一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构及减少封装应力的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于减少半导体激光器封装应力的芯片结构，属于半导体激光器 芯片工艺技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着科技的进步和社会的发展，大条宽长腔长的半导体激光器由于其高效率、长 寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑等优点，在各领域的应用逐步扩展，广泛应用于医 疗、显示、通讯、激光栗浦和安保等领域。对于半导体激光器不仅要求高输出功率，还要求单 一而稳定的波长，以保证激光的照射、传导或栗浦效果。目前普遍采用的半导体激光器芯片 的结构如图1所示，是在半导体基片1上采用金属有机气相外延法顺次生长第一包覆层2、 第一光波导层3、发光活性层4、第二光波导层5和第二包覆层6,而后利用光刻和气相外延 生长的方法，刻蚀去除部分第二光波导层5和第二包覆层6后形成发光增益区域A，然后部 分覆盖注入阻隔层7,再沉积P面电接触层8,形成电流注入区域W，最后沉积N面电接触层 9。通过电流注入区域W和光增益区域A对电子和光子的限域效应，提升激光器的输出功率 和稳定性。激光器芯片需要通过焊料烧结到热沉上使用，一般工艺是将焊料层与P面电接 触层8烧结和合金。金属焊料在烧结的升降温过程中形变较半导体发光层要大得多，在发 光增益区域两侧的焊料会在烧结后对发光增益区域A产生显著的残余应力，如图1中的箭 头所示。
[0003] 目前半导体激光器一般采用的量子阱结构中，量子尺寸效应使有源区材料的重空 穴与轻空穴的能带简并度解除，这对应于晶体中的对称性发生变化，会导致跃迀矩阵元的 各向异性。当阱材料受到平行或垂直于阱面方向的应变作用时，其价带顶的重空穴能级和 轻空穴能级的位置、曲率和有效质量均将发生变化。因此，发光增益区域受到的应力不仅影 响半导体激光器的阈值电流和增益效应，还将改变出射激光的物理特性，激光的波长、峰位 和偏振模式都将发生变化，一般表现为激光波长出现多双峰且不断变换（如图3所示）。而 正常工作所需的是单一发光峰且波长位置稳定的激光器。因而，需要优化芯片结构，降低半 导体激光器烧结后的焊料残余应力。
[0004] 中国专利文献CN103427330A提出了一种降低应力的激光器芯片结构和热沉结构 及其制备方法，包括激光器芯片主体，激光器芯片主体具有正极和与外部电极电性连接的 负极，正极上设置有多个发光部，发光部之间设置有第一凹槽；还包括在位于激光器芯片主 体的第一凹槽相对应的位置开有第二凹槽的热沉结构，第二凹槽与第一凹槽一一对应。该 技术方案利用芯片和热沉结构上相互对应的凹槽，降低封装后的应力。但这样设计的结构 针对的是巴条型激光器芯片的封装，通过在芯片与热沉对应位置开有凹槽，减小了相邻芯 片间的受力差异，从而减少热应力造成的巴条弯曲，实现低应力封装，其芯片结构与现有的 工艺基本相同，并没有对每个芯片在封装中的应力进行降低。主要是靠热沉上的凹槽减少 了封装过程中热沉的收缩量，从而缓解芯片与热沉之间热膨胀系数不同造成的应力，所采 用的热沉结构需要特别加工制造，并且在封装时需要与巴条上芯片的位置逐一对应，增加 了封装成本以及工艺复杂度，不易实现。
[0005] 综上所述，现有半导体激光器工艺中对输出激光发光峰和波长的稳定性的研究以 及对半导体激光器芯片的封装应力的关注，均为从芯片内的外延结构或者与芯片贴合的热 沉上进行修改和优化。而实际应用中激光器芯片是通过焊料贴装到热沉上的，所受到的应 力作用也是由于焊料和热沉的变形并经由焊料传递到芯片发光层的。本发明人研究发现芯 片的外侧形状和结构的优化，对调控芯片表面的焊料的分布状态，进而降低封装应力甚为 重要，因此提出本发明。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供一种具有低的封装应力和高的激光输出稳定性 的半导体激光器芯片结构，以解决现有技术中半导体激光器芯片在封装后由于烧结残余应 力而造成的激光多双峰且波长位置不稳定等问题。
[0007] 本发明还提供所述半导体激光器芯片结构的加工方法。
[0008] 本发明还提供一种减少半导体激光器封装应力的方法。
[0009] 发明概述：在半导体基片上通过金属有机气相外延法及光刻工艺形成的具有电流 注入区域和发光增益区域的增益波导型半导体激光器结构中，在发光增益区域两侧形成具 有沿激光振荡方向延伸的2个沟槽；通过适当加大沟槽的开口宽度和调控开口宽度和深度 比，使后续封装工序的焊料充分进入和浸润到沟槽内并减少了发光增益区域两侧的焊料， 以保证芯片烧结面的导电导热能力，从而明显降低烧结封装后产生的残余应力，使得通过 焊料烧结到热沉上的激光器芯片的发光峰位单一且波长稳定。
[0010] 本发明的技术方案如下：
[0011] 一种减少半导体激光器封装应力的芯片结构，包括半导体基片，该芯片结构是在 上述半导体基片上通过金属有机气相外延法形成的具有电流注入区域和发光增益区域的 增益波导型半导体激光器结构；具有沿激光振荡方向延伸的2个沟槽，上述发光增益区域 设置于2个沟槽的中间位置；通过适当加大沟槽的开口宽度及调控开口宽度和深度比，使 后续封装时的焊料充分进入和浸润到沟槽内并减少了发光增益区域两侧的焊料；
[0012] 所述2个沟槽开口的宽度之和占芯片宽度的总比例控制在5-30%，所述沟槽的开 口宽度和深度的比例在2-50。
[0013] 通过适当加大沟槽开口的宽度和控制沟槽开口宽度和深度的比例，可使焊料充分 进入和浸润沟槽内部以保证芯片烧结面的导电导热能力；通过在发光增益区域两侧设置2 个适当宽度的沟槽并调控开口宽度和深度比，能显著减少发光增益区域周围的焊料，从而 明显降低烧结封装后产生的残余应力，获得发光峰位单一且稳定的激光器芯片。
[0014] 根据本发明优选的，所述半导体激光器芯片的宽度为100-500 μπι，发光增益区域 的宽度为芯片宽度的20% -80 %，发光增益区域的宽度一般为20-200 μ m。
[0015] 根据本发明优选的，所述沟槽的截面形状为方形、梯形或半圆形。采用梯形时，沟 槽下边长与上开口的比例在50% -150%。
[0016] 根据本发明优选的，所述的2个沟槽形状、尺寸相同。
[0017] 根据本发明优选的，沟槽开口的宽度为5-50 μπι，占芯片宽度的总比例控制在 5-30%，以减少发光增益区域周围的焊料；
[0018] 根据本发明优选的，沟槽的深度为0. 5-5 μ m，沟槽的宽度和深度的比例在2-50， 进一步优选沟槽的宽度和深度的比例在10-20 ;以保证焊料充分进入和浸润沟槽内部。特 别优选沟槽的宽度和深度之比为15-17。最优选沟槽的宽度和深度之比为15。
[0019] 根据本发明进一步优选，沟槽的开口宽度为15-30 μ m，深度为1-2 μ m。
[0020] 根据本发明优选的，所述半导体基片选自GaAs基片、SiC基片、InP基片或GaN基 片。
[0021] 本发明所述的增益波导型半导体激光器结构，是在半导体基片上采用金属有机气 相外延法顺次生长第一包覆层、第一光波导层、量子阱结构的发光活性层、第二光波导层和 第二包覆层；利用光刻工艺在表面进行刻蚀，至少将部分区域内的全部第二包覆层和适当 厚度的第二光波导层去除，形成2个沟槽，沟槽之间余留部分形成发光增益区域；再利用气 相外延生长的方法沉积阻隔层，中间部分不沉积，以留出发光增益区域的电注入窗口，即发 光增益