CN102842850A

CN102842850A - 双面散热的高效大功率半导体激光器

Info

Publication number: CN102842850A
Application number: CN2012102525113A
Authority: CN
Inventors: 沈光地; 马莉; 陈依新
Original assignee: 沈光地
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2012-12-26

Abstract

双面散热的高效大功率半导体激光器及其制备方法，属于半导体光电子技术领域。其包括：从上往下依次纵向层叠的具有散热和高导电导热功能的转移衬底，上散热电极，上重掺接触层，上限制层，有源区，下限制层，下重掺接触层，下散热电极。其在制备过程中引入外延结构。所述的外延结构带有腐蚀停层或带有牺牲层。带有腐蚀停层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层，上限制层，有源区，下限制层，下重掺接触层，腐蚀停层，缓冲层，衬底。带有牺牲层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层，上限制层，有源区，下限制层，下重掺接触层，牺牲层，缓冲层，衬底。本发明器件散热性能好，激光输出功率高，光电特性好，使用寿命长，节约成本。

Description

双面散热的高效大功率半导体激光器

技术领域

双面散热的高效大功率半导体激光器，属于半导体光电子技术领域，涉及一种半导体激光器的材料生长、器件制备及散热技术。

背景技术

半导体激光器又称激光二极管，经过几十年的发展，各项性能指标都达到了很高的水平。

半导体激光器内量子效率较高，但其功率效率未必高，特别对于大功率半导体激光器而言，往往在大电流下工作，电流流经电阻区发热，同时，被半导体材料吸收的光最终也转换成热。因此，半导体激光器不仅仅是一个光源，还是一个热源，热的问题一直伴随着半导体激光器的诞生与发展。从最早的激光器只能在小功率、低温脉冲工作到今天可在大功率、较高的温度下连续工作，其技术改进的关键是提高效率、降低阈值电流密度、减少热量的产生和改进散热。热对于半导体激光器的影响主要表现在以下几个方面：

1．与温度相关过程的存在。随着发热温度的升高，阈值电流升高，发光效率降低，不但减小光的产生和输出，同时也限制了最大工作功率。温度的变化会改变半导体载流子的分布与激光器的电学特性及输出的光谱特性，引起光谱与模式的变动。

2．大功率半导体激光器的应用必然要求大的电流密度，大电流下的电热增加、烧毁与不稳定性很严重。

3．激光器的工作寿命强烈地依赖于激光器的工作温度及热阻。

综上，减少半导体激光器中热的产生和积累，提高其散热性，是高效大功率半导体激光器制备技术的首要问题。

半导体激光器的衬底材料主要是GaAs，InP、GaN等Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，利用MOCVD或MBE等技术在衬底上生长外延材料，其结构如图1所示。由于载流子在有源区发生复合，因此器件的热量主要在此区域产生，同时光吸收发热和电流产生的热也很严重。半导体激光器衬底厚度一般为200~300μm，因而有源区与上电极相距较近，因此通常大功率半导体激光器的散热是将上电极与散热片连接起来，采用单面散热结构。由于温度高，热梯度大，热流大，通常散热片采用高导热材料，如金刚石薄膜和微通道结构等。然而即便如此，由于器件功率大，有源区等区域产生的热量多，很多热量仍然散发不出去，导致热积累，温度升高，器件光电性能变差，这也限制了器件功率的进一步提高。随着器件功率和温度的增加，有源区产生的热量向衬底方向散发不出去，则高温区会随着热量的增加往衬底方向移动，导致温差越来越大，热积累越来越严重，最终烧毁器件。

发明内容

为了解决大功率半导体激光器的散热问题，本发明提出，如果能让有源区两侧的半导体材料都很薄，则下电极同样采用高导电、导热材料散热，形成双面散热的器件结构，那么热量就容易散发出去，不易在器件内部积累，则可获得更大功率和更优光电性能的半导体激光器。

双面散热的高效大功率半导体激光器，包括：从上往下依次纵向层叠的具有散热和高导电导热功能的转移衬底11，上散热电极10，上重掺接触层2，上限制层3，有源区4，下限制层5，下重掺接触层6，下散热电极91。

所述的双面散热的高效大功率半导体激光器的制备方法，其在制备过程中引入外延结构。所述的外延结构如图2和图3所示，所述的外延结构带有腐蚀停层或带有牺牲层。图2为带有腐蚀停层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层2，上限制层3，有源区4，下限制层5，下重掺接触层6，腐蚀停层101，缓冲层7，衬底8。

图3为带有牺牲层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层2，上限制层3，有源区4，下限制层5，下重掺接触层6，牺牲层102，缓冲层7，衬底8。

具体制备方法如下，以GaAs材料系半导体激光器为例：

1、首先在器件外延层结构中引入腐蚀停层101，腐蚀停层101生长在缓冲层7与下重掺接触层6之间，采用GaInP材料。激光器制备时，先在上重掺接触层2上制备上散热电极10，然后在上散热电极10上制备出转移衬底11，再将衬底8减薄至50μm左右，利用腐蚀液NH4OH：H2O2=1:10体积比将衬底8及缓冲层7腐蚀掉，由于腐蚀液对不同材料的腐蚀速度具有选择比，腐蚀衬底的腐蚀液在腐蚀停层101处腐蚀速度非常慢，可近似认为停止腐蚀。再用腐蚀液HC1∶H2O=3:1体积比去除腐蚀停层101，得到无衬底的器件结构，最后在下重掺接触层6上制备下散热电极91，从而得到双面散热的高效大功率半导体激光器。

或者：

2、首先在器件外延层结构中引入牺牲层102，牺牲层102生长在缓冲层7与下重掺接触层6之间，一般采用高Al组分的AlGaAs或AlAs材料。激光器制备时，先在上重掺接触层2上制备上散热电极10，在上散热电极10上制作转移衬底11，由于牺牲层102含Al组分较高，将器件浸泡在HF酸溶液中腐蚀，牺牲层腐蚀速度很快，因此使用侧向腐蚀的方法腐蚀掉牺牲层102，将衬底8及缓冲层7与器件分离，得到无衬底的器件结构，最后在下重掺接触层6上制备下散热电极91，得到双面散热的高效大功率半导体激光器。

对于GaN材料系的半导体激光器，衬底8用激光剥离去除，腐蚀停层101采用InGaN，腐蚀停层101的腐蚀液为H3PO4溶液；牺牲层102采用AlGaN，腐蚀液为HF酸。对于InP材料系的半导体激光器，腐蚀停层101采用InGaP，腐蚀液为HCl溶液；牺牲层102为InGaAsP，腐蚀液为H3PO4溶液。

具有散热和高导电导热功能的转移衬底11，通过电镀或键合工艺实现。

腐蚀停层101及牺牲层102须和衬底8的材料晶格常数相匹配。

所述的腐蚀停层101采用GaInP层，牺牲层102采高Al组分的AlGaAs层或AlAs层。

当牺牲层102通过侧向腐蚀的方式牺牲掉时，将器件浸入到含HF酸的腐蚀液中腐蚀，其腐蚀速度很快，腐蚀液快速从外延片两侧向中间腐蚀牺牲层102，由此将衬底8和器件分离，得到无衬底的器件结构。牺牲层102厚度可达5~20μm甚至更厚，视能够将衬底8完全分离而定。

腐蚀衬底8及缓冲层7的溶液腐蚀到腐蚀停层101后腐蚀速度非常慢，腐蚀停层101可保护外延层不会被破坏，保证激光器的光电性能，此时采用的腐蚀液为NH4OH：H2O2=1:10（体积比），腐蚀停层在制备下散热电极91前利用腐蚀液HC1∶H2O=3:1（体积比）腐蚀掉。

有源区4为单有源区或多有源区或大光腔结构或超晶格结构。

分离出的衬底8经过加工仍可重复使用。

本发明具有以下优点：

1．器件散热性能好，激光输出功率高，光电特性好。本发明采取的双面散热的器件结构，能快速有效地将器件内部的热量散发出去，激光器内部温升小，因此，该结构可显著提高激光器的输出功率，大大提升器件光电性能和稳定性，可靠性，不用担心因热产生的烧毁问题。本发明中，无衬底的有源区器件上下均采取高导电、导热的电极散热，形成双面散热的器件结构，则重掺接触层2，上限制层3，有源区4，下限制层5和下重掺接触层6产生的热量通过上下散热电极散发出去，可大大增加器件散热性能，得到高效高性能大功率半导体激光器。

2．寿命长。本发明采取的双面散热的器件结构，其散热性好，器件工作时温度降低，稳定性好，可大大提高激光器的使用寿命。

3．节约成本。本发明中，双面散热比单面散热效果好得多，可降低单面散热复杂的工艺和昂贵的成本（如用金刚石薄膜），且分离出的衬底经过加工仍可重复利用，大大节约器件的制备成本。

附图说明

图1：普通大功率半导体激光器器件结构示意图；

图2：含有牺牲层的半导体激光器外延结构示意图；

图3：含有腐蚀停层的半导体激光器外延结构示意图；

图4；双面散热的高效大功率半导体激光器结构示意图；

图中：10为上散热电极，11为转移衬底，2为上重掺接触层，3为上限制层，4为有源区，5为下限制层，6为下重掺接触层，7为缓冲层，8为衬底，90为普通大功率半导体激光器下电极，91为下散热电极，101为腐蚀停层，102为牺牲层。

具体实施方式

实施例1

如图4所示，以GaAs材料系半导体激光器为例。该器件由以下各部分组成：从上往下依次纵向层叠的具有散热和高导电导热功能的转移衬底11，上散热电极10，上重掺接触层2，上限制层3，有源区4，下限制层5，下重掺接触层6，下散热电极91；其制备过程和方法如下：

1．用普通MOCVD的方法在N+-GaAs衬底8上依次外延生长缓冲层7，腐蚀停层101，下重掺接触层6，下限制层5，有源区4，上限制层3，上重掺接触层2，其中腐蚀停层101采用GaInP材料。

2．制备上散热电极10，并采用电镀或键合工艺进行衬底的转移，得到具有散热和高导电导热功能的转移衬底11；

3．用机械研磨减薄衬底8至50μm左右，再用湿法腐蚀去除剩下的GaAs衬底8，腐蚀液为NH4OH：H2O2=1:10（体积比）；

4．用HC1∶H2O=3:1（体积比），去除腐蚀停层101，露出下重掺接触层6。

5．制备下散热电极91。

6．解理，将芯片压焊到热沉上，即可进行测试分析。

实施例2

1．用普通MOCVD的方法在N+-GaAs衬底8上依次外延生长缓冲层7，腐蚀停层102，下重掺接触层6，下限制层5，有源区4，上限制层3，上重掺接触层2，其中牺牲层102采取高Al组分的AlGaAs或AlAs。

2．制备上散热电极10，采用电镀或键合工艺进行衬底的转移，得到具有散热和高导电导热功能的转移衬底11；

3．将外延片放到HF：H2O=3:1（体积比）腐蚀液中进行腐蚀，牺牲层102由于含Al组分较高，腐蚀液将快速从外延片两侧向中间腐蚀该层，从而将外延片与衬底8分离。

4．制备下散热电极91。

5．解理，将芯片压焊到热沉上，即可进行测试分析。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离权利要求书范围内所进行的各种改型和修改，均应包含在本发明的保护的范围内。

Claims

1.双面散热的高效大功率半导体激光器，其特征在于：其包括：从上往下依次纵向层叠的具有散热和高导电导热功能的转移衬底（11），上散热电极（10），上重掺接触层（2），上限制层（3），有源区（4），下限制层（5），下重掺接触层（6），下散热电极（91）。

2.根据权利要求1所述的双面散热高效大功率半导体激光器，其特征在于：有源区（4）为单有源区或多有源区或大光腔结构或超晶格结构。

3.根据权利要求1所述的双面散热高效大功率半导体激光器，其特征在于：具有散热和高导电导热功能的转移衬底（11），通过电镀或键合工艺实现。

4.权利要求1所述的双面散热的高效大功率半导体激光器的制备方法，其在制备过程中引入外延结构；其特征在于：所述的外延结构带有腐蚀停层或带有牺牲层；带有腐蚀停层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层（2），上限制层（3），有源区（4），下限制层（5），下重掺接触层（6），腐蚀停层（101），缓冲层（7），衬底（8）；

带有牺牲层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层（2），上限制层（3），有源区（4），下限制层（5），下重掺接触层（6），牺牲层（102），缓冲层（7），衬底（8）；

具体制备方法如下：

方法一：首先在器件外延层结构中引入腐蚀停层（101），腐蚀停层（101）生长在缓冲层（7）与下重掺接触层（6）之间，采用GaInP材料；激光器制备时，先在上重掺接触层（2）上制备上散热电极（10），然后在上散热电极（10）上制备出转移衬底（11），再将衬底（8）减薄至50μm，利用腐蚀液NH4OH：H2O2=1:10（体积比）将衬底（8）及缓冲层（7）腐蚀掉，由于腐蚀液对不同材料的腐蚀速度具有选择比，腐蚀衬底的腐蚀液在腐蚀停层（101）处腐蚀速度变得非常慢，再用腐蚀液HCl：H2O=3:1（体积比）去除腐蚀停层（101），得到无衬底的器件结构，最后在下重掺接触层6上制备下散热电极（91），从而得到双面散热的高效大功率半导体激光器；

或者：

方法二：首先在器件外延层结构中引入牺牲层（102），牺牲层（102）生长在缓冲层（7）与下重掺接触层（6）之间，一般采用高Al组分的AlGaAs或AlAs材料；激光器制备时，先在上重掺接触层（2）上制备上散热电极（10），在上散热电极（10）上制作转移衬底（11），由于牺牲层（102）含Al组分较高，将器件浸泡在HF酸溶液中腐蚀，牺牲层腐蚀速度很快，因此使用侧向腐蚀的方法腐蚀掉牺牲层（102），将衬底（8）及缓冲层（7）与外延层分离，得到无衬底的器件结构，最后在在下重掺接触层（6）上制备下散热电极（91），得到双面散热的高效大功率半导体激光器。

5.根据权利要求4所述的双面散热的高效大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于：所述腐蚀停层（101）及牺牲层（102）须和衬底（8）的材料晶格常数相匹配。

6.根据权利要求4所述的双面散热的高效大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于：所述的腐蚀停层（101）采用GaInP层，牺牲层（102）采高Al组分的AlGaAs层或AlAs层。

7.根据权利要求4所述的双面散热的高效大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于：当牺牲层（102）通过侧向腐蚀的方式牺牲掉时，将器件浸入到含HF酸的腐蚀液中腐蚀，其腐蚀速度很快，腐蚀液快速从外延片两侧向中间腐蚀牺牲层（102），由此将衬底（8）和器件分离，得到无衬底的器件结构；牺牲层（102）厚度可达5~20μm甚至更厚，视能够将衬底（8）完全分离而定；分离出的衬底（8）经过加工可重复使用。

8.根据权利要求4所述的双面散热的高效大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于：腐蚀衬底（8）及缓冲层的溶液腐蚀到腐蚀停层（101）后腐蚀速度非常慢，腐蚀停层（101）可保护外延层不会被破坏，保证激光器的光电性能，此时采用的腐蚀液为NH4OH：H2O2=1:10（体积比），腐蚀停层（101）在制备下散热电极（91）前利用腐蚀液HCl：H2O=3:1（体积比）腐蚀掉。

9.根据权利要求4所述的双面散热的高效大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于：衬底材料（8）为包括GaAs，InP，GaN在内的III-V族材料或包括Si在内的非III-V族的半导体材料及合金材料。

10.根据权利要求4所述的双面散热的高效大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于：各层外延结构制备可采用MOCVD、MBE、液相外延、气相外延。