專利名稱：增強散熱的半導體激光器及其制備方法
技術領域：
本發明屬于光電技術領域，具體涉及一種半導體激光器，特別是增強腔面散熱的半導體激光器及其制備方法。
背景技術：
半導體激光器(DL)是近年來激光器發展的一個重要方向，由于其體積小，功率高， 壽命長等特點，在醫療、工農業加工以及軍事領域中的激光武器、測距、制導、探潛等方面具有極其廣闊的應用前景。半導體激光器的功率和壽命是衡量其性能的重要指標，目前腔面光學災變現象是限制高功率半導體激光器功率和壽命提高的一個關鍵因素。腔面光學災變一方面限制了半導體激光器最大輸出功率，因為隨著激光器光功率增加，會在腔面附近產生更多的熱，導致腔面溫度升高，最終將腔面熔融燒毀；另一方面限制了激光器工作壽命，因激光器腔面隨工作時間延長會發生褪化，腔面光學災變閾值緩慢降低，最終導致在正常工作光功率下燒毀。半導體材料氧化或其他雜質缺陷導致在激光器腔面存在深能級(界面態)，在腔面附近光吸收產生的電子，空穴對在腔面區域通過表面態產生非輻射復合，使腔面發熱導致腔面附近帶隙減小，加劇了腔面光吸收，同時電流也更集中于腔面附近窄帶隙區域。這樣形成正反饋環，當溫度足夠高時，導致腔面燒毀，即腔面光學災變。目前控制腔面光學災變的技術包括以下幾類
I、腔面鈍化處理技術。其操作方法是首先在大氣中將芯片解理，然后浸泡在硫化銨等鈍化溶液中，溶液中的鈍化物質會填充到激光器腔面的懸掛鍵上，穩定腔面結構從而達到提高腔面損傷閾值的目的。2、腔面鈍化薄膜技術。早在1996年摩爾多瓦科技大學的A. V. Syrbu等人就提出使用ZnSe做為鈍化薄膜提高半導體激光器的輸出功率，近年來越來越多的報道提出了包括ZnSe、Si、Si3N4在內的鈍化薄膜制備方法，2009年和2010年中電十三所和中科院長春光機所分別報道了利用Si和ZnSe制備鈍化薄膜的實驗結果。鈍化薄膜的制備目前主要是通過離子輔助電子束蒸發的方法實現的，在沉積鈍化薄膜之前，激光器的腔面需要經過清洗去除表面氧化物，一般采取低能離子轟擊的方式。3、超高真空解理技術。此技術與腔面鈍化薄膜技術的結合進一步的提高了腔面抗腔面光學災變的能力。將半導體激光器芯片在超高真空中解理開后原位沉積鈍化薄膜可以防止空氣中氧氣對腔面的氧化損傷，而且可以省略制備鈍化薄膜前的清洗步驟，從而防止清洗步驟對腔面的損傷，這在最大限度上保護了腔面結構的完好。4、非輻射吸收窗口技術。該技術是通過在激光器腔面二次外延生長或摻雜擴散的方法制備一層寬禁帶半導體材料，其目的是減少光子在此區域的輻射吸收，降低腔面的溫度。2009年中科院半導體所的研究小組報道了利用擴散Zn原子制備非輻射吸收窗口的半導體激光器實驗結果，其測試結果表明非輻射吸收窗口能夠提高激光器的功率。雖然上述方法能在一定程度上解決腔面光學災變問題，但是各種方法工藝難度較大，成本較高，而且不能很好的控制腔面的溫度。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種增強腔面散熱的半導體激光器及其制備方法，采用這種半導體激光器能更好的阻擋其他電子穿過散熱層進入腔面材料中，從而提聞腔面損傷閾值，提聞半導體激光器的功率與壽命。本發明的解決方案是一種增強散熱的半導體激光器，包括襯底上的下金屬化層， 下限制層，下波導層，下過渡層，量子阱層，上過渡層，上波導層，上限制層，上金屬化層，以及上下金屬電極，其特點是在半導體激光器前后腔面上設有一層碳納米管薄膜，在前腔面的碳納米管薄膜上沉積增透膜，在后腔面的碳納米管薄膜上沉積高反射膜。本發明中，利用碳納米管薄膜透光并且熱導率非常高的特性，通過碳納米管透明導熱薄膜增強半導體激光器腔面的散熱能力，使腔面局部的熱量快速的散發到周圍腔面或者熱沉上，使腔面的局部溫度不會過高，從而防止腔面光學災變，提高腔面的損傷閾值，有利于提高半導體激光器的功率與壽命。本發明的解決方案中可在半導體激光器前后腔面上沉積一層保護薄膜，在保護薄膜上沉積一層碳納米管薄膜。真空解理后真空中在前后腔面首先沉積一層鈍化保護薄膜， 其作用是保護激光器腔面不被大氣環境氧化。上述增強散熱的半導體激光器的制備方法，其特點是包括以下步驟
A、在N型襯底上依次外延生長半導體激光器結構，包括下金屬化層，下限制層，下波導層，下過渡層，量子阱層，上過渡層，上波導層，上限制層，上金屬化層，然后制備金屬電極；
B、沿芯片邊緣線解理，在前后腔面上制備一層碳納米管薄膜；
C、在碳納米管薄膜上前腔面沉積增透膜，后腔面沉積高反射膜；
D、芯片焊接到熱沉，壓焊電極引線。本發明制備方法的解決方案中采用在于真空解理后的激光器腔面在真空中沉積一層保護薄膜，然后再在保護薄膜上覆蓋一層碳納米管薄膜。本發明制備方法的解決方案中碳納米管薄膜制備是采用從碳納米管超順排陣列中利用抽拉法制備出來，其具體過程是將超順排陣列襯料固定后，利用夾具夾住超順排陣列的邊緣，然后勻速穩定的向外拉，碳納米管則會首尾相連的形成連續的薄膜。碳納米管采用單壁碳納米管或雙壁或多壁碳納米管。碳納米管的厚度為5納米至10微米。本發明的優點本發明通過半導體激光器前后腔面上設有一層碳納米管薄膜，利用碳納米管薄膜透光并且熱導率非常高的特性，通過碳納米管透明導熱薄膜增強半導體激光器腔面的散熱能力，使腔面局部的熱量快速的散發到周圍腔面或者熱沉上，使腔面的局部溫度不會過高，從而防止腔面光學災變，提高腔面的損傷閾值，有利于提高半導體激光器的功率與壽命。該方法簡單實用，適用于各種半導體激光器腔面的散熱增強處理。
圖I為本發明增強散熱的半導體激光器結構示意圖。
具體實施方式
實施例本發明實施例如圖I所示，以寬條半導體激光器為例，制備增強散熱的半導體激光器包括以下步驟
I、在襯底I上依次外延生長半導體激光器結構，包括下金屬化層2，下限制層3，下波導層4，下過渡層5，量子阱層6，上過渡層7，上波導層8，上限制層9，上金屬化層10。2、完成N面11和P面12金屬電極的制備。3、沿芯片邊緣線解理。4、真空解理后需要在真空中給前后腔面沉積一層鈍化保護薄膜13。5、在前后腔面上制備一層碳納米管薄膜14，制備方法是從碳納米管超順排陣列中利用抽拉法制備出來，然后將碳納米管薄膜鋪到腔面上，最后切斷薄膜邊緣。其中碳納米管采用單壁碳納米管，碳納米管的厚度為20納米。6、在前腔面的碳納米管薄膜14上沉積增透膜15，在后腔面的碳納米管薄膜14上沉積高反射膜16，
7、芯片焊接到熱沉，壓焊電極引線。
權利要求
1.一種增強散熱的半導體激光器，包括襯底(I)上的下金屬化層(2)，下限制層(3)，下波導層(4)，下過渡層(5)，量子阱層(6)，上過渡層(7)，上波導層(8)，上限制層(9)，上金屬化層(10)，以及上下金屬電極(11、12)，其特征在于在半導體激光器前后腔面上設有一層碳納米管薄膜(14)，在前腔面的碳納米管薄膜(14)上沉積增透膜(15)，在后腔面的碳納米管薄膜(14)上沉積高反射膜(16)。
2.根據權利要求I所述的增強散熱的半導體激光器，其特征在于在半導體激光器前后腔面上沉積一層保護薄膜(13)，在保護薄膜(13)上覆蓋一層碳納米管薄膜(14)。
3.—種如權利要求I所述的增強散熱的半導體激光器的制備方法，其特征在于包括以下步驟A、在襯底(I)上依次外延生長半導體激光器結構，包括下金屬化層(2)，下限制層(3)，下波導層(4)，下過渡層(5)，量子阱層(6)，上過渡層(7)，上波導層(8)，上限制層 (9),上金屬化層(10),以及上下金屬電極(11、12)；B、沿芯片邊緣線解理，在前后腔面上覆蓋一層碳納米管薄膜(14);C、在碳納米管薄膜(14)上前腔面沉積增透膜(15)，后腔面沉積高反射膜(16)；D、芯片焊接到熱沉，壓焊電極引線。
4.根據權利要求3所述的增強散熱的半導體激光器的制備方法，其特征在于真空解理后的激光器腔面在真空中沉積一層保護薄膜(13)，然后再在保護薄膜(13)上沉積一層碳納米管薄膜(14)。
5.根據權利要求3所述的增強散熱的半導體激光器的制備方法，其特征在于碳納米管薄膜(14)的制備方法是將碳納米管薄膜鋪到腔面上，碳納米管薄膜可由碳納米管超順排陣列中利用抽拉法制備。
6.根據權利要求5所述的增強散熱的半導體激光器的制備方法，其特征在于碳納米管為單壁碳納米管或雙壁或多壁碳納米管。
7.根據權利要求5所述的增強散熱的半導體激光器的制備方法，其特征在于碳納米管的厚度為5納米至10微米。
全文摘要
本發明涉及一種半導體激光器，特別是增強腔面散熱的半導體激光器及其制備方法。半導體激光器包括襯底上的下金屬化層，下限制層，下波導層，下過渡層，量子阱層，上過渡層，上波導層，上限制層，上金屬化層，以及上下金屬電極，在半導體激光器前后腔面上設有一層碳納米管薄膜，在前后腔面的碳納米管薄膜上沉積增透膜和高反射膜。制備方法是沿芯片邊緣線解理，在前后腔面上制備一層碳納米管薄膜；在碳納米管薄膜上前腔面沉積增透膜，后腔面沉積高反射膜；芯片焊接到熱沉，壓焊電極引線。本發明防止腔面光學災變，提高腔面的損傷閾值，有利于提高半導體激光器的功率與壽命。
文檔編號H01S5/024GK102593711SQ20121007561
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者李弋, 武德勇, 鄭鋼, 高松信 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所