一种基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构及其制备方法

1.本发明属于半导体激光器技术领域，更具体地，涉及一种基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构及其制备方法。


背景技术：

2.由于半导体激光器的体积小、重量轻、转换效率高、寿命长、易于调制等优点，使得它目前在工业、医疗、通讯、信息显示、军事等领域中的应用非常广泛。对高功率半导体激光器来说，散热一直是掣肘半导体激光器发展的关键问题，相比于业界广泛使用的氮化铝次热沉，热导率为200～250w/m
·
k，碳化硅材料的次热沉有着更加优异的散热效果，热导率370～490w/m
·
k，4-h型单晶碳化硅的热导率为370w/m
·
k，但是碳化硅材料的次热沉在高功率大电流，大于30a工作时会导电，严重影响半导体激光器的光电转换效率。因此，如何解决碳化硅次热沉在大电流工作时的漏电问题，是本领域技术人员急需解决的技术问题。根据中国专利cn 110797746 a公开的一种保障单晶碳化硅绝缘性能的方法，使用机械切割去除单晶碳化硅表面由干法刻蚀工艺形成的附着铁、铝、铬、镍中的至少任意一种的表面污染层，该污染层会影响单晶碳化硅的绝缘性能。但是此工艺步骤复杂操作繁琐，而且碳化硅材料本身就不是绝缘材料，在大于30a电流工作时，碳化硅导电性能明显，严重影响激光器工作性能。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构。该结构具有优良的绝缘性能，能有效解决碳化硅材料在大电流工作条件下，因漏电导致的激光器光电转换效率下降的问题。
4.本发明的另一目的在于提供上述基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构的制备方法。
5.本发明的目的通过下述技术方案来实现：
6.一种基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构，所述半导体激光器次热沉结构依次包括碳化硅次热沉、绝缘层、金属层和焊接层；在所述金属层上刻蚀绝缘沟槽，所述绝缘沟槽将金属层分成两部分，在其中一部分金属层的表面上制备焊接层。
7.优选地，所述的碳化硅次热沉为双面研磨抛光的碳化硅，所述的碳化硅次热沉的表面粗糙度≤0.5μm，厚度为0.3～0.4mm；所述绝缘沟槽与碳化硅次热沉的长度相同，所述绝缘沟槽宽度为碳化硅次热沉宽度的5～10％。
8.更为优选地，所述的碳化硅次热沉为4-h型单晶碳化硅或6-h型单晶碳化硅。
9.优选地，所述的绝缘层为氮化硅或二氧化硅，所述的绝缘层的厚度为0.5～1.2μm。所述氮化硅的电阻率为10
15
～10
16
ω
·
cm，所述二氧化硅的电阻率为10
15
～10
16
ω
·
cm。
10.优选地，所述的金属层依次包括ni层、au层和pt层，所述的焊接层为ausn。
11.更为优选地，所述的ni层的厚度为1～4μm，au层的厚度为0.5～1.2μm，pt层的厚度
为0.3～0.5μm，所述ausn的厚度为3.6～5.4μm。
12.进一步地，所述的pt层的面积大于或者等于焊接层的面积。防止焊料与au金属层接触，导致焊料共晶温度升高，影响封装的可靠性。
13.进一步地，所述的绝缘层的面积大于或等于金属层的面积。
14.所述的基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构的制备方法，包括如下具体步骤：
15.s1.将碳化硅次热沉的上下两面在研磨抛光机上抛光，使其表面的粗糙度≤0.5μm，然后超声清洗干净；
16.s2.采用磁控溅射法在碳化硅次热沉上进行绝缘层薄膜的沉积，生成绝缘层，然后更换金属靶材在碳化硅次热沉的正反两面依次溅射ni、au、pt金属层；
17.s3.用ibe离子束刻蚀设备在金属层上刻蚀绝缘沟槽，将金属层分成两部分，在其中一部分的金属层的表面上溅射沉积焊接层，制得基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构。
18.与现有的技术对比，本发明有以下的有益效果：
19.本发明利用磁控溅射法在碳化硅热沉上制备绝缘薄膜氮化硅或二氧化硅作为绝缘层，可有效地降低次热沉的导电性能，解决了高功率大电流(30a以上)工作时碳化硅次热沉漏电的问题，提高半导体激光器的电光转换效率。
附图说明
20.图1是本发明的基于绝缘阻挡层的半导体激光器次热沉结构的俯视图。
21.图2是本发明的基于绝缘阻挡层的半导体激光器次热沉结构的正视图。
22.图3是本发明的基于绝缘阻挡层的半导体激光器次热沉结构的制备方法流程图。
具体实施方式
23.下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的方法和设备为本技术领域常规方法和设备。
24.实施例1
25.如图1和图2所示，本发明的基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构的示意图。基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构包括碳化硅次热沉1，绝缘层2和金属层3，在金属层3上刻蚀绝缘沟槽5，所述绝缘沟槽5将金属层3分成两部分，在其中一部分金属层表面上制备用于焊接激光器芯片的焊料层4。
26.在上述一种基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构，所述碳化硅次热沉1为双面抛光的碳化硅。所述的碳化硅次热沉1的表面粗糙度不大于0.5μm，厚度为0.3～0.4mm，所述绝缘沟槽与碳化硅次热沉的长度相同，所述绝缘沟槽宽度为碳化硅次热沉宽度的5～10％。
27.所述的碳化硅次热沉为4-h型单晶碳化硅或6-h型单晶碳化硅。
28.所述的绝缘层为氮化硅或二氧化硅，所述的绝缘层的厚度为0.5～1.2μm。所述氮化硅的电阻率为10
15
～10
16
ω
·
cm，所述二氧化硅的电阻率为10
15
～10
16
ω
·
cm。
29.所述的金属层依次包括ni层、au层和pt层，所述的焊接层为ausn。
30.所述的ni层的厚度为1～4μm，au层的厚度为0.5～1.2μm，pt层的厚度为0.3～0.5μ
m，所述ausn的厚度为3.6～5.4μm。
31.所述的pt层的面积大于或者等于焊接层的面积，防止焊料与au金属层接触，导致焊料共晶温度升高，影响封装的可靠性。
32.需要指出的，绝缘阻挡层的材料除了氮化硅或二氧化硅，根据需要进行的绝缘阻挡层2的选择如al2o3绝缘陶瓷材料等。
33.在基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构中，为保证激光芯片与次热沉结构良好的焊接，所述的焊接层4的面积应该大于或等于所述激光芯片的面积。
34.如图3所示，基于绝缘层的半导体激光器次热沉结构具体的制备方法如下：先将碳化硅次热沉1的上下两个面在研磨抛光机上抛光，使其表面的粗糙度≤0.5μm，然后超声清洗干净，使用磁控溅射法进行氮化硅薄膜的沉积，生成氮化硅绝缘层2，然后更换金属靶材使用磁控溅射法在碳化硅次热沉的正反两面依次溅射ni、au、pt金属层3，再根据实际需要用bie等离子刻蚀刻蚀绝缘沟槽5，最后按照实际需求溅射预设图形和面积的焊接层4。
35.高功率半导体激光器芯片采用倒封装形式，芯片的p面焊接在焊接层4的表面，键合的金丝跨过绝缘沟槽5与另一部分的金属层键合，形成芯片的正负极。由于氮化硅的电阻率为10
15
～10
16
ω
·
cm，属于绝缘材料。而碳化硅虽然有良好的导热性，但是其电阻率为100～1000ω
·
cm属于半导体材料，在电流大于30a时，会有电流通过，影响半导体激光器工作的光电装换效率。
36.本发明采用磁控溅射法在碳化硅表面制备氮化硅绝缘薄膜，可以有效地降低碳化硅次热沉的导电性能，解决了碳化硅次次热沉的漏电问题，使用功率计测量溅射有绝缘阻挡层的次热沉的光电装换效率，发现相比于没有绝缘阻挡层的碳化硅次热沉，溅射有绝缘阻挡层的次热沉的光电转换效率明显提高。
37.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。