一種雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)，包括：襯底；有源區(qū)，其均勻生長(zhǎng)在襯底的上表面；上波導(dǎo)，其均勻生長(zhǎng)在有源區(qū)的上表面；正面金屬電極層，其均勻生長(zhǎng)在上波導(dǎo)上表面；熱沉，其與器件的上波導(dǎo)層通過(guò)所述正面金屬電極層鍵合連接；絕緣層，其均勻的覆蓋在半導(dǎo)體激光器的脊波導(dǎo)兩側(cè)，且脊波導(dǎo)的脊表面開(kāi)有電注入窗口；背面金屬電極層，其均勻生長(zhǎng)在絕緣層的外表面，作為激光器的背面電極；電鍍金屬層，其分布在脊波導(dǎo)的兩側(cè)，且與背面金屬電極層實(shí)現(xiàn)電隔離，作為激光器的正面電極；圖形化布線熱沉，其通過(guò)焊料層分別與背面金屬電極層和電鍍金屬層連接。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種大功率量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，更具體而言，是利用雙面散熱技術(shù)改善大功率量子級(jí)聯(lián)激光器散熱的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是一種基于電子在多量子阱中共振燧穿及子帶躍遷的單極器件，是一種優(yōu)質(zhì)的中紅外光源，其波長(zhǎng)覆蓋3?24um。
[0003]QCL自從1994年誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，通過(guò)不斷改進(jìn)有源區(qū)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)器件的封裝方式，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單管室溫連續(xù)5.1W，轉(zhuǎn)化效率21% [Y.Bai, et al, ApliedPhysics Letters 98，181102 (2011)]，單管脈沖工作 120W，轉(zhuǎn)化效率 13% [Y.Bai, et al,Aplied Physis Letters 95,221104(2009)];目前報(bào)道的文章中QCL轉(zhuǎn)化效率室溫下均低于30%，意味著器件中超過(guò)70%的注入功率轉(zhuǎn)化為熱量，嚴(yán)重的影響了器件性能的提高，這也成為制約其功率進(jìn)一步提升的關(guān)鍵因素。世界范圍內(nèi)QCL相關(guān)研究組在散熱方面的工作，主要集中在單面散熱模型的優(yōu)化上，如器件采用倒裝焊結(jié)構(gòu)、熱沉使用更高熱導(dǎo)率的材料、使用高熱導(dǎo)率的半絕緣InP代替Si02作為絕緣膜。上述方法均從提高器件的側(cè)向與外延面方向散熱的角度進(jìn)行，而忽略了器件襯底方向的散熱，從而限制了器件的散熱效率的進(jìn)一步提聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述一個(gè)問(wèn)題或多個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)QCL器件的高效率散熱，同時(shí)利用雙面散熱技術(shù)有利于制作大功率QCL單管器件及大功率QCL陣列器件。
[0005]本發(fā)明提供了一種雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括:
[0006]襯底；
[0007]有源區(qū)，其均勻生長(zhǎng)在襯底的上表面；
[0008]上波導(dǎo)，其均勻生長(zhǎng)在有源區(qū)的上表面；
[0009]正面金屬電極層，其均勻生長(zhǎng)在上波導(dǎo)上表面；
[0010]熱沉，其與器件的上波導(dǎo)層通過(guò)所述正面金屬電極層鍵合連接；
[0011]絕緣層，其均勻的覆蓋在半導(dǎo)體激光器的脊波導(dǎo)兩側(cè)，且脊波導(dǎo)的脊表面開(kāi)有電注入窗口 ；
[0012]背面金屬電極層，其均勻生長(zhǎng)在絕緣層的外表面，作為激光器的背面電極；
[0013]電鍍金屬層，其分布在脊波導(dǎo)的兩側(cè)，且與背面金屬電極層實(shí)現(xiàn)電隔離，作為激光器的正面電極；
[0014]圖形化布線熱沉，其通過(guò)焊料層分別與背面金屬電極層和電鍍金屬層連接。
[0015]本發(fā)明提出的上述方案從器件有源區(qū)的上表面和下表面兩個(gè)方向出發(fā)，通過(guò)熱模擬優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)，提出雙面散熱的量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)。采用雙面散熱器件構(gòu)型，能夠大大提高散熱效率，使器件有源區(qū)溫度大幅降低，功率熱飽和效應(yīng)延后發(fā)生，最終有利于激光器功率的提高。
[0016]本發(fā)明最重要的是能夠?qū)CL器件的有源區(qū)通過(guò)一系列的方法制作在其上下的兩個(gè)熱沉之間，從而該器件可以向上、下兩個(gè)方向的熱沉散熱，而且通過(guò)鍵合技術(shù)與襯底減薄技術(shù)使得有源區(qū)到兩個(gè)熱沉的散熱路徑大大縮短，提高散熱效率。
[0017]本發(fā)明結(jié)合了倒裝焊器件的散熱優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又增加了一條襯底方向的散熱通道，使得QCL器件散熱效率大大提高。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明中雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)的出光腔面平行方向的截面示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明中圖形化布線熱沉的三維示意圖；
[0020]圖3(a)?(b)為單面散熱與雙面散熱器件構(gòu)型熱學(xué)模擬的對(duì)比圖；其中，圖3(a)為單面散熱器件構(gòu)型的熱學(xué)模擬圖；圖3(b)為雙面散熱器件構(gòu)型的熱學(xué)模擬圖；
[0021]圖4為本發(fā)明中雙面散熱器件構(gòu)型中器件最高溫度隨襯底厚度變化的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]圖1給出了本發(fā)明中雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)出光腔面平行方向的截面示意圖。如圖1所示，其器件包括:
[0024]一襯底 105 ；
[0025]一有源區(qū)104，其均勻生長(zhǎng)在襯底105的上表面；
[0026]一上波導(dǎo)103，其均勻生長(zhǎng)在有源區(qū)104的上表面；
[0027]—正面金屬電極層102,其均勻生長(zhǎng)在上波導(dǎo)103上表面；
[0028]一熱沉101，其與器件的上波導(dǎo)層103通過(guò)正面電極層102進(jìn)行金屬鍵合結(jié)合在一起;
[0029]一絕緣層106，其均勻的覆蓋在由上波導(dǎo)103、有源區(qū)104和襯底105組成的脊波導(dǎo)的上面和側(cè)面，且在脊波導(dǎo)的脊表面的絕緣層106上通過(guò)腐蝕的方法開(kāi)出電注入窗口112 ；
[0030]一背面金屬電極層107，其均勻生長(zhǎng)在絕緣層106的上表面，作為激光器的背面電極；
[0031]一電鍍金屬層108，其與正面電極層102的下表面連接，且分布在脊波導(dǎo)的兩側(cè)，且與背面金屬電極層107實(shí)現(xiàn)電隔離，作為激光器的正面電極；
[0032]一圖形化布線熱沉111，其通過(guò)焊料層109分別與圖形化的背面金屬電極層107和電鍍金屬層108結(jié)合在一起。
[0033]圖2為本發(fā)明中圖形化布線熱沉的三維示意圖。如圖2所示，其圖形化布線熱沉包括:
[0034]熱沉材料111，可以是熱導(dǎo)率比較高但又絕緣的SiC、AlN或金剛石片。
[0035]金屬化層110，厚度為150nm。該金屬化層110包括三個(gè)矩形區(qū)域和其各自端部的正方形的焊線區(qū)，其中中間矩形區(qū)域的寬度介于電注入窗口 112的寬度與背面金屬電極層107的寬度之間，兩側(cè)的矩形區(qū)域與激光器電鍍金屬層108的寬度一致，三個(gè)矩形區(qū)域之間依次隔離，隔離溝寬50um。三個(gè)矩形區(qū)域的長(zhǎng)度為4?5mm，其后端的正方向焊線區(qū)邊長(zhǎng)為200 X 200um,焊線區(qū)已經(jīng)使用線框標(biāo)注出來(lái)。
[0036]焊料層109，通過(guò)電鍍的方法在金屬化層110的上表面電鍍形成與110相同形狀的焊料層109，電鍍時(shí)將正方形焊線區(qū)保護(hù)起來(lái)，不進(jìn)行電鍍，而金屬化110的其他部分進(jìn)行電鍍焊料層109。
[0037]最終如圖1所示，將背面電極金屬層107的中心與圖形化布線熱沉中間的矩形焊料層109的中心進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，器件脊波導(dǎo)兩側(cè)的電鍍金層108與圖形化布線熱沉上兩側(cè)的矩形焊料層109進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。然后焊接在一起，雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)制作成功。
[0038]下面根據(jù)具體參數(shù)描述其中一個(gè)實(shí)施例的具體情況，有助于更加一步理解本發(fā)明的應(yīng)用方法與優(yōu)勢(shì)所在。
[0039]一襯底105，材料為InP材料，摻雜濃度為3X 1017cm_3，其厚度為1um以下，優(yōu)選為5?1um的范圍內(nèi)；
[0040]一有源區(qū)104,其材料由InGaAs/InAlAs交替生長(zhǎng)而成,總厚度在1.5?2.1um,其均勻生長(zhǎng)在襯底105的上表面；
[0041]一上波導(dǎo)103，材料為InP，包括兩部分，其一為低摻的InP，摻雜濃度為3?4X 1016cm_3,厚度為1.4?3um ;其二為高摻的InP材料,摻雜濃度大于I X 1018cm_3,最好大于5X1018cm_3，厚度200?400nm，高摻層與低摻層依次均勻的生長(zhǎng)在有源區(qū)104的上表面；
[0042]一正面金屬電極層102，其材料為T(mén)i/Au = 40/250nm組成，其依次均勻生長(zhǎng)在上波導(dǎo)103上表面，作為正面電極層與歐姆接觸層，與上波導(dǎo)中的高摻雜部分形成歐姆接觸；
[0043]—熱沉101,使用SiC、AlN或金剛石等聞導(dǎo)熱系數(shù)的晶片作為基體,上、下兩個(gè)表面均通過(guò)電子束蒸發(fā)一層10nm后的Au，其與器件的上波導(dǎo)層103通過(guò)正面電極層102進(jìn)行金屬鍵合結(jié)合在一起，其厚度為300?500um ；
[0044]一絕緣層106，為Si02薄膜，厚度為450nm，其均勻的覆蓋在半導(dǎo)體激光器的脊波導(dǎo)上，且脊波導(dǎo)的上表面絕緣層通過(guò)腐蝕的方法開(kāi)出窗口 112，窗口寬度為?5um;
[0045]一背面金屬電極層107，其為Ge/Au/Ni/Au，厚度為400nm，其均勻生長(zhǎng)在絕緣層106的上表面，作為激光器的背面電極，與襯底形成歐姆接觸；
[0046]—電鍍金屬層108，通過(guò)電鍍Au形成，其高度與激光器脊的高度等同，且分布在脊波導(dǎo)的兩側(cè)，與背面金屬電極層107實(shí)現(xiàn)電隔離，作為激光器的正面電極；
[0047]一圖形化布線熱沉111，其材料使用SiC、AlN或金剛石等高熱導(dǎo)率的晶片，其厚度為300?500um，且其中所述熱沉上的圖案與半導(dǎo)體激光器器件的正面電極與背面電極相匹配；通過(guò)焊料層109分別與背面金屬電極層107和電鍍金屬層108結(jié)合在一起。
[0048]雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器具有更加優(yōu)異的散熱性能，通過(guò)以下兩種器件構(gòu)型的熱學(xué)模擬可以說(shuō)明雙面散熱器件比單面散熱具有更大的優(yōu)勢(shì)。
[0049]圖3(a)?(b)為單面散熱與雙面散熱兩種器件構(gòu)型散熱模擬圖，其中圖3(a)為單面散熱器件構(gòu)型的散熱模擬圖3(b)為雙面散熱器件構(gòu)型的散熱模擬圖。模擬所使用的參數(shù)如下:脊寬14um，注入功率12W，熱沉溫度300°C，如圖所示，首先，單面散熱器件結(jié)構(gòu)的有源區(qū)最高溫度比雙面散熱器件結(jié)構(gòu)具有更高的溫度，說(shuō)明雙面散熱效果更好。其次，雙面散熱器件側(cè)向散熱比例比單面散熱器件的側(cè)向散熱比例增加了 65 %左右，提高了器件橫向散熱的比重，使器件四個(gè)方向的散熱更加均勻。
[0050]圖4給出了雙面散熱構(gòu)型中，有源區(qū)最高溫度隨襯底厚度的變化，如圖所示，在同一電注入功率下，襯底厚度越薄，有源區(qū)熱量散失到圖形化熱沉的路徑就越短，相應(yīng)的有源區(qū)溫度將越低，綜合考慮器件工藝難度與散熱效果，我們選擇將襯底減薄至5?lOum。
[0051]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙面散熱量子級(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 襯底； 有源區(qū)，其均勻生長(zhǎng)在襯底的上表面； 上波導(dǎo)，其均勻生長(zhǎng)在有源區(qū)的上表面； 正面金屬電極層，其均勻生長(zhǎng)在上波導(dǎo)上表面； 熱沉，其與器件的上波導(dǎo)層通過(guò)所述正面金屬電極層鍵合連接； 絕緣層，其均勻的覆蓋在半導(dǎo)體激光器的脊波導(dǎo)兩側(cè)，且脊波導(dǎo)的脊表面開(kāi)有電注入窗口 ； 背面金屬電極層，其均勻生長(zhǎng)在絕緣層的外表面，作為激光器的背面電極； 電鍍金屬層，其分布在脊波導(dǎo)的兩側(cè)，且與背面金屬電極層實(shí)現(xiàn)電隔離，作為激光器的正面電極； 圖形化布線熱沉，其通過(guò)焊料層分別與背面金屬電極層和電鍍金屬層連接。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述脊波導(dǎo)依次包括上波導(dǎo)、有源區(qū)和襯底，且脊表面為襯底下表面。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述圖形化布線熱沉包括: 熱沉材料層； 金屬化層，其分布在熱沉材料層表面，其端部具有焊線區(qū)； 焊料層，其分布在金屬化層除焊線區(qū)之外的區(qū)域。
4.如權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬化層分三個(gè)區(qū)域，該三個(gè)區(qū)域上分別通過(guò)焊料層與背面金屬電極層和電鍍金屬層連接。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述的襯底材料為InP材料，摻雜濃度為3X 117CnT3,其厚度為1um以下。
6.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述上波導(dǎo)的材料由低摻層和高摻層構(gòu)成，高摻層摻雜濃度大于I X 118CnT3。
7.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其中所述正面金屬電極層的材料使用Ti/Au，其與上波導(dǎo)中的高摻部分形成歐姆接觸。
8.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述背面金屬電極層使用Ge/Au/Ni/Au結(jié)構(gòu)，其與襯底形成歐姆接觸。
9.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述熱沉使用SiC、AlN或金剛石，其厚度為300?500umo
10.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述圖形化布線熱沉的材料為SiC、AlN或金剛石，其厚度為300?500um。
【文檔編號(hào)】H01S5/024GK104362507SQ201410687356
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】閆方亮, 張錦川, 劉峰奇, 卓寧, 劉俊岐, 王利軍, 王占國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所