CN116667128A - 半导体激光器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种半导体激光器的制备方法，其方法包括：提供一热沉母板，并将热沉母板进行切割形成多个热沉基板，提供一外延片，将多个热沉基板阵列贴合在外延片上，形成多条平行于共振腔方向和垂直于共振腔方向的间隔缝，沿间隔缝对外延片进行分割，获得多个激光器芯片，将多个激光器芯片进行堆叠，并对堆叠的多个激光器芯片进行镀膜以形成多个半导体激光器。通过上述方式，本申请提供的半导体激光器及其制备方法中，利用热沉基板直接就替代了现有技术的支撑条，节省了材料，且减少了在支撑条上进行镀膜后再次分离后与热沉基板的焊接工艺，直接一步形成，简化了工艺且缩减了成本。

Description

半导体激光器的制备方法

本申请基于申请日为2018年11月21日、申请号为CN201811393151.2、发明名称为“半导体激光器及其制备方法”的分案申请。

技术领域

本申请涉及激光器领域，特别涉及到一种半导体激光器的制备方法。

背景技术

半导体激光泵浦的全固态激光器是20世纪80年代末期出现的新型激光器。其总体效率至少要比灯泵浦高10倍，由于单位输出的热负荷降低，可获取更高的功率，系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100倍，因此，半导体激光器泵浦技术为固体激光器注入了新的生机和活力，使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器的双重特点，它的出现和逐渐成熟是固体激光器的一场革命，也是固体激光器的发展方向。并且，它已渗透到各个学科领域，例如：激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。

市场上侧面泵浦源用的半导体线阵激光器，常常由四个或多个独立的激光器组成，目前，这种激光器的封装工艺首先是对整个激光器芯片进行劈裂和喷涂工艺，将激光器芯片劈裂成一条一条的激光巴条结构后，需要在激光巴条结构沿着腔体的后腔面镀高反射膜、前腔面镀增透膜，现有的制备工艺是通过将激光巴条与支撑件叠层设置，且支撑件的面积相对于激光巴条缩进设置，以解决镀膜工艺的阴影效应。如图1所示，一片激光巴条400叠加一支撑元件100，叠层完成后，在激光巴条400的前腔面和后腔面分别镀增透膜和高反射膜，镀膜完成后，需将激光巴条400与支撑件100分开，以进行下一步的激光巴条400与热沉基板粘接工序，因此现有激光巴条的镀膜工艺是需要一套独立的工序来完成，增加了生产工序，导致激光器的生产效率无法大幅度提高，因此，急需一种新型的半导体激光器制备方法。

发明内容

本申请提供一种半导体激光器的制备方法，能够解决现有技术半导体激光器制备中的镀膜工艺较为复杂且成本较高的问题。

本申请采用的一个技术方案是：提供一种激光巴条的制备方法，其方法包括：S11：提供一热沉母板，并将所述热沉母板进行切割形成多个热沉基板；S12：提供一外延片，所述外延片包括平行设置的多个共振腔；S13：将多个所述热沉基板阵列贴合在所述外延片上，形成多条平行于共振腔方向和垂直于共振腔方向的间隔缝；S14：沿所述间隔缝对所述外延片进行分割，获得多个激光器芯片；S15：将多个所述激光器芯片进行堆叠，并对堆叠的所述多个激光器芯片进行镀膜以形成多个半导体激光器，以使得所述半导体激光器包括至少一个激光巴条。

根据本申请一实施方式，所述步骤S14包括：沿垂直于所述共振腔的所述间隔缝对所述外延片进行第一深度与第一宽度的第一劈裂以形成所述多个激光器芯片的解理面。

根据本申请一实施方式，所述步骤S15包括：依次将多个所述激光器芯片进行堆叠，以使得所述多个激光器芯片垂直与所述共振腔的前腔面与后腔面均分别在同一平面上。

根据本申请一实施方式，所述步骤S14还包括：沿平行于所述共振腔的所述间隔缝对所述外延片进行第二深度与第二宽度的第二劈裂。

根据本申请一实施方式，所述步骤S15包括：对堆叠的所述多个激光器芯片的所述解理面镀膜形成共振腔，其中对所述共振腔的前腔面镀增透膜，对所述共振腔的后腔面镀反射膜。

根据本申请一实施方式，所述步骤S12或S13包括：对所述外延片的背离所述热沉基板的一面进行减薄和抛光处理。

根据本申请一实施方式，所述热沉基板为金属基板、陶瓷基板或蓝宝石基板中的一种。

本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供一种半导体激光器的制备方法，通过热沉基板阵列固定在外延片上后进行劈裂，形成多个激光器芯片后进行堆叠，随后进行镀膜，则热沉基板直接就替代了现有技术的支撑条，节省了材料，且减少了在支撑条上进行镀膜后再次分离后与热沉基板的焊接工艺，直接一步形成，简化了工艺且缩减了成本。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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情况下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1是现有技术中激光器镀膜的正视示意图；

图2是本申请半导体激光器的制备方法的第一实施方式的流程示意图；

图3是本申请半导体激光器的制备方法的S14的子步骤流程示意图；

图4是本申请将热沉基板固定在外延片后的侧视或正视示意图；

图5是本申请对外延片进行S141步骤分割的侧视示意图；

图6是本申请对外延片进行S141步骤分割的俯视示意图；

图7是本申请对外延片进一步进行S142分割的俯视示意图；

图8是本申请将多个激光器芯片进行堆叠并镀膜的正视图；

图9是本申请制备的半导体激光器的俯视示意图；

图10是本申请制备的半导体激光器的正视示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

请一并参阅图2-7，本申请提供一种半导体激光器的制备方法，包括其流程示意图与结构示意图。

请参阅图2，图2是本申请半导体激光器的制备方法的第一实施方式流程示意图，具体的方法包括如下步骤：

S11，提供一热沉母板，并将热沉母板进行切割形成多个热沉基板300。

本申请提供热沉基板300母板可以是金属基板，其本身具有良好的导热性能与导电性能，也可以是双层导热基板，其一层为金属板，另一层为散热板，也可以是散热性能较好的陶瓷基板。

在具体的实施方式中，热沉基板300的长宽大于外延片的长宽；具体的热沉基板300的长宽是根据外延片的材料及后续的工艺良率来选择，此处不在赘述。

将母板进行切割，形成多个热沉基板300，其切割工艺可以通过光刻刻蚀、激光、劈裂锯、水刀等工艺，优选的，其多个热沉基板300尺寸大小一致。

其中，热沉基板的线性热膨胀系数与外延片材料线性热膨胀系数匹配性要好，如果不能及时将半导体激光器工作时产生的热量带走，就会使得整个半导体激光器温度升高，膨胀系数不同，受热形变量不同，在外延片材料与热沉基板材料之间产生应力，容易出现smile效应，从而拉伤半导体激光器芯片，劣化半导体激光器的光电特性；如果应力过大，甚至会使激光器芯片断裂，造成半导体激光器突然失效，因此通常用金属铜、石墨烯或陶瓷等高导热材料作为热沉基板。

S12，提供一外延片200，外延片200包括平行设置的多个共振腔210。

该外延片包括了衬底，该衬底用于在其上进行激光器各层材料的外延生长；缓冲层，该缓冲层设置在衬底上，其目的是形成高质量的外延表面，减小衬底与其它各层之间的应力，消除衬底的缺陷向其它各层的传播，以利于器件其它各层材料的生长；N型下限制层，该N型下限制层设置在缓冲层上，其目的是限制光场横模向缓冲层和衬底的扩展，减小光的损耗，同时也限制载流子的扩散，减小空穴漏电流，以降低器件的阈值电流，提高效率；下波导层，该下波导层设置在下限制层上，其目的是加强对光场的限制，减小光束的远场发散角，提高器件光束质量，采用轻掺杂的材料以减少该层对光的吸收损耗；以及有源层，该有源层设置在下波导层上，其作用是作为激光器的有源区，提供足够的光增益，并决定器件的激射波长以及器件的使用寿命；上波导层，该上波导层设置在有源层上，其目的是加强对光场的限制，减小光束的远场发散角，提高器件光束质量，采用轻掺杂的材料以减少该层对光的吸收损耗；P型上限制层，该P型上限制层设置在上波导层上，其目的是限制光场横模向缓冲层和衬底的扩展，减小光的损耗，同时也限制载流子的扩散，减小空穴漏电流，以降低器件的阈值电流，提高效率；过渡层，该过渡层设置在P型上限制层上，其目的是减小上限制层与电极接触层的应力，实现从上限制层向电极接触层的过渡,可理解的是，在一变更实施例，限制层与电极层材料的粘接适配度良好的情况，无需设置过渡层。

在具体的实施方式中，所述外延片200还包括一共振腔210，共振腔210通过在限制层上方蚀刻形成，蚀刻的深度不超过限制层，即蚀刻掉两侧的部分波导层和限制层，留下中间未蚀刻的波导层和限制层，即共振腔210，设置共振腔210的好处是在外延片的侧向形成一定的折射率台阶，对侧向光有一定的限制作用，另外在一些大功率激光器中，此种共振腔也作为模式选择的过滤器，关于共振腔210的蚀刻方法、蚀刻深度及共振腔的宽度设计为本领域的常规技术，此处不再赘述。

其外延片200的材料具体可以是GaAs、AlGaAs、InAs、InGaAs、GaInP、GaInAsP、AlGaInP、GaN,GaInN,AlGaN,AlGaInN中的一种或者多种。

S13，将多个热沉基板300阵列贴合在外延片上。

如图4所示，图4是将多个热沉基板300阵列贴合在外延片200上的一个侧视或正视图，其粘结方式可以通过焊接或者胶粘等，使得其多个热沉基板300可以阵列排布在外延片200的P面上，形成多条平行于共振腔方向和垂直于共振腔方向的间隔缝，并使得在垂直于共振腔210的方向上，一列热沉基板300同一侧的边缘线在同一直线上，且在平行于共振腔210的方向上，一行热沉基板的同一侧的边缘线也在同一直线上。

且多个热沉基板300的阵列宽度与长度均略要小于外延片200的宽度与长度，此种设计的目的是通过多个阵列分布的热沉基板边缘线来定义间隔缝，为后续的外延片劈裂工艺提供基准线，因此要求各热沉基板300的边缘线在某一方向上尽可能在同一线上，以确保后期的劈裂良率。

进一步的，可以对外延片200的背离热沉基板300的一面进行减薄与抛光处理，以使得其N面具有比较高的平整度和光滑度，并同时可以对外延片200的N面进行蒸镀从而形成负电极，具体可以是铜箔进行图案化或者通过金线作为负电极。

需要知道的，该减薄与抛光处理也可以是步骤S12中，即没对外延片200进行劈裂之前均可以对外延片200进行减薄与抛光处理。

优选的，其无论是金属基板或者双层导热基板，本申请提供的热沉基板300与外延片200具有良好的膨胀系数匹配度，以保证在后续的工作中，半导体激光器所产生的热量对热沉基板300及外延片200都具有相同或近似的受热形变量，减少由于受热形成的应力，以保证整个激光器不会被拉伤，提升激光器的寿命。

进一步，外延片200和热沉基板300的贴合方式为焊接或粘接，具体的，当热沉基板300为金属基板时，外延片优选通过焊接的方式与热沉基板贴合，此时的热沉基板不仅具有散热的功效，也充当导电层；当热沉基板300为陶瓷、蓝宝石等非导电基板时，优选通过粘接的方式将外延片200贴合在热沉基板上，此时的热沉基板仅仅用于散热。

S14，沿间隔缝对外延片200进行分割，获得多个激光器芯片。

如图5-7，在具体实施例中，需要按照具体的需求对外延片200进行分割以得到所需要型号与大小的激光器芯片。沿着间隔缝对外延片200进行分割，包括沿垂直与共振腔210方向上的与平行与共振腔210方向上的间隔缝对外延片200进行分割，从而获得多个包括一热沉基板300的激光器芯片。

可以理解的是，在进行具体分割时，其可以根据实际的规格需求进行分割，从而得到所需型号的激光器芯片，以使得得到的激光器芯片包含有所需求个数的激光巴条等，具体的，有些激光器芯片包含有一个激光器巴条，有些半导体激光器包含有多个激光巴条，

请参阅图3，图3是本申请半导体激光器的制备方法S14的子步骤，其具体包括：

S141，沿垂直于共振腔210的间隔缝对外延片200进行第一深度与第一宽度的第一劈裂以获得多个激光器芯片。

由于热沉基板300是阵列固定在外延片200上的，则间隔缝垂直正交排列，其包括了多个垂直于共振腔210的间隔缝，也包括了多个平行于共振腔210的间隔缝。

沿垂直于共振腔210的间隔缝对外延片200进行第一深度与第一宽度的第一劈裂得到如图5和图6所示的多个激光器芯片。

进一步的，在对外延片200进行第一劈裂后，已经形成有解理面的激光器芯片，则可以直接进入步骤S15进行镀膜操作，也可以根据具体的尺寸大小要求来进行进一步的切割后在进行S15的镀膜操作，其具体切割方式如S142所示。

S142，沿平行于共振腔210的间隔缝对外延片200进行第二深度与第二宽度的第二劈裂。

沿平行于共振腔210的间隔缝对外延片200进行第二深度与第二宽度的第二劈裂，其可以从外延片200的P面往N面方向劈裂，也可以从N面往P面劈裂，得到如图7所示的多个激光芯片。

进一步，其可以通过钻石刀进行辅助配合进行劈裂，沿着外延片200的晶格可以较为容易的分开，并产生平整光滑的解理面，也可以采用乾式刻蚀或湿式刻蚀等，并通过其他处理以产生平整光滑的共解理面。其中，上述的第二劈裂与第一劈裂类似，其第二深度与第一深度相等，且均大于或等于外延片200的厚度，具体是外延片200的实际厚度，其第二宽度等于第一宽度，且均小于间隔缝的宽度。且劈裂时，其劈裂中心与缝隙中心线重合。

激光器芯片且上述的劈裂顺序也不限定，也可以是先进行第一劈裂后选择性进行第二劈裂。在具体劈裂过程中，可以依照其所需要的规格进行第二劈裂，从而得到所需规格的激光器芯片。

由于第二宽度与第一宽度均小于间隔缝的宽度，从而使得形成的激光器芯片在平行于共振腔210方向上的外延片200的长度要大于热沉基板300的长度，此时结构的优势在于减少后续的共振腔210共振腔面镀膜时的阴影效应，有利于提高共振腔前后腔面的镀膜均匀性。

S15，将多个激光器芯片进行堆叠，并对堆叠的多个激光器芯片进行镀膜以形成多个半导体激光器。

如图8，在得到多个包括共振腔210的激光器芯片后，将多个激光器芯片进行堆叠，由于劈裂下来的激光器芯片的尺寸大小可能不同，则按照共振腔210的方向对依次多个激光器芯片进行堆叠，使得多个激光器芯片的共振腔210方向相同，且多个激光器芯片垂直与共振腔210的前腔面220与后腔面230均分别在同一平面上。

具体的，对激光器芯片的共振腔210方向的解理面(劈裂面)进行镀膜，包括对前腔面220(出光面)镀增透膜，对后腔面230(后端面)镀反射膜等，以形成使受激辐射光子增生的共振腔。

这里对前腔面220与后腔面230的喷涂可以同时进行，也可以分开进行。在完成镀膜后，则形成了多个半导体激光器，由于上述完成了电极制作、镀膜等等，使得半导体激光器包括了至少一个激光巴条，且热沉基板300作为激光芯片正极而完成电性连接。

可以理解的是，在进行具体劈裂时，其具体可以根据实际的规格需求进行劈裂，从而得到所需型号的半导体激光器，以使得得到的半导体激光器包含有所需求个数的激光巴条等，具体的，有些半导体激光器30包含有一个激光巴条，有些半导体激光器包含有多个激光巴条，与现有的一个巴条一个巴条焊接方式形成的多巴条半导体激光器相比，通过对外延片的劈裂工艺流程的改善就可完成多激光巴条半导体激光器的制备，节省了焊接工艺，进一步提升生产效率。

且上述涉及到对外延片200的劈裂深度，即第二深度与第一深度是按照具体的操作而决定的，如提前对外延片200进行减薄处理后，则深度是当前外延片200的厚度，也就是减薄后的厚度。

请参阅图9和图10，本申请提供的一种半导体激光器的结构示意图，也就是上述工艺制备的半导体激光器的结构示意图，其中图8为本申请提供的半导体激光器的俯视示意图，图9为正视示意图，其半导体激光器包括热沉基板300及设置在热沉基板300上的激光巴条250，其中激光巴条250包括共振腔210。

如图10所示，热沉基板300的长度与宽度小于激光巴条250的长度，这样使得共振腔210要略凸出于热沉基板300，这样设计的好处是后续的叠巴条镀膜工艺中，可减少热沉基板遮挡引发的镀膜阴影效应，有利于提高共振腔前后腔面的镀膜均匀性，进而提高激光器的稳定性和使用寿命。

综上，本申请提供一种半导体激光器及其制备方法，通过热沉基板阵列固定在外延片上后进行劈裂，形成多个激光器芯片后进行堆叠，随后进行镀膜，则热沉基板直接就替代了现有技术的支撑条，节省了材料，且减少了在支撑条上进行镀膜后再次分离后与热沉基板的焊接工艺，直接一步形成，简化了工艺且缩减了成本，且本申请通过限定劈裂宽度防止阴影效应的产生。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结果或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S11：提供一热沉母板，并将所述热沉母板进行切割形成多个热沉基板；

S12：提供一外延片，所述外延片包括平行设置的多个共振腔；

S13：将多个所述热沉基板阵列贴合在所述外延片上，形成多条平行于共振腔方向和垂直于共振腔方向的间隔缝；

S14：沿所述间隔缝对所述外延片进行分割，获得多个激光器芯片；

S15：将多个所述激光器芯片进行堆叠，并对堆叠的所述多个激光器芯片进行镀膜以形成多个半导体激光器，以使得所述半导体激光器包括至少一个激光巴条。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S14包括：

沿垂直于所述共振腔的所述间隔缝对所述外延片进行第一深度与第一宽度的第一劈裂以形成所述多个激光器芯片的解理面。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S15包括：

依次将多个所述激光器芯片进行堆叠，以使得所述多个激光器芯片垂直与所述共振腔的前腔面与后腔面均分别在同一平面上。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S14还包括：

沿平行于所述共振腔的所述间隔缝对所述外延片进行第二深度与第二宽度的第二劈裂。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S15包括：

对堆叠的所述多个激光器芯片的所述解理面镀膜形成共振腔，其中对所述共振腔的前腔面镀增透膜，对所述共振腔的后腔面镀反射膜。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第二深度等于第一深度，且均大于或等于所述外延片的厚度；所述第二宽度等于第一宽度，且均小于所述间隔缝的宽度。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S12或S13还包括：对所述外延片的背离所述热沉基板的一面进行减薄和抛光处理。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热沉基板为金属基板、陶瓷基板或蓝宝石基板中的一种。