專(zhuān)利名稱(chēng)：極低成本的表面發(fā)射激光二極管陣列的制作方法
極低成本的表面發(fā)射激光二極管陣列本申請(qǐng)要求2 005年1月24日提交的美國(guó)申請(qǐng)No. 11/042， 759的 優(yōu)先權(quán)。技術(shù)領(lǐng)域所公開(kāi)的主題一般涉及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域。
技術(shù)背景半導(dǎo)體激光二極管陣列是用于各種應(yīng)用的有效且可靠的高功率相 干光源，所述各種應(yīng)用包括固態(tài)激光器的泵浦、皮膚病學(xué)以及材料處 理。單獨(dú)尋址的激光器的陣列還用于數(shù)據(jù)通信。高功率激光器陣列通常通過(guò)組合多個(gè)激光器"棒"制造。每個(gè)激 光器棒由結(jié)合了多個(gè)(典型地，20個(gè))邊發(fā)射激光器條的單個(gè)半導(dǎo)體 芯片組成。每個(gè)激光器棒被安裝到它自己的熱沉或熱冷卻器上，且很 多這樣的組件被組合成垂直或水平的堆棧(stack)以形成整個(gè)高功率 陣列。使用邊發(fā)射技術(shù)的陣列具有強(qiáng)烈限制它們的應(yīng)用的缺點(diǎn)。具體而 言，大的陣列制造起來(lái)是很昂貴的，因?yàn)樗龆褩Ｖ械拿總€(gè)激光器棒 必須被單獨(dú)劈開(kāi)、涂覆、測(cè)試和安裝然后組裝。這些操作需要從母晶 片分離各個(gè)激光器棒，因?yàn)檫叞l(fā)射激光器需要一個(gè)劈開(kāi)的反射激光器 刻面(facet )用于工作。高功率水冷多層堆棧也是易碎和不可靠的，因?yàn)樗鼈冃枰⑼ǖ?水冷卻器，這種冷卻器容易阻塞并且易于在o環(huán)密封處發(fā)生水泄漏。而且，這些陣列的多層構(gòu)造使其難以在棒之間以及和外部聚焦光 學(xué)系統(tǒng)之間維持準(zhǔn)確的位置對(duì)準(zhǔn)，這降低了所產(chǎn)生的激光束的光學(xué)品 質(zhì)。表面發(fā)射激光二極管不需要劈開(kāi)的激光刻面，且可以低成本地在 晶片級(jí)制造和測(cè)試。結(jié)合了大量表面發(fā)射二極管的單個(gè)管芯可用于制 備僅需要單個(gè)冷卻器的粗糙的、低成本的激光器陣列，且各個(gè)激光器
之間具有極好的對(duì)準(zhǔn)。不幸的是，稱(chēng)為垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL) 二極管的商用表面發(fā)射技術(shù)具有極高的熱學(xué)和電學(xué)阻抗，這導(dǎo)致不良 的輸出功率和低的效率。試圖將面內(nèi)激光二極管與干法蝕刻的偏轉(zhuǎn)鏡相結(jié)合，以制造低成 本的表面發(fā)射激光器和陣列。不幸的是，由這些技術(shù)制造的反射鏡的 制造產(chǎn)量、角度精確度和光學(xué)平滑度對(duì)于商業(yè)應(yīng)用是不夠的。發(fā)明內(nèi)容一種半導(dǎo)體激光器陣列，包括光學(xué)耦合到多個(gè)激光器條的一個(gè)或 多個(gè)反射表面。所述反射表面沿著管芯的(111) A晶面布置。


圖l是示出半導(dǎo)體激光器陣列的透視圖的圖解； 圖2是示出半導(dǎo)體激光器的側(cè)視圖的圖解；圖3是示出具有蝕刻的槽的化合物半導(dǎo)體晶片的透視圖的圖解； 圖4是類(lèi)似于圖3但具有鄰近取向的基板的狹縫的放大的剖面圖 的圖解；圖5是示出備選實(shí)施例的側(cè)面剖視圖的圖解，其中光發(fā)射區(qū)域相 鄰于熱沉和將光反射經(jīng)過(guò)管芯的基板的反射表面定位。
具體實(shí)施方式
公開(kāi)了一種單個(gè)半導(dǎo)體管芯上的半導(dǎo)體激光器陣列。所述管芯包 括與反射表面光學(xué)耦合的多個(gè)激光器條。所述激光器條產(chǎn)生多個(gè)激光 束，所述激光束在基本平行于管芯的上表面的方向上傳播。反射表面 使所述激光束改道以在基本垂直于該上表面的方向上發(fā)射。備選地， 反射表面可以使激光束改道以從管芯的下表面發(fā)射。所述反射表面可 以通過(guò)蝕刻鄰近取向的(vicinally oriented) III-V族半導(dǎo)體管芯 使得反射表面沿著管芯的(111) A晶面延伸，而形成。圖1和2具體地涉及一個(gè)實(shí)施例，其中光束從上表面發(fā)射，但是 如有需要，通過(guò)反轉(zhuǎn)反射表面的傾斜，光束可以從下表面發(fā)射。當(dāng)基 板對(duì)于產(chǎn)生的光是不透明的時(shí)候，直接位于所述偏轉(zhuǎn)鏡之下的基板材 料可以通過(guò)本領(lǐng)域中已知的工藝化學(xué)地去除。對(duì)于發(fā)射光束的"表面" 的任意引用將包括管芯的上表面或下表面。通過(guò)參考數(shù)字更具體地參考附圖，圖i示出了半導(dǎo)體激光器io的陣列。半導(dǎo)體激光器10制造為包含多個(gè)激光器條14和一個(gè)或多個(gè)反 射元件16的半導(dǎo)體管芯12。典型地， 一個(gè)反射元件16與一組激光器 條14相關(guān)聯(lián)。激光器條14產(chǎn)生多個(gè)激光束18，所述激光束向管芯12 的邊緣20傳播。反射元件16反射激光束18，使得光束18從管芯12 的上表面22發(fā)射。如圖2所示，每個(gè)激光器條14包括增益層24和衍射光柵反饋層 26。增益層24位于P型層30和N型層31之間以提供振蕩所需的光學(xué) 增益。電學(xué)接觸34可以位于管芯12的上表面22和下表面36上。接 觸34連接到引起空穴和電子從31和30遷移到有源層24中的電源。 所述空穴和電子復(fù)合并發(fā)射光子。可以由折射率不同于P型層30的半導(dǎo)體合金構(gòu)成的衍射光柵反饋 層26，可以以滿(mǎn)足所需振蕩頻率的布拉格條件的周期成波紋狀。層26 可以沿著激光器的整個(gè)長(zhǎng)度延伸，在這種情況下，它形成分布式反饋 激光器，或者它可以在部分長(zhǎng)度上延伸，在這種情況下，它形成分布 式布拉格反射激光器。每個(gè)反射元件16可以包括反射表面38，該反射表面可以反射激光 束使其經(jīng)過(guò)管芯l2的上表面22中的出射刻面4 0?？堂?0可以具有抗 反射涂層，或可以具有外延的或淀積的多層堆棧，以增強(qiáng)反射率。反 射表面38相對(duì)于上表面22以45度角形成。該45度角通過(guò)全內(nèi)反射 將使激光束偏轉(zhuǎn)90度，使得激光垂直于上表面22從管芯12出射。反 射表面38可以沿著管芯12中的凹槽42延伸。半導(dǎo)體管芯12可以外延生長(zhǎng)在磷化銦、砷化鎵或其他III-V族 半導(dǎo)體基板上，這些或其他III -V族半導(dǎo)體的(111 ) A晶面比不同 方向上的平面更熱力學(xué)穩(wěn)定。因此，化學(xué)蝕刻這些材料留下了沿著 (111) A晶面的暴露表面。如圖3所示，如果除了暴露的
取向的狹槽44的區(qū)域，常規(guī) (100)取向的III-V族半導(dǎo)電晶片46的表面50被抗化學(xué)蝕刻的掩 模48保護(hù)，且典型地使用氯基或碘基蝕刻劑進(jìn)行蝕刻，則形成伸出的 (overhanging)"燕尾，，形的凹槽。所得的凹槽的側(cè)壁是(111 ) A面， 它相對(duì)于該表面傾斜54. 7度，并不適用于用作45度偏轉(zhuǎn)鏡。如果如
圖4所示，使用從(100)方向向
方向傾斜9. 7度的鄰近取向 的基板22代替常規(guī)(100)取向的基板，得出的(111 ) A側(cè)壁38相 對(duì)于該表面傾斜45度。該側(cè)壁適于用作90度偏轉(zhuǎn)鏡。結(jié)果是可重復(fù)的工藝以在管芯中形成45度反射表面。此外，該蝕 刻工藝產(chǎn)生了相對(duì)平滑的反射表面38。反射表面38通常在制造激光器 條14之后形成。通常，大量的激光器管芯12將在單個(gè)晶片上并行制造，該單個(gè)晶 片然后被切割成激光二極管陣列。圖5示出一個(gè)備選實(shí)施例，其中反射元件16，改道激光束使其經(jīng)過(guò) 管芯的基板。這允許熱沉60直接附著到管芯的結(jié)區(qū)域。結(jié)區(qū)域是管芯產(chǎn)生最多熱的區(qū)域。直接附著熱沉60到這一區(qū)域改 善了從激光二極管陣列去除熱量的熱效率。如果基板對(duì)于激光束不透 明，則可以在其中形成開(kāi)口 62以允許光從管芯下表面通過(guò)。舉例來(lái)說(shuō)， 開(kāi)口 62可以從基板32蝕刻。舉例來(lái)說(shuō)，激光器條可以連接成電學(xué)平行布置。在某些條件下， 有利的是，泵浦這些條中的一些或全部，串聯(lián)的條部分，在這種情況 下，這些部分可以通過(guò)諸如金剛石割鋸或化學(xué)腐蝕之類(lèi)的工藝機(jī)械地 分離，且然后將這些部分安裝到合適的圖形化的熱沉。使用準(zhǔn)直透鏡陣列20準(zhǔn)直高功率陣列的輸出通常是有利的。有效 的準(zhǔn)直需要每個(gè)條與相關(guān)準(zhǔn)直透鏡20的精確的對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)使該陣列與準(zhǔn)直透鏡2 0的匹配的單片陣列相配對(duì)，本發(fā)明允 許所述準(zhǔn)直在一步執(zhí)行。這和常規(guī)陣列形成對(duì)照，在常規(guī)陣列中，分 離的行之間的機(jī)械配準(zhǔn)是很不精確的。盡管已經(jīng)描述了并在附圖中示出了示意性實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解這些 實(shí)施例僅是寬廣的本發(fā)明的說(shuō)明而非限制，且本發(fā)明并不限制于示出 和描述的特定構(gòu)造和布置，因?yàn)閷?duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行各種其 他修改。尤其是，如果P摻雜和N摻雜層的導(dǎo)電類(lèi)型反轉(zhuǎn)，如果有源 28和分布式反饋層26的位置反轉(zhuǎn)，可以制備基本等效的激光器。
權(quán)利要求
1、一種半導(dǎo)體激光器陣列，包括半導(dǎo)體管芯，該管芯包括多個(gè)激光器條；以及反射表面，該反射表面與所述激光器條光學(xué)耦合并沿著所述半導(dǎo)體管芯的(111)A晶面布置。
2、 權(quán)利要求l的陣列，其中所述半導(dǎo)體管芯由III - V族化合物 半導(dǎo)電晶體制造。
3、 權(quán)利要求l的陣列，其中所述半導(dǎo)體管芯的表面相對(duì)于所述半 導(dǎo)體管芯的(100)晶面成一個(gè)角度布置。
4、 權(quán)利要求l的陣列，其中所述反射表面相對(duì)于所述半導(dǎo)體管芯 的表面成45度的角度布置。
5、 權(quán)利要求1的陣列，進(jìn)一步包括附著于所述半導(dǎo)體管芯的熱沉， 且所述反射表面反射光使其經(jīng)過(guò)所述半導(dǎo)體管芯的基板。
6、 權(quán)利要求l的陣列，其中所述反射表面沿著凹槽布置，所述凹 槽跨過(guò)所述半導(dǎo)體管芯的表面的 一部分延伸。
7、 權(quán)利要求l的陣列，進(jìn)一步包括與所述反射表面耦合的多個(gè)透鏡。
8、 權(quán)利要求7的陣列，其中所述透鏡是準(zhǔn)直透鏡。
9、 一種半導(dǎo)體激光器陣列，包括 半導(dǎo)體管芯，該管芯具有表面，并且包括激光器裝置，用于產(chǎn)生多個(gè)激光束；以及 反射裝置，用于反射激光束，使得所述激光束從所述表面出 射該半導(dǎo)體管芯。
10、 權(quán)利要求9的陣列，其中所述半導(dǎo)體管芯由III-V族半導(dǎo)電 晶體制造。
11、 權(quán)利要求9的陣列，其中所述表面相對(duì)于所述半導(dǎo)體管芯的 (100)晶面成一個(gè)角度布置。
12、 權(quán)利要求9的陣列，其中所述反射裝置包括反射表面，所述 反射表面相對(duì)于所述半導(dǎo)體管芯的所述表面成45度的角度布置。
13、 權(quán)利要求9的陣列，進(jìn)一步包括附著于所述半導(dǎo)體管芯的熱 沉，且所述反射裝置反射光使其經(jīng)過(guò)所述半導(dǎo)體管芯的基板。
14、 權(quán)利要求9的陣列，其中所述反射裝置包括反射表面，所述 反射表面沿著凹槽布置，所述凹槽跨過(guò)所述半導(dǎo)體管芯的所述表面的 一部分延伸。
15、 權(quán)利要求9的陣列，進(jìn)一步包括與所述反射裝置耦合的透鏡 裝置。
16、 權(quán)利要求15的陣列，其中所述透鏡裝置包括至少一個(gè)準(zhǔn)直透鏡。
17、 一種操作半導(dǎo)體激光器陣列的方法，包括 產(chǎn)生多個(gè)激光束；以及將激光束從半導(dǎo)體管芯的反射表面反射90度，使得該激光束出射 該半導(dǎo)體管芯的表面，所述反射表面沿著所述半導(dǎo)體管芯的(111) A 晶面布置。
18、 權(quán)利要求17的方法，其中所述激光束從所述半導(dǎo)體管芯的上 表面反射。
19、 權(quán)利要求17的方法，其中所述激光束被反射經(jīng)過(guò)所述半導(dǎo)體 管芯的基板。
20、 一種用于制造半導(dǎo)體激光器陣列的方法，包括 在半導(dǎo)電晶片上形成多個(gè)激光器條；在半導(dǎo)電晶片的一部分上形成掩模，使得存在半導(dǎo)電晶片的未被 掩蔽的部分；蝕刻所述半導(dǎo)電晶片的未被掩蔽的部分，以產(chǎn)生沿著半導(dǎo)電晶片 的(111 ) A晶面延伸的反射表面；以及從所述半導(dǎo)電晶片切割半導(dǎo)體管芯，所述半導(dǎo)體管芯包含至少兩 個(gè)激光器條和所述反射表面。
21、 權(quán)利要求20的方法，其中所述半導(dǎo)電晶片由III-V族化合 物半導(dǎo)電晶體制造。
22、 權(quán)利要求20的方法，進(jìn)一步包括切割所述半導(dǎo)電晶片，使得 所述半導(dǎo)電晶片的表面相對(duì)于該半導(dǎo)電晶片的(100)晶面成一個(gè)角度 布置。
23、 權(quán)利要求20的方法，進(jìn)一步包括附著熱沉到所述半導(dǎo)體管芯。
24、 權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括在所述半導(dǎo)體管芯的基板中 形成開(kāi)口。
25、 權(quán)利要求20的方法，進(jìn)一步包括耦合多個(gè)透鏡到所述反射表面。
26、 權(quán)利要求"的方法，其中所述透鏡用于準(zhǔn)直。
全文摘要
單個(gè)半導(dǎo)體管芯上的半導(dǎo)體激光器陣列。所述管芯包括多個(gè)光學(xué)耦合到反射表面的激光器條。所述激光器條產(chǎn)生多個(gè)激光束，所述激光束在基本平行于所述管芯的上表面的方向上傳播。所述反射表面使所述激光束改道以在基本垂直于上表面的方向上發(fā)射。備選地，所述反射表面可以使所述激光束改道以從管芯的底表面發(fā)射。所述反射表面可以通過(guò)蝕刻鄰近取向的III-V族半導(dǎo)體管芯使得所述反射表面沿著所述管芯的(111)A晶面延伸而形成。
文檔編號(hào)H01S5/10GK101164208SQ200680009396
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2006年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月24日
發(fā)明者J·E·安格, M·奧索夫斯基 申請(qǐng)人:昆特森斯光電技術(shù)公司