[发明专利]新型低成本叠层阵列液体制冷半导体激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子器件制造领域，涉及一种半导体激光器，尤其是一种新型低成本的叠层阵列式液体制冷半导体激光器及其制备方法。 

背景技术

半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。随着半导体激光器性能稳定性、转换效率和输出功率的不断提高，大功率半导体激光器在工业，医疗和军事中的应用更加广泛，市场需求巨大，发展前景更加广阔。 

目前，大功率半导体激光器要解决的仍是输出功率和转换效率的进一步增大，可靠性和性能稳定性提高，成本继续降低等问题。半导体激光器的性能除了与芯片有关外，还跟激光器的封装和散热有关。为了提高激光器的可靠性和性能稳定性，降低生产成本，设计高可靠性的封装结构和高效的散热结构是必须的。 

 现有技术中，大功率半导体激光器叠层阵列有传导冷却垂直叠阵GS 型(Rosenberg，Paull；Reichert，Patrickl et.Highly reliable hard solderedQCW laser diode stack packaging platform，Proceedings of SPIE，v 6456，2007)、液体制冷垂直叠阵GS型(武德勇，严地勇，唐淳，高松信，高平均功率面阵二极管激光器散热分析，强激光与粒子束，第V13(5)，2001.9)及微通道液体制冷型(David K.Wagneret al，Semiconductor laser array，USPatent 5311530)三种封装形式。 

对于传导冷却垂直叠阵GS型而言，如图10所示，由于其采用被动散热方式，容易造成热量累积，激光器温度上升，导致激光器的波长漂移，寿命和可靠性下降，功率扩展受到限制；而液体制冷垂直叠阵GS型，如图11所示，虽然采用了液体制冷散热方式，但是存在热源距离液体通道距离远、散热能力有限和散热效率不高的缺点。图10和图11中箭头所指方向为热流方向。 

微通道液体制冷型的大功率半导体激光器叠层阵列已经有商业化产品出现。虽然微通道的引入使其散热能力得到进一步增强，从而大大提高了半导体激光器的输出功率，但仍然存在以下缺点： 

1)使用和维护成本高。由于该制冷器的冷却液与电子器件正负极直接接触，因此在工作时必须使用高质量的去离子水作为冷却介质，以防止正负极导通。去离子水成本高，并且在使用时必须保持去离子水的低电导率，因此使用和维护成本很高。 

2)加工难度大。微通道液体制冷器由几层很薄的铜片层叠加工成型，内部的微通道大约为300微米。在制造过程中，需要对每一层铜片进行精确的加工，以使层叠后的微通道在液体流过时形成散热能力强的湍流。因此，微通道制冷器的精确加工是一个难点。 

3)制造成本高。由于微通道制冷器的精密加工难度相当大，其制造成本也是非常高的。 

4)使用寿命短。在激光器工作的过程中，若冷却介质(通常为去离子水)中存在杂质时，这些杂质很容易附着在微通道内壁上，从而引起微通道管壁的电化学腐蚀，严重时可能将微通道制冷器的管壁蚀穿，对激光器的安全性造成极大地影响。这些都严重影响到激光器的使用寿命。 

5)密封要求高。由于微通道制冷器中冷却介质的流动空间非常狭小，因此容易产生多余的压力降，密封条件恶劣。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种新型低成本叠层阵列式液体制冷半导体激光器及其制备方法，这种半导体激光器将多块带芯片微制冷模块叠置，并设置连通入水孔和出水孔的水流通道，形成整体液体循环冷却系统。这种液体循环冷却系统散热能力强，有效解决了各带芯片微制冷模块在工作时芯片发热导致的温度过高问题，使得半导体激光器输出功率更大，且本发明结构简单，冷却介质在循环冷却过程中流阻小、压降低，容易密封。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：