背泵浦式半导体薄膜激光器制造技术

本公开内容在一方面涉及一种半导体薄膜激光器晶片(500)，包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】背泵浦式半导体薄膜激光器


[0001]本专利技术属于光子领域，尤其是属于半导体激光器领域。

技术介绍

[0002]在本领域中已知的是，光学泵浦的半导体激光器，例如被实施为竖直发射的半导体激光器在较宽的波长范围内提供了高输出功率和优异的光束特性。此外，布置在半导体激光器晶片外部的外部谐振器使得半导体激光器的运行受光学元件的影响，从而实现了，例如窄线宽、可调谐发射波长、高效变频和/或超短激光脉冲发射。
[0003]然而，取决于激光光源的发射波长，并且也取决于半导体激光器中放大器介质的材料系统，当前只有在大量的技术和财政支持下才可能实施这个激光器概念。当前需要使用大的泵浦源，并且需要安装昂贵的独立散热器以消散在半导体激光器内部产生的热能。在现有技术的半导体激光器中，半导体放大器介质和散热器之间的热接触较差。
[0004]这种客观的技术需求的一个原因是缺乏用于半导体激光器的可用廉价泵浦源。该泵浦源需要在较宽的波长范围内具有良好的光束质量，因此需要使用昂贵的泵浦光学器件将泵浦光束从泵浦激光器聚焦到半导体激光器中的泵浦点。然而，泵浦光学器件中聚焦镜的尺寸，以及从聚焦镜到泵浦点所需的最小距离的组合，在几何上被限制为与该半导体激光器中的放大器介质和在谐振器中产生激光光束成90
°
。
[0005]这可以在图1中被说明，该图1示出了半导体盘式激光器，所述半导体盘式激光器具有带散热器20的半导体盘式激光器晶片10、带有放大器介质的有源区30以及布拉格反射器(Bragg reflector)40。来自泵浦源激光器60的泵浦激光光束50从一侧15冲击泵送点35。泵浦激光光束50导致有源区30内产生激光，致使激光光束70从半导体盘式激光器晶片10的上面12产生。激光光束75通过反射镜80从半导体盘式激光器中耦合出来。为了在有源区30内产生激光，必须使用昂贵的、可以被良好聚焦的泵浦源激光器，否则有源区30将在过大的范围被泵浦。结果是，为了在有源区30中实现所需的功率密度从而引发激光，泵浦激光光束50将需要更多的泵浦功率，这将导致在有源区30中产生额外的热量，这继而又提高了需要的泵浦功率密度，并且附加地降低了有源区30中激光介质的输出功率。
[0006]另一个问题涉及在这种半导体激光器中，特别在光泵浦、竖直发射的半导体激光器中的热量管理。有三种不同的方法可以被用于处理这种半导体激光器中的热量(热能)消散。图1示出了第一种解决方案，其中来自有源区30中的放大器介质的热量通过半导体反射镜(布拉格反射器40)传递到(例如，由金刚石制成的)散热器20。取决于半导体盘式激光器的波长范围，和半导体反射镜的材料系统，通过该布拉格反射器的热传输较低，因此散热非常有限。
[0007]图2示出了另一种解决方案，其示出了带有腔内散热器220的半导体盘式激光器。(同样由光学质量非常好的金刚石制成的)散热器220直接地应用于有源区30中的放大器介质。这个应用可以通过纯粹地机械压力来完成，或通过存在的中间层来完成，所述中间层确保有源区30和散热器220之间的永久性机械接触。布拉格反射器40支撑在基板200上。在上
述两种情况下，在有源区30和散热器220之间的界面225处的散热同样受限。
[0008]图3示出了第三种解决方案，其说明了倾斜地(或斜地)泵浦式半导体薄膜激光器。在这个较新的激光器概念中，带有放大介质的有源区30与位于该有源区30两侧的上散热器320a和下散热器320b接触。与图2所示的方法相比，这已经显著地改进了散热。还展示了使用碳化硅作为金刚石的替代品来用于散热器。所述碳化硅借助于等离子激活的结合与有源区30中的放大器介质直接地接触(参见Z.Yang等人的，“16W DBR
‑
free membrane semiconductor disk laser with dual
‑
SiC heatspreader，”Electronics Letters，第54卷，第7期，第430
‑
432页(2018))。但是，在这个第三种解决方案中仍然存在上文所谈论的泵浦光学器件的几何限制。
[0009]将光泵浦式、竖直发射的半导体激光器晶片安装至所谓基座中或所谓基座上以形成放大器单元，将在下文解释的是，所述放大器单元充当连接至半导体激光器中的散热器的散热片。所讨论的所有解决方案均要求每个独立的放大器单元被分别的成产，使得该生产难以被扩产为适于大规模生产的低成本生产工艺。因此，在发射波长种类较多的情况下，现有技术的解决方案使得光泵浦式、竖直发射的半导体激光器的制造至少具有以下限制之一：由于放大器单元中热量管理缺乏导致的低光输出功率、光泵对谐振器的几何形状缺乏适应、以及由于复杂热量管理导致的单个激光系统成本高，对于大批量来说所述复杂热量管理不够经济高效，或者需要昂贵的特殊泵浦源或泵浦光学器件。结果是，与已经商业化的其他概念相比，该现有技术的解决方案在这些波长范围内未提供优势(甚至提供劣势)。
[0010]因此，现有技术的解决方案对大市场来说没有吸引力，并且只有图1和图2示出的那些解决方案在发射波长独立和单体价格高的情况下可用。
[0011]现有技术
[0012]已知有数个专利文献和文章描述了光泵浦式、竖直发射的半导体激光器及其制造。例如，第US 8,170,073 B2号美国专利(等同于第WO2011/031718A2号PCT申请)教导使用金刚石散热器。这个专利文献中说明的设计不能在晶圆尺度上被大规模生产。
[0013]第US 9,124,062 B2号美国专利教导使用介电层替代用于高效散热的散热器，作为与放大器介质直接接触的反射器。该放大器介质是氮化锗(GaN)基板上的III族氮化物，但是在这个申请中并未教导要完全的移除基板。激光波长在370nm和550nm之间。
[0014]第US2013/0028279A1号美国专利申请教导用高对比度光栅作为反射器，用金刚石用作散热器。然而，该结构不适于在晶圆尺度大规模生产。从第WO 2005036702 A2号国际专利申请中获知了同样不适于在晶圆尺度大规模生产的另一种结构，其中使用机械设备借助于压力使放大器介质与散热器接触。类似地，第US 6,385,220 B1号美国专利也教导使用机械设备借助于压力使放大器介质与散热器接触(“......与之物理接触，但不结合......”)。
[0015]第EP 1 720 225 B1号欧洲专利教导一种带有布拉格反射镜(DBR)和基板的完整放大器晶片。该基板要么完整的存在，要么具有孔。不存在等离子激活的晶圆结合，而是纯粹地机械接触或液体毛细管结合。
[0016]文献EP 2 996 211 A1教导一种包含光学增益材料和散热片的固态激光器有源介质，其中所述散热片是透明的。布拉格反射镜(DBR)存在于放大器介质和散热器之间，或存在于放大器介质和外部反射镜之间。这导致从放大器介质的散热减少，或者导致需要限制
泵浦光学器件和放大器介质之间的距本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体薄膜激光器晶片(500)，包括：
‑
平面形状的激光介质(510)，包括上表面(511a)并且包括与所述上表面(511a)相对的下表面(511b)，所述激光介质(510)被配置为发射在激光波长λ1的电磁辐射(170)，
‑
第一散热器(520a、520b)，结合到所述激光介质(510)的上表面(511a)和下表面(511b)之一的上表面中的一个，
‑
第一介电层(535b)，布置在所述激光介质(510)的下表面(511b)，或者当所述第一散热器(520a、520b)结合到所述激光介质(510)的下表面(511b)时，布置在所述第一散热器(520a、520b)的下表面(525b)，其中所述第一介电层(535a、535b)反射所述激光波长λ1。2.根据权利要求1所述的半导体薄膜激光器晶片(500)，其中所述平面形状的激光介质(510)被配置为，当被泵浦波长λ2的电磁辐射(150)光学地泵浦时，发射在激光波长λ1的电磁辐射(170)。3.根据权利要求1或2所述的半导体薄膜激光器晶片(500)，其中所述第一介电层(535b)对于在泵浦波长λ2的所述电磁辐射(150)是透射的。4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体薄膜激光器晶片(500)，还包括第二介电层(535a)，其布置在所述激光介质(510)的上表面(511a)，或者当至少一个散热器结合到所述激光介质(510)的上表面(511a)时，布置在所述至少一个散热器(520a、520b)的上表面(525a)，所述第二介电层(535a)包括的对所述激光波长λ1的透射性大于所述第一介电层(535a)对所述激光波长λ1的透射性。5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体薄膜激光器晶片(500)，还包括第二散热器(520a、520b)，其结合到所述激光介质(510)的上表面(511a)和下表面(511b)之一的上表面中的另一个。6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体薄膜激光器晶片(500)，还包括至少第一接触层(530a、530b)，其与所述激光介质(510)的上表面(511a)和下表面(511b)之一的上表面中的一个相邻地布置，或者与所述第一散热器(520a、520b)和第二散热器(520a、520b)之一的表面(521a、522b)相邻地布置，所述表面(521a、522b)背向所述激光介质(510)。7.根据权利要求6所述的半导体薄膜激光器晶片(500)，还包括至少第二接触层(530a、530b)，其与所述激光介质(510)的上表面(511a)和下表面(511b)中的另一个相邻地布置，或者与所述第一散热器(520a、520b)和第二散热器(520a、520b)中的另一个的表面相邻地布置，所述表面(521a、522b)背向所述激光介质(510)。8.根据权利要求6或7所述的半导体薄膜激光器晶片(500)，其中第一接触层和第二接触层(530a、530b)中的至少一个包括开口(532a、532b)或孔，其中所述第一介电层和第二介电层(535a、535b)中的一个布置在所述开口(532a、532b)或孔中。9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的半导体薄膜激光器晶片(500)，其中所述第一接触层和第二接触层(530a、530b)中的至少一个包括金属接触层，所述金属接触层被配置为焊接至基座(700)，其中所述基座(700)包括金属主体。10.根据前述权利要求中任一项所述的半导体薄膜激光器晶片(500)，还...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：二十一半导体有限责任公司，
类型：发明
国别省市：