稀有金属 2004,(03),551-553 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.028
半导体激光器的热场分析及热特性表征
何友军 南矿军 李爱珍
中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室 上海200050 ,上海200050 ,上海200050 ,上海200050
摘 要:
基于有限元方法和实际器件的材料和结构参数 , 对 1.3 μmInAsP/InGaAsP脊波导多量子阱激光器和 8μmInAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器等半导体激光器在CW以及各种脉冲驱动条件下的热场分布进行了模拟计算和分析 , 并对研制的实际器件采用变脉冲方法对其热特性进行了测量表征 , 实测与模拟所得结果相当吻合。
关键词:
半导体激光器 ;热场分析 ;热阻 ;有限元 ;
中图分类号: TN248.4
收稿日期: 2003-09-15
基金: 国家“973” ( 2 0 0 0 0 683 0 2 0 3 ); 国家“863” ( 2 0 0 1AA3 1115 0 , 2 0 0 2AA3 13 0 40 ); 国家自然科学基金重点项目 ( 60 13 60 10 ) 资助;
Thermal Analysis and Characterization of Semiconductor Lasers
Abstract:
The thermal field distribution of different type of semiconductor lasers, including 1.3 μm InAsP/InGaAsP multi-quantum well ridge waveguide lasers and 8 μm InAlAs/InGaAs/InP quantum cascade lasers in CW and pulse driving conditions, was simulated by using finite-element method, in which the material and structural parameters were all based on our practical devices. The thermal characteristics of those lasers also were measured by using pulse-variation method. The measured results are well coincident with the simulations. Those results are quite important to the further optimization of the design, processing as well as packaging of the lasers.
Keyword:
semiconductor lasers; thermal analysis; thermal resistance; finite-element method;
Received: 2003-09-15
半导体激光器中的热场分布及其相关温度变化对其特性有着重要的影响。 激光器的阈值电流对温度很敏感, 输出功率也受工作温度的制约, 有源区的温度变化会影响到激光器的激射波长及其模式特性, 一般随着有源区温度的升高将出现波长红移等现象, 并伴随着跳模。 有源层内部的温度不均匀性将导致能级间出现能量差异, 从而使输出谱线展宽, 并更容易出现多模激射的情况。 此外, 由于温度的影响, 各层材料之间热膨胀系数的差别会在内部产生应力, 并使材料之间扩散加剧, 这将导致器件退化, 缩短激光器的使用寿命。 对于工作于极限驱动条件下的大功率激光器及量子级联激光器等, 热场分布及温度变化的影响将是决定性的。
为了解激光器的热特性, 本文针对实际工作中涉及的若干种激光器, 如1.3 μm波段的InAsP/InGaAsP脊波导多量子阱激光器
[1 ]
和8 μm波段的InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器
[2 ]
等进行了热场分析和模拟, 并结合多种测量手段对其热特性进行了表征。
1 半导体激光器的热场分析
采用有限元方法对1.3 μm InAsP/InGaAsP脊波导多量子阱激光器和8 μm InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器在CW及脉冲驱动条件下芯片中的热场分布应用有限元方法进行了模拟和分析, 通过建模 (输入材料参数和几何参数, 划分网格等) 、 加载求解 (定义分析类型, 施加载荷及边界条件求解等) 和后处理 (导出数据和输出结果等) 步骤完成模拟分析, 所以模型软件为Ansys有限元商业软件。 模拟中所采用的结构参数均取自实际器件, 驱动条件等也是根据实际情况选取。 图1为外延层向下烧结的1.3 μm InAsP/InGaAsP脊波导多量子阱激光器在CW驱动条件下芯片中的热场分布模拟结果。 由图可见, 在此结构和封装条件下, 器件的温升集中在有源区, 热量主要经由热沉散出, 也有部分热量经由衬底侧散出。 分析表明, 在此条件下除脊波导宽度和腔长等几何参数的影响之外, 焊料的厚度及其热导率也将明显影响器件的散热。
图2和3分别为衬底向下烧结和外延层向下烧结的8 μm InAlAs /InGaAs/InP量子级联激光器在CW驱动下芯片中的热场分布模拟结果。 由图可见, 采用外延层向下的封装形式时, 器件中的温度场呈现较对称的分布, 热量可经由各个方向散出, 相对于衬底向下的封装形式, 器件有源区的温升将明显减小, 这对改善器件性能将有很大好处。
对于常工作于脉冲驱动条件下的量子级联激光器, 对其在不同脉冲驱动条件下的热分布也进行了模拟, 图4示出了不同脉冲驱动条件下8 μm InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器芯片中最高温
图1 1.3 μm InAsP/InGaAsP脊波导多量子阱激光器在CW驱动下芯片中的热场分布模拟结果 (外延层向下烧结) Fig.1 Simulated thermal distribution of a 1.3 μm InAsP /InGaAsP multi-quantum well ridge waveguide laser under CW driving conditions (epi.-down mounting)
图2 8 μm InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器在CW驱动下芯片中的热场分布模拟结果 (衬底向下烧结) Fig.2 Simulated thermal distribution of a 8 μm InAlAs/InGaAs/InP quantum cascade laser under CW driving conditions (sub.down mounting)
图3 8 μm InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器在CW驱动下芯片中的热场分布模拟结果 (外延层向下烧结) Fig.3 Simulated thermal distribution of a 8 μm InAlAs/InGaAs/InP quantum cascade laser under CW driving conditions (epi.down mounting)
度随时间的变化情况模拟结果。 由图可见, 在脉冲驱动条件下器件中的热分布与稳态下有显著区别, 对此器件, 其热时间常数在微秒量级, 在短脉冲驱动下器件可工作于脉冲状态, 而在较长脉冲驱动下器件有源区将有明显的温度积累效应, 器件将工作于准连续状态。
图4 8 μm InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器在不同脉冲 (a, b) 驱动下的芯片有源区最高温度的模拟结果 (衬底向下烧结) Fig.4 Simulated maximum temperature in active core of a 8μm InAlAs/InGaAs/InP quantum cascade laser under various pulse (a, b) driving conditions (sub.down mounting)
2 半导体激光器的热特性测量表征
对半导体激光器的热特性从实验上进行测量表征并结合模拟分析结果改进其设计和工艺是我们工作的目的所在, 为此对以上两种类型的激光器的表观热阻进行了实际测量。 实验中结合不同激光器的特点, 分别应用不同脉冲驱动条件下的I -V , I -P 及激射光谱测量
[3 ,4 ,5 ]
获得了一系列激光器的热特性参数, 并结合不同材料和器件结构参数的模拟结果进行了比较, 对影响激光器热特性的主要因数进行了定性和定量分析, 得到了改进设计和工艺的依据。 图5示出了对8 μm InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器的表观热阻进行实际测量的结果及其与模拟结果的比较, 由图可见, 实测
图5 8 μm InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器的热沉温升 (a) 及表观热阻 (b) 实测与模拟结果的比较 Fig.5 Comparison of measured and simulated heat sink temperature rise (a) as well as apparent thermal resistance (b) of a 8 μm InAlAs/InGaAs/InP quantum cascade laser
结果与模拟符合较好。
3 结 论
基于有限元方法对半导体激光器进行热场分析以及基于变脉冲方法对半导体激光器进行热特性表征是研究其性能的有效手段。 对1.3 μm InAsP/InGaAsP脊波导多量子阱激光器和8 μm InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器等进行的热特性测量表征和模拟获得了满意的结果, 这将对改进器件设计和工艺十分重要。
参考文献
[1] ZhangYG , ChenJX , ChenYQ , etal. Characteisticsofstarincompensated1.3μmInAsP/InGaAsPridgewaveguidelaserdiodesgrownbygassourceMBE [J].JCrystalGrowth, 2001, 227-227:329.
[2] LiAZ , ChenJX , YangQK , etal. Theeffectofdispersionoftherefractiveindexontheperformanceofmid infraredquantumcascadelasers[J].JCrystalGrowth, 2001, 227-228:313.
[3] ZhangYG , NanKJ , LiAZ . CharacterizationofInAlAs/InGaAs/InPmid infraredquantumcascadelasers[J].SpectrochimicaActaPartA , 2002, 58:2323.
[4] NanKJ, ZhangYG , ChenYQ , etal. Thermalcharacterizationof1.3μmInAsP/InGaAsPridgewave guideMQWlasersbasedonspec troscopymethod[J].Chin.J.SemiconductorPhotonicsandTechnolo gy, 2002, 8 (2) :86.
[5] NanKJ, ZhangYG , HeYJ, etal. Thermalcharacterizationof1.3μmInAsP/InGaAsPridgewave guideMQWlasersbasedonI Vmethod[J].Chin.JSemiconductorPhotonicsandTechnology, 2002, 8 (3) :135.