雙面散熱的高效大功率半導體激光器制造技術

雙面散熱的高效大功率半導體激光器及其制備方法，屬于半導體光電子技術領域。其包括：從上往下依次縱向層疊的具有散熱和高導電導熱功能的轉移襯底，上散熱電極，上重摻接觸層，上限制層，有源區，下限制層，下重摻接觸層，下散熱電極。其在制備過程中引入外延結構。所述的外延結構帶有腐蝕停層或帶有犧牲層。帶有腐蝕停層的外延結構，包括有依次縱向層疊的上重摻接觸層，上限制層，有源區，下限制層，下重摻接觸層，腐蝕停層，緩沖層，襯底。帶有犧牲層的外延結構，包括有依次縱向層疊的上重摻接觸層，上限制層，有源區，下限制層，下重摻接觸層，犧牲層，緩沖層，襯底。本發明專利技術器件散熱性能好，激光輸出功率高，光電特性好，使用壽命長，節約成本。

【技術實現步驟摘要】

雙面散熱的高效大功率半導體激光器，屬于半導體光電子
，涉及ー種半導體激光器的材料生長、器件制備及散熱技木。
技術介紹
半導體激光器又稱激光二極管，經過幾十年的發展，各項性能指標都達到了很高的水平。半導體激光器內量子效率較高，但其功率效率未必高，特別對于大功率半導體激光器而言，往往在大電流下工作，電流流經電阻區發熱，同時，被半導體材料吸收的光最終也轉換成熱。因此，半導體激光器不僅僅是ー個光源，還是ー個熱源，熱的問題一直伴隨著半導體激光器的誕生與發展。從最早的激光器只能在小功率、低溫脈沖工作到今天可在大功率、較高的溫度下連續工作，其技術改進的關鍵是提高效率、降低閾值電流密度、減少熱量的產生和改進散熱。熱對于半導體激光器的影響主要表現在以下幾個方面I.與溫度相關過程的存在。隨著發熱溫度的升高，閾值電流升高，發光效率降低，不但減小光的產生和輸出，同時也限制了最大工作功率。溫度的變化會改變半導體載流子的分布與激光器的電學特性及輸出的光譜特性，引起光譜與模式的變動。2.大功率半導體激光器的應用必然要求大的電流密度，大電流下的電熱增加、燒毀與不穩定性很嚴重。3.激光器的工作壽命強烈地依賴于激光器的工作溫度及熱阻。綜上，減少半導體激光器中熱的產生和積累，提高其散熱性，是高效大功率半導體激光器制備技術的首要問題。半導體激光器的襯底材料主要是GaAs，InP、GaN等III - V族半導體材料,利用MOCVD或MBE等技術在襯底上生長外延材料，其結構如圖I所示。由于載流子在有源區發生復合，因此器件的熱量主要在此區域產生，同時光吸收發熱和電流產生的熱也很嚴重。半導體激光器襯底厚度一般為20(Γ300 μ m,因而有源區與上電極相距較近，因此通常大功率半導體激光器的散熱是將上電極與散熱片連接起來，采用單面散熱結構。由于溫度高，熱梯度大，熱流大，通常散熱片采用高導熱材料，如金剛石薄膜和微通道結構等。然而即便如此，由于器件功率大，有源區等區域產生的熱量多，很多熱量仍然散發不出去，導致熱積累，溫度升高，器件光電性能變差，這也限制了器件功率的進ー步提高。隨著器件功率和溫度的增カロ，有源區產生的熱量向襯底方向散發不出去，則高溫區會隨著熱量的增加往襯底方向移動，導致溫差越來越大，熱積累越來越嚴重，最終燒毀器件。
技術實現思路
為了解決大功率半導體激光器的散熱問題，本專利技術提出，如果能讓有源區兩側的半導體材料都很薄，則下電極同樣采用高導電、導熱材料散熱，形成雙面散熱的器件結構，那么熱量就容易散發出去，不易在器件內部積累，則可獲得更大功率和更優光電性能的半導體激光器。雙面散熱的高效大功率半導體激光器，包括從上往下依次縱向層疊的具有散熱和高導電導熱功能的轉移襯底11，上散熱電極10，上重摻接觸層2，上限制層3，有源區4，下限制層5，下重摻接觸層6，下散熱電極91。所述的雙面散熱的高效大功率半導體激光器的制備方法，其在制備過程中引入外延結構。所述的外延結構如圖2和圖3所示，所述的外延結構帶有腐蝕停層或帶有犧牲層。圖2為帶有腐蝕停層的外延結構，包括有依次縱向層疊的上重摻接觸層2，上限制層3，有源區4，下限制層5，下重摻接觸層6，腐蝕停層101，緩沖層7，襯底8。圖3為帶有犧牲層的外延結構，包括有依次縱向層疊的上重摻接觸層2，上限制層3，有源區4，下限制層5，下重摻接觸層6，犧牲層102，緩沖層7，襯底8。具體制備方法如下，以GaAs材料系半導體激光器為例 I、首先在器件外延層結構中弓丨入腐蝕停層101，腐蝕停層101生長在緩沖層7與下重摻接觸層6之間，采用GaInP材料。激光器制備時，先在上重摻接觸層2上制備上散熱電極10，然后在上散熱電極10上制備出轉移襯底11，再將襯底8減薄至50 μ m左右，利用腐蝕液NH40H H202=1:10體積比將襯底8及緩沖層7腐蝕掉，由于腐蝕液對不同材料的腐蝕速度具有選擇比，腐蝕襯底的腐蝕液在腐蝕停層101處腐蝕速度非常慢，可近似認為停止腐蝕。再用腐蝕液HCl H20=3:1體積比去除腐蝕停層101，得到無襯底的器件結構，最后在下重摻接觸層6上制備下散熱電極91，從而得到雙面散熱的高效大功率半導體激光器。或者2、首先在器件外延層結構中引入犧牲層102，犧牲層102生長在緩沖層7與下重摻接觸層6之間，一般采用高Al組分的AlGaAs或AlAs材料。激光器制備時，先在上重摻接觸層2上制備上散熱電極10，在上散熱電極10上制作轉移襯底11，由于犧牲層102含Al組分較高，將器件浸泡在HF酸溶液中腐蝕，犧牲層腐蝕速度很快，因此使用側向腐蝕的方法腐蝕掉犧牲層102，將襯底8及緩沖層7與器件分離，得到無襯底的器件結構，最后在下重摻接觸層6上制備下散熱電極91，得到雙面散熱的高效大功率半導體激光器。對于GaN材料系的半導體激光器，襯底8用激光剝離去除，腐蝕停層101采用InGaN,腐蝕停層101的腐蝕液為H3P04溶液；犧牲層102采用AlGaN，腐蝕液為HF酸。對于InP材料系的半導體激光器，腐蝕停層101采用InGaP，腐蝕液為HCl溶液；犧牲層102為InGaAsP,腐蝕液為H3P04溶液。具有散熱和高導電導熱功能的轉移襯底11，通過電鍍或鍵合エ藝實現。腐蝕停層101及犧牲層102須和襯底8的材料晶格常數相匹配。所述的腐蝕停層101采用GaInP層，犧牲層102采高Al組分的AlGaAs層或AlAs層。當犧牲層102通過側向腐蝕的方式犧牲掉時，將器件浸入到含HF酸的腐蝕液中腐蝕，其腐蝕速度很快，腐蝕液快速從外延片兩側向中間腐蝕犧牲層102，由此將襯底8和器件分離，得到無襯底的器件結構。犧牲層102厚度可達5 20 μ m甚至更厚，視能夠將襯底8完全分離而定。腐蝕襯底8及緩沖層7的溶液腐蝕到腐蝕停層101后腐蝕速度非常慢，腐蝕停層101可保護外延層不會被破壞，保證激光器的光電性能，此時采用的腐蝕液為NH40H:H202=l:10 (體積比)，腐蝕停層在制備下散熱電極91前利用腐蝕液HCl H20=3:l (體積比)腐蝕掉。有源區4為單有源區或多有源區或大光腔結構或超晶格結構。分離出的襯底8經過加工仍可重復使用。本發 明具有以下優點I.器件散熱性能好，激光輸出功率高，光電特性好。本專利技術采取的雙面散熱的器件結構，能快速有效地將器件內部的熱量散發出去，激光器內部溫升小，因此，該結構可顯著提高激光器的輸出功率，大大提升器件光電性能和穩定性，可靠性，不用擔心因熱產生的燒毀問題。本專利技術中，無襯底的有源區器件上下均采取高導電、導熱的電極散熱，形成雙面散熱的器件結構，則重摻接觸層2，上限制層3，有源區4，下限制層5和下重摻接觸層6產生的熱量通過上下散熱電極散發出去，可大大增加器件散熱性能，得到高效高性能大功率半導體激光器。2.壽命長。本專利技術采取的雙面散熱的器件結構，其散熱性好，器件工作時溫度降低，穩定性好，可大大提高激光器的使用壽命。3.節約成本。本專利技術中，雙面散熱比單面散熱效果好得多，可降低單面散熱復雜的エ藝和昂貴的成本(如用金剛石薄膜)，且分離出的襯底經過加工仍可重復利用，大大節約器件的制備成本。附圖說明圖I :普通大功率半導體激光器器件結構示意圖；圖2 :含有犧牲層的半導體激光器外延結構示意圖；圖3 :含有腐蝕本文檔來自技高網...

【技術保護點】
雙面散熱的高效大功率半導體激光器，其特征在于：其包括：從上往下依次縱向層疊的具有散熱和高導電導熱功能的轉移襯底（11），上散熱電極（10），上重摻接觸層（2），上限制層（3），有源區（4），下限制層（5），下重摻接觸層（6），下散熱電極（91）。

【技術特征摘要】
1.雙面散熱的高效大功率半導體激光器，其特征在于其包括從上往下依次縱向層疊的具有散熱和高導電導熱功能的轉移襯底(11 )，上散熱電極(10)，上重摻接觸層(2)，上限制層(3)，有源區(4)，下限制層(5)，下重摻接觸層(6)，下散熱電極(91)。2.根據權利要求I所述的雙面散熱高效大功率半導體激光器，其特征在于有源區(4)為單有源區或多有源區或大光腔結構或超晶格結構。3.根據權利要求I所述的雙面散熱高效大功率半導體激光器，其特征在于具有散熱和高導電導熱功能的轉移襯底(11 )，通過電鍍或鍵合工藝實現。4.權利要求I所述的雙面散熱的高效大功率半導體激光器的制備方法，其在制備過程中引入外延結構；其特征在于所述的外延結構帶有腐蝕停層或帶有犧牲層；帶有腐蝕停層的外延結構，包括有依次縱向層疊的上重摻接觸層(2)，上限制層(3)，有源區(4)，下限制層(5)，下重摻接觸層(6)，腐蝕停層(101)，緩沖層(7)，襯底(8)； 帶有犧牲層的外延結構，包括有依次縱向層疊的上重摻接觸層(2)，上限制層(3)，有源區(4)，下限制層(5)，下重摻接觸層(6)，犧牲層(102)，緩沖層(7)，襯底(8)； 具體制備方法如下 方法一首先在器件外延層結構中引入腐蝕停層(101)，腐蝕停層(101)生長在緩沖層(7)與下重摻接觸層(6)之間，采用GaInP材料；激光器制備時，先在上重摻接觸層(2)上制備上散熱電極(10)，然后在上散熱電極(10)上制備出轉移襯底(11)，再將襯底(8)減薄至50 μ m,利用腐蝕液NH40H H202=1:10 (體積比)將襯底(8)及緩沖層(7)腐蝕掉，由于腐蝕液對不同材料的腐蝕速度具有選擇比，腐蝕襯底的腐蝕液在腐蝕停層(101)處腐蝕速度變得非常慢，再用腐蝕液HCl :H20=3:1(體積比)去除腐蝕停層(101)，得到無襯底的器件結構，最后在下重摻接觸層6上制備下散熱電極(91)，從而得到雙面散熱的高效大功率半導體激光器； 或者 方法二 首先在器件外延層結構中引入犧牲層(102)，犧牲層(102)生長在緩沖層(7)與下重摻接觸層(6)之間，一般采用高Al組分的AlGaAs或AlAs材...

【專利技術屬性】
技術研發人員：沈光地，馬莉，陳依新，
申請(專利權)人：沈光地，
類型：發明
國別省市：