SiC微沟道散射散热InP基4.6μmQCL及制备方法

本发明涉及一种sic微沟道散射散热inp基4.6μm qcl及制备方法，用于红外光谱检测、气体传感、红外对抗、环境监测等4.6μm波段应用场景，属于中红外半导体激光器。

背景技术：

1、4.6 μm对应一氧化碳分子基频最强吸收谱线，inp基量子级联激光器（qcl）凭借室温连续激射、电光转换效率高、工作波长精准可控等优势，成为当前大气环境监测、工业过程分析最核心的中红外光源。该波段产业化主流结构为三阱单lo声子共振对角跃迁级联结构，依靠声子共振抽取降低子带非辐射复合损耗。

2、现有高功率4.6μm inp基qcl存在以下四项的技术短板：

3、1、高电流工况焦耳热堆积严重，热滚降效应制约功率上限。级联结构串联级数多、工作电压高，实心sic、aln被动热沉搭配tec制冷，单管室温连续波输出功率普遍上限为1~2w，大电流下结温飙升导致阈值抬升、光谱跳模、输出饱和。

4、2、大功率散热方案与长期封装可靠性冲突。金刚石微通道液冷换热性能优异，但金刚石与inp衬底热膨胀系数失配较大，仅能采用金属铟软焊倒装，铟焊料存在蠕变迁移、高温氧化、温循分层等缺陷，经过数百次高低温循环后易出现芯片脱粘、焊层空洞扩张，无法满足装备级长期稳定服役要求。

5、3、芯片横向导热能力不足。常规干法刻蚀裸露脊波导热量仅依靠垂直方向向热沉传导，有源区横向温度梯度大，增益分布不均进一步加剧热损耗；bh掩埋异质结虽可提升侧向导热，但并未与主动液冷热沉、应力匹配硬焊封装形成完整闭环工艺体系。

6、4、微通道流道结构同质化，换热效率挖掘不充分。传统平直微通道内部流体以层流状态为主，换热边界层厚度大、对流换热系数偏低；少量湍流强化结构仅零散应用于大功率ld热沉，未见在4.6μm长腔qcl sic液冷基底上的工程化适配方案，同时缺少阵列巴条集成扩展方案，大功率合束只能依靠外部光学耦合，体积大、损耗高。

7、现有部分水冷热沉方案多采用简单直微流道结构，冷却液流动边界层厚，流道内部存在大面积滞流区，换热效率受限；另外，本领域大多只针对单管芯片散热，缺少适配多芯片巴条阵列倒装集成的微扰流散射散热结构。综上，现有技术难以同时满足 4.6μm qcl单管高功率输出以及多芯片巴条模块大功率工作的散热需求。

技术实现思路

1、为克服现有技术中4.6 μm inp基qcl大功率下热滚降显著、主动液冷与封装可靠性无法兼容、平直微通道换热效率偏低的问题，本发明提供了一种sic微沟道散射散热inp基4.6μm qcl及制备方法，通过构建“有源区源头减热-芯片侧向均温导热-封装端强制对流散热”三维热疏导体系，实现单管室温连续波功率突破2w。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种sic微沟道散射散热inp基4.6μm qcl，包括inp基4.6μm qcl芯片以及微沟道散射主动散热sic热沉；

4、所述inp基4.6μm qcl芯片为三阱单lo声子共振有源区结构，并采用p面倒装方式键合于sic热沉上表面；

5、所述sic热沉内部刻蚀有微流道，所述微流道内部阵列布置散射扰流单元；所述散射扰流单元选自菱形凸台、圆柱扰流柱、锯齿流道凸起中的至少一种；微流道两端分别设置冷却液输入口与冷却液输出口，构成液冷主动散热通路；

6、所述sic热沉上表面设置金属化焊层，inp基4.6μm qcl芯片通过焊料焊接在金属化焊层区域。

7、进一步的，所述inp基4.6μm qcl芯片的外延片由下至上依次包括inp衬底、n-inp缓冲层、下波导限制层、多周期共振有源区、上波导限制层和p型接触层，其中多周期共振有源区由单周期共振有源区循环25~35次形成，对于单周期共振有源区，由依次连接的注入势垒、掺杂注入阱、隧穿隔离势垒、本征上能级辐射跃迁量子阱、能级隔离势垒、下能级抽取阱和lo声子共振抽取厚势垒构成，其中，本征上能级辐射跃迁量子阱为in0.66ga0.34as压应变材料，能级隔离势垒为in0.36al0.64as张应变材料；

8、注入势垒、掺杂注入阱、隧穿隔离势垒构成注入区，本征上能级辐射跃迁量子阱、能级隔离势垒构成发光跃迁区，下能级抽取阱构成弛豫区，lo声子共振抽取厚势垒构成抽取区；

9、注入区用于将前一周期输出电子共振隧穿注入本周期的发光跃迁区的激光上能级；发光跃迁区中电子在其内发生子带间受激辐射跃迁产生4.6μm 激光光子；弛豫区中通过纵向光学声子散射将激光下能级电子快速非辐射弛豫；抽取区将弛豫后的电子抽取并输运至下一周期的注入区，实现电子级联输运与多光子产生。

10、进一步的，所述外延片上刻蚀有脊波导台面，刻蚀从上向下贯穿p型接触层、上波导限制层、多周期共振有源区，停止于下波导限制层内部，脊波导台面两侧形成沟槽；

11、所述沟槽内填充有fe:inp 半绝缘层，fe:inp半绝缘层由半绝缘inp掺杂fe形成，fe的掺杂浓度为1~2×1017 cm-3。

12、本发明的fe:inp 半绝缘层完整包裹多周期共振有源区，实现了侧向导热，相比于现有裸露刻蚀脊的结构，导热效果提升2～3倍。

13、进一步的，所述sic热沉内部两端部分别设置有一主流道，在两主流道之间刻蚀有多条相互平行的矩形微流道，矩形微流道之间形成鳍肋，散射扰流单元位于矩形微流道内。

14、现有技术中，sic热沉内部仅设置两个主流道，两主流道之间不流通，散热效果不好。本技术在两主流道之间刻蚀形成了多条矩形微流道，增大了流通面积，并且散射扰流单元能够迫使冷却液产生强湍流（散射扰流单元的高度为微流道高度的0.4-0.8倍），减薄换热边界层，相较于平直微通道换热系数提升10%以上。

15、进一步的，所述散射扰流单元的高度为微流道高度的0.4-0.8倍；相邻散射扰流单元的中心之间的距离为100-600μm。若相邻散射扰流单元的中心之间的距离小于100μm，则扰流单元排布过密，流道有效通流面积下降，流体压降急剧增大，冷却系统泵负载过高；若相邻散射扰流单元的中心之间的距离大于600μm，扰流单元过于稀疏，流体边界层得不到有效破碎，散射扰流强化换热效果大幅削弱，无法实现高功率 qcl 热流的高效导出。所述微流道的水力直径为：

16、

17、w是微流道槽宽（一般取为200µm），h为微流道槽深（典型值可以为300µm），d控制在50-300μm（典型值为240µm）。

18、矩形微流道通过sic-sic低温同质直接键合sic流道盖板密封，形成封闭冷却液通道，微流道水力直径控制在50-300μm。在无扰流的平直微沟道内部，冷却液以层流状态流动，固体壁面会形成持续增厚的流动热边界层，流道侧壁边角位置会出现流速极低的滞流死区；边界层导热能力差，滞流死区流体无法及时更新带走热量，会造成局部热点，增大器件热阻。本发明在微流道内部设置散射扰流单元，包括菱形凸台、圆柱扰流柱、锯齿流道凸起构型；以45°排布的菱形散射凸台为例：冷却液沿流道向前流动撞击扰流单元，流体发生分流、转向，诱导产生大量分离涡与二次回流；高速主流流体冲入壁面，撕裂、减薄热边界层；同时旋涡对流道边角区域进行冲刷，驱动原本静止的滞留流体参与流动，消除流道内部滞流死区，促使流体由层流向湍流转变，强化固-液之间的对流换热，提升热沉整体散热能力。圆柱扰流柱依靠绕流产生卡门涡街、锯齿折转流道依靠连续流向偏转，实现等效的边界层剥离与消除滞流死区效果。

19、进一步的，所述冷却液采用去离子水或者乙二醇水溶液，冷却液工作流速为0.5-5m/s。

20、进一步的，多片inp基4.6μm qcl芯片组成的巴条阵列共倒装于同一块微沟道散射主动散热sic热沉的金属化焊层上，构成大功率qcl巴条模块。

21、一种上述的sic微沟道散射散热inp基4.6μm qcl的制备方法，包括如下步骤：

22、s1，生长inp基4.6μm qcl外延片：采用mbe分子束外延设备，在inp衬底上依次生长n-inp缓冲层、下波导限制层、多周期共振有源区、上波导限制层和p型接触层，对外延片进行清洗、解理、镀膜，得到qcl裸芯片；

23、s2，sic热沉加工：对热沉基体进行精密刻蚀，加工出微流道以及阵列式散射扰流单元；在流道两端加工冷却液输入口与冷却液输出口；在sic热沉上表面做ti/pt/au金属化处理，形成金属化焊层；

24、s3，焊料预制：在sic热沉的金属化焊层上预制au-sn焊料层；

25、s4，倒装键合：将单片qcl芯片或者多片qcl芯片构成的巴条阵列，p面朝下，共倒装贴装于sic热沉的au-sn焊料层区域，热压回流焊接，实现芯片与sic热沉冶金结合；

26、s5，流道密封与管路装配：对sic微流道进行密封封装，接入外部液冷循环管路；完成电极引线键合，得到成品量子级联激光器器件。

27、进一步的，对外延片光刻、刻蚀形成脊波导台面，刻蚀从上向下贯穿p型接触层、上波导限制层、多周期共振有源区，停止于下波导限制层内部，不将下波导限制层完全刻穿，脊波导台面两侧形成沟槽；

28、采用mocvd 设备二次外延生长 fe:inp 半绝缘层，fe:inp 半绝缘层填充脊波导两侧沟槽；fe:inp 半绝缘层完整包裹多周期共振有源区左右两侧侧壁，形成 bh 掩埋异质结；之后对样品化学抛光，暴露脊波导台面顶部的p型接触层。

29、进一步的，热沉基体采用6h-sic。6h-sic 热沉热膨胀系数为4.0×10-6k-1，inp基底热膨胀系数为 4.6×10-6k-1，二者热膨胀系数差值仅 0.6×10-6k-1；芯片无翘曲、掩埋脊微裂纹、解理腔面崩边缺陷，可耐受-40℃～70℃上千次高低温温度循环；

30、步骤s4中，焊料采用为au-sn共晶焊料层，按质量百分比计au为80%，sn为20%。

31、本发明制备的sic微沟道散射散热inp基4.6μmqcl，能够在如下至少一种领域中广泛应用：

32、（1）tdlas可调谐激光吸收光谱法co痕量气体高精度在线监测光源，用于火电锅炉、冶金窑炉、化工装置烟气排放连续在线检测系统；

33、（2）油气长输管道微量泄漏红外光谱远距离巡检探测装备；

34、（3）中红外非线性光学晶体频率变换、差频产生的高功率泵浦光源；

35、（4）机载、车载平台中红外定向红外光电对抗干扰光源。

36、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

37、本发明的有益效果为：

38、1、本发明的有源区采用应变补偿阱-垒结构，降低了mbe外延层位错与晶体缺陷，通过有源区能带、掺杂、应变优化，降低有源区内部的热量生成总量，实现了在有源区源头减热；

39、本发明采用fe:inp半绝缘层完整包裹有源区左右两侧侧壁，热量产生在有源区之后，在芯片内部先做横向均温，消除局部热点，避免有源区局部过热烧毁、热滚降、光谱漂移，实现了芯片侧向均温导热；

40、本发明在封装热沉时依靠微流道的散射扰流单元强制对流，把热量最终携带离开器件本体，完成整套热疏导机制，实现了封装端强制对流散热。

41、本发明通过构建“有源区源头减热-芯片侧向均温导热-封装端强制对流散热”三维热疏导体系，显著降低了大功率工作状态下的热滚降效应，实现单管室温连续波功率突破2 w。

42、2、本发明采用6h-sic作为热沉基体，相比 cuw、纯铜热沉，热膨胀系数与 inp 芯片匹配度更高，倒装高温回流以及大电流工作温度循环条件下，显著降低芯片与热沉之间热机械应力，减少芯片开裂、焊层脱落失效风险；6h-sic本身高热导率能够保障芯片热量快速传导至微流道换热界面。

43、3、本发明的微沟道内部设置散射扰流单元，可选用菱形凸台、圆柱扰流柱、锯齿流道多种构型；扰流结构破坏冷却液流动边界层，消除流道内部滞流死区，显著提升对流换热系数，相比普通直微沟道散热，同等冷却液流量下结温可显著降低，支持qcl芯片更高连续工作功率。

44、4、本发明的同一块热沉上表面支持单芯片封装，也支持多芯片阵列巴条共倒装集成，实现大功率qcl模块，拓展器件输出功率上限。

45、5、本发明的器件面向4.6μm波段，可直接用于co气体检测等工业场景，具备工程实用价值。