專利名稱：垂直腔面發(fā)射激光器列陣的串接結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種垂直腔面發(fā)射激光器
(vertical-cavity surface-emitting laser即VCSEL)列陣芯片的串接結(jié)構(gòu)，適用于 軍事、醫(yī)療、工業(yè)加工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器以其體積小、重量輕、壽命長、效率高等優(yōu)點越來越多地吸 引了人們的注意。而其中的垂直腔面發(fā)射激光器又具有許多傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光 器所不具備的優(yōu)點，例如制造成本低廉、可靠性好、光譜和光束質(zhì)量好等。因 此垂直腔面發(fā)射激光器具有良好的發(fā)展前景。為了擴展垂直腔面發(fā)射激光器的 應(yīng)用領(lǐng)域，我們就需要進一步提高其輸出功率。
提高輸出功率的一個有效方法就是增大VCSEL列陣的集成度，但是由于 VCSEL列陣中的發(fā)光單元相互之間的連接方式是并聯(lián)，所以增加列陣中發(fā)光單 元的數(shù)目就會使驅(qū)動電流大幅度增大。按照一個發(fā)光單元的閾值電流IA計算， 驅(qū)動電流為閾值電流的3倍，即3安，如果一個列陣集成1000個VCSEL發(fā)光單 元，那么驅(qū)動電流將需要3000A,這就給我們帶來了一個嚴峻的問題，這么大 的電流源是很難得到的。為了解決這一難題本發(fā)明提供了一種將多個VCSEL列 陣芯片串聯(lián)在一起的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以將多個VCSEL列陣芯片以串聯(lián)的方式相 互連接，大大增加了發(fā)光單元數(shù)量，從而增大整個結(jié)構(gòu)的輸出功率，而驅(qū)動電 流卻沒有明顯的增大。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種新型的VCSEL列陣芯片串接結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明垂直腔面發(fā)射激光器列陣串接結(jié)構(gòu)包括熱沉1、熱沉表面的金屬膜
2、 VCSEL列陣芯片3、金屬條4、流入電極51、流出電極52及金絲引線6，每 個垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片3中包括MXM個發(fā)光單元7;
各部分的位置及連接關(guān)系在熱沉1上的指定區(qū)域蒸鍍金屬膜2，垂直腔 面發(fā)射激光器列陣芯片3焊接在熱沉1上蒸鍍金屬膜2的區(qū)域內(nèi)，再將金屬條4 焊接在熱沉1上蒸鍍金屬膜2的區(qū)域，金絲引線6將垂直腔面發(fā)射激光器列陣 芯片3和金屬條4連接，電流通過流入電極51流入，通過金絲引線流入各個垂 直腔面發(fā)射激光器列陣芯片3，最后從流出電極52流出，垂直腔面發(fā)射激光器 列陣芯片3在金屬膜區(qū)域內(nèi)排列方式為NXN， NXN為垂直腔面發(fā)射激光器列 陣芯片3的個數(shù)，本發(fā)明中N為2-10的正整數(shù)，
其中每個垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片3包括MXM個發(fā)光單元7，本發(fā)明 中M為2 — 30的正整數(shù)，每個發(fā)光單元7包括襯底8、生長于襯底之上的下反 射鏡9、生長于下反射鏡之上的有源層10、生長于有源層之上的上反射鏡12、 上反射鏡外側(cè)的上電極14、襯底外側(cè)的下電極13。
其中熱沉材料可以是金剛石，也可以是高導(dǎo)熱陶瓷等導(dǎo)熱率高且絕緣性好 的材料，下反射鏡10 —般是30至40對反射鏡組成，可以是介質(zhì)膜反射鏡也可 以是分布布拉格反射鏡，介質(zhì)膜反射鏡材料可以是SiO/Ti02，而布拉格反射鏡 的材料可以是GaAs/AlGaAs等、上反射鏡12由20至30對反射鏡組成，可以是 介質(zhì)膜反射鏡也可以是分布式布拉格反射鏡，介質(zhì)膜反射鏡的材料可以是 Si02/Ti02/Si02/Au，布拉格反射鏡的材料可以是GaAs/AlGaAs等、金屬條4的 材料可以是Au或Cu鍍Au等導(dǎo)電性能好的金屬、上電極14的材料可以是Zn-Au， In-Au， Cr-Au， Ti-Pt-Au， In-Ag-Au， Ti-Ag-Au， Ti-Pt等，其中較常用的是Zn-Au 和Ti-Pt-Au、下電極13的材料是Au/Ge/Ni/Au。本發(fā)明提供了一種VCSEL列陣的串接結(jié)構(gòu)，利用這種結(jié)構(gòu)可以將VCSEL列 陣芯片串接起來，增大VCSEL列陣的面積，從而有效增大輸出功率，而且由于 該發(fā)明中的VCSEL列陣芯片是串聯(lián)在一起的，又不會使驅(qū)動電流明顯增大。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，所有的引線都分布在外側(cè)，VCSEL列陣芯片排列緊密， 有效的發(fā)光面積大，發(fā)光密度大。
另外，本發(fā)明使用高導(dǎo)熱材料做為熱沉散熱，又使用熱傳導(dǎo)效率較高的焊 料，加之VCSEL列陣芯片的工作方式是脈沖工作，因此，基本解決了散熱問題。


圖1示出了在熱沉的固定區(qū)域蒸鍍金屬膜的示意圖。
圖2示出了垂直腔面發(fā)射激光器將列陣芯片和金屬條焊接在蒸鍍有金屬膜
的熱沉上的示意圖。
圖3示出了垂直腔面發(fā)射激光器列陣的串接結(jié)構(gòu)的俯視圖。
包括熱沉l、熱沉表面的金屬膜2、 VCSEL列陣芯片3、金屬條4、流入電
極51、流出電極52、金絲引線6、發(fā)光單元7。
圖4示出了垂直腔面發(fā)射激光器列陣的串接結(jié)構(gòu)的剖面?zhèn)纫晥D。
圖5示出了垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片的俯視圖。
圖6為垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片單個發(fā)光單元的側(cè)視圖。
圖7為N為3的垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片的實施例串接方式示意圖。
圖8為N為4的垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片的實施例串接方式示意圖。
具體實施例方式
實施例一
現(xiàn)在將參照圖1至圖3來具體描述該發(fā)明。
參照圖1，本發(fā)明選擇高導(dǎo)熱材料作為熱沉材料以提高器件的熱傳導(dǎo)能力， 在熱沉上的指定區(qū)域蒸鍍金屬膜2，即蒸鍍Au/Ge/Ni/Au或其它導(dǎo)電性能良好 的金屬用于傳導(dǎo)電流。參照圖2，將VCSEL列陣芯片3焊接在熱沉上蒸鍍有金屬膜2的區(qū)域，圖 5為VCSEL列陣芯片示意圖，芯片3大小約為8-10mmX8-10mm，芯片總面積 占金屬膜2面積的75%左右，焊料為Au/Sn焊料，再將金屬條4焊接在熱沉上 蒸鍍金屬膜2的區(qū)域用于傳導(dǎo)電流，金屬條4的大小根據(jù)所需金絲引線6的數(shù) 量而定，例如若驅(qū)動電流為25A，按每跟金絲0.8A計算，需金絲30 — 35跟， 金絲間間距至少4一5倍，金絲直徑30微米，則金屬條長度應(yīng)為4.5mm—6mm， 焊料為In焊料。該處焊料的選擇是由于Au/Sn焊料的熔點高于In焊料，因此 在焊接金屬條4時加熱融化In焊料不會對已經(jīng)焊接好的VCSEL列陣芯片3造 成影響。為了方便下一步金絲引線，要求VCSEL列陣芯片的高度與金屬條的 高度一致。
參照圖3，利用金絲球焊將金屬條4與VCSEL列陣芯片3連接在一起。 金絲數(shù)目由所需驅(qū)動電流而定。引出流入電極51、流出電極52。
電流通過電極51流入，通過金絲引線流入VCSEL列陣芯片301，再依次 流過302、 303、 304，最后從電極52流出。 實施例二
參照圖7，此圖為3X3列陣的串接示意圖，其中的熱沉l使用金剛石或高 導(dǎo)熱陶瓷等導(dǎo)熱率高的材料，在熱沉表面的指定區(qū)域蒸鍍金屬膜2，所使用材 料為導(dǎo)電良好的金屬，將VCSEL列陣芯片3焊接在蒸鍍有金屬膜2的區(qū)域， 芯片數(shù)量為NXN，其中N為3，芯片3總數(shù)為9個，芯片總面積占金屬膜區(qū) 域面積的75%左右，將金屬條4焊接在金屬膜區(qū)域，利用金絲球焊機將VCSEL 列陣芯片3和金屬條4用金絲引線6連接，引出流入電極51、流出電極52。
電流由電極51流入，通過金絲引線注入到VCSEL列陣芯片301中，再依 次通過VCSEL列陣芯片302、 303、 304、 305、 306、 307、 309、 308，最后由 電極52流出。
實施例三參照圖8，此圖為4X4列陣的串接示意圖，其中的熱沉l使用金剛石或高
導(dǎo)熱陶瓷等導(dǎo)熱率高的材料，在熱沉表面的指定區(qū)域蒸鍍金屬膜2，所使用材 料為導(dǎo)電良好的金屬，將VCSEL列陣芯片3焊接在蒸鍍有金屬膜2的區(qū)域， 芯片數(shù)量為NXN，其中N為4，芯片3總數(shù)為16個，總面積占金屬膜區(qū)域面 積的75%左右，將金屬條4焊接在蒸鍍有金屬膜2的區(qū)域，利用金絲球焊機將 VCSEL列陣芯片3和金屬條4用金絲引線6連接，引出電極51、 52。
電流由電極51流入，通過金絲引線注入到VCSEL列陣芯片301中，再 依次注入VCSEL列陣芯片302、 303、 304、 305、 306、 307、 308、 309、 310、 311、 312、 313、 314、 315、 316，最后由電極52流出。
權(quán)利要求
1、一種新型的垂直腔面發(fā)射激光器列陣串接結(jié)構(gòu)，其特征在于該結(jié)構(gòu)包括熱沉(1)、熱沉表面的金屬膜(2)、垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)、金屬條(4)、流入電極(51)、流出電極(52)及金絲引線(6)、每個垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)中包括M×M個發(fā)光單元(7)；各部分的位置及連接關(guān)系在熱沉(1)上的指定區(qū)域蒸鍍金屬膜(2)，垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)焊接在熱沉(1)上蒸鍍金屬膜(2)的區(qū)域內(nèi)，再將金屬條(4)焊接在熱沉(1)上蒸鍍金屬膜(2)的區(qū)域，金絲引線(6)將垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)和金屬條(4)連接，電流通過流入電極(51)流入，通過金絲引線流入各個垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)，最后從流出電極(52)流出，垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)在金屬膜區(qū)域內(nèi)排列方式是以N×N，N×N為垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)的個數(shù)，本發(fā)明中N為2-10的正整數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的VCSEL列陣串接結(jié)構(gòu)，其特征在于每個垂直 腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)包括MXM發(fā)光單元(7)，每個發(fā)光單元(7) 包括襯底(8)、生長于襯底之上的下反射鏡(9)、生長于下反射鏡之上的有源 層(10)、生長于有源層之上的上反射鏡(12)、上反射鏡外側(cè)的上電極(14)、 襯底外側(cè)的下電極(13)，本發(fā)明中M為2-30的正整數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的VCSEL列陣串接結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的 垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)中的發(fā)光單元(7)，其下反射鏡(9)是N 型的分布式布拉格反射鏡或介質(zhì)膜反射鏡，下反射鏡(9) 一般是30至40對反 射鏡組成，上反射鏡(12)是p型的分布式布拉格反射鏡或介質(zhì)膜反射鏡，上 反射鏡(12)由20至30對反射鏡組成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的垂直腔面發(fā)射激光器列陣串接結(jié)構(gòu)，其特征在于垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片(3)大小8-10mmX8-10mm，芯片總面積 占金屬膜區(qū)域面積的75%左右，為了方便金絲引線，要求垂直腔面發(fā)射激光器 列陣芯片(3)的高度與金屬條(4)的高度一致。
全文摘要
本發(fā)明是一種垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)列陣的串接結(jié)構(gòu)，涉及光電子及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)包括熱沉、熱沉表面的金屬膜、垂直腔面發(fā)射激光器列陣芯片、金屬條、流入電極、流出電極及金絲引線、發(fā)光單元。該發(fā)明實現(xiàn)了VCSEL列陣的串接，結(jié)構(gòu)緊湊，所有的引線都分布在外側(cè)，VCSEL列陣芯片排列緊密，有效的發(fā)光面積大，發(fā)光密度大。在不提高驅(qū)動電流的前提下進一步提高VCSEL列陣的輸出功率，拓展了VCSEL列陣的應(yīng)用范圍。使用高導(dǎo)熱材料做為熱沉散熱，又使用熱傳導(dǎo)效率較高的焊料，加之VCSEL列陣芯片的工作方式是脈沖工作，因此，基本解決了散熱問題。
文檔編號H01S5/42GK101447647SQ20081005162
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者云 劉, 史晶晶, 寧永強, 王立軍, 莉 秦 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所