单片式二极管激光器布置结构的制作方法

文档序号:13426466
单片式二极管激光器布置结构的制作方法
本发明涉及一种单片式二极管激光器布置结构、一种用于制造这种单片式二极管激光器布置结构的方法以及包括这样的单片式二极管激光器布置结构的激光装置。

背景技术:
用于具有高功率密度的二极管激光器的二极管激光器布置结构或二极管激光器阵列在最不同的领域中有多样化的使用,例如固体激光器、纤维激光器和圆盘激光器的光学泵浦、直接的材料加工或医学治疗或诊断。在这些应用中需要的光学功率以典型的方式可能无法单个激光二极管或单发射器提供。因此常见的是,将多个单发射器电并联或串联在二极管激光器布置结构中。以典型的方式,已知的涉及单发射器的串联的二极管激光器布置结构由多个空间上彼此分离的单发射器构造,所述单发射器事后串联。在这里这样的构件不具有单片式构造。这导致相对耗费的光学系统调节,这对于每个单发射器必须单独进行。此外,这些单发射器必须通常施加到单独的散热器上。在二极管激光器布置结构中的这样相互连接的单发射器的数量通常处于少于二十件的范围中。在这种实施方式中有利的是二极管激光器布置结构的运行电流,所述运行电流独立于在布置结构中单发射器的数量对应于单个单发射器的运行电流。在具有串联的二极管激光器布置结构上存在的电压对应于在单发射器上存在的电压的总和。在具有并联连接的单发射器的二极管激光器布置结构的情况中,已知单片式实施方式、即所谓的二极管激光器阵列或棒,其中,电触点接通在单发射器的对置的侧上进行。这种单片式构造能够实现较简单的光学系统装配,因为对于整个二极管激光器布置结构每个准直方向仅需要一个唯一的光学系统。具有单发射器的并联电路的二极管激光器布置结构的显著缺点是为了运行需要的大电流,所述电流对应于流过相应的单发射器的电流的总和。

技术实现要素:
从该现有技术出发本发明的任务是,给出一种改善的二极管激光器布置结构,其中很大程度上避免上述的缺点。此外本发明的任务是,给出一种用于制造这样改善的二极管激光器布置结构的方法。关于装置,该任务通过具有权利要求1的其他特征的开头所述类型的二极管激光器布置结构或通过按照权利要求20的具有这种二极管激光器布置结构的激光装置解决。关于方法,该任务通过开头所述类型的具有权利要求6的另外特征的用于制造单片式二极管激光器布置结构的方法解决。本发明有利的实施方式是从属权利要求的技术方案。单片式二极管激光器布置结构包括多个在一个共同的载体基质上并排设置的单发射器,所述单发射器分别具有用于电触点接通的接触窗口,所述接触窗口在相应的单发射器上设置在与载体基质对置的前侧上。为了产生激光,每个单发射器具有复合区,所述复合区处于相应的单发射器的多层的外延结构的p和n掺杂的区域之间。这些外延结构是外延的各层的多层构造,所述层施加在外延基质上。外延基质不完全被外延结构覆盖,从而外延基质也借助前侧的接触窗口可电触点接通。作为外延基质优选规定III-V半导体材料、尤其是GaAs、InP或GaSb,其以特别有利的方式具有n掺杂。外延结构具有至少一个p掺杂的覆盖层和至少一个n掺杂的覆盖层。在本发明的具体的实施例中,作为外延结构施加到外延基质上的外延的层具有n掺杂的覆盖层、n侧的波导层、量子阱结构、p侧的波导结构、p掺杂的覆盖层和p掺杂的接触层的序列。产生激光的复合过程在该优选的实施例中在量子阱结构中发生,所述量子阱结构例如由含有InGaAs、InGaAsP、GalnSb和/或GalnAsSb的层形成。掺杂的覆盖层和/或波导层按照可能的实施例由AlGaAs、InGaAsP、AlGaAsSb制成。p掺杂的接触层按照可能的实施例由GaAs、GaSb、InP和/或InGaAs制成。p接触窗口为了电触点接通p掺杂的覆盖层而设置在外延结构上的前侧。相应地,n掺杂的覆盖层的电触点接通通过n接触窗口进行,所述n接触窗口在外延基质上的前侧设置在如下区域中,在所述区域中,外延基质不被外延结构覆盖。二极管激光器布置结构的单片式、亦即基本上一件式的构造由空间上连贯的结构的分隔过程造成,所述结构确定单发射器在载体基质上的布置结构。该空间上连贯的结构由具有相应的层结构的晶片堆叠(waferstack)形成,所述晶片堆叠随后通过划破和分开来分隔开,亦即分成各个二极管激光器布置结构。按照本发明的二极管激光器布置结构可以因此低成本地以大的件数制造。此外单发射器在所述共同的载体基质的布置结构能够实现简化的光学系统装配,因为对于整个二极管激光器布置结构每个准直方向仅需要一个光学系统。同时设置用于电触点接通的接触窗口在与载体基质对置的前侧上的布置结构以特别有利的方式能够实现单发射器的串联。流过整个二极管激光器布置结构的运行电流借此相当于流过每个所述单发射器的运行电流,从而在设置用于产生激光的单发射器的数量方面省去二极管激光器布置结构的对此的限制。结果是由此可以提供特别有效率的二极管激光器布置结构。为了冷却整个二极管激光器布置结构优选仅设置一个散热器,以便最小化装配花费。在优选的实施方式中,所述单片式二极管激光器布置结构的单发射器与载体基质间接通过设置在其间的结合平面连接。这种实施例尤其是在其制造方面是有利的,因为借助结合平面,两个多层的层结构可以相互连接,所述层结构在结合之前在其层厚度方面可以选择性地与要制造的二极管激光器布置结构的特别的要求相适配。结合平面例如由材料如金、铝、锗、锡、光敏的环氧树脂、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺和/或旋涂玻璃制成(SOG)。因为按照本发明的可能的实施例尤其是可以使用导电的材料来结合,优选将绝缘层设置在单发射器和结合层之间,其因此提供单发射器的背侧的电绝缘。单发射器的布线通过在前侧设置的接触窗口进行。特别优选地,所述单发射器的接触窗口这样借助金属的覆层连接,使得单发射器彼此电串联。该金属的覆层的施加在晶片平面上在一个唯一的制造步骤中进行,亦即在分隔开定义单发射器在载体基质上的布置结构的空间上连贯的结构之前。在背侧的、亦即在载体基质的侧上的附加的线结合过程由此是多余的。优选地,所述单发射器中的至少一个单发射器的p接触窗口之一与相邻于所述至少一个单发射器的单发射器的n接触窗口借助金属的覆层导电连接。金属的覆层这样保证单发射器的串联布线,其中,设置用于电流的导电的连接仅在前侧上设置在二极管激光器布置结构上。在用于制造上述单片式二极管激光器布置结构的方法中,在结构化步骤中在晶片平面上进行空间上连贯的结构,所述空间上连贯的结构确定单发射器在载体基质上的布置结构的构成。在结构化步骤中因此配置给单发射器的单个结构由包括载体基质的多层的基本载体形成。单个结构的构成在结构化步骤中在此这样进行,使得所述单个结构在此不与载体基质或载体基质层脱开。单个结构的与载体基质对置的前侧设置用于构成接触窗口。在将结构化的晶片堆叠分隔开之后、亦即在将确定单发射器在载体基质上的布置结构的空间上连贯的结构分隔开之后,载体层形成二极管激光器布置结构的载体基质。相应地,配置给相应的单发射器的单个结构在分隔开之后形成用于产生激光的单发射器。在上述的优选的实施例之一中,所述单发射器包括包含复合区的施加在外延基质上的外延结构。相应地,设置用于结构化的多层的基本载体包括至少一个外延结构层、至少一个外延基质层和至少一个载体基质层,所述外延结构层、所述外延基质层和所述载体基质层施加在载体板上,所述载体板为基本载体在制造过程期间给予必需的机械稳定性。在结构化步骤中,所述基本载体的外延结构层和外延基质层为了构成单个结构而被局部地除去。这以典型的方式借助也称为分离蚀刻的蚀刻进行,其中形成多个设置在载体基质层上的单个结构,而所述单个结构不与载体基质层脱开。单个结构分别包括设置在外延基质上的外延结构。优选地,在结构化步骤中附加地实施所谓的条蚀刻,其中接触条为了电流注射而引入到外延结构层中。所述接触条例如可以作为突出的区域居中地构成在外延结构上。以优选的方式,此外外延结构层在结构化步骤中局部这样除去或通过蚀刻去除直到外延基质层的高度,使得外延基质层不完全被外延结构层覆盖。该结构化步骤例如可以在隔离蚀刻中进行,其中外延结构层选择性地在确定的区域中从处于其下的外延基质层去除,以便能够实现外延基质通过设置在这些区域中的接触窗口而随后在前侧电触点接通。优选地,所述结构化步骤、尤其是分离蚀刻、条蚀刻和/或隔离蚀刻包括光刻。这样的结构化方法在半导体制造的领域中充分已知并且不需要进一步解释。蚀刻优选干化学、尤其是借助等离子蚀刻(ICPRIE或RIE方法)实施,然而其也可以湿化学地进行。在结构化步骤中形成的空间上连贯的结构按照一种可能的实施例中在(优选直接)跟随结构化步骤的钝化步骤中全表面地钝化或涂敷有电绝缘的钝化层。钝化层包括例如SiN或SiO2。随后,所述钝化层优选借助另一个干化学或湿化学的蚀刻局部去除。这发生以用于使接触窗口暴露,以便能够实现单发射器的前侧的布线。相应地,之前钝化的外延结构为了构成p接触窗口再次局部地暴露,或者之前钝化的外延基质为了构成n接触窗口再次局部地暴露。特别优选地,所述接触窗口在随后的、尤其是直接随后的金属化步骤中这样配设有金属的覆层,使得配置给单发射器的单个结构串联。单个结构的布线因此通过将相应导电的金属的覆层施加到晶片平面上进行,即,在一个唯一的制造步骤中为了多个稍后通过分隔而形成的二极管激光器布置结构。可以借此省去单发射器的随后的耗费的单独的触点接通。特别优选地,金属化步骤两阶段地进行。在第一金属化步骤中,金属的第一覆层施加到空间上连贯的结构上,所述空间上连贯的结构在将二极管激光器布置结构分隔开之后形成。金属的第一覆层仅触点接通外延基质上的n接触窗口并且优选包括多个金属的层、例如AuGeNi或TiPtAu金属序列。在施加金属的第一覆层之后,所述第一覆层经受适合的合金方法。在第一金属化步骤随后的第二金属化步骤中,施加至少一个金属的第二覆层,所述第二覆层将触点接通n接触窗口的金属的第一覆层中的至少一个与设置在相邻的单个结构的外延结构上的p接触窗口连接。换句话说,通过由金属的第二覆层提供的导电连接,引起配置给至少两个单发射器的单个结构的串联电路。金属的第二覆层也优选包括多个金属的层、尤其是钛、铂和金的组合,其例如借助物理的气相沉积、特别优选借助电子束蒸发或借助溅射法沉积。这样的方法也可以用于沉积金属的第一覆层。在其他的实施例中,金属的第一和/或第二覆层通电地沉积,尤其是金属的第一和/或第二覆层可以包含至少一个通电地沉积的金层。此外,在二极管激光器布置结构稍后借助硬焊(例如AuSn焊料)设置在散热器上的实施例中,相应的铂阻挡层考虑作为用于硬焊料的扩散阻挡。在优选的实施例中,在结构化步骤中得到确定稍后的二极管激光器布置结构的空间上连贯的结构的基本载体由至少两个层结构形成,所述层结构在结合步骤中借助结合相互连接。这具有如下优点,即,选择性地在结构化步骤之前可以适配组成所述两个层结构的层的层厚。特别优选地,所述第一层结构具有外延结构层、外延基质层、绝缘层和第一结合层的序列。绝缘层用于通常导电的结合层与在所述绝缘层上设置的外延基质层的电绝缘。第一层结构在外延结构层一侧施加在另外的载体板上,所述另外的载体板在之前发生的方法步骤中为第一层结构给予机械的稳定性并且在第一结合层与第二层结构的第二结合层在结合步骤中(亦即因此所述两个形成基本载体的层结构)连接之后被去除。绝缘层优选由SiN或SiO2制成。绝缘层施加到优选在前面的方法步骤中减薄的外延基质层上。在至少在结合之前发生的方法步骤中,第一层结构在所述另外的载体板上的布置结构提供需要的稳定性,从而外延基质层可以减薄到可能的最小基质厚度,其优选处于50μm至100μm之间的剩余厚度。该方法步骤一方面保证在分离步骤期间用于稍后的分离蚀刻的最小的蚀刻深度,另一方面提供用于将形成的晶片堆叠分隔为二极管激光器布置结构或二极管激光器阵列中的良好的分开面。第二层结构包括第二结合层和载体基质层。第二层结构优选在载体基质层一侧施加在载体板上并且在施加第二结合层之前相应地减薄。尤其是载体基质层的层厚可以同样减少到50μm至100μm之间的剩余厚度。尤其是不仅掺杂的而且未掺杂的III-V半导体材料适合作为载体基质层的材料。在其他的实施例中,硅基质作为载体基质层使用。作为第一和/或第二结合层,薄的层尤其是由Au、Al、Ge、Sn、SU8、BCB、聚酰亚胺和/或SOG制成的层沉积在绝缘层或载体基质层上。所述两个形成第一和第二结合层的金属平面在结合步骤中相互连接。为此使用的结合方法优选包括共晶的结合、粘结结合或热压缩的结合。单片式二极管激光器布置结构通过将基本上在结构化步骤中形成的空间上连贯的结构分隔开而形成,其中,所述空间上连贯的结构必要时在金属化步骤中进行涂敷。按照本发明的激光装置包括至少一个上述二极管激光器布置结构,从而首先参阅对此的实施方式。这种激光装置尤其是可以使用于直接的材料加工或医学领域中、例如在医学的治疗或诊断的领域中。按照特别优选的实施例,激光装置具有至少一个二极管激光器布置结构,所述二极管激光器布置结构具有多个串联的单发射器,所述单发射器设置在一个共同的载体基质上。所述至少一个二极管激光器布置结构在每个准直方向上都具有一个光学系统。在其他的实施例中,激光装置包括彼此电串联和/或并联的多个二极管激光器布置结构,以便提供高的功率。特别优选地,所述激光装置包括光学的介质,由二极管激光器布置结构产生的激光为了光学介质的光学泵浦可耦合到所述光学的介质中。二极管激光器布置结构因此是激光装置的泵浦模块的一部分,所述激光装置例如可以实施为固体激光器、纤维激光器或圆盘激光器。附图说明以下参考附图更详细地产生本发明的可能的实施例。图中:图1以示意性剖视图示出在将第一和第二层结构连接成基本载体之前的第一和第二层结构;图2以示意性剖视图示出在结构化步骤中结构化成定义二极管激光器布置结构的空间上连贯的结构的基本载体;图3以示意性剖视图示出在钝化步骤中钝化的空间上连贯的结构;图4以示意性剖视图示出在金属化步骤中配设有金属的第一覆层的钝化的结构;图5以示意性剖视图示出配设有金属的第一覆层的钝化的结构或二极管激光器布置结构。具体实施方式彼此相应的部件在所有附图中设有相同的附图标记。图1以示意性剖视图示出第一层结构1和第二层结构2,所述第一层结构和第二层结构分别具有多个设置在载体板3、4上的半导体材料或金属的层。第一层结构包括外延基质层5,其由III-V半导体材料制成。在示出的实施例中,外延基质层5由n掺杂的砷化镓、nGaAs制成。用于制造基于GaAs基质的高功率二极管激光器布置结构100,在第一制造步骤中在外延基质层5上接着沉积n掺杂的覆盖层(例如AlGaAs、InGaAsP、AlGaAsSb)、n侧的波导层(例如AlGaAs、InGaAsP、AlGaAsSb)、在其中发生产生激光的复合过程的量子阱结构(例如InGaAs、InGaAsP、GaInSb、GaInAsSb)、p侧的波导结构(例如AlGaAs、InGaAsP、AlGaAsSb)、p掺杂的覆盖层(例如AlGaAs、InGaAsP、AlGaAsSb)和p掺杂的接触层(例如GaAs、GaSb、InP、InGaAs)。该在外延基质层5上沉积的各层的整体以下称为外延结构层6。在第二制造步骤中,外延基质层5在外延结构层6一侧暂时结合到第一载体板3上,从而外延结构层6处于第一载体板3和外延基质层5之间。外延基质层5随后借助常规的过程减薄成最小可能的基质厚度,所述过程在半导体制造的领域中充分已知并且不需要进一步解释。由此主要减少在随后的结构化步骤中需要的蚀刻深度并且使对二极管激光器布置结构100中包括第一和第二层结构1、2的晶片结构稍后进行分隔变得容易。力求外延基质5的剩余厚度处于50μm和100μm之间。在第三制造步骤中,第二层结构2的载体基质层10同样结合到第二载体板4上并且同样减薄为大约50-100μm的剩余厚度。载体基质层10包括载体基质,所述载体基质在示出的实施例中是掺杂的III-V半导体基质。在其他的实施例中,也可以使用未掺杂的III-V半导体基质或硅基质。在第四制造步骤中,减薄的外延基质5涂敷以电绝缘的绝缘层7,所述绝缘层在示出的优选的实施例中由SiN制成。在对此备选的实施例中绝缘层7由SiO2制成。在绝缘层7上沉积薄的第一结合层8,所述第一结合层由金(Au)制成。对应地,在载体基质层10上沉积薄的第二结合层9,其同样由金制成。在其他的实施例中,第一和/或第二结合层8、9由Al、Ge、Sn、SU8、BCB、聚酰亚胺或SOG制成。图2示出减薄的外延基质和载体基质层5、10,它们在结合之前分别施加在载体板3、4上。绝缘层7已沉积在外延基质层5上,所述绝缘层带有第一结合层8。第二层结构2的载体基质层10带有第二结合层9。在第五制造步骤中,第一层结构1以具有第一结合层8的侧结合到减薄的并且涂敷的载体基质层10上。所述两个结合层8、9在结合之后构成共同的结合平面11,所述结合平面在图2至5中示出。第一和第二结合层8、9在示出的实施例中借助共晶结合相互连接,在其他的实施例中也可以使用粘结结合或热压缩的结合。结果是这样形成持久结合的包括第一和第二层结构1、2的晶片堆叠部(waferstack)或基本载体。处于基本载体的外延结构层6的侧上的第一载体板3与所述基本载体脱开并且外延结构层6的由p掺杂的接触层形成的最上面的层被净化。结合的基本载体现在借助用于制造二极管激光器布置结构100常见的光刻方法在结构化步骤中结构化,从而所述基本载体获得在图2中示出的空间上连贯的结构15。为此在第六方法步骤中首先将接触条12为了电流注射(Strominjektion)通过蚀刻外延结构层6的p接触层构成。通过在条蚀刻中确定的接触条12的宽度,确定电场的伸展尺寸和电流注射的面积。此后隔离沟13借助隔离蚀刻引入到外延结构层6中。为此外延结构层6局部地从外延基质层5通过蚀刻被去除。各个配置给二极管激光器布置结构100的单发射器101的单个结构14的分离借助分离蚀刻进行,所述分离蚀刻在于蚀刻基本载体直到在结合平面11上方设置的绝缘层7。所有蚀刻干化学地、例如通过ICPRIE或RIE方法实施,在其他的实施例中,结构化步骤的蚀刻也可以湿化学地进行。二极管激光器布置结构100在上述结构化步骤中基本上获得其空间上连贯的结构15,所述结构包括多个单个结构14,所述单个结构设置在载体基质层10上。在通过划破和分开晶片堆叠来分隔开该空间上连贯的结构15之后,单个结构14对应地形成二极管激光器布置结构100的单发射器101,其在图5中示出。单个结构14分别具有局部被外延结构18覆盖的外延基质17。外延基质17和外延结构18如以上说明的通过在结构化步骤中蚀刻基本载体由外延基质层5和外延结构层6产生。因此在层顺序方面,外延结构18与外延结构层6相同。图3示出跟随结构化步骤的第七方法步骤,其中空间上连贯的结构15的结构化的表面首先全表面地钝化有电绝缘的例如由SiN或SiO2制成的钝化层16。随后钝化层16通过干化学或湿化学的蚀刻步骤局部地在外延基质17和外延结构18上结构化。为了构成p接触窗口19使外延结构18的接触条12暴露。相应地,钝化层16在隔离沟13的区域中局部地为了构成n接触窗口20而被去除。在第八步骤中进行空间上连贯的结构15的金属化。金属化步骤在示出的示例中是双阶段的。首先仅进行在n接触窗口20上的N金属化,其借助施加例如AuGeNi或TiPtAu金属序列和随后的合适的合金方法,如在图4中所示的。在这里在n接触窗口20的区域中施加金属的第一覆层21,所述第一覆层用于稍后与金属的第二覆层22触点接通。在施加最后的包括钛、铂和金的组合的金属的第二覆层22之后,形成对应于图5的示图的层结构。金属的第二覆层22借助物理的气相沉积方法施加,在其他的实施例中为此也可以使用溅射法。金属的第二覆层22分别连接一个n接触窗口20和一个相邻的单个结构17或者说单发射器101的p接触窗口19。换句话说,这样施加的金属的第二覆层22引起单发射器101的串联布线。在第十方法步骤中,载体板10从载体基质层10去除。完成的晶片具有空间上连贯的结构15,其在图5中示出。晶片通过平行于图平面划破和分开晶片堆叠部来分开并且由此分隔为各个二极管激光器布置结构100。垂直于图平面取向的分开面在此形成用于激光发射的出射侧,其随后借助合适的方法净化除去半导体氧化物和污染物并且随后封装并且借助合适的方法涂敷有反射层。在最后的步骤中,串联的二极管激光器布置结构101连同外延结构18借助软焊料(例如铟焊料)或硬焊料(例如AuSn焊料)钎焊到相应结构化的散热器上。这样形成的二极管激光器布置结构101特别适合用于高功率激光装置。为此尤其是多个二极管激光器布置结构101可以串联或并联连接。二极管激光器布置结构101提供的激光例如可以直接使用在医学的治疗或诊断的领域中或用于光学介质的光学泵浦。相应地,激光装置同样是本发明的技术方案,如其中直接使用由二极管激光器布置结构101提供的光的激光装置,在所述激光装置中二极管激光器布置结构101是用于光学地泵浦光学活性介质的泵浦模块的部分。本发明以上参考优选的实施例说明。然而不言而喻地,本发明不限制于示出的实施例的具体的设计,而本领域技术人员可以借助说明书导出变型,而不会偏离本发明的主要的基本构思。附图标记列表1第一层结构2第二层结构3第一载体板4第二载体板5外延基质层6外延结构层7绝缘层8第一结合层9第二结合层10载体基质层11结合平面12接触条13隔离沟14单个结构15结构16钝化层17外延基质18外延结构19p接触窗口20n接触窗口21金属的第一覆层22金属的第二覆层100二极管激光器布置结构101单发射器...
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