专利名称：垂直腔面发射激光器列阵的串接结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子及半导体技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器
(vertical-cavity surface-emitting laser即VCSEL)列阵芯片的串接结构，适用于 军事、医疗、工业加工等领域。
背景技术：
半导体激光器以其体积小、重量轻、寿命长、效率高等优点越来越多地吸 引了人们的注意。而其中的垂直腔面发射激光器又具有许多传统的边发射激光 器所不具备的优点，例如制造成本低廉、可靠性好、光谱和光束质量好等。因 此垂直腔面发射激光器具有良好的发展前景。为了扩展垂直腔面发射激光器的 应用领域，我们就需要进一步提高其输出功率。
提高输出功率的一个有效方法就是增大VCSEL列阵的集成度，但是由于 VCSEL列阵中的发光单元相互之间的连接方式是并联，所以增加列阵中发光单 元的数目就会使驱动电流大幅度增大。按照一个发光单元的阈值电流IA计算， 驱动电流为阈值电流的3倍，即3安，如果一个列阵集成1000个VCSEL发光单 元，那么驱动电流将需要3000A,这就给我们带来了一个严峻的问题，这么大 的电流源是很难得到的。为了解决这一难题本发明提供了一种将多个VCSEL列 阵芯片串联在一起的结构，该结构可以将多个VCSEL列阵芯片以串联的方式相 互连接，大大增加了发光单元数量，从而增大整个结构的输出功率，而驱动电 流却没有明显的增大。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出一种新型的VCSEL列阵芯片串接结构。
本发明垂直腔面发射激光器列阵串接结构包括热沉1、热沉表面的金属膜
2、 VCSEL列阵芯片3、金属条4、流入电极51、流出电极52及金丝引线6，每 个垂直腔面发射激光器列阵芯片3中包括MXM个发光单元7;
各部分的位置及连接关系在热沉1上的指定区域蒸镀金属膜2，垂直腔 面发射激光器列阵芯片3焊接在热沉1上蒸镀金属膜2的区域内，再将金属条4 焊接在热沉1上蒸镀金属膜2的区域，金丝引线6将垂直腔面发射激光器列阵 芯片3和金属条4连接，电流通过流入电极51流入，通过金丝引线流入各个垂 直腔面发射激光器列阵芯片3，最后从流出电极52流出，垂直腔面发射激光器 列阵芯片3在金属膜区域内排列方式为NXN， NXN为垂直腔面发射激光器列 阵芯片3的个数，本发明中N为2-10的正整数，
其中每个垂直腔面发射激光器列阵芯片3包括MXM个发光单元7，本发明 中M为2 — 30的正整数，每个发光单元7包括衬底8、生长于衬底之上的下反 射镜9、生长于下反射镜之上的有源层10、生长于有源层之上的上反射镜12、 上反射镜外侧的上电极14、衬底外侧的下电极13。
其中热沉材料可以是金刚石，也可以是高导热陶瓷等导热率高且绝缘性好 的材料，下反射镜10 —般是30至40对反射镜组成，可以是介质膜反射镜也可 以是分布布拉格反射镜，介质膜反射镜材料可以是SiO/Ti02，而布拉格反射镜 的材料可以是GaAs/AlGaAs等、上反射镜12由20至30对反射镜组成，可以是 介质膜反射镜也可以是分布式布拉格反射镜，介质膜反射镜的材料可以是 Si02/Ti02/Si02/Au，布拉格反射镜的材料可以是GaAs/AlGaAs等、金属条4的 材料可以是Au或Cu镀Au等导电性能好的金属、上电极14的材料可以是Zn-Au， In-Au， Cr-Au， Ti-Pt-Au， In-Ag-Au， Ti-Ag-Au， Ti-Pt等，其中较常用的是Zn-Au 和Ti-Pt-Au、下电极13的材料是Au/Ge/Ni/Au。本发明提供了一种VCSEL列阵的串接结构，利用这种结构可以将VCSEL列 阵芯片串接起来，增大VCSEL列阵的面积，从而有效增大输出功率，而且由于 该发明中的VCSEL列阵芯片是串联在一起的，又不会使驱动电流明显增大。
本发明结构紧凑，所有的引线都分布在外侧，VCSEL列阵芯片排列紧密， 有效的发光面积大，发光密度大。
另外，本发明使用高导热材料做为热沉散热，又使用热传导效率较高的焊 料，加之VCSEL列阵芯片的工作方式是脉冲工作，因此，基本解决了散热问题。
图1示出了在热沉的固定区域蒸镀金属膜的示意图。
图2示出了垂直腔面发射激光器将列阵芯片和金属条焊接在蒸镀有金属膜
的热沉上的示意图。
图3示出了垂直腔面发射激光器列阵的串接结构的俯视图。
包括热沉l、热沉表面的金属膜2、 VCSEL列阵芯片3、金属条4、流入电
极51、流出电极52、金丝引线6、发光单元7。
图4示出了垂直腔面发射激光器列阵的串接结构的剖面侧视图。
图5示出了垂直腔面发射激光器列阵芯片的俯视图。
图6为垂直腔面发射激光器列阵芯片单个发光单元的侧视图。
图7为N为3的垂直腔面发射激光器列阵芯片的实施例串接方式示意图。
图8为N为4的垂直腔面发射激光器列阵芯片的实施例串接方式示意图。
具体实施例方式
实施例一
现在将参照图1至图3来具体描述该发明。
参照图1，本发明选择高导热材料作为热沉材料以提高器件的热传导能力， 在热沉上的指定区域蒸镀金属膜2，即蒸镀Au/Ge/Ni/Au或其它导电性能良好 的金属用于传导电流。参照图2，将VCSEL列阵芯片3焊接在热沉上蒸镀有金属膜2的区域，图 5为VCSEL列阵芯片示意图，芯片3大小约为8-10mmX8-10mm，芯片总面积 占金属膜2面积的75%左右，焊料为Au/Sn焊料，再将金属条4焊接在热沉上 蒸镀金属膜2的区域用于传导电流，金属条4的大小根据所需金丝引线6的数 量而定，例如若驱动电流为25A，按每跟金丝0.8A计算，需金丝30 — 35跟， 金丝间间距至少4一5倍，金丝直径30微米，则金属条长度应为4.5mm—6mm， 焊料为In焊料。该处焊料的选择是由于Au/Sn焊料的熔点高于In焊料，因此 在焊接金属条4时加热融化In焊料不会对已经焊接好的VCSEL列阵芯片3造 成影响。为了方便下一步金丝引线，要求VCSEL列阵芯片的高度与金属条的 高度一致。
参照图3，利用金丝球焊将金属条4与VCSEL列阵芯片3连接在一起。 金丝数目由所需驱动电流而定。引出流入电极51、流出电极52。
电流通过电极51流入，通过金丝引线流入VCSEL列阵芯片301，再依次 流过302、 303、 304，最后从电极52流出。 实施例二
参照图7，此图为3X3列阵的串接示意图，其中的热沉l使用金刚石或高 导热陶瓷等导热率高的材料，在热沉表面的指定区域蒸鍍金属膜2，所使用材 料为导电良好的金属，将VCSEL列阵芯片3焊接在蒸镀有金属膜2的区域， 芯片数量为NXN，其中N为3，芯片3总数为9个，芯片总面积占金属膜区 域面积的75%左右，将金属条4焊接在金属膜区域，利用金丝球焊机将VCSEL 列阵芯片3和金属条4用金丝引线6连接，引出流入电极51、流出电极52。
电流由电极51流入，通过金丝引线注入到VCSEL列阵芯片301中，再依 次通过VCSEL列阵芯片302、 303、 304、 305、 306、 307、 309、 308，最后由 电极52流出。
实施例三参照图8，此图为4X4列阵的串接示意图，其中的热沉l使用金刚石或高
导热陶瓷等导热率高的材料，在热沉表面的指定区域蒸镀金属膜2，所使用材 料为导电良好的金属，将VCSEL列阵芯片3焊接在蒸镀有金属膜2的区域， 芯片数量为NXN，其中N为4，芯片3总数为16个，总面积占金属膜区域面 积的75%左右，将金属条4焊接在蒸镀有金属膜2的区域，利用金丝球焊机将 VCSEL列阵芯片3和金属条4用金丝引线6连接，引出电极51、 52。
电流由电极51流入，通过金丝引线注入到VCSEL列阵芯片301中，再 依次注入VCSEL列阵芯片302、 303、 304、 305、 306、 307、 308、 309、 310、 311、 312、 313、 314、 315、 316，最后由电极52流出。
权利要求
1、一种新型的垂直腔面发射激光器列阵串接结构，其特征在于该结构包括热沉(1)、热沉表面的金属膜(2)、垂直腔面发射激光器列阵芯片(3)、金属条(4)、流入电极(51)、流出电极(52)及金丝引线(6)、每个垂直腔面发射激光器列阵芯片(3)中包括M×M个发光单元(7)；各部分的位置及连接关系在热沉(1)上的指定区域蒸镀金属膜(2)，垂直腔面发射激光器列阵芯片(3)焊接在热沉(1)上蒸镀金属膜(2)的区域内，再将金属条(4)焊接在热沉(1)上蒸镀金属膜(2)的区域，金丝引线(6)将垂直腔面发射激光器列阵芯片(3)和金属条(4)连接，电流通过流入电极(51)流入，通过金丝引线流入各个垂直腔面发射激光器列阵芯片(3)，最后从流出电极(52)流出，垂直腔面发射激光器列阵芯片(3)在金属膜区域内排列方式是以N×N，N×N为垂直腔面发射激光器列阵芯片(3)的个数，本发明中N为2-10的正整数。
2、 根据权利要求1所述的VCSEL列阵串接结构，其特征在于每个垂直 腔面发射激光器列阵芯片(3)包括MXM发光单元(7)，每个发光单元(7) 包括衬底(8)、生长于衬底之上的下反射镜(9)、生长于下反射镜之上的有源 层(10)、生长于有源层之上的上反射镜(12)、上反射镜外侧的上电极(14)、 衬底外侧的下电极(13)，本发明中M为2-30的正整数。
3、 根据权利要求1或2所述的VCSEL列阵串接结构，其特征在于所述的 垂直腔面发射激光器列阵芯片(3)中的发光单元(7)，其下反射镜(9)是N 型的分布式布拉格反射镜或介质膜反射镜，下反射镜(9) 一般是30至40对反 射镜组成，上反射镜(12)是p型的分布式布拉格反射镜或介质膜反射镜，上 反射镜(12)由20至30对反射镜组成。
4、 根据权利要求1或2所述的垂直腔面发射激光器列阵串接结构，其特征在于垂直腔面发射激光器列阵芯片(3)大小8-10mmX8-10mm，芯片总面积 占金属膜区域面积的75%左右，为了方便金丝引线，要求垂直腔面发射激光器 列阵芯片(3)的高度与金属条(4)的高度一致。
全文摘要
本发明是一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵的串接结构，涉及光电子及半导体技术领域。该结构包括热沉、热沉表面的金属膜、垂直腔面发射激光器列阵芯片、金属条、流入电极、流出电极及金丝引线、发光单元。该发明实现了VCSEL列阵的串接，结构紧凑，所有的引线都分布在外侧，VCSEL列阵芯片排列紧密，有效的发光面积大，发光密度大。在不提高驱动电流的前提下进一步提高VCSEL列阵的输出功率，拓展了VCSEL列阵的应用范围。使用高导热材料做为热沉散热，又使用热传导效率较高的焊料，加之VCSEL列阵芯片的工作方式是脉冲工作，因此，基本解决了散热问题。
文档编号H01S5/42GK101447647SQ20081005162
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年12月22日
发明者云 刘, 史晶晶, 宁永强, 王立军, 莉 秦 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所