一种半导体激光器的封装结构及其封装方法技术

本发明专利技术提供了一种半导体激光器的封装结构及其封装方法，半导体激光器的封装结构包括半导体激光器、半导体制冷器和设于半导体激光器与半导体制冷器之间的金属层，所述半导体制冷器包括硅衬底、设于硅衬底上的金属电极、沉积于金属电极上的半导体热电材料和刻蚀于半导体热电材料上的P‑N结构，所述半导体激光器包括第一电极、第二电极、设于第一电极及第二电极之间且从第一电极朝向第二电极方向依次设置的衬底、第一限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、第二限制层、欧姆接触层和欧姆接触层与第二限制层接触的透射光栅层。本发明专利技术使封装的半导体激光器体积减小，提高激光器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体激光器的封装结构及其封装方法
本专利技术涉及半导体光电
，尤其涉及一种半导体激光器的封装结构及其封装方法。
技术介绍
随着激光技术的发展，一门崭新的应用学科——激光医学逐步形成，激光的独特优点，解决了传统医学在基础研究和临床应用中不能解决的许多难题，引起国内外医学界的重视。半导体激光器(DL)因其具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、波长覆盖范围广等特点特别适用于医疗设备的制造。此外，半导体激光器还广泛用于光纤通信、光盘存取、光谱分析和光信息处理等重要领域。对于传统的单模激光器而言，尤其是大功率的，其正常工作需要配备单独的制冷器来为激光器降温散热。而散热器目前最常用的有三类：循环冷却水降温，风冷降温和半导体制冷器降温。现有方式制成的激光器体积巨大，在很多场合都无法很好的发挥和体现半导体激光器的性能和特点。X射线自支撑闪耀透射光栅因其宽带高效高分辨的优点，在惯性约束聚变等离子体诊断、天文物理和X射线相衬成像等领域有巨大的应用需求。可以预见，若将X射线自支撑闪耀透射光栅与半导体激光器结合使用，必然能够提高医学诊断中的可靠性，更有利于医生针对性的找出治疗手段。再者，DL的功率和寿命是衡量其性能的重要指标，目前腔面光学灾变现象是限制高功率DL功率和寿命提高的一个关键因素。为了防止腔面光学灾变的发生，目前主要使用的抗腔面光学灾变的技术包括以下几类：一、腔面钝化处理技术。二、腔面钝化薄膜技术。三、非辐射吸收窗口技术。该技术是通过在激光器腔面二次外延生长或掺杂扩散的方法制备一层宽禁带半导体材料，其目的是减少光子在此区域的辐射吸收，降低腔面的温度。然而，制备钝化薄膜前需要进行清洗步骤，会对对腔面造成一定的损伤；非辐射吸收窗口技术会额外制备半导体材料。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种半导体激光器的封装结构及其封装方法，目的是便于对高分辨率的半导体激光器进行封装，且便于散热。基于上述目的，本专利技术提供了一种半导体激光器的封装结构，包括半导体激光器、半导体制冷器和设于半导体激光器与半导体制冷器之间的金属层，所述半导体制冷器包括硅衬底、设于硅衬底上的金属电极、沉积于金属电极上的半导体热电材料和刻蚀于半导体热电材料上的P-N结构，所述半导体激光器包括第一电极、第二电极、设于第一电极及第二电极之间且从第一电极朝向第二电极方向依次设置的衬底、第一限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、第二限制层、欧姆接触层和欧姆接触层与第二限制层接触的透射光栅层。所述透射光栅层为X射线自支撑闪耀透射光栅层。所述第一电极和第二电极均通过金属层引出，连接至电源。所述P-N结构包括一个P型电极和一个N型电极；所述P-N结构中的P型电极和N型电极交替设置。所述P-N结构最外层的P型电极或者N型电极通过金属引线向外延伸，作为接触电极。相邻的P-N结构之间通过顶部或底部金属材料相互连接。第一电极为N型电极，第一限制层为N型限制层，第一波导层为N型波导层，所述第二电极为P型电极，第二限制层为P型限制层，第二波导层为P型波导层。所述N型波导层和所述P型波导层采用AlxGa1-xAs材料，所述N型波导层和所述P型波导层的厚度比为4：1。所述P型限制层采用AlxGa1-xAs材料。所述有源区为量子阱有源区或量子点有源区。所述半导体激光器的对向两侧面分别设有增透膜和高反膜。本专利技术还提供所述半导体激光器的封装结构的封装方法，包括如下步骤：步骤一、将半导体激光器堆叠于半导体制冷器上方的金属层上；步骤二、将半导体激光器的引脚连接至金属层，由金属层引出电极；步骤三、将半导体制冷器上的P-N结构中的接触电极与金属层连接；步骤四、将半导体激光器与半导体制冷器通过所述金属层整体封装于芯片中。所述半导体激光器与半导体制冷器通过导热绝缘材料贴合。所述半导体激光器的封装结构的对向两侧面分别设有增透膜和高反膜。所述半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：步骤一、在衬底上依次外延制备N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层、P型限制层和欧姆接触层；步骤二、在欧姆接触层的中部刻蚀至出P型限制层，以形成光栅凹槽；步骤三、根据光栅凹槽尺寸制备透射光栅；步骤四、将透射光栅安装入光栅凹槽；步骤五、对外延片上制备P型电极；步骤七、对衬底进行减薄抛光后制备N型电极。所述透射光栅的制备方法包括如下步骤：S1、以SOI硅片为基底，在基底的上表面镀Cr膜，在下表面镀氮化硅膜；S2、在基片上表面及下表面分别涂布光刻胶，利用紫外光刻在上表面制作光栅支撑结构掩模，在下表面制作光栅外框掩模；S3、在下表面通过反应离子刻蚀氮化硅膜，在上表面湿法刻蚀Cr膜；S4、去除上表面及下表面的光刻胶；S5、在基片上表面依次涂布减反膜和光刻胶；S6、全息光刻制作光栅掩模，光栅掩模的延伸方向垂直于光栅支撑结构掩模的延伸方向；S7、反应离子刻蚀将光刻胶光栅掩模图案转移到减反膜中；S8、上表面垂直基片向下沉积催化金属，催化金属为金、银或铂；S9、去除光刻胶、减反膜、Cr膜、及附着于光刻胶和Cr膜上的催化金属；S10、在基底上表面涂布耐碱保护胶；S11、腐蚀下表面的单晶硅，腐蚀截止至中间SiO2层；S12、去除耐碱保护胶；S13、去除氮化硅以及窗口内中间SiO2层；S14、将基片放入由氢氟酸与氧化剂组成的刻蚀液中进行金属催化刻蚀；S15、去除催化金属、漂洗并干燥后，获得X射线自支撑闪耀透射光栅。所述制备方法还包括将具有电极的外延片边缘线解理后，在半导体激光器前后腔面上通过原子层沉积方法沉积高度致密的钝化层，之后在前腔面的钝化层上沉积增透膜，在后腔面的钝化层上沉积高反射膜。解里采用超高真空解理。激光器腔面在真空中沉积一层钝化薄膜，然后再沉积一层高度致密的钝化层。其作用是第一层钝化薄膜起到在激光器腔面从真空解理机中取出进入大气环境时保护腔面不接触空气，防止腔面被氧化。此技术与腔面钝化薄膜技术的结合进一步的提高了腔面抗腔面光学灾变的能力。将半导体激光器芯片在超高真空中解理开后原位沉积钝化薄膜可以防止空气中氧气对腔面的氧化损伤，而且可以省略制备钝化薄膜前的清洗步骤，从而防止清洗步骤对腔面的损伤，这在最大限度上保护了腔面结构的完好。本专利技术的有益效果：1、本专利技术在封装半导体激光器的过程中，把半导体制冷器一并封装一体，半导体激光器产生的热量通过金属层传递到半导体制冷器向外界吸热的冷端，相较于现有技术中单独为半导体激光器配备半导体制冷器，最终使封装的半导体激光器体积减小，提高激光器的性能，半导体激光器封装在半导体制冷器的上方，相较于在半导体激光器上方或下方再制作半导体制冷器继而封装，工艺难度小。2、本专利技术P-N结构中的P型电极和N型电极交替设置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体激光器的封装结构，其特征在于，包括半导体激光器、半导体制冷器和设于半导体激光器与半导体制冷器之间的金属层，所述半导体制冷器包括硅衬底、设于硅衬底上的金属电极、沉积于金属电极上的半导体热电材料和刻蚀于半导体热电材料上的P-N结构，所述半导体激光器包括第一电极、第二电极、设于第一电极及第二电极之间且从第一电极朝向第二电极方向依次设置的衬底、第一限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、第二限制层、欧姆接触层和欧姆接触层与第二限制层接触的透射光栅层。/n

【技术特征摘要】
1.一种半导体激光器的封装结构，其特征在于，包括半导体激光器、半导体制冷器和设于半导体激光器与半导体制冷器之间的金属层，所述半导体制冷器包括硅衬底、设于硅衬底上的金属电极、沉积于金属电极上的半导体热电材料和刻蚀于半导体热电材料上的P-N结构，所述半导体激光器包括第一电极、第二电极、设于第一电极及第二电极之间且从第一电极朝向第二电极方向依次设置的衬底、第一限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、第二限制层、欧姆接触层和欧姆接触层与第二限制层接触的透射光栅层。


2.根据权利要求1所述半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述第一电极和第二电极均通过金属层引出，连接至电源。


3.根据权利要求1所述半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述P-N结构包括一个P型电极和一个N型电极；所述P-N结构中的P型电极和N型电极交替设置。


4.根据权利要求1所述半导体激光器的封装结构，其特征在于，所述P-N结构最外层的P型电极或者N型电极通过金属引线向外延伸，作为接触电极。


5.根据权利要求1所述半导体激光器的封装结构，其特征在于，相邻的P-N结构之间通过顶部或底部金属材料相互连接。
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【专利技术属性】
技术研发人员：毛虎，邱智贤，毛森，焦英豪，
申请(专利权)人：勒威半导体技术嘉兴有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33