專利名稱：雙面散熱的高效大功率半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
雙面散熱的高效大功率半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體激光器的材料生長、器件制備及散熱技術(shù)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，各項性能指標(biāo)都達到了很高的水平。半導(dǎo)體激光器內(nèi)量子效率較高，但其功率效率未必高，特別對于大功率半導(dǎo)體激光器而言，往往在大電流下工作，電流流經(jīng)電阻區(qū)發(fā)熱，同時，被半導(dǎo)體材料吸收的光最終也轉(zhuǎn)換成熱。因此，半導(dǎo)體激光器不僅僅是一個光源，還是一個熱源，熱的問題一直伴隨著半導(dǎo)體激光器的誕生與發(fā)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(xù)工作，其技術(shù)改進的關(guān)鍵是提高效率、降低閾值電流密度、減少熱量的產(chǎn)生和改進散熱。熱對于半導(dǎo)體激光器的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1.與溫度相關(guān)過程的存在。隨著發(fā)熱溫度的升高，閾值電流升高，發(fā)光效率降低，不但減小光的產(chǎn)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(dǎo)體載流子的分布與激光器的電學(xué)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(dǎo)體激光器的應(yīng)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(wěn)定性很嚴(yán)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(dǎo)體激光器中熱的產(chǎn)生和積累，提高其散熱性，是高效大功率半導(dǎo)體激光器制備技術(shù)的首要問題。半導(dǎo)體激光器的襯底材料主要是GaAs，InP、GaN等II1- V族半導(dǎo)體材料,利用MOCVD或MBE等技術(shù)在襯底上生長外延材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于載流子在有源區(qū)發(fā)生復(fù)合，因此器件的熱量主要在此區(qū)域產(chǎn)生，同時光吸收發(fā)熱和電流產(chǎn)生的熱也很嚴(yán)重。半導(dǎo)體激光器襯底厚度一般為200 300 μ m,因而有源區(qū)與上電極相距較近，因此通常大功率半導(dǎo)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(jié)構(gòu)。由于溫度高，熱梯度大，熱流大，通常散熱片采用高導(dǎo)熱材料，如金剛石薄膜和微通道結(jié)構(gòu)等。然而即便如此，由于器件功率大，有源區(qū)等區(qū)域產(chǎn)生的熱量多，很多熱量仍然散發(fā)不出去，導(dǎo)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一步提高。隨著器件功率和溫度的增力口，有源區(qū)產(chǎn)生的熱量向襯底方向散發(fā)不出去，則高溫區(qū)會隨著熱量的增加往襯底方向移動，導(dǎo)致溫差越來越大，熱積累越來越嚴(yán)重，最終燒毀器件。

實用新型內(nèi)容為了解決大功率半導(dǎo)體激光器的散熱問題，本實用新型提出，如果能讓有源區(qū)兩側(cè)的半導(dǎo)體材料都很薄，則下電極同樣采用高導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料散熱，形成雙面散熱的器件結(jié)構(gòu)，那么熱量就容易散發(fā)出去，不易在器件內(nèi)部積累，則可獲得更大功率和更優(yōu)光電性能的半導(dǎo)體激光器。雙面散熱的高效大功率半導(dǎo)體激光器，包括:從上往下依次縱向?qū)盈B的具有散熱和高導(dǎo)電導(dǎo)熱功能的轉(zhuǎn)移襯底11，上散熱電極10，上重?fù)浇佑|層2，上限制層3，有源區(qū)4，下限制層5，下重?fù)浇佑|層6，下散熱電極91。所述的雙面散熱的高效大功率半導(dǎo)體激光器的制備方法，其在制備過程中引入外延結(jié)構(gòu)。所述的外延結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，所述的外延結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，包括有依次縱向?qū)盈B的上重?fù)浇佑|層2，上限制層3，有源區(qū)4，下限制層5，下重?fù)浇佑|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(jié)構(gòu)，包括有依次縱向?qū)盈B的上重?fù)浇佑|層2，上限制層3，有源區(qū)4，下限制層5，下重?fù)浇佑|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(dǎo)體激光器為例:1、首先在器件外延層結(jié)構(gòu)中弓丨入腐蝕停層101，腐蝕停層101生長在緩沖層7與下重?fù)浇佑|層6之間，采用GaInP材料。激光器制備時，先在上重?fù)浇佑|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(zhuǎn)移襯底11，再將襯底8減薄至50 μ m左右，利用腐蝕液NH4OH =H2O2=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(rèn)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(jié)構(gòu)，最后在下重?fù)浇佑|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(dǎo)體激光器?；蛘?2、首先在器件外延層結(jié)構(gòu)中引入犧牲層102，犧牲層102生長在緩沖層7與下重?fù)浇佑|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?fù)浇佑|層2上制備上散熱電極10，在上散熱電極10上制作轉(zhuǎn)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(cè)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(jié)構(gòu)，最后在下重?fù)浇佑|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(dǎo)體激光器。對于GaN材料系的半導(dǎo)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H3PO4溶液；犧牲層102采用AlGaN，腐蝕液為HF酸。對于InP材料系的半導(dǎo)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(dǎo)電導(dǎo)熱功能的轉(zhuǎn)移襯底11，通過電鍍或鍵合工藝實現(xiàn)。腐蝕停層101及犧牲層102須和襯底8的材料晶格常數(shù)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(dāng)犧牲層102通過側(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)。犧牲層102厚度可達5 20 μ m甚至更厚，視能夠?qū)⒁r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NH4OH:H2O2=1: 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=3:1 (體積比)
腐蝕掉。有源區(qū)4為單有源區(qū)或多有源區(qū)或大光腔結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。分離出的襯底8經(jīng)過加工仍可重復(fù)使用。本實用新型具有以下優(yōu)點:1.器件散熱性能好，激光輸出功率高，光電特性好。本實用新型采取的雙面散熱的器件結(jié)構(gòu)，能快速有效地將器件內(nèi)部的熱量散發(fā)出去，激光器內(nèi)部溫升小，因此，該結(jié)構(gòu)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(wěn)定性，可靠性，不用擔(dān)心因熱產(chǎn)生的燒毀問題。本實用新型中，無襯底的有源區(qū)器件上下均采取高導(dǎo)電、導(dǎo)熱的電極散熱，形成雙面散熱的器件結(jié)構(gòu)，則重?fù)浇佑|層2，上限制層3，有源區(qū)4，下限制層5和下重?fù)浇佑|層6產(chǎn)生的熱量通過上下散熱電極散發(fā)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(dǎo)體激光器。2.壽命長。本實用新型采取的雙面散熱的器件結(jié)構(gòu)，其散熱性好，器件工作時溫度降低，穩(wěn)定性好，可大大提高激光器的使用壽命。3.節(jié)約成本。本實用新型中，雙面散熱比單面散熱效果好得多，可降低單面散熱復(fù)雜的工藝和昂貴的成本(如用金剛石薄膜)，且分離出的襯底經(jīng)過加工仍可重復(fù)利用，大大節(jié)約器件的制備成本。

圖1:普通大功率半導(dǎo)體激光器器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2:含有犧牲層的半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)示意圖；圖3:含有腐蝕停層的半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 ;雙面散熱的高效大功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:10為上散熱電極,11為轉(zhuǎn)移襯底，2為上重?fù)浇佑|層,3為上限制層,4為有源區(qū)，5為下限制層，6為下重?fù)浇佑|層，7為緩沖層，8為襯底，90為普通大功率半導(dǎo)體激光器下電極，91為下散熱電極，101為腐蝕停層，102為犧牲層。
具體實施方式
實施例1如圖4所示，以GaAs材料系半導(dǎo)體激光器為例。該器件由以下各部分組成:從上往下依次縱向?qū)盈B的具有散熱和高導(dǎo)電導(dǎo)熱功能的轉(zhuǎn)移襯底11，上散熱電極10，上重?fù)浇佑|層2，上限制層3，有源區(qū)4，下限制層5，下重?fù)浇佑|層6，下散熱電極91 ;其制備過程和方法如下:1.用普通MOCVD的方法在N+_GaAs襯底8上依次外延生長緩沖層7，腐蝕停層101，下重?fù)浇佑|層6，下限制層5，有源區(qū)4，上限制層3，上重?fù)浇佑|層2，其中腐蝕停層101采用GaInP材料。2.制備上散熱電極10，并采用電鍍或鍵合工藝進行襯底的轉(zhuǎn)移，得到具有散熱和高導(dǎo)電導(dǎo)熱功能的轉(zhuǎn)移襯底11 ;3.用機械研磨減薄襯底8至50 μ m左右，再用濕法腐蝕去除剩下的GaAs襯底8，腐蝕液為NH4OH =H2O2=1: 10 (體積比)；4.用HCl =H2O =3:1 (體積比)，去除腐蝕停層101，露出下重?fù)浇佑|層6。5.制備下散熱電極91。6.解理，將芯片壓焊到熱沉上，即可進行測試分析。實施例2如圖4所示，以GaAs材料系半導(dǎo)體激光器為例。該器件由以下各部分組成:從上往下依次縱向?qū)盈B的具有散熱和高導(dǎo)電導(dǎo)熱功能的轉(zhuǎn)移襯底11，上散熱電極10，上重?fù)浇佑|層2，上限制層3，有源區(qū)4，下限制層5，下重?fù)浇佑|層6，下散熱電極91 ;其制備過程和方法如下:1.用普通MOCVD的方法在N+_GaAs襯底8上依次外延生長緩沖層7，腐蝕停層102，下重?fù)浇佑|層6，下限制層5，有源區(qū)4，上限制層3，上重?fù)浇佑|層2，其中犧牲層102采取高Al組分的AlGaAs或AlAs。2.制備上散熱電極10，采用電鍍或鍵合工藝進行襯底的轉(zhuǎn)移，得到具有散熱和高導(dǎo)電導(dǎo)熱功能的轉(zhuǎn)移襯底11;3.將外延片放到HF:H20=3:1 (體積比)腐蝕液中進行腐蝕，犧牲層102由于含Al組分較高，腐蝕液將快速從外延片兩側(cè)向中間腐蝕該層，從而將外延片與襯底8分離。4.制備下散熱電極91。5.解理，將芯片壓焊到熱沉上，即可進行測試分析。以上所述僅為本實用新型的具體實施例，并非用以限定本實用新型的保護范圍，凡其它未脫離權(quán)利要求書范圍內(nèi)所進行的各種改型和修改，均應(yīng)包含在本實用新型的保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.雙面散熱的高效大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于:其包括:從上往下依次縱向?qū)盈B的具有散熱和高導(dǎo)電導(dǎo)熱功能的轉(zhuǎn)移襯底(11 )，上散熱電極(10)，上重?fù)浇佑|層(2)，上限制層(3)，有源區(qū)(4)，下限制層(5)，下重?fù)浇佑|層(6)，下散熱電極(91)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙面散熱高效大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于:有源區(qū)(4)為單有源區(qū)或多有源區(qū)或大光腔結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙面散熱高效大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于:具有散熱和高導(dǎo)電導(dǎo)熱功能的轉(zhuǎn)移襯底(11 )，通過電鍍或鍵合工藝實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙面散熱的高效大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于:其在制備過程中引入外延結(jié)構(gòu)；所述的外延結(jié)構(gòu)帶有腐蝕停層或帶有犧牲層；帶有腐蝕停層的外延結(jié)構(gòu)，包括有依次縱向?qū)盈B的上重?fù)浇佑|層(2)，上限制層(3)，有源區(qū)(4)，下限制層(5)，下重?fù)浇佑|層(6)，腐蝕停層(101)，緩沖層(7)，襯底(8)； 帶有犧牲層的外延結(jié)構(gòu)，包括有依次縱向?qū)盈B的上重?fù)浇佑|層(2)，上限制層(3)，有源區(qū)(4)，下限制層(5)，下重?fù)浇佑|層(6)，犧牲層(102)，緩沖層(7)，襯底(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙面散熱的高效大功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于:所述腐蝕停層(101)及犧牲層(102)須和襯底(8)的材料晶格常數(shù)相匹配。
專利摘要雙面散熱的高效大功率半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。其包括從上往下依次縱向?qū)盈B的具有散熱和高導(dǎo)電導(dǎo)熱功能的轉(zhuǎn)移襯底，上散熱電極，上重?fù)浇佑|層，上限制層，有源區(qū)，下限制層，下重?fù)浇佑|層，下散熱電極。其在制備過程中引入外延結(jié)構(gòu)。所述的外延結(jié)構(gòu)帶有腐蝕停層或帶有犧牲層。帶有腐蝕停層的外延結(jié)構(gòu)，包括有依次縱向?qū)盈B的上重?fù)浇佑|層，上限制層，有源區(qū)，下限制層，下重?fù)浇佑|層，腐蝕停層，緩沖層，襯底。帶有犧牲層的外延結(jié)構(gòu)，包括有依次縱向?qū)盈B的上重?fù)浇佑|層，上限制層，有源區(qū)，下限制層，下重?fù)浇佑|層，犧牲層，緩沖層，襯底。本實用新型器件散熱性能好，激光輸出功率高，光電特性好。使用壽命長。節(jié)約成本。
文檔編號H01S5/024GK203056367SQ201220354910
公開日2013年7月10日 申請日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者沈光地, 馬莉, 陳依新 申請人:沈光地