CN104362507A - 一种双面散热量子级联激光器器件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双面散热量子级联激光器器件结构，包括：衬底；有源区，其均匀生长在衬底的上表面；上波导，其均匀生长在有源区的上表面；正面金属电极层，其均匀生长在上波导上表面；热沉，其与器件的上波导层通过所述正面金属电极层键合连接；绝缘层，其均匀的覆盖在半导体激光器的脊波导两侧，且脊波导的脊表面开有电注入窗口；背面金属电极层，其均匀生长在绝缘层的外表面，作为激光器的背面电极；电镀金属层，其分布在脊波导的两侧，且与背面金属电极层实现电隔离，作为激光器的正面电极；图形化布线热沉，其通过焊料层分别与背面金属电极层和电镀金属层连接。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种大功率量子级联激光器器件结构及其设计方法，更具体而言，是利用双面散热技术改善大功率量子级联激光器散热的方法。
背景技术
量子级联激光器(QCL)是一种基于电子在多量子阱中共振燧穿及子带跃迁的单极器件，是一种优质的中红外光源，其波长覆盖3～24um。
QCL自从1994年诞生以来，经过20年的发展，通过不断改进有源区的设计及改进器件的封装方式，目前已经实现了单管室温连续5.1W，转化效率21％[Y.Bai，et al，Aplied Physics Letters 98，181102(2011)]，单管脉冲工作120W，转化效率13％[Y.Bai，et al，Aplied Physis Letters 95，221104(2009)]；目前报道的文章中QCL转化效率室温下均低于30％，意味着器件中超过70％的注入功率转化为热量，严重的影响了器件性能的提高，这也成为制约其功率进一步提升的关键因素。世界范围内QCL相关研究组在散热方面的工作，主要集中在单面散热模型的优化上，如器件采用倒装焊结构、热沉使用更高热导率的材料、使用高热导率的半绝缘InP代替SiO2作为绝缘膜。上述方法均从提高器件的侧向与外延面方向散热的角度进行，而忽略了器件衬底方向的散热，从而限制了器件的散热效率的进一步提高。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述一个问题或多个问题，本发明提供一种双面散热量子级联激光器器件结构，可以实现QCL器件的高效率散热，同时利用双面散热技术有利于制作大功率QCL单管器件及大功率QCL阵列器件。
本发明提供了一种双面散热量子级联激光器器件结构，其特征在于，包括：
衬底；
有源区，其均匀生长在衬底的上表面；
上波导，其均匀生长在有源区的上表面；
正面金属电极层，其均匀生长在上波导上表面；
热沉，其与器件的上波导层通过所述正面金属电极层键合连接；
绝缘层，其均匀的覆盖在半导体激光器的脊波导两侧，且脊波导的脊表面开有电注入窗口；
背面金属电极层，其均匀生长在绝缘层的外表面，作为激光器的背面电极；
电镀金属层，其分布在脊波导的两侧，且与背面金属电极层实现电隔离，作为激光器的正面电极；
图形化布线热沉，其通过焊料层分别与背面金属电极层和电镀金属层连接。
本发明提出的上述方案从器件有源区的上表面和下表面两个方向出发，通过热模拟优化了器件结构，提出双面散热的量子级联激光器器件结构。采用双面散热器件构型，能够大大提高散热效率，使器件有源区温度大幅降低，功率热饱和效应延后发生，最终有利于激光器功率的提高。
本发明最重要的是能够将QCL器件的有源区通过一系列的方法制作在其上下的两个热沉之间，从而该器件可以向上、下两个方向的热沉散热，而且通过键合技术与衬底减薄技术使得有源区到两个热沉的散热路径大大缩短，提高散热效率。
本发明结合了倒装焊器件的散热优点，同时又增加了一条衬底方向的散热通道，使得QCL器件散热效率大大提高。
附图说明
图1为本发明中双面散热量子级联激光器器件结构的出光腔面平行方向的截面示意图；
图2为本发明中图形化布线热沉的三维示意图；
图3(a)～(b)为单面散热与双面散热器件构型热学模拟的对比图；其中，图3(a)为单面散热器件构型的热学模拟图；图3(b)为双面散热器件构型的热学模拟图；
图4为本发明中双面散热器件构型中器件最高温度随衬底厚度变化的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1给出了本发明中双面散热量子级联激光器器件结构出光腔面平行方向的截面示意图。如图1所示，其器件包括：
一衬底105；
一有源区104，其均匀生长在衬底105的上表面；
一上波导103，其均匀生长在有源区104的上表面；
一正面金属电极层102，其均匀生长在上波导103上表面；
一热沉101，其与器件的上波导层103通过正面电极层102进行金属键合结合在一起；
一绝缘层106，其均匀的覆盖在由上波导103、有源区104和衬底105组成的脊波导的上面和侧面，且在脊波导的脊表面的绝缘层106上通过腐蚀的方法开出电注入窗口112；
一背面金属电极层107，其均匀生长在绝缘层106的上表面，作为激光器的背面电极；
一电镀金属层108，其与正面电极层102的下表面连接，且分布在脊波导的两侧，且与背面金属电极层107实现电隔离，作为激光器的正面电极；
一图形化布线热沉111，其通过焊料层109分别与图形化的背面金属电极层107和电镀金属层108结合在一起。
图2为本发明中图形化布线热沉的三维示意图。如图2所示，其图形化布线热沉包括：
热沉材料111，可以是热导率比较高但又绝缘的SiC、AlN或金刚石片。
金属化层110，厚度为150nm。该金属化层110包括三个矩形区域和其各自端部的正方形的焊线区，其中中间矩形区域的宽度介于电注入窗口112的宽度与背面金属电极层107的宽度之间，两侧的矩形区域与激光器电镀金属层108的宽度一致，三个矩形区域之间依次隔离，隔离沟宽50um。三个矩形区域的长度为4～5mm，其后端的正方向焊线区边长为200×200um，焊线区已经使用线框标注出来。
焊料层109，通过电镀的方法在金属化层110的上表面电镀形成与110相同形状的焊料层109，电镀时将正方形焊线区保护起来，不进行电镀，而金属化110的其他部分进行电镀焊料层109。
最终如图1所示，将背面电极金属层107的中心与图形化布线热沉中间的矩形焊料层109的中心进行对准，器件脊波导两侧的电镀金层108与图形化布线热沉上两侧的矩形焊料层109进行对准。然后焊接在一起，双面散热量子级联激光器器件结构制作成功。
下面根据具体参数描述其中一个实施例的具体情况，有助于更加一步理解本发明的应用方法与优势所在。
一衬底105，材料为InP材料，掺杂浓度为3×1017cm-3，其厚度为10um以下，优选为5～10um的范围内；
一有源区104，其材料由InGaAs/InAlAs交替生长而成，总厚度在1.5～2.1um，其均匀生长在衬底105的上表面；
一上波导103，材料为InP，包括两部分，其一为低掺的InP，掺杂浓度为3～4×1016cm-3，厚度为1.4～3um；其二为高掺的InP材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3，最好大于5×1018cm-3，厚度200～400nm，高掺层与低掺层依次均匀的生长在有源区104的上表面；
一正面金属电极层102，其材料为Ti/Au＝40/250nm组成，其依次均匀生长在上波导103上表面，作为正面电极层与欧姆接触层，与上波导中的高掺杂部分形成欧姆接触；
一热沉101，使用SiC、AlN或金刚石等高导热系数的晶片作为基体，上、下两个表面均通过电子束蒸发一层100nm后的Au，其与器件的上波导层103通过正面电极层102进行金属键合结合在一起，其厚度为300～500um；
一绝缘层106，为SiO2薄膜，厚度为450nm，其均匀的覆盖在半导体激光器的脊波导上，且脊波导的上表面绝缘层通过腐蚀的方法开出窗口112，窗口宽度为～5um；
一背面金属电极层107，其为Ge/Au/Ni/Au，厚度为400nm，其均匀生长在绝缘层106的上表面，作为激光器的背面电极，与衬底形成欧姆接触；
一电镀金属层108，通过电镀Au形成，其高度与激光器脊的高度等同，且分布在脊波导的两侧，与背面金属电极层107实现电隔离，作为激光器的正面电极；
一图形化布线热沉111，其材料使用SiC、AlN或金刚石等高热导率的晶片，其厚度为300～500um，且其中所述热沉上的图案与半导体激光器器件的正面电极与背面电极相匹配；通过焊料层109分别与背面金属电极层107和电镀金属层108结合在一起。
双面散热量子级联激光器具有更加优异的散热性能，通过以下两种器件构型的热学模拟可以说明双面散热器件比单面散热具有更大的优势。
图3(a)～(b)为单面散热与双面散热两种器件构型散热模拟图，其中图3(a)为单面散热器件构型的散热模拟图3(b)为双面散热器件构型的散热模拟图。模拟所使用的参数如下：脊宽14um，注入功率12W，热沉温度300℃，如图所示，首先，单面散热器件结构的有源区最高温度比双面散热器件结构具有更高的温度，说明双面散热效果更好。其次，双面散热器件侧向散热比例比单面散热器件的侧向散热比例增加了65％左右，提高了器件横向散热的比重，使器件四个方向的散热更加均匀。
图4给出了双面散热构型中，有源区最高温度随衬底厚度的变化，如图所示，在同一电注入功率下，衬底厚度越薄，有源区热量散失到图形化热沉的路径就越短，相应的有源区温度将越低，综合考虑器件工艺难度与散热效果，我们选择将衬底减薄至5～10um。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双面散热量子级联激光器器件结构，其特征在于，包括：
衬底；
有源区，其均匀生长在衬底的上表面；
上波导，其均匀生长在有源区的上表面；
正面金属电极层，其均匀生长在上波导上表面；
热沉，其与器件的上波导层通过所述正面金属电极层键合连接；
绝缘层，其均匀的覆盖在半导体激光器的脊波导两侧，且脊波导的脊表面开有电注入窗口；
背面金属电极层，其均匀生长在绝缘层的外表面，作为激光器的背面电极；
电镀金属层，其分布在脊波导的两侧，且与背面金属电极层实现电隔离，作为激光器的正面电极；
图形化布线热沉，其通过焊料层分别与背面金属电极层和电镀金属层连接。
2.如权利要求1所述的结构，其中，所述脊波导依次包括上波导、有源区和衬底，且脊表面为衬底下表面。
3.如权利要求1所述的结构，其中，所述图形化布线热沉包括：
热沉材料层；
金属化层，其分布在热沉材料层表面，其端部具有焊线区；
焊料层，其分布在金属化层除焊线区之外的区域。
4.如权利要求3所述的结构，其中，所述金属化层分三个区域，该三个区域上分别通过焊料层与背面金属电极层和电镀金属层连接。
5.如权利要求1所述的结构，其中，所述的衬底材料为InP材料，掺杂浓度为3×1017cm-3，其厚度为10um以下。
6.如权利要求1所述的结构，其中，所述上波导的材料由低掺层和高掺层构成，高掺层掺杂浓度大于1×1018cm-3。
7.如权利要求6所述的结构，其中所述正面金属电极层的材料使用Ti/Au，其与上波导中的高掺部分形成欧姆接触。
8.如权利要求1所述的结构，其中，所述背面金属电极层使用Ge/Au/Ni/Au结构，其与衬底形成欧姆接触。
9.如权利要求1所述的结构，其中，所述热沉使用SiC、AlN或金刚石，其厚度为300～500um。
10.如权利要求1所述的结构，其中，所述图形化布线热沉的材料为SiC、AlN或金刚石，其厚度为300～500um。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |