專(zhuān)利名稱(chēng)：一種大功率半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于激光器制造領(lǐng)域，涉及一種激光器，尤其是一種大 功率半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器又稱(chēng)激光二極管(LD)。進(jìn)入八十年代，人們吸收了半 導(dǎo)體物理發(fā)展的最新成果，采用了量子阱(QW)和應(yīng)變量子阱(SL-QW)等 新穎性結(jié)構(gòu)，引進(jìn)了折射率調(diào)制Bragg發(fā)射器以及增強(qiáng)調(diào)制Bmgg發(fā)射 器最新技術(shù)，同時(shí)還發(fā)展了 MBE、 MOCVD及CBE等晶體生長(zhǎng)技術(shù)新工 藝，使得新的外延生長(zhǎng)工藝能夠精確地控制晶體生長(zhǎng)，達(dá)到原子層厚度 的精度，生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)量子阱以及應(yīng)變量子阱材料。于是，制作出的LD， 其閾值電流顯著下降，轉(zhuǎn)換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長(zhǎng)，使用 壽命也明顯加長(zhǎng)。
隨著半導(dǎo)體激光器的性能穩(wěn)定性不斷改善、轉(zhuǎn)換效率和輸出功率不 斷提高，半導(dǎo)體激光器在激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、測(cè)距 以及雷達(dá)等方面的應(yīng)用更加廣泛，市場(chǎng)需求巨大，發(fā)展前景更加廣闊。
目前，雖然半導(dǎo)體激光器技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是由于當(dāng)今 科技的快速發(fā)展，使得各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體激光器的性能要求更加苛刻， 半導(dǎo)體激光器所面臨的主要問(wèn)題仍然是激光器的輸出光功率和轉(zhuǎn)換效率 偏低，性能穩(wěn)定性差以及成本較高等，這些不足嚴(yán)重制約了它的應(yīng)用空 間。激光器的性能除了與芯片有關(guān)外，還跟激光器的散熱和封裝有關(guān)。為了提高激光器的可靠性和性能穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)高可靠性 的封裝結(jié)構(gòu)和高效的散熱結(jié)構(gòu)是必須的。這也對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造 提出了更高的要求，要求其具有更加簡(jiǎn)單、高效和低成本的特點(diǎn)。
目前，大部分商業(yè)化的大功率半導(dǎo)體激光器單芯片產(chǎn)品是C-mount (如圖la)和CT-mount (如圖lb)封裝形式，這兩種形式都存在以下幾 方面的缺陷
1) .功率低由于單管半導(dǎo)體激光器只有2-3瓦，采用C-moimt和 CT-moimt的封裝形式會(huì)因?yàn)樯崾芟薅构β瘦^低。
2) .制造成本高 一般CT-mount的封裝形式會(huì)采用CuW合金作為 單管的散熱熱沉，由于表面鍍金的CuW合金價(jià)格比較昂貴，所以由其制 造的激光器成本較高。
3) .散熱能力差對(duì)于C-moimt的封裝結(jié)構(gòu)，散熱裝置一般位于單 管所在邊緊鄰的垂直側(cè)面，激光器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生接近功率一半的熱量， 由于芯片距離熱電制冷部位較遠(yuǎn)，熱量不能及時(shí)導(dǎo)出去，從而產(chǎn)生熱集 中，致使激光器的光譜展寬、波長(zhǎng)漂移，導(dǎo)致激光器的壽命下降，可靠 性不高。
4) .熱沉帶電由于C-mount和CT-mount采用銦焊料焊接，熱沉與 Cu支撐塊直接連接，從而使Cu支撐塊帶電，這樣極易造成漏電現(xiàn)象， 降低了激光器的安全性。
5) .連接可靠性低C-mount和CT-mount的Cu支撐塊都只有一個(gè) 螺絲孔，機(jī)械自由度較大，因此整個(gè)激光器的連接可靠性不高。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種大功率 半導(dǎo)體激光器，這種激光器具有不僅輸出功率和安全性高，而且壽命長(zhǎng)、 可靠性高，并且其制造簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，機(jī)械穩(wěn)定性也比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 激光器好。
本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的
這種大功率半導(dǎo)體激光器，包括銅支撐塊、正極銅片、負(fù)極銅片和 芯片，其特征在于所述銅支撐塊的一邊側(cè)面上設(shè)有臺(tái)階，銅支撐塊兩 端還各設(shè)有一個(gè)凸臺(tái)，所述凸臺(tái)上垂直開(kāi)設(shè)有螺孔，所述芯片的正極面 與陶瓷片上側(cè)面的中部焊接，陶瓷片的下側(cè)面貼在銅支撐塊的兩凸臺(tái)之 間，所述正極銅片和負(fù)極銅片的內(nèi)端分別焊接有正極陶瓷片和負(fù)極陶瓷 片，所述正極陶瓷片和負(fù)極陶瓷片分別焊接在銅支撐塊的臺(tái)階上，且正
極銅片和負(fù)極銅片之間保持0.5-lmm的距離，所述芯片的負(fù)極貼有銅連
接片，所述銅連接片的一端還與正極銅片的一端貼合，所述陶瓷片與負(fù) 極銅片間采用金絲壓悍。
上述陶瓷片的上下兩面均鍍有金層，所述金層厚度為2-5微米。 上述芯片為單管芯片、微型巴條或者由多個(gè)單管芯片并聯(lián)組成。 本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1) 激光輸出功率高。本實(shí)用新型中單管芯片直接貼片在鍍金的陶 瓷片上，而陶瓷片下部直接是散熱銅塊，芯片與散熱部位的距離更近， 因此散熱能力大大增強(qiáng)，這種增加了散熱能力的結(jié)構(gòu)，可顯著提高激光
輸出的功率而不用擔(dān)心散熱的問(wèn)題；
(2) 制造簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低。本實(shí)用新型采用鍍金的陶瓷片代替鍍金的CuW熱沉，兩者熱導(dǎo)率相當(dāng)，而鍍金的CuW熱沉價(jià)格比鍍金的陶 瓷貴，在達(dá)到同樣效果的同時(shí)，本實(shí)用新型采用鍍金的陶瓷大大降低了 激光器的生產(chǎn)制造成本；
(3) 機(jī)械穩(wěn)定性高。本實(shí)用新型有兩個(gè)固定的螺孔，可有效提高激 光器的機(jī)械穩(wěn)定性；
(4) 安全性高。本實(shí)用新型采用鍍金的陶瓷片代替了鍍金的CuW 熱沉，由于陶瓷片具有良好的絕緣效果，因此激光器的散熱塊不會(huì)帶電， 這樣大大提高了激光器的安全性；
(5) 壽命長(zhǎng)、可靠性高。本實(shí)用新型的大功率半導(dǎo)體激光器由于在 熱沉材料上采用了陶瓷片，結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了雙緊固螺孔，可有效延長(zhǎng)激光 器的使用壽命，提高激光器的可靠性和穩(wěn)定性，并且本實(shí)用新型的激光 器在結(jié)構(gòu)上還具有體型小巧的優(yōu)點(diǎn)。


圖l(a)為現(xiàn)有技術(shù)C-mount的封裝形式示意圖l(b)為現(xiàn)有技術(shù)CT-moimt的封裝形式示意圖2為本實(shí)用新型的大功率半導(dǎo)體激光器的各部件拆解示意圖3為本實(shí)用新型的大功率半導(dǎo)體激光器整體結(jié)構(gòu)其中l(wèi)為銅支撐塊；2為螺孔；3為陶瓷片；4為正極銅片；5為 芯片；6為負(fù)極陶瓷片；7為正極陶瓷片；8為銅連接片；9為負(fù)極銅片; IO為金絲；ll為凸臺(tái)；12為臺(tái)階。
圖4為808rnn單管半導(dǎo)體激光器樣品的P-I曲線；
圖5為808nm單管半導(dǎo)體激光器樣品的LIV曲線；
圖6為808nm單管半導(dǎo)體激光器樣品的光譜測(cè)試結(jié)果；圖7為脈沖條件下808nm單管半導(dǎo)體激光器樣品的P-I曲線； 圖8為陶瓷片3的鍍金層形狀示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述
參見(jiàn)圖2和圖3，本本實(shí)用新型的大功率半導(dǎo)體激光器，包括銅支 撐塊l、正極銅片4、負(fù)極銅片9和芯片5。其中銅支撐塊l的一邊側(cè)面 上設(shè)有臺(tái)階12，所述臺(tái)階12加工于整個(gè)銅支撐塊1的一側(cè)邊，銅支撐塊 1兩端還各設(shè)有一個(gè)凸臺(tái)11，圖中的凸臺(tái)11為矩形結(jié)構(gòu)并且每個(gè)凸臺(tái)11 上垂直開(kāi)設(shè)有一個(gè)螺孔2，螺孔2用以固定激光器，所述芯片5的正極面 與陶瓷片3上側(cè)面的中部焊接，其中要求芯片5的發(fā)光腔面與陶瓷片3 的長(zhǎng)邊側(cè)面平齊，芯片5的發(fā)光方向與陶瓷片3的長(zhǎng)邊垂直；陶瓷片3 的下側(cè)面貼在銅支撐塊1的兩凸臺(tái)11之間，陶瓷片3的上下兩面均鍍有 金層。其中陶瓷片3的底面全部鍍金，陶瓷片3的上面兩端鍍金，陶瓷 片3上面鍍金層的具體形狀如圖8所示，將鍍金層的厚度控制在2-5微米。 陶瓷片3上面的中部不鍍金，是用于與芯片5進(jìn)行金錫料貼合。陶瓷片3 起到絕緣的作用，以保證電氣連接的安全性。
以上所述的陶瓷片3可以是A1N，也可以是BeO或者直接采用更高 導(dǎo)熱率的金剛石材料替換陶瓷片3。陶瓷片3的上下兩面鍍金屬層，不一 定是金，也可以是銅或其他金屬材料。
以上所述的銅支撐塊1也可以用更高導(dǎo)熱率的金剛石材料來(lái)替換。
所述正極銅片4和負(fù)極銅片9的一端分別焊接有正極陶瓷片7和負(fù) 極陶瓷片6，所述正極陶瓷片7和負(fù)極陶瓷片6分別焊接在銅支撐塊1的臺(tái)階12兩端，且焊接時(shí)要保證正極銅片4和負(fù)極銅片9之間具有一定的 距離，以防止兩電極短路，一般正極銅片4和負(fù)極銅片9之間保持0.5-lmm 的距離。所述芯片5的負(fù)極貼有銅連接片8，所述銅連接片8的一端還與 正極銅片4的一端貼合，所述陶瓷片3與負(fù)極銅片9間采用金絲IO壓焊。 上述芯片5可以為單管芯片或微型巴條(mini-bar)，芯片5也可以由多 個(gè)單管芯片并聯(lián)組成。為保證激光器的機(jī)械連接可靠性，可以用緊固螺 釘通過(guò)銅支撐塊1上的兩個(gè)螺孔2與外固定塊相連。
本實(shí)用新型的大功率半導(dǎo)體激光器的制備方法如下
1) 首先準(zhǔn)備銅支撐塊l、陶瓷片3、負(fù)極陶瓷片6、正極陶瓷片7、 負(fù)極銅片9、正極銅片4和銅連接片8;
2) 將陶瓷片3用有機(jī)溶液和去離子水清洗干凈，烘干后在陶瓷片3 的上下兩面鍍金，金層厚度為2-5微米，將鍍金后的陶瓷片3放入氮?dú)夤?中儲(chǔ)存；
3) 利用金錫焊料將芯片5的正極貼在鍍金的陶瓷片3上，其中芯片 5的發(fā)光腔面與陶瓷片3的長(zhǎng)邊側(cè)面平齊，芯片5的發(fā)光方向與陶瓷片3 的長(zhǎng)邊垂直；
4) 在正極陶瓷片7的一面鍍銦膜，負(fù)極陶瓷片6的一面鍍銦膜，銅 連接片8的一面鍍銦膜，將正極銅片4和正極陶瓷片7鍍銦膜的一面焊 接在一起，將負(fù)極銅片9和負(fù)極陶瓷片6鍍銦膜的一面焊接在一起；
5) 將焊接好的正極銅片4和正極陶瓷片7以及焊接好的負(fù)極銅片9 和負(fù)極陶瓷片6 —起焊接在銅支撐塊1上的臺(tái)階上，正極銅片4和負(fù)極 銅片9之間保持0.5-lmm的距離，以防短路；所述正極陶瓷片7和負(fù)極陶瓷片6與銅支撐塊1用導(dǎo)電膠粘合。
6) 將貼有芯片5的鍍金陶瓷片3放置在銅支撐塊1上的兩個(gè)凸臺(tái) 11之間；
7) 將銅連接片8鍍有銦膜一面的一端貼在芯片5的負(fù)極上，另一端 貼在正極銅片4上；
8) 用回流焊將陶瓷片3、銅支撐塊1、銅連接片8和正極銅片4焊 接在一起；
9) 最后用金絲10壓焊在陶瓷片3和負(fù)極銅片9的一端，將它們連 接在一起，制成大功率半導(dǎo)體激光器。
本實(shí)用新型的工作原理如下
連接在陶瓷片3上的芯片5的p-n結(jié)半導(dǎo)體材料被加上正向偏壓，p 區(qū)接正極塊，n區(qū)接負(fù)極塊，正向電壓的電場(chǎng)與p-n結(jié)的自建電場(chǎng)方向相 反，它削弱了自建電場(chǎng)對(duì)晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使n區(qū)中的 自由電子在正向電壓的作用下不間斷地通過(guò)p-n結(jié)向p區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)在結(jié) 區(qū)內(nèi)存在大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù) 合，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍 遷到價(jià)帶時(shí)，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來(lái)， 半導(dǎo)體激光器工作時(shí)芯片5發(fā)出的熱量穿過(guò)陶瓷片3到銅支撐塊1上， 由銅支撐塊l將熱量散去。
實(shí)施例
根據(jù)本實(shí)用新型的大功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及其制備方法，制作出 了 808nm單芯片大功率半導(dǎo)體激光器，即這種半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光的 波長(zhǎng)是808nm，其結(jié)構(gòu)也如圖3所示，并且此激光器在連續(xù)波工作下輸出光功率超過(guò)10 W。
以下給出這種808nrn單芯片大功率半導(dǎo)體激光器的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果 (l)如圖4所示為808nm單管半導(dǎo)體激光器樣品的P-I曲線，其最高 輸出光功率為15W。
P)為了保障808nm單芯片大功率半導(dǎo)體激光器的高可靠性，規(guī)定其 工作在6瓦條件下的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。此時(shí)，激光器的工作電流為 7.38A,工作電壓為1.91V,閾值電流為0.65A，斜坡效率為0.87W/A,典 型的電光轉(zhuǎn)換效率為41.35%，最大電光轉(zhuǎn)換效率為42.42%，串聯(lián)電阻為 40.16毫歐。
(3) 圖6所示為808nm單管半導(dǎo)體激光器樣品的光譜測(cè)試結(jié)果，其峰 值波長(zhǎng)為804.24nm，中心波長(zhǎng)為804.12nm， FWHM為1.61nm， FW90%E 為2.48nm。
(4) 在200us和400Hz條件下測(cè)試一個(gè)樣品直到壞死，其最終光輸出 功率接近20瓦，如圖7所示。
綜上所述，本實(shí)用新型采用了復(fù)合型封裝結(jié)構(gòu)，結(jié)合了C-mmmt和 CT-moimt的優(yōu)點(diǎn)，兼具導(dǎo)熱和絕緣的優(yōu)點(diǎn)。并且采用硬焊料(AuSn)焊 接，激光器的可靠性更高。并且由于銅的線膨脹系數(shù)(CTE)比較大， 一般用銦焊料焊接。陶瓷片與芯片(GaAs)的線膨脹系數(shù)比較匹配，陶 瓷片的厚度一般較小，如小于0.5毫米。本實(shí)用新型主要應(yīng)用于大功率半 導(dǎo)體激光器，功率高于3瓦。
權(quán)利要求1.一種大功率半導(dǎo)體激光器，包括銅支撐塊(1)、正極銅片(4)、負(fù)極銅片(9)和芯片(5)，其特征在于所述銅支撐塊(1)的一邊側(cè)面上設(shè)有臺(tái)階(12)，銅支撐塊(1)兩端還各設(shè)有一個(gè)凸臺(tái)(11)，所述凸臺(tái)(11)上垂直開(kāi)設(shè)有螺孔(2)，所述芯片(5)的正極面與陶瓷片(3)上側(cè)面的中部焊接，陶瓷片(3)的下側(cè)面貼在銅支撐塊(1)的兩凸臺(tái)(11)之間，所述正極銅片(4)和負(fù)極銅片(9)的內(nèi)端分別焊接有正極陶瓷片(7)和負(fù)極陶瓷片(6)，所述正極陶瓷片(7)和負(fù)極陶瓷片(6)分別焊接在銅支撐塊(1)的臺(tái)階(12)上，所述芯片(5)的負(fù)極貼有銅連接片(8)，所述銅連接片(8)的一端還與正極銅片(4)的一端貼合，所述陶瓷片(3)與負(fù)極銅片(9)間采用金絲(10)壓焊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述陶瓷片(3)的上下兩面均鍍有金層，所述金層厚度為2-5微米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單管大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述芯片(5)為單管芯片、微型巴條或者由多個(gè)單管芯片并聯(lián)組成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種大功率半導(dǎo)體激光器及其制備方法，包括銅支撐塊、正極銅片、負(fù)極銅片和芯片，銅支撐塊上設(shè)有臺(tái)階且其兩端各設(shè)有一個(gè)凸臺(tái)，凸臺(tái)上開(kāi)有螺孔，芯片與陶瓷片焊接，陶瓷片貼在銅支撐塊上，正極銅片和負(fù)極銅片分別焊接正極陶瓷片和負(fù)極陶瓷片，正極陶瓷片和負(fù)極陶瓷片焊接在銅支撐塊的臺(tái)階上，芯片的負(fù)極貼銅連接片，銅連接片與正極銅片貼合，陶瓷片與負(fù)極銅片間采用金絲壓焊。本實(shí)用新型結(jié)合C-mount和CT-mount，兼具導(dǎo)熱和絕緣的優(yōu)點(diǎn)。并且采用硬焊料焊接，激光器的可靠性高。陶瓷片與芯片的線膨脹系數(shù)比較匹配，且陶瓷片的厚度較小，因此激光器的體積更小。本實(shí)用新型主要應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體激光器，功率高于3瓦。
文檔編號(hào)H01S5/022GK201402912SQ200920031648
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者劉興勝 申請(qǐng)人:西安阿格斯光電科技有限公司