高功率半導體激光器陶瓷封裝散熱性能研究

倪羽茜， 井紅旗， 孔金霞， 祁　瓊， 劉素平， 馬驍宇

(中國科學院半導體研究所 光電子器件國家工程研究中心， 北京　100083)

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高功率半導體激光器陶瓷封裝散熱性能研究

倪羽茜， 井紅旗*， 孔金霞， 祁瓊， 劉素平， 馬驍宇

(中國科學院半導體研究所 光電子器件國家工程研究中心， 北京100083)

為實現半導體激光器單管的高功率輸出，研究了使用氮化鋁和碳化硅兩種陶瓷材料制成的三明治型過渡熱沉的散熱性能。首先使用有限元分析方法計算，然后利用光譜法測量激光器的工作熱阻。數值計算和實驗測量結果均顯示，碳化硅制成的過渡熱沉所封裝器件的工作熱阻更低，散熱效果更好。此外，實驗進一步測試了器件的光電特性，結果表明碳化硅陶瓷制成的過渡熱沉封裝器件的電光轉換效率更高、輸出功率更大。915 nm附近單管器件在注入電流15 A時的輸出功率為16.3 W，最高電光轉換效率達到了68.3%。

高功率半導體激光器； 有限元分析； 熱阻

1　引　　言

過去的幾十年中，高功率半導體激光器廣泛用于泵浦固態激光和光纖激光，隨著輸出特性和可靠性的持續提高，其應用領域拓展到工業、軍事、醫學和直接材料加工等領域。在應用需求的驅動下，半導體激光器的輸出功率水平不斷達到新的高度，目前國際上90～100 μm單管9×× nm器件商用產品的輸出功率在12～18 W，實驗室水平達20～25 W[1-3]，國內9×× nm半導體激光器單管的發展無論是與應用需求還是與國際先進水平相比，尚存在一定的差距。進一步提高激光器的輸出功率不得不關注封裝技術。目前商用半導體激光器的電光轉換效率約50%～60%，這說明輸出10 W光功率的同時也產生了等量的熱，在高功率工作時大量熱在有源區內積累，導致有源區溫度極大升高，而電光轉換效率又隨溫度升高而指數下降[4]，如此就有更多的熱量產生，結溫進一步升高，這種正反饋機制一旦形成可能引發腔面災變性光學損傷或熱飽和現象，嚴重限制著半導體激光器的輸出功率和使用壽命，因此需要將激光芯片封裝到散熱熱沉上，將激光器內產生的熱量及時排出。COS(Chip on submount)封裝常見于高功率半導體激光器單管的封裝中，是指將半導體激光器芯片用金錫焊料燒結到膨脹匹配的過渡熱沉上。這種封裝結構體積小，集成度高，且允許進行二級封裝以滿足不同的應用場合，例如進一步燒結到銅熱沉上，也可燒結到管殼內并進行光纖耦合輸出[5]。

過渡熱沉通常用與激光器芯片熱膨脹系數相差較小的材料制成，以減小硬焊料封裝時芯片的殘余應力，常見材料有陶瓷，如氧化鈹、氮化鋁、碳化硅等；金屬合金，如鎢銅合金、銅鉬合金等；理想的過渡熱沉應該與激光芯片膨脹匹配、具有高熱導率，此外還要易加工、價格適宜，因此需要對過渡熱沉進行有效的設計。本文研究了使用氮化鋁(AlN)和碳化硅(SiC)兩種陶瓷材料制成的三明治型過渡熱沉的散熱性能。所謂三明治型過渡熱沉是指將膨脹系數不同的兩種或多種材料粘結形成多層夾心結構，當受熱或冷卻時，膨脹行為不同的材料彼此限制，通過調整各層材料的厚度比，可以調整其膨脹系數以匹配不同的芯片材料，因此在材料選擇和設計上提供了較大的靈活性。本文所用的過渡熱沉結構為將膨脹系數較小的陶瓷材料(AlN～4.1×10-6/K, SiC～3.9×10-6/K)兩側覆蓋厚度為數十微米的銅(Cu～17×10-6/K)，以實現在燒結平面和激光器芯片(GaAs～6.5×10-6/K)膨脹匹配，此外，表面銅層熱導率較高，通過表面熱擴散可以加強過渡熱沉的散熱性能。

2　數值計算

2.1結構參數

圖1所示為COS封裝結構示意圖。

圖1　COS封裝結構示意圖

計算中所使用的激光器光電參數為：連續條件下輸出功率15 W，電光轉換效率60%，激光器芯片腔長4.5 mm，芯片厚105 μm，芯片寬500 μm，發光區寬度105 μm。激光器芯片的外延結構列于表1中，外延材料熱導率主要參考文獻[6]。過渡熱沉底面尺寸為5.75 mm×4.5 mm，總厚度為0.5 mm，兩種過渡熱沉的結構層按照自上而下的順序分別列于表2和表3中。因為SiC和AlN兩種材料的熱膨脹系數和楊氏模量等力學參數不同，為滿足與激光器芯片膨脹匹配的要求，兩種過渡熱沉中陶瓷材料和銅的厚度比采用不同的值。過渡熱沉的上下表面均鍍有金屬層，起阻擋焊料向下擴散、便于引線鍵合的作用。

表1外延層結構和相關參數

Tab.1Detailed data on the structure and parameters of epitaxial layers

結構材料厚度/μm熱導率/(W·m-1·K-1)n-contactAu0.4318n-contactAuGeNi0.2150substrateGaAs10045n-claddingAl0.36Ga0.64As1.212.52n-waveguideAl0.25Ga0.75As0.6515.23QuantumwellGa0.84In0.16As0.019.898p-waveguideAl0.25Ga0.75As0.6515.23p-claddingAl0.36Ga0.64As1.212.52p-capGaAs0.245InsulatinglayerSiO20.21.28p-contactTi/Pt/Au0.3318p-contactAu0.4318

表2三明治型SiC過渡熱沉結構和相關參數

Tab.2Detailed data on the structure and parameters of sandwiched submount based on SiC

結構材料厚度/μm熱導率/(W·m-1·K-1)SolderAuSn857MetallizationlayerPt0.371.6MetallizationlayerAu1318MetallizationlayerNi390.9Submount-top-layerCu69398Submount-middle-lay-erSiC344280Submount-bottom-layerCu69398MetallizationlayerNi390.9MetallizationlayerAu1318

表3三明治型AlN過渡熱沉結構和相關參數

Tab.3Detailed data on the structure and parameters of sandwiched submount based on AlN

結構材料厚度/μm熱導率/(W·m-1·K-1)SolderAuSn857MetallizationlayerPt0.371.6MetallizationlayerAu1318MetallizationlayerNi390.9Submount-top-layerCu73398Submount-middle-layerAlN336200Submount-bottom-layerCu73398MetallizationlayerNi390.9MetallizationlayerAu1318

2.2有限元分析

半導體激光器溫度分布的解析解只有在簡單模型中存在[7]，由于本文模型較復雜，只能借助數值計算手段。有限元分析方法(Finite element method, FEM)廣泛用于光電子器件的熱分析中[8-10]，實用高效且精確度較高，因此本文采用FEM方法研究兩種過渡熱沉的散熱性能。激光器工作時的首要熱源來自有源區內發生的非輻射復合和輻射吸收過程，其次是P型摻雜層和波導層產生的焦耳熱。本文假設有源區為唯一的熱源，忽略焦耳熱等次要因素[11]。在激光芯片的外表面考慮對流散熱，其在室溫下的對流系數為25 W·m-1·K-1，計算中將邊界條件設為過渡熱沉的下表面保持恒溫23 ℃，而實際的器件測試中通水底座由水冷機制冷，其表面為恒溫面，COS固定在夾具內與該恒溫面接觸，因此實際COS底面溫度可能高于23 ℃。由于封裝形式具有對稱性，所以模擬時只取一半進行。

量子阱激光器有限元分析的主要困難在于尺寸跨度過大，有源區的厚度為10 nm，而器件的幾何尺寸在毫米量級，最大尺寸和最小尺寸相差20萬倍。為獲得精確的結果，需要將有限元網格劃分得更精細，從而導致占用內存過大，計算代價過高。本文通過“子模型方法”(Submodeling method)解決該問題。首先使用粗糙網格計算溫度場，將激光芯片底部作為切割邊界，將粗糙模型在該邊界上計算的溫度值傳遞給子模型；而子模型由于尺寸跨度較小，可以在有源區附近生成精細網格，精確計算激光芯片的溫度分布。通過這種子模型方法計算的溫度分布如圖2所示，其中圖2(a)是粗糙模型的溫度分布，而圖2(b)是基于該粗糙模型的子模型溫度分布。

半導體激光器的熱特性可以用參數熱阻描述，熱阻可表示為：

圖2　(a) 粗糙模型溫度分布；(b)子模型溫度分布。

Fig.2(a) Temperature distribution of the coarse model. (b) Temperature distribution of the submodel.

(1)

其中，Tj代表結溫度，Ths代表熱沉溫度，Pel為注入的電功率，Popt為產生的光功率。通常情況下，Rth越小則器件的散熱性能越好。為評估兩種過渡熱沉的散熱效果，我們采用FEM方法計算得到了有源區溫度沿腔長的分布，如圖3所示。激光器前腔面附近溫度較高，后腔面溫度較低，這是因為激光器后腔面的熱流可以通過垂直方向和水平方向兩個方向傳導，而前腔面的熱量只能垂直向下傳導。經計算，SiC陶瓷封裝的COS器件熱阻為1.19 K/W，AlN為1.30 K/W。基于SiC的COS器件熱阻更低，因此可以預期SiC過渡熱沉的散熱性能更好，器件有更好的輸出特性。

圖3　半導體激光器有源區中心沿腔長方向的溫度分布

Fig.3Temperature distribution along the cavity of semiconductor laser in the middle of active layer

3　器件測試

3.1光譜特性

為從實驗上論證兩種陶瓷封裝結構的工作熱阻，我們測試了SiC和AlN封裝的COS器件在連續和脈沖驅動下的光譜特性，并利用光譜法推論出激光器的工作熱阻。實驗使用取自同一外延片的相鄰管芯，包括光刻、濺射、鍍膜、解理等在內的芯片處理工藝均相同，使用硬焊料燒結技術將芯片封裝到兩種過渡熱沉上，在相同條件下測試。如圖4所示，首先在脈沖方式(50 μs, 200 Hz)下驅動，SiC和AlN器件的中心波長分別為910.5 nm和910.3 nm。由于兩管芯在外延片中位置相近，且排除了熱效應的影響，所以中心波長幾乎相同。在連續電流注入下，激光器有源區溫度升高，SiC和AlN器件的中心波長均產生紅移，兩者的中心波長分別為913.6 nm和915.2 nm，對應的紅移量分別為3.1 nm和4.9 nm。對于典型的9×× nm 半導體激光器，其工作波長隨溫度變化的溫漂系數約為+0.3 nm/K。根據波長與溫度的關系，可將器件熱阻表示為：

(2)

由此得到的SiC陶瓷封裝COS器件的熱阻為2.54 K/W，AlN器件的熱阻為3.61 K/W，該結果證實了SiC過渡熱沉的散熱效率比AlN高。熱阻值的實驗結果比前述數值計算結果大，主要是因為在計算中假設芯片和過渡熱沉間的燒結面完美接觸，而實際器件中一般存在空洞，這些空洞阻礙熱量向下傳遞，形成局部熱點[12]，從而使器件平均熱阻增大。

圖4碳化硅過渡熱沉(a)和氮化鋁過渡熱沉(b)封裝的器件在脈沖和連續模式下的波長差

Fig.4Wavelength difference between SiC-submount(a) and AlN-submount(b) in CW and pulsed modes

3.2電光特性

在連續電流注入下，兩種過渡熱沉封裝的激光器功率-電流曲線如圖5(a)所示。AlN封裝的COS器件在注入電流超過14 A后出現明顯的熱飽和現象，15 A時的功率輸出約為13.1 W；而基于SiC的COS器件在注入電流為15 A時曲線仍保持較好的線性度，斜率效率為1.17 W/A，輸出功率達16.3 W。圖5(b)為電光轉換效率和電流的關系曲線。SiC器件在注入電流超過5 A后，其電光轉換效率明顯高于AlN器件，在注入電流為9.25 A時達到峰值電光轉換效率68.3%，效率在15 A時下降不多，仍保持在64.8%；而AlN器件峰值電光轉換效率為63.9%，在15 A時已下降到51.8%。該結果進一步證明SiC陶瓷的散熱性能更好，可以滿足10～20 W輸出功率水平的半導體激光器COS封裝的散熱需求。

圖5(a) 采用兩種過渡熱沉封裝的器件功率-電流特性曲線；(b) 采用碳化硅過渡熱沉封裝器件和氮化鋁過渡熱沉封裝器件的效率-電流特性曲線。

Fig.5(a) Typical power-current characteristics of laser diodes packaged by SiC submount and AlN submount. (b) Typical efficiency-current characteristics of laser diodes packaged by SiC submount and AlN submount.

4　結　　論

研究了用于高功率半導體激光器單管封裝的COS封裝形式，分析了碳化硅和氮化鋁兩種陶瓷材料制成的三明治型過渡熱沉的散熱能力，基于有限元方法計算的SiC器件熱阻為1.19 K/W，AlN為1.30 K/W。利用光譜法測量了兩種封裝器件的熱阻，SiC陶瓷封裝的COS器件熱阻為2.54 K/W，AlN器件的熱阻為3.61 K/W。數值計算和實驗測量均表明SiC陶瓷所封裝器件的工作熱阻更低，散熱效果更好。此外兩種封裝結構的光電特性也有較大區別，AlN器件在注入電流超過14 A后就出現了熱飽和現象，15 A時功率輸出約為13.1 W；而SiC器件在15 A電流注入時的輸出功率為16.3 W，峰值電光轉換效率達68.3%。此外，已有研究表明結溫和應力影響激光器的壽命，而這兩個參數與過渡熱沉的散熱效率和熱膨脹系數有直接關系，因此本文中三明治型過渡熱沉對高功率半導體激光器的壽命和可靠性的影響仍需進一步的實驗驗證。

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倪羽茜(1991-)，女，山東威海人，碩士研究生，2013年于山東大學獲得學士學位，主要從事高功率半導體激光器的研究。

E-mail: niyuxi@semi.ac.cn井紅旗(1980-)，女，河北保定人，博士，助理研究員，2014年于中國科學院半導體研究所獲得博士學位，主要從事大功率半導體激光器的研究。

E-mail: jinghq@semi.ac.cn

文章編號: 1000-7032(2016)05-0567-06

Thermal Performance of High-power Semiconductor Laser Packaged by Ceramic Submount

NI Yu-xi, JING Hong-qi*, KONG Jin-xia, QI Qiong, LIU Su-ping, MA Xiao-yu

(NationalEngineeringResearchCenterforOptoelectronicDevices,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:jinghq@semi.ac.cn

In order to achieve higher output power of laser-diodes single emitter, thermal performance of sandwiched submounts based on aluminum nitride and silicon carbide was investigated. The thermal resistance of devices was first calculated by finite element method numerically, and then tested by spectral method experimentally. Both the stimulated results and the experimental data show that the thermal resistance of devices packaged by SiC submounts is less than the AlN submounts, which means better heat dissipation capability of SiC submounts. In addition, optical characteristics of the devices were further tested. It is showed that higher output power and higher electro-optical conversion efficiency are achieved by the devices packaged by the SiC-sandwiched submounts. The output power of single emitter achieves 16.3 W at the injected current of 15 A around 915 nm. The peak electro-optical conversion efficiency reaches 68.3%, leading the domestic level.

high-power laser diode; finite element analysis; thermal resistance

1000-7032(2016)05-0561-06

2016-01-21；

2016-03-07

國家自然科學基金(61306057)資助項目

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163705.0561