具有覆層的激光器端面的激光二極管芯片的制作方法

具有覆層的激光器端面的激光二極管芯片的制作方法
【專利摘要】描述一種激光二極管芯片(1)，其中至少一個激光器端面(9)具有覆層(10)。覆層(10)具有至少一個無機層(14，15，16，17，18)并且具有至少一個有機層(20，21，22)。
【專利說明】
具有覆層的激光器端面的激光二極管芯片
技術領域
[0001]本發明涉及一種具有至少一個激光器端面的激光二極管芯片，所述激光器端面具有覆層。
[0002]該專利申請要求德國專利申請102014102360.9的優先權，其公開內容通過參引并入本文。
【背景技術】
[0003]例如能夠在紫外光譜范圍中、在可見光譜范圍中或者在紅外光譜范圍中發射的激光二極管芯片在許多應用中使用，例如在投影設備中、在照明技術中或在光學傳感器中使用，例如用于手勢識別。
[0004]在激光二極管芯片的許多應用中，使用可實現的高的光學的功率密度。然而在激光二極管芯片中實現的高的光學的功率密度引起:尤其發光的激光器端面經受非常高的電負荷、光負荷和熱負荷。尤其發現:在激光二極管的運行中在濕度作用下能夠出現激光器端面的氧化，所述氧化導致激光二極管芯片的退化。此外，存在如下危險:在激光二極管運行中，由于靜電相互作用，顆粒積聚在激光器端面上，所述顆粒能夠引起遠場中的遮暗效果、激光特征曲線的斜度減小或反射鏡的過熱直至破壞(C0D，光學災變損傷)。
[0005]此外，激光器端面的高的靈敏性需要在安裝激光二極管芯片時極高的耗費。

【發明內容】

[0006]待實現的目的在于:提出一種特征在于改進的長期穩定性的激光二極管芯片。
[0007]該目的通過根據獨立權利要求的激光二極管芯片實現。本發明的有利的設計方案和改進方案是從屬權利要求的主題。
[0008]根據至少一種實施方式，激光二極管芯片具有至少一個激光器端面，所述激光器端面具有覆層。激光器端面尤其構成激光二極管芯片的共振鏡。激光二極管芯片尤其能夠是邊緣發射激光二極管芯片，其中共振鏡通過兩個相對置的激光器端面形成。在這種情況下，優選兩個激光器端面分別具有覆層，其中覆層能夠至少在其光學特性、尤其反射率方面彼此不同。優選地，至少激光二極管芯片的起輻射出射面作用的激光器端面具有在此描述的覆層。
[0009]在激光二極管芯片中，至少一個激光器端面的覆層有利地具有至少一個無機層，優選多個無機層，并且具有至少一個有機層。換言之，覆層是無機-有機雜化結構。
[0010]包含在覆層中的至少一個無機層例如能夠是提高反射的或降低反射的層。尤其地，覆層能夠包含多個無機層，所述無機層至少部分地包含在提高反射的或降低反射的層序列中。通過提高反射的或降低反射的層或層序列能夠有針對性地調節激光器端面的反射率。
[0011]通過包含在覆層中的至少一個有機層能夠有利地實現覆層的至少一個附加的功能。尤其地，至少一個有機層能夠具有保護層的功能，所述保護層尤其改進激光二極管芯片的長期穩定性。通過至少一個有機層尤其能夠減少濕氣的擴散或顆粒的積聚。因此，與單純的無機的覆層相比，無機-有機的雜化結構的特征在于改進地保護激光二極管芯片免受退化影響。
[0012]有利地，通過原子層沉積(ALD，atomic layer deposit1n)、化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)、離子束沉積(IBD)或離子鍍(IP)制造覆層的至少一個無機層。
[0013]優選地，通過分子氣相沉積(MVD)或分子層沉積(MLD)制造至少一個有機層。這些沉積方法尤其適合用于制造起擴散阻擋作用的有機層。此外，至少一個有機層例如能夠通過PVD方法、溶膠-凝膠方法或通過浸沒覆層制造。
[0014]根據一個設計方案，至少一個有機層包括擴散阻擋層。有機擴散阻擋層尤其構成對于濕氣和/或氧氣的阻擋部。以該方式減少尤其通過氧化引起的激光器端面的退化。
[0015]此外，至少一個有機層具有如下優點:與無機的介電層相比，所述有機層是相對彈性的，使得有機層在運行引起的溫度變化中能夠彈性地變形。以該方式減小由于熱引發的應力而在覆層中形成裂紋的危險。
[0016]至少一個有機層、尤其擴散阻擋層優選包含烷烴、烯烴、炔烴、環烷烴、環烯烴、聚酰胺或鋁醇鹽。
[0017]根據一個有利的設計方案，至少一個有機層包括有機的覆蓋層。在該設計方案中，有機的覆蓋層是覆層的鄰接于環境介質的最外面的層。
[0018]有利地，有機的覆蓋層是疏水性層和/或不粘層。在這種情況下，覆層的背離激光器端面的表面有利地是拒水的和/或阻礙附著的。通過疏水性層和/或不粘層有利地減少顆粒的聚集和/或濕氣的侵入。有機的覆蓋層有利地具有對于水大于90°的接觸角。接觸角是用于借助水對表面的可潤濕性的度量。
[0019]有機的覆蓋層尤其能夠具有碳納米管、有機的氟化合物或硫化合物、硫醇、硅烷。這些材料尤其適合用于構成疏水性層。優選地，有機的覆蓋層是單層、尤其自組裝的單層(SAM，自組裝單層)。
[0020]在另一優選的設計方案中，有機的覆蓋層包含氯硅烷、胺類、乙醇、碳酸、硅氧烷或二甲氨基硅烷。這些材料尤其適合用于構成不粘層。不粘層優選通過MVD方法施加。
[0021]有機的覆蓋層的拒水的或阻礙附著的特性能夠通過覆蓋層的材料、尤其通過表面的化學特性，和/或通過其結構決定。尤其地，有機的覆蓋層能夠具有表面結構，通過所述表面結構實現拒水效應，即所謂的蓮花效應。
[0022]根據一個優選的設計方案，至少一個無機層包括導熱層。通過導熱層能夠有利地在激光二極管芯片運行中在激光器端面上導出所形成的熱。用于導熱層的優選的材料是透明導電氧化物，例如ITO或ZnO。其他優選的材料是GaN、AlN、類金剛石碳(DLC)、SIC或石墨。導熱層尤其也能夠是導電的。出于該原因，有利的是:導熱層不直接施加到激光器端面上，因為否則會存在激光二極管芯片的半導體層的短路的危險。
[0023]如果導熱層具有這類小的導電性，使得不存在短路危險，那么導熱層也能夠直接施加到激光器端面上。在這種情況下，熱量能夠尤其好地從激光二極管芯片導出。
[0024]在一個優選的設計方案中，導熱層設置在第一有機擴散阻擋層和第二有機擴散阻擋層之間。這是有利的，因為有機擴散阻擋層是相對彈性的進而導熱層的溫度引起的膨脹優選能夠在彈性的膨脹范圍中補償。
[0025]在一個優選的設計方案中，至少一個無機層包括直接鄰接于激光器端面的介電的保護層。介電的保護層優選是借助原子層沉積制造的層。借助原子層沉積能夠制造尤其緊密的層，所述層尤其構成對于濕氣的擴散阻擋部。介電的保護層優選具有氧化物、氮化物或氮氧化物。
[0026]覆層尤其能夠具有多個無機層。根據一個有利的設計方案，無機層至少部分地設置在提高反射的或降低反射的層序列中。提高反射的或降低反射的層序列尤其能夠具有交替的層，所述層具有交替較高的和較低的折射率。
[0027]覆層的、尤其提高反射的或降低反射的層序列的無機層優選包含介電的材料，尤其氧化物、氮化物或氮氧化物。無機層尤其能夠具有以下材料中的至少一種: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層序列僅由無機層構成是可行的。
[0029]在一個優選的設計方案中，覆層具有導熱層，所述導熱層設置在介電的提高反射的或降低反射的層序列和有機的擴散阻擋層之間。在這種情況下，導熱層有利地通過介電的提高反射的或降低反射的層序列與激光器端面絕緣，所述激光器端面因此也能夠具有導電的材料。
[0030]在一個優選的設計方案中，提高反射的或降低反射的層序列包含無機層和有機層、尤其交替的無機層和有機層。提高反射的或降低反射的層序列尤其能夠具有交替的、折射率高的無機層和折射率低的有機層，或替選地具有交替的、折射率低的無機層和折射率高的有機層。在該設計方案中，有機層和/或無機層有利地分別具有在Inm和350nm之間、優選在5nm和200nm之間并且尤其優選在I Onm和I OOnm之間的厚度。
[0031]提高反射的層序列中層的數量有利地在2和50之間、尤其優選在4和20之間。
【附圖說明】
[0032]以下根據實施例結合圖1至8詳細闡述本發明。
[0033]附圖示出:
[0034]圖1示出貫穿根據第一實施例的激光二極管芯片的子區域的橫截面的示意圖，
[0035]圖2示出貫穿根據第二實施例的激光二極管芯片的子區域的橫截面的示意圖，
[0036]圖3示出貫穿根據第三實施例的激光二極管芯片的子區域的橫截面的示意圖，
[0037]圖4示出貫穿根據第四實施例的激光二極管芯片的子區域的橫截面的示意圖，
[0038]圖5示出貫穿根據第五實施例的激光二極管芯片的子區域的橫截面的示意圖，
[0039]圖6示出貫穿根據第六實施例的激光二極管芯片的子區域的橫截面的示意圖，
[0040]圖7示出貫穿根據第七實施例的激光二極管芯片的子區域的橫截面的示意圖，
[0041]圖8示出貫穿根據第八實施例的激光二極管芯片的子區域的橫截面的示意圖。
[0042]在附圖中相同的或起相同作用的組成部分分別設有相同的附圖標記。所示出的組成部分以及組成部分彼此間的大小比例不能夠視為是按比例的。
【具體實施方式】
[0043]在圖1中以橫截面示意示出的激光二極管芯片I具有施加到襯底6上的半導體層序列。
[0044]半導體層序列例如包含施加到襯底6上的緩沖層2、第一包覆層3a、第一波導層4a、有源層5、第二波導層4b和第二包覆層3b。半導體層序列能夠包含為了簡化而未示出的其他層。此外，至少半導體層序列的子區域能夠是結構化的，例如結構化成脊波導結構。對于激光二極管芯片適合的波導結構本身是已知的進而為了簡化而未詳細示出。
[0045]邊緣發射的半導體激光器的有源層5例如能夠構成為pn結、雙異質結構、單量子系統結構或多量子系統結構。術語量子系統結構在本申請的范圍中包括如下的任意結構，其中載流子通過限域(“限域Confinement”)經受其能量狀態的量子化。尤其地，術語量子系統結構不包含關于量子化維度的說明。所述術語量子系統結構因此還包括量子阱、量子線和量子點和這些結構的任意組合。
[0046]激光二極管芯片I的半導體層序列優選基于II1-V族化合物半導體材料、尤其砷化物半導體材料、氮化物半導體材料或磷化物半導體材料。例如，半導體層序列能夠包含InxAlyGaityAs、InxAlyGaityN或InxAlyGai—x—yP，分別其中(Xx<l、(Xy< I并且x+y<l。在此，II1-V族化合物半導體材料不必強制地具有根據上述式的任一項的數學上精確的組分。更確切地說，其能夠具有一種或多種摻雜材料以及附加的組成部分，所述組成部分基本上不改變材料的物理特性。然而，為簡單起見，上述式僅包含晶格的主要組成部分、即使所述組成部分能夠部分地通過少量其他物質取代是也如此。
[0047]在此，根據激光二極管芯片I的期望的發射波長進行材料選擇。根據優選的外延生長的半導體層序列選擇襯底6并且所述襯底尤其能夠具有GaAs、藍寶石、SiC、GaN或硅。
[0048]為了激光二極管芯片的電接觸，第一接觸層7設置在襯底6的背離半導體層序列的后側上，并且第二接觸層8設置在半導體層序列的背離襯底6的一側上。
[0049]激光二極管芯片I具有設有覆層10的激光器端面9。激光器端面9尤其能夠構成激光二極管芯片I的共振鏡中的一個。在部分圖中未示出的、與激光器端面9相對置的其他的激光器端面能夠構成激光二極管芯片的第二共振鏡并且設有其他覆層，所述其他覆層能夠具有與激光器端面9的下面描述的覆層10相同的有利的設計方案。在這種情況下，其他覆層不必與覆層10—致，而是例如能夠具有不同于覆層10的光學特性、尤其不同的反射率。
[0050]設有覆層10的激光器端面9尤其能夠設置作為激光二極管芯片I的輻射出射面。
[0051]在該實施例中，覆層10包括第一提高反射的或降低反射的層序列11，所述層序列具有多個交替的第一層13和第二層14。在該實施例中，提高反射的或降低反射的層序列11具有由第一層13和第二層14構成的三個層對、即總共6個層。通常，層13、14的數量在2和50之間、優選在4和20之間。交替的層13、14例如分別是無機的介電的層，所述層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層序列11例如能夠交替地具有由Al2O3構成的第一層13和由材料Ti02、Zr02或Ta2O5中的一種構成的第二層14。在該設計方案中，第一層相應地具有低的折射率并且第二層具有高的折射率。替選地，第一層具有高的折射率并且第二層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層序列11也能夠具有奇數的層，也即是說，在層序列11中除了層對之外，還包含具有低的或高的折射率的另外的層。
[0052]在該實施例中，覆層10還包括提高反射的或降低反射的第二層序列12，所述第二層序列由交替的第三層15和第四層16構成，所述層如在提高反射的或降低反射的第一層序列11中那樣有利地交替地具有低的折射率和高的折射率。使用兩個依次的提高反射的或降低反射的層序列11、12能夠適合于:例如將提高反射的或降低反射的第一層序列11的材料在其熱膨脹系數方面匹配于激光二極管芯片的鄰接的半導體材料。能夠選擇提高反射的或降低反射的第二層序列11的材料，例如以實現其折射率的盡可能大的差異。
[0053]但替選地，覆層10僅包含提高反射的或降低反射的層序列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單層代替提高反射的或降低反射的第一層序列和/或提高反射的或降低反射的第二層序列11、12。
[0054]提高反射的或降低反射的第一層序列11和提高反射的或降低反射的第二層序列12不必僅由無機層構成。更確切地說，替選地，可行的是:提高反射的或降低反射的層序列
11、12中的至少一個具有交替的無機層和有機層。在一個設計方案中，例如提高反射的或降低反射的第一層序列11具有交替的有機的第一層13和無機的第二層14。在該設計方案中，集成到提高反射的或降低反射的層序列11中的有機層13具有如下優點:與無機的介電的層相比，所述有機層是相對彈性的。當在激光二極管I的運行中出現熱引起的應力時，那么這尤其是有利的。
[0055]此外，覆層10有利地包括覆蓋層20，所述覆蓋層在圖1的實施例中是疏水性有機層。疏水的有機的覆蓋層20具有對于水大于90°的接觸角。疏水的有機的覆蓋層20尤其用于保護激光器端面9免受濕氣影響。疏水的有機的覆蓋層20例如能夠包含碳納米管或有機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。疏水的有機的覆蓋層20優選是單層、尤其自組裝的單層。
[0056]在圖2中示出激光二極管芯片I的第二實施例。所述第二實施例與第一實施例區別在于:提高反射的或降低反射的第二層序列12在覆層10的生長方向上跟隨有機層，所述有機層尤其是用于避免氧氣或濕氣擴散的擴散阻擋層21。由此，還更好地保護激光器端面9免于氧化影響。
[0057]有機的擴散阻擋層21優選包含烷烴、烯烴、炔烴、環烷烴、環烯烴、聚酰胺或鋁醇鹽。在其他方面，第二實施例對應于前述的第一實施例。
[0058]在圖3中示出的第三實施例中，將覆層10施加到激光器端面9上，所述覆層自激光器端面9起具有介電的保護層18、提高反射的或降低反射的層序列11和有機的擴散阻擋層21。介電的保護層18有利地直接鄰接于激光器端面9并且優選的是借助原子層沉積制成的層。借助原子層沉積尤其能夠沉積緊密的介電的層，所述層顯示出防止濕氣侵入的尤其好的保護。介電的保護層優選具有氧化物、氮化物或氮氧化物。介電的保護層18例如能夠具有Si02、Si (OxN1-X)^Al2O3 或 Al2(OxN1I)3 或尤其構成的組合物。
[0059]隨介電的保護層18之后的提高反射的或降低反射的層序列11關于其有利的設計方案對應于第一實施例。
[0060]有機層21能夠如在第二實施例中那樣尤其起擴散阻擋層作用。在該實施例中，所述有機層同時構成覆層10的覆蓋層。有機的擴散阻擋層21具有如下優點:其與無機層相比是相對彈性的進而尤其是尤其抗撕裂的。由此，減小如下危險:例如通過在激光二極管芯片I運行中出現的、由溫度引起的應力在有機的擴散阻擋層21中出現裂紋。
[0061]在圖4中示出的第四實施例中，將覆層10施加到激光器端面9上，所述覆層自激光器端面9起具有提高反射的或降低反射的層序列11、導熱層17、有機的擴散阻擋層21和疏水的有機層20作為覆蓋層。
[0062]該實施例與前述的第二實施例的區別在于:在提高反射的或降低反射的層序列11和有機的擴散阻擋層21之間有利地設置導熱層17，通過所述導熱層能夠導出在激光二極管芯片I運行中產生的熱的至少一部分。導熱層17尤其也能夠具有導電的材料，因為所述導熱層與激光二極管I的半導體層序列通過介電的提高反射的層序列11絕緣。導熱層17例如能夠包含IT0、Zn0、GaN、AlN、類金剛石碳(DLC)、SiC或石墨。
[0063]在圖5中示出的第五實施例與第四實施例的區別在于:代替疏水的有機的覆蓋層，在覆層10中包含有機的不粘層22作為覆蓋層。不粘層22有利地降低顆粒在激光器端面上的積聚。在其他方面，顆粒的這種積聚能夠由于靜電的相互作用在激光二極管芯片I的運行中出現。
[0064]不粘層22優選通過MVD方法或MLD方法施加并且優選包含氯硅烷、胺類、乙醇、碳酸、硅氧烷或二甲氨基硅烷。
[0065]在圖6中示出的第六實施例中，覆層10自激光器端面9起具有介電的保護層18、導熱層17、提高反射的或降低反射的層序列11和疏水的有機層20作為覆蓋層。各個層的有利的設計方案和功能對應于前述的實施例進而在此不詳細闡述。
[0066]在圖7中示出的第七實施例中，覆層10自激光器端面9起具有提高反射的或降低反射的層序列11、有機的第一擴散阻擋層21a、導熱層17、有機的第二擴散阻擋層21b和疏水的有機的覆蓋層20。在該實施例中，導熱層17設置在兩個有機的擴散阻擋層21a、21b之間，所述有機的擴散阻擋層有利地是彈性的進而導熱層17的溫度引起的膨脹優選能夠在彈性的膨脹范圍中補償。各個層的有利的設計方案和功能對應于前述的實施例進而在此不詳細闡述。
[0067]在圖8中示出的第八實施例中，覆層自激光器端面9起具有無機的介電的保護層
18、提高反射的或降低反射的層序列11、導熱層17、有機的擴散阻擋層21和疏水的有機層20作為覆蓋層。代替疏水的有機層20，有機的不粘層能夠起覆蓋層作用。各個層的作用原理對應于上述實施例并且在此不再詳細闡述。
[0068]本發明不通過根據實施例的描述而受到限制。更確切地說，本發明包括每個新的特征以及特征的每個組合，這尤其是包含在權利要求中的特征的每個組合，即使該特征或者該組合本身未詳細地在權利要求中或者實施例中說明時也是如此。
【主權項】
1.一種具有至少一個激光器端面(9)的激光二極管芯片(I)，所述激光器端面具有覆層(10)， 其中所述覆層(10)具有至少一個無機層(14，15，16，17，18)和至少一個有機層(20，21，22)。2.根據權利要求1所述的激光二極管芯片， 其中至少一個所述有機層包括擴散阻擋層(21)。3.根據上述權利要求中任一項所述的激光二極管芯片， 其中至少一個所述有機層(21)具有烷烴、烯烴、炔烴、環烷烴、環烯烴、聚酰胺或鋁醇土卜ΠΤΤ.04.根據上述權利要求中任一項所述的激光二極管芯片， 其中至少一個所述有機層包括有機的覆蓋層(20，22)。5.根據權利要求4所述的激光二極管芯片， 其中所述有機的覆蓋層(20，22)是疏水性層(20)和/或不粘層(22)。6.根據權利要求5所述的激光二極管芯片， 其中所述有機的覆蓋層(20，22)具有對于水大于90°的接觸角。7.根據權利要求4至6中任一項所述的激光二極管芯片， 其中所述有機的覆蓋層(20，22)包含碳納米管、有機的氟化合物或硫化合物、硫醇、硅烷、氯硅烷、胺類、乙醇、碳酸、硅氧烷或二甲氨基硅烷。8.根據上述權利要求中任一項所述的激光二極管芯片， 其中至少一個所述無機層包括導熱層(17)。9.根據權利要求8所述的激光二極管芯片， 其中所述導熱層(17)設置在第一有機擴散阻擋層(21b)和第二有機擴散阻擋層(21b)之間。10.根據權利要求8或9所述的激光二極管芯片， 其中所述導熱層(17)具有透明導電氧化物，IT0、Zn0、GaN、AlN、類金剛石碳(DLC)、SIC或石墨。11.根據上述權利要求中任一項所述的激光二極管芯片， 其中至少一個所述無機層包括介電的保護層(18 )，所述保護層直接鄰接于所述激光器端面(9)。12.根據權利要求11所述的激光二極管芯片， 其中所述介電的保護層(18)是ALD層。13.根據上述權利要求中任一項所述的激光二極管芯片， 其中至少一個所述無機層包括提高反射的層或降低反射的層。14.根據上述權利要求中任一項所述的激光二極管芯片， 其中所述覆層(10)具有多個無機層(14，15，16)，所述無機層至少部分地設置在提高反射的層序列或降低反射的層序列(11，12)中。15.根據權利要求14所述的激光二極管芯片， 其中所述提高反射的層序列或降低反射的層序列(12)包含無機層(14)和有機層(13)。16.根據權利要求2、8和14所述的激光二極管芯片， 其中所述導熱層(17)設置在所述提高反射的層序列或降低反射的層序列(11，12)和所述有機擴散阻擋層(21)之間。17.根據上述權利要求中任一項所述的激光二極管芯片， 其中至少一個所述無機層(14，15，16，17，18)具有以下材料中的至少一種: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。
【文檔編號】H01S5/028GK106063058SQ201580010230
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年2月16日
【發明人】艾爾弗雷德·萊爾, 塞巴斯蒂安·特格爾, 索菲婭·赫普曼
【申請人】歐司朗光電半導體有限公司