专利名称：双层对叠高亮度半导体激光器组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器，特别是一种双层对叠高亮度半导体激光器组件。
背景技术：
半导体激光器具有体积小、重量轻、发光效率高、使用方便等突出优点。但是半导体激光器的光束发散角很大，而且发散光束呈现很大的非圆对称性，或者称为具有大的椭圆度。因此，往往需要用光学透镜准直，或者采用光纤耦合输出的方法。半导体激光的光束特性，来源于激光器发光区的几何特性，其厚度仅为亚微米量级，而其宽度W一般为数微米到百微米量级。半导体激光器发光区制作在构成P-N结的半导体材料中。这一半导体P-N结芯片的几何形状和尺寸如图1所示。P-N结发光区距离上表面的距离D约为2-3微米，芯片厚度H大致在90-130微米范围。
人们为了提高半导体激光器的输出功率，首先在改善半导体激光器芯片的发光效率、激光器腔面的功率承受能力和激光器热特性等基本性能上努力。目前半导体激光器的单管性能已经达到很高的水平，生产工艺也日趋成熟稳定。要在半导体激光器芯片工艺和性能水平的基础上进一步提高激光器的输出功率，就需要采用外部组合的方法。根据光学的基本原理，光学系统不能提高光源的亮度。因此外部组合方法必须遵循一定的法则。在先技术之一是采用偏振合波的方法，如图2所示。图中二个半导体激光器1a和1b，其偏振方向放置为互相垂直，通过偏振合波器2合成为一束激光束，注入到输出光纤3a，或者输出透镜3b上。这一方法要求配置高性能的偏振合波器，要求准确的调整精度，增加了系统的复杂性和成本，增加了插入损耗，并降低了使用的稳定性。
在先技术之二是采用叠层的工艺方法组合，就是将多个薄片形的半导体激光器芯片上下叠起来组装，如图3所示。实践表明，这一方法对于提高输出功率是有效的，尤其是对于脉冲工作的半导体激光器。但是，当采用光学系统或光纤耦合输出时，输出功率的提升就受到了限制。由于工作电流必须从激光器P-N结的P面流向N面，因此二个芯片之间的距离等于芯片的厚度，因而不能有效地提高光源的总体亮度。根据目前成熟工艺制备的芯片厚度，采用常规叠层工艺制作的组件可以达到的密度，大致在每毫米7-11个芯片。这是常规芯片工艺和叠层工艺所决定的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种双层对叠高亮度半导体激光器组件，以获得高总体平均亮度的光源。
本发明的技术解决方案如下一种双层对叠高亮度半导体激光器组件，其特征在于它是由第一半导体激光器芯片和第二半导体激光器芯片的P面相对放置，用焊料键合而成的叠层器件。
所述的第一半导体激光器芯片的N面向下用焊料键合在热沉上，第二半导体激光器芯片的P面向下用焊料键合在第一半导体激光器芯片的P面上；第二半导体激光器芯片的N面用金丝键合在热沉上，两芯片的P面错位处键合金丝引出到第一管脚上，两芯片键合时，发光区位置在横向相互对准，该叠层器件工作时，连接热沉的底座接负电，第一管脚接正电。
所述的第一半导体激光器芯片的N面和在热沉之间增加了一块电绝缘、导热良好的垫块，叠层器件的P面用金丝引出到热沉上，作为正电极，第二半导体激光器芯片的N面用金丝键合到垫块的上表面上，再用金丝从垫块的上表面引到第二管脚上，该叠层器件工作时，与热沉相连的底座接正电，第二管脚接负电。
所述的第二半导体激光器芯片的N面是用金丝键合到第一管脚上，器件工作时，第一管脚和第二管脚分别连接到两个驱动电源上，或同一电源上。
所述的第二半导体激光器芯片的N面不是同热沉相连，而是用金丝键合到第二管脚上。
本发明的双层对叠高亮度半导体激光器组件，具有如下的主要特点和优点1、本发明组件的主要优点是在采用同样性能水平芯片的情况下提高了叠层半导体激光器的总体亮度；2、本发明组件在使用时，可以采用同单层器件基本相同的光学透镜系统或光纤耦合系统，在获得相同的光学整形效果的情况下，成倍提高输出功率；3、本发明组件可以采用两芯片同时工作的方式，也可以采用两芯片分别工作的方式，为实际应用带来方便和灵活性；4，本发明组件所用的激光芯片采用常规的芯片制作工艺技术，器件的制备成本低，性价比高。
图1为现有的半导体激光器芯片的几何结构图2为现有半导体激光器偏振合波结构的示意3为现有半导体激光器叠层组件结构的示意4为本发明的双层对叠高亮度半导体激光器的基本叠层结构图5为本发明实施例1叠层组件的底座接负电极的封装结构图6为本发明实施例2叠层组件的底座接正电极的封装结构图7为本发明实施例3叠层组件中两管芯可分别驱动、底座接正电极的封装结构图8为本发明实施例4叠层组件中两管芯可分别驱动、底座接负电极的封装结构图9为本发明组件与多模光纤耦合使用的示意10为本发明组件在光学透镜系统中使用的示意图具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
本发明名称为双层对叠高亮度半导体激光器组件，其基本结构如图4所示。该组件由第一半导体激光器芯片4a和第二半导体激光器芯片4b的P面相对放置，用焊料键合而成。可以看到两芯片的发光区的距离，现在只有2D加上焊料的厚度，其中D为芯片发光区到芯片表面的距离。根据目前成熟的工艺，大约为5-6微米，远远小于芯片厚度。因此总体平均发光亮度得到了很大的提升。
本发明的芯片叠层布局相配合的激光二极管封装，有多种结构。图5为双管并联、负极接底座的结构。第一半导体激光器芯片4a的N面向下用焊料键合在热沉5上，第二半导体激光器芯片4b的P面向下用焊料键合在第一半导体激光器芯片4a的P面上；第一半导体激光器芯片4b的N面用金丝键合在热沉5上。两芯片的P面错位处键合金丝引出到管脚6a上。两芯片键合时，发光区位置在横向相互对准。该叠层器件工作时，连接热沉5的底座7接负电，第一管脚6a接正电。
图6为本发明叠层器件的另一种封装结构，为底座接正极的结构。该封装结构中，增加了一块电绝缘、导热良好的垫块8。该垫块8上下两面做好了金属化。下表面用焊料键合在热沉5上。第一半导体激光器芯片4a的N面键合在该垫块8的上表面上。第二半导体激光器芯片4b的P面键合在第一半导体激光器芯片4a上。叠层器件的P面用金丝引出到热沉5上，作为正电极。第二半导体激光器芯片4b的N面用金丝键合到绝缘垫块8的上表面上。再用金丝从垫块8的上表面引到第二管脚6b上。该叠层器件工作时，与热沉5相连的底座7接正电，第二管脚6b接负电。
图7为本发明叠层器件的又一种封装结构，该结构是两管芯可以分别工作的结构。其基本结构和制作工艺与图6相同。但是，第二半导体激光器芯片4b的N面用金丝键合到第一管脚6a上，不是连接在绝缘垫块8的上表面上。器件工作时，两个管脚可以分别连接到两个驱动电源上，也可以一起连接到同一电源上。从而可以实现两管芯分别工作，或者同时工作。
图8为本发明叠层器件的两管芯可以分别工作的另外一种封装结构。该结构和制作工艺基本上与图5相同。差别是第二半导体激光器芯片4b的N面不是同热沉5相连，而是用金丝键合到管脚6b上。器件工作时，第一管脚6a接正电，第二管脚6b和底座8可以分别接连接到二个驱动电源上，也可以一起连接到同一个电源上。
该组件中的关键元件为半导体激光器芯片4a和4b。它们是利用常规的外延片、常规的光刻板、常规的工艺流程制作的芯片，具体几何尺寸，包括条宽、腔长等根据实际应用的需求确定。
本发明组件的封装结构可以采用通用的TO管座，也可以根据使用要求采用特殊设计的管座形式。
本发明组件的使用实例之一如图9所示。图中4a和4b代表本发明的双层对叠半导体激光器，9为一条多模光纤。图中虚线圈内表示从正面观察看到的光纤和激光器件近场的几何位置。
该器件采用常规的芯片制备工艺制成，芯片的结构参数为总宽度500μm，发光条宽W为75μm，中心偏离170μm，芯片厚度120μm，发光区距离表面3μm，激射波长905nm。芯片前腔面增透，后腔面高反。二芯片按发明内容中所述的布局、装配步骤以及键合、金丝球焊工艺，组装在TO9的管壳上。其中绝缘垫块8采用高热导率的氧化铍绝缘陶瓷薄片。多模光纤9芯径100μm。光纤耦合测试表明，对于单芯片的耦合效率为80％；对于本发明的双层芯片的耦合效率为75％，表明二芯片发射的光束均以较高的耦合效率进入了输出光纤，获得预期效果。
本发明组件的使用实例之二如图10所示。图中4a和4b代表本发明的双层对叠半导体激光器，10为一个准直输出的球面或非球面透镜。图中虚线圈内表示从正面观察看到的激光束和透镜外圆的几何位置。
权利要求
1.一种双层对叠高亮度半导体激光器组件，其特征在于它是由第一半导体激光器芯片(4a)和第二半导体激光器芯片(4b)的P面相对放置，用焊料键合而成的叠层器件。
2.根据权利要求1所述的双层对叠高亮度半导体激光器组件，其特征在于所述的第一半导体激光器芯片(4a)的N面向下用焊料键合在热沉(5)上，第二半导体激光器芯片(4b)的P面向下用焊料键合在第一半导体激光器芯片(4a)的P面上；第二半导体激光器芯片(4b)的N面用金丝键合在热沉(5)上，两芯片的P面错位处键合金丝引出到第一管脚(6a)上，两芯片键合时，发光区位置在横向相互对准，该叠层器件工作时，连接热沉(5)的底座(7)接负电，第一管脚(6a)接正电。
3.根据权利要求2所述的双层对叠高亮度半导体激光器组件，其特征是在所述的第一半导体激光器芯片(4a)的N面和在热沉(5)之间增加了一块电绝缘、导热良好的垫块(8)，叠层器件的P面用金丝引出到热沉(5)上，作为正电极，第二半导体激光器芯片(4b)的N面用金丝键合到垫块(8)的上表面上，再用金丝从垫块(8)的上表面引到第二管脚(6b)上，该叠层器件工作时，与热沉(5)相连的底座(7)接正电，第二管脚(6b)接负电。
4.根据权利要求3所述的双层对叠高亮度半导体激光器组件，其特征是在所述的第二半导体激光器芯片(4b)的N面是用金丝键合到第一管脚(6a)上，器件工作时，第一管脚(6a)和第二管脚(6b)分别连接到两个驱动电源上，或同一电源上。
5.根据权利要求2所述的双层对叠高亮度半导体激光器组件，其特征是在所述的第二半导体激光器芯片(4b)的N面不是同热沉(5)相连，而是用金丝键合到第二管脚(6b)上。
全文摘要
一种双层对叠高亮度半导体激光器组件，其特征在于它是由第一半导体激光器芯片和第二半导体激光器芯片的P面相对放置，用焊料键合而成的叠层器件。本发明提高了半导体激光器的总体亮度；使用方便、灵活；成本低，性价比高。
文档编号H01S5/00GK1624997SQ200410093028
公开日2005年6月8日 申请日期2004年12月15日 优先权日2004年12月15日
发明者方祖捷, 陈高庭, 瞿荣辉 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海光通信发展股份有限公司