CN106684700A - 一种半导体激光器热沉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器热沉。该半导体激光器热沉具有优良的散热性能，不易被氧化，具有使用寿命长和散热稳定的特性，该热沉通过采用化学气相沉积(CVD)方法在铜热沉表面制备高热导率、低热膨胀系数的石墨烯薄膜层将铜热沉包覆实现。本发明公开的这种半导体激光器热沉利用石墨烯材料的性能稳定和高效导热性能，实现将半导体激光器芯片产生的热量向铜热沉的高效快速传输，铜热沉将由石墨烯薄膜层传输过来的热量散失在空气或其他冷却媒介中。本发明公开的这种半导体激光器热沉制备工艺简单、成本低、散热性能稳定、使用寿命长，可有效解决半导体激光器散热问题并提高半导体激光器器件性能。

Description

一种半导体激光器热沉

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种半导体激光器热沉，该半导体激光器热沉利用石墨烯材料的稳定性和高效导热特性，结合传统铜(Cu)热沉构成性能稳定高效导热的石墨烯-Cu热沉。

背景技术

高亮度大功率半导体激光器是固体激光器和光纤激光器的理想泵浦源，广泛应用于材料加工、自由空间通讯、医疗等领域。随着高功率半导体激光器的广泛应用，可靠性成为限制其应用的重要影响因素。在半导体激光器中，随着输出功率的提高，对激光器散热能力的要求也越来越高，温度升高时器件会出现模式竞争，同时，光谱的谱宽变大，因此，散热成为影响器件寿命和可靠性的重要指标，关系到激光器器件性能的好坏和成败。如果激光器散热不及时，势必造成结温升高，从而使激光器的阈值电流密度升高，电光转换效率降低，激光器波长发生严重温漂，严重影响器件的寿命和可靠性。对于使用半导体激光器作为光源的光纤通信领域，以及对于密集波分复用系统(DWDM)，由于通道间的波长间隔已经很小，保持波长的稳定就变得非常重要。如果不对激光器管芯的温度加以控制，微小的温度变化将导致整个系统的不可用。另外，半导体激光器是对温度敏感的器件，其阈值电流、输出波长以及输出功率的稳定性都对温度非常敏感，其工作寿命也与其工作温度密切相关。实验表明，温度每升高30℃激光器的寿命会降低一个数量级。因此如何及时消除因耗散功率所转化的热量是实现高效、高可靠性和高稳定性半导体激光器器件的关键。

目前，国内外主要采用无源热沉和有源热沉来实现对半导体激光器的散热。无源热沉的散热能力有限，一般适用于低功率连续或超短脉冲大功率半导体激光器阵列的散热，对于大功率连续、准连续半导体激光器阵列，其输出功率高，需采用高效液体冷却器进行散热，即有源热沉。常用的方法主要有：平板热沉散热、大通道散热、针孔通道散热和微通道散热。半导体激光器热沉材料的线性热膨胀系数与半导体芯片材料线性热膨胀系数匹配性要好，如果不能及时将半导体激光器工作时产生的热量带走，就会使得整个激光器温度升高，膨胀系数不同，受热形变量不同，在外延材料与热沉材料之间产生应力出现smile效应，从而拉伤激光器芯片，劣化激光器的光电特性；如果应力过大，甚至会使激光器芯片断裂，造成激光器突然失效。目前，无源热沉和有源热沉通常用金属铜作为热沉材料，铜材料与半导体激光器芯片材料的热膨胀系数相差很大，当芯片工作时，温度发生剧烈变化导致芯片局部产生强烈的热应力，这将大大降低半导体激光阵列芯片的寿命，另外还会造成半导体激光阵列各个发光单元输出光束指向性发生不规则变化，从而降低半导体激光阵列输出激光的光束质量。微通道热沉散热能力较好，但其内部通道结构复杂，通道宽度约0.2mm左右，通常采用多层刻槽无氧铜板经钎焊或热扩散焊接而成，成品率低，价格昂贵，且铜材料的通道易被水腐蚀，铜材料在高温时易被氧化，造成其寿命短。因此，寻找一种制备工艺简单、散热能力好、高温下不易被氧化的半导体激光器热沉具有重要意义。

石墨烯是一种新型的单原子层厚度的二维平面碳纳米材料，它由sp²杂化碳原子连接而成，其特殊的结构赋予了石墨烯独特的物理和化学特性。石墨烯具有独特的零带隙能带结构，室温下电子的超高迁移率(高于15000cm²·V^-1·s^-1)，近弹道输运的电子性质，低于铜和银的电阻率(10^-6Ω·cm)，高导热性(热导率可达5000W·m^-1K^-1是金刚石的三倍，纯铜的热导率为398W·m^-1·K^-1)，低的热膨胀系数(石墨烯为-4.8×10^-6K^-1，铜为17.5×10^-6K^-1)，此外石墨烯还具有性能稳定不易被氧化等特点。同时，氧化石墨烯、多层石墨烯以及其它石墨烯衍生物具有制备工艺相对简单、产量高、可分散性好等优点，大大拓宽了石墨烯的应用范围。结合石墨烯低的热膨胀系数和高达5000Wm^-1K^-1的热导率(高于碳纳米管和金属)以及石墨烯性能稳定不易被氧化的特性，将其应用于半导体激光器热沉，对改善器件散热能力、提高器件性能具有重要的应用前景。

发明内容

本发明提出一种半导体激光器热沉，通过利用石墨烯材料的高效导热性能和不易被氧化的特点，实现半导体激光器芯片产生热量向热沉的高效传输，同时保护铜热沉不被氧化，从而避免了由于高温造成的半导体激光器性能的恶化，实现提高器件输出性能的稳定性和器件的寿命。

本发明提出一种半导体激光器热沉，该半导体激光器热沉包括石墨烯薄膜层和散热效率较好的铜热沉，石墨烯薄膜层和铜热沉共同构成本发明提出的半导体激光器热沉，其中石墨烯薄膜层制备在铜热沉表面将铜热沉包覆，用于将激光器芯片产生的热量快速向铜热沉传输并将铜热沉与空气隔绝保护铜热沉不被氧化，铜热沉用于将石墨烯薄膜层传导的热量散失到空气或其他冷却媒介中。

本发明提出一种半导体激光器热沉，该半导体激光器热沉的制备方法包括以下步骤：1、利用机械加工方法，如线切割、激光切割等方法制备出铜热沉；2、对铜热沉各层表面进行物理抛光、化学抛光、清洗，并在氮气保护下快速吹干；3、采用化学气相沉积(CVD)方法在铜热沉表面制备石墨烯薄膜层将铜热沉包覆。利用CVD制备石墨烯主要有升温、退火、生长和降温四个阶段，在升温过程中可以去除CVD系统中残余的氧气，并对铜热沉表面的氧化物进行彻底的还原。当温度从室温升到900～950℃时，将温度保持进行一段时间的退火，促进石墨烯的生长。进入生长阶段，甲烷或乙炔等碳源裂解出的碳原子沉积到铜热沉表面并有一部分溶入到铜热沉表面内部。停止生长后进入降温阶段将样品取出降至室温，此时由于快速冷却，渗入到铜热沉表面内部中的碳原子析出形成石墨烯；4、用焊料将激光器芯片焊接在铜热沉表面的石墨烯薄膜层的上面；5、进行其他工艺制备，完成激光器器件制备。

本发明通过在铜热沉上制备石墨烯薄膜层，使铜热沉被石墨烯薄膜层包覆，利用石墨烯热导率高、热膨胀系数小、性能稳定不易被氧化等优点实现对半导体激光器芯片产生热量的高效传输，可以快速地将激光器芯片产生的热量传输至铜热沉，并避免了由于铜热沉热膨胀系数大当温度升高时对半导体激光器芯片带来的损伤，同时可以将铜热沉与空气隔绝，对铜热沉形成保护，避免铜热沉与空气或其他冷却媒介的接触而造成的氧化，铜热沉实现将石墨烯薄膜层传输过来的热量快速散失，实现半导体激光器高效散热的目的。本发明提出的这种半导体激光器热沉制备方法简单、成本低廉，可以实现有效散热，提高半导体激光器输出性能的稳定性和器件的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种半导体激光器热沉结构示意图。

图2为本发明一种半导体激光器热沉制备流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提出的一种半导体激光器热沉，该半导体激光器热沉包括石墨烯薄膜层、铜热沉，所述石墨烯薄膜层是采用CVD方法用甲烷或乙炔作为碳源制备得到，该石墨烯薄膜层制备在铜热沉表面将铜热沉包覆，用于将半导体激光器芯片产生的热量快速传输到铜热沉，并将铜热沉与空气隔绝避免被氧化，所述铜热沉采用机械加工方式制备得到，并且经过物理及化学抛光并进行清洗，铜热沉用于将石墨烯传输过来的热量散失到空气或其他媒介中。下面结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示为本发明实施例所得到的半导体激光器热沉结构示意图，包括石墨烯薄膜层1、铜热沉2。图2所示，为该半导体激光器热沉制备工艺流程，首先制备铜热沉并对铜热沉进行表面处理，然后采用CVD方法在铜热沉表面制备石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层制备完成后获得本发明所提出的一种半导体激光器热沉，采用焊料3将半导体激光器芯片4焊接在本发明所提出的热沉的石墨烯薄膜层表面，得到散热性能良好的激光器器件。在本实施例中石墨烯薄膜层制备在铜热沉表面，将铜热沉包覆，利用石墨烯高热导率、低热膨胀系数实现对半导体激光器芯片所产生的热量快速高效散失，并且避免了铜热沉热膨胀系数高，由于温度升高对半导体激光器芯片造成损伤，石墨烯薄膜层包覆铜热沉避免了铜热沉与空气接触而被氧化，进一步提高器件稳定性和输出性能。

实现本实施例中一种半导体激光器热沉的具体实施步骤如下：

步骤一：采用超精密机加工技术进行铜热沉的制备，首先制备得到特定尺寸的矩形铜热沉，然后采用线切割、激光切割等方法进行精细加工，获得用于散热的铜热沉。

步骤二：对制备得到的铜热沉进行表面抛光、清洗等工艺。首先对超精密机械加工技术制备得到的铜热沉进行机械抛光、研磨；然后，对铜热沉进行化学清洗，依次用丙酮、乙醇-超声、去离子水清洗铜热沉5min-10min，去除铜热沉表面的油污等，接着，将铜热沉浸入体积比为1:3稀释的稀硝酸中3min-5min，去除铜热沉表面的氧化物，用去离子水对酸化处理的铜热沉反复冲洗，直至铜热沉表面的铜离子被清洗干净；最后，用高纯氮气将处理后的铜热沉吹干。

步骤三：采用CVD方法，甲烷气体作为碳源，在处理后的铜热沉表面进行石墨烯薄膜层的生长。将铜热沉装载入CVD仪器石英管中，打开机械泵使得腔体的压强达到50mTorr；给腔体充气，氢气(H₂)为60sccm，输运气体氩气(Ar)为150sccm，整个腔体的压强保持在30Torr；设定程序并启动，升温速率控制在20℃/min，将温度从室温升至600℃，然后将铜热沉推送至目标生长区域，并给铜热沉迅速加热至880℃-900℃；在880℃-900℃条件下维持氢气为70sccm，氩气为200sccm气氛环境，使得铜热沉退火20min-30min，促使铜晶粒长大，同时还原铜金属表面，增加铜表面的催化活性；通入碳源CH₄，流量为35sccm，生长压强为500mTorr，进行石墨烯薄膜层的生长，生长时间5min-10min；维持氢气为70sccm，氩气为200sccm气氛环境，使铜热沉缓慢降温至室温，完成在铜热沉上进行石墨烯薄膜层的生长。

步骤四：将制备的石墨烯-Cu热沉取出，对生长的石墨烯薄膜层表面形貌及质量进行检测，生长质量满足要求后可以进行激光器芯片与石墨烯-Cu热沉的耦合工艺。

步骤五：用焊料将激光器芯片P面电极与石墨烯-Cu热沉无缝焊接，烧焊方法为氮气保护烧焊，温度为190℃，烧焊时焊料厚度约3μm。

通过以上步骤实现本申请所要求保护的一种半导体激光器石墨烯-Cu热沉，该半导体激光器热沉制备工艺简单、成本低、散热性能好、热沉使用寿命长，可应用于半导体激光器器件制备领域，该半导体激光器热沉利用了石墨烯材料的热导率高、热膨胀系数小、性能稳定不易被氧化等优点实现对半导体激光器芯片产生热量的高效传输，降低了由于温度升高铜热沉热膨胀系数大对半导体激光器芯片带来的损伤，从而避免了高温造成的半导体激光器性能的恶化，同时石墨烯薄膜层对铜热沉形成保护，避免铜热沉被氧化，提高铜热沉的寿命和性能的稳定性，最终实现器件输出性能的稳定性和器件的寿命的提高。

Claims (6)

1.一种半导体激光器热沉，该热沉包括石墨烯薄膜层、铜热沉，所述石墨烯薄膜层制备在铜热沉表面上将铜热沉包覆，其特征在于，本发明公开的这种半导体激光器热沉采用石墨烯薄膜层将铜热沉包覆，利用石墨烯性能稳定的特性实现铜热沉与空气隔绝，避免铜热沉被氧化，提升铜热沉的使用寿命和散热的稳定性，同时利用石墨烯热导率高、热膨胀系数小等优点，实现将半导体激光器芯片产生的热量高效传输到铜热沉，铜热沉将石墨烯薄膜层传输过来的热量散失到空气或其他冷却媒介中，这种利用石墨烯薄膜层将铜热沉包覆构成的石墨烯-Cu热沉具有良好的散热性能，并且可以保护铜热沉不被氧化，从而有效提高半导体激光器输出性能的稳定性和器件的使用寿命。

2.如权利要求1所述的半导体激光器热沉，所述石墨烯薄膜层可以是单层石墨烯、氧化石墨烯、多层石墨烯等材料，石墨烯薄膜层制备在铜热沉表面将铜热沉包覆，保护铜热沉不被氧化以及将激光器芯片产生的热量快速传输到铜热沉，该石墨烯薄膜层采用化学气相沉积方法制备在铜热沉表面。

3.如权利要求1所述的半导体激光器热沉，所述石墨烯薄膜层在进行生长之前，铜热沉在880℃-900℃下氢气70sccm，氩气200sccm气氛环境中退火20min-30min，然后以CH₄为碳源，流量35sccm，生长压强为500mTorr，进行石墨烯薄膜层的生长，生长时间5min-10min。

4.如权利要求1所述的半导体激光器热沉，所述铜热沉上表面的石墨烯薄膜层面积远大于半导体激光器芯片与石墨烯薄膜层接触的面积，尺寸较大的铜热沉可以实现热量的快速散失。

5.如权利要求1所述的半导体激光器热沉，所述铜热沉被石墨烯薄膜层包覆，避免被氧化，具有使用寿命长和较好的散热稳定性，该铜热沉可以根据实际散热需要确定合理的尺寸。

6.如权利要求1所述的半导体激光器热沉，所述铜热沉采用超精密机械加工技术制备得到，之后对制备得到的铜热沉进行机械抛光、研磨，化学清洗包括丙酮、乙醇-超声、去离子水清洗铜热沉5min-10min，体积比1:3稀释的稀硝酸中进行3min-5min酸化处理去除铜热沉表面氧化物并用去离子水清洗，最后用高纯氮气将铜热沉吹干。