权利要求

1.一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片，包括芯片衬底(3)以及位于芯片衬底(3)顶部的多个发光单元(4);多个所述发光单元(4)沿芯片衬底(3)长度或宽度方向均匀布设，相互平行设置，且相邻两个发光单元(4)之间设置有间隔;所述芯片衬底(3)的下表面设置有焊料层(2)，焊料层(2)的下表面设置有热沉(1)，所述芯片衬底(3)通过焊料层(2)固定在热沉(1)的上表面，其特征在于：

所述芯片衬底(3)上设置有多个刻蚀槽，所述刻蚀槽的深度方向沿芯片衬底(3)厚度方向设置，多个刻蚀槽分别位于多个发光单元(4)下侧，并与发光单元(4)的位置相对应;

多个所述刻蚀槽内分别设置有与其形状相适配的沉积金属层(5)，所述沉积金属层(5)的底端面与芯片衬底(3)的下表面平齐且与焊料层(2)的上表面接触;

所述刻蚀槽的深度与芯片衬底(3)的厚度相同，其顶部宽度为发光单元(4)宽度的10%-150%，发光单元(4)的底部对应与芯片衬底(3)、沉积金属层(5)均相接;

或者，所述刻蚀槽的深度不小于芯片衬底(3)厚度的50%，其顶部宽度为发光单元(4)宽度的10%-150%，且开口朝下设置，发光单元(4)的底部与芯片衬底(3)的顶部相接。

2.根据权利要求1所述的一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片，其特征在于：

所述刻蚀槽在垂直于发光单元(4)长度方向的竖直平面内的投影形状为矩形、等腰梯形或阶梯形。

3.根据权利要求2所述的一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片，其特征在于：

所述刻蚀槽的深度与芯片衬底(3)的厚度相同，刻蚀槽的顶部宽度大于等于发光单元(4)宽度的10%，小于等于发光单元(4)宽度的50%，一个发光单元(4)的底面设置有多个刻蚀槽，多个刻蚀槽的布设方向与发光单元(4)布设方向相同且多个刻蚀槽相互平行设置，相邻两个刻蚀槽的距离为刻蚀槽顶部宽度的50%-100%;

或者，所述刻蚀槽的深度与芯片衬底(3)的厚度相同，刻蚀槽的顶部宽度大于发光单元(4)宽度的50%，小于等于发光单元(4)宽度的150%，一个发光单元(4)的底面设置有一个刻蚀槽。

4.根据权利要求2所述的一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片，其特征在于：

所述刻蚀槽的深度不小于芯片衬底(3)厚度的50%，刻蚀槽的顶部宽度大于等于发光单元(4)宽度的10%，小于等于发光单元(4)宽度的50%，一个发光单元(4)的底面设置有多个刻蚀槽，多个刻蚀槽的布设方向与发光单元(4)布设方向相同且多个刻蚀槽相互平行设置，相邻两个刻蚀槽的距离为刻蚀槽顶部宽度的50%-100%;

或者，所述刻蚀槽的深度不小于芯片衬底(3)厚度的50%，刻蚀槽的顶部宽度大于发光单元(4)宽度的50%，小于等于发光单元(4)宽度的150%，一个发光单元(4)的底面设置有一个刻蚀槽。

5.一种如权利要求1-4任一所述的采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、准备半导体激光芯片;

S2、在芯片衬底(3)上通过刻蚀方式去除局部芯片衬底(3)，形成多个刻蚀槽，多个刻蚀槽分别位于多个发光单元(4)下侧，并与发光单元(4)的位置相对应;

S3、在多个刻蚀槽内采用沉积技术填充金属材料，形成多个沉积金属层(5);

S4、沉积完成后对芯片衬底(3)的下表面进行抛光处理，使得沉积金属层(5)的底端面与芯片衬底(3)的下表面平齐，且芯片衬底(3)的下表面整体保持平整;

S5、将芯片衬底(3)的下表面通过焊料层(2)焊接在热沉(1)的上表面，且沉积金属层(5)的底端面与焊料层(2)的上表面接触，完成采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的制备。

6.根据权利要求5所述的一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的制备方法，其特征在于：

步骤S2中，所述刻蚀方式为干法刻蚀或湿法刻蚀。

7.根据权利要求6所述的一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的制备方法，其特征在于：

步骤S3中，所述沉积技术为真空热蒸发沉积、真空电子束蒸发沉积、磁控溅射沉积或离子束溅射沉积。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及半导体激光芯片，具体涉及一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片及其制备方法。

背景技术

[0002]在光学领域中，将电能转换为光能的主要电光转换组件为半导体激光芯片，而部分半导体激光芯片对电极有要求，一般需要芯片采用正装封装，例如分离电极设计的半导体激光芯片，现有的设计方案是将半导体激光芯片的发光单元4设置在芯片衬底3上，而芯片衬底3通过焊料层2固定在热沉1上，并且整个芯片采用正装封装，其具体结构如图1所示，但是这样设置，发光单元4在传递热量时，在垂直方向上的传导热阻较大，并且芯片衬底3也会产生较高的热源热量。

[0003]半导体激光芯片所产生的热量主要分为非辐射复合、自由载流子吸收与焦耳热三大部分，其中非辐射复合、自由载流子吸收与发光单元4外延结构设计有关，焦耳热主要产生于电极、发光单元4与芯片衬底3。对于特定的激光器结构，电极与有源区外延结构的热阻、电阻已无法改变，所以现在对于芯片散热研究的重点便集中于芯片衬底3。但是，目前近红外半导体激光芯片一般采用砷化镓材料来制作芯片衬底3，而砷化镓属于半导体材料，具有高电阻率(例如典型的n型掺杂1*1020cm-3，3.6*10-3Ω∙cm)与低导热系数(典型值46 W/m∙K)特性，不仅会产生额外的焦耳热，而且其热传导特性与电流传导特性也相对较差。

[0004]当半导体激光芯片发热时，发光单元4产生的热量经砷化镓衬底热传递至焊料层2，再经焊料层2传导至热沉1，热量被热沉1引导至其内部冷却剂，在固液交界面产生热交换，由冷却剂带走热量。这种传统散热路径因为砷化镓衬底的特性，导致热传递时存在热阻大、散热效率不佳的问题。虽然现有的半导体激光芯片采用新型的倒装封装方式解决了热传导特性问题，但是依旧没有解决芯片衬底3热源热量过高的问题。

发明内容

[0005]本发明的目的是解决现有半导体激光芯片采用砷化镓材料作为芯片衬底时，芯片衬底产生的热源热量高，其散热路径在热传递时存在热阻大、散热效率不佳的技术问题，而提供一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片及其制备方法。

[0006]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片，包括芯片衬底以及位于芯片衬底顶部的多个发光单元;多个所述发光单元沿芯片衬底长度或宽度方向均匀布设，相互平行设置，且相邻两个发光单元之间设置有间隔;所述芯片衬底的下表面设置有焊料层，焊料层的下表面设置有热沉，所述芯片衬底通过焊料层固定在热沉的上表面，其特殊之处在于：

所述芯片衬底上设置有多个刻蚀槽，所述刻蚀槽的深度方向沿芯片衬底厚度方向设置，多个刻蚀槽分别位于多个发光单元下侧，并与发光单元的位置相对应;

多个所述刻蚀槽内分别设置有与其形状相适配的沉积金属层，所述沉积金属层的底端面与芯片衬底的下表面平齐且与焊料层的上表面接触;

所述刻蚀槽的深度与芯片衬底的厚度相同，其顶部宽度为发光单元宽度的10%-150%，发光单元的底部对应与芯片衬底、沉积金属层均相接;

或者，所述刻蚀槽的深度不小于芯片衬底厚度的50%，其顶部宽度为发光单元宽度的10%-150%，且开口朝下设置，发光单元的底部与芯片衬底的顶部相接。

[0007]进一步地，所述刻蚀槽在垂直于发光单元长度方向的竖直平面内的投影形状为矩形、等腰梯形或阶梯形。

[0008]进一步地，所述刻蚀槽的深度与芯片衬底的厚度相同，刻蚀槽的顶部宽度大于等于发光单元宽度的10%，小于等于发光单元宽度的50%，一个发光单元的底面设置有多个刻蚀槽，多个刻蚀槽的布设方向与发光单元布设方向相同且多个刻蚀槽相互平行设置，相邻两个刻蚀槽的距离为刻蚀槽顶部宽度的50%-100%;

或者，所述刻蚀槽的深度与芯片衬底的厚度相同，刻蚀槽的顶部宽度大于发光单元宽度的50%，小于等于发光单元宽度的150%，一个发光单元的底面设置有一个刻蚀槽。

[0009]进一步地，所述刻蚀槽的深度不小于芯片衬底厚度的50%，刻蚀槽的顶部宽度大于等于发光单元宽度的10%，小于等于发光单元宽度的50%，一个发光单元的底面设置有多个刻蚀槽，多个刻蚀槽的布设方向与发光单元布设方向相同且多个刻蚀槽相互平行设置，相邻两个刻蚀槽的距离为刻蚀槽顶部宽度的50%-100%;

或者，所述刻蚀槽的深度不小于芯片衬底厚度的50%，刻蚀槽的顶部宽度大于发光单元宽度的50%，小于等于发光单元宽度的150%，一个发光单元的底面设置有一个刻蚀槽。

[0010]同时，本发明还提供了一种如上述的采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、准备半导体激光芯片;

S2、在芯片衬底上通过刻蚀方式去除局部芯片衬底，形成多个刻蚀槽，多个刻蚀槽分别位于多个发光单元下侧，并与发光单元的位置相对应;

S3、在多个刻蚀槽内采用沉积技术填充金属材料，形成多个沉积金属层;

S4、沉积完成后对芯片衬底的下表面进行抛光处理，使得沉积金属层的底端面与芯片衬底的下表面平齐，且芯片衬底的下表面整体保持平整;

S5、将芯片衬底的下表面通过焊料层焊接在热沉的上表面，且沉积金属层的底端面与焊料层的上表面接触，完成采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的制备。

[0011]进一步地，步骤S2中，所述刻蚀方式为干法刻蚀或湿法刻蚀。

[0012]进一步地，步骤S3中，所述沉积技术为真空热蒸发沉积、真空电子束蒸发沉积、磁控溅射沉积或离子束溅射沉积。

[0013]本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片，在原芯片衬底上开设刻蚀槽，在刻蚀槽内设置沉积金属层替换部分砷化镓衬底材料，而沉积金属层内的金属材料电阻低，导热系数高，这种设计使芯片衬底整体的电阻值降低，热源热量减少，从而提升电光转换效率;并且沉积金属层位于发光单元下侧，这样发光单元产生的热量可通过沉积金属层传导至焊料层，进而传递至热沉，重构了传热路径，并且沉积金属层的热阻低，这样便可以减少整个传热路径上的传导热阻，强化散热;此外沉积金属层相比砷化镓，属于高导电通道，有助于调整有源区的电流分布。

[0014](2)本发明提供的一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的制备方法，并没有改变原有半导体激光芯片的流片工艺，芯片衬底的原有工艺得以保留。

附图说明

[0015]图1是现有半导体激光芯片的结构示意简图;

图2是本发明一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片实施例的结构示意图;

图3是本发明实施例中芯片衬底焦耳热占比饼状图;

图4为本发明实施例中芯片衬底焦耳热示例计算分布条形图。

[0016]附图标记说明如下：

1-热沉，2-焊料层，3-芯片衬底，4-发光单元，5-沉积金属层。

具体实施方式

[0017]为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片及其制备方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。

[0018]参照图2，本发明一种采用图形化金属衬底的半导体激光芯片包括芯片衬底3以及位于芯片衬底3顶部的多个发光单元4;发光单元4通过长晶的方式生长在芯片衬底3上，形成一个整体。发光单元4在本实施例中为晶体管，多个发光单元4沿芯片衬底3长度或宽度方向均匀布设，且多个发光单元4相互平行设置，相邻两个发光单元4之间设置有间隔。在芯片衬底3的下表面设置有焊料层2，焊料层2的下表面设置有热沉1，芯片衬底3通过焊料层2固定在热沉1的上表面。

[0019]热沉1与传统的半导体激光芯片一样，采用液冷热沉，其散热效果好，且在现有芯片生产中大量应用，无需特殊定制，节约生产成本。本发明采用图形化金属衬底的半导体激光芯片大体结构与传统的半导体激光芯片相同，区别之处在于芯片衬底3上设置有多个刻蚀槽，刻蚀槽的深度方向沿芯片衬底3厚度方向设置，多个刻蚀槽内分别设置有与其形状相适配的沉积金属层5，多个刻蚀槽分别位于多个发光单元4的下侧，并与发光单元4的位置相对应。沉积金属层5的底端面与芯片衬底3的下表面平齐且与焊料层2的上表面接触，这样便形成了图形化金属衬底。

[0020]刻蚀槽可采用干法刻蚀或湿法刻蚀的刻蚀方式进行加工，并且刻蚀槽可以加工成不同形状，如刻蚀槽在垂直于发光单元4长度方向的竖直平面内的投影形状可以为矩形、等腰梯形或阶梯形，在本实施例中，为了便于加工，刻蚀槽的投影形状为矩形。

[0021]而沉积金属层5便需要使用沉积技术填充入刻蚀槽内，常用的沉积技术有真空热蒸发沉积、真空电子束蒸发沉积、磁控溅射沉积或离子束溅射沉积，沉积金属层5所用的材质一般为高导电、低热阻的金属材料，如铜、金或者其他合金等。这样便可以将部分砷化镓衬底材料替换，此时沉积填充入刻蚀槽内的沉积金属层5会形成金属通道，其电阻低、导热系数高，可以有效减少整个芯片衬底3的电阻值，使得焦耳热量减少，从而提升电光转换效率。

[0022]沉积金属层5的上端面可以与发光单元4的底面接触或存在间隔，也就是刻蚀槽的深度与芯片衬底3的厚度相同或者刻蚀槽的深度不小于芯片衬底3厚度的50%，若小于50%，则会影响到热传递。

[0023]刻蚀槽加工完成后，其顶部宽度一般为发光单元4底面宽度的10%-150%，以刻蚀槽的顶部宽度为发光单元4底面宽度的50%为界限，刻蚀槽的顶部宽度与其深度具有以下四种对应关系：

第一种为刻蚀槽的深度与芯片衬底3的厚度相同，刻蚀槽的顶部宽度大于等于发光单元4宽度的10%，小于等于发光单元4宽度的50%，在一个发光单元4的底面可设置有多个刻蚀槽，多个刻蚀槽的布设方向与发光单元4布设方向相同且多个刻蚀槽相互平行设置，相邻两个刻蚀槽的距离为刻蚀槽顶部宽度的50%-100%;

第二种为刻蚀槽的深度与芯片衬底3的厚度相同，但刻蚀槽的顶部宽度大于发光单元4宽度的50%，小于等于发光单元4宽度的150%，此时一个发光单元4的底面对应设置有一个刻蚀槽;

第三种为刻蚀槽的深度不小于芯片衬底3厚度的50%，刻蚀槽的顶部宽度大于等于发光单元4宽度的10%，小于等于发光单元4宽度的50%，一个发光单元4的底面设置有多个刻蚀槽，多个刻蚀槽的布设方向与发光单元4布设方向相同且多个刻蚀槽相互平行设置，相邻两个刻蚀槽的距离为刻蚀槽顶部宽度的50%-100%;

第四种为刻蚀槽的深度不小于芯片衬底3厚度的50%，刻蚀槽的顶部宽度大于发光单元4宽度的50%，小于等于发光单元4宽度的150%，一个发光单元4的底面对应设置有一个刻蚀槽。

[0024]这样设置，使得发光单元4与刻蚀槽之间的对应关系更加多样，在加工时，可根据加工能力以及实际情况选取最适合的一种搭配。

[0025]同时，本发明还提供了一种上述采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的制备方法，包括以下步骤：

S1、准备半导体激光芯片;

S2、在芯片衬底3上通过干法刻蚀或湿法刻蚀去除局部芯片衬底3，形成多个刻蚀槽，多个刻蚀槽分别位于多个发光单元4下侧，并与发光单元4的位置相对应;

S3、在多个刻蚀槽内采用真空热蒸发沉积、真空电子束蒸发沉积、磁控溅射沉积或离子束溅射沉积填充金属材料，形成多个沉积金属层5;

S4、沉积完成后对芯片衬底3的底面进行抛光处理，使得沉积金属层5的底端面与芯片衬底3的下表面位于同一平面内，且芯片衬底3的下表面整体保持平整;

S5、将芯片衬底3的下表面通过焊料层2焊接在热沉1的上表面，且沉积金属层5的底端面与焊料层2的上表面接触，完成采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的制备。

[0026]本发明方案是在外延结构生长工艺完成后进行，对芯片传统流片工艺无影响，属于后加工，无需因为制作图形化金属衬底而更改芯片传统流片工艺。

[0027]为了验证采用图形化金属衬底的半导体激光芯片的散热能力，设计了以下试验：

对照组采用传统砷化镓衬底的940nm 的半导体激光芯片，驱动电流1100A，激光芯片的供电模式有脉冲电流和连续电流两种模式，此处选用发热量最高的连续电流模式进行供电，在该供电模式下的光功率为1050W，电光转换效率67.4%。其芯片衬底以n型掺杂1*1020cm-3砷化镓衬底为示例进行计算;

依据焦耳定律，整个砷化镓衬底会产生261.36 W焦耳热，而非辐射复合、自由载流子吸收以及电极焦耳热的和为246.5W，总热量为507.86W，如图3所示，其焦耳热占总热量50%以上。

[0028]试验组以60%比例对芯片衬底实施局部图形金属化，如图4所示(J表示焦耳热，0.6Cu表示60%铜，0.4GaAs表示40%砷化镓)，其中黄色条代表焦耳热，蓝色条代表非辐射复合、自由载流子吸收以及电极焦耳热的和，可见芯片衬底的焦耳热降低至原总热量的20.8%，仅这部分减少的热量便可将电光转换效率推升至75%。

[0029]以上所述的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

说明书附图(4)