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郑州华晶金刚石股份有限公司

金刚石封装半导体激光器特性研究

关键词 金刚石 , 半导体|2021-04-07 09:48:51|来源 DT新材料
摘要 摘要:高功率半导体激光器工作时,有源区会产生大量的热,降低激光器输出功率,缩短使用寿命。金刚石具有高热导率特性,将其作为过渡热沉将提高器件的散热能力,减少热阻,提高激光器输出功率,...

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摘要:高功率半导体激光器工作时,有源区会产生大量的热,降低激光器输出功率,缩短使用寿命。金刚石具有高热导率特性,将其作为过渡热沉将提高器件的散热能力,减少热阻,提高激光器输出功率,延长激光器寿命。本文介绍使用金刚石作为过渡热沉的高功率半导体激光器的封装工艺,测试激光器输出特性,进行了归纳总结,为对金刚石热沉封装高功率半导体激光器设计有需求的项目提供了参考意见,具有一定借鉴意义。

引言


高功率半导体激光器具有电光效率高、易调制、体积小、重量轻等优点,广泛应用于激光通信、激光打印、医疗仪器等方面 。随着高功率半导体激光器的发展,由于热效应影响,降低了激光器的输出功率、电光转换效率,甚至减少激光器使用寿命或者导致激光器失效等问题已不容忽视。

金刚石由于具有高热导率对于高功率半导体激光器拥有广泛的应用前景,使用金刚石作为高功率半导体器件的热沉将大大提高这些器件的性能 。目前高功率半导体激光器普遍使用的散热材料是氮化铝热沉,将其作为过渡热沉烧结在铜热沉上。随着金刚石制造技术的大力发展,金刚石的成本得到降低,使得金刚石得到了广泛的应用 。目前人造金刚石热沉的热导率最高已经达到 1800W/(K·m)以上,远远大于氮化铝和铜的热导率。若将其作为过渡热沉,将提高器件的散热能力,减少热阻,提高激光器输出功率,延长激光器寿命。

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理论分析

高功率半导体激光器封装对过渡热沉的要求主要有两个方面,低热阻与低热失配。过渡热沉热导率越高越可以有效地降低激光器热阻,同时需考虑芯片与热沉的热膨胀系数匹配程度,根据需求选择合适的烧结焊料,减少热失配,进而提高高功率半导体激光器输出特性。

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图 1 高功率半导体激光器结构示意图


由傅里叶定律得:

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R 为热阻,h 为焊料层厚度, K 为热导率,S 为垂直热流方向的导热面积。因此在其他条件相同的情况下,激光器的热阻与热导率成反比关系,热沉材料的热导率越高,越可有效降低器件热阻。相比于热导率为 230W/(K·m)的氮化铝过渡热沉,金刚石热沉的高热导率作为高功率半导体激光器的过渡热沉可显著提高激光器的散热效果。

芯片与过渡热沉的热膨胀系数失配产生热应力,热应力会影响半导体激光器输出功率、光谱宽度、可靠性等,因此需选用与激光器芯片热膨胀系数更加匹配的热沉材料。芯片材料为砷化镓,热膨胀系数为 4.5×10-6/K,氮化铝热沉热膨胀系数为 4.5×10-6/K,相比于金刚石热沉,使用氮化铝热沉封装芯片热失配度更低。因此,若采用金刚石热沉作为过渡热沉封装激光器时,宜采用软焊料封装,可减少热失配引入的热应力。

封装工艺

高功率半导体激光器的封装工艺将直接影响它的工作特性、输出光功率、寿命、稳定性等特征。封装工艺流程包括一次烧结、二次烧结、键合、测试、老化等。

为消除封装热应力,减少芯片形变,封装时采用铟焊料。使用真空蒸发台将高纯度铟蒸发于 CVD 金刚石热沉上,蒸镀时须严格控制蒸距、电流、加电速率等参数


一次烧结为使用甲酸烧结台将芯片贴装于蒸有铟焊料的CVD 金刚石热沉上。对于高功率半导体激光器而言,一般采用倒装烧结的封装方式,更有助于芯片散热。在烧结时会通入一定流量的掺有甲酸的氮气,甲酸作为还原剂可提高烧结质量,氮气作为保护气体防止焊料氧化。在烧结时使用大小合适的真空吸头吸取芯片,放置于 CVD 金刚石热沉合适位置上,该过程中使用 CCD 相机监控。

二次烧结为使用甲酸烧结炉将一次烧结好的芯组烧结于F-mount 载体上。本文使用的半导体单管芯片为单发射腔器件,一般情况单发射腔器件的输出功率相对较低,连续输出功率通常不超过 30W,可通过铜热沉的传导将热散掉,因此本文采用传导冷却式被动散热的 F-mount 封装形式。

由于一次烧结使用铟焊料,二次烧结需选用与铟焊料有烧结温度梯度的焊料,因此选用铟锡焊料,根据芯组大小选取合适的焊料用量,加入适量助焊剂防止焊料氧化,提高烧结质量。

键合为使用金丝球焊机将芯片的上下电极与 F-mount载体上过渡电极相连接。键合线选用金丝作为电流注入引线。键合过程中需注意焊接功率、时间、底温等参数,键合完成后需检验金丝键合拉力是否满足要求、焊点是否牢固。

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图 2 激光器实物图

为验证 CVD 金刚石热沉作为过渡热沉的封装效果,本文选用激射波长 976nm 的同批次半导体激光器芯片共 5 只,芯片腔长 4mm,发光孔径 200μm,封装完成的激光器如图 2 所示。

测试与结果分析

测试时采用半导体激光器测试系统进行测试,测试过程中通过温度控制器对激光器进行温度控制,发光面正对积分球,积分球通过光纤外接功率计与光谱仪,激光器电源、电压表、电流表、功率计、光谱仪均与电脑连接,可通过半导体激光器测试系统软件控制,使用该系统测试激光器输出功率、阈值电流、工作电压、中心波长、光谱半宽,可计算斜率效率、光电转换效率等参数。

首先测试激光器热阻。激光器热阻表示为 Rth,根据热阻的定义:耗散单位热功率引起的温升,热阻 Rth 可用公式

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式中 T 为有源区温升, Pt 为热功率。
半导体激光器有源区温升不易测量,可通过波长漂移量λ 计算可得:

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式中 λ(T ) 为波长漂移系数。
激光器热功率 Pt 的计算公式为:

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式中 P 为注入电功率, Pop 为激光器输出功率。
热阻 Rth 可表示为:

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激光器结温 Tj 的计算公式为:   

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式中 Ta 为热沉温度。使用波长漂移法测得激光器热阻。测量热沉温度分别为20℃、25℃、30℃、35℃时,10A 工作电流条件下激光器波长的变化,测试结果如图 3 所示,计算可得该器件的波长漂移系数为 0.308nm/℃。

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图 3 不同温度时的波长变化曲线

热沉温度设定值为 20℃时,测试并记录不同电流条件下的激光器输出功率、中心波长以及激光器工作电压,由公式可计算出不同电流条件下的激光器热功率,进而可得出激光器中心波长与激光器热功率关系的拟合曲线,如图4 所示,计算可得dλ / dPt =0.535nm/W

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图 4 波长与激光器热功率关系曲线

由公式可得激光器的热阻为 1.74℃ /W,激光器注入电流 25A 时芯片结温为 53.94℃。

使用氮化铝热沉作为过渡热沉封装同批次芯片 5 只,封装完成后采用同种方式测试激光器热阻,可得氮化铝热沉作为过渡热沉封装的激光器热阻为 2.91℃ /W。由此可见,金刚石过渡热沉与传统的氮化铝过渡热沉相比可有效降低激光器热阻。

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图 5 激光器 P-I 曲线

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图 6  25A 条件下的中心波长与光谱半宽

测试使用金刚石热沉作为过渡热沉的激光器在注入电流 0-25A 时的输出功率、中心波长、光谱半宽、阈值电流,F-mount 热沉温度设定为 20℃。P-I 曲线如图 5 所示,25A条件下激光器输出功率平均值为 24.0W,25A 时中心波长与光谱半宽典型值如图 6 所示,中心波长为 980.19nm,光谱半宽 4.04nm,激光器阈值电流典型值为 0.95A,激光器的光电转换效率如图 7 所示:

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图 7 转化效率与电流的关系

结论

本文使用 CVD 金刚石作为过渡热沉封装高功率半导体激光器,激光器热阻为 1.73℃ /W,与传统的氮化铝热沉相比,选择金刚石热沉作为过渡热沉可有效降低热阻。在连续电流条件下测试激光器的输出特性,阈值电流为 0.95A;在电流为 25A 时,激光器功率为 24.0W,中心波长 980.19nm,光谱半宽 4.04nm,在注入电流 0-25A 范围内,激光器输出功率并未出现饱和趋势,说明金刚石热沉可明显改善大电流条件下激光器散热问题,提高激光器输出特性。因此在大电流条件下,针对高功率半导体激光器的散热问题,拥有高热导率的金刚石热沉作为过渡热沉是有显著优势的。


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