具有覆层的激光器端面的激光二极管芯片的制作方法
【专利摘要】描述一种激光二极管芯片(1)，其中至少一个激光器端面(9)具有覆层(10)。覆层(10)具有至少一个无机层(14，15，16，17，18)并且具有至少一个有机层(20，21，22)。
【专利说明】
具有覆层的激光器端面的激光二极管芯片
技术领域
[0001]本发明涉及一种具有至少一个激光器端面的激光二极管芯片，所述激光器端面具有覆层。
[0002]该专利申请要求德国专利申请102014102360.9的优先权，其公开内容通过参引并入本文。
【背景技术】
[0003]例如能够在紫外光谱范围中、在可见光谱范围中或者在红外光谱范围中发射的激光二极管芯片在许多应用中使用，例如在投影设备中、在照明技术中或在光学传感器中使用，例如用于手势识别。
[0004]在激光二极管芯片的许多应用中，使用可实现的高的光学的功率密度。然而在激光二极管芯片中实现的高的光学的功率密度引起:尤其发光的激光器端面经受非常高的电负荷、光负荷和热负荷。尤其发现:在激光二极管的运行中在湿度作用下能够出现激光器端面的氧化，所述氧化导致激光二极管芯片的退化。此外，存在如下危险:在激光二极管运行中，由于静电相互作用，颗粒积聚在激光器端面上，所述颗粒能够引起远场中的遮暗效果、激光特征曲线的斜度减小或反射镜的过热直至破坏(C0D，光学灾变损伤)。
[0005]此外，激光器端面的高的灵敏性需要在安装激光二极管芯片时极高的耗费。
【发明内容】
[0006]待实现的目的在于:提出一种特征在于改进的长期稳定性的激光二极管芯片。
[0007]该目的通过根据独立权利要求的激光二极管芯片实现。本发明的有利的设计方案和改进方案是从属权利要求的主题。
[0008]根据至少一种实施方式，激光二极管芯片具有至少一个激光器端面，所述激光器端面具有覆层。激光器端面尤其构成激光二极管芯片的共振镜。激光二极管芯片尤其能够是边缘发射激光二极管芯片，其中共振镜通过两个相对置的激光器端面形成。在这种情况下，优选两个激光器端面分别具有覆层，其中覆层能够至少在其光学特性、尤其反射率方面彼此不同。优选地，至少激光二极管芯片的起辐射出射面作用的激光器端面具有在此描述的覆层。
[0009]在激光二极管芯片中，至少一个激光器端面的覆层有利地具有至少一个无机层，优选多个无机层，并且具有至少一个有机层。换言之，覆层是无机-有机杂化结构。
[0010]包含在覆层中的至少一个无机层例如能够是提高反射的或降低反射的层。尤其地，覆层能够包含多个无机层，所述无机层至少部分地包含在提高反射的或降低反射的层序列中。通过提高反射的或降低反射的层或层序列能够有针对性地调节激光器端面的反射率。
[0011]通过包含在覆层中的至少一个有机层能够有利地实现覆层的至少一个附加的功能。尤其地，至少一个有机层能够具有保护层的功能，所述保护层尤其改进激光二极管芯片的长期稳定性。通过至少一个有机层尤其能够减少湿气的扩散或颗粒的积聚。因此，与单纯的无机的覆层相比，无机-有机的杂化结构的特征在于改进地保护激光二极管芯片免受退化影响。
[0012]有利地，通过原子层沉积(ALD，atomic layer deposit1n)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)、离子束沉积(IBD)或离子镀(IP)制造覆层的至少一个无机层。
[0013]优选地，通过分子气相沉积(MVD)或分子层沉积(MLD)制造至少一个有机层。这些沉积方法尤其适合用于制造起扩散阻挡作用的有机层。此外，至少一个有机层例如能够通过PVD方法、溶胶-凝胶方法或通过浸没覆层制造。
[0014]根据一个设计方案，至少一个有机层包括扩散阻挡层。有机扩散阻挡层尤其构成对于湿气和/或氧气的阻挡部。以该方式减少尤其通过氧化引起的激光器端面的退化。
[0015]此外，至少一个有机层具有如下优点:与无机的介电层相比，所述有机层是相对弹性的，使得有机层在运行引起的温度变化中能够弹性地变形。以该方式减小由于热引发的应力而在覆层中形成裂纹的危险。
[0016]至少一个有机层、尤其扩散阻挡层优选包含烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、环烯烃、聚酰胺或铝醇盐。
[0017]根据一个有利的设计方案，至少一个有机层包括有机的覆盖层。在该设计方案中，有机的覆盖层是覆层的邻接于环境介质的最外面的层。
[0018]有利地，有机的覆盖层是疏水性层和/或不粘层。在这种情况下，覆层的背离激光器端面的表面有利地是拒水的和/或阻碍附着的。通过疏水性层和/或不粘层有利地减少颗粒的聚集和/或湿气的侵入。有机的覆盖层有利地具有对于水大于90°的接触角。接触角是用于借助水对表面的可润湿性的度量。
[0019]有机的覆盖层尤其能够具有碳纳米管、有机的氟化合物或硫化合物、硫醇、硅烷。这些材料尤其适合用于构成疏水性层。优选地，有机的覆盖层是单层、尤其自组装的单层(SAM，自组装单层)。
[0020]在另一优选的设计方案中，有机的覆盖层包含氯硅烷、胺类、乙醇、碳酸、硅氧烷或二甲氨基硅烷。这些材料尤其适合用于构成不粘层。不粘层优选通过MVD方法施加。
[0021]有机的覆盖层的拒水的或阻碍附着的特性能够通过覆盖层的材料、尤其通过表面的化学特性，和/或通过其结构决定。尤其地，有机的覆盖层能够具有表面结构，通过所述表面结构实现拒水效应，即所谓的莲花效应。
[0022]根据一个优选的设计方案，至少一个无机层包括导热层。通过导热层能够有利地在激光二极管芯片运行中在激光器端面上导出所形成的热。用于导热层的优选的材料是透明导电氧化物，例如ITO或ZnO。其他优选的材料是GaN、AlN、类金刚石碳(DLC)、SIC或石墨。导热层尤其也能够是导电的。出于该原因，有利的是:导热层不直接施加到激光器端面上，因为否则会存在激光二极管芯片的半导体层的短路的危险。
[0023]如果导热层具有这类小的导电性，使得不存在短路危险，那么导热层也能够直接施加到激光器端面上。在这种情况下，热量能够尤其好地从激光二极管芯片导出。
[0024]在一个优选的设计方案中，导热层设置在第一有机扩散阻挡层和第二有机扩散阻挡层之间。这是有利的，因为有机扩散阻挡层是相对弹性的进而导热层的温度引起的膨胀优选能够在弹性的膨胀范围中补偿。
[0025]在一个优选的设计方案中，至少一个无机层包括直接邻接于激光器端面的介电的保护层。介电的保护层优选是借助原子层沉积制造的层。借助原子层沉积能够制造尤其紧密的层，所述层尤其构成对于湿气的扩散阻挡部。介电的保护层优选具有氧化物、氮化物或氮氧化物。
[0026]覆层尤其能够具有多个无机层。根据一个有利的设计方案，无机层至少部分地设置在提高反射的或降低反射的层序列中。提高反射的或降低反射的层序列尤其能够具有交替的层，所述层具有交替较高的和较低的折射率。
[0027]覆层的、尤其提高反射的或降低反射的层序列的无机层优选包含介电的材料，尤其氧化物、氮化物或氮氧化物。无机层尤其能够具有以下材料中的至少一种:Si02、Al203、
Ti02、Ta205、Si3N4、Zr02、Hf02、Nb205、Y203、Ho203、Ce03、Lu203、V205、HfZr0、Mg0、TaC、Zn0、Cu0、In203、Yb203、Sm203、Nd203、Sc203 ;B203、Er203、Dy203、Tm203、SrTi03、BaTi03、PbTi03、PbZr03、Ga203、HfA10 或 HfTaO。
[0028]提高反射的或降低反射的层序列仅由无机层构成是可行的。
[0029]在一个优选的设计方案中，覆层具有导热层，所述导热层设置在介电的提高反射的或降低反射的层序列和有机的扩散阻挡层之间。在这种情况下，导热层有利地通过介电的提高反射的或降低反射的层序列与激光器端面绝缘，所述激光器端面因此也能够具有导电的材料。
[0030]在一个优选的设计方案中，提高反射的或降低反射的层序列包含无机层和有机层、尤其交替的无机层和有机层。提高反射的或降低反射的层序列尤其能够具有交替的、折射率高的无机层和折射率低的有机层，或替选地具有交替的、折射率低的无机层和折射率高的有机层。在该设计方案中，有机层和/或无机层有利地分别具有在Inm和350nm之间、优选在5nm和200nm之间并且尤其优选在I Onm和I OOnm之间的厚度。
[0031]提高反射的层序列中层的数量有利地在2和50之间、尤其优选在4和20之间。
【附图说明】
[0032]以下根据实施例结合图1至8详细阐述本发明。
[0033]附图示出:
[0034]图1示出贯穿根据第一实施例的激光二极管芯片的子区域的横截面的示意图，
[0035]图2示出贯穿根据第二实施例的激光二极管芯片的子区域的横截面的示意图，
[0036]图3示出贯穿根据第三实施例的激光二极管芯片的子区域的横截面的示意图，
[0037]图4示出贯穿根据第四实施例的激光二极管芯片的子区域的横截面的示意图，
[0038]图5示出贯穿根据第五实施例的激光二极管芯片的子区域的横截面的示意图，
[0039]图6示出贯穿根据第六实施例的激光二极管芯片的子区域的横截面的示意图，
[0040]图7示出贯穿根据第七实施例的激光二极管芯片的子区域的横截面的示意图，
[0041]图8示出贯穿根据第八实施例的激光二极管芯片的子区域的横截面的示意图。
[0042]在附图中相同的或起相同作用的组成部分分别设有相同的附图标记。所示出的组成部分以及组成部分彼此间的大小比例不能够视为是按比例的。
【具体实施方式】
[0043]在图1中以横截面示意示出的激光二极管芯片I具有施加到衬底6上的半导体层序列。
[0044]半导体层序列例如包含施加到衬底6上的缓冲层2、第一包覆层3a、第一波导层4a、有源层5、第二波导层4b和第二包覆层3b。半导体层序列能够包含为了简化而未示出的其他层。此外，至少半导体层序列的子区域能够是结构化的，例如结构化成脊波导结构。对于激光二极管芯片适合的波导结构本身是已知的进而为了简化而未详细示出。
[0045]边缘发射的半导体激光器的有源层5例如能够构成为pn结、双异质结构、单量子系统结构或多量子系统结构。术语量子系统结构在本申请的范围中包括如下的任意结构，其中载流子通过限域(“限域Confinement”)经受其能量状态的量子化。尤其地，术语量子系统结构不包含关于量子化维度的说明。所述术语量子系统结构因此还包括量子阱、量子线和量子点和这些结构的任意组合。
[0046]激光二极管芯片I的半导体层序列优选基于II1-V族化合物半导体材料、尤其砷化物半导体材料、氮化物半导体材料或磷化物半导体材料。例如，半导体层序列能够包含InxAlyGaityAs、InxAlyGaityN或InxAlyGai—x—yP，分别其中(Xx<l、(Xy< I并且x+y<l。在此，II1-V族化合物半导体材料不必强制地具有根据上述式的任一项的数学上精确的组分。更确切地说，其能够具有一种或多种掺杂材料以及附加的组成部分，所述组成部分基本上不改变材料的物理特性。然而，为简单起见，上述式仅包含晶格的主要组成部分、即使所述组成部分能够部分地通过少量其他物质取代是也如此。
[0047]在此，根据激光二极管芯片I的期望的发射波长进行材料选择。根据优选的外延生长的半导体层序列选择衬底6并且所述衬底尤其能够具有GaAs、蓝宝石、SiC、GaN或硅。
[0048]为了激光二极管芯片的电接触，第一接触层7设置在衬底6的背离半导体层序列的后侧上，并且第二接触层8设置在半导体层序列的背离衬底6的一侧上。
[0049]激光二极管芯片I具有设有覆层10的激光器端面9。激光器端面9尤其能够构成激光二极管芯片I的共振镜中的一个。在部分图中未示出的、与激光器端面9相对置的其他的激光器端面能够构成激光二极管芯片的第二共振镜并且设有其他覆层，所述其他覆层能够具有与激光器端面9的下面描述的覆层10相同的有利的设计方案。在这种情况下，其他覆层不必与覆层10—致，而是例如能够具有不同于覆层10的光学特性、尤其不同的反射率。
[0050]设有覆层10的激光器端面9尤其能够设置作为激光二极管芯片I的辐射出射面。
[0051]在该实施例中，覆层10包括第一提高反射的或降低反射的层序列11，所述层序列具有多个交替的第一层13和第二层14。在该实施例中，提高反射的或降低反射的层序列11具有由第一层13和第二层14构成的三个层对、即总共6个层。通常，层13、14的数量在2和50之间、优选在4和20之间。交替的层13、14例如分别是无机的介电的层，所述层交替地具有高的折射率和低的折射率。提高反射的或降低反射的层序列11例如能够交替地具有由Al2O3构成的第一层13和由材料Ti02、Zr02或Ta2O5中的一种构成的第二层14。在该设计方案中，第一层相应地具有低的折射率并且第二层具有高的折射率。替选地，第一层具有高的折射率并且第二层具有低的折射率也是可行的。此外，提高反射的或降低反射的层序列11也能够具有奇数的层，也即是说，在层序列11中除了层对之外，还包含具有低的或高的折射率的另外的层。
[0052]在该实施例中，覆层10还包括提高反射的或降低反射的第二层序列12，所述第二层序列由交替的第三层15和第四层16构成，所述层如在提高反射的或降低反射的第一层序列11中那样有利地交替地具有低的折射率和高的折射率。使用两个依次的提高反射的或降低反射的层序列11、12能够适合于:例如将提高反射的或降低反射的第一层序列11的材料在其热膨胀系数方面匹配于激光二极管芯片的邻接的半导体材料。能够选择提高反射的或降低反射的第二层序列11的材料，例如以实现其折射率的尽可能大的差异。
[0053]但替选地，覆层10仅包含提高反射的或降低反射的层序列11也是可行的。此外，可行的是:使用提高反射的或降低反射的单层代替提高反射的或降低反射的第一层序列和/或提高反射的或降低反射的第二层序列11、12。
[0054]提高反射的或降低反射的第一层序列11和提高反射的或降低反射的第二层序列12不必仅由无机层构成。更确切地说，替选地，可行的是:提高反射的或降低反射的层序列
11、12中的至少一个具有交替的无机层和有机层。在一个设计方案中，例如提高反射的或降低反射的第一层序列11具有交替的有机的第一层13和无机的第二层14。在该设计方案中，集成到提高反射的或降低反射的层序列11中的有机层13具有如下优点:与无机的介电的层相比，所述有机层是相对弹性的。当在激光二极管I的运行中出现热引起的应力时，那么这尤其是有利的。
[0055]此外，覆层10有利地包括覆盖层20，所述覆盖层在图1的实施例中是疏水性有机层。疏水的有机的覆盖层20具有对于水大于90°的接触角。疏水的有机的覆盖层20尤其用于保护激光器端面9免受湿气影响。疏水的有机的覆盖层20例如能够包含碳纳米管或有机的氟化合物或硫合化物，所述氟化合物或硫合化物尤其具有硫醇基或硅烷基。疏水的有机的覆盖层20优选是单层、尤其自组装的单层。
[0056]在图2中示出激光二极管芯片I的第二实施例。所述第二实施例与第一实施例区别在于:提高反射的或降低反射的第二层序列12在覆层10的生长方向上跟随有机层，所述有机层尤其是用于避免氧气或湿气扩散的扩散阻挡层21。由此，还更好地保护激光器端面9免于氧化影响。
[0057]有机的扩散阻挡层21优选包含烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、环烯烃、聚酰胺或铝醇盐。在其他方面，第二实施例对应于前述的第一实施例。
[0058]在图3中示出的第三实施例中，将覆层10施加到激光器端面9上，所述覆层自激光器端面9起具有介电的保护层18、提高反射的或降低反射的层序列11和有机的扩散阻挡层21。介电的保护层18有利地直接邻接于激光器端面9并且优选的是借助原子层沉积制成的层。借助原子层沉积尤其能够沉积紧密的介电的层，所述层显示出防止湿气侵入的尤其好的保护。介电的保护层优选具有氧化物、氮化物或氮氧化物。介电的保护层18例如能够具有Si02、Si (OxN1-X)^Al2O3 或 Al2(OxN1I)3 或尤其构成的组合物。
[0059]随介电的保护层18之后的提高反射的或降低反射的层序列11关于其有利的设计方案对应于第一实施例。
[0060]有机层21能够如在第二实施例中那样尤其起扩散阻挡层作用。在该实施例中，所述有机层同时构成覆层10的覆盖层。有机的扩散阻挡层21具有如下优点:其与无机层相比是相对弹性的进而尤其是尤其抗撕裂的。由此，减小如下危险:例如通过在激光二极管芯片I运行中出现的、由温度引起的应力在有机的扩散阻挡层21中出现裂纹。
[0061]在图4中示出的第四实施例中，将覆层10施加到激光器端面9上，所述覆层自激光器端面9起具有提高反射的或降低反射的层序列11、导热层17、有机的扩散阻挡层21和疏水的有机层20作为覆盖层。
[0062]该实施例与前述的第二实施例的区别在于:在提高反射的或降低反射的层序列11和有机的扩散阻挡层21之间有利地设置导热层17，通过所述导热层能够导出在激光二极管芯片I运行中产生的热的至少一部分。导热层17尤其也能够具有导电的材料，因为所述导热层与激光二极管I的半导体层序列通过介电的提高反射的层序列11绝缘。导热层17例如能够包含IT0、Zn0、GaN、AlN、类金刚石碳(DLC)、SiC或石墨。
[0063]在图5中示出的第五实施例与第四实施例的区别在于:代替疏水的有机的覆盖层，在覆层10中包含有机的不粘层22作为覆盖层。不粘层22有利地降低颗粒在激光器端面上的积聚。在其他方面，颗粒的这种积聚能够由于静电的相互作用在激光二极管芯片I的运行中出现。
[0064]不粘层22优选通过MVD方法或MLD方法施加并且优选包含氯硅烷、胺类、乙醇、碳酸、硅氧烷或二甲氨基硅烷。
[0065]在图6中示出的第六实施例中，覆层10自激光器端面9起具有介电的保护层18、导热层17、提高反射的或降低反射的层序列11和疏水的有机层20作为覆盖层。各个层的有利的设计方案和功能对应于前述的实施例进而在此不详细阐述。
[0066]在图7中示出的第七实施例中，覆层10自激光器端面9起具有提高反射的或降低反射的层序列11、有机的第一扩散阻挡层21a、导热层17、有机的第二扩散阻挡层21b和疏水的有机的覆盖层20。在该实施例中，导热层17设置在两个有机的扩散阻挡层21a、21b之间，所述有机的扩散阻挡层有利地是弹性的进而导热层17的温度引起的膨胀优选能够在弹性的膨胀范围中补偿。各个层的有利的设计方案和功能对应于前述的实施例进而在此不详细阐述。
[0067]在图8中示出的第八实施例中，覆层自激光器端面9起具有无机的介电的保护层
18、提高反射的或降低反射的层序列11、导热层17、有机的扩散阻挡层21和疏水的有机层20作为覆盖层。代替疏水的有机层20，有机的不粘层能够起覆盖层作用。各个层的作用原理对应于上述实施例并且在此不再详细阐述。
[0068]本发明不通过根据实施例的描述而受到限制。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的每个组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的每个组合，即使该特征或者该组合本身未详细地在权利要求中或者实施例中说明时也是如此。
【主权项】
1.一种具有至少一个激光器端面(9)的激光二极管芯片(I)，所述激光器端面具有覆层(10)， 其中所述覆层(10)具有至少一个无机层(14，15，16，17，18)和至少一个有机层(20，21，22)。2.根据权利要求1所述的激光二极管芯片， 其中至少一个所述有机层包括扩散阻挡层(21)。3.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片， 其中至少一个所述有机层(21)具有烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、环烯烃、聚酰胺或铝醇土卜ΠΤΤ.04.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片， 其中至少一个所述有机层包括有机的覆盖层(20，22)。5.根据权利要求4所述的激光二极管芯片， 其中所述有机的覆盖层(20，22)是疏水性层(20)和/或不粘层(22)。6.根据权利要求5所述的激光二极管芯片， 其中所述有机的覆盖层(20，22)具有对于水大于90°的接触角。7.根据权利要求4至6中任一项所述的激光二极管芯片， 其中所述有机的覆盖层(20，22)包含碳纳米管、有机的氟化合物或硫化合物、硫醇、硅烷、氯硅烷、胺类、乙醇、碳酸、硅氧烷或二甲氨基硅烷。8.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片， 其中至少一个所述无机层包括导热层(17)。9.根据权利要求8所述的激光二极管芯片， 其中所述导热层(17)设置在第一有机扩散阻挡层(21b)和第二有机扩散阻挡层(21b)之间。10.根据权利要求8或9所述的激光二极管芯片， 其中所述导热层(17)具有透明导电氧化物，IT0、Zn0、GaN、AlN、类金刚石碳(DLC)、SIC或石墨。11.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片， 其中至少一个所述无机层包括介电的保护层(18 )，所述保护层直接邻接于所述激光器端面(9)。12.根据权利要求11所述的激光二极管芯片， 其中所述介电的保护层(18)是ALD层。13.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片， 其中至少一个所述无机层包括提高反射的层或降低反射的层。14.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片， 其中所述覆层(10)具有多个无机层(14，15，16)，所述无机层至少部分地设置在提高反射的层序列或降低反射的层序列(11，12)中。15.根据权利要求14所述的激光二极管芯片， 其中所述提高反射的层序列或降低反射的层序列(12)包含无机层(14)和有机层(13)。16.根据权利要求2、8和14所述的激光二极管芯片， 其中所述导热层(17)设置在所述提高反射的层序列或降低反射的层序列(11，12)和所述有机扩散阻挡层(21)之间。17.根据上述权利要求中任一项所述的激光二极管芯片， 其中至少一个所述无机层(14，15，16，17，18)具有以下材料中的至少一种:Si02、Al203、Ti〇2、Ta205、Si 3N4、Zr02、Η??2、他2〇5、Y203、Ho203、Ce03、Lu203、V205、HfZrO、MgO、TaC、ZnO、CuO、In203、Yb203、Sm203、Nd203、Sc203 ;B203、Er203、Dy203、Tm203、SrTi03、BaTi03、PbTi03、PbZr03、Ga203、HfA10 或 HfTaO。
【文档编号】H01S5/028GK106063058SQ201580010230
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月16日
【发明人】艾尔弗雷德·莱尔, 塞巴斯蒂安·特格尔, 索菲娅·赫普曼
【申请人】欧司朗光电半导体有限公司