CN110808529A

CN110808529A - 一种优化导热的半导体激光器及其制备方法

Info

Publication number: CN110808529A
Application number: CN201810884788.5A
Authority: CN
Inventors: 张新; 张雨; 于军; 朱振; 郑兆河
Original assignee: Weifang Huaguang Photoelectron Co Ltd
Current assignee: Weifang Huaguang Photoelectron Co Ltd
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2020-02-18

Abstract

本发明涉及一种优化导热的半导体激光器及其制备方法。本发明所述优化导热的半导体激光器，采用嵌入型导热结构连接有源区，解决掩埋式量子阱激光器的散热问题；在脊型结构两侧嵌入有源区的导热柱，激光器工作时，有源区产生的热量不断的通过导热柱向电极传输，使有源区温度保持在合理范围之内，避免温度过高导致COD；实现散热功能的同时，不破坏器件有源区及整体结构，提高激光器抗灾变能力，延长激光器寿命。

Description

一种优化导热的半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种优化导热的半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器的技术领域。

背景技术

光电子技术是当代高新科技的重要组成部分，对发展国民经济、国防建设起到举足轻重的作用。半导体激光器的应用覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、效率高、可靠性好、较宽的波长选探性、易于调制和价格低廉等优点，使它已广泛应用于光纤通信、信息存储户、医疗、激光打印、材料加工、光电子集成以及泵浦固体激光器等领域。

对于半导体激光器，影响其温度特性及可靠性的主要因素包括，材料内部缺陷对光子的散射及吸收，有源区温度升高使载流子溢出，最终导致高功率密度下载流子的非辐射复合产生大量热；如果不及时散热，会导致COD现象(灾难性光损伤)，使芯片的温度急剧升高，破坏腔面，输出功率严重下降，波长增加，寿命降低。因此散热能力的好坏对半导体激光器的性能和稳定性尤为重要。

因此，在生产半导体激光器时，一方面要优化管芯封装工艺，使得芯片产生的热量尽快释放，比如倒装封装以及硬焊料烧结都会提高半导体激光器高功率输出时的寿命。另一方面，要改进激光器的结构，优化材料生长工艺，提高半导体激光器的电光转换效率，从而降低注入载流子密度及焦耳热的产生。

专利申请号ZL200610077737.9公开了一种半导体激光器。该激光器通过在沿腔长的激光器主体部分镀覆金属层，将激光器发光端面的及附近的热量传递至热沉，从而改善发光端面部分的散热性。但是该方法未能从热量产生区域解决激光器散热问题，并且激光器镀覆金属层后对整体性能会有有一定影响。

中国专利，公开号CN104538844A公开了一种太赫兹量子级联激光器器件结构及其制作方法，通过在器件侧面淀积导热绝缘层并覆盖金属，提供了器件横向的散热通道。但是此专利中的脊型结构直接延伸至下接触层，有源区暴露在空气中，容易受空气中复杂因素的影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种优化导热的半导体激光器。

本发明还提供一种上述半导体激光器的制备方法。

本发明的技术方案为：

一种优化导热的半导体激光器，包括自下而上依次设置的衬底、下包层、有源区、上包层和接触层；所述接触层的上表面设置有多个脊型结构，相邻脊型结构之间形成沟槽；所述沟槽的底面和两个侧面上设置有介质膜；所述介质膜和接触层的上表面设置有第一金属电极层；所述沟槽的两侧设置有导热柱；所述导热柱从第一金属层依次穿过介质膜、接触层和上包层与有源区的上表面接触。介质膜起到电绝缘作用。

根据本发明优选的，所述衬底的下表面设置有第二金属电极层；所述第二金属电极层为Ge/Ni/Au。

根据本发明优选的，所述衬底为通用的GaAs衬底；所述下包层、有源区和上包层均采用与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP材料；所述接触层为重掺杂Zn的GaAs，掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3；所述介质膜为氧化硅；第一金属电极层为Ti/Pt/Au。

根据本发明优选的，所述上包层与接触层的总厚度为1～4μm。

根据本发明优选的，所述脊型结构的宽度为30～200μm，高度为1～4μm；沟槽的宽度为10～50μm；所述导热柱的高度为1～4um，半径为0.1～0.5um。为激光模式提供实折射率导引，将脊型结构的高度设为1～4μm；为满足高功率输出，设定脊型结构和沟槽的尺寸。另外，通过适当降低脊型结构的高度与宽度，避免因为导热柱的原因产生的折射率损耗，从而降低激光器工作温度，确保有源区温度处于合理区间，提高了抗灾变性能，延长激光器寿命。

根据本发明优选，所述沟槽内设置有多个导热柱。

一种上述半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：

1)在衬底上依次设置下包层、有源区、上包层和接触层；

2)通过湿法腐蚀或者干法刻蚀，在接触层上腐蚀得到间隔分布的沟槽；相邻的沟槽之间形成脊型结构；

3)在沟槽的底面和两个侧面上设置介质膜；

4)在所述沟槽两侧通过湿法腐蚀或者干法刻蚀得到圆柱槽；

5)通过蒸镀工艺将导热介质填入圆柱槽，形成导热柱。导热柱直接与金属电极层形成接触，当激光器工作时将有源区热量传导出来；

根据本发明优选的，所述圆柱槽在沟槽的底部对称分布或错落分布。

根据本发明优选的，所述圆柱槽的深度为1～4um，半径为0.1～0.5um。

根据本发明优选的，所述导热介质为导热金属及非金属材料。

进一步优选的，所述导热介质为陶瓷、云母、石英、金、银或铝。

进一步优选的，当所述导热介质为金属材料时，在导热介质填入圆柱槽前，先在圆柱槽的内侧壁利用蒸镀工艺镀覆一层防导电层。防导电层起到绝缘作用，避免导热柱与激光器形成欧姆接触。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述优化导热的半导体激光器，采用嵌入型导热结构连接有源区，解决掩埋式量子阱激光器的散热问题；在脊型结构两侧嵌入有源区的导热柱，激光器工作时，有源区产生的热量不断的通过导热柱向电极传输，使有源区温度保持在合理范围之内，避免温度过高导致COD；实现散热功能的同时，不破坏器件有源区及整体结构，提高激光器抗灾变能力，延长激光器寿命；

2.本发明所述优化导热的半导体激光器，通过优化脊型结构的脊高度和宽度，实现反射率不变，避免导热柱影响激光器反射率，确保激光器性能不受影响。

附图说明

图1为本发明所述优化导热的半导体激光器的结构示意图；

图2为每个沟槽底部对称设置有三对导热柱的半导体激光器示意图；

图中，1、衬底；2、下包层；3、有源区；4、上包层；5、接触层；6、导热柱；7、介质膜；8、脊型结构；9、沟槽；10、第一金属电极层；11、第二金属电极层。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1-2所示。

一种优化导热的半导体激光器，包括自下而上依次设置的衬底1、下包层2、有源区3、上包层4和接触层5；所述接触层5的上表面设置有三个脊型结构8，相邻脊型结构8之间形成沟槽9；所述沟槽9的底面和两个侧面上设置有介质膜7；所述介质膜7和接触层5的上表面设置有第一金属电极层10；所述沟槽9的两侧设置有导热柱6；所述导热柱6从第一金属层10依次穿过介质膜7、接触层5和上包层4与有源区3的上表面接触。介质膜7起到电绝缘作用。

所述衬底1的下表面设置有第二金属电极层11；所述第二金属电极层11为Ge。

所述衬底1为通用的GaAs衬底；所述下包层2、有源区3和上包层4均采用与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP材料；所述接触层5为重掺杂Zn的GaAs，掺杂浓度为1×10¹⁹；所述介质膜7为氧化硅；第一金属电极层10为Ti。

所述沟槽9内设置有6个导热柱。

实施例2

如实施例1所述的优化导热的半导体激光器，所不同的是，所述接触层5的掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3。

实施例3

如实施例1所述的优化导热的半导体激光器，进一步的，所述上包层与接触层的总厚度为4μm。

实施例4

如实施例1所述的优化导热的半导体激光器，进一步的，所述脊型结构8的宽度为200μm，高度为4μm；沟槽9的宽度为50μm；所述导热柱6的高度为4um，半径为0.5um。为激光模式提供实折射率导引，将脊型结构8的高度设为4μm；为满足高功率输出，设定脊型结构8和沟槽的尺寸。另外，通过适当降低脊型结构8的高度与宽度，避免导热柱6的原因产生的折射率损耗，从而降低激光器工作温度，确保有源区温度处于合理区间，提高了抗灾变性能，延长激光器寿命。

实施例5

一种如实施例4所述半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：

1)在衬底1上依次设置下包层2、有源区3、上包层4和接触层5；

2)通过湿法腐蚀在接触层5上腐蚀得到间隔分布的沟槽9；相邻的沟槽9之间形成脊型结构8；

3)在沟槽9的底面和两个侧面上设置介质膜7；介质膜7通过现行管芯工艺实现；

4)在所述沟槽9两侧通过湿法腐蚀刻蚀得到圆柱槽；

5)通过蒸镀工艺将导热介质填入圆柱槽，形成导热柱6。导热柱6直接与金属电极层形成接触，当激光器工作时将有源区热量传导出来；

所述圆柱槽在沟槽9的底部对称分布。

所述圆柱槽的深度为4um，半径为0.5um。

实施例6

如实施例4所述半导体激光器的制备方法，进一步的，所述导热介质为陶瓷。

实施例7

如实施例6所述半导体激光器的制备方法，所不同的是，所述导热介质为云母。

实施例8

如实施例6所述半导体激光器的制备方法，所不同的是，所述导热介质为金。

实施例9

如实施例8所述半导体激光器的制备方法，进一步的，当所述导热介质为金时，在导热介质填入圆柱槽前，先在圆柱槽的内侧壁利用蒸镀工艺镀覆一层防导电层。防导电层起到绝缘作用，避免导热柱与激光器形成欧姆接触。防导电层的材料为二氧化硅。

Claims

1.一种优化导热的半导体激光器，其特征在于，包括自下而上依次设置的衬底、下包层、有源区、上包层和接触层；所述接触层的上表面设置有多个脊型结构，相邻脊型结构之间形成沟槽；所述沟槽的底面和两个侧面上设置有介质膜；所述介质膜和接触层的上表面设置有第一金属电极层；所述沟槽的两侧设置有导热柱；所述导热柱从第一金属层依次穿过介质膜、接触层和上包层与有源区的上表面接触。

2.根据权利要求1所述的优化导热的半导体激光器，其特征在于，所述衬底的下表面设置有第二金属电极层；所述第二金属电极层为Ge/Ni/Au。

3.根据权利要求1所述的优化导热的半导体激光器，其特征在于，所述衬底为通用的GaAs衬底；所述下包层、有源区和上包层均采用与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP材料；所述接触层为重掺杂Zn的GaAs，掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3；所述介质膜为氧化硅；第一金属电极层为Ti/Pt/Au。

4.根据权利要求1所述的优化导热的半导体激光器，其特征在于，所述上包层与接触层的总厚度为1～4μm。

5.根据权利要求1所述的优化导热的半导体激光器，其特征在于，所述脊型结构的宽度为30～200μm，高度为1～4μm；沟槽的宽度为10～50μm；所述导热柱的高度为1～4um，半径为0.1～0.5um。

6.根据权利要求1所述的优化导热的半导体激光器，其特征在于，所述沟槽内设置有多个导热柱。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)在衬底上依次设置下包层、有源区、上包层和接触层；

3)在沟槽的底面和两个侧面上设置介质膜；

4)在所述沟槽两侧通过湿法腐蚀或者干法刻蚀得到圆柱槽；

5)通过蒸镀工艺将导热介质填入圆柱槽，形成导热柱。

8.根据权利要求7所述半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述圆柱槽在沟槽的底部对称分布或错落分布。

9.根据权利要求7所述半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述圆柱槽的深度为1～4um，半径为0.1～0.5um。

10.根据权利要求7所述半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述导热介质为导热金属及非金属材料；当所述导热介质为金属材料时，在导热介质填入圆柱槽前，先在圆柱槽的内侧壁利用蒸镀工艺镀覆一层防导电层。