侧或者所述发光条的两侧均有所述加热二极管。
进一步,所述激光二极管还包括由所述P型层上向下凹陷形成的两个所述激光二极管隔离沟,所述发光条拱起在两个所述激光二极管隔离沟之间;所述加热二极管位于所述激光二极管隔离沟远离所述发光条的一侧。
进一步,所述激光二极管还包括激光二极管P电极,所述激光二极管P电极敷设在所述发光条和两个所述激光二极管隔离沟上。
进一步,每一所述加热二极管包括由所述P型层上向下凹陷形成的两个加热二极管隔离沟,两个加热二极管隔离沟之间也具有拱起部位;每一所述加热二极管隔离沟的深度均小于任一所述激光二极管隔离沟的深度。
进一步,所述加热二极管隔离沟的深度是所述P型层的总厚度的1/5~1/2之间。
进一步,每一所述发热二极管还包括发热二极管P电极,所述发热二极管P电极敷设在所述拱起部位和两个所述加热二极管隔离沟上。
本发明实施例提供另一种技术方案:一种半导体激光器的制备方法,包括如下步骤:
S1,制作外延结构,所述外延结构包括依次生长的衬底、有源层以及P型层;
S2,在所述P型层上制作激光二极管和加热二极管,所述加热二极管用于加热所述激光二极管;
制作所述激光二极管具体包括:
在所述P型层上腐蚀出两道激光二极管隔离沟,在两道所述激光二极管隔离沟之间形成发光条,在所述发光条和两道所述二极管隔离沟上制作激光二极管P电极;
制作每个所述激光二极管具体包括:
在所述P型层上腐蚀出两道加热二极管隔离沟,在两道所述加热二极管隔离沟中间形成拱起部位,在所述拱起部位和两道所述加热二极管隔离沟上制作发热二极管P电极;
S3,在所述激光二极管和所述加热二极管制作完毕后,在所述衬底远离所述有源层的一侧制作N电极。
本发明实施例提供另一种技术方案:一种半导体激光器的升温方法,具体是上述的半导体激光器的升温方法,包括如下步骤:
向所述激光二极管的P电极加正电压,注入正向电流,所述激光二极管发光,向所述发热二极管的P电极加正电压,注入正向电流,所述发热二极管对所述激光二极管进行加热,以升高半导体激光器的温度。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:通过在P型层集成激光二极管和加热二极管,加热效率高、升温明显,可以极大地节省功耗,另外结构以及制作工艺都较为简单,既可以控制成本、提高制作效率,又可以有更好的升温效果。与传统集成加热电阻器方案相比,能简化工艺流程;与分立电阻加热方式比,能提高加热效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种半导体激光器的加热二极管在发光条两侧的示意图;
图2为本发明实施例提供的一种半导体激光器的加热二极管在发光条一侧的示意图;
图3为本发明实施例提供的一种半导体激光器的加热二极管在发光条一侧时加热二极管、发光条、激光二极管隔离沟的示意图;
图4为本发明实施例提供的一种半导体激光器的加热二极管在发光条一侧时的侧面结构示意图;
附图标记中:1-发光条;2-激光二极管P电极;3-加热二极管;4-封装引线;5-封装引脚;6-加热二极管P电极;7-加热二极管隔离沟;8-加热二极管接触电极;9-激光二极管隔离沟;10-N电极;11-衬底;12-有源层;13-P型层;14-激光二极管;15-绝缘层;16-激光二极管接触电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,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。
请参阅图1至图4,本发明实施例提供一种半导体激光器,包括衬底11、于所述衬底11上生长的有源层12以及生长在所述有源层12上的P型层13,在所述P型层13上集成有激光二极管14以及用于加热所述激光二极管14的加热二极管3。在本实施例中,通过在P型层13集成激光二极管14和加热二极管3,加热效率高、升温明显,可以极大地节省功耗,另外结构以及制作工艺都较为简单,既可以控制成本、提高制作效率,又可以有更好的升温效果。与传统集成加热电阻器方案相比,能简化工艺流程;与分立电阻加热方式比,能提高加热效率。使用时,N电极10为加热二极管3和激光器二极管的共同电极,接负电压。向所述激光二极管14的P电极加正电压,注入正向电流,所述激光二极管14发光,向所述发热二极管的P电极加正电压,注入正向电流,所述发热二极管对所述激光二极管14进行加热,以升高半导体激光器的温度。一般激光器芯片与管壳间的热阻较高,假定为大约150K/W,那么加热二极管3200mW的加热功率就能使激光器温度升高30℃。对比两种加热效率来看,集成加热二极管3的方案能节省加热功率大约400mW,对于大约1-2W的光模块总功耗来说,节省的功耗大于20%。另外,衬底11优选为N型衬底。
作为本发明实施例的优化方案,请参阅图1至图4,所述加热二极管3有多个,各所述加热二极管3并联。所述激光二极管14包括发光条1,当所述加热二极管3只有一个时,所述加热二极管3位于所述发光条1的任一一侧;当所述加热二极管3有多个时,各所述加热二极管3全部在所述发光条1的其中一侧或者所述发光条1的两侧均有所述加热二极管3。在本实施例中,可以根据实际的情况来选择加热二极管3的数量,多个加热二极管3能增加加热的均匀性。利用外部电路控制电流或者电压,以脉冲加电方式,调节占空比得到合适的平均发热功率。如图1、图2和图3所示,都是多个加热二极管3的情况,实际上一个加热二极管3也能起到加热效果。具体地,图1中,是多个加热二极管3在发光条1的两侧的情况,其包括发光条1、激光二极管P电极2、四个加热二极管3、封装引线4、封装引脚5,其中加热二极管3均通过封装引线4并联在一起,通过封装引脚5引出管壳加电。图2和图3中,是多个加热二极管3在发光条1同一侧的情况,3个并联的加热二级管如图2所示连接到封装引脚5,封装引脚5最后连接到3.3V的电压(3.3V为光模块典型工作电源电压),其中加热二极管3的串联电阻大约10ohm,开启电压假定1V,那么每个加热二极管3的电流为2.3/10=230mA,三个加热二极管3为690mA,发热功率为690*3.3=2.2W,但是如前文所述,加热升高温度30度,只需要功率大约200mW,所以加热不能连续加热,而是脉冲加热方式,占空比大概10%,就是比如0.1毫秒的时间加电,剩余0.9毫秒断电的加热方式,通过这种方式获得需要的平均加热功率。其中图3示出了加热二极管3的细节,其包括加热二极管P电极6、加热二极管隔离沟7、加热二极管接触电极8以及激光二极管隔离沟9。下面实施例再详述。优选的,加热二极管3的电极可以是圆形,方形,多边形或者其组合方式,尺寸比如大约70um直径,方便金丝打线,加热二极管接触电极8直径,比如23um,加热二极管隔离沟7为环形,宽度为大约23um。
作为本发明实施例的优化方案,请参阅图1至图4,所述激光二极管14还包括由所述P型层13上向下凹陷形成的两个所述激光二极管隔离沟9,所述发光条1拱起在两个所述激光二极管隔离沟9之间;所述加热二极管3位于所述激光二极管隔离沟9远离所述发光条1的一侧。所述激光二极管14还包括激光二极管P电极2,所述激光二极管P电极2敷设在所述发光条1和两个所述激光二极管隔离沟9上。形成发光条1和激光器二极管隔离沟后,再进行常规的电极,减薄,合金等常规工艺。在本实施例中,发光条1和激光二极管隔离沟9形成齿状结构,然后在该齿状结构上制作激光二极管P电极2。在腐蚀完隔离沟后,需要先进行绝缘层15的沉积,优选的绝缘层15可以采用PECVD SiO2/SiN等,随后将激光二极管P电极2对应发光条1处的激光二极管接触电极16处的绝缘层15去除,然后再进行激光二极管P电极2的制作。激光二极管P电极2的形状与所述发光条1和两个所述激光二极管隔离沟9形成的形状一致。
作为本发明实施例的优化方案,请参阅图1至图4,每一所述加热二极管3包括由所述P型层13上向下凹陷形成的两个加热二极管隔离沟7,两个加热二极管隔离沟7之间也具有拱起部位;每一所述加热二极管隔离沟7的深度均小于任一所述激光二极管隔离沟9的深度。所述加热二极管隔离沟7的深度是所述P型层13的总厚度的1/5~1/2之间。每一所述发热二极管还包括发热二极管P电极,所述发热二极管P电极敷设在所述拱起部位和两个所述加热二极管隔离沟7上。在本实施例中,制作加热二极管3的方式与上述的制作激光二极管14的方式一致。制作的拱起部位和两个加热二极管隔离沟7的形状也是齿状结构,加热二极管P电极6的形状也是如此。制作绝缘层15也是一样,需要将加热二极管P电极6对应发光条1处的加热二极管接触电极8处的绝缘层15去除,这里就不再赘述。区别在于腐蚀成的加热二极管隔离沟7的深度。加热二极管隔离沟7腐蚀深度低于激光二极管隔离沟9的腐蚀深度,其腐蚀深度为P型层13总厚度的1/5-1/2之间,加热二极管隔离沟7的作用是让加热二极管3的电流注入限定在加热二极管接触电极8的区域,电流不向加热二极管隔离沟7以外的区域扩展,让电流仅仅从加热二极管接触电极8注入。
作为本发明实施例的优化方案,加热二极管P电极6和激光二极管P电极2均采用溅射/蒸镀的方法制作。然后减薄后进行N电极10的制作,随后进行合金等常规工艺。
以上实施例可以看出激光二极管14和加热二极管3均包含隔离沟,这样可以使得激光二极管14和加热二极管3的P电极互相电隔离。激光二极管P电极2和加热二极管P电极6本身分别独立,且通过绝缘层15、激光二极管隔离沟9和加热二极管隔离沟7互相电隔离。
请参阅图1至图4,本发明实施例提供一种半导体激光器的制备方法,其包括如下步骤:
S1,制作外延结构,所述外延结构包括依次生长的衬底11、有源层12以及P型层13;
S2,在所述P型层13上制作激光二极管14和加热二极管3,所述加热二极管3用于加热所述激光二极管14;
制作所述激光二极管14具体包括:
在所述P型层13上腐蚀出两道激光二极管隔离沟9,在两道所述激光二极管隔离沟9之间形成发光条1,在所述发光条1和两道所述二极管隔离沟上制作激光二极管P电极2;
制作每个所述激光二极管14具体包括:
在所述P型层13上腐蚀出两道加热二极管隔离沟7,在两道所述加热二极管隔离沟7中间形成拱起部位,在所述拱起部位和两道所述加热二极管隔离沟7上制作发热二极管P电极;
S3,在所述激光二极管14和所述加热二极管3制作完毕后,在所述衬底11远离所述有源层12的一侧制作N电极10。
本实施例是上述的半导体激光器的制作工艺。上述结构示出了所有的实施方式,此处就不再赘述。
本发明实施例还提供一种半导体激光器的升温方法,具体是上述的半导体激光器的升温方法,包括如下步骤:
向所述激光二极管14的P电极加正电压,注入正向电流,所述激光二极管14发光,向所述发热二极管的P电极加正电压,注入正向电流,所述发热二极管对所述激光二极管14进行加热,以升高半导体激光器的温度。与传统集成加热电阻器方案相比,能简化工艺流程;与分立电阻加热方式比,能提高加热效率。
利用外部电路控制电流或者电压,以脉冲加电方式,调节占空比得到合适的平均发热功率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种半导体激光器,其特征在于:包括衬底、于所述衬底上生长的有源层以及生长在所述有源层上的P型层,在所述P型层上集成有激光二极管以及用于加热所述激光二极管的加热二极管。
2.如权利要求1所述的半导体激光器,其特征在于:所述加热二极管有多个,各所述加热二极管并联。
3.如权利要求1或2所述的半导体激光器,其特征在于:所述激光二极管包括发光条,当所述加热二极管只有一个时,所述加热二极管位于所述发光条的任一一侧;当所述加热二极管有多个时,各所述加热二极管全部在所述发光条的其中一侧或者所述发光条的两侧均有所述加热二极管。
4.如权利要求3所述的半导体激光器,其特征在于:所述激光二极管还包括由所述P型层上向下凹陷形成的两个所述激光二极管隔离沟,所述发光条拱起在两个所述激光二极管隔离沟之间;所述加热二极管位于所述激光二极管隔离沟远离所述发光条的一侧。
5.如权利要求4所述的半导体激光器,其特征在于:所述激光二极管还包括激光二极管P电极,所述激光二极管P电极敷设在所述发光条和两个所述激光二极管隔离沟上。
6.如权利要求4所述的半导体激光器,其特征在于:每一所述加热二极管包括由所述P型层上向下凹陷形成的两个加热二极管隔离沟,两个加热二极管隔离沟之间也具有拱起部位;每一所述加热二极管隔离沟的深度均小于任一所述激光二极管隔离沟的深度。
7.如权利要求6所述的半导体激光器,其特征在于:所述加热二极管隔离沟的深度是所述P型层的总厚度的1/5~1/2之间。
8.如权利要求6所述的半导体激光器,其特征在于:每一所述发热二极管还包括发热二极管P电极,所述发热二极管P电极敷设在所述拱起部位和两个所述加热二极管隔离沟上。
9.一种半导体激光器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1,制作外延结构,所述外延结构包括依次生长的衬底、有源层以及P型层;
S2,在所述P型层上制作激光二极管和加热二极管,所述加热二极管用于加热所述激光二极管;
制作所述激光二极管具体包括:
在所述P型层上腐蚀出两道激光二极管隔离沟,在两道所述激光二极管隔离沟之间形成发光条,在所述发光条和两道所述二极管隔离沟上制作激光二极管P电极;
制作每个所述激光二极管具体包括:
在所述P型层上腐蚀出两道加热二极管隔离沟,在两道所述加热二极管隔离沟中间形成拱起部位,在所述拱起部位和两道所述加热二极管隔离沟上制作发热二极管P电极;
S3,在所述激光二极管和所述加热二极管制作完毕后,在所述衬底远离所述有源层的一侧制作N电极。
10.一种半导体激光器的升温方法,其特征在于,具体是如权利要求1-8任一所述的半导体激光器的升温方法,包括如下步骤:
向所述激光二极管的P电极加正电压,注入正向电流,所述激光二极管发光,向所述发热二极管的P电极加正电压,注入正向电流,所述发热二极管对所述激光二极管进行加热,以升高半导体激光器的温度。
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