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CN1851991A - 半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器。为了避免产生COD，在主体的发光端面附近的部分改善了散热性。具有用于发射激光的发光端面(150a)的主体(150)形成于半导体衬底，n型GaAs半导体衬底上。沿腔方向上，形成在主体(150)上发光端面(150a)附近的镀覆金属层(112)的前端部分(112a)的厚度比镀覆金属层(112)的中心部分(112b)的厚度厚。

Description

半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器。
背景技术
在半导体激光器中，通常公知的是光输出的增加可能引起腔端面的损伤，即COD(Catastrophic Optical Damage，灾难性光损伤)。所述COD的原因是与半导体激光器的高功率运行相关的腔端面的温度增加。具体地，具有减少了的发光端面反射率的高功率半导体激光器，发光端面的温度上升将很大，引起在发光端面上发生COD，发光端面是腔端面之一。因而，必须改善在发光端面附近的热辐射。
图5显示了在JP2003-31901 A中所述的常规半导体激光器的主要部分的示意透视图。在图5中，去除了一部分常规半导体激光器，以便更容易理解常规半导体激光器的多层结构。
如在图5中所示，半导体激光器具有n型GaAs衬底512、在n型GaAs衬底512上形成的主体550、和对于主体550而形成为所谓保护层电极的p侧镀覆电极530。
主体550包括n型缓冲层514、n型AlGaInP覆层516、多量子阱有源层518、p型AlGaInP覆层520、p型GaAs接触层522和SiO2膜528，这些形成在n型GaAs衬底512上。
在p型AlGaInP覆层520中，形成了沿腔纵向方向延伸的脊条部分540。所述脊条部分540的上表面以p型GaAs接触层522覆盖，并且脊条部分的两个侧面以SiO2膜528覆盖。
此外，主体550的发光端面550a附近的一部分是通过引入锌而形成的窗口区532。在窗口区532上，没有形成p侧镀覆电极530。即p侧镀覆电极530形成在主体550的发光端面550a附近部分之外的部分。
注意的是，在图5中的参考标号534表示n侧电极。
在JP 2004-214441 A中描述了用于将上述常规半导体激光器安装到管座(stem)上的方法。
根据这种安装方法，如在图6中所示，通过低熔点焊接材料602将主体550连接到起热沉作用的子座601。子座601通过粘接树脂604连接到高导热性管座603。由于pn结位于热沉侧，即在子座601侧，所以这样的状态被称为“结向下”。
此外，主体550和子座601之间的结以样的方式形成，使得主体550的发光端面550a从子座601的端面突出。通过这样做，可以避免从发光端面550a发出的激光被子座601遮断，并且此外，可以避免所述激光被粘结到发光端面550a的低熔点焊接材料620遮断。
然而，由于主体550对子座601的结引起发光端面550a从子座601的端面突出，所以在主体550的发光端面550a附近产生的热量不能被有效地被传输到子座601。这引起主体550的发光端面550a附近的部分上不良散热性的问题。
发明内容
因而本发明的目的是提供一种半导体激光器，其改善了在主体的发光端面附近部分上的散热性，从而避免COD的发生。
为了实现上述目标，提供了一种半导体激光器，包括：
半导体衬底；
主体，其形成于半导体衬底上并且具有用于反射激光的发光端面；和
镀覆金属层，形成于主体上，其中
沿腔方向上，在发光端面附近的镀覆金属层的前端部分的厚度大于镀覆金属层的中心部分的厚度。
这里，术语“主体”，指具有用于发射激光的结构，例如具有双异质结构或单异质结构的实体。
在这个半导体激光器中，例如，在主体连接到具有镀覆金属层的热沉且镀覆金属层面对热沉的的情形，由于镀覆金属层在其前端部分比在其中心部分厚，既便在主体的发光端面从热沉突出，在主体的发光端面附近部分上的热量也可以通过镀覆金属层的前端部分被有效地传递到热沉。因此，改善了主体的发光端面附近部分的散热性，从而可以避免在发光端面上COD的发生。
在一个实施例中，所述主体包括：
起电流通道作用的脊条；
形成于所述脊条旁边的平坦部分；和
电流阻挡层，其形成以便覆盖脊条的侧面和平坦部分，并且电流阻挡层由介质膜形成。
在一个实施例中，主体包括台地部分，其通过平坦部分形成在所述脊条的旁边并且通常与脊条的高度相同。
在这个实施例中，由于在脊条侧面形成了通常高度等于脊条的台地部分，所以脊条被台地部分保护而免于冲击。因此，可以避免脊条的任何损伤。
在一个实施例中，镀覆金属层的后端部分的厚度比中心部分的厚度大。
在该实施例中，例如，在主体连接到具有镀覆金属层的热沉且镀覆金属层面对热沉的情形，由于镀覆金属膜后端部分的厚度比中心部分的厚度大，所以既便相对于发光端面的主体的对侧端面从热沉突出，在相对于发光端面的主体的一侧上的热量也可以通过镀覆金属层的后端部分，被有效地被传递到热沉。因此，改善了相对于发光端面的主体的对侧端面附近部分的散热性，因而可以避免相对于发光端面的主体的对侧上COD的产生。
此外，在激光也从相对于发光端面的主体的对侧端面发出的情形，通过相对于发光端面的主体的对侧端面从热沉突出的布置，可以避免从相对于发光端面的主体的对侧端面发出的光被热沉遮断。因此可以高精度地进行基于激光的半导体激光器的APC(自动功率控制)驱动。
在一实施例中，在前端部分和中心部分之间的边界部分形成了台阶间隙表面。
在该实施例中，例如，在主体连接到具有镀覆金属层的热沉且镀覆金属层面对热沉的情形，由于镀覆金属层在前端部分和后端部分之间的边界具有台阶间隙表面，所以台阶间隙表面可以被放置与通常垂直于热沉的另一个表面的热沉的一个表面热接触，同时镀覆金属层的中心部分与热沉的另一个表面保持热接触。因此，可以增加镀覆金属层与热沉热接触的面积，并且可以增加镀覆金属层的热量被传递到热沉的效率。
在一实施例中，在后端部分和中心部分之间的边界部分上形成台阶间隙表面。
在本实施例中，例如，在主体连接到具有镀覆金属层的热沉且镀覆金属层面对热沉的情形，由于镀覆金属层在后端部分部分和中心部分之间的边界部分上具有台阶间隙表面，所以所述台阶间隙表面可以被放置与通常垂直于热沉的另一个表面的热沉的一个表面热接触，同时镀覆金属层的中心部分与热沉的另一个表面保持热接触。因此，可以增加使镀覆金属层与热沉热接触的面积，并且可以增加镀覆金属层的热量被传递到热沉的效率。
一实施例包括与主体连接从而面对镀覆金属层的热沉，其中
台阶间隙表面与放置发光端面的一侧的热沉的端面重叠。
在本实施例中，由于位于前端部分和中心部分之间的边界部分的台阶间隙表面与放置发光端面一侧的热沉的端面重叠，所以在主体发光端面上的热量可以对于发光端面侧以高效率地传递到热沉的端面。
一实施例包括与主体连接的热沉以便面对镀覆金属层，其中
台阶间隙表面与相对于放置在发光端面侧的其端面的热沉的对侧端面重叠。
在本实施例中，由于位于后端部分和中心部分之间的边界部分的台阶间隙表面与相对于放置在发光端面侧的其端面的热沉的对侧端面重叠，所以可以以高效率将相对于发光端面侧的主体的对侧端面上的热量传递到相对于发光端面侧上其端面的热沉的对侧端面上。
在一实施例中，镀覆金属层形成于除了主体的两侧面附近之外的部分上。
在本实施例中，例如，在主体通过焊料与面对热沉的镀覆金属层的热沉连接的情形，由于金属层形成于除了主体的两侧面附近之外的部分上，所以可以避免由于对于主体侧面的焊料的爬上引起的电流的短路。
在该本半导体激光器中，例如，在主体连接具有镀覆金属层的热沉且镀覆金属层面对热沉时，由于镀覆金属层在其前端部分比在其中心部分厚，所以既便主体的发光端面从热沉突出，也可以通过镀覆金属层的前端部分高效地将主体发光端面附近部分上的热量传递到热沉。因此，改善了主体的发光端面附近的散热性，因而可以避免在发光端面上COD的产生。
附图说明
通过下面给出的详细描述和仅通过举例的附图将可以更充分地理解本发明，并且并不旨在限制本发明，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的半导体激光器主体部分的示意透视图；
图2是所述第一实施例的半导体激光器的主体的安装状态的示意图；
图3是根据本发明第二实施例的半导体激光器主体部分的示意透视图；
图4是所述第二实施例的半导体激光器的主体的安装状态的示意图；
图5是根据现有技术的半导体激光器主体的示意透视图；以及
图6是所述现有技术的半导体激光器的主体的安装状态的示意图；
具体实施方式
此后，将通过在附图中图示的其实施例，详细描述本发明的半导体激光器。
第一实施例
图1显示了根据本发明第一实施例的半导体激光器的主要部分的示意透视图。
所述半导体激光器具有作为半导体衬底的实例的n型GaAs衬底101、形成在n型GaAs衬底上并且具有发射激光的发光端面150a的主体150、和形成在主体150上的镀覆金属层112。
主体150包括n型GaInP缓冲层102、n型AlGaInP覆层103、量子阱有源层104、p型AlGaInP第一覆层105、和蚀刻停止层106，这些顺序形成在n型GaAs衬底101上。
主体150还包括在蚀刻停止层106上形成的脊条120、在脊条120上形成的p侧接触电极109、和介质膜110，形成介质膜110以便覆盖脊条的侧面，并且介质膜110由例如SiO2构成。介质膜110是电流阻挡层的实例。
脊条120由p型AlGaInP第二覆层107和p型GaAs接触层108构成。
p侧接触电极109具有通常等于脊条120的宽度(图1中左右方向的长度)。
介质膜110还覆盖出现在脊条120两侧的脊条侧平坦部分121。脊条侧平坦部分121由蚀刻停止层106的上表面(脊条120侧表面)的没有脊条120的部分形成。
镀覆金属层112由例如Au构成。然后，沿腔方向上，发光端面150a侧镀覆金属层112的前端部分112a上的厚度比镀覆金属层112的中心部分112b的厚度厚。在前端部分112a和中心部分112b之间的边界部分，镀覆金属层112的层厚度突然变化，由此形成台阶间隙表面112d。台阶间隙表面112d通常沿垂直于n型GaAs衬底101的方向延伸。即台阶间隙表面112d通常与层堆叠方向平行。
此外，沿腔方向上，镀覆金属层112的后端部分112c的厚度，在相对于发光端面150a侧的其一侧上，通常等于镀覆金属层112的中心部分112b的厚度。
另外，n侧电极113形成于n型GaAs衬底101下。
下面解释上述半导体激光器的制造工艺。
首先，在n型GaAs衬底101上，应用外延生长以按以下顺序实现层的晶体生长：n型GaInP缓冲层102、n型AlGaInP覆层103、量子阱有源层104、p型AlGaInP第一覆层105、蚀刻停止层106、p型AlGaInP第二覆层107和p型GaAs接触层108。
接着，通过湿法蚀刻部分去除p型第二覆层107和p型GaAs接触层108，以形成脊条120，脊条120用作光导和电流通道。脊条120既可以用干法蚀刻也可以用湿法蚀刻形成。而且，脊条120可以通过干法蚀刻和湿法蚀刻的组合形成。
接着，沉积介质膜110，从而覆盖脊条120的侧面和蚀刻停止层106的上面。介质膜110不覆盖脊条120的上表面。介质膜110可以通过使用例如SiO2、SiNx和Al2O3的至少一种形成。
接着，仅在脊条120的上表面形成p侧接触电极109。
接着，在整个晶片上形成镀覆金属层112的材料Au。在这种情形，Au被形成，以便具有通常整体相同的层厚度。更具体地，在这种情形，Au的层厚度被设置在0.5μm至3.0μm的范围。
然后，仅在发光端面150a附近的位置附加形成Au。结果，获得了具有目标配置的镀覆金属层112。在镀覆金属层112的上表面上(相对于脊条120侧的一侧的表面)形成陡峭的台阶间隙表面112d。上述附加形成的Au层的厚度被设置在0.5μm至5.0μm的范围内。结果，镀覆金属层112的前端部分112a的厚度变为在1.0μm至8.0μm的范围内，并且镀覆金属层112的中心部分112b的厚度变为在0.5μm至3.0μm的范围。
然后，n型GaAs衬底101从其后面侧被抛光，从而被减薄，并且随后在n型GaAs衬底101的后面上形成n侧电极113，然后进行芯片的分割。于是，获得了多个半导体激光器芯片。
然后，如在图2中所示，主体150安装在具有面对热沉115的镀覆金属层112的热沉115上。更具体地，镀覆金属层112通过AuSn构成的焊接材料114连接到热沉115，并且镀覆金属膜112的台阶间隙表面112d与热沉115的前端面115a在发光端面115a侧上重叠。结果，发光端面150a从热沉115突出，因而可以避免从发光端面150a发出的光被热沉115遮断，并且还避免被焊接材料114遮断，因为焊接材料114不附着在发光端面150a上。
此外，通过将镀覆金属层112的台阶间隙表面112d与热沉115的前端面115a重叠，镀覆金属层112的台阶间隙表面112d通过焊接材料114与热沉115的前端面115a热接触。结果，在主体150的发光端面150a附近的部分产生的热量，通过由Au制成的镀覆金属层112的前端部分112a，被高效地传递到热沉115，Au具有高导热性。因此，抑制了发光端面150a内的温度增加，从而可以避免在发光端面150a上发生COD。更具体地，在CW(连续波)驱动下，出现COD的光功率变为330mW，因而可以进行高功率的运行。
另外，在使用均匀厚度的镀覆金属层替代镀覆金属层112时，在CW(连续波)驱动下，出现COD的光功率是300mW。
第二实施例
图3显示了根据本发明第二实施例的半导体激光器的主要部分的示意透视图。在图3中，与在图1中所示的相同构成部件被指定了与在图1中所述构成部件相同的参考标号，并且省略了其描述。
所述半导体激光器具有n型GaAs衬底101、形成在n型GaAs衬底101上并且具有发出激光的发光端面250a的主体250、和形成在主体250上的镀覆金属层212。
主体150包括n型GaInP缓冲层102、n型AlGaInP覆层103、量子阱有源层104、p型AlGaInP第一覆层105、和蚀刻停止层106，这些按顺序层叠在n型GaAs衬底101上。
主体250还包括在蚀刻停止层106上形成的脊条120、在脊条120上形成的p侧接触电极109、介质膜210和台地部分241，形成介质膜210以便覆盖脊条120的侧面，台地部分241形成在脊条120的两侧。介质膜210是电流阻挡层的实例。
台地部分241的每个由p型AlGaInP第二覆层107和p型GaAs接触层108构成，通常其高度等于脊条120。此外，形成台地部分241，以便以5μm至100μm的间距与脊条120间隔开。即台地部分241和脊条120之间的距离是5μm至100μm。
介质膜210覆盖在脊条120的侧上的各个台地部分241的侧面、各个台地部分241的上表面、和出现在脊条120两侧的脊条侧平坦部分221。这些脊条侧平坦部分221由蚀刻停止层106的上表面的(脊条120侧表面)既不是脊条120也不是台地部分241的部分形成。
镀覆金属层212由例如Au构成。镀覆金属层212在除了主体250的两个侧面附近的部分之外的部分形成。更具体地，镀覆金属层212不形成在从主体250的侧面向脊条120的具有5μm至40μm宽度的部分上。
沿腔方向上，在发光端面250a侧上镀覆金属层212的前端部分212a的厚度比镀覆金属层212的中心部分212b厚。在前端部分212a和中心部分212b之间的边界部分上，镀覆金属层212的厚度突然变化，由此形成了台阶间隙表面212d。台阶间隙表面212d通常垂直于n型GaAs衬底101延伸。即台阶间隙表面212d通常平行于层叠方向。
此外，在相对于发光端面250a的其一侧上，镀覆金属层212的后端部分212c的厚度通常等于镀覆金属层212的前端部分212a的厚度。即在相对于发光端面250a的其一侧上，镀覆金属层212的后端部分212c的厚度比镀覆金属层212的中心部分212b的厚度大。在后端部分212c和中心部分212b之间的边界部分上，镀覆金属层212的厚度突然变化，由此形成台阶间隙表面212e。台阶间隙表面212e通常垂直于n型GaAs衬底101延伸。即台阶间隙表面212e通常平行于层叠方向。
上述镀覆金属层212如下形成。
首先，镀覆金属层的材料Au被沉积在除了在主体250两个侧面附近之外的位置上。更具体地，通过选择性镀覆，Au被层叠在除了具有5μm至40μm宽度的从主体250的侧面到脊条120的位置之外的位置。在这种情形，Au被层叠，使得大致厚度均匀。更具体地，在这种情形，Au的层厚度被设置为0.5μm至3.0μm的范围内。
接着，仅在发光端面250a附近的位置和相对于发光端面250a侧的主体250的一侧上的后端面250b附近附加形成Au。结果，获得了具有目标配置的镀覆金属层212。在镀覆金属层212的上表面上形成陡峭的台阶间隙表面212d、212e。上述附加堆叠的Au层的厚度被设置在0.5μm至5.0μm的范围内。结果，镀覆金属层212的前端部分212a的厚度和镀覆金属层212的后端部分212c的厚度变为在1.0μm至8.0μm的范围内，并且镀覆金属层212的中心部分212b的厚度变为在0.5μm至3.0μm的范围。
虽然如在图4中所示上述形成的镀覆层212面对热沉115固定，但是主体250被安装在热沉115上。更具体地，镀覆金属层212通过AuSn构成的焊接材料114连接到热沉115，并且镀覆金属膜212的台阶间隙表面212d与热沉115的前端面115a重叠，并且镀覆金属膜212的台阶间隙表面212e与热沉115的后端面115b在相对于发光端面250侧的一侧重叠。结果，发光端面250a从热沉115突出，因而可以避免从发光端面150a发出的光被热沉115遮断，并且还避免被焊接材料114遮断，因为焊接材料114不附着在发光端面250a上。
此外，通过将镀覆金属层212的台阶间隙表面212d与热沉115的前端面115a重叠，镀覆金属层212的台阶间隙表面212d通过焊接材料114与热沉115的前端面115a热接触。结果，主体250的发光端面250a附近的部分产生的热量，通过由具有高导热性的Au制成的镀覆金属层212的前端部分212a，被高效地传递到热沉115。因此，抑制了发光端面250a内的温度增加，从而可以避免在发光端面250a上发生COD。
另外，通过将镀覆金属层212的台阶间隙表面212e与热沉115的后端面115b重叠，镀覆金属层212的台阶间隙表面212e通过焊接材料114与热沉115的前端面115b热接触。结果，在主体250的后端面250b附近的部分产生的热量，通过由具有高导热性的Au制成的镀覆金属层212的后端部分212c，被高效地传递到热沉115。因此，抑制了主体250的后端面250b内的温度增加，从而可以避免在后端面250b上发生COD。
此外，由于主体250和热沉之间的结引起端面250b从热沉115突出，所以可以避免由于焊接材料114附着到后端面250b上产生的电流的短路。
此外，因为镀覆金属层212形成于主体两侧附近部分之外的部分，所以可以避免由于焊接材料114爬上到主体250的侧面而引起的电极短路。因而，可以避免由于电极短路引起的性能故障。
此外，由于台地部分241形成在脊条120的两个侧面，可以避免在半导体激光器制造工艺中仅使脊条120突出，从而可以避免脊条120在制造过程中损坏。因而，改善了半导体激光器的成品率。
如上描述了本发明的实施例，很明显本发明可以用许多方法变化。这样的变化不应被认为是脱离了本发明的精神和范围，并且对于在本领域的技术人员显见所有这些修改旨在包括在权力要求的范围内。

Claims (9)

1.一种半导体激光器，包括：
半导体衬底；
主体，形成于所述半导体衬底上并且具有用于发射激光的发光端面；和
镀覆金属层，形成于所述主体上，其中
沿腔方向上，在发光端面附近的镀覆金属层的前端部分的厚度大于所述镀覆金属层的中心部分的厚度。
2.根据权力要求1的所述半导体激光器，其中
所述主体包括：
起电流通道作用的脊条；
形成于所述脊条旁边的平坦部分；和
电流阻挡层，形成以便覆盖所述脊条的侧面和平坦部分，并且所述电流阻挡层由介质膜形成。
3.根据权力要求1的所述半导体激光器，其中
所述主体包括台地部分，所述台地部分通过平坦部分形成在所述脊条的旁边并且通常等于所述脊条的高度。
4.根据权力要求1的所述半导体激光器，其中
所述镀覆金属层的后端部分的厚度比所述中心部分的厚度大。
5.根据权力要求1的所述半导体激光器，其中
在所述前端部分和中心部分之间的边界部分上形成台阶间隙表面。
6.根据权力要求4的所述半导体激光器，其中
在所述后端部分和中心部分之间的边界部分上形成台阶间隙表面。
7.根据权力要求5的所述半导体激光器，还包括：
与所述主体连接从而面对所述镀覆金属层的热沉，其中
所述台阶间隙表面与放置所述发光端面的一侧上的所述热沉的端面重叠。
8.根据权力要求6的所述半导体激光器，还包括：
与所述主体连接从而面对所述镀覆金属层的热沉，其中
所述台阶间隙表面与相对于放置所述发光端面侧上的其端面的热沉的对侧端面重叠。
9.根据权力要求1的所述半导体激光器，其中
所述镀覆金属层形成于主体的两侧面附近的部分之外。
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