借助表面发射半导体装置的数字热注入的制作方法
【专利说明】借助表面发射半导体装置的数字热注入
[0001]分案申请的相关信息
[0002]本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2010年3月5日、申请号为201080017254.4、发明名称为“借助表面发射半导体装置的数字热注入”的发明专利申请案。
[0003]相关申请案交叉参考
[0004]本申请案基于以下申请案且主张其优先权:2009年7月10日提出申请的第61/224，765号美国临时申请案及2009年3月5日提出申请的第61/157，799号美国临时申请案，所述临时申请案两者以全文引用的方式并入本文中。
[0005]以引用方式并入:
[0006]第7，425,296号美国专利、2006年7月7日提出申请的第11/448，630号美国专利、2008年7月9日提出申请的第12/135，739号美国专利及2009年3月5日提出申请的第61/157，799号美国临时专利申请案特此以全文引用的方式并入本发明中。
技术领域
[0007]本发明大体来说涉及一种借助特殊类别的半导体激光器(在一种形式中，为表面发射装置)的新颖并入而用数字方式将热注入到宽广范围的产品中的新颖方法。本发明涉及一种实践直接注入合意地匹配特定材料在指定波长下的吸收规格的窄带福射能量的现有技术的更具体及有利的方式。
【背景技术】
[0008]第7，425，296号美国专利(上文已识别)及相关专利族中全面地描述了用于实践现有技术的一般技术。以上专利族大体教示一种称为通过吸收光谱匹配进行的窄带数字热注入或者简单地说数字热注入或DHI的技术。必须充分理解的重要DHI概念是使辐照波长与目标具有对于所期望应用结果为最合意的吸收系数所处的特定波长匹配的概念。由于每一类型的材料均具有其自身的由其分子构成的原子吸收特性导致的独特吸收光谱，因此有必要获悉对于待借助DHL处理的任何给定目标材料吸收光谱曲线看上去为何样的。表示每一辐照波长的完整吸收系数集合的点轨迹将构成所述材料的完整吸收曲线。完整光谱吸收曲线经常称为光谱曲线或其它简称。随着实践者简化DHI技术以针对给定应用实际上进行实践，存在要考虑的宽广范围的事物，如上文所提及的，296专利族中更完整地描述。
[0009]尽管术语窄带恰当地适用于所有DHI应用，但一些应用比其它应用更加关键。举例来说，在一些应用中，二百或三百纳米的带宽可窄到足以匹配给定产品的吸收曲线的特定区。尽管每一种不同材料或化合物均具有其自身的特有吸收曲线形状，因此其经常在曲线的一部分中缓慢地改变形状或在曲线的其它部分中急剧地改变形状。
[0010]由于每一不同类型的材料均具有其自身的特有曲线形状，因此难以进行概括，但尽管一些材料将具有平缓改变的吸收曲线，但许多其它材料的吸收曲线具有在UV与长红外线之间的某一地方具有快速或急剧改变的形状的区。这些区将为吸收曲线中具有非常陡峭的斜率使得波长的小改变等同于吸收系数的非常大的改变的区。举例来说，匹萨面团、水、香肠及奶酪在900纳米到1500纳米范围中全部具有活跃且快速改变的曲线，其中存在小于50纳米的波长改变将得出3X到5X的吸收系数差的点。存在吹塑饮料与食品容器的其它材料，例如聚对苯二甲酸乙二酯(或PET)材料，所述材料的吸收曲线具有极陡峭的若干部分。将此陡峭曲线上的确切点作为目标以便利用对于以所期望方式加热所述材料来说为最优的确切吸收系数需要可在为高度可重复的非常高的波长精度水平上经济地制造的激光装置。类似地，如果设法击中吸收曲线(通常使用y轴上的吸收及X轴上的波长绘制而成)中的窄峰值或谷值，还需要波长精度。在此情况下从所期望中心波长的波长变化的惩罚意味着，辐照将错过峰值且实际上用将在实质上不同于计划的吸收下的能量击中目标。结果将需要实现所期望加热或能量沉积所需的能量量的大改变。
[0011]数字热注入的另一概念涉及在涉及多种不同材料类型时选择用于所期望结果的波长。举例来说，选择具有至少一种波长的材料，在多少波长下，两种材料均具有合意地不同的吸收。当一种材料在在另一种材料为高吸收性所处的波长下为高透射性时，可借助最小加热射击穿过第一透射材料的能量同时借助所期望水平的加热实现第二材料的实质吸收。此概念可针对两种以上材料延伸，但波长精度水平可甚至进一步上升。还可使用添加剂，其诱发高吸收峰值以增强此概念的可用性，但其可进一步需要高水平的波长选择及精度以实现所期望的系统结果。
[0012]DHI技术后面的重要且通常非常基本的概念涉及选择恰当波长以在目标中具有恰好所期望的吸收量。如上文所指示的，296专利族中已教示，数字热注入的实践者将通常期望选择两种、三种或三种以上波长，因为其中的每一者具有在其相应波长下的合意吸收系数。通过借助所选的配量进行辐照，此允许熟练的实践者指定对于给定应用来说可为理想的穿透与吸收的确切组合。尽管DHI技术可以减小的波长精度工作，但已发现可通过并入高得多的水平的波长精度而在技术的实践中做出实质改进。还已发现，可必需某些专门类型的半导体硬件以进一步优化实施方案且用极窄带能量击中恰好所期望的波长并经济地实现所述实施方案。由于激光器及用于许多DHI应用的其它窄带辐照源必须是为了实现广泛商业化而经济地将其制造及实施成的类型及设计，因此仔细地选择此类激光器、LED或其它窄带发射装置以及制造过程为重要的。
[0013]虽然可使用几乎任何类型的激光器或窄带辐照器来实践数字热注入技术(在以应用的正确输出波长制造所述激光器或窄带辐照器的情况下)，但存在决定对用于所期望应用的某些类型的辐照器的偏好的某些实际情况。一般来说，也称为二极管激光器的半导体激光器往往更实际，因为其有助于较低成本的高生产制造。所述半导体激光器还提供以宽得多的特定波长范围、更大紧凑度、耐久性、电效率、坚固性及其它优点来制造其的能力。
[0014]然而，典型的二极管或半导体激光器也具有某些限制及制造挑战。一个麻烦的问题是在制造期间发生的正常过程变化，其可致使最终的激光装置具有比所期望的范围宽的输出波长范围。单个制造‘晶片’或衬底圆盘上制作有成千上万个装置。对于来自同一晶片的装置的波长，甚至针对良好控制的过程随机地变化+/-10纳米或+/-10纳米以上也并非不寻常的。所述装置可以正常的统计散布形式散布在构件周围，或者其可沿任一方向从目标/所期望中心波长严重偏斜。如果非常精确地击中特定中心波长(如+/-1或2纳米)为合意的，那么仅有选择为个别地对装置进行分类且仅挑选处于目标所期望范围中的装置。此可意味着将需要丢弃生产批量的或许80%或80%以上。当然，有时其可用于需要邻近波长的另一应用，但对于大多数情形此并非可靠的商业计划。当包含所有其它生产下降原因时，此分类程序可容易致使生产合格率低于20%。此为针对此类装置的高生产高功率使用的主要问题。为了最佳经济性且为了可期望应用DHI技术的各种产品的坚定商业化，需要生产在指定波长下的大量装置。
[0015]传统二极管激光器的设计必需若干个制造步骤，所述步骤使得集成到应用中较昂贵且自动化较昂贵而复杂。第一方面为，大多数二极管激光器是在MOC-VD晶片制作机器中用分层方法化学地制作的。每一装置的最终激光发射方向通常平行于晶片的平面。数千个装置是通过锯割或划线并劈开以将其切成个别装置而从单个晶片生产出的。有时，代替将其切割成个别装置，使其保持在物理上连接作为接着称为激光器条的一行装置。所述条可含有N个激光器但通常可为20个或20个以上的不同激光装置，其中的每一者个别地发挥作用。所述激光器仍机械地接合到其相邻者，因为其从未与所述相邻者分离。无论其是否为‘条’配置或无论其是否为用于常规‘边缘发射’激光器的个别激光二极管装置，都有必要对每一装置的边缘或端执行抛光及其它过程，所述边缘或端中的一者将变为发射小面。所有二极管激光器中的绝大多数被制造为这些‘边缘发射型’装置。在经改进的设计中，将从制造过程有益地消除对边缘的所有此额外处理及注意以便消除若干生产步骤及成本。
[0016]参考图5，展示呈安置于衬底14及16上的条12的典型的边缘发射装置10。衬底14(在一些应用中，及/或16)可为冷却衬底或系统。而且，线D展示光束在其于晶片中被产生时(最终在小面20处输出)的大体方向。发射小面20(展示了其中的三个实例)为最终是激光二极管中最常见的故障原因的位点的表面。发射小面20为脆弱的且对于激光二极管的寿命来说为关键的。所述表面上的任何刻痕、刮擦、缺陷、污染及一些其它问题均可导致额外局部或大规模的加热，此又会导致故障。此通常称为‘灾难性小面故障’且是半导体激光器中的最常见故障模式。而且，小面的形状为大体矩形，因此相对于激光输出的快轴及慢轴会出现控制与输出一致性的问题。
[0017]参考图6(a)及6(b)，在传统边缘发射激光装置10的制造安装期间遇到的另一问题如下。为了使二极管激光器的寿命及输出最大化，有必要充分且均匀地对其进行冷却。放出任何实质量的功率的激光器应在所述激光二极管的至少一个侧上恰当地安装到某一种类的热耗散衬底，例如衬底14。为了最佳的冷却及最大的装置寿命，小面20的表面必须与散热冷却衬底14的边缘绝对地齐平且平行(如图6 (b)的装置10-2所展示)。如果激光二极管相对于衬底的边缘成任何偏斜角度或者并不几乎完全齐平(图6(a))，那么从导致早期故障的冷却观点看开始发生坏的事情。如果衬底14的任何部分(举例来说)伸出超过小面表面达距离N，那么其形成其中可驻存污染物的位置(如图6(b)的装置10-3所展示)，且伸出的衬底变为出自发射小面的杂散射线的反射器/吸收器。两种状况均可导致最接近衬底的小面材料的实质的额外加热。而且，如果如图6(b)的装置10-1所展示小面20伸出超过冷却衬底14的平面(达距离M)，那么其阻止衬底从激光装置中向外散热，此也可