專利名稱：半導體激光器的抗斷裂金屬化圖案的制作方法
半導體激光器的抗斷裂金屬化圖案關聯申請的交叉引用本申請要求2009年4月20日提交的美國申請No. 12/426，563的優先權益。背景本公開涉及半導體激光器，包括但不僅限于紅外或近紅外分布式反饋(DFB)激光器、分布式布拉格反射體(DBR)激光器、法布里-珀羅激光器等。本公開也涉及包含這類激光器的經頻率轉換的激光源。更具體地，本公開涉及半導體激光器的抗斷裂金屬化圖案。
發明內容
盡管本公開的各種理念不僅限于工作在光譜的任何特定部分的激光器，然而在這里頻繁地引用倍頻綠光激光器，其示例性圖示示出于圖6中。在圖6中，經頻率轉換的激光源100包括激光二極管110、波長轉換器件120、耦合光學器件130、準直光學器件140以及輸出濾色器150。在所示實施例中，使用耦合光學器件130將激光二極管110的輸出(可以是頂光)耦合到波長轉換器件120，該波長轉換器件120可以是周期性極化MgO-摻雜的鈮酸鋰SHG晶體或一些其它類型的二次或更高次諧波波長轉換器件，該耦合光學器件130可包括兩個非球面透鏡。在SHG晶體中產生的綠光和殘留的頂泵浦光通過準直光學器件140 被準直，并且剩下的頂光由濾色器150消除。根據本公開的半導體激光器配有金屬化圖案以利于激光二極管的正確控制。例如，在經頻率轉換的激光源100的背景下，提供特殊的金屬化圖案以提供一些手段，籍此可在操作中調諧激光二極管110的發射波長以使其保持在波長轉換器件120的轉換帶寬內。 也可提供金屬化圖案用來控制激光二極管110的強度或調制率。金屬化圖案的不同部分可專門用來控制激光二極管的不同部分。盡管本公開不局限于任何特殊類型的控制機制，然而傳統激光器設計采用金屬接觸焊盤，用于電流注入、熱控制或其兩者。本公開也構思半導體激光器中的金屬化圖案的尚在研發階段的使用的適用性。半導體激光器芯片的制造是復雜的并且經常涉及許多工藝步驟，包括材料生長、 蝕刻、金屬沉積和拋光。在制造激光器芯片后，通常由易碎材料制成的芯片(例如基于 GaAs, InP, GaP、GaN, GaSb, InAs, InN, 或AlN的半導體材料系統)被安裝在載體上。 可由AlN或任意其它適合載體材料制成的載體提供所需的功能，即電連接、散熱結構、機械支承等。經常被稱為混合結構上芯片(COH)器件的這種類型封裝件經常是例如合成綠光激光器的波長轉換器激光源的重要組件。COH器件經常具有很高的芯片斷裂率的特征，最常發生在COH器件暴露于溫度變化后，所述溫度變化可以是從_40°C至80°C的相對低溫循環或例如在焊接操作中遇到的相對高的溫度變化。在焊接操作中的溫度變化可從300C至室溫。本發明人已認識到，芯片斷裂最常發生在形成于半導體激光器芯片頂表面上的金屬化焊盤的邊界附近。進一步仔細的檢查已發現，這些斷裂常見地開始于金屬化焊盤附近的芯片表面處，并通過半導體激光器芯片的橫截平面傳播。有限元模擬顯示，在將半導體芯片安裝于載體上之后，沿半導體芯片形成拉伸應力。必須注意，芯片內的幅值和天然(拉伸或擠壓)應力取決于激光二極管芯片附連于其上的載體的材料特性以及溫度加載(受熱或受冷)的方向。確定應力性質的關鍵材料特性是激光二極管芯片和載體的熱膨脹系數，并且兩種材料的彈性模量在確定應力的幅值中起到一定作用。另外，應力性質依賴于整個結構正被加熱還是正被冷卻而改變。例如，在激光器操作中，整個結構將被加熱，而在焊接操作中，整個結構將被冷卻。如果這些應力集中線大體平行于激光器芯片的晶體平面行進，則隨著應力級別在溫度循環過程中增加，斷裂能輕易地通過激光器芯片的橫截面傳播。根據本公開的一些實施例，提供金屬化圖案以降低半導體激光器中芯片斷裂的可能性。根據本文披露的一個實施例，金屬化圖案的焊盤邊緣跨過激光器襯底的多個結晶平面而延伸。如此，在任何給定應力集中處開始的裂紋將需要跨襯底中的許多結晶平面傳播， 以達到很大的尺寸。附圖簡述本發明的特定實施例的以下詳細描述可在結合以下附圖閱讀時被最好地理解，在附圖中相同的結構使用相同的附圖標記指示，而且在附圖中
圖1是DBR激光二極管的抗斷裂金屬化圖案的示意性平面圖；圖2是其中金屬化圖案可相對于激光器芯片的晶格平面取向的方式的示意圖；圖3-5示出根據本公開的一些構思的相鄰接觸構造；以及圖6是包含DBR激光二極管的經頻率轉換的激光源的一般化示意圖。詳細說明首先參見圖1和圖2，其示出包括安裝在載體襯底30上的激光器芯片20的半導體激光器10。圖1示出激光器芯片20的金屬化表面的平面圖，而圖2是金屬化表面22的一部分、激光器芯片20的下層結晶結構的一部分以及載體襯底30的一部分的示意圖。在圖 2中，為了解說目的，將晶體晶格的比例夸大表示。激光器芯片20可以是任何傳統或尚在研發的半導體激光器，例如分布式布拉格反射體(DBR)激光器，該DBR激光器包括增益區12、相位控制區14以及波長選擇區16。在任何情形下，激光器芯片20將包括一種或多種這些類型的結晶功能區以及沿激光器芯片 20通過結晶功能區12、14、16傳播的縱向光軸延伸的波導25。如圖1和圖2所示，包括金屬和非金屬部分的激光器芯片20的金屬化表面22具有金屬化圖案24，該金屬化圖案M形成在激光器芯片20的結晶功能區12、14、16之上。金屬化圖案M基本平行于激光器芯片20的縱向光軸延伸，如波導25所定義的那樣。可由任何傳統或尚在研發的適于激光器應用的半導體制造的結晶功能區12、14、16具有一種晶格結構的特征，這種晶格結構包括多個晶格平面L1, L2, Li, Lj,…，這些晶格平面與激光器芯片20的金屬化表面22相交。典型激光二極管金屬化圖案將包括多個接觸焊盤，這些接觸焊盤提供用于焊接線、電連接線等的區域。典型的激光器芯片將需要許多不同類型的電連接，這導致許多分離的金屬化焊盤。這些金屬化焊盤可例如由在SiN層頂部上的5μπι厚的金制成。兩相鄰的接觸焊盤之間的邊界經常平行于激光器芯片的諸主晶格平面中的一個，例如晶向<011>。本發明人已認識到，在這些類型的激光器芯片中，相對大的芯片斷裂率通常發生在已將激光器芯片安裝在載體上并隨后在低溫或高溫下處理之后。芯片斷裂可使激光二極管的特性劇烈惡化。更具體地，本發明人已認識到，激光器的光譜更可能變成多模，并隨機地從一個波長跳至另一波長。另外，在斷裂的激光器芯片中，激光器輸出功率可能更快速地減小。本發明人已認識到，芯片斷裂可能由于將激光器芯片安裝在載體上并隨后使混合結構上芯片(COH)封裝件處于極端溫度所引起的應力而造成。執行lOeOnm激光器芯片封裝件的有限元建模和分析，并披露了各封裝件組件的相應熱膨脹系數的不匹配造成激光器芯片的表面上的熱機械應力。例如基于GaAs的半導體的典型激光器芯片是相對易碎的，并且在激光器芯片的各個功能區之間的間隙刻蝕區內存在很高的芯片破裂可能性。本公開引入新的金屬化圖案，用來減少或消除前面提到的芯片斷裂問題。總地來說，新圖案的特征包括但不局限于傾斜的焊接線焊盤；45°和135°的焊盤角而不是90° 焊盤角；以及提供連續的金屬化條、帶或跨激光器芯片的幾乎全部增益區和相位控制區延伸的其它部分觀，用于提高強度。在所示實施例中，激光器芯片20包括縱向相鄰的接觸焊盤P1-P5，這些接觸焊盤 P1-P5形成縱向相鄰的多對接觸焊盤，即(PI, P2)、(P2，P3)、(P3，P4)和(P4，P5)。為了提高這種類型金屬化圖案的抗斷裂能力，縱向相鄰的多對接觸焊盤P1-P5的相對邊被取向成跨多個晶格平面LpLyLpLj……延伸，這些晶格平面與激光器芯片20的金屬化表面22相交。如此，由于焊盤邊緣不與任何具體的晶格平面對準，斷裂要傳播通過激光器芯片的厚度可能需要更多能量。另外，構想到，將接觸焊盤配置成占據金屬化圖案的絕大部分并形成跨多個晶格平面延伸的居間間隙σ，所述晶格平面與激光器芯片的金屬化表面相交。再次參見圖1和圖2，請注意典型金屬化圖案將進一步包括多個導電跡線沈，這些導電跡線沈可基本平行于晶格平面1^丄2山丄」……地取向。在一些情形下，金屬化圖案的這些導電跡線和其它類型導電部分可沿器件的具體結晶平面延伸，因為多數成問題的裂紋線經常平行于且背離芯片的短邊緣。類似地，在芯片邊緣附近并沿芯片的縱向的焊盤邊緣也可沿結晶平面延伸而沒有顯著的破裂風險。然而，可通過確保導電跡線不主宰金屬化圖案的表面積而減輕這些導電跡線對激光器芯片的抗斷裂性的影響。同樣要注意，縱向相鄰的多對接觸焊盤P1-P5的附加邊緣可基本平行于晶格平面LpLyLpLj……地取向。為了減輕這些附加邊緣對激光器芯片的抗斷裂性的影響，可將金屬化圖案設計成確保這些附加邊緣通過跨晶格平面Lp L2、L” Lj……延伸的相對邊緣在金屬化圖案中受控。通常，激光器芯片的晶格結構將相對于傳播的光軸正交地對準，但也可考慮將本發明的理念應用于相對傳播光軸角度不對準的晶格結構。如前面提到的，激光器芯片的結晶功能區可包括增益區12、相位控制區14、波長選擇區16或其結合。在一些特定實施例中，相鄰的多對接觸焊盤將位于激光器芯片的波長選擇區16內，但也可考慮使相鄰的多對接觸焊盤位于激光器芯片的其中一個結晶功能區， 位于激光器芯片的相鄰結晶功能區的界面處，或兩者兼而有之。要注意，本文中對本公開的部件以特定方式“配置”以使特定特性具體化、或以特定方式起作用的敘述都是結構性的敘述，與期望用途的敘述相反。更具體地，本文所提到的部件被“配置”的方式表示該部件的現有物理狀態，因此，它應被理解為對部件的結構特性的明確陳述。為了描述和限定本發明，注意在本文中采用術語“基本上”來表示可歸因于任何數量的比較、值、測量、或其它表示的固有不確定程度。在本文中還采用術語“基本上”來表示數量表示可以不同于所敘述的參考值但不在此問題上導致發明主題的基本功能改變的程
注意，類似“優選”、“普遍”和“通常”之類的術語在本文中采用時不用于限制要求保護的本發明的范圍或者暗示某些特征是關鍵性的、必要的、或甚至對要求保護的本發明的結構或功能而言重要。相反，這些術語僅僅旨在標識本發明的實施例的特定方面，或強調可用于也可不用于本發明的特定實施例的替代或附加特征。為了描述和定義本發明，注意在本文中采用術語“近似地”來表示可歸因于任何定量比較、數值、測量值、或其它表示的固有不確定程度。本文還采用術語“近似地”來表示一定量表示偏離規定參考值的程度，但不會在此問題上導致本發明主題的基本功能改變。已詳細地并參照本發明的具體實施例描述了本發明的主題，但顯然多種修改和變化是可能的，且不背離所附權利要求書中所限定的本發明的范圍。更具體地，雖然本發明的某些方面在本文中被標識為優選的或特別有優勢的，但可構想本發明不一定限于這些方 注意，所附權利要求中的一項或多項使用術語“其中”作為過渡短語。出于限定本發明的目的，應注意該術語是作為開放式的過渡短語而被引入所附權利要求中的，該開放式的過渡短語用于引入對所述結構的一系列特性的陳述，且應當按照與更常用的開放式前序術語“包括”相似的方式進行解釋。
權利要求
1.一種包括安裝在載體襯底上的激光器芯片的半導體激光器，其中所述激光器芯片包括一個或多個結晶功能區以及沿通過所述激光器芯片的結晶功能區傳播的縱向光軸延伸的波導；所述激光器芯片還包括金屬化表面，所述金屬化表面包括形成在所述激光器芯片的結晶功能區之上并基本平行于所述激光器芯片的縱向光軸延伸的金屬化圖案；所述激光器芯片的結晶功能區的特征是，包含與所述激光器芯片的金屬化表面相交的多個晶格平面的晶格結構；所述金屬化圖案包括形成縱向相鄰的多對接觸焊盤的多個縱向相鄰的接觸焊盤；以及所述縱向相鄰的多對接觸焊盤的相對邊緣取向成跨與所述激光器芯片的金屬化表面相交的多個晶格平面延伸。
2.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述金屬化圖案的接觸焊盤占據所述金屬化圖案的絕大部分。
3.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述金屬化圖案進一步包括基本平行于晶格平面取向的多個導電跡線，所述晶格平面與所述激光器芯片的金屬化表面相 、-交。
4.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于所述縱向相鄰的多對接觸焊盤的附加邊緣基本平行于與所述激光器芯片的金屬化表面相交的晶格平面取向；以及基本平行于晶格平面取向的所述附加邊緣通過跨所述晶格平面延伸的相對邊緣在所述金屬化圖案中受控。
5.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述金屬化圖案的接觸焊盤受界定顯著大于或顯著小于90°的棱角的焊盤角落主宰。
6.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述激光器芯片的金屬化表面包括金屬和非金屬部分。
7.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述激光器芯片的結晶功能區包括增益區、相位控制區、波長選擇區或其結合。
8.如權利要求7所述的半導體激光器，其特征在于，所述相鄰的多對接觸焊盤位于所述激光器芯片的波長選擇區內。
9.如權利要求7所述的半導體激光器，其特征在于，所述相鄰的多對接觸焊盤位于所述激光器芯片的結晶功能區中的一個內，位于所述激光器芯片的相鄰結晶功能區的界面處，或兩者兼而有之。
10.如權利要求9所述的半導體激光器，其特征在于，所述激光器芯片的剩余結晶功能區內的金屬化圖案受跨基本整個剩余功能區延伸的連續金屬化部分控制。
11.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述激光器芯片的晶格結構相對于傳播光軸正交地對準。
12.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述激光器芯片的晶格結構相對于傳播光軸成角度地不對準。
13.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述激光器芯片包括紅外或近紅外半導體激光器。
14.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述激光器芯片包括分布式反饋 (DFB)激光器、分布式布拉格反射體(DBR)激光器或法布里-珀羅激光器。
15.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述半導體激光器耦合于經頻率轉換的激光源中的波長轉換器件。
16.如權利要求15所述的半導體激光器，其特征在于，所述經頻率轉換的激光源形成多色激光投影儀的組件。
17.—種包括安裝在載體襯底上的激光器芯片的半導體激光器，其中所述激光器芯片包括一個或多個結晶功能區以及沿通過所述激光器芯片的結晶功能區傳播的縱向光軸延伸的波導；所述激光器芯片還包括金屬化表面，所述金屬化表面包括形成在所述激光器芯片的結晶功能區之上并基本平行于所述激光器芯片的縱向光軸延伸的金屬化圖案；所述激光器芯片的結晶功能區的特征是，包含與所述激光器芯片的金屬化表面相交的多個晶格平面的晶格結構；所述激光器芯片的金屬化平面上的金屬化圖案包括多個接觸焊盤；以及所述接觸焊盤占據所述金屬化圖案的絕大多數部分，并且在相鄰接觸焊盤之間的居間間隙跨過與所述激光器芯片的金屬化表面相交的多個晶格平面延伸。
全文摘要
提供金屬化圖案以降低半導體激光器中芯片斷裂的可能性。根據本文披露的一個實施例，金屬化圖案的焊盤邊緣跨過激光器襯底的多個結晶平面而延伸。如此，在任何給定應力集中處開始的裂紋將需要跨襯底中的許多結晶平面傳播，以達到很大的尺寸。本公開的其它實施例涉及相鄰多對接觸焊盤的相應幾何形狀和取向。公開并要求保護又一些其它的實施例。
文檔編號H01L21/50GK102405569SQ201080018130
公開日2012年4月4日 申請日期2010年4月19日 優先權日2009年4月20日
發明者C-E·扎, L·C·小休格斯, M·H·胡, S·C·查帕拉拉 申請人:康寧股份有限公司