CN102263371A - 基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器。包括N电极，SiC衬底，N型DBR、有源区、氧化限制层，P型DBR、SiC(电极+窗口+热沉)、SiO2掩模，焊料。本发明特色在于采用倒装顶发射结构。出光窗口制作在P型DBR上，采用顶部出光方式，热沉也置于P面一端。SiC晶片经特殊技术改性处理后同时具备高热导率、高电导率以及近红外波段光的高透过率。以SiC晶片替代传统结构中P电极、出光窗口和热沉，将三者的功能合三为一。SiC晶片作为电极，以平面电极或非均匀网格电极形式代替传统VCSEL的环形P电极；SiC晶片作为热沉材料，热膨胀系数与GaAs类材料相近，与外延片中的P面直接倒装连接；SiC晶片同时成为出光窗口。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器技术，特别是基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器。
背景技术
VCSEL由于其优越的光束质量、二维集成及腔内倍频等优点，正向高功率方向发展。预期功率为几十瓦-百瓦的大功率VCSEL面发射列阵将得到大力发展，并替代目前的激光器线阵、叠阵等，应用于工业加工、固体激光器和光纤激光器泵浦源等方面。
目前，世界上只有少数几家科研单位、公司开展了大功率VCSELs的研究，主要有德国的ULM大学、美国的普林斯顿光电子公司以及中国的中国科学院长春光机所等单位。
德国ULM大学在2001年实现了980nm、直径320μm的VCSELs单管室温连续工作，最大输出功率为0.89W；19个单管组成的二维面阵室温连续工作最大输出功率为1.55W。美国普林斯顿光电子公司公司于2005年研制出器件直径为350μm，室温下连续功率达到3W，效率为25％的VCSELs，其谱宽仅为0.6nm，出射的激光为圆形光束。2007年，普林斯顿光电子公司又通过将大尺寸(5mm×5mm)二维VCSELs列阵封装在高热导率金刚石热沉上，使VCSELs列阵达到非常高的功率水平。面积为0.22cm2的二维列阵连续输出功率超过230W，功率密度大于1kW/cm2，效率达到50％。
国内，中国科学院长春光机所较早的开展了大功率VCSELs的研究，对大功率980nm VCSELs进行了理论研究，结构优化设计，攻克了一系列关键工艺技术，取得了突破性进展。2004年初，在国际上首次研制出直径为500、600、700μm的大功率VCSEL器件，连续功率输出均达到1.95W；300μm直径连续输出功率1.11W，连续输出光功率密度1.57kW/cm2。
由于大功率VCSEL特殊的器件结构，要进一步提高输出光功率，需要增大光束发射窗口面积，并相应增大有源区有效面积。面对的技术难题主要是：(1)增大光束发射窗口和有源区有效面积需要增大泵浦电流，从而导致腔内和顶部DBR产热平方倍增加；(2)虽然增大光束发射窗口可以增加光输出功率，且不受光学灾变限制，但载流子聚集效应使得器件有源区直径超过10μm时，注入的载流子趋向于聚集在有源区边缘一个圆环带内。这将影响光输出功率密度的均匀性。传统环形电极结构更加剧了这种聚集效应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器，突破传统大功率VCSEL器件的传统结构设计思路，有效提升传统VCSEL器件的散热性能，显著提高单模输出功率和光束质量。
本发明涉及一种基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器结构设计和封装技术。所述的基于SiC热沉的单模大功率VCSEL采用倒装顶发射结构。SiC晶片经特殊技术改性处理后同时具备高热导率、高电导率以及近红外波段光的高透过率。以SiC晶片替代传统结构中P电极、出光窗口和热沉，将三者的功能合三为一。将VCSEL外延片中的P面直接倒装在SiC晶片热沉上，不仅缩短VCSEL外延片有源区和P型DBR与SiC热沉的距离，而且，SiC晶片作为热沉材料，性能优于目前采用的无氧铜热沉和正在研究试验的氮化铝陶瓷，铜钨合金等热沉材料，从而显著改善器件散热性能；SiC晶片作为电极，以平面电极或非均匀网格电极形式代替传统VCSEL的环形P电极，并在外表面镀制ITO膜，与SiC晶片键合在一起，使有源区电流分布更趋均匀，显著改善大发射窗口、大有源区有效面积VCSEL出射光束分布的均匀性；基于SiC晶体的热膨胀系数与GaAs类材料相近，将P电极与P型DBR直接光胶键合，降低串联电阻，简化P电极和外延片结合工艺流程；近红外波段光的高透过率使得SiC晶片同时成为出光窗口，在大幅度提升总体性能的同时，降低器件生产成本。
所述的基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器包括N电极1，衬底2，N电极1通过金属键合制作在衬底2的背面，衬底2通过金属键合层与N型DBR3键合到一起，N型DBR3用于提供高反射率，有源区4夹在N型DBR3和P型DBR6之间，用于提供光增益，P型DBR6与有源区4连在一起，用于提供高反射率，同时形成电流注入通道，P型DBR6靠近有源区4的表面包含一层氧化限制层5，用于形成光电限制，SiC(电极+窗口+热沉)7与P型DBR6通过光胶键合连接在一起，降低串联电阻，SiC(电极+窗口+热沉)7作为平面电极或非均匀网格电极，摒弃了VCSEL器件环型电极的传统结构，有效改善有源区电流分布均匀性，SiC(电极+窗口+热沉)7还作为热沉，直接与P型DBR6光胶键合，缩短了散热路径，降低了界面热阻。同时SiC晶体有着比目前采用的无氧铜热沉和正在研究试验的氮化铝陶瓷，铜钨合金等热沉材料更高的热导率，其作为热沉，显著降低了总体传导热阻；SiO2掩模8沉积在腐蚀有圆形台面的晶片表面，防止漏电并保证电流从激光器发光区注入，增大注入电流密度提高注入效率，一般采用PECVD淀积；焊料9将激光器烧结在SiC热沉上，采用超声焊接方法进行，已获得良好的导热性能。
附图说明
图1是基于SiC热沉单模大功率垂直腔面发射激光器结构示意图
1，N电极 2，衬底 3，N型DBR 4，有源区 5，氧化限制层6，P型DBR 7，SiC(电极+窗口+热沉) 8，SiO2掩模 9，焊料
图2是基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器与传统VCSEL结构简图的比较。
具体实施方式
基于改性的碳化硅晶片具有导热系数高(垂直方向导热系数达到500w/mk)，高电导率、近红外波段高透射率，并且具有晶格和膨胀系数与砷化镓匹配的特点，是一种性能优于目前采用的无氧铜热沉和正在研究试验的氮化铝陶瓷，铜钨合金等热沉材料的高质量无源热沉材料。我们所提出的利用SiC晶片做为大功率VCSEL热沉的倒装顶发射结构方案中，以SiC晶体代替传统结构设计中P电极和出光窗口，并同时将VCSEL外延片中P面直接倒装在SiC晶片热沉上，缩短VCSEL外延片有源区和P型DBR与SiC衬底的距离，改善器件散热性能；将传统VCSEL的环形P电极改成SiC平面电极或非均匀网格电极，并在外表面镀制ITO膜，与SiC晶片键合在一起，使有源区电流分布更趋均匀，显著改善大发射窗口、大有源区有效面积VCSEL出射光束分布的均匀性；基于SiC晶体的热膨胀系数与GaAs类材料相近，将P电极与P型DBR直接光胶键合，简化了P电极和外延片结合工艺流程，降低了器件生产成本。
基于SiC热沉的大功率垂直腔面发射激光器的结构简图与传统VCSEL结构简图的比较如图2所示。
以上所述，只是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明权力要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于SiC热沉的单模大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)，其特征在于：所述的单模大功率VCSEL采用倒装顶发射结构，包括N电极1，衬底2，N型DBR3、有源区4、氧化限制层5，P型DBR6、SiC(电极+窗口+热沉)7、SiO2掩模8，焊料9。
2.根据权利要求1所述的单模大功率VCSEL，其特征在于：所述的倒装顶发射结构，是指出光窗口制作在P型DBR上，采用顶部出光方式，热沉也置于P面一端。
3.根据权利要求1所述的单模大功率VCSEL，其特征在于：SiC晶片经特殊改性工艺处理后，同时具备高热导率、高电导率以及近红外波段光的高透过率，以SiC晶片替代传统结构中P电极、出光窗口和热沉，将三者的功能合三为一。
4.根据权利要求3所述的单模大功率VCSEL，其特征在于：基于SiC晶体的热膨胀系数与GaAs类材料相近，SiC晶片作为热沉，通过光胶键合方法将P面直接倒装在SiC晶片上，SiC晶片同时作为出光窗口。
5.根据权利要求3所述的SiC晶片，其特征在于：SiC晶片作为电极，以平面电极或非均匀网格电极方式代替传统VCSEL的环形P电极，并在外表面镀制ITO膜，与SiC晶片键合在一起。
6.根据权利要求1所述的单模大功率VCSEL，其特征在于，包括：
-N电极1通过金属键合层制作在衬底2的下面；
-GaAs衬底2通过金属键合层与N型DBR3键合到一起；
-P型DBR6与有源区4连在一起，P型DBR6靠近有源区4的表面包含一层氧化限制层5；
-SiC(电极+窗口+热沉)7与P型DBR6通过光胶键合连接在一起。
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