[发明专利]针对外延侧向下安装优化的量子级联激光器

说明书

对于量子级联激光器（QCL）的外延侧向下粘接，重要的是优化QCL芯片与芯片安装于其的热沉之间的热传递。这通过使用具有高热导率的热沉并且通过使激光器有源区和所述热沉之间的热阻最小化来实现。在涉及的倒装型构型中，QCL的有源区定位成距热沉仅几微米，这从热学观点来看是优选的。然而，这种设计的实现具有挑战性，并且如果不采取具体预防措施则通常会导致低的制造产量。由于有源区非常接近热沉，因此焊接材料可能在粘接过程期间在芯片的侧面上渗出，并可能使装置短路，从而使其不能使用。为了避免这种情况发生，本发明提出除了两个波导小平面（即有源区的端部）之外，在芯片的整个周围设置沟槽。该沟槽可被蚀刻于否则将是标准的QCL芯片中，或以其它方式被机加工于芯片中，从而在倒装贴片过程期间为由芯片使其移位的焊料的体积提供初始为空的空间，该空的空间被多余的焊料占据而不接触芯片的侧面且因此不使装置短路。

技术领域

本发明涉及量子级联半导体激光器，具体地关注这种激光器的热管理和制造产量。

背景技术

量子级联激光器（QCL）是依赖量子阱中的子带间跃迁的半导体激光器。其在中红外光谱范围内（即在3-50μm的波长下）在室温下以连续波（CW）模式操作。

因为QCL在大约10V的相对大的电压和大约1kA/cm²的阈值电流密度下操作，所以增益区中的焦耳加热导致在高占空比和CW操作期间内部温度高于热沉温度的显著上升。这种自加热通常导致性能劣化，因为激光器效率随有源区温度的升高而降低。为了将这种有害影响保持最小，重要的是通过使用由高热导率材料制成的热沉并且通过最小化激光有源区和所述热沉之间的热阻来优化热传递。

与大多数半导体激光器一样，QCL的制造由半导体异质结构在衬底上的外延生长开始。然后外延侧被图案化以形成波导，沉积电绝缘层并选择性地将其开放，并且沉积金属层以便电接触。通常在接触层的顶部电镀通常为3-5微米的额外金层，以通过侧向扩散热来增强热耗散。衬底侧通常被减薄至100-200μm，并且金属接触层沉积在其上。为了使装置发光，电流必须在外延侧接触件和衬底侧接触件之间流动通过有源区。

图1a和1b示出了对应装置几何结构的两个主要种类：图1a示出第一种类，脊波导（RWG）激光器，其中介电材料（通常为氮化硅（Si₃N₄）或氧化硅（SiO₂））的薄层被用作绝缘体。图1b中示出第二种类，掩埋异质结构（BH）激光器，其中半绝缘的半导体材料（通常是铁掺杂的InP（Fe:InP））的选择性过生长（overgrowth）被用作绝缘体。后者具有更低的波导损耗和更高的热导率的优点。下文进一步详细描述图1a和1b。

关于上述的掩埋异质结构（BH）构型，已经针对QCL展示了至少两种不同的类型，我们在此将称之为“标准BH”和“倒置BH”。在标准BH中，首先生长平面顶部覆层，然后在顶部覆层和有源区中蚀刻脊，并且最后在所述脊的侧面上选择性地过生长半绝缘材料以完成波导。

图2示出由A. Bismuto等人在2013年9月13日提交的尚未公布的欧洲专利申请13405 109.3中描述的所谓的“倒置”BH QCL。在该结构中，在生长覆层之前在有源区14中蚀刻脊，随后在有源区14的侧面上选择性地过生长半绝缘材料15，并且最终在整个结构上生长平面顶部覆层16以完成波导。在可选的绝缘层12上的金属顶部接触层13与衬底17背面上的未示出的接触层一起为QCL提供电能。

由于与标准BH工艺相比，执行顶部覆层生长和选择性过生长的顺序是倒置的，因此该装置被称为“倒置BH QCL”。这种倒置BH架构具有相比于标准架构（通常需要约6-7μm的选择性过生长）需要更薄的选择性过生长部（通常约2-3μm）的优点。