轉自《半導體光電》2021年12月第42卷第6期

岳云震, 晏長嶺* , 楊靜航, 逄 超, 馮 源, 郝永芹, 錢 冉, 孫立奇

摘 要: 為了降低微盤腔半導體激光器工作時有源區的溫度,提升封裝的可靠性,基于Ansys Workbench有限元分析分別對AlN,WCu10,SiC,石墨烯,以及CVD金剛石過渡熱沉封裝的蝸線型微盤腔半導體激光器進行了熱特性分析,得到了器件工作時的溫度分布以及熱應力、熱應變分布。結果顯示,SiC 封裝器件的有源區溫度較AlN 和WCu10封裝器件分別降低了2.18,3.078℃,并在五種過渡熱沉封裝器件中表現出最低的熱應力,器件熱應變最小。SiC過渡熱沉封裝可以有效降低微盤腔半導體激光器工作時的有源區溫度,同時減少封裝應力與器件應變,從而提高器件的散熱能力和可靠性。計算結果對半導體激光器單管散熱及陣列集成散熱均有指導意義。

0 引言 

微盤腔半導體激光器是指諧振腔尺寸在光波長量級并且結構為圓盤形的一類半導體激光器，具有幾何形狀簡單、體積小、閾值低、品質因子(Q)高等特點[1-2]，在濾波器、傳感器、探測器等領域有著極為廣泛的應用[3-4]。半導體激光器工作時產生大量的熱，若熱量不能及時散去會影響器件的各項性能，如波長發生紅移、閾值電流增大、功率效率減小等，嚴重時甚至會燒毀器件，散熱封裝技術是保障器件穩定工作的關鍵。半導體激光器散熱封裝研究是國內外研究人員的研究熱點，目前的散熱封裝方式主要有倒封裝、微通道散熱和噴霧冷卻散熱等[5-7]。基于熱沉傳導冷卻散熱的全固態散熱方法不僅能夠有效提升器件的散熱能力，而且能夠有效提高器件的工作穩定性。熱沉冷卻散熱封裝一般分為初級熱沉和次級熱沉兩部分，芯片工作時有源區產生的熱量首先通過初級熱沉向外傳遞，再由次級熱沉作為散熱終端將熱量全部傳導到冷卻介質(如空氣)中。次級熱沉一般指無氧銅或者其他高導材料。初級熱沉又稱過渡熱沉，過渡熱沉直接與次級熱沉、芯片相連，過渡熱沉材料的熱導率、熱膨脹系數等特性參數對器件散熱能力起關鍵作用。為此，研究不同過渡熱沉封裝微盤腔半導體激光器的熱特性對微盤腔半導體激光器單管散熱以及陣列集成散熱均有重要的指導意義。本文利用AnsysWorkbench有限元分析軟件，模擬得到了五種不同過渡熱沉封裝的InP基蝸線型微盤腔半導體激光器在穩定工作狀態下的溫度分布以及熱應力、熱應變分布，得到半導體微盤腔激光器散熱封裝較為理想的過渡熱沉材料。

1 模型建立

蝸線型微盤腔半導體激光器是在微盤腔半導體激光器的基礎上將微盤腔的對稱結構加以改造得到的一種變形微腔半導體激光器[8]，這種蝸線型微腔結構在實現了定向出光的同時兼具極高的品質因子而備受關注。其微腔邊界曲線在極坐標下可表示為

R(θ)=R₀(1+εcosθ)                        (1)

其中，R₀為器件的特征半徑，ε為蝸線形腔的形變因子。本文模擬的蝸線型微盤腔特征半徑為150μm，形變因子為0.42。這種結構具有較好的定向輸出特性，在0°角方向有明顯的主瓣光輸出。芯片結構自上而下分別為上電極、歐姆接觸層、上波導、有源區、下波導、襯底和下電極，如圖1所示。材料結構為InP基InGaAs/InAlAs量子阱材料，激射波長約為10μm。

受到量子級聯材料的制約，激光器的電光轉換效率極低，工作時注入的電能大部分都轉換成了熱量，半導體激光器工作過程中產生的廢熱大致可以分為以下兩種[9]。

(1)當注入電流高于激光器閾值電流時，有源區內大量的電子和空穴進行輻射復合產生激光，但同時也存在著少量載流子的非輻射復合、有源區材料的輻射吸收以及自發輻射吸收等能量損耗而產生廢熱。這部分熱量稱為自產熱，用Q1表示:

其中，V(r)表示材料兩側的電壓差值，d是有源區的厚度，ηsp是自發輻射時的量子轉換效率，fsp是光子的逃逸因子，jth是閾值電流密度，j(r)是注入電流密度，ηi是受激輻射時的量子轉換效率。

(2)電流通過時產生的焦耳熱，用Q₂表示：

Q2=j²(r)ρ                              (3)

其中，j(r)是注入電流密度，ρ代表各層材料的電阻率。在電流注入過程中，除有源層外，歐姆接觸層、波導層、限制層和襯底層產生的熱量均為焦耳熱。

圖1芯片結構示意圖

Q₁，Q₂這兩部分熱量主要通過熱傳導、熱對流的方式向外排出，幾乎沒有熱輻射的作用。芯片產生的熱量首先通過熱傳導方式先后傳遞到過渡熱沉與次級熱沉，再通過熱對流方式傳遞到冷卻介質(如空氣)中。本文模擬的蝸線型微盤腔半導體激光器采用C-Mount正封裝，如圖2所示。次級熱沉選擇高熱導率、高硬度且價格相對低廉的無氧銅，在它的中心位置有螺孔，其優點是便于激光器的安裝固定，結構簡單。焊料選擇與Cu的熱膨脹系數更加匹配的AuSn焊料。為了進一步改善激光器的散熱能力，提高輸出功率，選擇五種不同的過渡熱沉分別封裝微盤腔半導體激光器并進行熱特性模擬。

圖2微盤腔半導體激光器C-Mount正封裝圖

模擬中使用到的過渡熱沉材料及其特性參數如表1所示。AlN與WCu10都具有較高的熱導率，是傳統的過渡熱沉材料，被廣泛應用于大功率激光器。SiC是天然的同質多型體，具有超高的熱導率、較低的熱膨脹系數，并且熱穩定性高，不融化，抗腐蝕性能強[10]。石墨烯是目前熱導率最高的碳材料，Balandin等[11]研究發現，單層石墨烯在室溫下的熱導率達到5300W·m^-1·K^-1，遠遠高于金屬Cu等材料[11]。金剛石制造技術的發展降低了金剛石的成本，并因此得到了更廣泛的應用，CVD金剛石是采用化學氣相沉積法制備的金剛石，物理化學性質與天然金剛石基本相同，目前人造金剛石的熱導率最高可以達到1800W·m^-1·K^-1，是Cu的4倍左右[12]。

表1過渡熱沉材料及其熱特性參數

 2 模擬結果分析 

溫度和應力是表征半導體激光器散熱封裝效果的重要參數，溫度越低，應力越小，器件的散熱能力越強，可靠性越高。本文基于Ansys Workbench分別對AlN，WCu10，SiC，石墨烯和CVD金剛石過渡熱沉封裝的蝸線型微盤腔半導體激光器進行了熱特性模擬，并得到了器件穩定工作時的溫度分布云圖、熱應力分布云圖，以及熱應變分布云圖。圖3所示為溫度分布結果。

可以看到，當其他因素固定不變時，如環境溫度、焊料、封裝方式等，微盤半導體激光器的有源區溫度受過渡熱沉的熱導率的影響很大。石墨烯封裝器件有源區溫度為58.849℃，CVD金剛石為59.757℃，SiC為60.695℃，AlN陶瓷片為62.875℃，均比WCu10封裝器件的63.773℃有所降低。其中WCu10封裝器件與石墨烯封裝器件有源區溫度相差近5℃。這是由材料本身的熱導率決定的，由傅里葉定律得:

R=h/KS                        (4)

其中，R為熱阻，h為焊料層厚度，K為熱導率，S為垂直熱流方向的導熱面積。當其他條件一定時，激光器的熱阻與過渡熱沉熱導率成反比關系。過渡熱沉熱導率越高，激光器的熱阻就越低，導熱能力越強。本文模擬的五種過渡熱沉中，石墨烯的熱導率最高，WCu10的熱導率最低，因此石墨烯、CVD金剛石、SiC、AlN陶瓷片封裝相比WCu10封裝都有效降低了激光器的熱阻，提升了激光器的散熱能力。由于芯片各層級材料熱物性的差異，半導體激光器工作時不可避免地引入了熱應力，而熱應力是導致器件形變甚至失效的主要原因之一。因此在制備和封裝時都需要考慮材料之間的熱膨脹系數相匹配程度，減少熱應力的作用，提高器件封裝結構的可靠性。圖4(a)~(c)所示依次為石墨烯、CVD金剛石、SiC封裝器件的熱應力分布圖。可以看出熱應力主要集中在過渡熱沉層，石墨烯層產生的熱應力約為9.3×10⁶Pa，CVD金剛石層產生的熱應力約為9.2×10⁶Pa，SiC層產生的熱應力約為4.5×10⁶Pa。石墨烯、CVD金剛石封裝器件引入了較大的熱應力，這是由于石墨烯、CVD金剛石的熱膨脹系數與芯片材料的熱膨脹系數不匹配導致的。SiC封裝器件引入的熱應力只有石墨烯和CVD金剛石封裝器件的一半，這說明SiC封裝有效降低了微盤腔半導體激光器的熱失配，提高了器件的可靠性。

圖4采用不同熱沉封裝器件的熱應力模擬結果

半導體激光器工作時，由于器件溫度不斷發生變化，各層級結構之間引入了不同大小的熱應力，器件受到不均勻溫度場和熱應力的作用導致發生形變，即熱應變。如圖5所示為不同過渡熱沉封裝微盤腔半導體激光器的熱應變分布的模擬結果，其中SiC封裝器件熱應變最小。

圖5熱應變模擬結果

因此，綜合溫度、熱應力、熱應變分布結果，SiC是最適合封裝蝸線型微盤腔半導體激光器的過渡熱沉。如圖6所示為溫度模擬結果，圖7所示為熱應力模擬結果。SiC封裝微盤腔半導體激光器工作時結溫為60.695℃，有源區溫度較AlN陶瓷片、WCu10封裝器件有明顯降低。同時，SiC封裝引入的熱應力為4.5MPa，器件熱應變為4.8×10^-5，在所有過渡熱沉封裝中均為最低。綜上，SiC封裝不但提升了器件的散熱能力，同時也減少了器件應變，提高了器件的可靠性，有效延長了器件的使用壽命。對于石墨烯和CVD金剛石，由于材料本身具有極高的熱導率，因此可以考慮將這兩種材料用于封裝功率更高的半導體激光器，同時搭配軟焊料In可以有效降低熱應力，提高器件的散熱能力。

圖6溫度模擬結果

圖7熱應力模擬結果

3 結論 

本文基于Ansys Workbench有限元分析對蝸線型微盤腔半導體激光器進行了熱特性分析，得出了一系列對微盤腔半導體激光器散熱封裝有價值的數據。穩定工作狀態下，半導體激光器的熱特性受過渡熱沉材料的熱導率與熱膨脹系數的影響較大。文中對比分析了AlN，WCu10，SiC，石墨烯和CVD金剛石五種過渡熱沉封裝器件的散熱情況。SiC封裝器件工作時結溫為60.695℃，較傳統過渡熱沉AlN和WCu10封裝器件的有源區溫度分別降低了2.18和3.078℃。石墨烯、CVD金剛石散熱效果最好，但是引入了較大的熱應力，對半導體激光器的輸出功率、可靠性、使用壽命會造成較大的影響。SiC封裝蝸線型微盤腔半導體激光器不但有效地降低了器件工作時有源區的溫度，也降低了各層級結構之間由于熱膨脹系數不匹配引入的熱應力及器件的熱應變，增強了器件封裝的可靠性，有效提高了微盤腔半導體激光器工作時的散熱能力，對半導體激光器的單管散熱以及陣列集成散熱均有指導意義。

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作者簡介:

岳云震(1997-),男,遼寧省錦州市人,碩士研究生,研究方向為微盤腔半導體激光器;

晏長嶺(1971-),男,吉林省長春市人,博士,研究員,研究方向為光電子學與激光技術。

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