CN111370992B - 一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器及其制造方法，是在现有半导体激光器芯片制造技术的基础上，将半导体激光器芯片、半导体热电制冷器、负温度系数的热敏电阻有机地集成在一体。包括：半导体衬底、第一层二氧化硅层、n型缓冲层、n+欧母接触层、n电极、n型帽层、p型帽层、P电极、p+欧母接触层、集成TEC热电致冷器、半导体激光器有源区、第二层二氧化硅层、第三层二氧化硅层、NTC薄膜电阻、NTC薄膜电阻金属电极、热电致冷器球型电极。达到温度精确控制、高可靠的目的，以解决半导体激光器光电性能参数的精准控制。广泛应用于环境探测、通讯、航天、航空、船舶、精密仪器、野外作业、工业控制等领域，具有广阔的市场前景。

Description

一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉半导体激光器件，具体来说，涉及具有恒温控制功能的功率半导体激光器及其制造方法。
背景技术
原有半导体激光器件是将分离的半导体激光器芯片(LD)、半导体热电制冷器(TEC)、负温度系数的热敏电阻(NTC)、陶瓷基片载体等采用装贴、键合等传统组装技术，在洁净环境中密封在外壳中，如图1所示。原有技术由于采用分立式组装技术，体积大、组装程序复杂、成品率低、工艺质量一致性很难保证，另一方面，由于采用分立式组装技术，热量传导路径相应过长，造成热信号反馈速度的大大延长，从而影响温度控制的精度范围，进一步影响半导体激光器在高精度、高稳定性使用的场合，或者增大应用系统的设计难度、复杂程度和使用成本。
为此，本发明拟采用一体化集成技术，在原有半导体激光器芯片(LD)的结构基础上，将半导体激光器芯片(LD)、半导体热电制冷器(TEC)、负温度系数的热敏电阻(NTC)有机地集成在一体，解决上述问题。
经检索，在中国专利数据库中涉及温控半导体激光器的专利有《半导体激光器温控装置、温控系统及其控制方法》公开(公告)号为CN 110707525 A，《一种半导体激光器的温控方法、结构以及固体激光器》公开(公告)号为CN 110600989 A，《一种半导体激光器及其制备方法》公开(公告)号为CN110890691A，《一种带有自动温控的恒流源式半导体激光器驱动电路》公开(公告)号为CN 110086084 A，《一种宽温度工作DFB半导体激光器的制备方法》公开(公告)号为CN 110752508 A。然而迄今为止，尚无采用本实用所述的技术方案的相关申请件。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，将半导体激光器芯片(LD)、半导体热电制冷器(TEC)、负温度系数的热敏电阻(NTC)有机地集成在一体，以外解决采用分立式组装技术造成的体积大、工艺质量一致性差、温度控制不灵敏，以致半导体激光器光电性能参数不能精准控制方面的问题。
采取的技术方案是：在原有半导体激光器芯片(LD)的结构基础上，采用一体化集成技术，原有半导体激光器芯片(LD)的背面进行半导体热电制冷器(TEC)的集成，同时在原有半导体激光器芯片(LD)的其中一个电极层上集成负温度系数的热敏电阻(NTC)。一体化集成结构示意图如图2、图3所示，具体结构描述如下：
本发明所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，包括：半导体衬底6、第一层二氧化硅层7、n型缓冲层8、n+欧母接触层9、n电极10、n型帽层11、p型帽层12、P电极13、p+欧母接触层14、集成TEC200、半导体激光器有源区300、第二层二氧化硅层16、第二层二氧化硅层15、NTC薄膜电阻3、NTC薄膜电阻金属电极4。
所述集成TEC200包括：集成TEC p型半导体201、集成TEC n型半导体202、集成TEC第一层难熔电极203、集成TEC球型负电极204、集成TEC球型正电极205、集成TEC第二层难熔电极207、集成TEC第一层绝缘介质隔离层206、集成TEC第二层绝缘介质隔离层208。
所述半导体激光器有源区300包括：n型下包层301，n型下限制层302，有源层303，p型下限制层304，p型上包层305。
所述半导体衬底6的下层为所述第一层二氧化硅层7，所述半导体衬底6的上层为所述n型缓冲层8，所述n型缓冲层8的上层为所述n+欧母接触层9，所述n+欧母接触层9的上层为所述n型帽层11、所述n电极10、所述第二层二氧化硅层16，所述n型帽层11的上层为所述半导体激光器有源区300，所述半导体激光器有源区300的上层为所述p型帽层12，所述p型帽层12的上层为所述p+欧母接触层14，所述p+欧母接触层14的上层为所述P电极13,所述P电极13的上层大半面积为所述第三层二氧化硅层15，所述第三层二氧化硅层15的上层为所述NTC薄膜电阻3，所述NTC薄膜电阻3两端的上层为所述NTC薄膜电阻金属电极4。
所述n型下包层301的上层为所述n型下限制层302，所述n型下限制层302的上层为所述有源层303，所述有源层303的上层为所述p型下限制层304，所述p型下限制层304的上层为所述p型上包层305。
所述第一层二氧化硅层7的下层为所述集成TEC第一层难熔电极203、所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层206，所述集成TEC第一层难熔电极203的下层为所述集成TEC p型半导体201、所述集成TEC n型半导体202，所述集成TEC p型半导体201与所述集成TEC n型半导体202之间被所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层206隔离，所述集成TEC第二层难熔电极207上层为所述TEC p型半导体201、所述TEC n型半导体202、所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层206，所述集成TEC第二层难熔电极207的下层为所述集成TEC球型负电极204、所述集成TEC球型正电极205、所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层208。
本发明所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器的制造方法，是在现有半导体激光器芯片制造技术的基础上，将半导体激光器芯片、半导体热电制冷器、负温度系数的热敏电阻有机地集成在一体，工艺流程如图30所示。主要方法步骤如下：
S1,准备半导体衬底6。如图4所示。
S2,溅射第一层二氧化硅层7、集成TEC第一层难熔电极203。如图5所示。
S3,光刻集成TEC第一层难熔电极203。如图6所示。
S4,溅射集成TEC p型半导体201。如图7所示。
S5,光刻集成TEC p型半导体201。如图8所示。
S6,溅射集成TEC第一层绝缘介质隔离层206，并进行CMP抛光(化学机械抛光，简称CMP,下同)。如图9所示。
S7,光刻第一层绝缘介质隔离层206。如图10所示。
S8,溅射集成TEC n半导体202，并进行CMP抛光。如图11所示。
S9,溅射集成TEC第二层难熔电极207。如图12所示。
S10,光刻集成TEC第二层难熔电极207。如图13所示。
S11,溅射集成TEC第二层绝缘介质隔离层208。如图14所示。
S12,光刻集成TEC第二层绝缘介质隔离层208。如图15所示。
S13,MOCVD外延生长n型缓冲层8(金属有机化学气相沉积，简称MOCVD，下同)。如图16所示。
S14,MOCVD外延生长n+欧母接触层9。如图17所示。
S15,溅射第二层二氧化硅层16。如图18所示。
S16,光刻第二层二氧化硅层16。如图19所示。
S17,溅射、光刻n电极10。如图20所示。
S18,MOCVD外延生长n型帽层11。如图21所示。
S19,MOCVD外延生长半导体激光器有源区300。如图22所示。
S20,MOCVD外延生长p型帽层12。如图23所示。
S21,MOCVD外延生长p+欧母接触层14。如图24所示。
S22,溅射p电极13。如图25所示。
S23,溅射第三层二氧化硅层15，NTC薄膜电阻3，NTC薄膜电阻金属电极4。如图26所示。
S24,光刻NTC薄膜电阻金属电极4。如图27所示。
S25,光刻NTC薄膜电阻3、第三层二氧化硅层15。如图28所示。
S26,溅射、光刻集成TEC引脚金属层，并进行高温回流形成集成TEC球型负电极204、集成TEC球型正电极205。如图29所示。
本发明由于采用了一体化集成技术，半导体激光器芯片(LD)、半导体热电制冷器(TEC)、负温度系数的热敏电阻(NTC)之间实现无间隙接触，且属原子间接触，可最大程度、最快地将半导体激光器芯片(LD)的热量传导给热敏电阻，经信号处理后，迅速将信号传送到半导体热电制冷器(TEC)，以控制半导体热电致冷单元的电流方向，控制升温或降温频率，从而达到温度精确控制，以解决半导体激光器光电性能参数的精准控制。
本发明的优点是：①采用半导体激光器芯片(LD)、半导体热电制冷器(TEC)、负温度系数的热敏电阻(NTC)一体化集成方法，实现了薄膜热敏电阻与半导体激光器芯片(LD)的无间隙接触，且属原子间接触，可最大程度、最快地将半导体激光器芯片(LD)的热量传导给热敏电阻，以快速控制半导体热电制冷器(TEC)，达到高灵敏温度控制的目的；②当温控器件外界工作环境温度发生变化时，其内部芯片工作环境温度的变化范围可控制在设定温度的±1.5℃以内，从而降低半导体激光器芯片(LD)相关性能参数指标的温度漂移范围；③实现了原子间的直接接触，大大减小热传导阻抗，加快散热速度，因而，能提升器件的长期可靠性；④节省外贴半导体激光器芯片(LD)、半导体热电制冷器(TEC)、负温度系数的热敏电阻(NTC)的组装空间，大比缩小器件封装体积，由插件式封装缩小为表贴式封装，大大提高封装的可靠性；⑤半导体热电制冷器(TEC)、负温度系数的热敏电阻(NTC)的形状及大小可随半导体激光器芯片(LD)的形状及大小自行设定，大大提升客户化定制能力；(6)集成TEC热电制冷器的p型半导体与所述n型半导体之间完全由散热优良的绝缘介质无缝填充隔离，散热速度远远高于分离TEC热电制冷器，进一步提高产品的可靠性。
采用本发明生产的器件广泛应用于环境气氛探测、通讯、航天、航空、船舶、精密仪器、地质勘探、石油勘探、其他野外作业、工业控制等要求在外界环境温度变化时，装备必需具有高精度、高稳定性使用的场合，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为现有半导体激光器件组装结构示意图。
图1中：1为半导体激光器芯片，2为半导体激光器芯片背面电极，3为NTC薄膜电阻，4为NTC薄膜电阻金属电极，5为陶瓷基片，100为分立TEC热电致冷器,101为分立TEC p型半导体，102为分立TEC n型半导体，103为分立TEC p型半导体与n型半导体互连导体，104为分立TEC负电极引线，105为分立TEC正电极引线，106为分立TEC底面陶瓷基片，107为分立TEC底面金属粘焊层，108为分立TEC顶面陶瓷基片，109为分立TEC顶面金属粘焊层。
图2为本发明所述一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器结构示意图。
图2中：3为NTC薄膜电阻，4为NTC薄膜电阻金属电极，6为半导体衬底，7为第一层二氧化硅层，8为n型缓冲层，9为n+欧母接触层，10为n电极，11为n型帽层，12为p型帽层，13为P电极，14为p+欧母接触层，15为第三层二氧化硅层，16为第二层二氧化硅层，200为集成TEC热电致冷器,201为集成TEC p型半导体，202为集成TEC n半导体，203为集成TEC第一层难熔电极，207为集成TEC第二层难熔电极，204为集成TEC球型负电极，205为集成TEC球型正电极，206为集成TEC第一层绝缘介质隔离层，208为集成TEC第二层绝缘介质隔离层，300为半导体激光器有源区。
图3为图2所述300半导体激光器件有源区的结构示意图。
图3中300为有源区，301为n型下包层，302为n型下限制层，303为有源层，304为p型下限制层，305为p型上包层。
图4为半导体衬底6示意图。
图5为第一层二氧化硅层7、集成TEC第一层难熔电极203的图层溅射示意图。
图6为集成TEC第一层难熔电极203的光刻示意图。
图7为集成TEC p型半导体201的溅射示意图。
图8为集成TEC p型半导体201的光刻示意图。
图9为集成TEC第一层绝缘介质隔离层206溅射并进行CMP抛光示意图。
图10为第一层绝缘介质隔离层206光刻示意图。
图11为集成TEC n型半导体202溅射并进行CMP抛光示意图。
图12为集成TEC第二层难熔电极207溅射示意图。
图13为集成TEC第二层难熔电极207光刻示意图。
图14为集成TEC第二层绝缘介质隔离层208溅射示意图。
图15为集成TEC第二层绝缘介质隔离层208光刻示意图。
图16为MOCVD外延生长n型缓冲层8示意图。
图17为MOCVD外延生长n+欧母接触层9示意图。
图18为第二层二氧化硅层16溅射示意图。
图19为第二层二氧化硅层16光刻示意图。
图20为n电极10溅射、光刻示意图。
图21为MOCVD外延生长n型帽层11示意图。
图22为MOCVD外延生长半导体激光器有源区300示意图。
图23为MOCVD外延生长p型帽层12示意图。
图24为MOCVD外延生长p+欧母接触层14示意图。
图25为p电极13溅射示意图。
图26为第三层二氧化硅层15、NTC薄膜电阻3、NTC薄膜电阻金属电极4溅射示意图。
图27为NTC薄膜电阻金属电极4光刻示意图。
图28为NTC薄膜电阻3、第三层二氧化硅层15光刻示意图。
图29为集成TEC引脚金属层溅射、光刻，并进行高温回流形成集成TEC球型负电极204、集成TEC球型正电极205示意图。
图30为本发明所述制造方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
实施例：
1、所述集成TEC p型半导体201采用p型碲化铋半导体材料。
2、所述p型碲化铋半导体材料为Bi2Te3-Sb2Te3。
3、所述集成TEC p型半导体201厚度为0.2mm-0.6mm。
4、所述集成TEC n型半导体202采用n型碲化铋半导体材料。
5、所述n型碲化铋半导体材料为Bi2Te3-Bi2Se3。
6、所述集成TEC n型半导体202的厚度为0.2mm-0.6mm。
7、所述集成TEC第一层难熔电极203及所述集成TEC第二层难熔电极207的材料为铬、钛、钨或金。
8、所述半导体衬底6的材料为硅，所述n型缓冲层8的材料为氮化镓。
9、所述半导体衬底6的材料为磷化铟。
采用上述方案一体化集成的具有恒温控制功能的功率半导体激光器，冷端与热端的温差ΔT在常温下能达到70℃以上，在-65℃～125℃的工作环境中，温度控制精度及稳定度明显优于分离TEC器件的温度控制效果。
以上所述的仅是本发明的具体实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的发明构思之内，所做的任何显而易见的修改、等同替换、改进等，均属于在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，包括：半导体硅衬底（6）、第一层二氧化硅层（7）、n型缓冲层（8）、n+欧母接触层（9）、n电极（10）、n型帽层（11）、p型帽层（12）、P电极（13）、p+欧母接触层（14）、集成TEC（200）、半导体激光器有源区（300）、第二层二氧化硅层（16）、第三层二氧化硅层（15）、NTC薄膜电阻（3）、NTC薄膜电阻金属电极（4）；
所述集成TEC（200）包括：集成TEC p型半导体（201）、集成TEC n型半导体（202）、集成TEC第一层难熔电极（203）、集成TEC 球型负电极（204）、集成TEC 球型正电极（205）、集成TEC第二层难熔电极（207）、集成TEC第一层绝缘介质隔离层（206）、集成TEC第二层绝缘介质隔离层（208）；
所述半导体激光器有源区（300）包括： n型下包层（301）， n型下限制层（302），有源层（303）， p型下限制层（304）， p型上包层（305）；
所述半导体硅衬底（6）的下层为所述第一层二氧化硅层（7），所述半导体硅衬底（6）的上层为所述n型缓冲层（8），所述n型缓冲层（8）的上层为所述n+欧母接触层（9），所述n+欧母接触层（9）的上层为所述n型帽层（11）、所述n电极（10）、所述第二层二氧化硅层（16），所述n型帽层（11）的上层为所述半导体激光器有源区（300），所述半导体激光器有源区（300）的上层为所述p型帽层（12），所述p型帽层（12）的上层为所述p+欧母接触层（14），所述p+欧母接触层（14）的上层为所述P电极（13）；所述P电极（13）的上层大半面积为所述第三层二氧化硅层（15），所述第三层二氧化硅层（15）的上层为所述NTC薄膜电阻（3），所述NTC薄膜电阻（3）与所述第三层二氧化硅层（15）为无间隙原子间接触，所述NTC薄膜电阻（3）两端的上层为所述NTC薄膜电阻金属电极（4）；
所述n型下包层（301）的上层为所述n型下限制层（302），所述n型下限制层（302）的上层为所述有源层（303），所述有源层（303）的上层为所述p型下限制层（304），所述p型下限制层（304）的上层为所述p型上包层（305）；
所述第一层二氧化硅层（7）的下层为所述集成TEC第一层难熔电极（203）、所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层（206），所述集成TEC第一层难熔电极（203）的下层为所述集成TEC p型半导体（201）、所述集成TEC n型半导体（202），所述集成TEC p型半导体（201）与所述集成TEC n型半导体（202）之间被所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层（206）隔离，所述集成TEC第二层难熔电极（207）上层为所述TEC p型半导体（201）、所述TEC n型半导体（202）、所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层（206），所述集成TEC第二层难熔电极（207）的下层为所述集成TEC 球型负电极（204）、所述集成TEC 球型正电极（205）、所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层（208）。
2.如权利要求1所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，其特征在于：所述集成TEC p型半导体（201）采用p型碲化铋半导体材料。
3.如权利要求2所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，其特征在于：所述p型碲化铋半导体材料为Bi2Te3-Sb2Te3。
4.如权利要求1或2所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，其特征在于：所述集成TEC p型半导体（201）厚度为0.2mm -0.6mm。
5.如权利要求1所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，其特征在于：所述集成TEC n型半导体（202）采用n型碲化铋半导体材料。
6.如权利要求5所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，其特征在于：所述n型碲化铋半导体材料为Bi2Te3-Bi2Se3。
7.如权利要求1或5所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，其特征在于：所述集成TEC n型半导体（202）的厚度为0.2mm -0.6mm。
8.如权利要求1所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，其特征在于：所述集成TEC第一层难熔电极（203）及所述集成TEC第二层难熔电极（207）的材料为铬、钛、钨或金。
9.如权利要求1所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器，其特征在于：所述n型缓冲层（8）的材料为氮化镓。
10.如权利要求1所述的一种具有恒温控制功能的功率半导体激光器的制造方法，其特征在于所述制造方法是在现有半导体激光器芯片制造技术的基础上，将半导体激光器芯片、半导体热电制冷器、负温度系数的热敏电阻有机地集成在一体，具体做法是：
S1, 准备所述半导体硅衬底（6）；
S2, 溅射所述第一层二氧化硅层（7）、所述集成TEC第一层难熔电极（203）；
S3, 光刻所述集成TEC第一层难熔电极（203）；
S4, 溅射所述集成TEC p型半导体（201）；
S5, 光刻所述集成TEC p型半导体（201）；
S6, 溅射所述集成TEC第一层绝缘介质隔离层（206），并进行CMP抛光；
S7, 光刻所述第一层绝缘介质隔离层（206）；
S8, 溅射所述集成TEC n型半导体（202），并进行CMP抛光；
S9, 溅射所述集成TEC第二层难熔电极（207）；
S10, 光刻所述集成TEC第二层难熔电极（207）；
S11, 溅射所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层（208）；
S12, 光刻所述集成TEC第二层绝缘介质隔离层（208）；
S13, MOCVD外延生长所述n型缓冲层（8）；
S14, MOCVD外延生长所述n+欧母接触层（9）；
S15, 溅射所述第二层二氧化硅层（16）；
S16,光刻所述第二层二氧化硅层（16）；
S17, 溅射、光刻所述n电极（10）；
S18, MOCVD外延生长所述n型帽层（11）；
S19, MOCVD外延生长所述半导体激光器有源区（300）；
S20, MOCVD外延生长所述p型帽层（12）；
S21, MOCVD外延生长所述p+欧母接触层（14）；
S22, 溅射所述p电极（13）；
S23,溅射所述第三层二氧化硅层（15）、所述NTC薄膜电阻（3）、所述NTC薄膜电阻金属电极（4）；
S24,光刻所述NTC薄膜电阻金属电极（4）；
S25,光刻所述NTC薄膜电阻（3）、所述第三层二氧化硅层（15）；
S26, 溅射、光刻所述集成TEC引脚金属层，并进行高温回流形成所述集成TEC 球型负电极（204）、所述集成TEC 球型正电极（205）。
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