[发明专利]一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构及减少封装应力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于减少半导体激光器封装应力的芯片结构，属于半导体激光器芯片工艺技术领域。

背景技术

随着科技的进步和社会的发展，大条宽长腔长的半导体激光器由于其高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑等优点，在各领域的应用逐步扩展，广泛应用于医疗、显示、通讯、激光泵浦和安保等领域。对于半导体激光器不仅要求高输出功率，还要求单一而稳定的波长，以保证激光的照射、传导或泵浦效果。目前普遍采用的半导体激光器芯片的结构如图1所示，是在半导体基片1上采用金属有机气相外延法顺次生长第一包覆层2、第一光波导层3、发光活性层4、第二光波导层5和第二包覆层6，而后利用光刻和气相外延生长的方法，刻蚀去除部分第二光波导层5和第二包覆层6后形成发光增益区域A，然后部分覆盖注入阻隔层7，再沉积P面电接触层8，形成电流注入区域W，最后沉积N面电接触层9。通过电流注入区域W和光增益区域A对电子和光子的限域效应，提升激光器的输出功率和稳定性。激光器芯片需要通过焊料烧结到热沉上使用，一般工艺是将焊料层与P面电接触层8烧结和合金。金属焊料在烧结的升降温过程中形变较半导体发光层要大得多，在发光增益区域两侧的焊料会在烧结后对发光增益区域A产生显著的残余应力，如图1中的箭头所示。

目前半导体激光器一般采用的量子阱结构中，量子尺寸效应使有源区材料的重空穴与轻空穴的能带简并度解除，这对应于晶体中的对称性发生变化，会导致跃迁矩阵元的各向异性。当阱材料受到平行或垂直于阱面方向的应变作用时，其价带顶的重空穴能级和轻空穴能级的位置、曲率和有效质量均将发生变化。因此，发光增益区域受到的应力不仅影响半导体激光器的阈值电流和增益效应，还将改变出射激光的物理特性，激光的波长、峰位和偏振模式都将发生变化，一般表现为激光波长出现多双峰且不断变换(如图3所示)。而正常工作所需的是单一发光峰且波长位置稳定的激光器。因而，需要优化芯片结构，降低半导体激光器烧结后的焊料残余应力。

中国专利文献CN103427330A提出了一种降低应力的激光器芯片结构和热沉结构及其制备方法，包括激光器芯片主体，激光器芯片主体具有正极和与外部电极电性连接的负极，正极上设置有多个发光部，发光部之间设置有第一凹槽；还包括在位于激光器芯片主体的第一凹槽相对应的位置开有第二凹槽的热沉结构，第二凹槽与第一凹槽一一对应。该技术方案利用芯片和热沉结构上相互对应的凹槽，降低封装后的应力。但这样设计的结构针对的是巴条型激光器芯片的封装，通过在芯片与热沉对应位置开有凹槽，减小了相邻芯片间的受力差异，从而减少热应力造成的巴条弯曲，实现低应力封装，其芯片结构与现有的工艺基本相同，并没有对每个芯片在封装中的应力进行降低。主要是靠热沉上的凹槽减少了封装过程中热沉的收缩量，从而缓解芯片与热沉之间热膨胀系数不同造成的应力，所采用的热沉结构需要特别加工制造，并且在封装时需要与巴条上芯片的位置逐一对应，增加了封装成本以及工艺复杂度，不易实现。

综上所述，现有半导体激光器工艺中对输出激光发光峰和波长的稳定性的研究以及对半导体激光器芯片的封装应力的关注，均为从芯片内的外延结构或者与芯片贴合的热沉上进行修改和优化。而实际应用中激光器芯片是通过焊料贴装到热沉上的，所受到的应力作用也是由于焊料和热沉的变形并经由焊料传递到芯片发光层的。本发明人研究发现芯片的外侧形状和结构的优化，对调控芯片表面的焊料的分布状态，进而降低封装应力甚为重要，因此提出本发明。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有低的封装应力和高的激光输出稳定性的半导体激光器芯片结构，以解决现有技术中半导体激光器芯片在封装后由于烧结残余应力而造成的激光多双峰且波长位置不稳定等问题。

本发明还提供所述半导体激光器芯片结构的加工方法。

本发明还提供一种减少半导体激光器封装应力的方法。

发明概述：在半导体基片上通过金属有机气相外延法及光刻工艺形成的具有电流注入区域和发光增益区域的增益波导型半导体激光器结构中，在发光增益区域两侧形成具有沿激光振荡方向延伸的2个沟槽；通过适当加大沟槽的开口宽度和调控开口宽度和深度比，使后续封装工序的焊料充分进入和浸润到沟槽内并减少了发光增益区域两侧的焊料，以保证芯片烧结面的导电导热能力，从而明显降低烧结封装后产生的残余应力，使得通过焊料烧结到热沉上的激光器芯片的发光峰位单一且波长稳定。

本发明的技术方案如下：