[發明專利]高可靠性邊發射激光器及工藝

有效

• 申請號: 202110695380.5
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113540964B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 魏思航;周志強;劉倚紅;王任凡
• 申請（專利權）人: 武漢敏芯半導體股份有限公司
• 主分類號: H01S5/024
• 分類號: H01S5/024;H01S5/34;H01S5/40
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 許美紅

本發明為高可靠性邊發射激光器及工藝，公開了一種提高邊發射激光器可靠性的方法，包括以下步驟：激光器結構中僅去除邊發射激光器端面附近的襯底材料，且利用腐蝕截止層從背面去除；將與襯底形貌契合的導熱介質作為異質襯底，填充在端面處被腐蝕的區域；導熱介質的熱導率高于原襯底材料，且導熱介質熱膨脹系數大于原襯底材料；通過高溫退火改變端面量子阱的帶隙。本發明通過去除邊發射激光器端面附近的襯底材料，用高熱導率、高熱膨脹系數的材料替代，用于提升激光器COD，改善可靠性。

技術領域

本發明涉及一種半導體激光器，尤其涉及一種用于提高任意規格的邊發射半導體激光器芯片可靠性的激光器結構及其工藝。

背景技術

目前邊發射半導體激光器芯片是高速光通信領域不可缺少的核心器件，同時它作為光纖激光器中的種子源和泵浦源也廣泛應用于工業加工領域。雖然經過多年的發展，現在的邊發射激光器擁有種類繁多、性能優異、超高功率以及覆蓋多波段等特點，但是可靠性問題一直較難解決。隨著應用方對邊發射半導體激光器可靠性的要求越來越高，可靠性逐漸成為評價芯片優劣的首要檢測內容。

邊發射激光器芯片出現可靠性問題的主要原因是端面災難性光學損傷(catastrophic?optical?damage),簡稱為端面COD現象。而產生端面COD的過程是：邊發射激光器端面(即為解離面)有許多缺陷與懸掛鍵，當激光器腔內產生光能量時這些缺陷以及懸掛鍵會發生非輻射復合現象使端面處溫度升高。溫度升高會導致端面材料的折射率升高和帶隙縮小兩個后果。其中折射率升高會使腔內更多的光能量集中在端面、光斑縮小、單位面積的光能量(光功率密度)增加，而帶隙縮小則使端面材料吸收更多的光能量，產生大量光生載流子進一步提升端面的溫度。由此可見，端面缺陷和懸掛鍵所引起的溫度上升，借由折射率升高和帶隙縮小機制使端面溫度不斷升高直至燒熔。

提升邊發射激光器可靠性的方法，即破壞上述使溫度不斷上升的循環機制。常見方法為在端面處使用帶隙較大的材料，阻止端面材料吸收光而使溫度進一步增加，實現方式為腐蝕端面材料后，采用對接生長工藝填充高帶隙材料。由于對接生長涉及到二次外延生長，較容易在對接位置產生缺陷，如果對接處存在缺陷，則很容易在該位置產生COD現象。特別當對接位置存在高鋁組分材料的情況下，由于高鋁組分的材料容易氧化，會導致對接處產生大量缺陷。

專利CN102237634A公開了一種提高GaN基邊發射激光器的方法，該激光器在外延工藝完成后，會利用刻蝕和腐蝕工藝將端面處的一部分襯底去除，以達到改變端面量子阱帶隙和形成非注入吸收區的目的。但是從正面進行端面刻蝕工藝會損傷諧振腔面，導致邊發射激光器發光特性變差；去除部分襯底也代表著降低了端面的散熱能力，不利于提高芯片的可靠性；如果激光芯片不是壓應變量子阱時，去除襯底的方法反而會使端面的量子阱帶隙縮小，使芯片的可靠性劣化。

專利CN102694341A公開了一種提高垂直發光激光器散熱能力的方法，該激光器通過去除部分襯底使有源區和散熱介質更近，從而提高芯片的散熱性能。但是該方法中，端面處量子阱和其他區域量子阱所受到的應力是相同的，因此當芯片功率逐漸增加時，芯片端面會吸收腔內產生的光能量，當吸收的光所產生的發熱量超過芯片散熱能力時，芯片仍然會產生COD現象。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中端面災難性光學損傷的缺陷，提供一種可提高邊發射半導體激光器的可靠性，且不需要采用對接生長工藝，制備工藝和晶圓級流片工藝兼容，適合批量生產，且可以用于任意材料體系的芯片中的高可靠性邊發射激光器及工藝。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

提供一種提高邊發射激光器可靠性的方法，包括以下步驟：

激光器結構中僅去除邊發射激光器端面附近的襯底材料，且利用腐蝕截止層從背面去除；

將與襯底形貌契合的導熱介質作為異質襯底，填充在端面處被腐蝕的區域；導熱介質的熱導率高于原襯底材料，且導熱介質熱膨脹系數大于原襯底材料；