高功率半导体激光器封装结构设计及热管理技术研究

半导体激光器自二十世纪六十年代诞生以来逐渐成为现代信息的坚强支柱和国际高技术竞争的焦点。随着科学技术的飞速发展,人们对半导体激光器的输出功率和使用寿命需求不断提高。由于半导体激光器有源区内存在各种能量损耗,导致器件产生更多的热量,严重影响半导体激光器工作可靠性。因此,对半导体激光器的封装结构进行优化设计,对半导体激光器热管理技术进行研究,在半导体激光器领域具有极其重要的现实意义。本文从半导体激光器热特性理论出发,分析了半导体激光器的各种产热机理,以及温度对半导体激光器的阈值电流、工作波长、输出功率和使用寿命等工作特性的影响。对传热学基本理论以及ANSYS有限元分析法进行分析与概述,为研究半导体激光器热特性,降低半导体激光器有源区温度,提高器件可靠性提供理论基础。本论文的主要研究内容可划分为以下几个方面:(1)为提高基于C-Mount封装类型的半导体激光器单管封装散热效率,提出一种高热导率材料石墨片作为辅助热沉的新型热沉材料,并采用台阶型热沉结构。通过ANSYS软件模拟计算可知,半导体激光器有源区温度降低约6.163K,实现降低半导体激光器有源区温度的目的,提高半导体激光器输出功率。(2)为降低半导体激光器阵列有源区温度,提出一种具有通孔结构的高定向热解石墨片作为辅助热沉。研究不同石墨片通孔结构对半导体激光器各发光单元温度的影响,通过优化石墨片通孔结构,使半导体激光器阵列的最高温度降低4.556K,各发光单元温差降低5.756K。实现降低半导体激光器阵列工作温度,提高半导体激光器阵列各发光单元温度均匀性的目的。(3)对通孔石墨片和普通石墨片进行金属化,并将两种石墨片作半导体激光器封装热沉,在不同环境温度下进行P-U-I和波长测试。有通孔的石墨片热沉结构具有更低的封装热阻,可以有效降低半导体激光器的有源区温度。(4)基于半导体激光器阵列CS封装类型,分析过渡热沉材料热导率对阵列温度均匀性的影响,提出一种氮化铝和铜基金刚石阶梯复合热沉的新型封装热沉结构。通过优化阶梯参数改变阶梯复合热沉温度分布,实现提高半导体激光器阵列各发光单元温度均匀性的目的。