摘　要:　针对半导体激光器线阵,建立了二维的热传导模型,模拟计算得到了半导体激光器线阵的二维瞬态温度分布。分析表明器件温度随时间的变化过程可分为三个阶段:在加电后几十微秒的时间内,发光单元之间未出现热交叠,不同填充比的线阵器件的温度基本一致;在几十微秒到几十或几百毫秒之间,大填充比结构线阵的发光单元之间先发生了热交叠,温度上升较快;微通道制冷的器件在几十毫秒之后温度达到稳定,平板热传导热沉封装的器件在几百毫秒之后温度才达到稳定。热传导热沉封装时,在相同的注入电流密度下,高填充比器件的发光单元之间出现温差更快。

　　0　引言

　　半导体激光器是一种高效率的电子-光子转换器件,在光纤通信、微加工、信息处理等诸多领域有着广泛的应用[1-2]。延长半导体激光器的使用寿命,提高半导体激光器的可靠性,增大半导体激光器的输出功率一直是人们在半导体激光器研究中不懈的努力和追求的目标。但由于单管的有源区体积小,输出功率受限于腔面灾变性失效,一般单个的p-n结半导体激光器的输出能量是几、几十或几百毫瓦量级,最好的也不过几瓦。从20世纪80年代开始,人们对二极管激光阵列展开了研究,希望通过线阵或面阵化技术来克服单管激光器功率不足的问题[3-4]。在光输出功率不断提高的同时,由于热源的增加和发光单元之间的热相互作用,与单元器件相比,半导体激光器阵列的热积累不断加剧,列阵器件中的热对器件性能的影响显得更加复杂[5]。因此,本文针对具有不同填充因子的半导体激光器线阵的瞬态热特性进行了分析。

　　1　热源模型

　　半导体激光器线阵列加电后,满足瞬态热传导微分方程:

　　其中,ρ为材料密度, c为材料比热, t为时间,kx和ky分别为x和y方向的热传导系数, Q为各层中的热源。图1为半导体激光器bar的结构示意图。x轴为垂直于结的方向,沿x轴方向热源的分布形式与单管相同,热源公式参见文献[6]。y轴为平行于结的方向,沿y轴方向,由于多个激射单元的存在,热源是按照电流注入区域和非注入区域沿y轴周期性分布的。依据对称性,为了减小计算量,选取模型的右半部分进行计算。计算中选取的边界条件为:

　　(1)忽略热沉与空气的热辐射作用,考虑在自然对流下的热交换,热传导热沉[8]封装时,将热沉放置在一个制冷器上,制冷器温度稳定在环境温度TA=300 K,即:

　　微通道热沉[7]封装时,由于微通道热沉的表面积通常情况较小,忽略热沉表面在自然对流下的热交换,假设微通道中的水流可以将热量全部带走,即微通道上方温度保持在水流温度,这里我们选取水流温度为环境温度TA=300 K,即:

Wys为热沉宽度,对于热传导热沉,Wxs为热沉厚度,对于微通道热沉,Wxs为微通道上方的热沉厚度,h为自然对流系数,计算中选取h为10 W/(m2·K)。

　　(2)管芯与周围空气的热对流与热辐射作用交换的能量非常微弱,可以忽略不计,即:

Wxc为芯片厚度,Wyc为芯片宽度。

　　(3)每层之间满足温度与热流连续分布,即:

　　(4)在初始条件下,整个管芯与热沉的温度为环境温度TA,计算时选取TA=300 K,即:

　　2　计算与分析

　　采用上述模型,利用有限元方法,模拟计算了半导体激光器线阵,在平板热传导热沉(CS)和微通道热沉(MS)两种封装方式下的二维温度场分布。计算时选取bar条宽Wyc为1 cm,每个发光单元的电极条宽为100μm,激射单元之间的隔离槽宽度为20μm,有源区采用本征的AlxGa1-xAs/GaAs/InGaAs应变量子阱结构,厚度为242 nm (渐变层AlxGa1-xAs:100 nm,垒层GaAs:17 nm,量子阱层In0.2Ga0.8As:8 nm,垒层GaAs: 17 nm;渐变层AlxGa1-xAs:100 nm),有源区两侧Al0.32GaAs限制层厚度为1.5μm,器件的最顶层是50 nm和100 nm的p型C掺杂GaAs盖层,整个芯片厚度Wxc减薄到100μm,p面向下烧结在热沉上,铟焊料的厚度为10μm。热源计算选取参数参见文献[6]。

　　线阵的横向结构参数与填充因子有关,不同填充因子下的器件的结构参数见表1。为便于解理,减少解理过程中对器件有源区的损伤,通常在线阵的边缘留有一定距离的隔离部分,表1中的结构在线阵的两端均留有半个单元周期的隔离尺寸。填充因子(或称为填充比)=发光部分的总宽度/(1 cm-隔离尺寸)=电极条宽/单元周期。图2为在CS热沉和MS热沉两种封装方式下,填充比为20%的bar条与填充比为50%的bar条内部的最高温度(位于bar条中心的发光单元的电极中心有源层的温度)随时间的变化曲线。图中标识FF20%和FF50%表示填充比为20%和50%。由图可知,温度随时间的变化过程可分为三个阶段。

　　(1)在几十微秒之前具有不同填充比的器件温度基本一致,这是因为此时在沿y轴(平行于结)的方向上,相邻发光单元之间还未出现热交叠,对于每个发光单元热源一样,主要依靠x方向(垂直于结)的热传导散热,横向结构(填充比)还没有影响到器件的温度。

　　(2)在几十微秒到几十或几百毫秒之间,具有大填充比结构的器件的温度上升较快。这是因为填充比大的器件单元间隔小,先发生了热交叠(在相同的注入电流密度下),热量迅速积累,于是温度上升较快。图3给出了微通道热沉封装下的器件在起初时刻,有源层沿y轴方向的瞬态温度分布,鉴于微通道热沉封装下各单元的温度分布一样,图3中只给出了相邻两个单元的温度分布。由图可知,周期为200μm,填充比为50%的bar条,在时间为几十微秒时两相邻单元之间的热流开始交叠,而周期为500μm,填充比为20%的bar条,在时间为几百微秒时两相邻单元之间的热流才开始交叠。

　　(3)微通道制冷的器件在几十毫秒之后温度达到稳定,而CS封装的器件在几百毫秒之后温度才达到稳定。

　　图4为CS热沉封装时,填充比为20%的bar条的有源层沿y轴的瞬态温度分布。图5为中心单元的电极中心和边缘单元的电极中心,沿x轴方向的瞬态温度分布。由图4和5可知,与微通道热沉封装的器件一样,在几百微秒后两相邻单元之间的热流开始交叠,起初时刻单元间温度一致,不同的是在几毫秒后由于封装的不对称性,边缘单元散热较快,在y轴方向上单元间开始出现温差。并且由图5可知,bar条的每个发光单元沿x轴的温度分布规律与单管器件的相同[8],有源层的温度最高。由图6可知,CS热沉封装时,由于在相同的注入电流密度下大填充比器件热积累较快,所以发光单元之间出现温差快。

　　3　结论

　　利用有限元方法,分析了具有不同填充因子的半导体激光器线阵的内部温度分布随时间的变化规律。分析表明器件温度随时间的变化过程可分为三个阶段:在加电后几十微秒的时间内,单元之间未出现热交叠,不同填充比的器件温度基本一致;在几十微秒到几十或几百毫秒之间,大填充比结构的器件单元间隔小,先发生了热交叠,温度上升较快;微通道制冷的器件在几十毫秒之后温度达到稳定,平板热传导热沉封装的器件在几百毫秒之后温度才达到稳定。热传导热沉封装时,在相同的注入电流密度下,随着填充比的增加,发光单元之间出现温差更快。

　　参考文献:

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　　[8]　张　蕾,崔碧峰,黄宏娟,等.双有源区隧道再生半导体激光器温度场分布研究[J].半导体光电,2007, 28(6):761-765.

　　作者简介:张　蕾(1977-),女,工程师,博士,主要从事光电子器件的研究。

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