大功率半导体激光器有源区温度影响因素分析

作者:杨宏宇;刘林;舒世立;乔岩欣;邵勇;石凤健; 刊名:江苏科技大学学报(自然科学版) 上传者:刘素兰

【摘要】为了提高大功率半导体激光器模块散热性能,文中数值模拟研究了激光器模块的温度场,分析了焊料导热系数及其厚度、热沉导热系数和半导体制冷器冷面温度对芯片有源区温度及模块散热性能的影响规律.结果表明:焊料厚度在2~24 μm范围内,无高阻层形成,模块散热性能稳定,而当焊料厚度大于24 μm后,有源区温度迅速升高;随着热沉导热系数的增加,有源区温度呈指数形式下降,且当其导热系数小于1200 W/m·K时,温度降低更显著;半导体制冷器冷面温度与有源区温度呈比例系数为1的线性关系.

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(3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,发光学及应用国家重点实验室,长春130033)半导体激光器又称激光二极管(laserdiode),具有电光转换效率高、波长覆盖范围广、可靠性好、体积小等优点,从而在光纤通信、材料加工、生物医疗、军事防御等领域得到广泛应用[1-2].半导体激光器工作时的电光转换效率在50%左右,同时产生50%左右的废热需要及时散掉,否则会导致有源区温度迅速升高,激光器中心波长随之漂移,还可能造成管芯材料位错、缺陷的产生和富集,劣化激光器的光电特性甚至引发突然失效[3].目前,国际上半导体激光器研究的热点之一是如何提高半导体激光器的可靠性.在通信、光存储等领域,小功率半导体的可靠性问题已基本解决,工作寿命可以达到实用要求.但近年来半导体激光器的输出功率不断提高,连续工作时间也不断延长,从而热效应的影响越来越明显[4],高功率半导体激光器在大电流工作连续输出时面临着端面灾变性损伤、烧孔、电热烧毁、光丝效应等基本问题[5].因此散热技术的提高及散热问题的解决已成为大功率半导体激光器快速发展极其关键的环节[6-7].改进封装技术、优化传热结构和散热方法等是解决这些问题的主要方法.半导体激光器常用的散热方法有平板热沉散热、大通道散热和微通道散热.这3种散热方式都采用水冷,通常体积大,操作较为复杂,而采用半导体制冷器(thermoelectriccooler,TEC)对大功率激光器进行温控,具有体积小、控制精度高、操作方便等优点[8].文中以TEC全固态散热模块为研究对象,采用ANSYSWork-bench数值模拟研究其温度分布,分析焊料、热沉、TEC冷面温度等相关参数对有源区温度场及散热效果的影响,以期为大功率半导体激光器模块散热性能提升等提供依据.1理论分析1.1导热微分方程激光器模块如图1,芯片与热沉通过焊料连接,热沉与TEC冷面接触.激光器工作过程中,废热主要来源于以下3个阶段[9]:图1激光器模块实物Fig.1Graphofdiodelasermodule(1)电流注入有源区后,电子与空穴的非辐射复合释放的热量,即无辐射复合生热,热功率密度QNR为:QNR=1dUj(1-i)(1)式中:d为激活区厚度,U为二极管压降,j为电流密度,i为内量子效率.(2)电流达到阈值后,有源区内光子吸收的相关过程,包括自发辐射复合再吸收、自由载流子吸收、其他对光子的散射、衍射、吸收等产生的热,热功率密度QA可表示为:QA=Udjth1-frsp()2+(j-jth)(1-d[)](2)式中:jth为阀值电流密度,d为外微分量子效率,sp是自发辐射的内量子效率,fr是辐射转移系数.(3)注入电流增大后,由于体材料和欧姆接触层电阻引起的焦耳热,计算公式为:Q=j2(3)式中:为各材料层的电阻率,相比于前两个阶段,第3阶段电流达到最大值,同时芯片热功率也达到最大值.当激光器达到稳定的工作状态后(对应上述第3阶段),此时可将此模块近似为稳态热传导问题,其三维稳态温度场T(x,y,z)在热传导中的微分方程如下[10]:xkT()x+ykT()y+zkT()z+Q=0(4)式中:T为温度;k为材料热导率;Q为材料单位体积生热量,即第3阶段所产生的焦耳热.1.2初始条件和边界条件激光器工作过程中,忽略热辐射和界面接触状态的影响,温度场求解的热载荷和边界条件有如下3种.(1)温度边界条件,热沉下表面与TEC冷面接触,可表示为:T(x0,y,z,t)=T0(5)此边界条件确定了平面x=x0处在任意t时刻的温度.(2)热生成率边界条件,代表单元内电流效应生成

参考文献

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