一种可实现波长稳定的高功率半导体激光器封装结构的制作方法

本实用新型涉及一种实现高功率半导体激光器波长稳定的装置。

背景技术：

在高功率半导体激光器的泵浦应用中，激光波长的稳定性是非常重要的参数指标。半导体激光器的波长受激光芯片结温影响，结温温度变化会导致波长漂移。因此控制激光芯片的结温温度是实现半导体激光波长稳定的重要方法。目前普遍采用TEC双向温度控制的方法，来调节激光芯片的温度，以达到稳定波长的效果，但是此方法需要复杂的温度测量和控制电路。

此外，也曾有人提出一种单向温度控制的理论，即通过加热元件对激光芯片加热，使其工作在高温区，并保证高温区工作波长为所需要的波长，由于不需要额外的制冷装置，因此控制电路相对简单。例如：

中国专利文献CN200780033774.2提出了在DFB半导体激光器上设置微加热元件来进行热补偿的方法，该方案是采用在芯片有源区的两侧设置微加热元件，对有源区两侧的低温区域进行热补偿，降低有源区两侧与中心区域的温差，虽然在也能产生调节波长的技术效果，但是仅仅限于在DFB激光器等小功率单发光点芯片的应用，对于单bar条这种多发光点的芯片，目前无法实现对每个发光点的有源区进行热补偿，因此无法应用至高功率半导体激光器。

中国专利文献CN201610229356.1提出一种利用在基板内设置钨丝对DFB半导体激光器进行加热实现波长调节的方法，该结构将加热基板设置于DFB半导体激光器的全发射面上(与激光芯片P面和N面所垂直的后端面，也是与发光面对立的面)，这种加热方法易损伤激光芯片的后腔面，严重影响半导体激光器的可靠性，此外，这种方法加热效率低，也难以应用于多发光点的单bar芯片上。并且此方案钨丝进行蛇形布线，仍难以避免其散热不均匀，影响对激光芯片的加热效果。该方案中钨丝设置于基板内部，这必然需要复杂的工艺实现，因此难以得到推广应用。

并且，上述两篇文献都是基于DFB半导体激光器，众所周知，DFB半导体激光器是应用于通信领域的小功率半导体激光器(一般为毫瓦级)，而高功率半导体激光器(一般为5W以上，高至万瓦级)对封装技术的要求更高，因此，现有的这些加热方案并不适用于高功率半导体激光器泵浦。高功率半导体激光器的波长调节仍是本领域研究的热点和难点。

技术实现要素：

本实用新型提出一种高功率半导体激光器封装结构，可实现高功率半导体激光器波长稳定，使其可以在全温度范围下工作。

本实用新型的解决方案如下：

一种可实现波长稳定的高功率半导体激光器封装结构，包括激光芯片和加热装置，有别于现有技术的是：还包括第一导热衬底和第二导热衬底，分别与激光芯片的N面和P面键合，并在键合面形成电连接；所述加热装置采用通过薄膜工艺或厚膜工艺生成的平面加热元件，位于其中一个导热衬底的外侧表面并与该导热衬底保持绝缘。

在以上方案的基础上，本实用新型还进一步作了以下重要优化设计：

上述平面加热元件优选薄膜电阻或厚膜电阻。厚膜电阻的膜厚一般大于或等于10μm，薄膜电阻的膜厚小于10μm，通常小于1μm。

上述平面加热元件在激光芯片腔长方向和宽度方向的尺寸均小于其安装平面，对应于激光芯片的正上方；用于对平面加热元件加电的正、负电极为金属镀层，分别位于安装平面在激光芯片宽度方向的两端区域，并延及平面加热元件相应两端的下方区域(即平面加热元件截面呈T型)。

所述平面加热元件与相应导热衬底的安装结构形式可分为以下两类：

第一类结构：

第一导热衬底和第二导热衬底均为导电导热衬底，平面加热元件与相应的导电导热衬底之间设置有绝缘导热基板。

进一步的考虑，绝缘导热基板在激光芯片腔长和/或宽度方向上的尺寸小于相应的导电导热衬底，设置在该导电导热衬底上，对应于激光芯片的正上方，留出的空间便于实现激光芯片电连接。

绝缘导热基板可以为AlN陶瓷、BeO陶瓷、金刚石等。

第二类结构：

所述其中一个导热衬底为绝缘导热衬底，直接与平面加热元件接触，另一个导热衬底为导电导热衬底。

绝缘导热衬底优选DBC或者DPC结构，通过覆铜结构实现与激光芯片的电连接。

优选的电连接结构形式为：所述其中一个导热衬底的外侧覆铜层有一部分区域与平面加热元件及正、负电极所覆盖区域绝缘隔离，该部分区域具有从平面加热元件到激光芯片方向贯通的导电通道，将外侧覆铜层与内侧覆铜层连通，使激光芯片与平面加热元件在同侧分别实现电连接。

上述平面加热元件最好设置于第二导热衬底的外侧面，对应于激光芯片的正上方，即从P面方向加热。第一导热衬底与第二导热衬底的热导率匹配关系具体可根据基础热沉的导热能力和芯片的功率决定：如果热沉散热能力好，需要在芯片上积累热量，则第一导热衬底的导热率宜低于第二导热衬底；如果热沉散热较差，或者芯片功率较大，导致芯片自身的热积累较多，则调整第一导热衬底和第二导热衬底的匹配关系，可能需要使第一导热衬底的导热率与第二导热衬底相当。

第一导热衬底和第二导热衬底在-40～280℃温度范围热膨胀系数CTE宜与GaAs相当。

上述第一导热衬底可采用Kovar合金、Invar系列合金、CuW或者Cu-Diamond复合材料，或者采用Cu/Invar/Cu、Cu/Kovar/Cu、Cu/W/Cu、Cu/Mo/Cu或Cu/Diamond/Cu复合结构；第二导热衬底可采用CuW或者Cu-Diamond复合材料，或者采用Cu/W/Cu、Cu/Mo/Cu或Cu/Diamond/Cu复合结构。

上述激光芯片可以是单发光点半导体激光芯片、单bar条半导体激光器芯片等。

本实用新型具有以下有益效果：

1、通过对激光芯片的接触平面整体均匀散热，提高了加热的均匀性，半导体激光器的发射光的光谱宽度不发生扩展。

2、通过小电流加热薄膜电阻产生少量的热即可调制半导体激光器的结温，使得半导体激光器的输出波长稳定在相应的工作波长，且结构简明、可靠。

3、通过在对应于激光芯片宽度方向上的两端区域镀金属层，方便了薄膜电阻的电连接。

附图说明

图1为实施例一的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为实施例二的结构示意图。

图4为电连接优化的实施例二的结构示意图。

附图标号说明：

1-第一导电导热衬底，2-第二导电导热衬底，3-激光芯片，4-绝缘导热基板，5-平面加热元件，6-金属层，7-绝缘导热衬底，71-内侧覆铜层，72-外侧覆铜层。

具体实施方式

本实用新型在激光芯片上增加平面加热元件(即接触平面整体均匀散热)，使结温稳定于高结温下，实现波长稳定。平面加热元件具体可为薄膜电阻或者厚膜电阻，并与激光芯片之间绝缘。

实施例一

如图1所示，激光芯片3经回流工艺键合于第一导电导热衬底1和第二导电导热衬底2之间(具体可为激光芯片的N面与第一导电导热衬底1键合，激光芯片的P面与第二导电导热衬底2键合)，在导电导热衬底上方设置平面加热元件5，并且平面加热元件与导电导热衬底之间设置有绝缘导热基板4。平面加热元件5优选薄膜电阻。

在基础热沉散热良好的情况下，第一导电导热衬底1的热导率范围在5W/mK～25W/mK范围内，且在-40～280℃温度范围热膨胀系数CTE等于或者接近6.5ppm/K，优选材料包括Kovar合金、Invar系列合金，或者Cu/Invar/Cu、Cu/Kovar/Cu三明治复合结构。

通过小电流加热薄膜电阻产生少量的热即可调制半导体激光器的结温，使得半导体激光器的输出波长稳定在相应的工作波长。

第二导电导热衬底2其热膨胀系数CTE与GaAs相等或者接近6.5ppm/K，包括CuW、Cu-Diamond复合材料，Cu/W/Cu、Cu/Mo/Cu、Cu/Diamond/Cu复合结构。第二导电导热衬底2同时可作为激光芯片的电极。

第一导电导热衬底1的导热率低于第二导电导热衬底2，使得平面加热元件产生的热量易于积累在激光芯片上，可使得平面加热元件仅产生少量热量就可以满足结温调制需求。

当薄膜电阻加热时，半导体激光器的结温分布均匀，半导体激光器的发射光的光谱宽度不发生扩展。

绝缘导热基板4在激光芯片腔长方向上的尺寸小于与其连接的导电衬底，预留的空间便于给半导体激光器实现电连接。所述绝缘导热基板要求热导率高，是良好的绝缘体，目的在于使得半导体激光器与薄膜加热电阻电绝缘。所述绝缘导热基板位于半导体激光器的中间位置，使得半导体激光器的结温更加均匀，半导体激光器的输出光光谱不发生扩展。

在对应于激光芯片宽度方向上的两端区域镀金属层，用于给薄膜加热电阻实现电连接。所述薄膜加热电阻在半导体激光器腔长方向的尺寸略小于绝缘导热基板，位于绝缘导热基板的中间，目的在于使得半导体激光器的结温更均匀，半导体激光器的输出光光谱不发生扩展。

该实施例优选的平面加热元件并不是传统的加热电阻，而是直接通过薄、厚膜的工艺蒸镀或者印刷在该绝缘导热基板(或绝缘导热衬底)上。

以图1所示结构为例，制作平面加热元件的工艺顺序为：先在绝缘导热基板的上表面对应于平面加热元件的两端蒸镀或者印刷出两块电极(即图中的金属层6)，然后在这两块电极之间的区域蒸镀或者印刷出该平面加热元件，使该平面加热元件填充两块电极之间的区域，且平面加热元件的两端分别搭接在两端电极上(平面加热元件截面呈T型)，作为该平面加热元件的电连接方式。当然，也可以先蒸镀或者印刷出平面加热元件，然后在平面加热元件两端蒸镀或者印刷出两块电极，使两块电极覆盖封闭平面加热元件两端(端面及部分上表面)。所以，为了满足接触平面整体均匀散热，实际的平面加热元件并不是严格意义上的平面，只是电阻层非常薄，使得平面加热元件近似平面。

实施例二

如图3所示，在实施例一结构的基础上，采用绝缘导热衬底7替代原第二导电导热衬底2和绝缘导热基板4，平面加热元件5直接设置于绝缘导热衬底7上。绝缘导热衬底7优选DBC或者DPC结构，通过覆铜结构实现电连接(即覆铜层作为电极)。

如图4所示，可通过导电通道将DBC下层金属层(内侧覆铜层71)与上层金属层(外侧覆铜层72)实现电连接，激光芯片于平面加热元件在同侧实现电连接，简化电极结构。