微熱通道電極結(jié)構(gòu)寬條形半導(dǎo)體激光器輸出特性

蔡元紅，高 欣，王警輝，王芝浩，薄報(bào)學(xué)

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

半導(dǎo)體激光器具有電光效率高、體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、可靠性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在材料、軍事、通訊、信息存儲(chǔ)與處理等領(lǐng)域[1-6]。寬條形半導(dǎo)體激光器作為高功率半導(dǎo)體激光器的常用結(jié)構(gòu)，存在慢軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角隨著注入電流的增加而明顯增大的現(xiàn)象，導(dǎo)致高功率工作時(shí)的光束質(zhì)量嚴(yán)重退化[7-10]。研究認(rèn)為，廢熱引起的熱透鏡效應(yīng)是導(dǎo)致慢軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角增大的主要原因之一[11-12]。針對(duì)半導(dǎo)體激光器熱透鏡效應(yīng)導(dǎo)致的光束質(zhì)量退化，研究人員提出了一些改善方案。2013年，Piprek[13]提出了一種在芯片與熱沉間加入基座熱沉的方法，降低了慢軸方向的發(fā)散角。2015年，Winterfeldt等[14-15]提出了一種通過(guò)限制橫向載流子積累從而提高激光器光束質(zhì)量的方案，使得激光器熱透鏡效應(yīng)引起的光束參數(shù)積(BPP)降低了35%。2020年，趙碧瑤[16]采用了一種邊緣絕熱封裝方式，當(dāng)芯片與熱沉的接觸寬度為200 μm時(shí)，慢軸發(fā)散角降低了28%，光束參數(shù)積和光束質(zhì)量因子也分別降低了28%和24%。

以上研究大都通過(guò)改變熱沉結(jié)構(gòu)的方式來(lái)改善熱透鏡效應(yīng)，顯然這種方式會(huì)受到熱沉制作成本的限制。因此，本文提出并制作了一種微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器芯片。該芯片不受制于熱沉結(jié)構(gòu)亦能改善熱透鏡效應(yīng)，且通過(guò)仿真模擬，驗(yàn)證了微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器對(duì)熱透鏡效應(yīng)的改善效果，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和分析。

2 模擬分析

2.1 寬條形半導(dǎo)體激光器熱源

寬條形半導(dǎo)體激光器的電流注入條形寬度一般在50～200 μm，光電轉(zhuǎn)換效率接近50%，側(cè)向熱傳導(dǎo)易使激光器產(chǎn)生明顯的熱透鏡效應(yīng)，導(dǎo)致慢軸發(fā)散角增大[17-18]。這些廢熱主要來(lái)源于有源區(qū)注入載流子的非輻射復(fù)合、輻射吸收、自發(fā)輻射吸收，激光器各結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的焦耳熱功率可以表達(dá)為[17]：

(j-jth)×[1-ηex-(1-ηi)]ηspfsp}+j2ρi,

(1)

其中，Vj為PN結(jié)上的電壓，dactive為有源區(qū)的厚度，jth為閾值電流密度，ηsp為自發(fā)發(fā)射內(nèi)量子效率，fsp為自發(fā)輻射光子從有源區(qū)的逃逸因子，j為注入電流密度，ηex為外微分量子效率，ηi為受激輻射內(nèi)量子效率，ρi為除有源層外各材料層的電阻率。激光器產(chǎn)生的廢熱主要以熱傳導(dǎo)的方式向熱沉散發(fā)[19]，其傳導(dǎo)方式基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程[16]:

(2)

其中，Q表示熱功率密度，K表示熱導(dǎo)率，T表示溫度，x軸、y軸、z軸方向分別表示慢軸(平行于PN結(jié))方向、快軸(垂直于PN結(jié))方向和激光發(fā)射(沿諧振器)方向。

2.2 寬條形半導(dǎo)體激光器熱透鏡效應(yīng)

對(duì)于一般的寬條形半導(dǎo)體激光器，慢軸方向的折射率分布可以近似為緩變波導(dǎo)，從而對(duì)激光器光場(chǎng)起到限制作用[8]。激光器工作時(shí)，波導(dǎo)材料的折射率分布主要受到溫度分布和載流子濃度分布的影響[11]，可表達(dá)為:

(3)

激光器側(cè)向波導(dǎo)的溫度分布導(dǎo)致橫向折射率呈梯度分布[10]，可以近似表示為：

(4)

其中，n(0)為中心位置折射率，α表示折射率分布的不均勻程度。該折射率分布可對(duì)波導(dǎo)傳輸光束產(chǎn)生自聚焦透鏡作用，增大輸出光束的發(fā)散角。

2.3 微熱通道電極結(jié)構(gòu)仿真及分析

設(shè)計(jì)的微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器是將芯片p面注入?yún)^(qū)電極處采用高熱導(dǎo)率材料，而注入?yún)^(qū)兩側(cè)采用低熱導(dǎo)率材料制作，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，插圖為微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的實(shí)際封裝模型。這種芯片封裝后會(huì)使芯片兩側(cè)區(qū)域向熱沉垂直散熱能力遠(yuǎn)小于中心區(qū)域，從而使高熱導(dǎo)率區(qū)域在芯片與熱沉之間形成一個(gè)微型熱通道。由于注入?yún)^(qū)兩側(cè)區(qū)域的垂直散熱受到抑制，芯片有源區(qū)的橫向熱流將減少，熱流將集中于熱通道方向，從而減小熱透鏡效應(yīng)。

圖1 微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the microthermal channels anode structure laser

通過(guò)ANSYS模擬的普通電極結(jié)構(gòu)激光器和微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的熱流和溫度分布如圖2和圖3所示，熱功率設(shè)定為10 W。模擬涉及的激光器結(jié)構(gòu)材料及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 激光器結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of laser structure

由圖3可以看出，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的內(nèi)部溫度分布均勻性明顯高于普通結(jié)構(gòu)激光器。由圖2(a)可以看出主要原因是由于激光器有源區(qū)的橫向熱流導(dǎo)致波導(dǎo)內(nèi)的溫度分布呈中心溫度高、邊緣溫度低的現(xiàn)象。圖2(b)中，微熱通道電極結(jié)構(gòu)的引入限制了芯片有源區(qū)兩側(cè)向熱沉傳熱，芯片有源區(qū)的橫向熱流減小，從而使兩側(cè)溫度升高，激光器內(nèi)部溫度分布趨于均勻，如圖3(b)所示。

圖2 普通電極結(jié)構(gòu)激光器(a)和微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器(b)熱流圖Fig.2 Heat flow diagram of normal anode structure laser(a) and microthermal channel anode structure laser(b)

圖3 普通電極結(jié)構(gòu)激光器(a)和微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器(b)溫度分布云圖Fig.3 Temperature distribution cloud map of normal anode structure laser(a) and microthermal channel anode structure laser(b)

2.4 微熱通道電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化

微熱通道電極結(jié)構(gòu)是激光器與熱沉之間主要的熱傳遞通道，要求其材質(zhì)導(dǎo)熱性較好。因此本文采用Cu作為激光器的微熱通道電極結(jié)構(gòu)材料，其熱導(dǎo)率為398 W·m-1·K-1；而低熱導(dǎo)率區(qū)為空氣間隙，其導(dǎo)熱率為0.023 W·m-1·K-1，能有效地限制芯片邊緣的熱傳遞。

通過(guò)分析可知，芯片會(huì)受微熱通道電極結(jié)構(gòu)的厚度與寬度的影響。微熱通道電極結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致芯片熱阻增加，且微熱通道電極結(jié)構(gòu)厚度越大，熱阻越大，引起激光器結(jié)溫升高，如圖4所示。由圖4(a)可以看出，普通電極結(jié)構(gòu)激光器的注入?yún)^(qū)結(jié)平面溫度分布呈現(xiàn)為中間高、邊緣低的不均勻現(xiàn)象。有源區(qū)中心溫度最高，達(dá)到50.8 ℃，芯片邊緣溫度為31.6 ℃，結(jié)平面溫度分布極不均勻；而微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)平面溫度明顯分布均勻，并且隨著微熱通道電極結(jié)構(gòu)厚度的增加均勻性得到進(jìn)一步改善。同時(shí)，微熱通道電極結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致激光器結(jié)溫上升，這是由于激光器發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的熱量只能通過(guò)微熱通道電極結(jié)構(gòu)傳熱，傳熱路徑受到限制，會(huì)引起一定的結(jié)溫升。如圖4(b)所示，激光器的中心結(jié)溫會(huì)隨微熱通道電極厚度的增加而增大，但其注入?yún)^(qū)的溫度差會(huì)逐漸減小。這是由于隨著微熱通道電極厚度的逐漸增加，加大了對(duì)有源區(qū)的橫向熱流限制，微熱通道電極結(jié)構(gòu)調(diào)控溫度分布的能力得到增強(qiáng)，芯片內(nèi)部溫度分布更加均勻。由圖4可以看出，當(dāng)微熱通道電極厚度達(dá)到20 μm以上，其溫度分布將趨于穩(wěn)定，注入?yún)^(qū)溫度差為0.9 ℃，中心結(jié)溫為56.5 ℃，相對(duì)于普通電極結(jié)構(gòu)激光器結(jié)溫升高5.7 ℃。

圖4 不同厚度微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)溫。(a)結(jié)平面溫度分布;(b)激光器注入?yún)^(qū)溫度差和中心結(jié)溫。Fig.4 Junction temperature of microthermal channels anode structure lasers with different thickness.(a)Junction plane temperature distribution.(b)Temperature difference within the laser injection region and the central junction temperature.

根據(jù)以上分析，將微熱通道電極結(jié)構(gòu)厚度設(shè)置為20 μm，模擬了熱功率為10 W時(shí)，寬度為100，150，250，350，450，500 μm的微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器結(jié)平面溫度分布，其結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可以看出，隨著微熱通道電極結(jié)構(gòu)的寬度增加，激光器的中心結(jié)溫明顯下降，但注入?yún)^(qū)的溫度分布均勻性大幅降低；通過(guò)圖5(b)可以看出，當(dāng)微熱通道結(jié)構(gòu)寬度增加到500 μm時(shí)，激光器最高結(jié)溫降低到51.2 ℃，接近于普通電極結(jié)構(gòu)激光器結(jié)溫。隨著微熱通道電極結(jié)構(gòu)寬度的增加，注入?yún)^(qū)溫度差增大。當(dāng)寬度增加到150 μm時(shí)，注入?yún)^(qū)溫度差快速地由0.7 ℃增加到2.2 ℃，隨后近似呈線性增加；寬度為500 μm時(shí)，注入?yún)^(qū)溫度差增加至4.8 ℃。

圖5 不同寬度微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)溫。(a)結(jié)平面溫分布;(b)激光器注入?yún)^(qū)溫度差和中心結(jié)溫。Fig.5 Junction temperature of microthermal channels anode structure lasers with different widths.(a)Junction plane temperature distribution.(b)Temperature difference within the laser injection region and the central junction temperature.

微熱通道電極結(jié)構(gòu)會(huì)引起芯片一定的溫升，并隨著其厚度的增加而增大。厚度過(guò)小，芯片內(nèi)部溫度調(diào)控不明顯；微熱通道寬度增加會(huì)降低其對(duì)橫向熱流的限制，由此設(shè)計(jì)微熱通道電極厚度為20 μm左右，寬度為100 μm，可以有效限制橫向熱流，改善注入?yún)^(qū)的溫度分布均勻性。

2.5 不同熱功率(Pthermal)條件下微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器熱分析

為了更加準(zhǔn)確地說(shuō)明微熱通道電極結(jié)構(gòu)對(duì)熱透鏡效應(yīng)的改善情況，對(duì)比了100 μm條寬、20 μm厚微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器與普通電極結(jié)構(gòu)激光器的熱特性，如圖6所示。可以看出，兩種激光器的溫度分布均勻性會(huì)隨Pthermal的增加而逐漸變差，但普通電極結(jié)構(gòu)激光器變化更為明顯。

圖6 不同熱功率條件下，激光器的結(jié)平面溫度分布。(a)普通電極結(jié)構(gòu)激光器;(b)微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器。Fig.6 Junction temperature of lasers at different thermal power conditions.(a)Normal anode structure laser.(b)Microthermal channels anode structure laser.

圖7為不同熱功率(Pthermal)條件下激光器的中心結(jié)溫和注入?yún)^(qū)溫度差特性。當(dāng)熱功率(Pthermal)較小時(shí)，兩種激光器的中心結(jié)溫相差較小，幾乎一致，但注入?yún)^(qū)溫度差差別較大；隨著Pthermal的增加，兩種激光器的中心結(jié)溫都隨之增加，其中微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的中心結(jié)溫增加較快。Pthermal=10 W時(shí)，普通電極結(jié)構(gòu)激光器的中心結(jié)溫為50.7 ℃，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的中心結(jié)溫為56.5 ℃。以上結(jié)果說(shuō)明微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的熱阻略大，計(jì)算得到普通電極結(jié)構(gòu)激光器的熱阻為2.58 ℃/W，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器熱阻為3.15 ℃/W。從圖7(b)可以看出，當(dāng)Pthermal=10 W時(shí)，普通電極結(jié)構(gòu)激光器的注入?yún)^(qū)溫度差達(dá)到了5.7 ℃，而微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的注入?yún)^(qū)溫度差僅為0.8 ℃。因此，微熱通道電極結(jié)構(gòu)對(duì)大功率激光器熱透鏡效應(yīng)的改善具有明顯作用。

圖7 激光器不同熱功率下的中心結(jié)溫(a)和注入?yún)^(qū)溫度差(b)的關(guān)系Fig.7 Relationship between laser thermal power and central junction temperature(a),temperature difference within the laser injection region(b).

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的實(shí)驗(yàn)制作

實(shí)驗(yàn)采用波長(zhǎng)為940 nm、有源區(qū)為InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱的寬條形F-P腔激光器，條形電流注入?yún)^(qū)寬度為100 μm，腔長(zhǎng)為2 000 μm，周期為500 μm。微熱通道電極結(jié)構(gòu)的Cu熱通道厚度為20 μm，寬度為100 μm。Cu熱通道采用電鍍工藝在外延片的p面電極條上進(jìn)行圖形電鍍而成，通過(guò)控制電鍍電流密度調(diào)控電鍍速率，得到表面平整、致密的條形厚Cu膜。然后利用劃片機(jī)解理成單個(gè)激光器芯片。采用p面朝下的封裝方式，用AuSn焊料將芯片焊裝在AlN過(guò)渡熱沉上，使微熱通道電極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)與AlN過(guò)渡熱沉表面之間形成空氣間隙。AlN過(guò)渡熱沉焊裝在Cu熱沉表面，并通過(guò)TEC進(jìn)行激光器工作溫度的精密控制。封裝完成后的激光器如圖8所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)普通電極結(jié)構(gòu)和微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器進(jìn)行AlN熱沉封裝，分別在連續(xù)工作條件下進(jìn)行P-I-V、光譜和輸出光束遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，激光器工作溫度設(shè)定為15 ℃。圖9所示為測(cè)試芯片的典型光電特性。

圖9(a)為普通電極條形激光器與微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的P-I-V曲線。由圖中可以看出，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的閾值電流為0.23 A，普通激光器閾值電流為0.22 A。微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的輸出功率略低于普通激光器，在2.0 A的工作電流下，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的輸出功率為1.7 W，普通電極結(jié)構(gòu)激光器的輸出功率為1.77 W。由I-V曲線可以看出，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的微分電阻為0.15 Ω，普通電極激光器的微分電阻為0.1 Ω。微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的微分電阻略高于普通電極激光器，這可能是由于圖形電鍍電極的材料致密性較低引起，可以通過(guò)優(yōu)化電鍍工藝或采用濺射Cu工藝得到改善。從圖9(b)可以看出，在 2.0 A工作電流下，普通電極結(jié)構(gòu)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率為56.6%，而微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率為50.2%，其電光效率的降低主要由以上微分電阻的增加引起。

半導(dǎo)體激光器的激射波長(zhǎng)受到結(jié)溫的明顯影響，表現(xiàn)為隨著結(jié)溫的升高會(huì)出現(xiàn)波長(zhǎng)紅移。表2給出了兩種電極結(jié)構(gòu)激光器的波長(zhǎng)紅移量和計(jì)算熱阻值?？梢钥闯觯嵬ǖ离姌O結(jié)構(gòu)激光器的封裝熱阻略大于普通電極結(jié)構(gòu)激光器，與理論分析相符。

最后，測(cè)試了普通電極結(jié)構(gòu)激光器和微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的慢軸方向光束發(fā)散特性，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。可以看出，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的慢軸方向光束發(fā)散角明顯低于普通電極結(jié)構(gòu)激光器。當(dāng)注入電流I=0.5 A時(shí)，普通電極結(jié)構(gòu)激光器的發(fā)散角為3.5°，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的發(fā)散角為3°；當(dāng)I=2 A時(shí)，普通電極結(jié)構(gòu)激光器的發(fā)散角為5.2°，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器發(fā)散角為4°。隨著注入電流的增加，兩種結(jié)構(gòu)激光器的發(fā)散角差值明顯增大。這是由于隨著注入電流的增加，激光器熱功率增加，激光器內(nèi)部結(jié)溫升高，普通電極結(jié)構(gòu)激光器的注入?yún)^(qū)溫度分布開始趨于不均勻，熱透鏡效應(yīng)增加，導(dǎo)致發(fā)散角逐漸變大。微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器能夠限制激光器的有源區(qū)橫向熱流，抑制熱透鏡效應(yīng)，激光器發(fā)散角的增大會(huì)受到明顯抑制。以上測(cè)試結(jié)果也與前面模擬的激光器發(fā)散角變化特性基本一致，說(shuō)明微熱通道電極結(jié)構(gòu)可成為改善高功率寬條形半導(dǎo)體激光器慢軸光束質(zhì)量的有效探索途徑。

圖10 不同注入電流下激光器慢軸方向光束發(fā)散角Fig.10 Slow axis beam divergence angle of lasers at different injection currents

4 結(jié) 論

本文首先從理論上分析了激光器溫度分布不均勻與熱透鏡效應(yīng)的關(guān)系，提出了微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器芯片，通過(guò)抑制芯片有源區(qū)的橫向熱流，調(diào)控激光器內(nèi)部溫度分布，抑制熱透鏡效應(yīng)，減小慢軸光束發(fā)散角。其次，通過(guò)電鍍銅工藝制備了波長(zhǎng)為940 nm的微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器，AlN熱沉焊裝測(cè)試表明，微熱通道結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制熱透鏡效應(yīng)、降低慢軸方向光束發(fā)散角。工作電流為2 A時(shí)，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的發(fā)散角降低了24%，在高注入電流條件下，微熱通道電極結(jié)構(gòu)激光器的熱透鏡效應(yīng)抑制作用有明顯改善。實(shí)驗(yàn)表明，微熱通道電極結(jié)構(gòu)的引入會(huì)導(dǎo)致激光器微分電阻略有增加，熱阻增加4%左右。