CN219980048U - 一种边发射半导体激光器和封装模组 - Google Patents
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Abstract
一种边发射半导体激光器和封装模组，边发射半导体激光器包括:钝化层，完全覆盖脊边缘面且暴露脊中间面；覆盖脊中间面且与脊中间面电连接的正面电极层，正面电极层未覆盖脊边缘面上的钝化层，脊边缘面上的钝化层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度大于脊中间面上的正面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度；前腔膜和/或后腔膜；前腔膜覆盖前腔面，前腔膜包括第一石墨烯结构和位于第一石墨烯结构外表面的增透膜；后腔膜覆盖所述后腔面，后腔膜包括第二石墨烯结构和位于第二石墨烯结构外表面的反射膜；背面电极层。所述边发射半导体激光器可有效降低灾变性光学损伤且避免短路。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种边发射半导体激光器和封装模组。
背景技术
腔面温度过高是导致激光器腔面发生灾变性光学损伤(COD)的原因，这也是困扰InP/GaAs基高功率半导体激光器可靠性的主要问题所在。通常，有两方面因素会引起腔面温度升高。其一，高功率半导体激光器需要通过自然解理的方式形成前后腔面，解理时不可避免存在一些悬挂键，产生本征缺陷即表面态。同时腔面解理后在未镀AR/HR光学膜之前暴露在空气中会形成表层氧化物(尤其是有源区含Al材料更易被氧化)或吸附其他杂质，使表面态密度进一步增加，这些表面态在半导体激光器电流注入时成为载流子俘获中心，导致载流子向腔面区域扩散。这些腔面区域积累的载流子会在光增益过程中吸收光子能量产生电子空穴对，继而诱导非辐射复合发生，引起腔面处温度升高。其二，半导体激光器的出光面一般位于热沉边缘，此处散热效果不佳，热累积效应引起腔面温度升高。
当半导体激光器的腔面温度升高时，会引起半导体材料的带隙收缩，带隙收缩会进一步加剧光子吸收，诱导腔面产生更高的温升，形成一种正反馈效应，引起腔面局部区域温度过高，当半导体激光器的腔面温度超过半导体材料的熔点时，就会烧毁腔面产生灾变性光学损伤。
目前业界抑制灾变性光学损伤的技术，主要是真空解理和腔面钝化工艺。真空解理主要是在高真空环境下进行半导体激光器的腔面的解理，以此隔绝空气中的氧气和杂质，避免使腔面处新裸露的半导体材料发生氧化和其他杂质对腔面的吸附，然后对半导体激光器腔面进行钝化处理。但是，采用真空解理技术的缺点是需要在真空解理镀膜机中进行，目前全球只有SVT一家公司可以提供此类设备，价格非常昂贵，导致半导体激光器的生产成本较高。钝化工艺的主要方式是利用磁控溅射、离子束辅助镀膜工艺或原子层沉积技术在激光器的腔面生长一层很薄的钝化层，利用钝化层禁带宽度大的特性，减少半导体激光器表面的光吸收，同时钝化层起到饱和悬挂键和防止腔面进一步氧化的作用。
现有技术中提出在前腔面和后腔面形成的膜层的材料进行改进以降低灾变性光学损伤，但是会引起与正面电极层的短路的问题。
实用新型内容
本实用新型提供一种边发射半导体激光器和封装模组，以克服现有技术中边发射半导体激光器无法兼顾降低灾变性光学损伤和避免短路的问题。
本实用新型提供一种边发射半导体激光器，所述边发射半导体激光器具有相对设置的前腔面和后腔面，包括:半导体衬底层；位于所述半导体衬底层上依次层叠的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层；位于所述上限制层和上波导层中的若干个沿着慢轴方向排布的若干刻蚀槽，相邻的刻蚀槽之间的上限制层和上波导层作为脊形区，脊形区自前腔面延伸至后腔面；脊形区的顶部表面包括脊边缘面和脊中间面，脊边缘面沿着边发射半导体激光器的出光方向位于脊中间面的两侧；钝化层，完全覆盖脊边缘面且暴露脊中间面；覆盖脊中间面且与脊中间面电连接的正面电极层，且正面电极层未覆盖脊边缘面上的钝化层，脊边缘面上的钝化层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度大于脊中间面上的正面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度；前腔膜和/或后腔膜；前腔膜覆盖所述前腔面，所述前腔膜包括第一石墨烯结构和位于第一石墨烯结构外表面的增透膜；后腔膜覆盖所述后腔面，所述后腔膜包括第二石墨烯结构和位于第二石墨烯结构外表面的反射膜；位于所述半导体衬底层背离所述下限制层的背面电极层。
可选的，所述钝化层还覆盖刻蚀槽的侧壁表面和底部表面、以及脊中间面的在慢轴方向上的两侧边缘，所述正面电极层接触部分脊中间面；覆盖脊边缘面的钝化层的厚度大于覆盖脊中间面的钝化层的厚度；脊中间面上的钝化层和正面电极层的总厚度小于脊边缘面上的钝化层的厚度。
可选的，位于脊中间面单侧的脊边缘面沿着边发射半导体激光器的出光方向的尺寸为5微米～10微米。
可选的，脊边缘面上的钝化层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度与脊中间面上的正面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度之差为1微米～2微米。
可选的，第一石墨烯结构包括一层或多层堆叠的第一石墨烯层；和/或；第二石墨烯结构包括一层或多层堆叠的第二石墨烯层。
可选的，第一石墨烯结构的厚度为4nm～10nm；和/或；第二石墨烯结构的厚度为4nm～10nm。
可选的，还包括：第三石墨烯结构，位于所述背面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面。
可选的，第三石墨烯结构包括一层或多层堆叠的第三石墨烯层。
可选的，第三石墨烯结构的厚度为4nm～10nm。
本实用新型还提供一种封装模组，包括：热沉；本实用新型的边发射半导体激光器，位于所述热沉上。
可选的，所述边发射半导体激光器还包括：第三石墨烯结构，位于所述背面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面；第三石墨烯结构通过第一焊接层和所述热沉固定在一起。
可选的，所述热沉包括过渡热沉和主热沉；过渡热沉的热膨胀系数小于主热沉的热膨胀系数；过渡热沉通过第二焊接层和主热沉固定在一起。
可选的，第一焊接层为AuSn层。
可选的，第二焊接层为导电银浆层。
本实用新型的技术方案具有以下有益效果：
本实用新型的技术方案提供的边发射半导体激光器，前腔膜中具有第一石墨烯结构和/或后腔膜中具有第二石墨烯结构。第一石墨烯结构和第二石墨烯结构能提高导热性，改善高功率半导体激光器工作时因前腔面和后腔面的表面态非辐射复合引起的前腔面和后腔面的温度升高，极大的抑制了半导体材料的带隙收缩，避免腔面因急剧升温超出半导体材料的熔点而导致灾变性光学损伤的发生。其次，脊边缘面上的钝化层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度大于脊中间面上的正面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度，这样第一石墨烯结构和第二石墨烯结构形成的过程中，脊边缘面上的钝化层能起到阻挡作用，避免第一石墨烯结构和第二石墨烯结构的材料和正面电极层接触，避免正面电极层和背面电极层通过第一石墨烯结构和/或第二石墨烯结构电连接，有效的避免边发射半导体激光器短路。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型一实施例提供的一种边发射半导体激光器的俯视结构示意图；
图2为沿图1中的切割线C-D的剖面示意图；
图3为沿图1中的切割线A-B的剖面示意图；
图4为本实用新型另一实施例提供的边发射半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实用新型的一实施例提供一种边发射半导体激光器，所述边发射半导体激光器具有相对设置的前腔面和后腔面，参考图1，包括:
半导体衬底层100；
位于所述半导体衬底层100上依次层叠的下限制层110、下波导层120、有源层130、上波导层140和上限制层150；
位于所述上限制层150和上波导层140中的若干个沿着慢轴方向排布的若干刻蚀槽，相邻的刻蚀槽之间的上限制层150和上波导层140作为脊形区，脊形区自前腔面延伸至后腔面；脊形区的顶部表面包括脊边缘面和脊中间面，脊边缘面沿着边发射半导体激光器的出光方向位于脊中间面的两侧；
钝化层170，完全覆盖脊边缘面且暴露脊中间面；
覆盖脊中间面且与脊中间面电连接的正面电极层160，且正面电极层160未覆盖脊边缘面上的钝化层170，脊边缘面上的钝化层170背离所述半导体衬底层100的一侧表面距离半导体衬底层100的高度大于脊中间面上的正面电极层160背离所述半导体衬底层100的一侧表面距离半导体衬底层100的高度；
前腔膜(未图示)和/或后腔膜(未图示)；前腔膜覆盖所述前腔面，所述前腔膜包括第一石墨烯结构和位于第一石墨烯结构外表面的增透膜；后腔膜覆盖所述后腔面，所述后腔膜包括第二石墨烯结构和位于第二石墨烯结构外表面的反射膜；
位于所述半导体衬底层100背离所述下限制层110的背面电极层180。
本实施例中，前腔膜中具有第一石墨烯结构和/或后腔膜中具有第二石墨烯结构。第一石墨烯结构和第二石墨烯结构能提高导热性，改善高功率半导体激光器工作时因前腔面和后腔面的表面态非辐射复合引起的前腔面和后腔面的温度升高，极大的抑制了半导体材料的带隙收缩，避免腔面因急剧升温超出半导体材料的熔点而导致灾变性光学损伤的发生。其次，脊边缘面上的钝化层170背离所述半导体衬底层100的一侧表面距离半导体衬底层100的高度大于脊中间面上的正面电极层160背离所述半导体衬底层100的一侧表面距离半导体衬底层100的高度，这样第一石墨烯结构和第二石墨烯结构形成的过程中，脊边缘面上的钝化层能起到阻挡作用，避免第一石墨烯结构和第二石墨烯结构的材料和正面电极层接触，避免正面电极层160和背面电极层180通过第一石墨烯结构和/或第二石墨烯结构电连接，避免边发射半导体激光器短路。
在一个实施例中，钝化层170的材料为SiO2或者SiN。
钝化层170还覆盖刻蚀槽的侧壁表面和底部表面。正面电极层160还覆盖刻蚀槽的侧壁表面和底部表面的钝化层170。
在一个实施例中，位于脊中间面单侧的脊边缘面沿着边发射半导体激光器的出光方向的尺寸为5微米～10微米。
在一个实施例中，脊边缘面上的钝化层170背离所述半导体衬底层100的一侧表面距离半导体衬底层100的高度与脊中间面上的正面电极层160背离所述半导体衬底层100的一侧表面距离半导体衬底层100的高度之差为1微米～2微米。
在一个实施例中，第一石墨烯结构包括一层或多层堆叠的第一石墨烯层；和/或；第二石墨烯结构包括一层或多层堆叠的第二石墨烯层。
在一个实施例中，第一石墨烯结构的厚度为4nm～10nm；和/或；第二石墨烯结构的厚度为4nm～10nm。
在一个实施例中，还包括：第三石墨烯结构190，位于所述背面电极层180背离所述半导体衬底层100的一侧表面。利用第三石墨烯结构190极高的导热特性，用来改善边发射半导体激光器的散热水平。
在一个实施例中，第三石墨烯结构190包括一层或多层堆叠的第三石墨烯层。
在一个实施例中，第三石墨烯结构190的厚度为4nm～10nm。
在一个实施例中，所述正面电极层包括层叠的第一正面电极层、第二正面电极层和第三正面电极层，第一正面电极层位于第二正面电极层和脊中间面之间。
在一个实施例中，第一正面电极层的材料为Ti，第二正面电极层的材料为Pt，第三正面电极层的材料为Au。
在一个实施例中，背面电极层180包括层叠的第一背面电极层、第二背面电极层和第三背面电极层，第一背面电极层位于半导体衬底层和第二背面电极层之间。
在一个实施例中，第一背面电极层的材料为Ti，第二背面电极层的材料为Pt，第三背面电极层的材料为Au。在另一个实施例中，第一背面电极层的材料为GeAu，第二背面电极层的材料为Ni，第三背面电极层的材料为Au。
实施例2
本实施例中与实施例1的区别在于：参考图4，钝化层170a，完全覆盖脊边缘面，钝化层170a暴露部分脊中间面，钝化层170a还覆盖刻蚀槽的侧壁表面和底部表面、以及脊中间面的在慢轴方向上的两侧边缘，覆盖脊边缘面的钝化层170a的厚度大于覆盖脊中间面的钝化层170a的厚度；覆盖脊中间面且与脊中间面电连接的正面电极层160a，正面电极层160a接触部分脊中间面；且正面电极层160a未覆盖脊边缘面上的钝化层170a，脊边缘面上的钝化层170a背离所述半导体衬底层100的一侧表面距离半导体衬底层100的高度大于脊中间面上的正面电极层160a背离所述半导体衬底层100的一侧表面距离半导体衬底层100的高度；脊中间面上的钝化层170a和正面电极层160a的总厚度小于脊边缘面上的钝化层170a的厚度。
实施例3
本实施例提供一种封装模组，包括：热沉；本实用新型的边发射半导体激光器，位于所述热沉上。
所述边发射半导体激光器还包括：第三石墨烯结构，位于所述背面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面；第三石墨烯结构通过第一焊接层和所述热沉固定在一起。利用第三石墨烯结构极高的导热特性，用来改善边发射半导体激光器和热沉之间的散热水平。
在一个实施例中，所述热沉包括过渡热沉和主热沉；过渡热沉的热膨胀系数小于主热沉的热膨胀系数；过渡热沉通过第二焊接层和主热沉固定在一起。过渡热沉和边发射半导体激光器的材料本身的热膨胀系数比较接近，在提供良好散热条件的同时，减小过渡热沉和边发射半导体激光器的材料界面处的热应力释放；主热沉提供良好的散热；过渡热沉通过第二焊接层和主热沉固定在一起。
在一个实施例中，第一焊接层为AuSn层。
在一个实施例中，第二焊接层为导电银浆层。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
Claims (14)
1.一种边发射半导体激光器，所述边发射半导体激光器具有相对设置的前腔面和后腔面，其特征在于，包括:
半导体衬底层；
位于所述半导体衬底层上依次层叠的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层；
位于所述上限制层和上波导层中的若干个沿着慢轴方向排布的若干刻蚀槽，相邻的刻蚀槽之间的上限制层和上波导层作为脊形区，脊形区自前腔面延伸至后腔面；脊形区的顶部表面包括脊边缘面和脊中间面，脊边缘面沿着边发射半导体激光器的出光方向位于脊中间面的两侧；
钝化层，完全覆盖脊边缘面且暴露脊中间面；
覆盖脊中间面且与脊中间面电连接的正面电极层，且正面电极层未覆盖脊边缘面上的钝化层，脊边缘面上的钝化层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度大于脊中间面上的正面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度；
前腔膜和/或后腔膜；前腔膜覆盖所述前腔面，所述前腔膜包括第一石墨烯结构和位于第一石墨烯结构外表面的增透膜；后腔膜覆盖所述后腔面，所述后腔膜包括第二石墨烯结构和位于第二石墨烯结构外表面的反射膜；
位于所述半导体衬底层背离所述下限制层的背面电极层。
2.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述钝化层还覆盖刻蚀槽的侧壁表面和底部表面、以及脊中间面的在慢轴方向上的两侧边缘，所述正面电极层接触部分脊中间面；覆盖脊边缘面的钝化层的厚度大于覆盖脊中间面的钝化层的厚度；脊中间面上的钝化层和正面电极层的总厚度小于脊边缘面上的钝化层的厚度。
3.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，位于脊中间面单侧的脊边缘面沿着边发射半导体激光器的出光方向的尺寸为5微米～10微米。
4.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，脊边缘面上的钝化层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度与脊中间面上的正面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面距离半导体衬底层的高度之差为1微米～2微米。
5.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，第一石墨烯结构包括一层或多层堆叠的第一石墨烯层；和/或；第二石墨烯结构包括一层或多层堆叠的第二石墨烯层。
6.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，第一石墨烯结构的厚度为4nm～10nm；和/或；第二石墨烯结构的厚度为4nm～10nm。
7.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，还包括：第三石墨烯结构，位于所述背面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面。
8.根据权利要求7所述的边发射半导体激光器，其特征在于，第三石墨烯结构包括一层或多层堆叠的第三石墨烯层。
9.根据权利要求7所述的边发射半导体激光器，其特征在于，第三石墨烯结构的厚度为4nm～10nm。
10.一种封装模组，其特征在于，包括：
热沉；
如权利要求1至9任意一项所述的边发射半导体激光器，位于所述热沉上。
11.根据权利要求10所述的封装模组，其特征在于，所述边发射半导体激光器还包括：第三石墨烯结构，位于所述背面电极层背离所述半导体衬底层的一侧表面；第三石墨烯结构通过第一焊接层和所述热沉固定在一起。
12.根据权利要求10或11所述的封装模组，其特征在于，所述热沉包括过渡热沉和主热沉；过渡热沉的热膨胀系数小于主热沉的热膨胀系数；过渡热沉通过第二焊接层和主热沉固定在一起。
13.根据权利要求11所述的封装模组，其特征在于，第一焊接层为AuSn层。
14.根据权利要求12所述的封装模组，其特征在于，第二焊接层为导电银浆层。
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| CN202321550854.8U CN219980048U (zh) | 2023-06-16 | 2023-06-16 | 一种边发射半导体激光器和封装模组 |
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