具有集成热孔的激光二极管的制作方法

本发明涉及一种具有集成热孔的激光二极管。

背景技术：

1、大面积二极管激光器(bal)可以表现出特别高的效率和亮度。使用这些发射器，可以可靠地实现>15w的输出功率。bal是近红外(nir)辐射最有效的光源，因此它们被广泛用作固态和光纤激光器的泵浦源。它们也是光纤耦合激光系统的关键元件，该系统旨在以高的墙插效率(wall-plug efficiencies)为材料处理提供高辐射光束。为了增加这些系统的输出功率并降低其成本，重要的是提高慢轴的光束质量，因为这使得能够在低数值孔径(na)光纤中耦合更多数量的发射器。

2、然而，在高的光输出功率和相关的工作电流下，光束质量通常会显著下降，这对光纤中的耦合具有特别不利的影响。研究表明，慢轴中的热透镜(而不是电荷载流子或增益诱导的引导)是在工作电流增大时光束质量下降的主要原因之一(bai,j.g.et al,mitigation of thermal lensing effect as a brightness limitation of high-powerbroad area diode lasers,proc.spie 7953,79531f(2011))。因此，在高输出功率下光束质量下降的决定性因素是由于激光条带下的中心区域中的温度升高而形成横向温度梯度，这导致折射率的局部增大，从而导致额外的横向波导，并因此导致更大的发散角。

3、特别地，为了改善热传递，已经提出了延长激光谐振器或影响激光二极管和基座之间的热流(热路径技术；参见例如bai等人，de 10 2013 114226b4和us2016 0315446a1)。这可以减小横向温度梯度，从而使产生的热透镜变平。然而，具有较长谐振器的二极管激光器具有较高的制造成本。然而，最近已经表明，在激光二极管和适当的金属化之间的界面处形成了高的热障，这显著降低了热路径技术对热透镜的有效性(rieprich,j.etal,chip-carrier thermal barrier and its impact on lateral thermal lensprofile and beam parameter product in high power broad area lasers,j.appl.phys.123,125703(2018))。

4、另一种减小横向温度梯度的方法是用外部热源额外加热激光二极管(hohimer,j.p.,mode control in broad area diode lasers by thermally induced lateralindex tailoring,appl.opt.phys.lett.52,260(1988))。然而，将外部热源集成到二极管激光器中是非常复杂的，因此不太实用。

5、横向温度梯度的降低也可以通过经过特殊调整的层状结构来实现(winterfeldt,m.et al,assessing the influence of the vertical epitaxial layer design on thelateral beam quality of high-power broad area diode lasers,proc.spie 9733,97330o(2016))。然而，这样的调整只能略微改善横向光束质量。此外，这种调整只有在某些激光器的设计中才是可能的。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种激光二极管，其中横向温度梯度可以被减小并且产生的热透镜可以变平。特别地，激光二极管不需要任何外部热源或芯片外部的层结构(例如，金属化)的调整，即，仅基于二极管激光器内的单片集成结构。

2、根据本发明，这些目的通过专利权利要求1的特征来实现。本发明的适宜的实施例被包括在相应的从属权利要求中。

3、根据本发明的激光二极管包括形成在n型掺杂半导体材料和p型掺杂半导体材料之间的有源层，该有源层沿着纵轴形成用于产生电磁辐射的宽度为w的有源区；其中，在p型掺杂半导体材料中，形成有导热系数kblock小于p型掺杂半导体材料的导热系数kbulk的以层状形成的热孔(例如在有源区和激光二极管的冷却下侧之间的p型掺杂半导体材料中)，用于从有源区到p型掺杂半导体材料的与有源层相对的一侧的空间选择性热传递；或者在n型掺杂半导体材料中，形成有导热系数kblock小于n型掺杂半导体材料的导热系数kbulk的以层状形成的热孔，用于从有源区到n型掺杂半导体材料的与有源层相对的一侧的空间选择性热传递。

4、因此，根据本发明的热孔可以形成在p型掺杂半导体材料和n型掺杂半导体材料两者中，优先地在相应的半导体材料中形成。在下文中，将p侧热孔假定为示例，但是解释相应地适用于n侧热孔。

5、激光二极管被理解为由具有或不具有金属化的半导体材料(所谓的激光芯片)组成的层结构。术语半导体材料在这里一般用于指代任何半导体材料或半导体材料的组合，例如alingaasnsb材料系统的组合。特别地，n型掺杂半导体材料和p型掺杂半导体材料也可以各自包括不同成分的不同类型或不同掺杂水平的相应半导体材料的层系统。因此，该用法被理解为与术语n侧半导体材料和p侧半导体材料同义。

6、在n型掺杂半导体材料和p型掺杂半导体材料之间的过渡区域处形成有源层。电磁辐射的产生发生在有源区内的有源层的电泵浦区域中。激光二极管工作期间产生的大部分热量都是在那里产生的，这些热量必须相应地消散。这具体可以通过基座来实现，例如因此基座可以导热地连接到有源区下方的激光二极管的下侧。激光二极管的下侧和基座之间的连接是现有技术，并且可以特别通过焊接或胶合来实现。

7、根据本发明，导热系数kblock小于周围p型掺杂半导体材料的导热系数kbulk的以层状形成的热孔形成在有源区下方的p型掺杂半导体物质中，用于从有源区到激光二极管下侧的空间选择性热传递。导热系数(也称为热导率或导热系数)基于热传导来确定通过材料的热流。该值越低，材料的导热性质就越差。根据本发明，热孔旨在通过在横向方向上局部增加常规加宽区域(在有源区的横向下方)中的热阻来抵消有源区和激光二极管的下侧之间的区域中的热流的空间横向加宽来减小横向温度梯度(即，使热透镜变平)。作为其热阻增大的结果，随着增大的输出功率在条带内(在中心区域中)产生了更多的热量，侧面区域(热孔)的局部温度升高。这对应于中心区域和侧面区域之间较低的热梯度，从而对应于更平坦的热透镜。

8、关于两个导热系数之间的关系，有源区下方的p型掺杂半导体材料的导热系数kbulk特别重要。在由若干层组成的p型掺杂半导体材料的情况下，各个层可以各自具有略微不同的导热系数klayer。导热系数kbulk可以被视为涉及热流的所有层的作为结果的导热系数。作为近似，有源区下方的p型掺杂半导体材料的平均导热系数也可以用于p型掺杂半导体材料的导热系数kbulk。或者，作为近似，p型掺杂半导体材料的导热系数kbulk也可以等于p型掺杂半导体材料的p-接触层的导热系数kks。

9、因此，本发明的思想特别是通过将单片集成热孔(内部热路径技术)直接集成到激光二极管中，来实现平坦热透镜。相反，由于本征半导体-金属热障的存在，外部热路径技术的效果较差。根据本发明的热孔也可以放置在非常靠近有源区的位置，从而使热流在横向方向上的加宽最小化，从而产生特别平坦的热透镜。因此，现有技术中已知的热路径技术可以应用于激光二极管内，显著提高了其有效性和效率。

10、优选地，热孔由半导体材料组成。这应当具有特别低的热导率(对于低导热系数kblock)。此外，优选高的电导率。特别地，热孔可以由与p型掺杂半导体材料相同的半导体材料系统构成(例如，在gaas衬底上的alingaasp复合物的情况下：gaas和algaas作为p型半导体材料)。可以通过改变铟和/或磷含量来降低导热系数kblock(例如，在gaas衬底上的alingaasp复合物的情况下：gaas和algaas作为p型半导体材料，ingap或ingaasp作为热孔)。

11、优选地，为了实现特别小的导热系数kblock，热孔由周期性交替的材料(例如，不同的半导体或半导体和空气)形成，在材料之间具有大量的有规律的交替，形成热导率klayer差异很大的许多界面。界面之间的热传递受到限制，导致热导率kblock进一步降低(seej.piprek et al,thermal conductivity reduction in gaas-alas distributed braggreflectors,in ieee photon.tech.lett.10,81(1998))。

12、优选地，热孔可以用光子晶体结构来实现。光子晶体结构被理解为可以影响光子在晶格内的运动的三维周期性纳米结构。通常，为了产生高的折射率对比度，在结构中形成填充有空气或其他特别低的折射率材料的开口(“气孔”)。这些开口和多种材料的转变导致了这些材料中热导率的显著的降低。总之，光子晶体结构可用于创建具有良好光学性质和非常低的热导率的区域。这同样适用于一维周期晶格(超晶格)，其中两种不同材料的薄层，特别是半导体材料的薄层交替排列在彼此的顶部。

13、利用根据本发明的激光二极管，有源区下方的区域的光学性质可以因此在很大程度上被保持，尽管有额外的热孔。

14、例如，对于基于gaas(kks≈44w/(m·k))或alxga1-xas(kks≈11-91w/(m·k))的激光二极管，可以构造ingap(kblock≈5w/(m·k))、ingaasp(kblock≈5w/(m·k))、ingaassb或ingap-ingaasp超晶格(kblock≈2.5w/(m·k))的热孔。

15、为了获得足够的孔径效应，导热系数kblock应尽可能低。导热系数kblock应优选地为相应体块值(bulk value)kbulk的至多30％，更优选地为至多10％，再优选地为至多5％，特别优选地为至多1％。利用ingap-ingaasp超晶格，可以实现导热系数kblock大约是ingap和ingaasp的导热系数k值的一半(见j.piprek et al.,thermal conductivity reductionin gaas-alas distributed bragg reflectors,in ieee photon.tech.lett.10,81(1998))。然而，通过光子晶体结构可以实现低得多的热导率。

16、优选地，热孔形成间隙形状的通道区域，该区域平行于有源层布置，用于从有源区朝向激光二极管的外侧(例如，在p侧热孔的情况下，设置有散热器的p侧下侧)引导热流。在这种布置中，热孔可以将热流沿着整个谐振器轴(z轴)限制到狭缝形通道。出于效率原因，狭缝形通道区域相对于有源区的中心对称布置(中间布置)是优选的。

17、优选地，有源区的外边缘(横向方向上的横向边界)和热孔的最近内边缘(指向有源区的横向方向上的横向边界)之间的横向距离dx为-w/6≤dx≤+w/6。这意味着该距离优选地取决于有源区的宽度w，并且被选择为使得热孔的内边缘到有源区的外边缘可以具有正的和负的横向距离。特别优选的是距离dx为0，即当有源区的外边缘和热孔的相应内边缘在投影到激光二极管的下侧时在空间上重合时。

18、优选地，有源层的中心和热孔的顶部之间的垂直距离dy是0μm≤dy≤1μm。这意味着热孔的顶部优选位于有源层中心的正下方，并且距其至多1μm。最小的可能距离具有最高的孔径效应，但是会对光学性质产生负面影响。在大于1μm的距离处，热流的横向加宽可能不再被有效抑制。

19、优选地，热孔具有介于0.3μm和3μm之间的孔径厚度dblock。更厚的热孔可以对热流的横向加宽提供更大的抑制。

20、优选地，p型掺杂半导体材料(具有集成热孔)具有在0.5μm和10μm之间的总层厚度d，更优选地在1μm和5μm之间，甚至更优选地在2μm和3μm之间。

21、优选地，在n型掺杂半导体材料中形成有以层状形成的热孔，并且在p型掺杂半导体材料中形成有以层状形成的热孔。n型掺杂半导体材料中的热孔可以在功能上对应于p型掺杂半导体材料中的热孔。在这方面，考虑到掺杂的变化，本说明书中提供的关于p型掺杂半导体材料中的热孔的所有信息相应地适用。优选地，n型掺杂半导体材料中的热孔和p型掺杂半导体材料中的热孔可以相对于有源层对称地构造。这种对称性可以特别指热孔的几何和/或材料构成。然而，例如，如果p型掺杂半导体材料和n型掺杂半导体材料具有不同的厚度，并且需要调整距离，热孔的构成也可以不同。当激光二极管被安装用于双侧冷却时，即当可以对激光二极管的两侧进行散热时，这样的实施例是有利的。

22、本发明的进一步优选实施例由从属权利要求中提到的特征产生。

23、本技术中提到的本发明的各种实施例可以有利地相互结合，除非在个别情况下另有规定。