CN102593711B - 增强散热的半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体激光器，特别是增强腔面散热的半导体激光器及其制备方法。半导体激光器包括衬底上的下金属化层，下限制层，下波导层，下过渡层，量子阱层，上过渡层，上波导层，上限制层，上金属化层，以及上下金属电极，在半导体激光器前后腔面上设有一层碳纳米管薄膜，在前后腔面的碳纳米管薄膜上沉积增透膜和高反射膜。制备方法是沿芯片边缘线解理，在前后腔面上制备一层碳纳米管薄膜；在碳纳米管薄膜上前腔面沉积增透膜，后腔面沉积高反射膜；芯片焊接到热沉，压焊电极引线。本发明防止腔面光学灾变，提高腔面的损伤阈值，有利于提高半导体激光器的功率与寿命。

Description

增强散热的半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种半导体激光器，特别是增强腔面散热的半导体激光器及其制备方法。

背景技术

半导体激光器（DL）是近年来激光器发展的一个重要方向，由于其体积小，功率高，寿命长等特点，在医疗、工农业加工以及军事领域中的激光武器、测距、制导、探潜等方面具有极其广阔的应用前景。半导体激光器的功率和寿命是衡量其性能的重要指标，目前腔面光学灾变现象是限制高功率半导体激光器功率和寿命提高的一个关键因素。腔面光学灾变 一方面限制了半导体激光器最大输出功率,因为随着激光器光功率增加, 会在腔面附近产生更多的热, 导致腔面温度升高, 最终将腔面熔融烧毁; 另一方面限制了激光器工作寿命, 因激光器腔面随工作时间延长会发生褪化, 腔面光学灾变 阈值缓慢降低, 最终导致在正常工作光功率下烧毁。半导体材料氧化或其他杂质缺陷导致在激光器腔面存在深能级(界面态) , 在腔面附近光吸收产生的电子，空穴对在腔面区域通过表面态产生非辐射复合, 使腔面发热导致腔面附近带隙减小, 加剧了腔面光吸收, 同时电流也更集中于腔面附近窄带隙区域。这样形成正反馈环, 当温度足够高时, 导致腔面烧毁, 即腔面光学灾变。目前控制腔面光学灾变的技术包括以下几类：

1、腔面钝化处理技术。其操作方法是首先在大气中将芯片解理，然后浸泡在硫化铵等钝化溶液中，溶液中的钝化物质会填充到激光器腔面的悬挂键上，稳定腔面结构从而达到提高腔面损伤阈值的目的。

2、腔面钝化薄膜技术。早在1996年摩尔多瓦科技大学的A.V. Syrbu等人就提出使用ZnSe做为钝化薄膜提高半导体激光器的输出功率，近年来越来越多的报道提出了包括ZnSe、Si、Si₃N₄在内的钝化薄膜制备方法，2009年和2010年中电十三所和中科院长春光机所分别报道了利用Si和ZnSe制备钝化薄膜的实验结果。钝化薄膜的制备目前主要是通过离子辅助电子束蒸发的方法实现的，在沉积钝化薄膜之前，激光器的腔面需要经过清洗去除表面氧化物，一般采取低能离子轰击的方式。

3、超高真空解理技术。此技术与腔面钝化薄膜技术的结合进一步的提高了腔面抗腔面光学灾变的能力。将半导体激光器芯片在超高真空中解理开后原位沉积钝化薄膜可以防止空气中氧气对腔面的氧化损伤，而且可以省略制备钝化薄膜前的清洗步骤，从而防止清洗步骤对腔面的损伤，这在最大限度上保护了腔面结构的完好。

4、非辐射吸收窗口技术。该技术是通过在激光器腔面二次外延生长或掺杂扩散的方法制备一层宽禁带半导体材料，其目的是减少光子在此区域的辐射吸收，降低腔面的温度。2009年中科院半导体所的研究小组报道了利用扩散Zn原子制备非辐射吸收窗口的半导体激光器实验结果，其测试结果表明非辐射吸收窗口能够提高激光器的功率。

虽然上述方法能在一定程度上解决腔面光学灾变问题，但是各种方法工艺难度较大，成本较高，而且不能很好的控制腔面的温度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种增强腔面散热的半导体激光器及其制备方法，采用这种半导体激光器能更好的阻挡其他电子穿过散热层进入腔面材料中，从而提高腔面损伤阈值，提高半导体激光器的功率与寿命。

本发明的解决方案是：一种增强散热的半导体激光器，包括衬底上的下金属化层，下限制层，下波导层，下过渡层，量子阱层，上过渡层，上波导层，上限制层，上金属化层，以及上下金属电极，其特点是在半导体激光器前后腔面上设有一层碳纳米管薄膜，在前腔面的碳纳米管薄膜上沉积增透膜，在后腔面的碳纳米管薄膜上沉积高反射膜。

本发明中，利用碳纳米管薄膜透光并且热导率非常高的特性，通过碳纳米管透明导热薄膜增强半导体激光器腔面的散热能力，使腔面局部的热量快速的散发到周围腔面或者热沉上，使腔面的局部温度不会过高，从而防止腔面光学灾变，提高腔面的损伤阈值，有利于提高半导体激光器的功率与寿命。

本发明的解决方案中可在半导体激光器前后腔面上沉积一层保护薄膜，在保护薄膜上沉积一层碳纳米管薄膜。真空解理后真空中在前后腔面首先沉积一层钝化保护薄膜，其作用是保护激光器腔面不被大气环境氧化。

上述增强散热的半导体激光器的制备方法，其特点是包括以下步骤：

A、在N型衬底上依次外延生长半导体激光器结构，包括：下金属化层，下限制层，下波导层，下过渡层，量子阱层，上过渡层，上波导层，上限制层，上金属化层，然后制备金属电极；

B、沿芯片边缘线解理，在前后腔面上制备一层碳纳米管薄膜；

C、在碳纳米管薄膜上前腔面沉积增透膜，后腔面沉积高反射膜；

D、芯片焊接到热沉，压焊电极引线。

本发明制备方法的解决方案中采用在于真空解理后的激光器腔面在真空中沉积一层保护薄膜，然后再在保护薄膜上覆盖一层碳纳米管薄膜。

本发明制备方法的解决方案中碳纳米管薄膜制备是采用从碳纳米管超顺排阵列中利用抽拉法制备出来，其具体过程是将超顺排阵列衬料固定后，利用夹具夹住超顺排阵列的边缘，然后匀速稳定的向外拉，碳纳米管则会首尾相连的形成连续的薄膜。碳纳米管采用单壁碳纳米管或双壁或多壁碳纳米管。碳纳米管的厚度为5纳米至10微米。

本发明的优点：本发明通过半导体激光器前后腔面上设有一层碳纳米管薄膜，利用碳纳米管薄膜透光并且热导率非常高的特性，通过碳纳米管透明导热薄膜增强半导体激光器腔面的散热能力，使腔面局部的热量快速的散发到周围腔面或者热沉上，使腔面的局部温度不会过高，从而防止腔面光学灾变，提高腔面的损伤阈值，有利于提高半导体激光器的功率与寿命。该方法简单实用，适用于各种半导体激光器腔面的散热增强处理。

附图说明

图1为本发明增强散热的半导体激光器结构示意图。

具体实施方式

实施例：本发明实施例如图1所示，以宽条半导体激光器为例，制备增强散热的半导体激光器包括以下步骤：

1、在衬底1上依次外延生长半导体激光器结构，包括：下金属化层2，下限制层3，下波导层4，下过渡层5，量子阱层6，上过渡层7，上波导层8，上限制层9，上金属化层10。

2、完成N面11和P面12金属电极的制备。

3、沿芯片边缘线解理。

4、真空解理后需要在真空中给前后腔面沉积一层钝化保护薄膜13。

5、在前后腔面上制备一层碳纳米管薄膜14，制备方法是从碳纳米管超顺排阵列中利用抽拉法制备出来，然后将碳纳米管薄膜铺到腔面上，最后切断薄膜边缘。其中碳纳米管采用单壁碳纳米管，碳纳米管的厚度为20纳米。

6、在前腔面的碳纳米管薄膜14上沉积增透膜15，在后腔面的碳纳米管薄膜14上沉积高反射膜16，

7、芯片焊接到热沉，压焊电极引线。 

Claims (6)

1.一种增强散热的半导体激光器，包括衬底（1）上的下金属化层（2），下限制层（3），下波导层（4），下过渡层（5），量子阱层（6），上过渡层（7），上波导层（8），上限制层（9），上金属化层（10），以及上下金属电极（11、12），其特征在于在半导体激光器前后腔面上沉积一层保护薄膜(13)，在保护薄膜(13)上覆盖一层顺排碳纳米管薄膜(14)，在前腔面的顺排碳纳米管薄膜(14)上沉积增透膜(15)，在后腔面的顺排碳纳米管薄膜(14)上沉积高反射膜(16)。

2.一种如权利要求1所述的增强散热的半导体激光器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A、在衬底（1）上依次外延生长半导体激光器结构，包括：下金属化层（2），下限制层（3），下波导层（4），下过渡层（5），量子阱层（6），上过渡层（7），上波导层（8），上限制层（9），上金属化层（10），以及上下金属电极（11、12）；

B、沿芯片边缘线解理，在前后腔面上覆盖一层顺排碳纳米管薄膜（14）；

C、在顺排碳纳米管薄膜（14）上前腔面沉积增透膜（15），后腔面沉积高反射膜（16）；

D、芯片焊接到热沉，压焊电极引线。

3.根据权利要求2所述的增强散热的半导体激光器的制备方法，其特征在于真空解理后的激光器腔面在真空中沉积一层保护薄膜（13），然后再在保护薄膜（13）上沉积一层顺排碳纳米管薄膜（14）。

4.根据权利要求2所述的增强散热的半导体激光器的制备方法，其特征在于顺排碳纳米管薄膜（14）的制备方法是将顺排碳纳米管薄膜铺到腔面上，顺排碳纳米管薄膜由碳纳米管超顺排阵列中利用抽拉法制备。

5.根据权利要求4所述的增强散热的半导体激光器的制备方法，其特征在于碳纳米管为单壁碳纳米管或双壁或多壁碳纳米管。

6.根据权利要求4所述的增强散热的半导体激光器的制备方法，其特征在于碳纳米管的厚度为5纳米至10微米。