CN119422298A - 用于气体传感器的半导体激光器芯片 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器芯片（101），包括：·衬底（105），所述衬底包括：o两个侧面（107），o下表面（109），o上表面（108），·至少两个半导体激光器（102），这两个激光器（102）分布在所述两个侧面（102）之间，其中两个相邻激光器（102）之间具有间距（E），所述衬底（101）具有宽度（l）和厚度（e），所述宽度（l）是所述衬底（105）的所述两个侧面（107）之间的距离，所述厚度（e）是垂直于所述宽度（l）在所述衬底（105）的所述下表面（109）和所述上表面（108）之间测量的距离，所述宽度（l）小于或等于所述厚度（e）的4倍。

Description

用于气体传感器的半导体激光器芯片

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，更具体地涉及半导体激光器芯片，特别是用于气体传感器的半导体激光器芯片。

背景技术

一般而言，半导体激光器芯片通过复杂的一系列步骤获得，这些步骤涉及在形成晶片的单晶衬底（在本说明书中也称为衬底）上沉积层，以及切割该晶片以获得激光器芯片。该层沉积通过液相或气相外延或通过分子喷射到衬底上来进行。衬底是纯晶体（通常为InP或InAs或GaAs或其他半导体材料）。激光器单元通常是晶片的平行六面体部分，并且通过材料的一系列化学或物理化学蚀刻和沉积步骤获得，所述材料可以是非晶体或晶体，设计用于形成激光腔和衍射光栅并构造激光器单元。

存在许多不同类型的半导体激光器芯片，包括量子激光器级联（QCL）芯片。量子级联激光器芯片包括用于在两个电极之间施加电场的两个电极、布置在电极之间的波导和对应于包括由若干层形成的增益区的结构的激光器单元，所述若干层包括例如各自限定量子势垒的第一类型的交替层和各自限定量子阱的第二类型的层，这些层由分别构成势垒和阱的第一和第二半导体材料制成。量子级联激光器单元还包括布置在增益区的任一侧上的两个光学限制层。激光器单元形成至少部分地沿着半导体激光器芯片的长度延伸的杆。

一旦制造出激光器芯片，通常平行于由衬底上的激光器单元形成的条解理（cleave）激光器芯片。由此，激光器芯片的宽度被固定。然后垂直于条解理它以产生用作反射镜的刻面。这些解理涉及沿着晶轴（即，在衬底的厚度上延伸的轴）使得激光器单元已经沉积在其上的衬底晶体断裂，以获得近乎完美的镜面。通常通过刮擦包含激光器单元的衬底的表面，然后在刮擦的任一侧上施加压力以沿着该晶轴使晶体断裂来实现这种断裂。

半导体激光器芯片的总生产成本特别地由以下等式限定：用于制造激光器芯片的材料的表面积/半导体激光器芯片的生产产量×制造解理的激光器芯片的成本。

应理解：

·所使用的材料的表面积由用于制造激光器芯片的材料（衬底和沉积层）的表面积限定，

·半导体激光器芯片的生产效率通过起作用的激光器单元的数量与可以在激光器芯片上制造的激光器单元的最大数量的比率来定义，

·制造解理的激光器芯片的成本对应于实施用于制造所述激光器芯片的工艺的成本。

因此，所使用的材料的表面积越大，和/或半导体激光器芯片的生产产量越低，和/或制造激光器芯片的成本越高。

在现有技术中，存在包括单个激光器单元的激光器芯片。这种半导体激光器芯片具有非优化的生产产量。这是因为仅存在一个功能激光器单元，并且半导体激光器芯片的表面积未被充分利用。换言之，激光器芯片表面的一部分丢失。

现有技术还包括半导体激光器芯片，其包括多个激光器单元，每个激光器单元被配置为发射其自己的特定波长。例如，US7826509描述了包括通常2mm宽的若干激光器单元的激光器芯片。这种几何形状用于便携式宽带传感器中以同时检测大量化学化合物。使用如此大面积的材料是特别昂贵的。

本发明旨在通过最大化由解理获得的最小激光器芯片上的激光器单元的数量来降低半导体激光器芯片的整体生产成本。

发明内容

在本说明书中，术语芯片、激光器芯片和半导体激光器芯片可互换使用，术语组件和芯片基板组件可互换使用，并且术语激光器单元和半导体激光器单元可互换使用。

在本说明书中，可以对某些元素或参数进行索引，诸如第一单元或第二单元，以及第一参数和第二参数，或第一标准和第二标准等。在这种情况下，区分和命名接近但不相同的元素或参数或标准是简单索引的问题。该索引并不意味着一个元素、参数或标准相对于另一个的优先级，并且在不脱离本说明书的范围的情况下，这些名称可以容易地互换。该索引也不意味着例如评估该标准或该标准的时间顺序。

本发明涉及一种半导体激光器芯片，包括：

·一种衬底，特别是解理的衬底，包括：

o两个侧面，

o下表面，

o上表面，

·至少两个半导体激光器单元，这两个激光器单元分布在所述两个侧面之间，在两个相邻的激光器单元之间具有间距，

所述衬底具有宽度和厚度，该宽度是所述衬底的所述两个侧面之间的距离，该厚度是所述衬底的下表面和上表面之间垂直于所述衬底的宽度的距离，所述宽度小于或等于所述衬底的厚度的4倍。

在本发明的一个方面中，通过解理衬底来获得激光器芯片。

在本发明的一个方面，衬底的两个侧面通过解理所述衬底而获得，所述衬底尤其被解理。

在本发明的一个方面中，下表面和上表面是衬底的两个相对面。限定词“下”和“上”是用于区分这两个面的惯用手法。

在本发明的一个方面中，两个侧面是衬底的两个相对面。

宽度是指衬底的两个侧面之间的距离，半导体激光器单元以两个相邻激光器单元之间的间隔分布在所述两个侧面之间，即激光器单元布置在衬底的宽度尺寸上由两个相邻激光器单元之间的间距隔开的不同位置处。

厚度在此是指衬底的下表面与上表面之间的距离，其中下表面经配置以搁置在基板上且上表面与下表面相对。

所谓长度，我们意指两个其它衬底面之间的距离，所述两个其它衬底面中的每一者接合到所述两个侧面、所述衬底的下表面及上表面中的一者，且所述激光器单元至少部分地在所述两个其它衬底面上方延伸。

特别地，在激光器芯片中存在至少两个激光器单元意味着实际上可以利用激光器芯片的整个表面区域。换句话说，浪费了衬底的非常小的表面积，并且因此浪费了激光器芯片的非常小的表面积。激光器单元跨衬底的宽度分布，使得单个芯片包括几个激光器单元。这优化了激光器芯片的生产效率。

在本发明的一个方面中，激光器芯片的宽度与衬底的宽度相同。

在根据本发明的一个方面中，衬底的宽度小于或等于所述衬底厚度的3.5倍，优选小于或等于所述衬底厚度的3倍，优选小于或等于所述衬底厚度的2.5倍，优选小于或等于所述衬底厚度的2倍，优选小于或等于所述衬底厚度的1.5倍。

以这种方式，用于生产激光器芯片的材料的表面积减小，导致激光器芯片的生产成本降低，并且半导体激光器芯片的衬底的宽度足够高以防止所述激光器芯片在解理步骤期间被损坏，这可能导致芯片破裂。因此，该衬底宽度/厚度比给予所述激光器芯片足够的机械强度以避免在解理步骤期间断裂。这导致最小的可解理激光器芯片。

在根据本发明的一个方面中，衬底宽度在150μm和1mm之间，优选在150μm和750μm之间，更优选在150μm和500μm之间，更优选在150μm和400μm之间，更优选在150μm和350μm之间，更优选在150μm和300μm之间，更优选在150μm和250μm之间，更优选在200μm和250μm之间，更优选等于250μm。

在根据本发明的一个方面中，衬底厚度在50μm和350μm之间，优选在75μm和300μm之间，更优选在100μm和200μm之间，更优选在100μm和150μm之间，更优选在120μm和150μm之间。

在本发明的一个方面，衬底长度在0.5 mm和5mm之间，优选地在1mm和3.5 mm之间，更优选地在2mm和3mm之间。

在本发明的一个方面，激光器芯片包括至少三个激光器单元，这三个激光器单元分布在衬底的两个侧面之间，两个相邻的激光器单元之间具有间距。换句话说，所述至少三个激光器单元跨衬底的宽度分布。换句话说，所述至少三个激光器单元跨激光器芯片的宽度分布。

在本发明的一个方面中，激光器单元布置在衬底的一侧上。

在本发明的一个方面中，激光器单元布置在衬底的下表面上。在另一个方面中，激光器单元布置在衬底的上侧。

在本发明的另一个方面中，激光器单元嵌入衬底中。在本发明的该方面中，激光器芯片包括在激光器单元的任一侧上的至少一个电绝缘材料层。例如，绝缘材料是半绝缘性InP（磷化铟）。半绝缘InP例如是所谓的掺杂InP，其中添加了诸如铁的杂质。以这种方式，激光器单元彼此电隔离。

在本发明的一个方面中，激光器单元距衬底的上表面比距衬底的下表面更近。这意味着激光器单元嵌入衬底中更靠近上表面而不是所述衬底的下表面，或者激光器单元定位在所述激光器芯片衬底的上表面上。

在本发明的一个方面中，激光器单元距衬底的下表面比距所述衬底的上表面更近。这意味着激光器单元嵌入衬底中更靠近所述衬底的下表面而不是上表面，或者激光器单元定位在衬底的下表面上。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括具有不同极性的至少两个电极，所述至少两个电极被配置成允许电流流过激光器芯片的至少一个激光器单元。所述至少两个电极被配置为与所述至少一个激光器单元电接触。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括正极性的至少一个电极和负极性的至少一个电极，所述电极被配置为与至少一个激光器单元电接触，以便允许电流流过所述至少一个激光器单元。

在本发明的一个方面中，给定极性的至少一个电极布置在至少一个激光器单元上。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括与激光器单元一样多的正极性电极。换句话说，每个正电极与单独的激光器单元电接触。例如，激光器芯片包括一个激光器单元和一个正极性电极，或者芯片包括两个激光器单元和两个正极性电极，或者芯片包括三个激光器单元和三个正极性电极，或者芯片包括N个激光器单元和N个正极性电极。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括与其具有的激光器单元一样多的负极性电极。换句话说，每个负电极与单独的激光器单元电接触。例如，激光器芯片包括一个激光器单元和一个负极性电极，或者芯片包括两个激光器单元和两个负极性电极，或者芯片包括三个激光器单元和三个负极性电极，或者芯片包括N个激光器单元和N个负极性电极。

在本发明的一个方面中，所述激光器芯片包括正极性电极，所述正极性电极被配置为同时与所有激光器单元电接触。

在本发明的一个方面中，所述激光器芯片包括负极性电极，所述负极性电极被配置成同时与所有激光器单元电接触。

在本发明的一个方面中，至少一个电极布置在衬底的下表面上。

在本发明的一个方面中，相同极性的所有电极布置在衬底的同一侧上。

在本发明的一个方面，电极被配置为电连接到基板，特别是电连接到基板的电迹线。

在根据本发明的一个方面中，分布在衬底的两个侧面之间的两个相邻激光器单元之间的间距在10μm和150μm之间，优选地在20μm和150μm之间，更优选地在30μm和150μm之间，更优选地在40μm和150μm之间，更优选地在50μm和150μm之间，更优选地在75μm和125μm之间，更优选地等于100μm。换句话说，在芯片的宽度上，两个相邻激光器单元之间的间距在75和150μm之间，优选地在75μm和125μm之间，更优选地等于100μm。这样，相邻的两个激光器单元的间距构成为同一侧的电极彼此不电连接。

在本发明的一个方面中，分布在衬底的两个侧面之间的两个相邻激光器单元之间的间距是恒定的。换句话说，当激光器芯片包括N个激光器单元时，N大于或等于2，第一激光器单元和第二激光器单元之间在衬底的宽度上的间距与所述第二激光器单元和第三激光器单元之间的间距相同，所述第二激光器单元和第三激光器单元之间的间距与第n-1激光器单元和第N激光器单元之间的间距相同。

在本发明的一个方面中，分布在衬底的两个侧面之间的至少两个相邻激光器单元之间的间距是变化的。换句话说，第一激光器单元和第二激光器单元之间的跨衬底宽度的间距不同于所述第二激光器单元和第三激光器单元之间的间距。

在本发明的一个方面中，电极通过在衬底上沉积导电材料形成，特别是金属材料，其被配置为与至少一个激光器单元电接触。例如，所述导电金属材料选自金、铜、银或铝。

在本发明的一个方面，衬底包括InP（磷化铟）或GaAs（砷化镓）或GaSb（锑化镓）或InAs（砷化铟）或硅类型材料中的至少一种半导体材料。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括至少一个电绝缘层，所述电绝缘层被配置成将布置在衬底的同一面上的激光器单元彼此电隔离。以这种方式，激光器单元各自具有流过它们的它们自己的电流。

在本发明的一个方面，通过在衬底上沉积电绝缘材料来获得电绝缘层。例如，电绝缘材料选自硅树脂或橡胶。

在本发明的一个方面中，电绝缘层布置在衬底的顶表面和布置在所述顶表面上的至少一个电极之间。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括在两个电极之间的至少一个壁，所述壁被所述电绝缘层覆盖。壁有助于使激光器芯片的表面变平，特别是当激光器单元位于衬底的上表面或下表面上时。

在本发明的一个方面中，激光器芯片是量子级联激光器芯片。换句话说，至少两个激光器单元是量子级联激光器单元。

在本发明的一个方面，激光器单元被配置为以脉冲模式发射光辐射。特别地，与连续操作相比，这减少了为激光器单元供电所需的能量。因此提高了激光器单元的效率（所需的光能/电能）。

在本发明的一个方面中，至少一个激光器单元被配置为发射在红外中、优选地在中红外中的波长的光辐射。

在本发明的一个方面中，至少一个激光器单元被配置成发射波长范围在3微米与15微米之间、优选地在4微米与10微米之间的光辐射。

在本发明的一个方面中，激光器芯片上的所有激光器单元被配置为发射相同波长的光辐射。

在本发明的一个方面中，激光器芯片的至少两个激光器单元被配置为发射不同波长的光辐射。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括N个激光器单元，N大于或等于2，所述激光器单元中的至少一个被配置为具有流过其的足够低的电流以使得能够在不发射光辐射的情况下生成热量，并且至少一个其他激光器单元被配置为具有流过其的足够高的电流以生成光辐射。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括至少N个激光器单元，N大于或等于2，至少两个激光器单元被配置为在不同的大气条件下、特别是在不同的温度下发射给定波长的光辐射。

在本发明的一个方面中，激光器芯片被配置为仅操作在周围大气条件（特别是周围温度）下发射给定波长的光辐射的激光器单元。

本发明还涉及一种芯片基板组件，包括：

·至少一个如上所述的半导体激光器芯片，

·基板，所述激光器芯片安装在所述衬底上。

换句话说，芯片/基板组件包括如上所述的激光器芯片，所述芯片布置在基板上。换言之，激光器芯片和基板叠置。

在本发明的一个方面中，激光器芯片衬底的下表面面向基板。换句话说，激光器芯片衬底的下表面布置在基板上，并且衬底的上表面与基板相对。

在本发明的一个方面中，布置在衬底的下表面上的电极布置在基板上。

在本发明的一个方面中，激光器芯片例如通过焊接或接合固定到基板。

在本发明的一个方面中，基板包括至少一个基部，该基部包括具有散热特性的材料，该材料选自铜和AlN。

在本发明的一个方面中，基板包括热管理元件，特别是Pelletier元件。

基板尤其具有激光器芯片的热管理功能。它确实允许良好的散热。

在本发明的一个方面中，基板的基部是平行六面体。

在本发明的一个方面中，基板的基部包括上表面、下表面和两个侧面，上表面与下表面相对。限定词“下”和“上”是用于区分这两个面的惯例用法。

在本发明的一个方面中，激光器芯片的激光器单元更靠近激光器芯片衬底的下表面，并且因此与靠近激光器芯片衬底的上侧相比更靠近基板。

在本发明的一个方面中，激光器芯片的激光器单元更靠近激光器芯片衬底的上侧而不是更靠近激光器芯片衬底的下侧，并且因此更不靠近基板。

在本发明的一个方面中，基板包括至少两个不同极性的电迹线，电迹线中的每一个被配置成与激光器芯片上的至少一个相同极性的电极电接触。

在本发明的一个方面中，电迹线被配置为与至少一个激光器单元电接触。

在本发明的一个方面中，所述至少一个激光器单元被配置为与激光器芯片的至少两个电极电接触，所述电极电连接到电迹线。以这种方式，激光器单元被配置为与基板电接触，更具体地，与基板的所述电迹线电接触。

在本发明的一个方面中，基板包括与激光器芯片所包括的相同极性的电极一样多的给定极性的电迹线。换句话说，基板包括与激光器芯片所包括的正极性电极一样多的正极性电迹线，并且基板包括与芯片所包括的负极性电极一样多的负极性电迹线。

在本发明的一个方面中，基板包括正极性电迹线，该正极性电迹线被配置为与激光器芯片上的所有正极性电极进行电接触。

在本发明的一个方面中，基板包括负极性电迹线，该负极性电迹线被配置为与激光器芯片上的所有负极性电极进行电接触。

在本发明的一个方面中，电迹线中的每一个布置在基板的基部上。

在本发明的一个方面，电迹线中的每一个布置在基板的基部的同一面上，特别是布置在所述基部的上表面上。

在本发明的一个方面中，通过在基部上沉积导电材料、特别是金属沉积物来形成电迹线。

在本发明的一个方面，芯片-基板组件包括至少一个电连接器，该至少一个电连接器被配置为将基板的电引线电连接到芯片的至少一个电极。所述电连接器例如是包括导电材料（特别是金、铜、铝或银）的线或板。

在本发明的一个方面中，电连接器一方面借助于电接触区（特别是通过焊接或接合）连接到激光器芯片上的给定极性的至少一个电极，并且另一方面连接到基板上的与所述电极具有相同极性的至少一个电迹线。电接触区包括例如导电材料，例如金、铜、铝或银。

在本发明的一个方面中，电接触区至少部分地覆盖激光器芯片电极。

在根据本发明的一个方面中，电接触区的直径小于或等于100μm，优选小于或等于90μm，优选小于或等于80μm，优选小于或等于70μm，优选小于或等于60μm，优选小于或等于60μm，优选小于或等于50μm，优选小于或等于25μm，优选小于或等于10μm。

在本发明的一个方面，电迹线被配置为经由接合区与至少一个电极电接触。接合区是指电迹线和电极之间的接触是物理接触的接合区。换句话说，电极和电迹线彼此叠加。在这种情况下，不需要使用电连接器来使至少一个电极和电迹线电接触。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括N个激光器单元，N大于或等于2，至多N-1个所述激光器单元与基板的电迹线电连接。换句话说，至少一个激光器单元不电连接到基板的电迹线。以这种方式，只有最有效的激光器单元与基板电接触。

在本发明的一个方面中，激光器芯片包括N个激光器单元，N大于或等于2，所述N个激光器单元中的至少一个被配置为具有流过其的足够低的电流以使得能够在不发射光辐射的情况下生成热量，并且至少一个其他激光器单元被配置为具有流过其的足够高的电流以生成光辐射。

在本发明的一个方面中，芯片包括N个激光器单元，N大于或等于2，所述激光器单元中的至少一个被配置为发射与其他激光器单元不同波长的光辐射。

在本发明的一个方面，芯片-基板组件包括至少两个如上所述的芯片。

在本发明的一个方面中，芯片-基板组件包括至少一个激光器芯片，该激光器芯片包括N个激光器单元，N大于或等于2，所述激光器单元中的至少一个被配置为具有足够低的电流流过它以使得能够在不发射光辐射的情况下生成热量，并且至少一个其他激光器单元被配置为具有足够高的电流流过它以生成光辐射。

在本发明的一个方面，芯片-基板组件包括至少一个激光器芯片，该激光器芯片包括至少N个激光器单元，N大于或等于2，至少两个激光器单元被配置为在不同的大气条件下、特别是在不同的温度下发射给定波长的光辐射。

在本发明的一个方面，芯片-基板组件被配置为仅操作激光器单元以给定周围大气条件（特别是周围温度）的波长发射光辐射。以这种方式，芯片-基板组件操作最适合于大气条件（例如温度）的激光器单元。

本发明还涉及一种气体传感器，包括：

·形成谐振器的格室，其包括气体入口导管、气体出口导管和至少一个激光入口开口，

·至少一个如上所述的芯片-基板组件，其包括至少两个激光器单元，所述两个激光器单元中的至少一个被配置为向所述格室中发射光辐射，所述光辐射具有其值特别适于待检测气体的激发的波长，使得所述光辐射与包含在所述格室中的待检测气体之间的相互作用在所述格室的共振频率下诱导产生表征所述气体存在的信号特征，和

·信号检测装置。

在根据本发明的一个方面，气体传感器包括：

·形成光学谐振器的格室，包括气体入口导管、气体出口导管和至少一个称为激光入口的孔，

·-至少一个如上所述的芯片-基板组件，其包括至少两个激光器单元，所述两个激光器单元中的至少一个被配置为向所述格室中发射光辐射，所述光辐射具有其值特别适于待检测气体的激发的波长，使得所述光辐射与包含在所述格室中的待检测气体之间的相互作用在所述格室的谐振频率下诱导产生表征所述气体存在的光学信号特征，和

·信号检测装置。

在本发明的一个方面，气体传感器包括聚焦或准直装置，特别是被配置为准直或聚焦来自所述至少一个激光器单元的光辐射的透镜。

在根据本发明的另一个实施方案中，根据本发明的气体传感器是光声气体传感器，其包括FR3084745中描述的特征。

在该实施例中，气体传感器包括：

·形成声谐振器的格室，包括气体入口导管、气体出口导管和被称为激光入口的至少一个开口；

·至少一个如上所述的芯片-基板组件，其包括至少两个激光器单元，所述两个激光器单元中的至少一个被配置为将具有其值特别适于待检测气体的激发的波长的光辐射发射到格室中，使得光辐射与包含在格室中的待检测气体之间的相互作用诱导以格室的共振频率生成声波；和

·至少一个检测麦克风，所述至少一个检测麦克风被布置在通向所述格室的烟囱开口中。

在本发明的另一方面，芯片-基板组件被直接放置在格室的激光输入的前面，而没有聚焦或准直光学元件的插入。

在本发明的一个方面中，芯片-基板组件被布置在传感器格室内部。

在本发明的另一方面，光声气体传感器包括聚焦或准直装置，特别是被配置为准直或聚焦来自所述至少一个激光器单元的光辐射的透镜。

在本发明的一个方面中，传感器包括被配置为以脉冲模式操作激光源的电源电路。特别地，与连续模式下的操作相比，这使得可以降低所述传感器用于操作的功耗。因此提高了与光能/电能比相对应的激光效率。

在本发明的一个方面，气体传感器具有小于5cm的总长度和小于4cm的总宽度。

在本发明的一个方面中，格室是双亥姆霍兹谐振器类型的，包括连接到检测麦克风并且各自具有激光输入的两个第一腔，以及连接到第一腔的两个其他腔，包括气体入口导管和气体出口导管。

在本发明的一个方面，格室的圆柱形腔体具有小于2mm的直径。

在本发明的一个方面，格室壁具有大于50%，优选75%的光学反射率。

在本发明的一个方面，气体传感器包括芯片-基板组件，该芯片-基板组件包括至少N个激光器单元，N大于或等于2，至少两个激光器单元被配置为在不同的大气条件下，特别是在不同的温度下，发射给定波长的光辐射。

在本发明的一个方面中，传感器被配置为仅操作（一个或多个）激光器单元以给定周围大气条件（特别是周围温度）的波长发射光辐射。以这种方式，传感器操作激光器单元最适合于大气条件，例如温度。

在根据本发明的一个方面，传感器包括芯片基板组件，该芯片基板组件包括至少N个激光器单元，N大于或等于2，至少两个激光器单元被配置为发射与相同气体或所述气体的相同分子的不同激发波长相对应的不同波长的光辐射，所述传感器被配置为同时操作至少两个激光器单元，以便表征所研究的所述气体。

在本发明的一个方面，气体传感器的芯片-基板组件包括至少N个激光器单元，其中N大于或等于2，其中至少一个激光器单元被配置为具有足够低的电流流过它以产生热量而不发射光辐射，并且至少一个其他激光器单元被配置为具有足够高的电流流过它以产生光辐射。以这种方式，优化了气体传感器的热管理。

本发明还涉及一种用于生产芯片-基板组件的工艺，包括以下步骤：

·通过以下方式进行激光器芯片形成：

o沉积材料层以在衬底上形成至少两个激光器单元，所述激光器单元在所述衬底的宽度尺寸上间隔开间距，所述衬底具有对应于所述衬底的上表面与下表面之间的距离的厚度，

o解理所述衬底以形成所述衬底的两个侧面，所获得的衬底的宽度对应于所获得的两个侧面之间的距离，所述宽度小于或等于所述衬底的厚度的4倍，

·将所得到的芯片附接到基板。

在本发明的一个方面中，固定步骤通过焊接或通过粘合进行。

在本发明的一个方面中，该工艺包括切割晶片的步骤，所述晶片包括衬底和多个激光器单元，以便获得期望数量的激光器芯片。

附图说明

本发明的其他特征、细节和优点将从下面通过与附图相关的说明给出的描述中变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的光声气体传感器的示意图，

图2是根据本发明的芯片-基板组件的第一示例的示意性表示，

图3是根据本发明的芯片-基板组件的第二示例的示意性表示，

图4是根据本发明的芯片-基板组件的第三示例的示意性表示，

图5是根据本发明的芯片-基板组件的第四示例的示意性表示，

图6是根据本发明的芯片-基板组件的第五示例的示意性表示，

图7是根据本发明的芯片-基板组件的第六示例的示意性表示，

图8是根据本发明的芯片-基板组件的第七实施例的示意性表示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的光声气体传感器1。根据本发明的光声传感器1可以包括文献FR3084745中描述的光声传感器的特征。

根据本发明的光声气体传感器1包括：包括气体入口管道60和气体出口管道70的格室20、包括布置在基板上的激光器芯片的芯片-基板组件100、通向格室的烟囱30和称为激光器入口40的孔，所述激光器芯片包括至少两个激光器单元（其中至少一个激光器单元被配置为发射中红外范围内的波长的光辐射），烟囱30包括检测麦克风50。

在图1所示的实施例中，芯片-基板组件10附接到激光输入端40，使得由芯片-基板组件100的至少一个激光器单元发射的激光辐射直接发射到格室20中，而不插入光学聚焦元件。在图1所示的实施例中，激光辐射由包括在芯片-基板组件10中的至少一个量子级联激光器单元（QCL）产生，所述激光器单元以4至10微米以脉冲模式发射。QCL激光器单元采用棒的形式，其典型尺寸为3mm×10μm×20μm。来自激光棒的激光束的发散度通常为60°。芯片-基板组件10可以例如以远高于格室的谐振频率的频率以脉冲模式操作，以避免可能的干扰。

光声传感器1还包括连接到检测麦克风50的电子检测电路80。在图1所示的实施例中，气体经由入口管道60引入并且经由出口管道70排出。两个管道都直接连接到格室20。在由芯片-基板组件10的至少一个激光器单元发射的激光与格室20内的气体之间的相互作用期间，气体被激发。激发的振动能级将通过非辐射跃迁去激发，导致分子碰撞和气体的加热。因此产生声波和热波，并且声波由放置在将麦克风50连接到格室20的烟囱30中的检测麦克风50检测。麦克风50连接到检测电路80，检测电路80确定声波的振幅，从而确定所研究的气体物质的浓度。由于芯片-基板组件10直接放置在输入面的前面，因此该设计仅需要基本对准。此外，传感器架构中不存在聚焦光学元件使其更耐冲击和/或振动，对未对准不太敏感并且成本更低。这种架构增加了传感器的正常运行时间和应用范围。

芯片-基板组件10使得光辐射能够以特别适于在待研究的气体中产生光声效应的波长发射到格室20中。

气格室20的内壁具有红外反射光学处理，以使得与待研究的气态原子或分子相互作用的激光通量最大化。例如，该格室具有超过50%，优选超过75%的光学反射系数。

根据本发明的光声传感器1的芯片-基板组件可以从本说明书的图2至图8中描述的芯片-基板组件中选择。在图2至图8中更详细地描述了这些芯片-基板组件的特征。

图2示出了第一实施例中的芯片-基板组件100。

在该实施例中，芯片-基板组件100包括激光器芯片101和基板111，激光器芯片101放置在基板111上。

激光器芯片101包括：

·衬底，特别是解理的衬底105，包括：

o两个侧面107，

o下表面109，

o上表面108，

·布置在衬底105的上表面108上的三个半导体激光器单元102，所述三个激光器单元102分布在衬底105的所述两个侧面107之间，两个相邻的激光器单元102之间具有间距E。

在该示例中，衬底105的宽度l等于激光器芯片的宽度。

换句话说，三个激光器单元2分布在衬底105的宽度l上。以这种方式，利用了衬底的整个宽度l，并且因此利用了激光器芯片的整个宽度l。由此，激光器芯片101的生产效率提高。

激光器芯片101的衬底105具有小于所述衬底的厚度e的4倍的宽度l。在该示例中，衬底的宽度l比厚度e大1.5至3倍，优选地比所述衬底105的厚度e大2.5倍。

以这种方式，减小了用于生产激光器芯片101的材料的表面积，并且降低了激光器芯片101的生产成本。此外，激光器芯片105的衬底的宽度l/厚度e的比赋予其在解理阶段期间避免破损所需的强度。衬底105的宽度l例如在250μm和300μm之间，并且激光器芯片101的厚度e例如在120μm和150μm之间。

在该实施例中，激光器芯片101处于“向上”配置，即激光器单元102更靠近衬底105的上表面108而不是更靠近衬底105的下表面109。更准确地说，激光器单元102布置在激光器芯片101的衬底105的上表面108上。

激光器芯片101包括正极性的三个电极103，这三个电极103中的每一个被配置为与激光器单元102电接触。正极性的三个电极103各自叠加在激光器单元102上，并且布置在激光器芯片101的衬底105的顶表面108上。激光器芯片101包括负极性电极103，该负极性电极103被构造成同时与所有三个激光器单元102电接触。这里，负极性电极103布置在激光器芯片101的衬底105的下表面109上。在此，电极103通过沉积导电材料、特别是金属材料、例如金来形成。

激光器芯片101包括电绝缘层104，电绝缘层104被配置为将布置在衬底105的同一面上的激光器单元102彼此电隔离，在这种情况下，激光器单元102布置在衬底105的上表面108上。通过在衬底105的上表面108上沉积选自硅树脂或橡胶的电绝缘材料来形成电绝缘层104。电绝缘层104布置在衬底105的上表面108与布置在衬底的上表面108上的电极103之间。

激光器芯片101包括壁106，所述壁106被所述电绝缘层104覆盖，这些壁106设置在两个相邻的激光器单元102之间，以使激光器芯片的上表面变平。

两个相邻激光器单元102之间的间距E足够大，使得同一侧上的电极103不会彼此电接触。两个相邻激光器单元102之间的间距E是恒定的，即第一和第二激光器单元102之间的间距E与第二和第三激光器单元102之间的间距E相同。该间距E例如为100μm。在这里未示出的实施例中，间距E在两个相邻电极103之间变化。

为了便于处理，激光器芯片101附接到基板111。基板111是平行六面体，并且具有5mm×6mm×1.2 mm的尺寸。基板111包括热管理元件，特别是Pelletier元件。基板111包括基部115，基部115包括具有散热特性的材料，特别是AlN。由此，基板111还具有确保激光器芯片101的良好热管理的功能。

基板111包括两个不同极性的电迹线112，这两个电迹线布置在基部115的上表面117上。电迹线112中的一个是负极性的，并且另一个电迹线112是正极性的。正极112与激光器芯片101的正极103电极中的一个电接触，并且负极112与激光器芯片101的负极103电极电接触。因此，在两个电极103之间产生电场，并且电流流过激光器单元102。正极性的电迹线112在此经由电连接器113与正极性的电极103电接触，电连接器113可以是连接所述电迹线112和所述电极103的金线，所述电连接器113经由电接触区114（在此为金基焊料）与所述电极连接。负极性的电迹线112经由所述电迹线112和所述电极103之间的接合区116与激光器芯片101的负极性的电极103电接触。

这种设计的优点是只有最有效的102激光器单元与基板111电接触，即具有最高效率的激光器单元。

图3示出了根据本发明的芯片-基板组件200的第二示例。在该实施例中，激光器芯片201包括与图2所示的实施例中相同的特征，除了两个激光器单元202各自与不同正极性的电极203和共同负极性的电极203电接触。

激光器芯片201的衬底205因此具有小于所述衬底的厚度的4倍的宽度l。在该示例中，衬底的宽度l比厚度e大1.5至3倍，优选地比所述衬底205的厚度e大2.5倍。

这里的激光器芯片包括三个激光器单元202。

基板211包括不同极性的三个电迹线212，这三个电迹线布置在基板211的底部215的上表面217上。电迹线212中的一个是负极性的，并且另外两个电迹线212是正极性的。正极性的两个电迹线212与激光器芯片201上的正极性的单独电极203电接触，电极203中的每一个连接到激光器单元202。负极性电迹线212与激光器芯片201的负极性电极203电接触。因此，与正极203和负极203接触的每个激光器单元202具有流过它们的电流。

正极性的电迹线212在此经由电连接器213与正极性的电极203电接触，电连接器213可以是将所述电迹线212连接到所述电极203的金线。所述电连接器213经由金基焊料214连接到电极203。负极性的电迹线212经由所述电迹线212和所述电极203之间的接合区216与负极性的电极203电接触。

这种类型的设计的优点在于，只有两个最佳性能的激光器单元202与基板211电接触，并且因此具有流过它们的电流。换句话说，选择具有最佳光学性能的激光器单元202。

在该示例中，与基板211电接触的两个激光器单元202可以被配置为发射相同波长的光辐射或不同波长的光辐射。

该设计的另一个优点是，与基板211电接触的激光器单元202中的一个可以被配置为接收足够弱以不发射光辐射并且足够强以发射热量的电流，而与基板211电接触的另一个激光器单元202被配置为接收足够强以发射光辐射的电流。以这种方式，热发射激光器单元在芯片-基板组件200的热管理中起作用，从而降低与这种组件的热管理相关联的成本而不引起发光干扰。

有利地，激光器单元202可经配置以在不同大气条件下（特别是在不同温度下）以给定波长发射光辐射。以这种方式，可以仅接通在环境条件下发射期望波长的激光器单元202，以便不向第二激光器单元202提供不必要的能量。

图4示出了根据本发明的芯片-基板组件300的第三示例。在该实施例中，激光器芯片301包括与图2所示的实施例中相同的特征，除了所有激光器单元302与不同的正极性电极303和共同的负极性电极303电接触。

激光器芯片301的衬底305因此具有小于所述衬底的厚度的4倍的宽度l。在该示例中，衬底的宽度l比厚度e大1.5至3倍，优选地比所述衬底305的厚度e大2.5倍。

这里的激光器芯片包括三个激光器单元302。

基板311包括不同极性的四个电迹线312，四个电迹线312布置在基板311的基部315的上表面317上。312电迹线中的一个电迹线具有负极性，并且另外三个312电迹线具有正极性。三个电迹线312与激光器芯片301上的单独的正极性电极303电接触，正极性电极303中的每一个连接到单独的激光器单元302。负极性电迹线312与激光器芯片301上的负极性电极303电接触。与正电极303和负电极303接触的激光器单元302因此被电流穿过。

正极性的电迹线312在此经由电连接器313与正极性的电极303电接触，电连接器313可以是将所述电迹线312连接到所述电极303的金线。所述电连接器313经由金基焊料314连接到电极303。负极性的电迹线312经由所述电迹线312和所述电极303之间的接合区316与负极性的电极303电接触。

在该示例中，与基板311电接触的两个激光器单元302可以被配置为发射相同波长的光辐射或不同波长的光辐射。

该设计的一个优点是与基板311电接触的激光器单元302中的一个可以被配置为接收足够弱以不发射光辐射并且足够强以发射热量的电流，而与基板311电接触的另一个激光器单元302被配置为接收足够强以发射光辐射的电流。以这种方式，发热激光器单元302干预芯片-基板组件300的热管理，从而降低与这种组件的热管理相关联的成本而不引起发光干扰。

有利地，激光器单元302可经配置以在不同大气条件下（特别是在不同温度下）发射给定波长的光辐射。以这种方式，在环境条件下发射期望波长的激光器单元302可以仅被接通，以便不向第二激光器单元302提供不必要的能量。

图5示出了第四实施例中的芯片-基板组件400。

在该实施例中，芯片-基板组件400包括图2所示的实施例的所有特征，除了芯片-基板组件处于“向下”位置，即激光器单元402被定位成与衬底405的上表面408相比更靠近下表面409。

激光器芯片401的衬底405因此具有小于所述衬底的厚度的4倍的宽度l。在该示例中，衬底的宽度l比厚度e大1.5至3倍，优选地比所述衬底405的厚度e大2.5倍。

激光器芯片包括三个激光器单元402。

在该示例中，激光器单元402布置在衬底405的下表面409上。

在该示例中，仅激光器芯片的正电极403电连接到基板 411的正电迹线412。因此，一方面只有电连接到所述正电极403而另一方面电连接到负电极403的激光器单元402具有流过其中的电流。

负极性的电迹线412在此经由电连接器413与激光器芯片401的负极性的电极403电接触，电连接器413可以是连接所述电迹线412和所述电极403的金线，所述电连接器413经由金基焊料414与所述电极电连接。正极性电迹线412经由所述电迹线412和所述电极403之间的接合区416与正极性电极电接触。

图6示出了根据本发明的芯片-基板组件500的第五示例。

因此，激光器芯片501的衬底505具有小于所述衬底的厚度的4倍的宽度l。在该示例中，衬底的宽度l比厚度e大1.5至3倍，优选地比所述衬底505的厚度e大2.5倍。

激光器芯片包括三个激光器单元502。

在该实施例中，芯片-基板组件500包括图3中所示的实施例的所有特征，除了芯片-基板组件处于“向下”位置，即激光器单元502被定位成与衬底505的上表面508相比更靠近下表面509。

在该示例中，激光器单元502布置在衬底505的下表面509上。

在该示例中，激光器芯片501的两个正极性电极503各自电连接到基板 511的正电迹线512。因此，只有一方面电连接到激光器芯片501的所述正极性电极503并且另一方面电连接到激光器芯片501的负电极503的那些激光器单元502具有流过它们的电流。

负极性的电迹线512在此经由电连接器513与激光器芯片501的负极性的电极503电接触，电连接器513可以是连接所述电迹线512和所述电极503的金线，所述电连接器513经由金基焊料514与所述电极电连接。正极性的电迹线512经由所述电迹线512和所述电极503之间的接合区516与正极性的电极电接触。

图7示出了根据本发明的芯片-基板组件600的第六示例。

因此，激光器芯片601的衬底605具有小于所述衬底的厚度的4倍的宽度l。在该示例中，衬底的宽度l比厚度e大1.5至3倍，优选地比所述衬底605的厚度e大2.5倍。

激光器芯片包括三个激光器单元602。

在该实施例中，芯片-基板组件600包括图4中所示的实施例的所有特征，除了芯片-基板组件处于“向下”位置，即激光器单元602被定位成与衬底605的上表面608相比更靠近下表面609。

在该示例中，三个正极性电极603各自电连接到基板 611上的正电迹线612。因此，一方面电连接到所述正极性电极603并且另一方面电连接到负电极603的所有激光器单元602具有流过它们的电流。

负极性的电迹线612在此经由电连接器613与负极性的电极603电接触，电连接器613可以是连接所述电迹线612和所述电极603的金线，所述电连接器613经由金基焊料614与所述电极电连接。正极性电迹线612经由所述电迹线612和所述电极603之间的接合区616与正极性电极电接触。

图8示出了第七实施例中的700芯片-基板组件。

在该实施例中，芯片-基板组件700包括图2所示的实施例的所有特征，除了激光器单元702嵌入芯片701的衬底705中。

激光器芯片701的衬底705因此具有小于所述衬底的厚度的4倍的宽度l。在该示例中，衬底的宽度l比厚度e大1.5至3倍，优选地比所述衬底705的厚度e大2.5倍。

激光器芯片包括三个702激光器单元。

在该实施例中，激光器单元702距衬底705的顶表面708比距衬底705的底表面709更近。

在该实施例中，仅正电极703电连接到基板上的电迹线712。因此，只有激光器单元702具有流过它的电流。

在另一个实施例中，若干正极性电极703可以电连接到正极性电迹线712，如图3和图4所示。

在这里未示出的实施例中，激光器单元702可以以这样的方式嵌入衬底705中，使得它们更靠近衬底705的下表面709而不是衬底的上表面708。

在该实施例中，衬底包括在702个激光器单元的任一侧上的半绝缘材料层，以便将它们彼此电隔离。

图2至图7中所示的实施例的其他特征适用于此。

Claims (15)

1.一种半导体激光器芯片（101、201、301、401、501、601、701），该半导体激光器芯片包括

·衬底（105、205、305、405、505、605、705），包括：

o两个侧面（107、207、307、407、507、607、707），

o下表面（109、209、309、409、509、609、709），

o上表面（108、208、308、408、508、608、708），

·至少两个半导体激光器（202、302、402、502、602、702），这两个激光器（102、202、302、402、502、602、702）分布在所述两个侧面（102、202、302、402、502、602、702）之间，两个相邻激光器（102、202、302、402、502、602、702）之间具有间距（E），

所述衬底（105、205、305、405、505、605、705）具有宽度（l）和厚度（e），该宽度是衬底（105、205、305、405、505、605、705）的所述两个侧面（107、207、307、407、507、607、707）之间的距离，该厚度（e）是垂直于宽度（l）在衬底（105、205、305、405、505、605、705）的下表面（109、209、309、409、509、609、709）和上表面（108、208、308、408、508、608、708、808）之间测量的距离，所述宽度（l）小于或等于所述厚度（e）的4倍。

2.根据前一权利要求所述的芯片，其特征在于，所述衬底（105、205、305、405、505、605、705）具有比所述厚度（e）大1.5至3倍的宽度（l）。

3.根据前述权利要求中任一项所述的芯片，其特征在于，所述芯片包括至少三个激光器单元（102、202、302、402、502、602、702），这三个激光器单元（102、202、302、402、502、602、702）分布在所述衬底（105、205、305、405、505、605、705）的所述两个侧面（107、207、307、407、507、607、707）之间，两个相邻激光器（102、202、302、402、502、602、702）之间具有间距（E）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的芯片，其特征在于，所述激光器单元（102、202、302）距所述衬底（105、205、305）的所述上表面（108、208、308）比距所述衬底（105、205、305）的所述下表面（109、209、309）更近。

5.根据前述权利要求中任一项所述的芯片，其特征在于，所述芯片包括不同极性的至少两个电极（103、203、303、403、503、603、703），所述至少两个电极被配置成允许电流在所述激光器芯片（101、201、301、401、501、601、701）的至少一个激光器单元（102、202、302、402、502、602、702）中通过。

6.根据前述权利要求中任一项所述的芯片，其特征在于，所述芯片包括至少一个绝缘层（104、204、304、404、504、604、704），所述至少一个绝缘层（104、204、304、404、504、604、704）被配置为将布置在同一衬底面（105、205、305、405、505、605、705）上的激光器单元（102、202、302、402、502、602、702）彼此电隔离。

7.根据前述权利要求中任一项所述的芯片，其特征在于，所述衬底（105、205、305、405、505、605、705）包括InP或GaAs或GaSb或InAs或硅类型材料中的至少一种半导体材料。

8.根据前述权利要求中的一项所述的芯片，其特征在于，所述激光器芯片（101、201、301、401、501、601、701）是包括量子级联激光器单元（102、202、302、402、502、602、702）的量子级联激光器芯片。

9.根据前述权利要求中任一项所述的芯片，其特征在于，至少一个激光器单元（102、202、302、402、502、602、702）是以4至10微米以脉冲模式发射的量子级联激光器单元。

10.组件（100、200、300、400、500、600、700），包括：

·至少一个如前述权利要求中任一项所述的激光器芯片（101、201、301、401、501、601、701），

·基板（111、211、311、411、511、611、711），所述芯片（101、201、301、401、501、601、701）安装在所述基板（111、211、311、411、511、611、711）上。

11.根据前一项权利要求所述的组件，其特征在于，所述基板（111、211、311、411、511、611、711）包括具有不同极性的至少两个电迹线（112、212、312、412、512、612、712），所述电迹线（112、212、312、412、512、612、712）中的每一个被配置成与具有相同极性的至少一个电极（103、203、303、403、503、603、703）电接触。

12.根据权利要求10或11所述的组件，其特征在于，所述芯片（101、201、401、501、701）包括N个激光器单元（102、202、402、502、702），N大于或等于2，至多N-1个所述激光器单元（102、202、402、502、702）与所述基板（111、211、411、511、711）的所述电迹线（112、212、412、512、712）电连接。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的组件，其特征在于，所述芯片-基板组件（100、200、300、400、500、600、700）包括至少一个激光器芯片（101、201、301、401、501、601、701），所述至少一个激光器芯片（101、201、301、401、501、601、701）包括至少N个激光器单元（102、202、302、402、502、602、702），N大于或等于2，至少两个激光器单元被配置为在不同的大气条件下、特别是在不同的温度下发射给定波长的光辐射。

14.一种气体传感器（1），包括：

·形成谐振器的格室（20），包括气体入口导管（60）、气体出口导管（70）和至少一个所谓的激光入口孔（40）；

·根据权利要求10至13所述的至少一个芯片-基板组件（100、200、300、400、500、600、700），包括至少两个激光器单元，所述两个激光器单元中的至少一个被配置为向所述格室（20）中发射光辐射，所述光辐射具有其值特别适于待检测气体的激发的波长，使得所述光辐射与包含在所述格室中的待检测气体之间的相互作用在所述格室的共振频率下诱导产生表征所述气体存在的信号特征；和

·信号检测装置。

15.一种用于生产如前述权利要求中任一项所述的芯片-基板组件（100、200、300、400、500、600、700）的工艺，包括以下步骤：

·通过以下方式形成激光器芯片：

o沉积材料层以在衬底上形成至少两个激光器单元，所述激光器单元在所述衬底的宽度尺寸上间隔开间距，所述衬底具有对应于所述衬底的上表面与下表面之间的距离的厚度，

o解理所述衬底以形成所述衬底的两个侧面，所获得的衬底的宽度对应于所获得的两个侧面之间的距离，所述宽度小于或等于所述衬底的厚度的4倍，

·将所得到的芯片附接到基板。