不同过渡热沉封装微盘腔半导体激光器热分析

为了降低微盘腔半导体激光器工作时有源区的温度,提升封装的可靠性,基于Ansys Workbench有限元分析分别对AlN,WCu10,SiC,石墨烯,以及CVD金刚石过渡热沉封装的蜗线型微盘腔半导体激光器进行了热特性分析,得到了器件工作时的温度分布以及热应力、热应变分布.结果显示,SiC封装器件的有源区温度较AlN和WCu10封装器件分别降低了 2.18,3.078 C,并在五种过渡热沉封装器件中表现出最低的热应力,器件热应变最小.SiC过渡热沉封装可以有效降低微盘腔半导体激光器工作时的有源区温度,同时减少封装应力与器件应变,从而提高器件的散热能力和可靠性.计算结果对半导体激光器单管散热及阵列集成散热均有指导意义.     

百瓦级多芯片半导体激光器稳态热分析

半导体激光器在各领域的广泛应用要求其输出功率不断提高,使得多芯片集成封装大功率半导体激光器的发展成为主流之一。针对典型的12 只芯片以阶梯形式封装的百瓦级激光器,利用ANSYS 软件进行了稳态热分析,模拟得出芯片有源区温度及其热耦合温升与热沉结构尺寸变化的关系曲线,分析了该激光器热特性,进而提出一种使芯片散热较好的热沉结构。     

使用金刚石膜热沉的半导体激光器特性研究

比较了使用金刚石膜热沉和传统的钢热沉的半导体激光二极管列阵在热阻和光输出功率方面的特性．与使用Cu热沉的器件相比，采用厚度为350～400μm，热导率在12～14W／（K·cm）的金刚石膜作为热沉的H极管列阵可使热阻降低45～50％，同值电流明显降低，而光输出功率提高25％，稳定性得到改善．表现出金刚石膜热沉在半导体器件散热方面的明显优势．     

CVD金刚石热沉封装高功率半导体激光器的热特性

本文以自支撑CVD金刚石膜作为半导体激光器线阵的封装热沉,从而改进其热特性。首先,以电子辅助化学气相沉积(EACVD)制备自支撑金刚石膜。在沉积工艺中,提出了优化O_2流量刻蚀非金刚石相,使金刚石膜品质得到改进,从而提高其导热率。然后,测试了基于不同氧流量下制备金刚石热沉封装的半导体激光器线阵的电光特性,并对封装器件的热特性进行了分析。结果表明:通入O_2流量为每分钟5 sccm时,制备的金刚石热沉导热率可达1 812.3 WK^-1m^-1。O_2流量5 sccm制备金刚石热沉的封装器件的斜率效率为1.30 W/A,电光转换效率最大值可达60.6%。在连续波30 A时,该封装器件的光谱红移波长为2.02 nm,器件工作温度降低4.9 K。器件的传热路径热阻降低28.4%,表现出优异的可靠性。     

人造金刚石热沉的锁相列阵半导体激光器热特性计算分析

用镜象法求解金刚石薄膜和铜组成的热沉中的热传导方程,计算了不同厚度金刚石薄膜对器件温升和各条间温差的影响。     

808 nm半导体激光器的温度特性

用波长漂移法测试了808 nm半导体激光器额定功率分别为1 W,2 W,3W的器件在不同的输出功率下的热阻,得到额定功率为1 W的器件在输出功率为1 W时的热阻最小为4.28 K/W,额定功率为2 W的器件在输出功率为2 W时的热阻最小为5.45 K/W,额定功率为3 W的器件在输出功率为3 W时的热阻最小为5.5 K/W。并对额定功率为3 W的器件在不同的占空比下进行了测试,0.5%占空比脉冲条件下温升相当于持续条件下温升的19.6%。并用ANSYS模拟了器件温度随时间的变化,得出脉冲的特点是1 ms温升就能达到稳态的50%,0.1 s就能达到稳态的95%以上。     

空间辐射环境对半导体激光器的影响

电子辐射是空间辐射环境的重要组成部分, 也是地面模拟空间辐射环境的重要手段。为了研究半导体激光器在空间辐射环境下应用的可行性, 通过电子加速器的电子辐照模拟空间辐射环境, 以研究半导体激光器总剂量效应。实验结果表明, 半导体激光器的阈值电流随着辐照剂量的加大而增加, 斜率效率在106 rad之前随着辐射剂量的加大而略有增大。退火观测期间, 阈值电流在最初的两周内震荡变化, 总体趋势为增加, 直到两周后趋于稳定。对于接受辐射剂量较低的半导体激光器, 在实际使用中可以采用电流补偿的方法来消除辐射对其阈值及斜率产生的影响。     

微通道热沉标准单元制作的SEM观察

半导体激光器由于其体积小、重量轻、结构紧凑且峰值功率高而受关注,由于其结构紧凑而使焊在载片上的器件在界面产生热流峰值达1kw/cm2量级,电-光转换效率达50%～60%,这个热负载限制了器件室温工作的要求,是高功率器件运转的主要限制因素。为便于高平均功率下这些器件的运行,各种有效热沉已发展起来,大致分为两组:(1)一组激光器安装在一个热沉结构上;(2)一个激光器安装在一个单独的热沉上。由于在(1)情况下维修困难大,而选用Si微通道热沉使热阻值低于现有的冷却器,且标准制冷单元可使LD组成大的阵列,易于实现多功率、多占空比激光器组合及…     

载流子寿命对半导体激光器调制特性的影响

针对通常用来研究半导体激光器调制特性的速率方程中所采用的载流子寿命不变近似所存在的问题，重新对小信号调制下半导体激光器的速率方程组进行了线性化处理。     

808nm无铝有源区激光器研究

外延生长了InGaAsP/GaInP/AlGaInP无铝有源区808 nm激光器材料,制作了标准准连续(QCW)单条器件.结果表明,器件工作波长为808nm,腔面未镀膜时,其阈值电流密度为286A/cm2,斜率效率为1.2W/A,内损耗为2.1cm-1,内量子效率为0.87.镀膜后,阈值电流密度为300A/cm2,180A时的输出功率为180W,斜率效率大于1.15W/A.在载体温度为60℃时,准连续工作3×108个脉冲后,功率下降小于5%.     

大功率半导体激光器载体设计

激光器工作时由于存在各种非辐射复合损耗和自由载流子吸收等损耗机制,使注入到器件中的部分电功率转换成热耗散在激光器内,直接影响激光器的效率和寿命,因此散热处理一直是一个引人注意的焦点。采用微通道载体解决大功率半导体激光器阵列连续工作时散热问题,通过ANSYS软件模拟优化结构参数,实验测得了大功率半导体激光器阵列热阻。     

双有源区隧道再生半导体激光器温度场分布研究

针对隧道再生半导体激光器,建立了内部的热源分布模型,分析了三种封装方式对芯片内部温度分布的影响;模拟结果表明加电后几微秒的时间内,芯片内温度场分布主要由隧道再生结构的热特性决定,与封装形式关系不大;在几微秒到几十或一百毫秒的时间范围内,有源区的温度上升很快;几百毫秒以后,器件温度达到稳态,有源区的平衡温度主要决定于载体的散热特性.稳态时靠近衬底的有源区温度高于靠近热沉的有源区的温度,但两有源区的温差很小,芯片内最高温度出现在靠近衬底有源区的脊形中心.     

金刚石复合热沉面发射激光器面阵热特性研究

通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。     

半导体激光器模块散热特性影响因素分析

数值分析了大功率半导体激光器模块的散热特性及温度场,以及焊料、热沉、导热胶和冷水板温度等参数对芯片内部最高温度的影响.结果表明,焊料厚度小于24 μm时,其导热系数对芯片内部最高温度影响较弱,无高阻层形成;芯片内部最高温度随着热沉长或宽尺寸及导热系数的增大,呈指数形式下降,随着热沉厚度的增大呈对数形式升高;当导热胶导热系数大于20 W/(m·K)、厚度小于30μm时,芯片温度趋于稳定;冷水板温度与芯片内部最高温度呈比例系数为1的线性相关性.根据分析结果提出了激光器封装部件的尺寸、导热系数或材料的设计和选择原则.     

半导体激光器散热技术研究及进展

在半导体大功率激光器的各种关键技术中,散热问题的解决是一个极其关键的技术。因为半导体激光器能产生很高的峰值功率,这些器件的电光转换效率为40%~50%,即所输入的电能50%~60%都转换为热能。在管芯焊接的地方产生的热流量大约为1KW.cm-2。这种热负载是限制激光器正常工作的关键因素。半导体激光器列阵与叠阵散热问题解决会直接关系到激光器的使用寿命,导致激光器有源区温度的迅速提高,从而引起激光器的光学灾变,甚至烧毁半导体激光器。大功率激光器列阵及叠阵在高功率的二极管泵浦固态激光器(DPSSL)系统中有很大的应用,市场发展潜力很大。因此,有必要发展大功率激光器列阵及叠阵。随着大功率激光器列阵及叠阵的迅速发展,与其有关的关键技术也应该加以研究。     

大功率电子器件散热系统的数值模拟

针对大功率器件的散热状况,采用强迫水冷的散热系统设计方案,并依据国家有关标准与试验要求,应用有限元分析软件ANSYS对其水冷散热器的流场、温度场进行了数值模拟和系统分析.模拟结果不仅可以方便地观察到散热器内腔各处水流的饱和程度、流速及压力分布,而且可以得到功率器件、散热器和流体的温度分布;同时也验证了数值模拟方法的合理性,对散热器结构的优化设计提供了可靠的保证.     

列阵半导体激光器中热相互作用及改进技术的研究

从半导体激光器产生的热量在热沉中的扩散入手 ,对列阵单元器件间的热相互作用进行了分析 ,提出了该过程是通过热流的扩散而发生作用的观点。通过这一分析获得了确定列阵器件中单元器件间距的理论依据。对二维列阵中上、下层器件的热相互影响以及脉冲工作的占空比进行了讨论 ,并将结果应用到 1.55μm半导体激光列阵器件中。采用漏光波导结构的单元器件 ,实现了二维 2× 2 ,2× 4两种列阵 ,其脉冲输出峰值功率分别达到 7W和 11W。     

复合型微通道热沉设计与制作技术研究

从大功率半导体激光器可靠性封装和应用考虑,利用商用有限元软件Abaqus与CFdesign对微通道热沉材料、结构进行优化设计,结合相应的制造工艺流程制备实用化复合型微通道热沉。微通道热沉尺寸为27 mm×10.8 mm×1.5 mm,并利用大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力、封装产生的"微笑效应"进行了测试,复合微通道热沉热阻约0.3 K/W,"微笑"值远小于无氧铜微通道封装线阵列,可以控制在1μm以下。复合型微通道热沉能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求与硬焊料封装的可靠性要求。     

半导体激光器激活区中一维量子线的研制

采用一维量子线阵列结构作为激活区的半导体激光器与采用二维量子阱结构激活区的常用激光器相比，具有许多优越的性能。利用能量为４０ＫｅＶ的Ｇａ＋离子注人到Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／ＧａＡｓ二维量子阱，再经白光快速退火，制备了线宽５００～４０ｎｍ的一维量子线并研究其光电特性。