CN102709812A - 衬底上分布有导热通道的量子级联激光器 - Google Patents

Abstract

衬底上分布有导热通道的量子级联激光器属于半导体激光器技术领域。现有正装封装量子级联激光器散热效果很差；现有倒装封装量子级联激光器由于封装焊接会污染进而损伤腔面，降低器件输出特性，另外还会因芯片与热沉之间的晶格不匹配而产生很大应力。本发明之量子级联激光器封装方式为正装，下电极与热沉焊接，导热衬底上分布导热通道，下电极为弯折下电极，弯折下电极的弯折走势与导热衬底底面及导热通道表面走势相同，并且，弯折下电极覆盖导热衬底底面及导热通道表面；在导热通道中填充导热焊料，弯折下电极与热沉由导热焊料焊接。本发明与现有正装封装量子级联激光器相比，散热效率提高30%以上，电光转换率提高20%以上，输出功率提高20%以上。

Description

衬底上分布有导热通道的量子级联激光器

技术领域

本发明涉及一种衬底上分布有导热通道的量子级联激光器，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

量子级联激光器是基于单一载流子（电子）因量子限制效应所形成的导带子带间跃迁的一种单极半导体激光器。量子级联激光器的发射波长涵盖3~5μm和8~14μm中远红外波段、15~300μm远红外波段，涵盖了NO₂、CO₂、CO等气体的特征吸收峰。量子级联激光器在军事、民用领域均得到应用，如远距离光通信、痕量气体检测、环境污染监测等。

现有量子级联激光器其组成部分自下而上依次为下电极1、衬底2、下波导层3、有源级联增益区4、上波导层5、欧姆接触层6、上电极7，在上电极7与下波导层3、有源级联增益区4、上波导层5、欧姆接触层6之间有绝缘钝化层8，见图1所示。例如Appl.Phys.Lett.,vol.80.no.22,p.4901,2002报道了一种较为典型的量子级联激光器，其组成部分自下而上依次为：下电极、n-InP衬底、N-InP或者N-InGaAs下波导层、InGaAs/InAlAs有源级联增益区、N-InP或N-InGaAs上波导层、高掺杂N-InGaAs顶层欧姆接触层、SiO₂绝缘钝化层、上电极。在封装方面通常采用正装方式，即由焊接层9将下电极1与热沉10焊接起来，见图1所示，焊接层9材料为高导热焊料。由于有源级联增益区4和热沉10之间有150~200微米厚的衬底2相隔，致使这种正装的封装方式散热效果很差，从而降低器件的输出特性，如阈值较高、电光转化效率低、光输出功率较低等。为了改善散热，现有技术采用倒装方式，即上电极与热沉用高导热焊料焊接，见文献Proc.of SPIE,vol.6127,p.612703-1,2006，这种倒装的封装方式明显改善量子级联激光器的散热状况。但是，在采用倒装方式封装的量子级联激光器中，由于量子级联激光器腔面与焊料之间只有5~6微米左右的距离，而量子级联激光器的激励电压通常在10伏特左右，单管的工作电流在1安培左右，所以，很容易产生短路现象。并且，在器件的封装焊接过程中很容易因腔面被污染而产生腔面损伤，从而降低器件输出特性，也使器件寿命下降。再有，由于InGaAs/InAlAs有源级联增益区、N-InP或N-InGaAs上波导层、高掺杂N-InGaAs顶层欧姆接触层晶体材料与热沉之间的晶格不匹配，会产生很大的应力。以上这些不利因素还造成量子级联激光器工作寿命的缩短。

发明内容

为了在采用正装的封装方式的同时改善量子级联激光器的散热状况，进而提高器件的输出特性，我们发明了一种衬底上分布有导热通道的量子级联激光器。

本发明之衬底上分布有导热通道的量子级联激光器封装方式为正装，下电极与热沉焊接，其特征在于，见图2所示，导热衬底11上分布导热通道12，下电极为弯折下电极13，弯折下电极13的弯折走势与导热衬底11底面14及导热通道12表面走势相同，并且，弯折下电极13覆盖导热衬底11底面14及导热通道12表面；在导热通道12中填充导热焊料15，弯折下电极13与热沉10由导热焊料15焊接。

本发明其技术效果在于，在量子级联激光器的制造过程中，在衬底2上制作下波导层3、有源级联增益区4、上波导层5、欧姆接触层6、上电极7以及绝缘钝化层8之后，自衬底2底面采用掩膜、光刻、腐蚀工艺刻蚀导热通道12，衬底2成为导热衬底11，见图3、图4所示。之后采用金属化工艺在导热衬底11底面14及导热通道12表面上覆盖金属膜，完成弯折下电极13的制作，见图5所示。再在导热通道12中借助虹吸现象及表面吸附填充导热焊料15，见图6所示，同时由导热焊料15将弯折下电极13与热沉10焊接起来，见图7所示。具有良好导热性能的导热焊料15十分接近有源级联增益区4，因此，能够将量子级联激光器工作时产生的热量及时、大量传导到热沉10，明显改善量子级联激光器的散热状况。由于本发明之量子级联激光器在封装方面属于下电极与热沉焊接，因此，其封装方式为正装，但是，本发明与现有技术中的倒装封装量子级联激光器相比，散热效率基本相同，却不存在倒装封装方式带来的技术问题，如容易发生击穿短路、腔面容易被污染而产生腔面损伤、器件输出特性降低、器件寿命下降等。然而，本发明与现有技术中的正装封装量子级联激光器相比，器件的散热效率提高30%以上，器件的电光转换率提高20%以上，器件的输出功率提高20%以上。

附图说明

图1是现有正装封装量子级联激光器结构示意图。图2是本发明之量子级联激光器结构示意图，该图同时作为摘要附图。图3是本发明之量子级联激光器刻蚀有导热通道的导热衬底结构主视示意图。图4是本发明之量子级联激光器刻蚀有平行条槽形导热通道的导热衬底结构仰视示意图。图3、图4同时表示导热通道呈平行条槽形。图5是本发明之量子级联激光器采用金属化工艺在导热衬底底面及导热通道表面上制作的弯折下电极形状及结构示意图。图6是本发明之量子级联激光器在导热通道中借助虹吸现象及表面吸附填充导热焊料情况示意图。图7是本发明之量子级联激光器由导热焊料将弯折下电极与热沉焊接起来的情况示意图。图8是本发明之量子级联激光器刻蚀有阵列井形导热通道的导热衬底结构仰视示意图。

具体实施方式

本发明之衬底上分布有导热通道的量子级联激光器封装方式为正装，下电极与热沉焊接。见图2所示，导热衬底11上分布导热通道12，下电极为弯折下电极13，弯折下电极13的弯折走势与导热衬底11底面14及导热通道12表面走势相同，并且，弯折下电极13覆盖导热衬底11底面14及导热通道12表面。在导热通道12中填充导热焊料15，弯折下电极13与热沉10由导热焊料15焊接。

刻蚀阻挡层16使导热衬底11与下波导层3相隔，见图2所示，刻蚀阻挡层16的厚度为300~500nm。刻蚀阻挡层16具有两个作用，一是利用湿法腐蚀的选择性避免在刻蚀导热通道12时对下波导层3造成破坏，二是能够缓解和释放在将弯折下电极13与热沉10焊接时因晶格不匹配而产生的应力。另外增设刻蚀阻挡层16还带来一个附带的技术效果，即在外延方向改善量子级联激光器光束质量，这是由于刻蚀阻挡层16材料与其他结构材料存在折射率差异，外延方向光束发散角被压缩，如由50度压缩到45度。

导热通道12的形状有平行条槽形，见图3、图4所示，还有阵列井形，见图8所示。

每条平行条槽形导热通道12的宽度为10~50μm。导热衬底11位于两条相邻平行条槽形导热通道12之间的部分的端面17与导热衬底11底面14在导热通道12深度方向上相距5~30μm，这样有利于导热焊料15的填充。

下面举例说明本发明之量子级联激光器。上电极7为Ti-Au膜；欧姆接触层6为InGaAs层；上波导层5为InP层；有源级联增益区4为InGaAs/InAlAs区，具有量子阱级联结构，发射波长为9μm；绝缘钝化层8为SiN层；下波导层3为InP层；刻蚀阻挡层16为InGaAsP层；导热衬底11为InP层；弯折下电极13为Ti-Au膜；导热焊料15为Au-In合金。每条平行条槽形导热通道12的宽度为15μm。导热衬底11位于两条相邻平行条槽形导热通道12之间的部分的端面17与导热衬底11底面14在导热通道12深度方向上相距10μm。

Claims (5)

1.一种衬底上分布有导热通道的量子级联激光器，其封装方式为正装，下电极与热沉焊接，其特征在于，导热衬底（11）上分布导热通道（12），下电极为弯折下电极（13），弯折下电极（13）的弯折走势与导热衬底（11）底面（14）及导热通道（12）表面走势相同，并且，弯折下电极（13）覆盖导热衬底（11）底面（14）及导热通道（12）表面；在导热通道（12）中填充导热焊料（15），弯折下电极（13）与热沉（10）由导热焊料（15）焊接。

2.根据权利要求1所述的衬底上分布有导热通道的量子级联激光器，其特征在于，刻蚀阻挡层（16）使导热衬底（11）与下波导层（3）相隔，刻蚀阻挡层（16）的厚度为300~500nm。

3.根据权利要求1所述的衬底上分布有导热通道的量子级联激光器，其特征在于，导热通道（12）的形状为平行条槽形或者阵列井形。

4.根据权利要求3所述的衬底上分布有导热通道的量子级联激光器，其特征在于，每条平行条槽形导热通道（12）的宽度为10~50μm。

5.根据权利要求1或3所述的衬底上分布有导热通道的量子级联激光器，其特征在于，导热衬底（11）位于两条相邻平行条槽形导热通道（12）之间的部分的端面（17）与导热衬底（11）底面（14）在导热通道（12）深度方向上相距5~30μm。

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