CN114336266A - 高效散热型半导体激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效散热型半导体激光器及其制作方法，其中的半导体激光器包括衬底，在衬底上依次制备形成导电层、下波导结构层、发光层和上波导结构层，在上波导结构层上制备形成上电极，在导电层上制备形成下电极，在衬底内刻蚀形成供制冷液体流动的微通道，在衬底的底部键合有将制冷液体密封在微通道内的键合材料层。本发明将供制冷液体流动的微通道制备在衬底的内部，缩短制冷液体与发光层之间的距离，从而提高发光层的散热速度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种高效散热型半导体激光器及其制作方法。
背景技术
高功率半导体激光器因具有体积小、效率高等独特的优势，近年来在固体激光泵浦、激光加工等领域具有广泛的应用。虽然半导体激光器的效率已经高达55％以上，然而其工作时产生的热效应仍然非常严重。并且如果产生的废热不及时导出，则激光器的工作性能将很快面临热衰减效应，器件功率、效率快速下降，严重时会导致半导体激光器出光面失效，对激光器造成损坏。
为解决高功率半导体激光器的散热问题，一般将半导体激光器采用焊料焊接的方式集成到热沉(例如氮化硅、铜等材料)上，然后再对热沉进行水冷散热。目前比较快的散热方式包括在热沉中制备微通道，通过在微通道中通入流动的制冷液体，实现对热沉的散热。然而半导体激光器中发光层的厚度非常薄，并且发光层与热沉之间间隔着比发光层厚度厚几十倍的热沉材料，制约着发光层的散热速度。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种高效散热型半导体激光器及其制作方法，以动态虚拟掩膜激光线扫代替点扫的加工方式，提高加工效率且不受到边缘光学衍射效应的影响。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的高效散热型半导体激光器，包括衬底，在衬底上依次制备形成导电层、下波导结构层、发光层和上波导结构层，在上波导结构层上制备形成上电极，在导电层上制备形成下电极，在衬底内刻蚀形成供制冷液体流动的微通道，在衬底的底部键合有将制冷液体密封在微通道内的键合材料层。
优选地，微通道的排布形式为直通道或弯曲通道。
优选地，弯曲通道的排布形式为回字形通道或S形通道。
本发明提供的高效散热型半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上依次制备形成导电层、下波导结构层、发光层和上波导结构层，并在上波导结构层上制备形成上电极，在导电层上制备形成下电极；
S2、在衬底内刻蚀形成微通道，并在衬底的底部键合有将微通道密封的键合材料层。
优选地，在衬底内刻蚀形成微通道的过程中，包括如下步骤：
S201、在衬底的底部涂覆一层光刻胶；
S202、对光刻胶进行光刻形成掩模；
S203、利用掩模对衬底的底部进行光刻形成微通道；
S204、去除掩模。
优选地，衬底为砷化镓、氮化镓或碳化硅材料。
优选地，键合材料层为碳化硅、硅或金刚石材料。
与现有技术相比，本发明将供制冷液体流动的微通道制备在衬底的内部，缩短制冷液体与发光层之间的距离，从而提高发光层的散热速度。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的高效散热型半导体激光器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的一种微通道的排布形式示意图；
图3是根据本发明实施例提供的另一种微通道的排布形式示意图。
其中的附图标记包括：衬底1、导电层2、下波导结构层3、发光层4、上波导结构层5、下电极6、上电极7、微通道8、键合材料层9。
具体实施方式
在下文中，将参考图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的图标记表示。在相同的图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的高效散热型半导体激光器的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的高效散热型半导体激光器的结构，包括：衬底1，在衬底1上依次制备形成导电层2、下波导结构层3、发光层4和上波导结构层5，在导电层2上制备形成下电极6，在上波导结构层5上制备形成上电极7，下电极6与上电极7用于为半导体激光器供电产生激光。
在衬底1内刻蚀形成微通道8，微通道8具有入口和出口，在微通道8内通入制冷液体，通过制冷液体在微通道8内的流动将发光层4产生的热量及时带走，实现对发光层4的高效散热。
由于微通道8制备在坚实的衬底1的内部，不会影响发光层4的性能。
为了实现微通道8的密封，在衬底1的底部晶圆键合键合材料层9，将微通道8密封在衬底1内，不仅可以避免制冷液体发生泄漏，还可以很好的保护微通道8不被外部环境堵塞。
图2示出了本发明实施例提供的一种微通道的排布形式。
如图3所示，微通道8的排布形式为直通道，图3示出了3条直通道。
图3示出了本发明实施例提供的另一种微通道的排布形式。
如图3所示，微通道8的排布形式为弯曲通道，具体为S形通道。
当然弯曲通道不局限于S形通道，还可以是回字形通道或其他排布形式的弯曲通道。
本发明实施例中，键合材料层9相当于传统散热方式中的热沉，键合材料层9的厚度实际为150微米左右，键合材料层9上方的器件结构仅有10微米左右，在衬底1内刻蚀微通道8后，发光层4与微通道8之间的距离为几十微米，而在传统散热方式中，发光层相距热沉至少有150微米的距离，热沉的厚度制约着发光层的散热速度。
本发明实施例提出的半导体激光器在衬底1的内部制备微通道8，通过在微通道8的内部外加具有一定压力的制冷液体实现对发光层4的直接散热，改变了将半导体激光器焊接到过渡热沉后对热沉进行散热的传统散热方式，具有更好的散热效果。
上述内容详细说明了本发明实施例提供的高效散热型半导体激光器的结构，与该高效散热型半导体激光器，本发明实施例还提供一种高效散热型半导体激光器的制备方法。
本发明实施例提供的高效散热型半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上依次制备形成导电层、下波导结构层、发光层和上波导结构层，并在上波导结构层上制备形成上电极，在导电层上制备形成下电极。
衬底的材料体系包括但不限于砷化镓、氮化镓或碳化硅。
器件结构的制备方法为现有技术，故在此不再赘述。
S2、在衬底内刻蚀形成微通道，并在衬底的底部键合有将微通道密封的键合材料层。
键合材料层的材料体系包括但不限于碳化硅、硅或金刚石。键合材料层以晶圆键合的方式键合在衬底的底部，将微通道密封在衬底内。
在衬底内刻蚀形成微通道的过程中，包括如下步骤：
S201、在衬底的底部涂覆一层光刻胶。
S202、对光刻胶进行光刻形成掩模。
掩模可以直通道或弯曲通道形状。
S203、利用掩模对衬底的底部进行光刻形成微通道。
S204、去除掩模。
在衬底内刻蚀形成微通道后，对衬底进行清洗，采用晶圆键合工艺将带有微通道的衬底键合到键合材料层上。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“另一个示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种高效散热型半导体激光器，包括衬底，在所述衬底上依次制备形成导电层、下波导结构层、发光层和上波导结构层，在所述上波导结构层上制备形成上电极，在所述导电层上制备形成下电极，其特征在于，在所述衬底内刻蚀形成供制冷液体流动的微通道，在所述衬底的底部键合有将所述制冷液体密封在所述微通道内的键合材料层。
2.如权利要求1所述的高效散热型半导体激光器，其特征在于，所述微通道的排布形式为直通道或弯曲通道。
3.如权利要求2所述的高效散热型半导体激光器，其特征在于，所述弯曲通道的排布形式为回字形通道或S形通道。
4.如权利要求1～3中任一项所述的高效散热型半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在衬底上依次制备形成导电层、下波导结构层、发光层和上波导结构层，并在所述上波导结构层上制备形成上电极，在所述导电层上制备形成下电极；
S2、在所述衬底内刻蚀形成微通道，并在所述衬底的底部键合有将所述微通道密封的键合材料层。
5.如权利要求4所述的高效散热型半导体激光器的制作方法，其特征在于，在所述衬底内刻蚀形成微通道的过程中，包括如下步骤：
S201、在所述衬底的底部涂覆一层光刻胶；
S202、对所述光刻胶进行光刻形成掩模；
S203、利用所述掩模对所述衬底的底部进行光刻形成所述微通道；
S204、去除所述掩模。
6.如权利要求5所述的高效散热型半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述衬底为砷化镓、氮化镓或碳化硅材料。
7.如权利要求5所述的高效散热型半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述键合材料层为碳化硅、硅或金刚石材料。
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