改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构

摘要

一种改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构，该封装结构包括：热沉；第一金属层；第二金属层；次级热沉其上设有倒梯形凹槽；太赫兹半导体激光器，包括衬底；第二掺杂层；呈梯形结构的有源区；第一掺杂层，作为激光器负电极的电注入接触层；欧姆接触层，用于实现负电极与第一掺杂层的欧姆接触；金属波导层；绝缘层，用于防止有源区与负电极间短路；电镀金层，作为次级热沉的散热层；电极层；第三金属层；以及连接块，顶部第四金属层与负电极相连。本发明采用半绝缘砷化镓作为次级热沉，其低温下具备很高的热导率，与激光器的有源区材料不存在热失配，且次级热沉为激光器提供高效的散热通道，实现太赫兹半导体激光器高功率工作。

权利要求

1.一种太赫兹半导体激光器散热的封装结构，包括：热沉(1)；

第一金属层(2)，设置在热沉(1)上；

第二金属层(3)，设置在第一金属层(2)上；

次级热沉(4)，设置在第二金属层(3)上，其上设有倒梯形凹槽；

太赫兹半导体激光器，包括：

衬底(13)，其背部设有背面金属层(14)；

第二掺杂层(11)，设置在衬底(13)正面上；

有源区(15)，呈梯形结构，设置在第二掺杂层(11)上；

第一掺杂层(10)，设置在有源区(15)梯形结构顶部，作为激光器负电极(602)的电注入接触层；

欧姆接触层(8)，设置在第一掺杂层(10)上，用于实现负电极(602)与第一掺杂层(10)的欧姆接触；

金属波导层(12)，设置在第一掺杂层(10)上，位于欧姆接触层(8)中间，并同时覆盖欧姆接触层(8)，作为激光器的电注入负电极金属层；

绝缘层(9)，覆盖在有源区(15)上，与欧姆接触层(8)和金属波导层(12)接触，用于防止梯形有源区(15)梯形侧壁与负电极(602)间短路，正电极(601)覆盖在第二掺杂层(11)上，有源区(15)的两侧，且与有源区(15)侧壁上的绝缘层(9)通过电隔离槽(19)隔离；

电镀金层(7)，覆盖在绝缘层(9)、正电极(601)和金属波导层(12)上，作为激光器工作时往次级热沉(4)一侧的散热层；

电极层(6)，覆盖在电镀金层(7)上；

第三金属层(5)，覆盖在电极层(6)上；所述有源区(15)、绝缘层(9)、电镀金层(7)、电极层(6)、第三金属层(5)形成倒梯形凸台；所述倒梯形凸台贴合在次级热沉(4)的倒梯形凹槽内；以及电隔离槽(19)，电隔离槽(19)延伸至次级热沉(4)，用于实现正电极(601)与负电极(602)之间的电隔离；以及连接块(18)，设置在第一金属层(2)上，位于次级热沉(4)一侧，连接块(18)顶部设有第四金属层(17)，第四金属层(17)和电极层(6)连接；

其中，所述次级热沉(4)采用的材料包括(100)面半绝缘砷化镓，所述太赫兹半导体激光器包括GaAs/AlGaAs体系太赫兹半导体激光器；所述电隔离槽(19)将倒梯形凸台隔离为中间的倒梯形凸台结构和两侧的正电极电流注入结构，由倒梯形凸台顶部金属波导层(12)实现负电极电流注入，所述倒梯形凸台顶部金属波导层(12)作为负电极(602)。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述热沉(1)采用的材料包括铜；

‑1 ‑1

所述热沉(1)在温度低于100K时的热导率为300至1200Kw m ；

所述次级热沉(4)的厚度为200至300μm；

所述倒梯形凹槽深度为11至13μm。

3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述第一金属层(2)采用的材料包括铟；

所述第一金属层(2)层的厚度为4至6μm；

所述第二金属层(3)采用的材料包括钛和金；

所述第三金属层(5)采用的材料包括铟；

所述第三金属层(5)的厚度为2至3μm；

所述第四金属层(17)采用的材料包括钛和金；

所述连接块(18)采用的材料包括氮化铝陶瓷。

4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述衬底(13)采用的材料包括(100)面半绝缘砷化镓；

所述衬底(13)的厚度为300至500μm。

5.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述有源区(15)包括耦合多量子阱；

所述有源区(15)的厚度为10至13μm；

16 ‑3

所述有源区(15)的掺杂浓度为1至4×10 cm ；

所述第一掺杂层(10)采用的材料包括砷化镓；

所述第一掺杂层(10)的厚度为0.1至0.3μm；

18 ‑3

所述第一掺杂层(10)的掺杂浓度为1至5×10 cm ；

所述第二掺杂层(11)采用的材料包括砷化镓；

所述第二掺杂层(11)的厚度为0.3至0.8μm；

18 ‑3

所述第二掺杂层(11)的掺杂浓度为1至5×10 cm 。

6.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述绝缘层(9)采用的材料包括二氧化硅；

所述绝缘层(9)的厚度为400至500nm；

所述电极层(6)采用的材料包括钛和金；

所述电镀金层(7)的厚度为1至2μm。

7.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述第四金属层(17)与电极层(6)通过金丝连接。

8.一种太赫兹半导体激光器散热的封装结构的制备方法，其特征在于，包括：在热沉(1)上制备第一金属层(2)；

在第一金属层(2)上制备第二金属层(3)；

在第二金属层(3)上制备次级热沉(4)；

在次级热沉(4)上制备倒梯形凹槽；

制备太赫兹半导体激光器，包括：

在衬底(13)背面制备背面金属层(14)；

在衬底(13)正面制备第二掺杂层(11)；

在第二掺杂层(11)上制备梯形结构的有源区(15)；

在有源区(15)梯形结构顶部制备第一掺杂层(10)；

在第一掺杂层(10)上制备欧姆接触层(8)；

在第一掺杂层(10)上，且在欧姆接触层(8)中间制备金属波导层(12)；

在有源区(15)梯形结构侧壁上，且在欧姆接触层(8)与金属波导层(12)上制备绝缘层(9)；

在绝缘层(9)、正电极(601)和金属波导层(12)上制备电镀金层(7)；

在电镀金层(7)上制备电极层(6)；

在电极层(6)上制备第三金属层(5)，得到有源区(15)、绝缘层(9)、电镀金层(7)、电极层(6)、第三金属层(5)形成的倒梯形凸台；

在倒梯形凸台的两侧制备电隔离槽(19)，电隔离槽(19)延伸至次级热沉(4)，正电极(601)覆盖在第二掺杂层(11)上，有源区(15)的两侧，且与有源区(15)侧壁上的绝缘层(9)通过电隔离槽(19)隔离；

将太赫兹半导体激光器的第三金属层(5)封装在次级热沉(4)的倒梯形凹槽内，倒梯形凸台与次级热沉(4)的倒梯形凹槽相贴合；

在第一金属层(2)上，且位于倒梯形凸台的一侧制备连接块(18)；

在连接块(18)上制备第四金属层(17)；

将第四金属层(17)与电极层(6)相连接，得到所述封装结构；

其中，所述次级热沉(4)采用的材料包括(100)面半绝缘砷化镓，所述太赫兹半导体激光器包括GaAs/A1GaAs体系太赫兹半导体激光器；

所述电隔离槽(19)将倒梯形凸台隔离为中间的倒梯形凸台结构和两侧的正电极电流注入结构，由倒梯形凸台顶部金属波导层(12)实现负电极电流注入，所述倒梯形凸台顶部金属波导层(12)作为负电极(602)。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，包括：制备所述有源区(15)、第一掺杂层(10)、第二掺杂层(11)采用的方法均包括分子束外延法。

说明书

改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构

技术领域

[0001] 本发明涉及太赫兹波段大功率半导体激光器件散热和封装技术领域，尤其涉及一种改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构。

背景技术

[0002] 太赫兹波段(1‑10THz)电磁波，光子能量低，且对应一些小分子特定的转动能级而具备“指纹识别”特性，所以在无损检测和分子生物学鉴定，以及天文学领域应用潜力巨大；此外其波长长，在超宽带无线通信方面，同样具备较高的商业价值。然而，受制于载流子渡越时间和电子回路中寄生电容的影响，以及缺乏对应窄带隙半导体发光材料，采用电子学和光子学的方法都很难在所谓“太赫兹空隙THz‑gap(1THz‑10THz)”区实现高功率的THz源。
太赫兹量子级联激光器(THz‑QCLs)的出现，创造性地填补了这一“Gap”，同时兼具了高功率与高效率的特点。THz‑QCLs作为一种单极型太赫兹半导体激光器，其利用电子在多周期耦合量子阱导带内子能级间的跃迁实现受激辐射发光；目前已经可以覆盖0.8THz‑5.4THz的频率范围，并能实现脉冲工作下2W的峰值输出功率，连续波工作下功率也已达到230mW。然而，THz‑QCLs有源区一般包含几百个发光周期，由上千层分子束外延的半导体薄膜材料，共同组成电子输运的通道，在垂直于外延面方向，上千层薄膜材料的界面，导致其有源区沿该方向的热导率极大降低，仅为沿外延面方向热导率的十分之一。此外，1THz的光子能量对应
4.1meV，常用的3‑4THz频率也仅有16meV；对于目前较为成熟的THz‑QCLs有源区材料GaAs/AlGaAs(砷化镓/砷化铝镓)体系，其纵光学声子能量为36meV；THz光子较小的光子能量使其在有源区内更易受到晶格散射和热电子散射的影响，而这两种散射机制，与有源区的温度紧密相关。综合以上两个方面，THz‑QCLs有源区在受激辐射发光的过程中，产热多，散热效率低，且易受热影响，受限于这些因素，THz‑QCLs目前只能在低温下工作。所以，从器件结构和封装方面对THz‑QCLs的散热进行设计优化，对提高THz‑QCLs的功率和工作温度有重要意义。

[0003] 为了改善THz‑QCLs的散热，实现大功率输出，目前较为有效的措施是对器件采用倒装焊的封装方式，找到一个高阻且高热导率的次级热沉如氮化铝，碳化硅，蓝宝石，单晶硅等，在次级热沉上制作出图形化的电极，之后利用贴片机将发光脊(激光器负极)与支撑脊(激光器正极)，对准、压焊在次级热沉上对应的图形化电极区域，再将带有管芯的次级热沉烧结在铜热沉上，实现往制冷机或装有制冷剂的冷端方向的散热。相比正焊的器件，这种倒装焊的激光器优点在于，器件的有源区更接近热沉，使得器件内部最热的发光核心在垂直外延面方向散热效率得到提高；但同时，也存在一些不足之处；之一：以往倒装焊的方法，只是将脊的顶部焊接在次级热沉上，虽然有源区靠近了热沉，但脊的侧壁没有与热沉直接接触，即横向没有提供散热通道。根据上面的分析，THz‑QCLs在垂直外延面方向热导率是沿外延面热导率的十分之一，所以如果横向存在有效的散热通道，器件倒装焊的散热效率会得到较大提高；之二：以往选用的次级热沉如粉末烧结的A1N(氮化铝)，单晶蓝宝石，气相沉积法(CVD)生长的多晶金刚石等，虽然室温下热导率很高，但在THz‑QCLs工作所需的低温环境下(＜100K)，热导率有很大降低，而且这些材料热导率与THz‑QCLs的有源区GaAs/A1GaAs材料存在较大的热失配，导致在之后的低温以及变温测试中，有很大裂片的风险。所以，次级热沉低温热导率低以及热失配的存在，使得倒装焊的THz‑QCLs通过次级热沉沿垂直外延面方向(纵向)的散热效率也不是很高；此外高阻硅单晶材料在低于100K的环境有很高热导率，但依然受限于很难给器件提供沿横向的散热通道。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

[0005] 为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种太赫兹半导体激光器散热的封装结构，包括：

[0006] 热沉；

[0007] 第一金属层，设置在热沉上；

[0008] 第二金属层，设置在第一金属层上；

[0009] 次级热沉，设置在第二金属层上，其上设有倒梯形凹槽；

[0010] 太赫兹半导体激光器，包括：

[0011] 衬底，其背部设有背面金属层；

[0012] 第二掺杂层，设置在衬底正面上；

[0013] 有源区，呈梯形结构，设置在第二掺杂层上；

[0014] 第一掺杂层，设置在有源区梯形结构顶部，作为激光器负电极的电注入接触层；

[0015] 欧姆接触层，设置在第一掺杂层上，用于实现负电极与第一掺杂层的欧姆接触；

[0016] 金属波导层，设置在第一掺杂层上，位于欧姆接触层中间，并同时覆盖欧姆接触层，作为激光器的电注入负电极金属层；

[0017] 绝缘层，覆盖在有源区上，与欧姆接触层和金属波导层接触，用于防止梯形有源区梯形侧壁与负电极间短路，或防止激光器正电极与负电极间短路；

[0018] 电镀金层，覆盖在绝缘层和金属波导层上，作为激光器工作时往次级热沉一侧的散热层；

[0019] 电极层，覆盖在电镀金层上；

[0020] 第三金属层，覆盖在电极层上；所述有源区、绝缘层、电镀金层、电极层、第三金属层形成倒梯形凸台；所述倒梯形凸台设置在次级热沉的倒梯形凹槽内；以及

[0021] 电隔离槽，设置在倒梯形凸台的两侧，用于实现正电极与负电极之间的电隔离；以及

[0022] 连接块，设置在第一金属层上，位于次级热沉一侧，连接块顶部设有第四金属层，第四金属层和电极层连接。

[0023] 基于上述技术方案可以看出，本发明改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构相对于现有技术至少具有以下优势之一：

[0024] 1、本发明采用(100)面半绝缘砷化镓材料作为太赫兹半导体激光器倒装焊的次级热沉，其低温(＜100K)下具备很高的热导率，在30K附近热导率最高可达1600W/(m K)，比同样温度下无氧铜的热导率1200W/(m K)还要高，且与在(100)面半绝缘砷化镓衬底上外延得到的GaAs/AlGaAs体系THz‑QCLs不存在热失配，大幅度提高散热效率；

[0025] 2、本发明采用(100)面半绝缘砷化镓材料作为太赫兹半导体激光器倒装焊的次级热沉，通过光刻和湿法腐蚀的方法，利用H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶10腐蚀液对砷化镓衬底以及THz‑QCLs腐蚀时的晶面腐蚀速率的各向异性，可以实现对THz‑QCLs发光脊与半绝缘砷化镓次级热沉的形状、尺寸的定制化，为激光器同时提供横向和纵向高效的散热通道，同时实现了横向和纵向的散热，热量从有源区高效散出，有利于有源区温度降低，提高激光器工作时的散热效率，从而有利于实现更高功率的太赫兹半导体激光器；

[0026] 3、本发明采用的高质量的半绝缘砷化镓衬底，相比其他次级热沉材料，价格便宜且较易得到，因此降低了大功率太赫兹半导体激光器散热封装结构的经济成本，提高了制造效率。

附图说明

[0027] 图1是本发明实施例中的结构示意图；

[0028] 图2是本发明实施例中结构的俯视方向示意图；

[0029] 图3是本发明连接块的立体结构示意图；

[0030] 图4是本发明图1中大功率太赫兹半导体激光器散热封装结构内部热流分布图。

[0031] 附图标记说明：

[0032] 1‑热沉；2‑第一金属层；3‑第二金属层；4‑次级热沉；5‑第三金属层；6‑电极层；601‑正电极；602‑负电极；7‑电镀金层；8‑欧姆接触层；9‑绝缘层；10‑第一掺杂层；11‑第二掺杂层；12‑金属波导层；13‑衬底；14‑背面金属层；15‑有源区；16‑金丝；17‑第四金属层；
18‑连接块；19‑电隔离槽。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

[0034] 本发明提供一种改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构，选择低温下(＜100K)具备高热导率、与GaAs/A1GaAs体系THz‑QCLs无热失配、且形状大小可由光刻和湿法腐蚀图形化的半绝缘砷化镓材料作为器件倒装焊的次级热沉，借此实现激光器同时在横向和纵向高的散热效率，降低有源区的核温，在此基础上，提高THz‑QCLs的输出功率。大功率太赫兹半导体激光器是指续波工作的条形太赫兹半导体激光器，单面出光功率为100mW‑300mW。

[0035] 为了提高THz‑QCLs的散热效率，得到更高功率的THz‑QCLs，本发明提出一种新型的器件封装结构。本结构采用(100)面半绝缘GaAs衬底作为THz‑QCLs倒装焊的次级热沉，半绝缘砷化镓单晶材料虽然在室温下热导率不高，只有45W/(m K)，但是在低于100K，甚至更低的温度下其热导率非常高，在30K附近热导率最高可达1600W/(m K)，比同样温度下无氧铜的热导率1200W/(m K)还要高，而且相比其他次级热沉材料，高质量的半绝缘砷化镓衬底较易得到，且价格便宜。此外，半绝缘GaAs单晶材料与THz‑QCLs有源区GaAs/AlGaAs材料不存在热失配；更重要的是，可通过湿法腐蚀的方法，利用H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶10腐蚀液对砷化镓单晶衬底以及THz‑QCLs腐蚀时的晶面腐蚀速率的各向异性，实现对THz‑QCls发光脊和次级热沉散热通道的图形化设计。将二者均沿[1‑10]晶向光刻，之后以光刻胶作为掩膜，进行湿法腐蚀，可得到横截面为梯形，上窄下宽，侧壁与下腐蚀面成45度倾角的沿[1‑10]晶向的THz‑QCLs条形发光脊与横截面为倒梯形，上宽下窄，侧壁与下腐蚀面成135度倾角沿[1‑10]晶向的半绝缘砷化镓条形支撑槽。通过光刻板图的设计，可使二者形状、尺寸互补，倒装焊时，利用亚微米贴片机，将THz‑QCLs发光脊对准、嵌套进已经图形化过正负电极区的半绝缘砷化镓支撑槽中，这样，就实现了以半绝缘砷化镓衬底作为THz‑QCLs倒装焊次级热沉的器件封装。在该封装结构中，THz‑QCLs发光脊在纵向和横向均以低温下(0‑100K)具备高热‑1 ‑1
导率(例如热导率为300至1600Kw m )、贴合紧密、无热失配的半绝缘砷化镓材料作为散热通道，这会在很大程度上提高器件的散热效率，实现THz‑QCLs连续波工作大于100mW(例如为100至300mW)的大功率输出。综上所述，本发明提出一种改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构，其特点在于选择低温下(＜100K)具备高热导率(例如热导率为300至‑1 ‑1
1600Kw m )、与THz‑QCLs发光脊无热失配、且形状大小可图形化的半绝缘砷化镓材料作为器件倒装焊的次级热沉，能同时实现激光器横向和纵向高的散热效率，在此基础上，实现大功率THz‑QCLs器件。

[0036] 本发明公开了一种太赫兹半导体激光器散热的封装结构，包括：

[0037] 热沉；

[0038] 第一金属层，设置在热沉上；

[0039] 第二金属层，设置在第一金属层上；

[0040] 次级热沉，设置在第二金属层上，其上设有倒梯形凹槽；

[0041] 太赫兹半导体激光器，包括：

[0042] 衬底，其背部设有背面金属层；

[0043] 第二掺杂层，设置在衬底正面上；

[0044] 有源区，呈梯形结构，设置在第二掺杂层上；

[0045] 第一掺杂层，设置在有源区梯形结构顶部，作为激光器负电极的电注入接触层；

[0046] 欧姆接触层，设置在第一掺杂层上，用于实现负电极与第一掺杂层的欧姆接触；

[0047] 金属波导层，设置在第一掺杂层上，位于欧姆接触层中间，并同时覆盖欧姆接触层，作为激光器的电注入负电极金属层；

[0048] 绝缘层，覆盖在有源区上，与欧姆接触层和金属波导层接触，用于防止梯形有源区梯形侧壁与负电极间短路，或防止激光器正电极与负电极间短路；

[0049] 电镀金层，覆盖在绝缘层和金属波导层上，作为激光器工作时往次级热沉一侧的散热层；

[0050] 电极层，覆盖在电镀金层上；

[0051] 第三金属层，覆盖在电极层上；所述有源区、绝缘层、电镀金层、电极层、第三金属层形成倒梯形凸台；所述倒梯形凸台设置在次级热沉的倒梯形凹槽内；以及

[0052] 电隔离槽，设置在倒梯形凸台的两侧，用于实现正电极与负电极之间的电隔离；以及

[0053] 连接块，设置在第一金属层上，位于次级热沉一侧，连接块顶部设有第四金属层，第四金属层和电极层连接。

[0054] 在本发明的一些实施例中，所述电隔离槽将倒梯形凸台隔离为中间的倒梯形凸台结构和两侧的正电极电流注入结构，由倒梯形凸台顶部金属波导层实现负电极电流注入；

[0055] 在本发明的一些实施例中，所述正电极电流注入结构包括：

[0056] 正电极，设置在第二掺杂层上；

[0057] 电镀金层，设置在正电极上；

[0058] 电极层，设置在电镀金层上；以及

[0059] 第三金属层，设置在电极层上。

[0060] 在本发明的一些实施例中，所述热沉采用的材料包括铜；

[0061] 在本发明的一些实施例中，所述热沉在温度低于100K时的热导率为300至1200Kw‑1 ‑1
m ；

[0062] 在本发明的一些实施例中，所述次级热沉采用的材料包括(100)面半绝缘砷化镓；

[0063] 在本发明的一些实施例中，所述次级热沉的厚度为200至300μm；

[0064] 在本发明的一些实施例中，所述倒梯形凹槽深度为11至13μm。

[0065] 在本发明的一些实施例中，所述第一金属层采用的材料包括铟；

[0066] 在本发明的一些实施例中，所述第一金属层层的厚度为4至6μm；

[0067] 在本发明的一些实施例中，所述第二金属层采用的材料包括钛和金；

[0068] 在本发明的一些实施例中，所述第三金属层采用的材料包括铟；

[0069] 在本发明的一些实施例中，所述第三金属层的厚度为2至3μm；

[0070] 在本发明的一些实施例中，所述第四金属层采用的材料包括钛和金；

[0071] 在本发明的一些实施例中，所述连接块采用的材料包括氮化铝陶瓷。

[0072] 在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括(100)面半绝缘砷化镓；

[0073] 在本发明的一些实施例中，所述衬底的厚度为300至500μm。

[0074] 在本发明的一些实施例中，所述有源区包括耦合多量子阱；

[0075] 在本发明的一些实施例中，所述有源区的厚度为10至13μm；

[0076] 在本发明的一些实施例中，所述有源区的掺杂浓度为1至4×1016cm‑3；

[0077] 在本发明的一些实施例中，所述第一掺杂层采用的材料包括砷化镓；

[0078] 在本发明的一些实施例中，所述第一掺杂层的厚度为0.1至0.3μm；

[0079] 在本发明的一些实施例中，所述第一掺杂层的掺杂浓度为1至5×1018cm‑3；

[0080] 在本发明的一些实施例中，所述第二掺杂层采用的材料包括砷化镓；

[0081] 在本发明的一些实施例中，所述第二掺杂层的厚度为0.3至0.8μm；

[0082] 在本发明的一些实施例中，所述第二掺杂层的掺杂浓度为1至5×1018cm‑3。

[0083] 在本发明的一些实施例中，所述绝缘层采用的材料包括二氧化硅；

[0084] 在本发明的一些实施例中，所述绝缘层的厚度为400至500nm；

[0085] 在本发明的一些实施例中，所述电极层采用的材料包括钛和金；

[0086] 在本发明的一些实施例中，所述电镀金层的厚度为1至2μm。

[0087] 在本发明的一些实施例中，所述第四金属层(17)与电极层(6)通过金丝连接。

[0088] 本发明还公开了一种太赫兹半导体激光器散热的封装结构的制备方法包括：

[0089] 在热沉上制备第一金属层；

[0090] 在第一金属层上制备第二金属层；

[0091] 在第二金属层上制备次级热沉；

[0092] 在次级热沉上制备倒梯形凹槽；

[0093] 制备太赫兹半导体激光器，包括：

[0094] 在衬底背面制备背面金属层；

[0095] 在衬底正面制备第二掺杂层；

[0096] 在第二掺杂层上制备梯形结构的有源区；

[0097] 在有源区梯形结构顶部制备第一掺杂层；

[0098] 在第一掺杂层上制备欧姆接触层；

[0099] 在第一掺杂层上，且在欧姆接触层中间制备金属波导层；

[0100] 在有源区梯形结构侧壁上，且在欧姆接触层与金属波导层上制备绝缘层；

[0101] 在绝缘层和金属波导层上制备电镀金层；

[0102] 在电镀金层上制备电极层；

[0103] 在电极层上制备第三金属层，得到有源区、绝缘层、电镀金层、电极层、第三金属层形成的倒梯形凸台；

[0104] 在倒梯形凸台的两侧制备电隔离槽；

[0105] 将太赫兹半导体激光器的第三金属层封装在次级热沉的倒梯形凹槽内；

[0106] 在第一金属层上，且位于倒梯形凸台的一侧制备连接块；

[0107] 在连接块上制备第四金属层；

[0108] 将第四金属层与电极层相连接，得到所述封装结构。

[0109] 在本发明的一些实施例中，制备所述有源区、第一掺杂层、第二掺杂层采用的方法均包括分子束外延法。

[0110] 本发明的一个实施例中，一种改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构，包括：一铜热沉(即热沉)，该铜热沉表面抛光，上表面沉积金属；一次级热沉，该次级热沉由一(100)面半绝缘砷化镓衬底，经光刻、湿法腐蚀得到沿[0‑11]晶向，横截面为倒梯形的条形支撑槽，在所述次级热沉上下表面沉积金属；一太赫兹半导体激光器，该太赫兹半导体激光器材料包括，一(100)面半绝缘砷化镓衬底(即衬底)，一下高掺层(即第二掺杂层)、一耦合多量子阱有源区(即有源区)、一上高掺层(即第一掺杂层)，所述下高掺层(即第二掺杂层)、耦合多量子阱有源区(即有源区)、上高掺层(即第一掺杂层)由分子束外延设备外延得到；

[0111] 将上述太赫兹半导体激光器材料，通过光刻、湿法腐蚀得到沿[0‑11]晶向，横截面为正梯形的条形激光器谐振腔，在该激光器谐振腔上表面由电子束蒸发沉积金属层制作欧姆接触，再由电子束蒸发沉积金属层作为激光器正负电极和上金属波导(即金属波导层)，由等离子体化学气相沉积(PECVD)生长的二氧化硅绝缘层隔离正负电极区，之后在器件上表面电镀金，作为激光器的散热层，得到上述太赫兹半导体激光器，其发光脊形状、尺寸与上述次级热沉支撑槽的形状、尺寸互补，之后通过倒装焊的贴片方法，将该太赫兹半导体激光器通过亚微米精度的贴片机封装在上述次级热沉上；

[0112] 一氮化铝陶瓷块(即连接块)，该氮化铝陶瓷块(即连接块)上下表面溅射金属层(即第四金属层)，并烧结在铜热沉(即热沉)上，通过金丝球焊机将上述太赫兹半导体激光器的正负极由金丝引出至氮化铝陶瓷金属层上。

[0113] 本发明的另一个实施例中，一种改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构，包括：

[0114] 一铜热沉(即热沉)；

[0115] 一次级热沉；

[0116] 一太赫兹半导体激光器；

[0117] 该太赫兹半导体激光器发光脊的形状、尺寸与上述次级热沉支撑槽的形状、尺寸互补，之后通过倒装焊的贴片方法，将该太赫兹半导体激光揣通过亚微米精度的贴片机封装在上述次级热沉上；

[0118] 一氮化铝陶瓷块(即连接块)；

[0119] 该氮化铝陶瓷块(即连接块)上下表面溅射金属层(即第四金属层)，并烧结在铜热沉(即热沉)上，通过金丝球焊机将上述太赫兹半导体激光器的正负极由金丝引出至氮化铝陶瓷金属层(即第四金属层)上；

[0120] 其中，所述的铜热沉(即热沉)为高纯无氧铜(例如纯度为99.999％‑99.9999％)，‑1 ‑1其在低温下(0‑100K)热导率很高(例如热导率为300至1200Kw m )，作为激光器一侧的散热通道，该铜热沉表面抛光粗糙度小于100nm，上下表面通过电镀的方法沉积金属In，层厚为4至6μm；

[0121] 其中所述的次级热沉由一(100)面半绝缘砷化镓衬底组成，厚度为200至300μm，经光刻、湿法腐蚀得到沿衬底[0‑11]晶向的支撑槽，湿法腐蚀液选择H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶10，腐蚀速率为0.5至0.6μm/min，腐蚀深度为11至13μm。由于半绝缘砷化镓衬底为闪锌矿晶体结构，上述腐蚀液对其各个晶面的腐蚀具有强烈的各向异性，腐蚀完成后会得到一个侧壁为135度倾角、上宽下窄的倒梯形条状支撑槽，即为所述次级热沉，在该次级热沉上下表面，先由电子束蒸发，沉积金属Ti/Au，层厚为5nm/200nm，之后在所述次级热沉上表面Ti/Au金属层上，由热蒸发沉积金属In，层厚为2至3μm；

[0122] 其中所述的太赫兹半导体激光器，包括：

[0123] 一(100)面半绝缘砷化镓衬底(即衬底)，衬底厚度为300至500μm；

[0124] 一下高掺层(即第二掺杂层)，掺杂浓度为1至5×1018cm‑3，厚度为0.3至0.8μm，位于半绝缘砷化镓衬底上，作为激光器正电极的电注入接触层；

[0125] 一耦合多量子阱有源区(即有源区)，厚度为10至13μm，由周期性的GaAs/Al0.15Ga0.85As耦合多量子阱组成，每个周期包含注入区、发光区、抽取区(下一周期的注入16 ‑3
区)，平均掺杂浓度为1至4×10 em ；

[0126] 一上高掺层(即第一掺杂层)，掺杂浓度为1至5×1018cm‑3，厚度为0.1至0.3μm，作为激光器负电极的电注入接触层；

[0127] 所述下高掺层(即第二掺杂层)、耦合多量子阱有源区(即有源区)、上高掺层(即第一掺杂层)由分子束外延设备外延得到；将上述耦合多量子阱有源区(即有源区)和上高掺层(即第一掺杂层)，通过光刻、湿法腐蚀得到沿[0‑11]晶向的激光器谐振腔，湿法腐蚀液选择H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶10，腐蚀速率为0.5至0.6μm/min，腐蚀深度为耦合多量子阱有源区(即有源区)与上高掺层(即第一掺杂层)的厚度之和，该两层单晶材料均为闪锌矿结构，上述腐蚀液对其各个晶面的腐蚀具有强烈的各向异性，腐蚀完成后会得到一个侧壁为45度倾角的正梯形条状发光脊，即为上述太赫兹半导体激光器谐振腔；

[0128] 一二氧化硅层(即绝缘层)，由等离子体化学气相沉积(PECVD)生长得到，厚度为400‑500nm(例如450nm)，之后通过光刻，湿法腐蚀，腐蚀液为BOE(HF∶NH4OH∶H2O＝1∶6∶9)溶液，在正负电极区开电注入窗口，其余二氧化硅作为正负电极的隔离层；

[0129] 一欧姆接触层，在所述谐振腔上表面正负电极区域，由电子束蒸发沉积多层金属膜Ge/Au/Ni/Au，厚度分别为10至20nm/40至50nm/10至20nm/200至220nm，优选为20nm/50nm/15nm/200nm，蒸发时，衬底温度设为70至90℃，优选80℃并旋转；之后将其放入退火炉中进行快速热退火，在金属与高掺半导体界面形成欧姆接触；

[0130] 一电极层，在上述谐振腔正负电极区域，由电子束蒸发沉积Ti/Au层，厚度分别为5至10nm/280至300nm，优选为10nm/300nm，蒸发时，衬底温度设为70至90℃，优选80℃并旋转；

[0131] 一电镀金层，厚度为1至2μm，在上述电极层上电镀金，作为激光器工作时往次级热沉一侧的散热层；

[0132] 一背面金属层，在上述谐振腔结构背面由电子束蒸发沉积Ti/Au层，厚度为5至10nm/280至300nm，优选10nm/300nm，蒸发时，衬底温度设在180至200℃，优选200℃并旋转；

[0133] 该太赫兹半导体激光器正梯形谐振腔的形状、尺寸与上述次级热沉倒梯形支撑槽的形状、尺寸互补，之后通过倒装焊的贴片方法，将该太赫兹半导体激光器通过亚微米精度的贴片机封装在上述次级热沉上；

[0134] 其中所述的氮化铝陶瓷块(即连接块)，其上下表面通过磁控溅射，得到Ti/Au金属层(即第四金属层)，层厚均为20至40nm/800nm至1000nm，优选40nm/1000nm，之后在温度为180至200℃，优选200℃，烧结在上述电镀铟的铜热沉(热沉)上，通过金丝球焊机将上述太赫兹半导体激光器的正负极由金丝引出至氮化铝陶瓷金属层(即第四金属层)上。

[0135] 以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

[0136] 请参阅图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供了一种改善大功率太赫兹半导体激光器散热的封装结构，包括：

[0137] 一铜热沉(即热沉1)，该铜热沉表面抛光，上表面沉积In金属层(即第一金属层2)；

[0138] 一次级热沉4，该次级热沉由一(100)面半绝缘砷化镓衬底，经光刻、湿法腐蚀得到沿[0‑11]晶向的条形支撑槽，在所述次级热沉上下表面由电子束蒸发沉积金属Ti/Au层3、5(即第二金属层3和第三金属层5)；

[0139] 一太赫兹半导体激光器，该太赫兹半导体激光器材料包括，一(100)面半绝缘砷化镓衬底(衬底13)，一下高掺层(即第二掺杂层11)、一耦合多量子阱有源区(有源区15)、一上高掺层(即第一掺杂层10)，所述下高掺层(即第二掺杂层11)、耦合多量子阱有源区(即有源区15)、上高掺层(即第一掺杂层10)由分子束外延设备外延得到；

[0140] 将上述太赫兹半导体激光器材料，通过光刻、湿法腐蚀得到沿[0‑11]晶向的条形激光器谐振腔，在该激光器谐振腔上表面由电子束蒸发沉积金属层Ge/Au/Ni/Au，制作欧姆接触层8，再由电子束蒸发沉积金属层Ti/Au作为激光器正电极601、负电极602和金属波导层12，由等离子体化学气相沉积(PECVD)生长的二氧化硅绝缘层(即绝缘层9)隔离正电极601和负电极602，之后在器件上表面电镀金层7，作为激光器的散热层，得到上述太赫兹半导体激光器条形谐振腔，上述太赫兹半导体激光器条形谐振腔的形状、尺寸与上述次级热沉4的支撑槽形状、尺寸互补，之后通过倒装焊的贴片方法，将该太赫兹半导体激光器通过亚微米精度的贴片机封装在上述次级热沉4上；所述有源区15、绝缘层9、电镀金层7、电极层
6、第三金属层5形成倒梯形凸台；电隔离槽19将倒梯形凸台隔离为中间的倒梯形凸台结构和两侧的正电极电流注入结构，由倒梯形凸台顶部金属波导层12实现负电极电流注入，所述正电极电流注入结构自上而下依次包括：正电极601、电镀金层7、电极层6、第三金属层5。

[0141] 一氮化铝陶瓷块(即连接块18)，该氮化铝陶瓷块(即连接块18)上下表面溅射金属Ti/Au层(即第四金属层17)，并烧结在镀铟的铜热沉1上，通过金丝球焊机将上述太赫兹半导体激光器的正电极601和负电极602由金丝16引出至氮化铝陶瓷金属层(即第四金属层17)上。

[0142] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。