微通道散熱技術(shù)

1、導(dǎo)體激光器散熱技術(shù)研究及進(jìn)展程?hào)|明，杜艷麗，馬鳳英，段智勇，郭茂田 (鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系，鄭州450052) 1 引言 近年來，大功率半導(dǎo)體激光器行到迅速發(fā)展。半導(dǎo)體激光器在各種占空比下，峰值功率越來越高，連續(xù)工作時(shí)功率越來越大。為了得到更大的功率，人們逐漸發(fā)展和研究列陣和有更高功率的疊陣。但是，隨著半導(dǎo)體激光器列陣及疊陣功率的增加，導(dǎo)體激光器在各種占空比下，峰值功率越來越高，連續(xù)工作時(shí)功率越來越大。為了得到更大的功率，人們逐漸發(fā)展和研究列陣和有更高功率的疊陣。但是，隨著半導(dǎo)體激光器列陣及疊陣功率的增加，器件的散熱也變得更加困難起來1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度

2、、輸出光功率、微分量子效率、激光器光譜與溫度有密切的關(guān)系2。所以，研究半導(dǎo)體激光器的散熱問題是一項(xiàng)非常有意義的工作。2 研究半導(dǎo)體激光器散熱的重要性21 溫度與閾值電流密度的關(guān)系量子阱激光器與溫度的關(guān)系主要是由于增益系數(shù)和漏電流與溫度的關(guān)系引起的。(折射率階躍、端面反射率、自由載流子吸收損耗、散射損耗和耦合損耗隨溫度變化的影響忽略不計(jì)。)各種溫度下的閾值電流與溫度變化的關(guān)系如圖1。擬合后的關(guān)系曲線滿足的關(guān)系式為：Ith(T)=17155+143exp(T/9320)半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度與溫度的關(guān)系表達(dá)式：其中，Jth(T)表示室溫下的閾值電流密度，是一個(gè)常數(shù)，不同的激光器具有不同的值。T

3、0是特征溫度，表示閾值電流對溫度敏感程度。由上式可以看出，T0越大，表明激光器對溫度的敏感性越小。若能使T0，則半導(dǎo)體激光器的，Jth不隨溫度變化。與雙異質(zhì)結(jié)激光器相比，量子阱激光器具有較高的T0值，這是因?yàn)榇硕S系統(tǒng)中的準(zhǔn)費(fèi)米能量對溫度的依賴性弱于體材料，態(tài)密度的臺(tái)階狀分布及量子阱區(qū)的電子和聲子分布的微擾作用。一般的量子阱激光器的特征溫度典型值在170K250K之間，有時(shí)可高達(dá)400K以上。當(dāng)溫度升高時(shí)，由于增益系數(shù)、漏電流、自由載流子吸收損耗、散射損耗及耦合損耗等均會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響閾值電流密度。22 溫度與輸出光功率的關(guān)系從圖2可以看出，溫度與半導(dǎo)體激光器的輸出功率有較大的關(guān)系。隨著溫

4、度的增加，載流子的非輻射復(fù)合加劇，由于注入的載流子轉(zhuǎn)化為熱量，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫的升高，熱阻也隨著增加，結(jié)果，其問的輸出光功率呈拋物線關(guān)系。擬合曲線為P=70667-02097T-003409T2，由圖2可以看出，激光器在溫度超過100時(shí)的輸出功率已不到初始值的一半，已基本失效。23 溫度對微分量子效率的影響外微分量子效率d定義為：式中P1對應(yīng)閾值電流的功率輸出，Pex為激光器所發(fā)射的光功率，因?yàn)镻t<<Pex，故可將式(1)改寫為：這實(shí)際上對應(yīng)曲線在閾值以上部分的斜率，可以用它很直觀地比較激光器之間斜率上的差別?？紤]到激光器所發(fā)射的光率Pex正比于(1L)ln(1R)，而有源區(qū)內(nèi)所產(chǎn)

5、生的光功率正比于(1L)ln(1/R)+，則有：式中分母的第一項(xiàng)是輸出的光子損耗，第二項(xiàng)是總的內(nèi)部損耗，它包括在有源區(qū)內(nèi)主要由自由載流子吸收損耗fe和光子溢出有源層所產(chǎn)生的損耗fe，則可將式（3）表示為：從圖3可以看出隨著溫度的升高，外微分量子效率將減少，原因是隨著溫度的升高，自由載流子的吸收損耗增加，從有源層溢出的載流子數(shù)目也將增加。d和溫度的擬合曲線為d=4689+4684exp(-T/1431546)，但兩者并不是成簡單的線性關(guān)系，d隨溫度呈指數(shù)減少。24 溫度與激光器光譜的關(guān)系從圖4可以看出，隨著溫度的增加，波長隨溫度的漂移率約為024-1，一方面是由于器件的諧振腔的折射率發(fā)生變化，另

6、一方面是由于熱膨脹使諧振腔尺寸變大的影響，而且，我們也可以看出，4080，激光器的模式變壞，這主要是由于在溫度升高時(shí)，器件開始出現(xiàn)模式競爭，同時(shí)，光譜的譜寬變大。由于自發(fā)輻射的影響以及自發(fā)輻射后的馳豫振蕩期間折射率的變化所引起的相位擾動(dòng)的影響，使得激光器譜線具有一定的寬度，由于量子阱激光器的譜寬較窄，所以在半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)的初期，光譜寬度曾用來作為測定激光器閾值的一種手段，而半導(dǎo)體激光器的輸出功率P與線寬的關(guān)系式為 V1/P，也就是說，譜寬和輸出光功率成反比。從以上結(jié)果可以看出，研究半導(dǎo)體激光器的散熱是非常重要的，這關(guān)系到制作半導(dǎo)體激光器性能的好壞和成敗。目前，常用的散熱方法主要有3：平板熱沉

7、散熱、大通道散熱、針孔通道散熱和微通道散熱。用作制作熱沉的材料一般為無氧銅、氧化鈹、氮化鋁、石英、銀、金剛石。無氧銅價(jià)格便宜，容易加工，是最常用的材料。氧化鈹用作絕緣材料，但此物有劇毒，應(yīng)小心使用。銀有非常好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，常用作熱沉的某些應(yīng)用。金剛石雖然有很多的導(dǎo)熱能力，但是由于價(jià)格比較昂貴，所以只有在特殊情況下才被加以利用。 3 常用的熱沉類型31 平板熱沉用無氧銅加工的平板熱沉是一種簡單的散熱方法，價(jià)格便宜，易加工。但散熱效果不是很好，可用于脈沖激光列陣及占空比不很高的激光器疊陣。它的熱阻大約為05·W-1cm-220C·W-1cm-2。例如，如果一個(gè)列陣的熱能功率

8、為50W，則熱沉的溫度升高為25 。如果按50的電光轉(zhuǎn)換效率，即有50的電能轉(zhuǎn)換為熱能，那么激光器的功率最大為100W。否則，熱沉的溫度將升高很大，會(huì)嚴(yán)重影響激光器的壽命。圖5是簡單的平板熱沉。左邊為較大的平板熱沉，在使用時(shí)，無氧銅表面還要鍍上3m的鎳，10m15m的金。右邊為用于功率不大的疊陣的薄片熱沉，用兩個(gè)這樣的熱沉分別作為半導(dǎo)體激光器的兩個(gè)電極，焊接好之后形成一個(gè)個(gè)的單個(gè)的半導(dǎo)體激光器列陣，然后把這些列陣再疊加起來形成疊陣。圖6即為用這種薄片熱沉制作的半導(dǎo)體激光器疊陣。 32 大通道熱沉用無養(yǎng)銅加工的大通道熱沉一般也較常用。它與平板熱沉的區(qū)別主要是平板中有直徑比較大的水通道。

9、這些通道和一定壓力的水源相連，使平板內(nèi)保持有速度很大的水流。這樣，激光器產(chǎn)生的熱量能及時(shí)地被水流帶走。從而降低熱沉的溫度，確保激光器的正常工作。大通道熱沉的熱阻一般為O1·W-1cmcm-2025·W-1cm-2，如果使激光器的溫度不升高25，則這種熱沉能散去100W-150W的熱能，016為01和025的近似平均值。如果按50的電光轉(zhuǎn)換效率，即有50的電能轉(zhuǎn)換為熱能。那么激光器的功率最大為300W。否則，熱沉的溫度將升高很大，會(huì)嚴(yán)重影響激光器的壽命。按此計(jì)算，如果每條列陣的發(fā)射功率為50W，那么這種熱沉可滿足有6條列陣的疊陣的散熱。圖7的左邊為大通道熱沉的實(shí)物圖。其中下電

10、極有通水的孔，水流以很快的速度在其中流動(dòng)，從而帶走激光器產(chǎn)生的熱量。圖7的右邊為組裝好的半導(dǎo)體激光器列陣。33 微通道熱沉微通道熱沉具有很高的換熱效率，所以在半導(dǎo)體激光器疊陣中有很好的應(yīng)用。微通道熱沉有以下優(yōu)點(diǎn)5：(1)微通道熱沉有非常小的熱阻。為了增加微通道的導(dǎo)熱性，在微通道金屬化之前，可以先沉積一層多晶金剛石，這樣的金剛石的導(dǎo)熱性為13 W·cm-1K-1；增加了微通道熱沉的導(dǎo)熱性。(2)微通道熱沉一般用硅制作。硅的導(dǎo)熱性非常好(室溫下為15W·cm-1K-1)，現(xiàn)在對硅有比較成熟的腐蝕加工方法，并且硅和GaAs之間有較小的熱失配，所以很容易實(shí)現(xiàn)。(3)在微通道中水是分

11、層流動(dòng)，大通道中水流的很急，所以微通道比大通道有更大的熱交換效率；微通道的熱阻為001W-1cm-2005W-1cm-2。設(shè)激光器的溫度不升高25，則這種熱沉能散去500W2 500W的熱能6。那么這種熱沉可滿足l 000W5 000W的激光器的散熱。制作微通道熱沉的一般方法是7：(1)選取750m厚的(1lO)Si。上面沉積80nm的SiN，用光刻法刻出所要的圖形；(2)在35時(shí)利用44的KOH對Si的各向異性腐蝕，Si的(111)晶面將會(huì)暴露出來，而形成V形槽。V形槽的間隔為26m，槽口寬為26m。槽深200m；(3)槽口向下焊接到硼硅玻璃上；(4)按合適的大小鋸開；(5)芯片焊接到熱沉上

12、后，按順序依次焊接到微通道熱沉上。圖8是芯片不直接焊到微通道上，而是通過金剛石熱沉和微通道相連。對于功率更大的半導(dǎo)體激光器和連續(xù)波輸出激光器，所使用的方法是把芯片直接焊到微通道上。這樣，每個(gè)芯片焊接到一個(gè)微通道上，最后又把這些微通道組合在一起，形成非常大的激光功率輸出8。這樣作的好處是能使每條工作時(shí)都能充分冷卻，確保整臺(tái)激光器的順利工作9。從圖9右下角的圖可以看出，芯片不是直接放在微通道的邊緣，而是有一點(diǎn)距離，并且微通道的邊緣有一個(gè)傾角。這樣作的目的不但可以防止光照射到熱沉上(如果光照射到熱沉上，熱沉溫度會(huì)很快上升，從而影響激光器壽命，甚至?xí)鸸鈱W(xué)災(zāi)變。)，而且能防止外界因素?fù)p傷芯片。還能使

13、芯片的前后都能充分散熱。在焊接芯片之前，硅上依次鍍100nm Ti、100nm Pt、200m Au、100nm Pt、100nm Au。厚的金層確保小的電阻，從而可以使很大的電流通過10。美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家制作出了一種新型的硅微通道熱沉11，這種微通道的結(jié)構(gòu)如圖10。這種微通道和以前的不同之處是減少了水在微通道中的流動(dòng)距離，加快了熱交換，提高了散熱效率。利用這種熱沉，可以很容易地制作出10KW100KW的激光器疊陣。圖ll為利用這種微通道制作的40Kw的激光器疊陣。它包括28個(gè)子模塊。4 結(jié)論半導(dǎo)體激光器列陣及疊陣各種熱沉技術(shù)已經(jīng)取得了很快的發(fā)展。激光器的發(fā)展方向是提高功率，降低成本，達(dá)到最高的性價(jià)比。平板熱沉可用