双面散热的高效大功率半导体激光器制造技术

双面散热的高效大功率半导体激光器，属于半导体光电子技术领域。其包括：从上往下依次纵向层叠的具有散热和高导电导热功能的转移衬底，上散热电极，上重掺接触层，上限制层，有源区，下限制层，下重掺接触层，下散热电极。其在制备过程中引入外延结构。所述的外延结构带有腐蚀停层或带有牺牲层。带有腐蚀停层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层，上限制层，有源区，下限制层，下重掺接触层，腐蚀停层，缓冲层，衬底。带有牺牲层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层，上限制层，有源区，下限制层，下重掺接触层，牺牲层，缓冲层，衬底。本实用新型专利技术器件散热性能好，激光输出功率高，光电特性好。使用寿命长。节约成本。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

High efficiency and high power semiconductor laser with double side cooling

The utility model relates to a high efficiency and high power semiconductor laser with double side radiating, which belongs to the technical field of semiconductor optoelectronics. It includes: from having cooling and high thermal conductivity of the substrate transfer function down in turn and vertically stacked, cooling electrode on the heavily doped contact layer, the upper limiting layer, the active region, the lower limiting layer, the heavy doped contact layer, the lower radiating electrode. The epitaxial structure is introduced in the preparation process. The epitaxial structure is provided with an etch stop layer or a sacrificial layer. The invention relates to an epitaxial structure with an etching stop layer, which comprises an upper heavy contact layer, an upper limiting layer, an active region, a lower limiting layer, a lower contact layer, a corrosion stopping layer, a buffer layer and a substrate. An epitaxial structure with a sacrificial layer includes a top heavy contact layer, an upper limiting layer, an active region, a lower limiting layer, a lower contact layer, a sacrificial layer, a buffer layer, and a substrate. The utility model has the advantages of good radiating performance, high output power and good photoelectric property. Long service life. Cost saving.

【技术实现步骤摘要】

双面散热的高效大功率半导体激光器，属于半导体光电子
，涉及一种半导体激光器的材料生长、器件制备及散热技术。
技术介绍
半导体激光器又称激光二极管，经过几十年的发展，各项性能指标都达到了很高的水平。半导体激光器内量子效率较高，但其功率效率未必高，特别对于大功率半导体激光器而言，往往在大电流下工作，电流流经电阻区发热，同时，被半导体材料吸收的光最终也转换成热。因此，半导体激光器不仅仅是一个光源，还是一个热源，热的问题一直伴随着半导体激光器的诞生与发展。从最早的激光器只能在小功率、低温脉冲工作到今天可在大功率、较高的温度下连续工作，其技术改进的关键是提高效率、降低阈值电流密度、减少热量的产生和改进散热。热对于半导体激光器的影响主要表现在以下几个方面:1.与温度相关过程的存在。随着发热温度的升高，阈值电流升高，发光效率降低，不但减小光的产生和输出，同时也限制了最大工作功率。温度的变化会改变半导体载流子的分布与激光器的电学特性及输出的光谱特性，引起光谱与模式的变动。2.大功率半导体激光器的应用必然要求大的电流密度，大电流下的电热增加、烧毁与不稳定性很严重。3.激光器的工作寿命强烈地依赖于激光器的工作温度及热阻。综上，减少半导体激光器中热的产生和积累，提高其散热性，是高效大功率半导体激光器制备技术的首要问题。半导体激光器的衬底材料主要是GaAs，InP、GaN等II1- V族半导体材料,利用MOCVD或MBE等技术在衬底上生长外延材料，其结构如图1所示。由于载流子在有源区发生复合，因此器件的热量主要在此区域产生，同时光吸收发热和电流产生的热也很严重。半导体激光器衬底厚度一般为200 300 μ m,因而有源区与上电极相距较近，因此通常大功率半导体激光器的散热是将上电极与散热片连接起来，采用单面散热结构。由于温度高，热梯度大，热流大，通常散热片采用高导热材料，如金刚石薄膜和微通道结构等。然而即便如此，由于器件功率大，有源区等区域产生的热量多，很多热量仍然散发不出去，导致热积累，温度升高，器件光电性能变差，这也限制了器件功率的进一步提高。随着器件功率和温度的增力口，有源区产生的热量向衬底方向散发不出去，则高温区会随着热量的增加往衬底方向移动，导致温差越来越大，热积累越来越严重，最终烧毁器件。
技术实现思路
为了解决大功率半导体激光器的散热问题，本技术提出，如果能让有源区两侧的半导体材料都很薄，则下电极同样采用高导电、导热材料散热，形成双面散热的器件结构，那么热量就容易散发出去，不易在器件内部积累，则可获得更大功率和更优光电性能的半导体激光器。双面散热的高效大功率半导体激光器，包括:从上往下依次纵向层叠的具有散热和高导电导热功能的转移衬底11，上散热电极10，上重掺接触层2，上限制层3，有源区4，下限制层5，下重掺接触层6，下散热电极91。所述的双面散热的高效大功率半导体激光器的制备方法，其在制备过程中引入外延结构。所述的外延结构如图2和图3所示，所述的外延结构带有腐蚀停层或带有牺牲层。图2为带有腐蚀停层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层2，上限制层3，有源区4，下限制层5，下重掺接触层6，腐蚀停层101，缓冲层7，衬底8。图3为带有牺牲层的外延结构，包括有依次纵向层叠的上重掺接触层2，上限制层3，有源区4，下限制层5，下重掺接触层6，牺牲层102，缓冲层7，衬底8。具体制备方法如下，以GaAs材料系半导体激光器为例:1、首先在器件外延层结构中弓丨入腐蚀停层101，腐蚀停层101生长在缓冲层7与下重掺接触层6之间，采用GaInP材料。激光器制备时，先在上重掺接触层2上制备上散热电极10，然后在上散热电极10上制备出转移衬底11，再将衬底8减薄至50 μ m左右，利用腐蚀液NH4OH =H2O2=1: 10体积比将衬底8及缓冲层7腐蚀掉，由于腐蚀液对不同材料的腐蚀速度具有选择比，腐蚀衬底的腐蚀液在腐蚀停层101处腐蚀速度非常慢，可近似认为停止腐蚀。再用腐蚀液HCl:H20=3:1体积比去除腐蚀停层101，得到无衬底的器件结构，最后在下重掺接触层6上制备下散热电极91，从而得到双面散热的高效大功率半导体激光器。或者:2、首先在器件外延层结构中引入牺牲层102，牺牲层102生长在缓冲层7与下重掺接触层6之间，一般采用高Al组分的AlGaAs或AlAs材料。激光器制备时，先在上重掺接触层2上制备上散热电极10，在上散热电极10上制作转移衬底11，由于牺牲层102含Al组分较高，将器件浸泡在HF酸溶液中腐蚀，牺牲层腐蚀速度很快，因此使用侧向腐蚀的方法腐蚀掉牺牲层102，将衬底8及缓冲层7与器件分离，得到无衬底的器件结构，最后在下重掺接触层6上制备下散热电极91，得到双面散热的高效大功率半导体激光器。对于GaN材料系的半导体激光器，衬底8用激光剥离去除，腐蚀停层101采用InGaN，腐蚀停层101的腐蚀液为H3PO4溶液；牺牲层102采用AlGaN，腐蚀液为HF酸。对于InP材料系的半导体激光器，腐蚀停层101采用InGaP，腐蚀液为HCl溶液；牺牲层102为InGaAsP,腐蚀液为H3P04溶液。具有散热和高导电导热功能的转移衬底11，通过电镀或键合工艺实现。腐蚀停层101及牺牲层102须和衬底8的材料晶格常数相匹配。所述的腐蚀停层101采用GaInP层，牺牲层102采高Al组分的AlGaAs层或AlAs层。当牺牲层102通过侧向腐蚀的方式牺牲掉时，将器件浸入到含HF酸的腐蚀液中腐蚀，其腐蚀速度很快，腐蚀液快速从外延片两侧向中间腐蚀牺牲层102，由此将衬底8和器件分离，得到无衬底的器件结构。牺牲层102厚度可达5 20 μ m甚至更厚，视能够将衬底8完全分离而定。腐蚀衬底8及缓冲层7的溶液腐蚀到腐蚀停层101后腐蚀速度非常慢，腐蚀停层101可保护外延层不会被破坏，保证激光器的光电性能，此时采用的腐蚀液为NH4OH:H2O2=1: 10 (体积比)，腐蚀停层在制备下散热电极91前利用腐蚀液HCl:H20=3:1 (体积比)腐蚀掉。有源区4为单有源区或多有源区或大光腔结构或超晶格结构。分离出的衬底8经过加工仍可重复使用。本技术具有以下优点:1.器件散热性能好，激光输出功率高，光电特性好。本技术采取的双面散热的器件结构，能快速有效地将器件内部的热量散发出去，激光器内部温升小，因此，该结构可显著提高激光器的输出功率，大大提升器件光电性能和稳定性，可靠性，不用担心因热产生的烧毁问题。本技术中，无衬底的有源区器件上下均采取高导电、导热的电极散热，形成双面散热的器件结构，则重掺接触层2，上限制层3，有源区4，下限制层5和下重掺接触层6产生的热量通过上下散热电极散发出去，可大大增加器件散热性能，得到高效高性能大功率半导体激光器。2.寿命长。本技术采取的双面散热的器件结构，其散热性好，器件工作时温度降低，稳定性好，可大大提高激光器的使用寿命。3.节约成本。本技术中，双面散热比单面散热效果好得多，可降低单面散热复杂的工艺和昂贵的成本(如用金刚石薄膜)，且分离出的衬底经过加工仍可重复利用，大大节约器件的制备成本。附图说明图1:普通大功率半导体激光器器件结构示意图；图2:含有牺牲层的半导体激光器外本文档来自技高网...

【技术保护点】
双面散热的高效大功率半导体激光器，其特征在于：其包括：从上往下依次纵向层叠的具有散热和高导电导热功能的转移衬底（11），上散热电极（10），上重掺接触层（2），上限制层（3），有源区（4），下限制层（5），下重掺接触层（6），下散热电极（91）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈光地，马莉，陈依新，
申请(专利权)人：沈光地，
类型：实用新型
国别省市：