[發明專利]襯底上分布有導熱通道的量子級聯激光器

無效

• 申請號: 201210179220.6
• 申請日: 2012-06-01
• 公開（公告）號: CN102709812A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 晏長嶺;李鵬;徐莉;馮源;郝永芹;趙英杰
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: H01S5/34
• 分類號: H01S5/34;H01S5/024
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 陶尊新

技術領域

本發明涉及一種襯底上分布有導熱通道的量子級聯激光器，屬于半導體激光器技術領域。

背景技術

量子級聯激光器是基于單一載流子（電子）因量子限制效應所形成的導帶子帶間躍遷的一種單極半導體激光器。量子級聯激光器的發射波長涵蓋3~5μm和8~14μm中遠紅外波段、15~300μm遠紅外波段，涵蓋了NO₂、CO₂、CO等氣體的特征吸收峰。量子級聯激光器在軍事、民用領域均得到應用，如遠距離光通信、痕量氣體檢測、環境污染監測等。

現有量子級聯激光器其組成部分自下而上依次為下電極1、襯底2、下波導層3、有源級聯增益區4、上波導層5、歐姆接觸層6、上電極7，在上電極7與下波導層3、有源級聯增益區4、上波導層5、歐姆接觸層6之間有絕緣鈍化層8，見圖1所示。例如Appl.Phys.Lett.,vol.80.no.22,p.4901,2002報道了一種較為典型的量子級聯激光器，其組成部分自下而上依次為：下電極、n-InP襯底、N-InP或者N-InGaAs下波導層、InGaAs/InAlAs有源級聯增益區、N-InP或N-InGaAs上波導層、高摻雜N-InGaAs頂層歐姆接觸層、SiO₂絕緣鈍化層、上電極。在封裝方面通常采用正裝方式，即由焊接層9將下電極1與熱沉10焊接起來，見圖1所示，焊接層9材料為高導熱焊料。由于有源級聯增益區4和熱沉10之間有150~200微米厚的襯底2相隔，致使這種正裝的封裝方式散熱效果很差，從而降低器件的輸出特性，如閾值較高、電光轉化效率低、光輸出功率較低等。為了改善散熱，現有技術采用倒裝方式，即上電極與熱沉用高導熱焊料焊接，見文獻Proc.of?SPIE,vol.6127,p.612703-1,2006，這種倒裝的封裝方式明顯改善量子級聯激光器的散熱狀況。但是，在采用倒裝方式封裝的量子級聯激光器中，由于量子級聯激光器腔面與焊料之間只有5~6微米左右的距離，而量子級聯激光器的激勵電壓通常在10伏特左右，單管的工作電流在1安培左右，所以，很容易產生短路現象。并且，在器件的封裝焊接過程中很容易因腔面被污染而產生腔面損傷，從而降低器件輸出特性，也使器件壽命下降。再有，由于InGaAs/InAlAs有源級聯增益區、N-InP或N-InGaAs上波導層、高摻雜N-InGaAs頂層歐姆接觸層晶體材料與熱沉之間的晶格不匹配，會產生很大的應力。以上這些不利因素還造成量子級聯激光器工作壽命的縮短。

發明內容

為了在采用正裝的封裝方式的同時改善量子級聯激光器的散熱狀況，進而提高器件的輸出特性，我們發明了一種襯底上分布有導熱通道的量子級聯激光器。

本發明之襯底上分布有導熱通道的量子級聯激光器封裝方式為正裝，下電極與熱沉焊接，其特征在于，見圖2所示，導熱襯底11上分布導熱通道12，下電極為彎折下電極13，彎折下電極13的彎折走勢與導熱襯底11底面14及導熱通道12表面走勢相同，并且，彎折下電極13覆蓋導熱襯底11底面14及導熱通道12表面；在導熱通道12中填充導熱焊料15，彎折下電極13與熱沉10由導熱焊料15焊接。

本發明其技術效果在于，在量子級聯激光器的制造過程中，在襯底2上制作下波導層3、有源級聯增益區4、上波導層5、歐姆接觸層6、上電極7以及絕緣鈍化層8之后，自襯底2底面采用掩膜、光刻、腐蝕工藝刻蝕導熱通道12，襯底2成為導熱襯底11，見圖3、圖4所示。之后采用金屬化工藝在導熱襯底11底面14及導熱通道12表面上覆蓋金屬膜，完成彎折下電極13的制作，見圖5所示。再在導熱通道12中借助虹吸現象及表面吸附填充導熱焊料15，見圖6所示，同時由導熱焊料15將彎折下電極13與熱沉10焊接起來，見圖7所示。具有良好導熱性能的導熱焊料15十分接近有源級聯增益區4，因此，能夠將量子級聯激光器工作時產生的熱量及時、大量傳導到熱沉10，明顯改善量子級聯激光器的散熱狀況。由于本發明之量子級聯激光器在封裝方面屬于下電極與熱沉焊接，因此，其封裝方式為正裝，但是，本發明與現有技術中的倒裝封裝量子級聯激光器相比，散熱效率基本相同，卻不存在倒裝封裝方式帶來的技術問題，如容易發生擊穿短路、腔面容易被污染而產生腔面損傷、器件輸出特性降低、器件壽命下降等。然而，本發明與現有技術中的正裝封裝量子級聯激光器相比，器件的散熱效率提高30%以上，器件的電光轉換率提高20%以上，器件的輸出功率提高20%以上。

附圖說明