[发明专利]衬底上分布有导热通道的量子级联激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种衬底上分布有导热通道的量子级联激光器，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

量子级联激光器是基于单一载流子（电子）因量子限制效应所形成的导带子带间跃迁的一种单极半导体激光器。量子级联激光器的发射波长涵盖3~5μm和8~14μm中远红外波段、15~300μm远红外波段，涵盖了NO₂、CO₂、CO等气体的特征吸收峰。量子级联激光器在军事、民用领域均得到应用，如远距离光通信、痕量气体检测、环境污染监测等。

现有量子级联激光器其组成部分自下而上依次为下电极1、衬底2、下波导层3、有源级联增益区4、上波导层5、欧姆接触层6、上电极7，在上电极7与下波导层3、有源级联增益区4、上波导层5、欧姆接触层6之间有绝缘钝化层8，见图1所示。例如Appl.Phys.Lett.,vol.80.no.22,p.4901,2002报道了一种较为典型的量子级联激光器，其组成部分自下而上依次为：下电极、n-InP衬底、N-InP或者N-InGaAs下波导层、InGaAs/InAlAs有源级联增益区、N-InP或N-InGaAs上波导层、高掺杂N-InGaAs顶层欧姆接触层、SiO₂绝缘钝化层、上电极。在封装方面通常采用正装方式，即由焊接层9将下电极1与热沉10焊接起来，见图1所示，焊接层9材料为高导热焊料。由于有源级联增益区4和热沉10之间有150~200微米厚的衬底2相隔，致使这种正装的封装方式散热效果很差，从而降低器件的输出特性，如阈值较高、电光转化效率低、光输出功率较低等。为了改善散热，现有技术采用倒装方式，即上电极与热沉用高导热焊料焊接，见文献Proc.of SPIE,vol.6127,p.612703-1,2006，这种倒装的封装方式明显改善量子级联激光器的散热状况。但是，在采用倒装方式封装的量子级联激光器中，由于量子级联激光器腔面与焊料之间只有5~6微米左右的距离，而量子级联激光器的激励电压通常在10伏特左右，单管的工作电流在1安培左右，所以，很容易产生短路现象。并且，在器件的封装焊接过程中很容易因腔面被污染而产生腔面损伤，从而降低器件输出特性，也使器件寿命下降。再有，由于InGaAs/InAlAs有源级联增益区、N-InP或N-InGaAs上波导层、高掺杂N-InGaAs顶层欧姆接触层晶体材料与热沉之间的晶格不匹配，会产生很大的应力。以上这些不利因素还造成量子级联激光器工作寿命的缩短。

发明内容

为了在采用正装的封装方式的同时改善量子级联激光器的散热状况，进而提高器件的输出特性，我们发明了一种衬底上分布有导热通道的量子级联激光器。

本发明之衬底上分布有导热通道的量子级联激光器封装方式为正装，下电极与热沉焊接，其特征在于，见图2所示，导热衬底11上分布导热通道12，下电极为弯折下电极13，弯折下电极13的弯折走势与导热衬底11底面14及导热通道12表面走势相同，并且，弯折下电极13覆盖导热衬底11底面14及导热通道12表面；在导热通道12中填充导热焊料15，弯折下电极13与热沉10由导热焊料15焊接。

本发明其技术效果在于，在量子级联激光器的制造过程中，在衬底2上制作下波导层3、有源级联增益区4、上波导层5、欧姆接触层6、上电极7以及绝缘钝化层8之后，自衬底2底面采用掩膜、光刻、腐蚀工艺刻蚀导热通道12，衬底2成为导热衬底11，见图3、图4所示。之后采用金属化工艺在导热衬底11底面14及导热通道12表面上覆盖金属膜，完成弯折下电极13的制作，见图5所示。再在导热通道12中借助虹吸现象及表面吸附填充导热焊料15，见图6所示，同时由导热焊料15将弯折下电极13与热沉10焊接起来，见图7所示。具有良好导热性能的导热焊料15十分接近有源级联增益区4，因此，能够将量子级联激光器工作时产生的热量及时、大量传导到热沉10，明显改善量子级联激光器的散热状况。由于本发明之量子级联激光器在封装方面属于下电极与热沉焊接，因此，其封装方式为正装，但是，本发明与现有技术中的倒装封装量子级联激光器相比，散热效率基本相同，却不存在倒装封装方式带来的技术问题，如容易发生击穿短路、腔面容易被污染而产生腔面损伤、器件输出特性降低、器件寿命下降等。然而，本发明与现有技术中的正装封装量子级联激光器相比，器件的散热效率提高30%以上，器件的电光转换率提高20%以上，器件的输出功率提高20%以上。

附图说明