半导体激光器及其制造方法与流程

电气元件制品的制造及其应用技术1.本技术涉及激光显示领域,更具体的说,涉及一种半导体激光器及其制造方法。背景技术：2.半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。由于其体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等特点，被广泛应用于军事，工业加工，通信，信息存储，医疗等多个领域。3.随着技术的不断迭代进步，半导体激光器在越来越多的领域里面得到了广泛的使用，而其功率和发热量也在不断的提高。无法及时散出的温度，会导致半导体激光器的工作性能下降，发光效率降低，稳定性和可靠性变差，甚至产生损坏。而一般的半导体激光器衬底，由于受到光线反射的影响，一定程度也会影响发光效率。因此，为了进一步拓展半导体激光器的应用，一种能够有效散热同时降低反射的半导体激光器方案成为了非常重要的研究目标。技术实现要素：4.有鉴于此，本技术提供了一种半导体激光器及其制造方法，方案如下：5.一种半导体激光器，所述半导体激光器包括：6.半导体衬底，具有相对的第一表面和第二表面；7.位于所述第一表面的功能层；8.位于所述功能层背离所述半导体衬底一侧的激光器元件；9.其中，所述功能层用于提高所述激光器元件工作热量传导至所述半导体衬底的速率，并降低所述半导体衬底对所述激光器元件出射光线的反射。10.优选的，在所述半导体激光器中，所述功能层包括石墨稀层，所述石墨稀层包括多个穿透所述石墨稀层的镂空区域。11.优选的，在所述半导体激光器中，所述半导体衬底为sic衬底，所述功能层是所述sic衬底对应所述第一表面的一侧加热转换的石墨稀层。12.优选的，在所述半导体激光器中，所述石墨稀层是石墨稀沉积层。13.优选的，在所述半导体激光器中，所述镂空区域的深度不小于所述石墨稀层的厚度。14.优选的，在所述半导体激光器中，所述镂空区域阵列排布，所述镂空区域为圆形、三角形、矩形中的任一种。15.优选的，在所述半导体激光器中，所述石墨稀层的厚度小于10nm。16.优选的，在所述半导体激光器中，所述激光器元件包括：17.位于所述功能层背离所述半导体衬底一侧的外延层；18.位于所述外延层背离所述功能层一侧的有源层，所述有源层露出部分所述外延层；19.位于所述有源层背离所述外延层一侧的第一电极；20.位于所述有源层露出所述外延层表面的第二电极。21.本技术技术方案还提供了一种半导体激光器的制造方法，包括：22.提供一半导体衬底，具有相对的第一表面和第二表面；23.在第一表面形成功能层；24.在功能层背离半导体衬底一侧形成激光器元件；25.其中，功能层用于提高激光器元件工作热量传导至半导体衬底的速率，并降低半导体衬底对激光器元件出射光线的反射。26.优选的，在所述制造方法中，在所述第一表面形成功能层，包括：27.在所述第一表面形成石墨烯层作为所述功能层，所述石墨稀层包括多个穿透所述石墨稀层的镂空区域。28.优选的，在所述制造方法中，所述半导体衬底为sic衬底；29.在所述第一表面形成石墨烯作为所述功能层，包括：30.在预设温度下，对所述sic衬底进行加热，使得所述sic衬底对应所述第一表面的一侧转换为所述石墨烯层。31.优选的，在所述制造方法中，在所述第一表面形成石墨烯作为所述功能层，包括：32.通过沉积工艺，在所述第一表面沉积所述石墨烯层。33.通过上述描述可知，本技术技术方案提供的半导体激光器包括半导体衬底、功能层和激光器元件，半导体衬底具有相对的第一表面和第二表面，功能层位于第一表面，激光器元件位于功能层背离半导体衬底的一侧，其中该功能层能够提高激光器元件工作热量传导至半导体衬底的速率，并能够降低半导体衬底对激光器元件出射光线的反射，这样半导体激光器就能够有效散热的同时降低反射，解决了半导体的热传递问题和光反射问题。附图说明34.为了更清楚地说明本技术实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。35.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。36.图1为本技术实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图；37.图2为本技术实施例半导体激光器的衬底和石墨稀层俯视图；38.图3为本技术实施例半导体激光器的石墨稀层镂空区域另一种实现方式的俯视图；39.图4为本技术实施例半导体激光器的石墨稀层镂空区域又一种实现方式的俯视图；40.图5为本技术实施例中以sic为衬底的另一半导体激光器结构示意图；41.图6为基于本发明衬底的又一激光器结构示意图；42.图7-图8为本技术实施例提供的一种半导体激光器制作方法的流程示意图。具体实施方式43.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。44.通常的激光器散热方案主要需要解决两个问题，一个是激光器的热量传递，另一个是热量的散出。解决热量传递问题，常用的方法是使用低温度的冷却液，通过大温差来传递走激光器本身的热量。但这种方式受到使用场景的限制，需要严格的控制。另一种常用的方式是使用高热导率材料来降低芯片和冷却系统间的热阻，常用的方式如使用金刚石膜。45.但是对于使用上述方法解决激光器的散热问题，会出现如下问题：46.由于液氮等低温冷却液可能会导致激光系统结霜，影响发光，所以需要精密的控制，使用场景受限。而高效的导热材料，如金刚石膜，则成本太高，不易制备，无法大范围的使用。47.降低激光器发光在衬底内反射的方式，主要是使用折射率及厚度合适的抗反射膜。48.但是对于使用上述方法解决激光器发光在衬底的反射存在如下问题：49.抗反射膜的技术虽然比较成熟，但由于其工作条件的限制，在很多场景中都会影响到激光器的可靠性。另一方面，抗反射膜的覆盖也会额外增加激光器的工艺复杂度和成本，一般抗反射膜的耐热性都一般，在大温差下工作因为材料的热膨胀系数不同也有脱落风险，并且需要增加额外的镀膜工艺。50.为了解决上述问题，本技术实施例提供了一种半导体激光器及其制造方法，在半导体激光器中设置有功能层，该功能层能够提高激光器元件工作热量传导至半导体衬底的速率，并能够降低半导体衬底对激光器元件出射光线的反射，这样半导体激光器就能够有效散热的同时降低反射，解决了半导体的热传递问题和光反射问题。51.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。52.参考图1所示，图1为本技术实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图，所示半导体激光器包括：53.半导体衬底1，具有相对的第一表面s1和第二表面s2；54.位于所述第一表面s1的功能层2；55.位于所述功能层2背离所述半导体衬底1一侧的激光器元件3；56.其中，所述功能层2用于提高所述激光器元件3工作热量传导至所述半导体衬底1的速率，并降低所述半导体衬底1对所述激光器元件3出射光线的反射。57.本技术实施例提供的半导体激光器中，在半导体衬底1的第一表面s1设置功能层2，在功能层2背离半导体衬底1的一侧设置激光元器件3。该功能层2能够有效提高激光器元件3工作热量传导至半导体衬底1的速率，并且能够降低半导体衬底1对激光器元件3出射光线的反射。58.其中，半导体衬底1的材料的选择也会对半导体激光器的工作性能和发光效果有影响，常见的制造半导体衬底1的材料有：蓝宝石(al2o3)、硅(si)和碳化硅(sic),除以上三种常用的衬底材料外，还有gaas、aln、zno等材料也可做为衬底。蓝宝石是较为普遍的衬底制作材料，其化学稳定性好，制造技术相对成熟并且不吸收可见光，但是其导热性差。碳化硅是热的良导体，器件的导热性能可以明显改善。59.参考图2所示，图2为本技术实施例半导体激光器石墨稀层俯视图。所述功能层2为石墨稀层4，所述石墨稀层4包括多个穿透所述石墨稀层的镂空区域5。60.功能层2包括石墨稀层4，石墨稀是一种二维材料，其具有高导热性，其热导率几乎是金刚石的数十上百倍，石墨稀也具有很好的光学特性，且其结构稳定。石墨稀层4包括多个穿透石墨稀层的镂空区域5，所述镂空区域5是对石墨稀层4进行图像化加工得到的，所谓图形化加工是通过石墨稀层4刻蚀出一定的形状，改变石墨稀层4的反射结构，达到降低反射率的目的。一般使用icp设备进行刻蚀。首先用光刻方式在表面涂光刻胶后，在胶上曝光出图形化的形状。之后使用载入sf6和o2气体的icp刻蚀设备进行干法刻蚀，不同设备的参数设定范围可能有很大区别，一般情况下刻蚀掉1um左右的厚度，时间控制在5～8分钟，石墨烯的刻蚀方法简单，成本低。61.所述石墨稀层4与所述激光器元件3生长到镂空区域5内的物质可等效为微透镜，多个镂空区域5阵列排布，从而构成微透镜阵列，通过这种微透镜阵列则能够进一步有效地减少激光器元件3出射至衬底的出射光线的反射，提高光效。62.所述镂空区域5的深度不小于所述石墨稀层4的厚度,以有效降低反射,提高光效。63.在图2所示方式中，以镂空区域5是矩形为例进行说明，显然本技术实施例中，镂空区域5的实现方式不局限于图2所示方式，可以基于需求设定镂空区域5为阵列排布，镂空区域5为圆形、三角形、矩形中的任一种，如图3或是图4所示。64.参考图3所示，图3为镂空区域5另一种实现方式的俯视图，在图3所示方式中，镂空区域5的图形为三角形。65.参考图4所示，图4为镂空区域5又一种实现方式的俯视图，在图4所示方式中，镂空区域5的图形为圆形。66.参考图2，所述石墨稀层4的厚度小于10nm。尽管石墨稀具有高导热性，但是对于一般的散热需求而言，层数尽量控制少一点更好，因此可以在保证表层si析出的情况下，减少加热的时间，控制层数。67.一种方式是，所述石墨稀层4是石墨稀沉积层,沉积石墨烯也是可选的制备石墨稀层4的方案，所述石墨稀沉积层的沉积方法包括：化学气相沉积(cvd)。化学气相沉积制备石墨稀是将平面基底置于高温可分解的前驱体气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨稀，最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨稀片。68.另一种方式是,所述半导体衬底1为sic衬底，所述功能层2是所述sic衬底对应所述第一表面s1的一侧加热转换的石墨稀层。sic衬底主要发挥其散热和易于生长石墨烯的特性，对材质的晶型，缺陷要求均较低，使用单晶sic还是多晶sic并没有实际区别，在制备石墨烯层4上的效果是一样的，可以使用多晶衬底或缺陷较多不适合其他应用的低成本单晶衬底。sic衬底经过800～1000℃的加热后即可形成单层的石墨烯结构。在本实施例中sic衬底，经过加热，在表面形成石墨烯层4需要的温度为1500℃，加热时长10～300min，可以获得不同厚度的石墨烯材料。69.相对于高成本的沉积形成石墨稀层的方法，上述加热方式中加热碳化硅转换石墨烯层，无需高成本的沉积工艺，直接通过加热sic衬底形成石墨烯，工艺简单，制作成本低，且不增加器件厚度。70.如上述，通过设置功能层2，提高所述激光器元件3工作热量传导至所述半导体衬底1的速率，并且降低了所述半导体衬底1对所述激光器元件3出射光线的反射，可以用于提高各种半导体激光器的出光效率和散热效率。半导体激光器的结构不局限于下图5和图6所示。71.参考图5，图5为本技术实施例提供的另一种半导体激光器的结构示意图，在图1所示方式基础上，图5中所述激光器元件3包括：72.位于所述功能层背离所述半导体衬底一侧的外延层9；73.位于所述外延层背离所述功能层一侧的有源层10，所述有源层露出部分所述外延层；74.位于所述有源层背离所述外延层一侧的第一电极11；75.位于所述有源层露出所述外延层表面的第二电极12。76.所述激光器元件包括：外延层9、有源层10、第一电极11和第二电极1277.本技术实施例所述半导体激光器包括sic衬底8、石墨稀层4、外延层9、有源层10、第一电极11和第二电极12。其中上述激光器元件3生长到镂空区域5的物质是由外延层9生长得到的，构成外延层9包括但不限于gan，inp，gaas等材料，图6中所述外延层9则为gan外延层。半导体激光器外延层9是在石墨稀层4表面直接制作，然后对外延层9进行工艺加工形成激光器结构，图6的有源层10为algan有源层，其中所述第一电极11可以覆盖algan有源层10，第一电极11成为金属反射电极，或者可以在第一电极11表面、第一电极11露出所述有源层表面、所述有源层10露出所述外延层9表面和第二电极12表面增加表面钝化层，增加反射。78.除上述实施例激光器结构外另补充一激光器结构如图6所示，图6为又一种基于本发明衬底的激光器结构示意图。图6所示激光器结构包括：第一电极13、sic衬底14、石墨稀层15、缓冲层16、n-dbr层17、有源层18、p-dbr层19、谐振腔20、欧姆接触层21和第二电极22。本技术主要是提供一种衬底方案，在此基础上的上层激光器方案是可以自由组合的，无论是dbr还是量子点激光器等，都可以在这个衬底上进行生长和工艺加工。79.基于上述实施例，本技术另一实施例还提供了一种半导体激光器的制作方法，用于制作上述实施例所述的半导体激光器，所述制作方法可以如图7-图8所示。80.参考图7-图8所示，图7-图8为本技术实施例提供的一种半导体激光器制作方法的流程示意图，该制作方法包括：81.步骤s1：如图7所示，提供一半导体衬底1，具有相对的第一表面s1和第二表面s2；82.步骤s2：如图8所示，在所述第一表面s1形成功能层2；83.步骤s3：在所述功能层2背离所述半导体衬底1一侧形成激光器元件3,制备完成的半导体激光器如图1所示；84.其中，所述功能层2用于提高所述激光器元件3工作热量传导至所述半导体衬底1的速率，并降低所述半导体衬底1对所述激光器元件3出射光线的反射。85.在所述第一表面s1形成功能层2，包括：86.在所述第一表面s1形成石墨烯层4作为所述功能层2，所述石墨稀层4包括多个穿透所述石墨稀层4的镂空区域5。87.功能层2包括石墨稀层4，石墨稀层4包括多个穿透石墨稀层4的镂空区域5，所述镂空区域5是对石墨稀层4进行刻蚀得到的，通过刻蚀改变石墨稀层4的反射结构。刻蚀的步骤包括：以光刻方式在表面涂胶，在胶上曝光出图形化形状，用刻蚀设备进行干法刻蚀。88.所述半导体衬底1为sic衬底；89.在所述第一表面s1形成石墨烯层4作为所述功能层2，包括：90.在预设温度下，对所述sic衬底进行加热，使得所述sic衬底对应所述第一表面s1的一侧转换为所述石墨烯层4。91.所述半导体衬底1为sic衬底，在所述sic衬底的第一表面s1形成石墨稀层4作为功能层2的步骤是：对sic衬底在温度为1500℃下加热10～300min，在sic衬底形成石墨稀结构，加热时长不同，可以获得不同厚度的石墨稀材料。92.在所述第一表面s1形成石墨烯层4作为所述功能层2，包括：93.通过沉积工艺，在所述第一表面s1沉积所述石墨烯层4。94.本实施例中在所述第一表面s1形成石墨稀沉积层是使用化学气象沉积法，其步骤包括：将平面基底置于高温可分解的前驱体气氛中，经过高温退火工艺使碳原子沉积在基地表面形成石墨稀层4，用化学腐蚀法去除金属基底。95.本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的制造方法而言，由于其与实施例公开的半导体激光器相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见半导体激光器对应部分说明即可。96.需要说明的是，在本技术的描述中，需要理解的是，幅图和实施例的描述是说明性的而不是限制性的。贯穿说明书实施例的同样的幅图标记标识同样的结构。另外，处于理解和易于描述，幅图可能夸大了一些层、膜、面板、区域等厚度。同时可以理解的是，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在其他元件上或者可以存在中间元件。另外，“在…上”是指将元件定位在另一元件上或者另一元件下方，但是本质上不是指根据重力方向定位在另一元件的上侧上。97.术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。98.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，或者本文中的第一和第二是相对于一个器件里的不同部位而言，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。99.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。









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