一種半導(dǎo)體激光器熱沉制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種半導(dǎo)體激光器熱沉。該半導(dǎo)體激光器熱沉具有優(yōu)良的散熱性能，不易被氧化，具有使用壽命長和散熱穩(wěn)定的特性，該熱沉通過采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法在銅熱沉表面制備高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)的石墨烯薄膜層將銅熱沉包覆實現(xiàn)。本發(fā)明專利技術(shù)公開的這種半導(dǎo)體激光器熱沉利用石墨烯材料的性能穩(wěn)定和高效導(dǎo)熱性能，實現(xiàn)將半導(dǎo)體激光器芯片產(chǎn)生的熱量向銅熱沉的高效快速傳輸，銅熱沉將由石墨烯薄膜層傳輸過來的熱量散失在空氣或其他冷卻媒介中。本發(fā)明專利技術(shù)公開的這種半導(dǎo)體激光器熱沉制備工藝簡單、成本低、散熱性能穩(wěn)定、使用壽命長，可有效解決半導(dǎo)體激光器散熱問題并提高半導(dǎo)體激光器器件性能。

Heat sink for semiconductor laser

The invention discloses a heat sink for a semiconductor laser. The semiconductor laser heat sink has excellent cooling performance, not easy to be oxidized, has the characteristics of long service life and stable cooling, the heat sink by using chemical vapor deposition (CVD) method in the copper heat sink surface preparation of high thermal conductivity, low thermal expansion coefficient of the graphene film layer will realize coated copper heat sink. The invention discloses the semiconductor laser heat sink with stable performance and high thermal conductivity of graphene materials, to achieve the fast and efficient transmission of semiconductor laser chip heat to the copper heat sink, copper heat sink by the graphene film layer over the transmission loss of heat in the air or other cooling medium. The invention discloses the semiconductor laser heat sink has the advantages of simple preparation process, low cost, stable heat dissipation and long service life, can effectively solve the problem of heat dissipation and improve the performance of semiconductor laser semiconductor laser device.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種半導(dǎo)體激光器熱沉
本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體激光器熱沉，該半導(dǎo)體激光器熱沉利用石墨烯材料的穩(wěn)定性和高效導(dǎo)熱特性，結(jié)合傳統(tǒng)銅(Cu)熱沉構(gòu)成性能穩(wěn)定高效導(dǎo)熱的石墨烯-Cu熱沉。
技術(shù)介紹
高亮度大功率半導(dǎo)體激光器是固體激光器和光纖激光器的理想泵浦源，廣泛應(yīng)用于材料加工、自由空間通訊、醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著高功率半導(dǎo)體激光器的廣泛應(yīng)用，可靠性成為限制其應(yīng)用的重要影響因素。在半導(dǎo)體激光器中，隨著輸出功率的提高，對激光器散熱能力的要求也越來越高，溫度升高時器件會出現(xiàn)模式競爭，同時，光譜的譜寬變大，因此，散熱成為影響器件壽命和可靠性的重要指標(biāo)，關(guān)系到激光器器件性能的好壞和成敗。如果激光器散熱不及時，勢必造成結(jié)溫升高，從而使激光器的閾值電流密度升高，電光轉(zhuǎn)換效率降低，激光器波長發(fā)生嚴(yán)重溫漂，嚴(yán)重影響器件的壽命和可靠性。對于使用半導(dǎo)體激光器作為光源的光纖通信領(lǐng)域，以及對于密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)，由于通道間的波長間隔已經(jīng)很小，保持波長的穩(wěn)定就變得非常重要。如果不對激光器管芯的溫度加以控制，微小的溫度變化將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的不可用。另外，半導(dǎo)體激光器是對溫度敏感的器件，其閾值電流、輸出波長以及輸出功率的穩(wěn)定性都對溫度非常敏感，其工作壽命也與其工作溫度密切相關(guān)。實驗表明，溫度每升高30℃激光器的壽命會降低一個數(shù)量級。因此如何及時消除因耗散功率所轉(zhuǎn)化的熱量是實現(xiàn)高效、高可靠性和高穩(wěn)定性半導(dǎo)體激光器器件的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外主要采用無源熱沉和有源熱沉來實現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器的散熱。無源熱沉的散熱能力有限，一般適用于低功率連續(xù)或超短脈沖大功率半導(dǎo)體激光器陣列的散熱，對于大功率連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)半導(dǎo)體激光器陣列，其輸出功率高，需采用高效液體冷卻器進行散熱，即有源熱沉。常用的方法主要有：平板熱沉散熱、大通道散熱、針孔通道散熱和微通道散熱。半導(dǎo)體激光器熱沉材料的線性熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片材料線性熱膨脹系數(shù)匹配性要好，如果不能及時將半導(dǎo)體激光器工作時產(chǎn)生的熱量帶走，就會使得整個激光器溫度升高，膨脹系數(shù)不同，受熱形變量不同，在外延材料與熱沉材料之間產(chǎn)生應(yīng)力出現(xiàn)smile效應(yīng)，從而拉傷激光器芯片，劣化激光器的光電特性；如果應(yīng)力過大，甚至?xí)辜す馄餍酒瑪嗔眩斐杉す馄魍蝗皇АＤ壳埃瑹o源熱沉和有源熱沉通常用金屬銅作為熱沉材料，銅材料與半導(dǎo)體激光器芯片材料的熱膨脹系數(shù)相差很大，當(dāng)芯片工作時，溫度發(fā)生劇烈變化導(dǎo)致芯片局部產(chǎn)生強烈的熱應(yīng)力，這將大大降低半導(dǎo)體激光陣列芯片的壽命，另外還會造成半導(dǎo)體激光陣列各個發(fā)光單元輸出光束指向性發(fā)生不規(guī)則變化，從而降低半導(dǎo)體激光陣列輸出激光的光束質(zhì)量。微通道熱沉散熱能力較好，但其內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通道寬度約0.2mm左右，通常采用多層刻槽無氧銅板經(jīng)釬焊或熱擴散焊接而成，成品率低，價格昂貴，且銅材料的通道易被水腐蝕，銅材料在高溫時易被氧化，造成其壽命短。因此，尋找一種制備工藝簡單、散熱能力好、高溫下不易被氧化的半導(dǎo)體激光器熱沉具有重要意義。石墨烯是一種新型的單原子層厚度的二維平面碳納米材料，它由sp2雜化碳原子連接而成，其特殊的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯獨特的物理和化學(xué)特性。石墨烯具有獨特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，室溫下電子的超高遷移率(高于15000cm2·V-1·s-1)，近彈道輸運的電子性質(zhì)，低于銅和銀的電阻率(10-6Ω·cm)，高導(dǎo)熱性(熱導(dǎo)率可達5000W·m-1K-1是金剛石的三倍，純銅的熱導(dǎo)率為398W·m-1·K-1)，低的熱膨脹系數(shù)(石墨烯為-4.8×10-6K-1，銅為17.5×10-6K-1)，此外石墨烯還具有性能穩(wěn)定不易被氧化等特點。同時，氧化石墨烯、多層石墨烯以及其它石墨烯衍生物具有制備工藝相對簡單、產(chǎn)量高、可分散性好等優(yōu)點，大大拓寬了石墨烯的應(yīng)用范圍。結(jié)合石墨烯低的熱膨脹系數(shù)和高達5000Wm-1K-1的熱導(dǎo)率(高于碳納米管和金屬)以及石墨烯性能穩(wěn)定不易被氧化的特性，將其應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器熱沉，對改善器件散熱能力、提高器件性能具有重要的應(yīng)用前景。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提出一種半導(dǎo)體激光器熱沉，通過利用石墨烯材料的高效導(dǎo)熱性能和不易被氧化的特點，實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器芯片產(chǎn)生熱量向熱沉的高效傳輸，同時保護銅熱沉不被氧化，從而避免了由于高溫造成的半導(dǎo)體激光器性能的惡化，實現(xiàn)提高器件輸出性能的穩(wěn)定性和器件的壽命。本專利技術(shù)提出一種半導(dǎo)體激光器熱沉，該半導(dǎo)體激光器熱沉包括石墨烯薄膜層和散熱效率較好的銅熱沉，石墨烯薄膜層和銅熱沉共同構(gòu)成本專利技術(shù)提出的半導(dǎo)體激光器熱沉，其中石墨烯薄膜層制備在銅熱沉表面將銅熱沉包覆，用于將激光器芯片產(chǎn)生的熱量快速向銅熱沉傳輸并將銅熱沉與空氣隔絕保護銅熱沉不被氧化，銅熱沉用于將石墨烯薄膜層傳導(dǎo)的熱量散失到空氣或其他冷卻媒介中。本專利技術(shù)提出一種半導(dǎo)體激光器熱沉，該半導(dǎo)體激光器熱沉的制備方法包括以下步驟：1、利用機械加工方法，如線切割、激光切割等方法制備出銅熱沉；2、對銅熱沉各層表面進行物理拋光、化學(xué)拋光、清洗，并在氮氣保護下快速吹干；3、采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法在銅熱沉表面制備石墨烯薄膜層將銅熱沉包覆。利用CVD制備石墨烯主要有升溫、退火、生長和降溫四個階段，在升溫過程中可以去除CVD系統(tǒng)中殘余的氧氣，并對銅熱沉表面的氧化物進行徹底的還原。當(dāng)溫度從室溫升到900～950℃時，將溫度保持進行一段時間的退火，促進石墨烯的生長。進入生長階段，甲烷或乙炔等碳源裂解出的碳原子沉積到銅熱沉表面并有一部分溶入到銅熱沉表面內(nèi)部。停止生長后進入降溫階段將樣品取出降至室溫，此時由于快速冷卻，滲入到銅熱沉表面內(nèi)部中的碳原子析出形成石墨烯；4、用焊料將激光器芯片焊接在銅熱沉表面的石墨烯薄膜層的上面；5、進行其他工藝制備，完成激光器器件制備。本專利技術(shù)通過在銅熱沉上制備石墨烯薄膜層，使銅熱沉被石墨烯薄膜層包覆，利用石墨烯熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、性能穩(wěn)定不易被氧化等優(yōu)點實現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器芯片產(chǎn)生熱量的高效傳輸，可以快速地將激光器芯片產(chǎn)生的熱量傳輸至銅熱沉，并避免了由于銅熱沉熱膨脹系數(shù)大當(dāng)溫度升高時對半導(dǎo)體激光器芯片帶來的損傷，同時可以將銅熱沉與空氣隔絕，對銅熱沉形成保護，避免銅熱沉與空氣或其他冷卻媒介的接觸而造成的氧化，銅熱沉實現(xiàn)將石墨烯薄膜層傳輸過來的熱量快速散失，實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器高效散熱的目的。本專利技術(shù)提出的這種半導(dǎo)體激光器熱沉制備方法簡單、成本低廉，可以實現(xiàn)有效散熱，提高半導(dǎo)體激光器輸出性能的穩(wěn)定性和器件的使用壽命。附圖說明圖1為本專利技術(shù)一種半導(dǎo)體激光器熱沉結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本專利技術(shù)一種半導(dǎo)體激光器熱沉制備流程圖。具體實施方式下面通過附圖和實施例，對本專利技術(shù)的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)描述。本專利技術(shù)提出的一種半導(dǎo)體激光器熱沉，該半導(dǎo)體激光器熱沉包括石墨烯薄膜層、銅熱沉，所述石墨烯薄膜層是采用CVD方法用甲烷或乙炔作為碳源制備得到，該石墨烯薄膜層制備在銅熱沉表面將銅熱沉包覆，用于將半導(dǎo)體激光器芯片產(chǎn)生的熱量快速傳輸?shù)姐~熱沉，并將銅熱沉與空氣隔絕避免被氧化，所述銅熱沉采用機械加工方式制備得到，并且經(jīng)過物理及化學(xué)拋光并進行清洗，銅熱沉用于將石墨烯傳輸過來的熱量散失到空氣或其他媒介中。下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的實施例進行詳細(xì)描述。如圖1所示為本專利技術(shù)實施例所得到的半導(dǎo)體激光器熱沉結(jié)構(gòu)示意圖，包括石墨烯薄膜層1、銅熱沉2。圖2所示，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種半導(dǎo)體激光器熱沉，該熱沉包括石墨烯薄膜層、銅熱沉，所述石墨烯薄膜層制備在銅熱沉表面上將銅熱沉包覆，其特征在于，本專利技術(shù)公開的這種半導(dǎo)體激光器熱沉采用石墨烯薄膜層將銅熱沉包覆，利用石墨烯性能穩(wěn)定的特性實現(xiàn)銅熱沉與空氣隔絕，避免銅熱沉被氧化，提升銅熱沉的使用壽命和散熱的穩(wěn)定性，同時利用石墨烯熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，實現(xiàn)將半導(dǎo)體激光器芯片產(chǎn)生的熱量高效傳輸?shù)姐~熱沉，銅熱沉將石墨烯薄膜層傳輸過來的熱量散失到空氣或其他冷卻媒介中，這種利用石墨烯薄膜層將銅熱沉包覆構(gòu)成的石墨烯?Cu熱沉具有良好的散熱性能，并且可以保護銅熱沉不被氧化，從而有效提高半導(dǎo)體激光器輸出性能的穩(wěn)定性和器件的使用壽命。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種半導(dǎo)體激光器熱沉，該熱沉包括石墨烯薄膜層、銅熱沉，所述石墨烯薄膜層制備在銅熱沉表面上將銅熱沉包覆，其特征在于，本發(fā)明公開的這種半導(dǎo)體激光器熱沉采用石墨烯薄膜層將銅熱沉包覆，利用石墨烯性能穩(wěn)定的特性實現(xiàn)銅熱沉與空氣隔絕，避免銅熱沉被氧化，提升銅熱沉的使用壽命和散熱的穩(wěn)定性，同時利用石墨烯熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，實現(xiàn)將半導(dǎo)體激光器芯片產(chǎn)生的熱量高效傳輸?shù)姐~熱沉，銅熱沉將石墨烯薄膜層傳輸過來的熱量散失到空氣或其他冷卻媒介中，這種利用石墨烯薄膜層將銅熱沉包覆構(gòu)成的石墨烯-Cu熱沉具有良好的散熱性能，并且可以保護銅熱沉不被氧化，從而有效提高半導(dǎo)體激光器輸出性能的穩(wěn)定性和器件的使用壽命。2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器熱沉，所述石墨烯薄膜層可以是單層石墨烯、氧化石墨烯、多層石墨烯等材料，石墨烯薄膜層制備在銅熱沉表面將銅熱沉包覆，保護銅熱沉不被氧化以及將激光器芯片產(chǎn)生的熱量快速傳輸?shù)姐~熱沉，該石墨烯薄膜層采用化學(xué)氣相沉積方法制備在銅熱沉表面。3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器熱沉...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：唐吉龍，魏志鵬，方鉉，房丹，王登魁，王菲，馮源，李金華，楚學(xué)影，王曉華，
申請(專利權(quán))人：長春理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：吉林,22