轉(zhuǎn)自《半導(dǎo)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(dǎo)體激光器工作時(shí)有源區(qū)的溫度,提升封裝的可靠性,基于Ansys Workbench有限元分析分別對(duì)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(dǎo)體激光器進(jìn)行了熱特性分析,得到了器件工作時(shí)的溫度分布以及熱應(yīng)力、熱應(yīng)變分布。結(jié)果顯示,SiC 封裝器件的有源區(qū)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(xiàn)出最低的熱應(yīng)力,器件熱應(yīng)變最小。SiC過渡熱沉封裝可以有效降低微盤腔半導(dǎo)體激光器工作時(shí)的有源區(qū)溫度,同時(shí)減少封裝應(yīng)力與器件應(yīng)變,從而提高器件的散熱能力和可靠性。計(jì)算結(jié)果對(duì)半導(dǎo)體激光器單管散熱及陣列集成散熱均有指導(dǎo)意義。

0 引言 

微盤腔半導(dǎo)體激光器是指諧振腔尺寸在光波長量級(jí)并且結(jié)構(gòu)為圓盤形的一類半導(dǎo)體激光器，具有幾何形狀簡(jiǎn)單、體積小、閾值低、品質(zhì)因子(Q)高等特點(diǎn)[1-2]，在濾波器、傳感器、探測(cè)器等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用[3-4]。半導(dǎo)體激光器工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，若熱量不能及時(shí)散去會(huì)影響器件的各項(xiàng)性能，如波長發(fā)生紅移、閾值電流增大、功率效率減小等，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤骷岱庋b技術(shù)是保障器件穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。半導(dǎo)體激光器散熱封裝研究是國內(nèi)外研究人員的研究熱點(diǎn)，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]?；跓岢羵鲗?dǎo)冷卻散熱的全固態(tài)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(wěn)定性。熱沉冷卻散熱封裝一般分為初級(jí)熱沉和次級(jí)熱沉兩部分，芯片工作時(shí)有源區(qū)產(chǎn)生的熱量首先通過初級(jí)熱沉向外傳遞，再由次級(jí)熱沉作為散熱終端將熱量全部傳導(dǎo)到冷卻介質(zhì)(如空氣)中。次級(jí)熱沉一般指無氧銅或者其他高導(dǎo)材料。初級(jí)熱沉又稱過渡熱沉，過渡熱沉直接與次級(jí)熱沉、芯片相連，過渡熱沉材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等特性參數(shù)對(duì)器件散熱能力起關(guān)鍵作用。為此，研究不同過渡熱沉封裝微盤腔半導(dǎo)體激光器的熱特性對(duì)微盤腔半導(dǎo)體激光器單管散熱以及陣列集成散熱均有重要的指導(dǎo)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(dǎo)體激光器在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的溫度分布以及熱應(yīng)力、熱應(yīng)變分布，得到半導(dǎo)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(dǎo)體激光器是在微盤腔半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)上將微盤腔的對(duì)稱結(jié)構(gòu)加以改造得到的一種變形微腔半導(dǎo)體激光器[8]，這種蝸線型微腔結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)了定向出光的同時(shí)兼具極高的品質(zhì)因子而備受關(guān)注。其微腔邊界曲線在極坐標(biāo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自上而下分別為上電極、歐姆接觸層、上波導(dǎo)、有源區(qū)、下波導(dǎo)、襯底和下電極，如圖1所示。材料結(jié)構(gòu)為InP基InGaAs/InAlAs量子阱材料，激射波長約為10μm。

受到量子級(jí)聯(lián)材料的制約，激光器的電光轉(zhuǎn)換效率極低，工作時(shí)注入的電能大部分都轉(zhuǎn)換成了熱量，半導(dǎo)體激光器工作過程中產(chǎn)生的廢熱大致可以分為以下兩種[9]。

(1)當(dāng)注入電流高于激光器閾值電流時(shí)，有源區(qū)內(nèi)大量的電子和空穴進(jìn)行輻射復(fù)合產(chǎn)生激光，但同時(shí)也存在著少量載流子的非輻射復(fù)合、有源區(qū)材料的輻射吸收以及自發(fā)輻射吸收等能量損耗而產(chǎn)生廢熱。這部分熱量稱為自產(chǎn)熱，用Q1表示:

其中，V(r)表示材料兩側(cè)的電壓差值，d是有源區(qū)的厚度，ηsp是自發(fā)輻射時(shí)的量子轉(zhuǎn)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(shí)的量子轉(zhuǎn)換效率。

(2)電流通過時(shí)產(chǎn)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(dǎo)層、限制層和襯底層產(chǎn)生的熱量均為焦耳熱。

圖1芯片結(jié)構(gòu)示意圖

Q₁，Q₂這兩部分熱量主要通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流的方式向外排出，幾乎沒有熱輻射的作用。芯片產(chǎn)生的熱量首先通過熱傳導(dǎo)方式先后傳遞到過渡熱沉與次級(jí)熱沉，再通過熱對(duì)流方式傳遞到冷卻介質(zhì)(如空氣)中。本文模擬的蝸線型微盤腔半導(dǎo)體激光器采用C-Mount正封裝，如圖2所示。次級(jí)熱沉選擇高熱導(dǎo)率、高硬度且價(jià)格相對(duì)低廉的無氧銅，在它的中心位置有螺孔，其優(yōu)點(diǎn)是便于激光器的安裝固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。焊料選擇與Cu的熱膨脹系數(shù)更加匹配的AuSn焊料。為了進(jìn)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(dǎo)體激光器并進(jìn)行熱特性模擬。

圖2微盤腔半導(dǎo)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(shù)如表1所示。AlN與WCu10都具有較高的熱導(dǎo)率，是傳統(tǒng)的過渡熱沉材料，被廣泛應(yīng)用于大功率激光器。SiC是天然的同質(zhì)多型體，具有超高的熱導(dǎo)率、較低的熱膨脹系數(shù)，并且熱穩(wěn)定性高，不融化，抗腐蝕性能強(qiáng)[10]。石墨烯是目前熱導(dǎo)率最高的碳材料，Balandin等[11]研究發(fā)現(xiàn)，單層石墨烯在室溫下的熱導(dǎo)率達(dá)到5300W·m^-1·K^-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬Cu等材料[11]。金剛石制造技術(shù)的發(fā)展降低了金剛石的成本，并因此得到了更廣泛的應(yīng)用，CVD金剛石是采用化學(xué)氣相沉積法制備的金剛石，物理化學(xué)性質(zhì)與天然金剛石基本相同，目前人造金剛石的熱導(dǎo)率最高可以達(dá)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(shù)

 2 模擬結(jié)果分析 

溫度和應(yīng)力是表征半導(dǎo)體激光器散熱封裝效果的重要參數(shù)，溫度越低，應(yīng)力越小，器件的散熱能力越強(qiáng)，可靠性越高。本文基于Ansys Workbench分別對(duì)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(dǎo)體激光器進(jìn)行了熱特性模擬，并得到了器件穩(wěn)定工作時(shí)的溫度分布云圖、熱應(yīng)力分布云圖，以及熱應(yīng)變分布云圖。圖3所示為溫度分布結(jié)果。

可以看到，當(dāng)其他因素固定不變時(shí)，如環(huán)境溫度、焊料、封裝方式等，微盤半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)溫度受過渡熱沉的熱導(dǎo)率的影響很大。石墨烯封裝器件有源區(qū)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(qū)溫度相差近5℃。這是由材料本身的熱導(dǎo)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(dǎo)率，S為垂直熱流方向的導(dǎo)熱面積。當(dāng)其他條件一定時(shí)，激光器的熱阻與過渡熱沉熱導(dǎo)率成反比關(guān)系。過渡熱沉熱導(dǎo)率越高，激光器的熱阻就越低，導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。本文模擬的五種過渡熱沉中，石墨烯的熱導(dǎo)率最高，WCu10的熱導(dǎo)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(jí)材料熱物性的差異，半導(dǎo)體激光器工作時(shí)不可避免地引入了熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力是導(dǎo)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(shí)都需要考慮材料之間的熱膨脹系數(shù)相匹配程度，減少熱應(yīng)力的作用，提高器件封裝結(jié)構(gòu)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(yīng)力分布圖?？梢钥闯鰺釕?yīng)力主要集中在過渡熱沉層，石墨烯層產(chǎn)生的熱應(yīng)力約為9.3×10⁶Pa，CVD金剛石層產(chǎn)生的熱應(yīng)力約為9.2×10⁶Pa，SiC層產(chǎn)生的熱應(yīng)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(yīng)力，這是由于石墨烯、CVD金剛石的熱膨脹系數(shù)與芯片材料的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的。SiC封裝器件引入的熱應(yīng)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(dǎo)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(yīng)力模擬結(jié)果

半導(dǎo)體激光器工作時(shí)，由于器件溫度不斷發(fā)生變化，各層級(jí)結(jié)構(gòu)之間引入了不同大小的熱應(yīng)力，器件受到不均勻溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力的作用導(dǎo)致發(fā)生形變，即熱應(yīng)變。如圖5所示為不同過渡熱沉封裝微盤腔半導(dǎo)體激光器的熱應(yīng)變分布的模擬結(jié)果，其中SiC封裝器件熱應(yīng)變最小。

圖5熱應(yīng)變模擬結(jié)果

因此，綜合溫度、熱應(yīng)力、熱應(yīng)變分布結(jié)果，SiC是最適合封裝蝸線型微盤腔半導(dǎo)體激光器的過渡熱沉。如圖6所示為溫度模擬結(jié)果，圖7所示為熱應(yīng)力模擬結(jié)果。SiC封裝微盤腔半導(dǎo)體激光器工作時(shí)結(jié)溫為60.695℃，有源區(qū)溫度較AlN陶瓷片、WCu10封裝器件有明顯降低。同時(shí)，SiC封裝引入的熱應(yīng)力為4.5MPa，器件熱應(yīng)變?yōu)?.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(shí)也減少了器件應(yīng)變，提高了器件的可靠性，有效延長了器件的使用壽命。對(duì)于石墨烯和CVD金剛石，由于材料本身具有極高的熱導(dǎo)率，因此可以考慮將這兩種材料用于封裝功率更高的半導(dǎo)體激光器，同時(shí)搭配軟焊料In可以有效降低熱應(yīng)力，提高器件的散熱能力。

圖6溫度模擬結(jié)果

圖7熱應(yīng)力模擬結(jié)果

3 結(jié)論 

本文基于Ansys Workbench有限元分析對(duì)蝸線型微盤腔半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了熱特性分析，得出了一系列對(duì)微盤腔半導(dǎo)體激光器散熱封裝有價(jià)值的數(shù)據(jù)。穩(wěn)定工作狀態(tài)下，半導(dǎo)體激光器的熱特性受過渡熱沉材料的熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)的影響較大。文中對(duì)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(shí)結(jié)溫為60.695℃，較傳統(tǒng)過渡熱沉AlN和WCu10封裝器件的有源區(qū)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(yīng)力，對(duì)半導(dǎo)體激光器的輸出功率、可靠性、使用壽命會(huì)造成較大的影響。SiC封裝蝸線型微盤腔半導(dǎo)體激光器不但有效地降低了器件工作時(shí)有源區(qū)的溫度，也降低了各層級(jí)結(jié)構(gòu)之間由于熱膨脹系數(shù)不匹配引入的熱應(yīng)力及器件的熱應(yīng)變，增強(qiáng)了器件封裝的可靠性，有效提高了微盤腔半導(dǎo)體激光器工作時(shí)的散熱能力，對(duì)半導(dǎo)體激光器的單管散熱以及陣列集成散熱均有指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介:

岳云震(1997-),男,遼寧省錦州市人,碩士研究生,研究方向?yàn)槲⒈P腔半導(dǎo)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?yàn)楣怆娮訉W(xué)與激光技術(shù)。

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