高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究

倪羽茜， 井红旗， 孔金霞， 祁　琼， 刘素平， 马骁宇

(中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程研究中心， 北京　100083)



高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究

倪羽茜， 井红旗*， 孔金霞， 祁琼， 刘素平， 马骁宇

(中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程研究中心， 北京100083)

为实现半导体激光器单管的高功率输出，研究了使用氮化铝和碳化硅两种陶瓷材料制成的三明治型过渡热沉的散热性能。首先使用有限元分析方法计算，然后利用光谱法测量激光器的工作热阻。数值计算和实验测量结果均显示，碳化硅制成的过渡热沉所封装器件的工作热阻更低，散热效果更好。此外，实验进一步测试了器件的光电特性，结果表明碳化硅陶瓷制成的过渡热沉封装器件的电光转换效率更高、输出功率更大。915 nm附近单管器件在注入电流15 A时的输出功率为16.3 W，最高电光转换效率达到了68.3%。

高功率半导体激光器； 有限元分析； 热阻

1　引　　言

过去的几十年中，高功率半导体激光器广泛用于泵浦固态激光和光纤激光，随着输出特性和可靠性的持续提高，其应用领域拓展到工业、军事、医学和直接材料加工等领域。在应用需求的驱动下，半导体激光器的输出功率水平不断达到新的高度，目前国际上90～100 μm单管9×× nm器件商用产品的输出功率在12～18 W，实验室水平达20～25 W[1-3]，国内9×× nm半导体激光器单管的发展无论是与应用需求还是与国际先进水平相比，尚存在一定的差距。进一步提高激光器的输出功率不得不关注封装技术。目前商用半导体激光器的电光转换效率约50%～60%，这说明输出10 W光功率的同时也产生了等量的热，在高功率工作时大量热在有源区内积累，导致有源区温度极大升高，而电光转换效率又随温度升高而指数下降[4]，如此就有更多的热量产生，结温进一步升高，这种正反馈机制一旦形成可能引发腔面灾变性光学损伤或热饱和现象，严重限制着半导体激光器的输出功率和使用寿命，因此需要将激光芯片封装到散热热沉上，将激光器内产生的热量及时排出。COS(Chip on submount)封装常见于高功率半导体激光器单管的封装中，是指将半导体激光器芯片用金锡焊料烧结到膨胀匹配的过渡热沉上。这种封装结构体积小，集成度高，且允许进行二级封装以满足不同的应用场合，例如进一步烧结到铜热沉上，也可烧结到管壳内并进行光纤耦合输出[5]。

过渡热沉通常用与激光器芯片热膨胀系数相差较小的材料制成，以减小硬焊料封装时芯片的残余应力，常见材料有陶瓷，如氧化铍、氮化铝、碳化硅等；金属合金，如钨铜合金、铜钼合金等；理想的过渡热沉应该与激光芯片膨胀匹配、具有高热导率，此外还要易加工、价格适宜，因此需要对过渡热沉进行有效的设计。本文研究了使用氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)两种陶瓷材料制成的三明治型过渡热沉的散热性能。所谓三明治型过渡热沉是指将膨胀系数不同的两种或多种材料粘结形成多层夹心结构，当受热或冷却时，膨胀行为不同的材料彼此限制，通过调整各层材料的厚度比，可以调整其膨胀系数以匹配不同的芯片材料，因此在材料选择和设计上提供了较大的灵活性。本文所用的过渡热沉结构为将膨胀系数较小的陶瓷材料(AlN～4.1×10-6/K, SiC～3.9×10-6/K)两侧覆盖厚度为数十微米的铜(Cu～17×10-6/K)，以实现在烧结平面和激光器芯片(GaAs～6.5×10-6/K)膨胀匹配，此外，表面铜层热导率较高，通过表面热扩散可以加强过渡热沉的散热性能。

2　数值计算

2.1结构参数

图1所示为COS封装结构示意图。

图1　COS封装结构示意图

计算中所使用的激光器光电参数为：连续条件下输出功率15 W，电光转换效率60%，激光器芯片腔长4.5 mm，芯片厚105 μm，芯片宽500 μm，发光区宽度105 μm。激光器芯片的外延结构列于表1中，外延材料热导率主要参考文献[6]。过渡热沉底面尺寸为5.75 mm×4.5 mm，总厚度为0.5 mm，两种过渡热沉的结构层按照自上而下的顺序分别列于表2和表3中。因为SiC和AlN两种材料的热膨胀系数和杨氏模量等力学参数不同，为满足与激光器芯片膨胀匹配的要求，两种过渡热沉中陶瓷材料和铜的厚度比采用不同的值。过渡热沉的上下表面均镀有金属层，起阻挡焊料向下扩散、便于引线键合的作用。

表1外延层结构和相关参数

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

结构材料厚度/μm热导率/(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过渡热沉结构和相关参数

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

结构材料厚度/μm热导率/(W·m-1·K-1)SolderAuSn857MetallizationlayerPt0.371.6MetallizationlayerAu1318MetallizationlayerNi390.9Submount-top-layerCu69398Submount-middle-lay-erSiC344280Submount-bottom-layerCu69398MetallizationlayerNi390.9MetallizationlayerAu1318

表3三明治型AlN过渡热沉结构和相关参数

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

结构材料厚度/μm热导率/(W·m-1·K-1)SolderAuSn857MetallizationlayerPt0.371.6MetallizationlayerAu1318MetallizationlayerNi390.9Submount-top-layerCu73398Submount-middle-layerAlN336200Submount-bottom-layerCu73398MetallizationlayerNi390.9MetallizationlayerAu1318

2.2有限元分析

半导体激光器温度分布的解析解只有在简单模型中存在[7]，由于本文模型较复杂，只能借助数值计算手段。有限元分析方法(Finite element method, FEM)广泛用于光电子器件的热分析中[8-10]，实用高效且精确度较高，因此本文采用FEM方法研究两种过渡热沉的散热性能。激光器工作时的首要热源来自有源区内发生的非辐射复合和辐射吸收过程，其次是P型掺杂层和波导层产生的焦耳热。本文假设有源区为唯一的热源，忽略焦耳热等次要因素[11]。在激光芯片的外表面考虑对流散热，其在室温下的对流系数为25 W·m-1·K-1，计算中将边界条件设为过渡热沉的下表面保持恒温23 ℃，而实际的器件测试中通水底座由水冷机制冷，其表面为恒温面，COS固定在夹具内与该恒温面接触，因此实际COS底面温度可能高于23 ℃。由于封装形式具有对称性，所以模拟时只取一半进行。

量子阱激光器有限元分析的主要困难在于尺寸跨度过大，有源区的厚度为10 nm，而器件的几何尺寸在毫米量级，最大尺寸和最小尺寸相差20万倍。为获得精确的结果，需要将有限元网格划分得更精细，从而导致占用内存过大，计算代价过高。本文通过“子模型方法”(Submodeling method)解决该问题。首先使用粗糙网格计算温度场，将激光芯片底部作为切割边界，将粗糙模型在该边界上计算的温度值传递给子模型；而子模型由于尺寸跨度较小，可以在有源区附近生成精细网格，精确计算激光芯片的温度分布。通过这种子模型方法计算的温度分布如图2所示，其中图2(a)是粗糙模型的温度分布，而图2(b)是基于该粗糙模型的子模型温度分布。

半导体激光器的热特性可以用参数热阻描述，热阻可表示为：

图2　(a) 粗糙模型温度分布；(b)子模型温度分布。

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

(1)

其中，Tj代表结温度，Ths代表热沉温度，Pel为注入的电功率，Popt为产生的光功率。通常情况下，Rth越小则器件的散热性能越好。为评估两种过渡热沉的散热效果，我们采用FEM方法计算得到了有源区温度沿腔长的分布，如图3所示。激光器前腔面附近温度较高，后腔面温度较低，这是因为激光器后腔面的热流可以通过垂直方向和水平方向两个方向传导，而前腔面的热量只能垂直向下传导。经计算，SiC陶瓷封装的COS器件热阻为1.19 K/W，AlN为1.30 K/W。基于SiC的COS器件热阻更低，因此可以预期SiC过渡热沉的散热性能更好，器件有更好的输出特性。

图3　半导体激光器有源区中心沿腔长方向的温度分布

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

3　器件测试

3.1光谱特性

为从实验上论证两种陶瓷封装结构的工作热阻，我们测试了SiC和AlN封装的COS器件在连续和脉冲驱动下的光谱特性，并利用光谱法推论出激光器的工作热阻。实验使用取自同一外延片的相邻管芯，包括光刻、溅射、镀膜、解理等在内的芯片处理工艺均相同，使用硬焊料烧结技术将芯片封装到两种过渡热沉上，在相同条件下测试。如图4所示，首先在脉冲方式(50 μs, 200 Hz)下驱动，SiC和AlN器件的中心波长分别为910.5 nm和910.3 nm。由于两管芯在外延片中位置相近，且排除了热效应的影响，所以中心波长几乎相同。在连续电流注入下，激光器有源区温度升高，SiC和AlN器件的中心波长均产生红移，两者的中心波长分别为913.6 nm和915.2 nm，对应的红移量分别为3.1 nm和4.9 nm。对于典型的9×× nm 半导体激光器，其工作波长随温度变化的温漂系数约为+0.3 nm/K。根据波长与温度的关系，可将器件热阻表示为：

(2)

由此得到的SiC陶瓷封装COS器件的热阻为2.54 K/W，AlN器件的热阻为3.61 K/W，该结果证实了SiC过渡热沉的散热效率比AlN高。热阻值的实验结果比前述数值计算结果大，主要是因为在计算中假设芯片和过渡热沉间的烧结面完美接触，而实际器件中一般存在空洞，这些空洞阻碍热量向下传递，形成局部热点[12]，从而使器件平均热阻增大。

图4碳化硅过渡热沉(a)和氮化铝过渡热沉(b)封装的器件在脉冲和连续模式下的波长差

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

3.2电光特性

在连续电流注入下，两种过渡热沉封装的激光器功率-电流曲线如图5(a)所示。AlN封装的COS器件在注入电流超过14 A后出现明显的热饱和现象，15 A时的功率输出约为13.1 W；而基于SiC的COS器件在注入电流为15 A时曲线仍保持较好的线性度，斜率效率为1.17 W/A，输出功率达16.3 W。图5(b)为电光转换效率和电流的关系曲线。SiC器件在注入电流超过5 A后，其电光转换效率明显高于AlN器件，在注入电流为9.25 A时达到峰值电光转换效率68.3%，效率在15 A时下降不多，仍保持在64.8%；而AlN器件峰值电光转换效率为63.9%，在15 A时已下降到51.8%。该结果进一步证明SiC陶瓷的散热性能更好，可以满足10～20 W输出功率水平的半导体激光器COS封装的散热需求。

图5(a) 采用两种过渡热沉封装的器件功率-电流特性曲线；(b) 采用碳化硅过渡热沉封装器件和氮化铝过渡热沉封装器件的效率-电流特性曲线。

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　结　　论

研究了用于高功率半导体激光器单管封装的COS封装形式，分析了碳化硅和氮化铝两种陶瓷材料制成的三明治型过渡热沉的散热能力，基于有限元方法计算的SiC器件热阻为1.19 K/W，AlN为1.30 K/W。利用光谱法测量了两种封装器件的热阻，SiC陶瓷封装的COS器件热阻为2.54 K/W，AlN器件的热阻为3.61 K/W。数值计算和实验测量均表明SiC陶瓷所封装器件的工作热阻更低，散热效果更好。此外两种封装结构的光电特性也有较大区别，AlN器件在注入电流超过14 A后就出现了热饱和现象，15 A时功率输出约为13.1 W；而SiC器件在15 A电流注入时的输出功率为16.3 W，峰值电光转换效率达68.3%。此外，已有研究表明结温和应力影响激光器的寿命，而这两个参数与过渡热沉的散热效率和热膨胀系数有直接关系，因此本文中三明治型过渡热沉对高功率半导体激光器的寿命和可靠性的影响仍需进一步的实验验证。

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倪羽茜(1991-)，女，山东威海人，硕士研究生，2013年于山东大学获得学士学位，主要从事高功率半导体激光器的研究。

E-mail: niyuxi@semi.ac.cn井红旗(1980-)，女，河北保定人，博士，助理研究员，2014年于中国科学院半导体研究所获得博士学位，主要从事大功率半导体激光器的研究。

E-mail: jinghq@semi.ac.cn

文章编号: 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

国家自然科学基金(61306057)资助项目

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163705.0561