CN102684066A - 双通道液体制冷多量子阱半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双通道液体制冷多量子阱半导体激光器及其制备方法，以提高多量子阱半导体激光器的散热效率，实现大功率的激光输出。该双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，包括分别位于多量子阱芯片上方的上液体制冷器和下方的下液体制冷器、以及与多量子阱芯片处于同一层面用于隔离上、下液体制冷器的绝缘片；多量子阱芯片的负极面和/或正极面通过应力缓冲导电层与上液体制冷器和/或下液体制冷器连接；应力缓冲导电层的厚度使得多量子阱芯片位置处的总厚度与绝缘片位置处的总厚度相等。本发明采用上下两个微通道制冷器，大大增加散热面积，达到减小器件热阻，提高散热能力的目的。

Description

双通道液体制冷多量子阱半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多量子阱半导体激光器及其制备方法。

背景技术

由于具有体积小、重量轻、使用电驱动、电光转换效率高等优点，半导体激光器在工业加工、军事国防、航空航天、医疗卫生等领域得到了越来越为广泛的应用。目前大多数商用半导体激光器为单量子阱结构，芯片有源区由一个量子阱层构成，而多量子阱半导体激光器芯片有源区由n个量子阱层构成（n≥2）。相对于单量子阱半导体激光器，多量子阱半导体激光器有其独特的优势：在尺寸保持不变的情况下，多量子阱半导体激光器最高输出功率可达单量子阱半导体激光器的n倍；在相同的工作电流下，多量子阱半导体激光器的最高输出功率可达单量子阱半导体激光器的n倍。因此多量子阱半导体激光器能够大大降低系统体积以及对驱动电源的需求，对降低系统成本、扩展应用范围有重要的意义。

半导体激光器的性能除了与芯片有关外，也跟激光器的散热和封装有密切的关系。为了提高激光器的可靠性和稳定性，降低生产成本，必须设计高可靠性封装结构和高效散热结构。目前，大功率半导体激光器有被动冷却型和主动冷却型两种封装形式。被动冷却主要采用热传导散热，在连续波模式下工作的大块热沉而言，由于采用被动散热方式，容易使激光器温度上升，这将导致激光器的波长漂移、寿命和可靠性下降，输出功率很难达到上百瓦。主动冷却采用液体制冷方式散热，微通道液体制冷型高功率半导体激光器现在已经商业化生产，虽然其采用主动散热，散热能力增强，使激光器的功率得到很大的提高。

对于多量子阱半导体激光器，由于其包括多个量子阱层，多个量子阱层会产生大量的热量，必须设计合理的高效的散热结构，以提高其输出功率、稳定性及可靠性。但是通常的微通道液体制冷半导体激光器采用单面散热结构：在芯片P面部分连接一微通道制冷块以进行散热，也可以作为正极引出；芯片N面连接金线或铜箔作为负极引出，不能实现散热的功能{Wang et al.,Proceedings of 11th on Electronic Packaging Technology & High DensityPackaging(ICEPT-HDP),P92-97,2010;Vetrovec,J.and L.L.C.Aqwest(2009).,San Jose,CA,United states,SPIE.}。因此必须开发新型的散热结构，以使多量子阱半导体激光器稳定可靠地工作。

发明内容

本发明提供了一种双通道液体制冷多量子阱半导体激光器及其制备方法，以提高多量子阱半导体激光器的散热效率，实现大功率的激光输出。

为实现以上发明目的，本发明提出以下基本技术方案：

双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，包括分别位于多量子阱芯片上方的上液体制冷器和下方的下液体制冷器、以及与多量子阱芯片处于同一层面用于隔离上、下液体制冷器的绝缘片；多量子阱芯片的负极面和/或正极面通过应力缓冲导电层与上液体制冷器和/或下液体制冷器连接；应力缓冲导电层的厚度使得多量子阱芯片位置处的总厚度与绝缘片位置处的总厚度相等。

具体可以选择以下三种结构形式：

第一种：上述应力缓冲导电层仅为负极连接块；多量子阱芯片的负极面通过负极连接块与上液体制冷器的下端面焊接；

或者所述应力缓冲导电层还包括一个弯折的电连接片，该电连接片弯折形成有两端平行的高、低两段，其中电连接片的高段贴合在绝缘片的上端面与上液体制冷器的下端面之间，电连接片的低段贴合焊接在多量子阱芯片的负极面与所述负极连接块的下端面之间。

第二种：上述应力缓冲导电层仅为正极连接块，多量子阱芯片的正极面通过正极连接块与下液体制冷器的上端面焊接。

第三种：上述应力缓冲导电层包括负极连接块和正极连接块，多量子阱芯片的负极面和正极面分别通过负极连接块和正极连接块与上液体制冷器和下液体制冷器焊接。

对于上述的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，可以在竖直方向上自上液体制冷器、绝缘片至下液体制冷器，内部贯穿设置有固定螺栓。当然，也可以采用其他的公知的固定封装方式。

上述上、下液体制冷器可以采用上下连通的形式，即上液体制冷器的下端面与下液体制冷器的上端面之间设置有内部入液通孔和内部出液通孔，上液体制冷器与下液体制冷器通过所述内部入液通孔和内部出液通孔构成整体的液冷通道。当然，上、下液体制冷器也可以不必液流相通，各自采用单独的液冷回路。

上述应力缓冲导电层选用热膨胀系数与多量子阱芯片热膨胀系数接近的材料，优选铜钨合金或者铜金刚石复合材料。

上液体制冷器和/或下液体制冷器与相应的电连接块最好为一体件。这样可进一步降低热阻。

考虑到更高的密封要求，可以在内部入液通孔和内部出液通孔处设置橡胶密封圈。

对于以上提到的几种具体的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器结构，给出相应的加工方法。

第一种（包括电连接片）：

1）分别加工上液体制冷器和下液体制冷器及其内部的液流通道；其中，下液体制冷器内部的液流通道具有用以与外部的冷却介质源相接的进液端口和出液端口；根据设定的所述内部入液通孔和内部出液通孔的位置，上液体制冷器下端面和下液体制冷器的上端面留有竖直相对的内部入液端口和内部出液端口；

2）在上液体制冷器和下液体制冷器的内部加工出用以安装固定螺栓的螺纹孔；（螺纹孔既可以是贯通上、下液体制冷器的通孔，也可以仅加工出一定深度的螺纹内孔）

3）根据设计的多量子阱芯片位置处的总厚度与绝缘片位置处的总厚度，选取绝缘片、弯折的电连接片和负极连接块；其中，在绝缘片和弯折的电连接片上加工有分别对应于固定通孔、内部入液通孔和内部出液通孔的竖直通孔；

4）将多量子阱芯片的正极面焊接于下液体制冷器的上端面一侧，上端面另一侧焊接绝缘片，弯折的电连接片的高段和低段分别与绝缘片和多量子阱芯片的负极面焊接在一起；将负极连接块的上端面与上液体制冷器的下端面焊接，负极连接块的下端面与所述弯折的电连接片的低段焊接；

5）采用固定螺栓将上、下液体制冷器对准安装，制得所述双通道液体制冷多量子阱半导体激光器。

第二种：

1）分别加工上液体制冷器和下液体制冷器及其内部的液流通道；其中，下液体制冷器内部的液流通道具有用以与外部的冷却介质源相接的进液端口和出液端口；根据设定的所述内部入液通孔和内部出液通孔的位置，上液体制冷器下端面和下液体制冷器的上端面留有竖直相对的内部入液端口和内部出液端口；

2）在上液体制冷器和下液体制冷器的内部加工出用以安装固定螺栓的螺纹孔；（螺纹孔既可以是贯通上、下液体制冷器的通孔，也可以仅加工出一定深度的螺纹内孔）

3）根据设计的多量子阱芯片位置处的总厚度与绝缘片位置处的总厚度，选取绝缘片和正极连接块；其中，在绝缘片上加工有分别对应于固定通孔、内部入液通孔和内部出液通孔的竖直通孔；

4）将正极连接块的下端面与下液体制冷器的上端面一侧焊接，将多量子阱芯片的正极面焊接于正极连接块的上端面；下液体制冷器的上端面另一侧焊接绝缘片；

5）采用固定螺栓将上、下液体制冷器对准安装，制得所述双通道液体制冷多量子阱半导体激光器。

第三种：

1）分别加工上液体制冷器和下液体制冷器及其内部的液流通道；其中，下液体制冷器内部的液流通道具有用以与外部的冷却介质源相接的进液端口和出液端口；根据设定的所述内部入液通孔和内部出液通孔的位置，上液体制冷器下端面和下液体制冷器的上端面留有竖直相对的内部入液端口和内部出液端口；

2）在上液体制冷器和下液体制冷器的内部加工出用以安装固定螺栓的螺纹孔；（螺纹孔既可以是贯通上、下液体制冷器的通孔，也可以仅加工出一定深度的螺纹内孔）

3）根据设计的多量子阱芯片位置处的总厚度与绝缘片位置处的总厚度，选取绝缘片、负极连接块和正极连接块；其中，在绝缘片上加工有分别对应于固定通孔、内部入液通孔和内部出液通孔的竖直通孔；

4）将正极连接块的下端面与下液体制冷器的上端面一侧焊接，负极连接块的上端面与上液体制冷器的下端面一侧焊接，多量子阱芯片的负极面和正极面分别与负极连接块和正极连接块焊接；下液体制冷器的上端面另一侧焊接绝缘片；

5）采用固定螺栓将上、下液体制冷器对准安装，制得所述双通道液体制冷多量子阱半导体激光器。

本发明具有以下技术效果：

1）散热能力强。本发明采用上下两个微通道制冷器，大大增加散热面积，达到减小器件热阻，提高散热能力的目的。

2）可实现激光大功率输出。本发明的液体制冷能力完全满足低占空比准连续波的工作要求，能够实现大功率的激光输出。

3）降低对驱动电源的需求。例如对于单量子阱半导体激光器，实现500W的光功率，需要约500A的驱动电流；而对于包括n个量子阱层(n≥2)的多量子阱半导体激光器，实现500W的光功率输出，仅需要500/n的驱动电流。

4)单位体积输出功率高。对于相同大小的单量子阱和多量子阱半导体激光器，包括n个量子阱层的多量子阱半导体激光器的输出功率是单量子阱的n倍。

5）通过在芯片上部或下部设置与芯片热膨胀系数（CTE）接近的应力缓冲块，可有效降低封装过程中芯片上产生的应力。

6）寿命长、可靠性高。本发明的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器具有寿命长、可靠性高、稳定性高和体型小的特点。

附图说明

图1为为本发明第一种结构拆解图；

图2为本发明第一种外形示意图；

图3为本发明第二种结构拆解图；

图4为本发明第二种外形示意图；

图5为本发明第三种结构拆解图；

图6为本发明第三种外形示意图；

图7为本发明制备的双液体808nm多量子阱半导体激光器制冷器的外形示意图；

图8为本发明制备的808nm多量子阱半导体激光器样品的LIV测试结果；

图9为本发明制备的808nm多量子阱半导体激光器样品的光谱测试结果。

其中1为上液体制冷器；2为下液体制冷器；3为负极连接块；4为正极连接块；5为多量子阱半导体激光器芯片；6为绝缘片，7为负极连接片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

参见图1、图2，本发明的双液体制冷多量子阱半导体激光器，包括上液体制冷器1、下液体制冷器2、负极连接块3、负极连接片7、多量子阱半导体激光器芯片5、绝缘片6。下液体制冷器2、多量子阱半导体激光器芯片5、绝缘片6、负极连接片7、负极连接块3、上液体制冷器1依次自下而上层叠连接在一起。上液体制冷器和下液体制冷器的材质为高导热率的金属或合金材料，可以是铜、金、金刚石、铜金刚石复合材料或者多晶硅等。上液体制冷器1、下液体制冷器2、绝缘片3和负极连接片7上分别对应开设有垂直于平面的（用于连通两个液体制冷器的）内部入液通孔和内部出液通孔。各部件上的入液通孔依次层叠，使上、下液体制冷器的内部液流通道连通，组成整体的单向循环的液冷通道。为了达到更好的密封效果，可以分别在各入液通孔和各出液通孔之间设置橡胶圈，达到整个入液通道和出液通道的良好密封效果。下液体制冷器2、绝缘片6和负极连接片7的中部设有垂直于平面的固定通孔。所述上液体制冷器1的下端面中部设有螺纹孔，所述下液体制冷器2上设有螺栓，所述螺栓分别穿过下液体制冷器2、绝缘片6和负极连接片7上的固定通孔，旋于螺纹孔中使各部件被连接成一体。下液体制冷器的一侧上端设有芯片5，芯片5的正极面与下液体制冷器焊接贴合，芯片5的负极面与负极连接片7焊接贴合。经多次样品制作实践发现，在实际加工过程中，实施例1的加工工艺较实施例2、3更易于操作、满足设计指标。

本发明的双微通道液体制冷多量子阱半导体激光器制备方法如下：

1）采用高导热率材料制备上液体制冷器1和下液体制冷器2；

2）将上液体制冷器1和下液体制冷器2进行可焊接处理；

3）将芯片5的正极面通过焊料贴在下液体制冷器上；

4）将负极连接片7焊接在芯片5的负极面上；

5)将负极连接块3焊接在上制冷器1上；

6)将焊接好的负极连接块3和上制冷器1整体通过焊料连接在负极连接片7上；

7)用连接螺钉依次穿过下液体制冷器2、绝缘片6、负极连接片7、上液体制冷器1中部的固定通孔，螺钉最后旋在上液体制冷器1上的螺纹孔内，将各部件紧密连接起来，这样就组成了本发明的基于双液体制冷的多量子阱半导体激光器。

本发明的工作原理如下：

工作时，在下液体制冷器（正极）和负极接线孔上加电压。激光器芯片5正常工作，工作时发出的热量利用冷却液的循环流动带走。冷却液通过下液体制冷器2的进液端口进入，冷却液在下液体制冷器2的液流通道内形成湍流。冷却液充满入液孔，直接带走芯片5产生大部分的热量；冷却液由内部入液通孔依次经过绝缘片6、负极连接片7到上液体制冷器1，再进入经过上液体制冷器1内的液流通道，再由内部出液通孔依次经过负极连接片、绝缘片6回到下液体制冷器1，最后通过下液体制冷器2的出液端口排出，经冷水机将热量散去后又重新进入下液体制冷器的进液端口，形成单向的液流循环制冷。冷却液在入液通道和出液通道里完全密封，以防止因冷却剂泄露而对半导体激光器造成损坏。

本发明的冷却介质进出口位置除采用上述的结构外，也可以采用上液体制冷器入液和出液的方式。还可以将冷却介质进出口位置设计在上、下液体制冷器两端。具体冷却液的循环形式要根据激光器的安装方式以及外部配件的设置确定。上液体制冷器与下液体制冷器的位置以液冷通道的相应设计也可以相互置换，应当视为本发明等同的技术方案。本发明的上液体制冷器、负极块可以采用一体的结构，也可以采用独立的结构。

实施例2：

参见图3、图4，本发明的双液体制冷多量子阱半导体激光器，包括上液体制冷器1、下液体制冷器2、负极连接块3、正极连接块4、多量子阱半导体激光器芯片5、绝缘片6。上液体制冷器1、下液体制冷器2、绝缘片6上分别对应设有垂直于平面的入液通孔和出液通孔。负极连接块3和正极连接块4选用CuW材料，其CTE与芯片接近，能够大大降低施加在芯片上的应力。相对于实施例1，实施例2没有采用负极连接片2，而多了正极连接块4，能够更好地达到缓冲芯片应力的效果。其加工方法可参考实施例1。

实施例3：

参见图5、图6，本发明的双液体制冷多量子阱半导体激光器，包括上液体制冷器1、下液体制冷器2、负极连接块3、多量子阱半导体激光器芯片5、绝缘片6。上液体制冷器1、下液体制冷器2、绝缘片6上分别对应设有垂直于平面的入液通孔和出液通孔。负极连接块采用CuW材料，起到缓冲芯片应力的效果。相对于实施例2，本实施例没有在芯片5和下液体制冷器2之间采用正极连接块，只在芯片5和上液体制冷器2之间采用了负极连接块3。半导体激光器芯片5和下液体制冷器2通过焊料直接相连，芯片产生的热量能够直接通过下液体制冷器扩散，提高了散热效率。其加工方法可参考实施例1。

根据本发明实施例1的方案，制作出了808nm，500W微通道液体制冷多量子阱多量子阱半导体激光器，其外形如图7所示。图8及图9所示为808nm单阵列半导体激光器样品的L-I-V曲线及光谱测试结果。

(1)如图8所示，在脉冲（50Hz，100us）230A的工作条件下，其最高输出光功率为514.8W。激光器的阈值电流为37.82A，斜坡效率为2.73W/A，典型的电光转换效率为55.96%。

(2)如图9所示，使用本发明专利制作的半导体激光器样品，波长808nm，功率250W的光谱测试结果，其峰值波长为803.44nm，中心波长为803.25nm，FWHM为2.61nm，FW90%E为4.47nm。

Claims (12)

1.双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，包括分别位于多量子阱芯片上方的上液体制冷器和下方的下液体制冷器、以及与多量子阱芯片处于同一层面用于隔离上、下液体制冷器的绝缘片；多量子阱芯片的负极面和/或正极面通过应力缓冲导电层与上液体制冷器和/或下液体制冷器连接；应力缓冲导电层的厚度使得多量子阱芯片位置处的总厚度与绝缘片位置处的总厚度相等。

2.根据权利要求1所述的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，其特征在于：所述应力缓冲导电层仅为负极连接块；多量子阱芯片的负极面通过负极连接块与上液体制冷器的下端面焊接；

或者所述应力缓冲导电层还包括一个弯折的电连接片，该电连接片弯折形成有两端平行的高、低两段，其中电连接片的高段贴合焊接在绝缘片的上端面与上液体制冷器的下端面之间，电连接片的低段贴合焊接在多量子阱芯片的负极面与所述负极连接块的下端面之间。

3.根据权利要求1所述的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，其特征在于：所述应力缓冲导电层仅为正极连接块，多量子阱芯片的正极面通过正极连接块与下液体制冷器的上端面焊接。

4.根据权利要求1所述的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，其特征在于：所述应力缓冲导电层包括负极连接块和正极连接块，多量子阱芯片的负极面和正极面分别通过负极连接块和正极连接块与上液体制冷器和下液体制冷器焊接。

5.根据权利要求1至4任一所述的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，其特征在于：在竖直方向上自上液体制冷器、绝缘片至下液体制冷器，内部贯穿设置有固定螺栓。

6.根据权利要求5所述的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，其特征在于：上液体制冷器的下端面与下液体制冷器的上端面之间设置有内部入液通孔和内部出液通孔，上液体制冷器与下液体制冷器通过所述内部入液通孔和内部出液通孔构成整体的液冷通道。

7.根据权利要求5所述的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，其特征在于：应力缓冲导电层采用铜钨合金或者铜金刚石复合材料；焊料均采用软焊料。

8.根据权利要求5所述的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，其特征在于：上液体制冷器和/或下液体制冷器与相应的电连接块为一体件。

9.根据权利要求5所述的双通道液体制冷多量子阱半导体激光器，其特征在于：在内部入液通孔和内部出液通孔处设置有橡胶密封圈。

10.权利要求2所述双通道液体制冷多量子阱半导体激光器的一种加工方法，包括以下步骤：

1）分别加工上液体制冷器和下液体制冷器及其内部的液流通道；其中，下液体制冷器内部的液流通道具有用以与外部的冷却介质源相接的进液端口和出液端口；根据设定的所述内部入液通孔和内部出液通孔的位置，上液体制冷器下端面和下液体制冷器的上端面留有竖直相对的内部入液端口和内部出液端口；

2）在上液体制冷器和下液体制冷器的内部加工出用以安装固定螺栓的螺纹孔；

3）根据设计的多量子阱芯片位置处的总厚度与绝缘片位置处的总厚度，选取绝缘片、弯折的电连接片和负极连接块；其中，在绝缘片和弯折的电连接片上加工有分别对应于固定通孔、内部入液通孔和内部出液通孔的竖直通孔；

4）将多量子阱芯片的正极面焊接于下液体制冷器的上端面一侧，上端面另一侧焊接绝缘片，弯折的电连接片的高段和低段分别与绝缘片和多量子阱芯片的负极面焊接在一起；将负极连接块的上端面与上液体制冷器的下端面焊接，负极连接块的下端面与所述弯折的电连接片的低段焊接；

5）采用固定螺栓将上、下液体制冷器对准安装，制得所述双通道液体制冷多量子阱半导体激光器。

11.权利要求3所述双通道液体制冷多量子阱半导体激光器的一种加工方法，包括以下步骤：

1）分别加工上液体制冷器和下液体制冷器及其内部的液流通道；其中，下液体制冷器内部的液流通道具有用以与外部的冷却介质源相接的进液端口和出液端口；根据设定的所述内部入液通孔和内部出液通孔的位置，上液体制冷器下端面和下液体制冷器的上端面留有竖直相对的内部入液端口和内部出液端口；

2）在上液体制冷器和下液体制冷器的内部加工出用以安装固定螺栓的螺纹孔；

3）根据设计的多量子阱芯片位置处的总厚度与绝缘片位置处的总厚度，选取绝缘片和正极连接块；其中，在绝缘片上加工有分别对应于固定通孔、内部入液通孔和内部出液通孔的竖直通孔；

4）将正极连接块的下端面与下液体制冷器的上端面一侧焊接，将多量子阱芯片的正极面焊接于正极连接块的上端面；下液体制冷器的上端面另一侧焊接绝缘片；

5）采用固定螺栓将上、下液体制冷器对准安装，制得所述双通道液体制冷多量子阱半导体激光器。

12.权利要求4所述双通道液体制冷多量子阱半导体激光器的一种加工方法，包括以下步骤：

1）分别加工上液体制冷器和下液体制冷器及其内部的液流通道；其中，下液体制冷器内部的液流通道具有用以与外部的冷却介质源相接的进液端口和出液端口；根据设定的所述内部入液通孔和内部出液通孔的位置，上液体制冷器下端面和下液体制冷器的上端面留有竖直相对的内部入液端口和内部出液端口；

2）在上液体制冷器和下液体制冷器的内部加工出用以安装固定螺栓的螺纹孔；

3）根据设计的多量子阱芯片位置处的总厚度与绝缘片位置处的总厚度，选取绝缘片、负极连接块和正极连接块；其中，在绝缘片上加工有分别对应于固定通孔、内部入液通孔和内部出液通孔的竖直通孔；

4）将正极连接块的下端面与下液体制冷器的上端面一侧焊接，负极连接块的上端面与上液体制冷器的下端面一侧焊接，多量子阱芯片的负极面和正极面分别与负极连接块和正极连接块焊接；下液体制冷器的上端面另一侧焊接绝缘片；

5）采用固定螺栓将上、下液体制冷器对准安装，制得所述双通道液体制冷多量子阱半导体激光器。

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