专利名称：一种双向制冷式半导体激光器及其制备方法
技术领域：
本发明属于激光器制造领域，涉及一种半导体激光器，尤其是一种双向制冷式半 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。随着半导体激光器的性能稳定性不断改善、转换效率和输出功率不断提高，半导 体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面的应用更加广泛，市 场需求巨大，发展前景更加广阔。目前，虽然半导体激光器技术已经有了长足的发展，但是由于当今科技的快速发 展，使得各应用领域对半导体激光器的性能要求更加苛刻。半导体激光器不仅是一个光源，同时也是一个热源，其中电功率的40%转换成光 功率，另外60%的电功率就以热功率的形式散发出来，所以半导体激光器所面临的主要问 题仍然是激光器的输出光功率和转换效率偏低，性能稳定性差以及成本较高等，这些不足 严重制约了它的应用空间。激光器的性能除了与芯片有关外，还跟激光器的散热和封装有 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。这也对封装结构的设计和制造提出了更高的要求，要求其具有更 加简单、高效和低成本的特点。现有技术中，功率电子器件的封装形式中热传导冷却型为单面热传导冷却型 ("Two-dimensional high-power laser diode arrays cooled byFunryu heat sink，，· SPIE, vol. 889,66-70(2000)) 以大功率半导体激光器为例，说明这这种封装形式。对于大 块热沉而言，容易产生器件温度上升，这将导致器件的寿命和可靠性下降等问题的产生。因 此，用这种封装形式的器件，其输出功率一般只有几瓦到几十瓦，要想进一步扩展功率电子 器件的功率就十分困难。另一种现在已经商业化生产的微通道液体制冷器结构。虽然其采用主动散热，散 热能力增强，使器件的功率得到很大的提高，但仍存在以下缺点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通常是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ο3.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.使用寿命短在功率电子器件的工作过程中，若冷却介质中存在杂质时，这些 杂质很容易附着在微通道内壁上。这些杂质颗粒会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，对器件的安全性造成极大地影响。这些都严重影响到功 率电子器件的使用寿命。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，导致器件失效。综上所述，单面热传导冷却型和微通道液体制冷型这两种封装形式都不能够完全 满足大功率半导体激光器的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种双向制冷的半导体激光 器，并有效降低其制造和使用成本。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的这种双向制冷式半导体激光器，包括正极支撑块、负极支撑块以及设置在正极支 撑块与负极支撑块之间的芯片，在芯片的一侧面或两侧设置有与正极支撑块或负极支撑块 连接的突起层。本发明提供的一种较佳实施中，芯片的正极面与所述正极支撑块贴合连接，所述 芯片的负极面与负极支撑块之间设有突起层。上述突起层由一层均勻分布的焊熘突起构成。上述焊熘突起的形状为球形、半球形、椭球形或者其他形状；所述焊熘突起由高导 热率材料制成。上述正极支撑块表面进行可焊接处理。上述正极支撑块和负极支撑块的由高导热率材料制成。上述芯片为单发光单元芯片、多发光单元芯片或者由多个单发光单元芯片连接组 成。本发明提出的第一种双向制冷式半导体激光器的制备方法，包括如下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块和负极支撑块；2)正极支撑块和负极支撑块表面进行可焊接处理；3)负极支撑块的一面均勻设置焊熘突起以形成突起层；4)将芯片的负极面贴在突起层上；5)将芯片的正极面焊接在正极支撑块上，制成双向制冷式半导体激光器。本发明还提出的第二种双向制冷式半导体激光器的制备方法，包括如下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块和负极支撑块；2)正极支撑块和负极支撑块表面进行可焊接处理；3)正极支撑块的一面均勻设置焊熘突起以形成突起层；
4)将芯片的正极面贴在突起层上；5)将芯片的负极面焊接在负极支撑块上，制成双向制冷式半导体激光器。本发明提出的第三种双向制冷式半导体激光器的制备方法，包括如下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块和负极支撑块；2)正极支撑块和负极支撑块进行可焊接处理；3)在芯片的一面或者两面均勻设置焊熘突起以形成突起层；4)将设置有突起层的芯片焊接在正极支撑块和负极支撑块上。本发明提出的第四种双向制冷式半导体激光器的制备方法，包括如下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块和负极支撑块；2)正极支撑块和负极支撑块表面进行可焊接处理；3)在正极支撑块一面和负极支撑块的一面均勻设置焊熘突起以形成突起层；4)将芯片的正极焊接在正极支撑块设置有突起层的一面，将芯片的负极焊接在负 极支撑块设置有突起层的一面。本发明具有以下优点(1)散热性高，激光输出功率高。本发明中芯片正负极均连接有正负极支撑块作为 散热块，因此散热能力大大增强，这种增加了散热能力的结构，可显著提高激光输出的功率 而不用担心散热的问题；(2)降低热应力。本发明中使芯片的一侧或两侧面与突起层接触，然后再连接热沉 (即正负极支撑块)，大大降低了热应力；C3)寿命长、可靠性高。本发明的双向制冷大功率半导体激光器由于在热沉材料上 连接了突起层，可有效延长激光器的使用寿命，提高激光器的可靠性和稳定性，并且本发明 的激光器在结构上还具有体型小巧的优点。
图1为本发明具有单层的结构示意图；图2为本发明的拆解示意图；图3为本发明的突起层不同结构示意图；图4为本发明中具有双层突起层的结构示意图。其中1为正极支撑块；2为芯片；3为焊镏突起；4负极支撑块
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述本发明的双向制冷式半导体激光器，包括正极支撑块1、负极支撑块4以及设置在 正极支撑块1与负极支撑块4之间的芯片2。为了减小芯片2与其接触的散热部件之间的 膨胀应力，在芯片2的一侧或两侧面设置有与正极支撑块1或负极支撑块4连接的突起层。 该突起层由一层均勻分布的焊熘突起3构成，如图3，焊熘突起3的形状可以为球形(如 图1)、半球形或椭球形(如图3c)，也可以是其他不规则或规则的形状(如图3d)，如条形 突起(如图北)，矩形突起(如图3a)；由于突起层直接与芯片2接触，所以焊熘突起3需 要由高导热率材料制成，如可以采用金锡合金或铟制备。且焊熘突起3的直径大小控制在100-200um。为了提高散热性能，正级支撑块1的材质选择金属铜、铜钨合金或者其他高导热 率材料。负极支撑块4的材质同样可以选择金属铜、铜钨合金或者其他高导热率材料。芯 片2可以是单发光芯片、多发光芯片或者多个单发光芯片连接组成。在本发明的较佳实施 例中，可以采用多个单发光芯片并联的方式形成功率较大的芯片2。本发明提出的双向制冷式半导体激光器包括有以下两种不同的结构形式(1)参见图1或图2，该结构芯片2的正极面与正极支撑块1贴合连接，首先正极 支撑块1表面镀金，芯片2焊接在正极支撑块1的镀金层上。芯片2的负极面与负极支撑 块4之间设置突起层。(2)参见图4，该结构在芯片2的两侧面都设置有突起层，突起层实际上是分别与 正极支撑块1和负极支撑块4相连接的，可以直接固化在正负极支撑块1、4上。以下分别介绍本发明的几种制备方法一、本发明的第一种双向制冷大功率半导体激光器的制备方法包括以下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块1、负极支撑块4 ；将正极支撑块1和负 极铜支撑块4用有机溶液和去离子水清洗干净，烘干；2)在正极支撑块上镀金，金层厚度控制在2-5微米，将镀金后的正极支撑块放入 氮气柜中储存；3)在负极支撑块4的一面均勻设置焊熘突起3，以形成突起层；4)将芯片2的负极面贴在焊熘突起3形成的突起层上；5)将芯片2的正极面焊接在正极支撑块1上，制成双向制冷式半导体激光器。二、本发明的第二种双向制冷大功率半导体激光器的制备方法包括以下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块和负极支撑块；2)正极支撑块和负极支撑块表面进行可焊接处理；3)正极支撑块的一面均勻设置突起以形成突起层；4)将芯片的正极面贴在突起层上；5)将芯片的负极面焊接在负极支撑块上，制成双向制冷式半导体激光器。三、本发明的第三种双向制冷大功率半导体激光器的制备方法包括以下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块和负极支撑块；2)正极支撑块和负极支撑块进行可焊接处理；3)在芯片的一面或者两面均勻设置突起以形成突起层；4)将设置有突起层的芯片焊接在正极支撑块和负极支撑块上。四、本发明的第四种双向制冷大功率半导体激光器的制备方法包括以下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块和负极支撑块；2)正极支撑块和负极支撑块表面进行可焊接处理；3)在正极支撑块一面和负极支撑块的一面均勻设置焊瘤突起以形成突起层；4)将芯片的正极焊接在正极支撑块设置有突起层的一面，将芯片的负极焊接在负 极支撑块设置有突起层的一面。本发明的双向制冷器工作过程如下芯片2的p-n结半导体材料被加上正向偏压，ρ区接正极支撑块，η区接负极支撑±夬，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散 运动的阻碍作用，使η区中的自由电子在正向电压的作用下不间断地通过p-n结向ρ区扩 散，同时在结区内存在大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当 导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来，半导体激光器工作时芯 片2发出的热量传到正极支撑块1上，还可以穿过焊镏突起3到负极铜支撑块4上，由正负 极铜支撑块将热量散去同时降低热应力。实施例根据本发明的双向制冷大功率半导体激光器结构及其制备方法，制作出了 808nm 单芯片大功率半导体激光器，即这种半导体激光器发出的光的波长是808nm，其结构也如图 1所示，并且此激光器在连续波工作下输出光功率达到12W。为了保障808nm单芯片大功率 半导体激光器的高可靠性，规定其工作在6瓦条件下。此时，激光器的典型的电光转换效率 为41. 20%，最大电光转换效率为42. 40%,综上所述，本发明的双向制冷式半导体激光器采用双面散热结构，芯片正负极均 连接散热块，芯片通过焊熘突起形成的突起层与正极或负极支撑块连接，因此散热能力大 大增强的同时热应力降级，这种增加了散热能力的结构，可显著提高激光输出的功率而不 用担心热应力的问题，本发明主要应用于大功率半导体激光器，功率十几瓦到几十瓦。
权利要求
1.一种双向制冷式半导体激光器，包括正极支撑块(1)、负极支撑块(4)以及设置在正 极支撑块(1)与负极支撑块(4)之间的芯片O)，其特征在于在芯片(2)的一侧或两侧面设置有突起层。
2.根据权利要求1所述的双向制冷式半导体激光器，其特征在于所述芯片(2)的正 极面与所述正极支撑块(1)贴合连接，所述芯片O)的负极面与负极支撑块(4)之间设有突起层。
3.根据权利要求2所述的双向制冷式半导体激光器，其特征在于所述突起层(3)由 一层均勻分布的焊熘突起C3)构成；所述焊熘突起C3)的形状为球形、半球形、椭球形、矩形 或条形；所述焊熘突起(3)由高导热率材料制成。
4.根据权利要求2所述的双向制冷式半导体激光器，其特征在于所述正极支撑块(1) 进行可焊接处理，所述芯片( 焊接在正极支撑块(1)的可焊接表面层上。
5.根据权利要求1所述的双向制冷式半导体激光器，其特征在于所述正极支撑块(1) 和负极支撑块(4)是由高导热率材料制成。
6.根据权利要求1所述的双向制冷式半导体激光器，其特征在于所述芯片(2)为单 发光单元芯片、多发光单元芯片或者由多个单发光单元芯片连接组成。
7.一种双向制冷式半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块(1)和负极支撑块；2)将正极支撑块(1)和负极支撑块(4)进行可焊接处理；3)在负极支撑块的一面均勻设置焊熘突起(3)以形成突起层；4)将芯片( 的负极面贴在突起层上；5)将芯片(2)的正极面焊接在正极支撑块(1)上，制成双向制冷式半导体激光器。
8.一种双向制冷式半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块(1)和负极支撑块；2)正极支撑块(1)和负极支撑块(4)表面进行可焊接处理；3)正极支撑块(1)的一面均勻设置焊熘突起(3)以形成突起层；4)将芯片O)的正极面贴在突起层上；5)将芯片O)的负极面焊接在负极支撑块(4)上，制成双向制冷式半导体激光器。
9.一种双向制冷式半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块(1)和负极支撑块(4)；2)正极支撑块(1)和负极支撑块(4)进行可焊接处理；3)在芯片O)的一面或者两面均勻设置焊熘突起(3)以形成突起层；4)将设置有突起层的芯片( 焊接在正极支撑块(1)和负极支撑块上(4)；
10.一种双向制冷式半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)首先采用高导热率材料制备正极支撑块(1)和负极支撑块(4)；2)正极支撑块(1)和负极支撑块(4)表面进行可焊接处理；3)在正极支撑块(1)一面和负极支撑块(4)的一面均勻设置焊熘突起(3)以形成突起层；4)将芯片O)的正极焊接在正极支撑块(1)设置有突起层的一面，将芯片(2)的负极 焊接在负极支撑块(4)设置有突起层的一面。
全文摘要
本发明涉及一种双向制冷式半导体激光器及其制备方法，该激光器包括正极支撑块、芯片、焊熘突起及负极支撑块。所述正极支撑块与芯片正极焊接；所述负极铜支撑块的一面设有焊熘突起；所述芯片的负极贴在焊熘突起上。本发明采用双面散热结构，芯片正负极均连接有有散热块，芯片通过焊熘突起与负极支撑块连接，因此散热能力大大增强的同时热应力降级，这种增加了散热能力的结构，可显著提高激光输出的功率而不用担心热应力的问题，本发明主要应用于大功率半导体激光器，功率十几瓦到几十瓦。
文档编号H01S5/024GK102064465SQ20101059185
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者刘兴胜 申请人:刘兴胜