微通道散热技术.doc

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1、导体激光器散热技术研究及进展程东明，杜艳丽，马凤英，段智勇，郭茂田(郑州大学物理工程学院电子科学与技术系，郑州450052)1引言近年来，大功率半导体激光器行到迅速发展。半导体激光器在各种占空比下，峰值功率越来越高，连续工作时功率越来越大。为了得到更大的功率，人们逐渐发展和研究列阵和有更高功率的叠阵。但是，随着半导体激光器列阵及叠阵功率的增加，导体激光器在各种占空比下，峰值功率越来越高，连续工作时功率越来越大。为了得到更大的功率，人们逐渐发展和研究列阵和有更高功率的叠阵。但是，随着半导体激光器列阵及叠阵功率的增加，器件的散热也变得更加困难起来[1]。实验结果表明，半导体

2、激光器的阈值电流密度、输出光功率、微分量子效率、激光器光谱与温度有密切的关系[2]。所以，研究半导体激光器的散热问题是一项非常有意义的工作。2研究半导体激光器散热的重要性2．1温度与阈值电流密度的关系量子阱激光器与温度的关系主要是由于增益系数和漏电流与温度的关系引起的。(折射率阶跃、端面反射率、自由载流子吸收损耗、散射损耗和耦合损耗随温度变化的影响忽略不计。)各种温度下的阈值电流与温度变化的关系如图1。拟合后的关系曲线满足的关系式为：Ith(T)=171．55+143．exp(T/93．20)半导体激光器的阈值电流密度与温度的关系表达式：其中，Jth(T)表示室温下的阈

3、值电流密度，是一个常数，不同的激光器具有不同的值。T0是特征温度，表示阈值电流对温度敏感程度。由上式可以看出，T0越大，表明激光器对温度的敏感性越小。若能使T0→∞，则半导体激光器的，Jth不随温度变化。与双异质结激光器相比，量子阱激光器具有较高的T0值，这是因为此二维系统中的准费米能量对温度的依赖性弱于体材料，态密度的台阶状分布及量子阱区的电子和声子分布的微扰作用。一般的量子阱激光器的特征温度典型值在170K∽250K之间，有时可高达400K以上。当温度升高时，由于增益系数、漏电流、自由载流子吸收损耗、散射损耗及耦合损耗等均会发生变化，进而影响阈值电流密度。2．2温度

4、与输出光功率的关系从图2可以看出，温度与半导体激光器的输出功率有较大的关系。随着温度的增加，载流子的非辐射复合加剧，由于注入的载流子转化为热量，同时会导致结温的升高，热阻也随着增加，结果，其问的输出光功率呈抛物线关系。拟合曲线为P=706．67-0．2097T-0．03409T2，由图2可以看出，激光器在温度超过100℃时的输出功率已不到初始值的一半，已基本失效。2．3温度对微分量子效率的影响外微分量子效率ηd定义为：式中P1对应阈值电流的功率输出，Pex为激光器所发射的光功率，因为Pt<

5、观地比较激光器之间斜率上的差别。考虑到激光器所发射的光率Pex正比于(1／L)ln(1／R)，而有源区内所产生的光功率正比于[(1／L)ln(1/R)+α]，则有：式中分母的第一项是输出的光子损耗，第二项是总的内部损耗α，它包括在有源区内主要由自由载流子吸收损耗αfe和光子溢出有源层所产生的损耗αfe，则可将式（3）表示为：从图3可以看出随着温度的升高，外微分量子效率将减少，原因是随着温度的升高，自由载流子的吸收损耗增加，从有源层溢出的载流子数目也将增加。ηd和温度的拟合曲线为ηd=46．89+46．84exp(-T/14315．46)，但两者并不是成简单的线性关系，η

6、d随温度呈指数减少。2．4温度与激光器光谱的关系从图4可以看出，随着温度的增加，波长随温度的漂移率约为0．24℃-1，一方面是由于器件的谐振腔的折射率发生变化，另一方面是由于热膨胀使谐振腔尺寸变大的影响，而且，我们也可以看出，40℃∽80℃，激光器的模式变坏，这主要是由于在温度升高时，器件开始出现模式竞争，同时，光谱的谱宽变大。由于自发辐射的影响以及自发辐射后的驰豫振荡期间折射率的变化所引起的相位扰动的影响，使得激光器谱线具有一定的宽度，由于量子阱激光器的谱宽较窄，所以在半导体激光器出现的初期，光谱宽度曾用来作为测定激光器阈值的一种手段，而半导体激光器的输出功率P与线宽

7、的关系式为△V∝1/P，也就是说，谱宽和输出光功率成反比。从以上结果可以看出，研究半导体激光器的散热是非常重要的，这关系到制作半导体激光器性能的好坏和成败。目前，常用的散热方法主要有[3]：平板热沉散热、大通道散热、针孔通道散热和微通道散热。用作制作热沉的材料一般为无氧铜、氧化铍、氮化铝、石英、银、金刚石。无氧铜价格便宜，容易加工，是最常用的材料。氧化铍用作绝缘材料，但此物有剧毒，应小心使用。银有非常好的导电、导热能力，常用作热沉的某些应用。金刚石虽然有很多的导热能力，但是由于价格比较昂贵，所以只有在特殊情况下才被加以利用。3常用的热沉类