專利名稱：垂直腔面發射激光器列陣的串接結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電子及半導體技術領域，尤其涉及一種垂直腔面發射激光器
(vertical-cavity surface-emitting laser即VCSEL)列陣芯片的串接結構，適用于 軍事、醫療、工業加工等領域。
背景技術：
半導體激光器以其體積小、重量輕、壽命長、效率高等優點越來越多地吸 引了人們的注意。而其中的垂直腔面發射激光器又具有許多傳統的邊發射激光 器所不具備的優點，例如制造成本低廉、可靠性好、光譜和光束質量好等。因 此垂直腔面發射激光器具有良好的發展前景。為了擴展垂直腔面發射激光器的 應用領域，我們就需要進一步提高其輸出功率。
提高輸出功率的一個有效方法就是增大VCSEL列陣的集成度，但是由于 VCSEL列陣中的發光單元相互之間的連接方式是并聯，所以增加列陣中發光單 元的數目就會使驅動電流大幅度增大。按照一個發光單元的閾值電流IA計算， 驅動電流為閾值電流的3倍，即3安，如果一個列陣集成1000個VCSEL發光單 元，那么驅動電流將需要3000A,這就給我們帶來了一個嚴峻的問題，這么大 的電流源是很難得到的。為了解決這一難題本發明提供了一種將多個VCSEL列 陣芯片串聯在一起的結構，該結構可以將多個VCSEL列陣芯片以串聯的方式相 互連接，大大增加了發光單元數量，從而增大整個結構的輸出功率，而驅動電 流卻沒有明顯的增大。
發明內容
為了解決背景技術中存在的問題，本發明提出一種新型的VCSEL列陣芯片串接結構。
本發明垂直腔面發射激光器列陣串接結構包括熱沉1、熱沉表面的金屬膜
2、 VCSEL列陣芯片3、金屬條4、流入電極51、流出電極52及金絲引線6，每 個垂直腔面發射激光器列陣芯片3中包括MXM個發光單元7;
各部分的位置及連接關系在熱沉1上的指定區域蒸鍍金屬膜2，垂直腔 面發射激光器列陣芯片3焊接在熱沉1上蒸鍍金屬膜2的區域內，再將金屬條4 焊接在熱沉1上蒸鍍金屬膜2的區域，金絲引線6將垂直腔面發射激光器列陣 芯片3和金屬條4連接，電流通過流入電極51流入，通過金絲引線流入各個垂 直腔面發射激光器列陣芯片3，最后從流出電極52流出，垂直腔面發射激光器 列陣芯片3在金屬膜區域內排列方式為NXN， NXN為垂直腔面發射激光器列 陣芯片3的個數，本發明中N為2-10的正整數，
其中每個垂直腔面發射激光器列陣芯片3包括MXM個發光單元7，本發明 中M為2 — 30的正整數，每個發光單元7包括襯底8、生長于襯底之上的下反 射鏡9、生長于下反射鏡之上的有源層10、生長于有源層之上的上反射鏡12、 上反射鏡外側的上電極14、襯底外側的下電極13。
其中熱沉材料可以是金剛石，也可以是高導熱陶瓷等導熱率高且絕緣性好 的材料，下反射鏡10 —般是30至40對反射鏡組成，可以是介質膜反射鏡也可 以是分布布拉格反射鏡，介質膜反射鏡材料可以是SiO/Ti02，而布拉格反射鏡 的材料可以是GaAs/AlGaAs等、上反射鏡12由20至30對反射鏡組成，可以是 介質膜反射鏡也可以是分布式布拉格反射鏡，介質膜反射鏡的材料可以是 Si02/Ti02/Si02/Au，布拉格反射鏡的材料可以是GaAs/AlGaAs等、金屬條4的 材料可以是Au或Cu鍍Au等導電性能好的金屬、上電極14的材料可以是Zn-Au， In-Au， Cr-Au， Ti-Pt-Au， In-Ag-Au， Ti-Ag-Au， Ti-Pt等，其中較常用的是Zn-Au 和Ti-Pt-Au、下電極13的材料是Au/Ge/Ni/Au。本發明提供了一種VCSEL列陣的串接結構，利用這種結構可以將VCSEL列 陣芯片串接起來，增大VCSEL列陣的面積，從而有效增大輸出功率，而且由于 該發明中的VCSEL列陣芯片是串聯在一起的，又不會使驅動電流明顯增大。
本發明結構緊湊，所有的引線都分布在外側，VCSEL列陣芯片排列緊密， 有效的發光面積大，發光密度大。
另外，本發明使用高導熱材料做為熱沉散熱，又使用熱傳導效率較高的焊 料，加之VCSEL列陣芯片的工作方式是脈沖工作，因此，基本解決了散熱問題。
圖1示出了在熱沉的固定區域蒸鍍金屬膜的示意圖。
圖2示出了垂直腔面發射激光器將列陣芯片和金屬條焊接在蒸鍍有金屬膜
的熱沉上的示意圖。
圖3示出了垂直腔面發射激光器列陣的串接結構的俯視圖。
包括熱沉l、熱沉表面的金屬膜2、 VCSEL列陣芯片3、金屬條4、流入電
極51、流出電極52、金絲引線6、發光單元7。
圖4示出了垂直腔面發射激光器列陣的串接結構的剖面側視圖。
圖5示出了垂直腔面發射激光器列陣芯片的俯視圖。
圖6為垂直腔面發射激光器列陣芯片單個發光單元的側視圖。
圖7為N為3的垂直腔面發射激光器列陣芯片的實施例串接方式示意圖。
圖8為N為4的垂直腔面發射激光器列陣芯片的實施例串接方式示意圖。
具體實施例方式
實施例一
現在將參照圖1至圖3來具體描述該發明。
參照圖1，本發明選擇高導熱材料作為熱沉材料以提高器件的熱傳導能力， 在熱沉上的指定區域蒸鍍金屬膜2，即蒸鍍Au/Ge/Ni/Au或其它導電性能良好 的金屬用于傳導電流。參照圖2，將VCSEL列陣芯片3焊接在熱沉上蒸鍍有金屬膜2的區域，圖 5為VCSEL列陣芯片示意圖，芯片3大小約為8-10mmX8-10mm，芯片總面積 占金屬膜2面積的75%左右，焊料為Au/Sn焊料，再將金屬條4焊接在熱沉上 蒸鍍金屬膜2的區域用于傳導電流，金屬條4的大小根據所需金絲引線6的數 量而定，例如若驅動電流為25A，按每跟金絲0.8A計算，需金絲30 — 35跟， 金絲間間距至少4一5倍，金絲直徑30微米，則金屬條長度應為4.5mm—6mm， 焊料為In焊料。該處焊料的選擇是由于Au/Sn焊料的熔點高于In焊料，因此 在焊接金屬條4時加熱融化In焊料不會對已經焊接好的VCSEL列陣芯片3造 成影響。為了方便下一步金絲引線，要求VCSEL列陣芯片的高度與金屬條的 高度一致。
參照圖3，利用金絲球焊將金屬條4與VCSEL列陣芯片3連接在一起。 金絲數目由所需驅動電流而定。引出流入電極51、流出電極52。
電流通過電極51流入，通過金絲引線流入VCSEL列陣芯片301，再依次 流過302、 303、 304，最后從電極52流出。 實施例二
參照圖7，此圖為3X3列陣的串接示意圖，其中的熱沉l使用金剛石或高 導熱陶瓷等導熱率高的材料，在熱沉表面的指定區域蒸鍍金屬膜2，所使用材 料為導電良好的金屬，將VCSEL列陣芯片3焊接在蒸鍍有金屬膜2的區域， 芯片數量為NXN，其中N為3，芯片3總數為9個，芯片總面積占金屬膜區 域面積的75%左右，將金屬條4焊接在金屬膜區域，利用金絲球焊機將VCSEL 列陣芯片3和金屬條4用金絲引線6連接，引出流入電極51、流出電極52。
電流由電極51流入，通過金絲引線注入到VCSEL列陣芯片301中，再依 次通過VCSEL列陣芯片302、 303、 304、 305、 306、 307、 309、 308，最后由 電極52流出。
實施例三參照圖8，此圖為4X4列陣的串接示意圖，其中的熱沉l使用金剛石或高
導熱陶瓷等導熱率高的材料，在熱沉表面的指定區域蒸鍍金屬膜2，所使用材 料為導電良好的金屬，將VCSEL列陣芯片3焊接在蒸鍍有金屬膜2的區域， 芯片數量為NXN，其中N為4，芯片3總數為16個，總面積占金屬膜區域面 積的75%左右，將金屬條4焊接在蒸鍍有金屬膜2的區域，利用金絲球焊機將 VCSEL列陣芯片3和金屬條4用金絲引線6連接，引出電極51、 52。
電流由電極51流入，通過金絲引線注入到VCSEL列陣芯片301中，再 依次注入VCSEL列陣芯片302、 303、 304、 305、 306、 307、 308、 309、 310、 311、 312、 313、 314、 315、 316，最后由電極52流出。
權利要求
1、一種新型的垂直腔面發射激光器列陣串接結構，其特征在于該結構包括熱沉(1)、熱沉表面的金屬膜(2)、垂直腔面發射激光器列陣芯片(3)、金屬條(4)、流入電極(51)、流出電極(52)及金絲引線(6)、每個垂直腔面發射激光器列陣芯片(3)中包括M×M個發光單元(7)；各部分的位置及連接關系在熱沉(1)上的指定區域蒸鍍金屬膜(2)，垂直腔面發射激光器列陣芯片(3)焊接在熱沉(1)上蒸鍍金屬膜(2)的區域內，再將金屬條(4)焊接在熱沉(1)上蒸鍍金屬膜(2)的區域，金絲引線(6)將垂直腔面發射激光器列陣芯片(3)和金屬條(4)連接，電流通過流入電極(51)流入，通過金絲引線流入各個垂直腔面發射激光器列陣芯片(3)，最后從流出電極(52)流出，垂直腔面發射激光器列陣芯片(3)在金屬膜區域內排列方式是以N×N，N×N為垂直腔面發射激光器列陣芯片(3)的個數，本發明中N為2-10的正整數。
2、 根據權利要求1所述的VCSEL列陣串接結構，其特征在于每個垂直 腔面發射激光器列陣芯片(3)包括MXM發光單元(7)，每個發光單元(7) 包括襯底(8)、生長于襯底之上的下反射鏡(9)、生長于下反射鏡之上的有源 層(10)、生長于有源層之上的上反射鏡(12)、上反射鏡外側的上電極(14)、 襯底外側的下電極(13)，本發明中M為2-30的正整數。
3、 根據權利要求1或2所述的VCSEL列陣串接結構，其特征在于所述的 垂直腔面發射激光器列陣芯片(3)中的發光單元(7)，其下反射鏡(9)是N 型的分布式布拉格反射鏡或介質膜反射鏡，下反射鏡(9) 一般是30至40對反 射鏡組成，上反射鏡(12)是p型的分布式布拉格反射鏡或介質膜反射鏡，上 反射鏡(12)由20至30對反射鏡組成。
4、 根據權利要求1或2所述的垂直腔面發射激光器列陣串接結構，其特征在于垂直腔面發射激光器列陣芯片(3)大小8-10mmX8-10mm，芯片總面積 占金屬膜區域面積的75%左右，為了方便金絲引線，要求垂直腔面發射激光器 列陣芯片(3)的高度與金屬條(4)的高度一致。
全文摘要
本發明是一種垂直腔面發射激光器(VCSEL)列陣的串接結構，涉及光電子及半導體技術領域。該結構包括熱沉、熱沉表面的金屬膜、垂直腔面發射激光器列陣芯片、金屬條、流入電極、流出電極及金絲引線、發光單元。該發明實現了VCSEL列陣的串接，結構緊湊，所有的引線都分布在外側，VCSEL列陣芯片排列緊密，有效的發光面積大，發光密度大。在不提高驅動電流的前提下進一步提高VCSEL列陣的輸出功率，拓展了VCSEL列陣的應用范圍。使用高導熱材料做為熱沉散熱，又使用熱傳導效率較高的焊料，加之VCSEL列陣芯片的工作方式是脈沖工作，因此，基本解決了散熱問題。
文檔編號H01S5/42GK101447647SQ20081005162
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月22日 優先權日2008年12月22日
發明者云 劉, 史晶晶, 寧永強, 王立軍, 莉 秦 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所