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高功率半导体激光器
浅谈影响高功率半导体激光器巴条性能的因素
材料来源:激光世界           录入时间:2010-7-22 16:01:29

作者:刘兴胜,袁振邦,张艳春,许国栋 西安炬光科技有限公司

          王警卫,张恩涛,熊玲玲,张彦鑫 中科院西光所瞬态光学与光子技术实验室

 高功率半导体激光器可用来泵浦固体/光纤激光器,也可直接用于材料处理如焊接、切割、表面处理等。为了进一步拓宽半导体激光器的应用领域,不断提高激光器的输出功率,半导体激光器从单发射腔发展为多个发光单元的巴条。随着激光器输出功率的提高,对半导体激光器的热管理、热设计、封装等技术提出了更高要求。表征巴条半导体激光器主要特性的参数有输出功率、光谱宽度、波长、近场非线性(smile效应)、电光转换效率、近场和远场、寿命等。本文分析和讨论了影响高功率半导体激光器巴条特性参数的因素,如热管理、温度不均匀性、热应力和焊料选择等,并在此基础上提出了提高巴条半导体激光器性能的策略和方法。

 热管理

热管理对于高功率半导体激光器而言至关重要,因为半导体激光器大约50%的电能都转换成热量损耗掉了。热管理直接影响激光器的结温,结温过高将显著影响半导体激光器巴条的性能,如导致输出功率下降、阈值电流增大、斜坡效率减小、慢轴发散角增大以及寿命缩短等。

对于高功率单巴条半导体激光器,结温由式(1)而得[1]

         (1)

其中Th为器件热沉温度、Rth为器件热阻、V0为结偏压、I为工作电流、Rs为串联电阻、Po为输出光功率。由上式可见,激光器的结温主要由热沉的温度和器件本身的热阻决定,其中热沉温度由激光器的使用条件决定。

半导体激光器的输出功率与热阻的关系和器件使用寿命与热阻的关系分别为(2)和(3)式:

       (2)

          (3)

其中,ηdIthT1T0为室温下器件的转换效率、阈值电流、斜率特征温度和阈值特征温度,t为半导体激光器寿命,Ea为激活能(activation energy),K为波尔兹曼常数,Rth为半导体激光器的热阻。由式(2)和式(3)可以看出,降低热阻可以增加半导体激光器的输出功率,提高可靠性。

半导体激光器的热阻包括芯片的热阻和封装带来的热阻。有效的热管理是提高器件性能的关键。提高热管理主要从减小芯片热阻、减小贴片界面热阻和设计封装结构三个方面来实现。热阻的计算方法如下[2]

    Rth=L/kA              (4)

其中:L为热传导距离(m),A为热传导通道的截面积(m2),k为热传导系数(W/mK)。

由(4)式可知,要减小芯片的热阻主要有以下途径:一是选择热传导系数大的材料,二是在材料确定的情况下尽可能减小热传导距离或增大热传导通道截面积。基于此,可通过增加芯片腔长(从1mm增加到2mm)和提高填充因子来减小热阻。目前,2mm腔长、50%填充因子的9xx nm巴条可以实现高可靠性连续波输出150W。

贴片界面的热阻主要受各贴片层存在的空洞影响。与相对完整的贴片层相比,贴片层的空洞大小和密度严重影响器件的热阻[3]。图1给出了封装贴片层的完整性。可以通过优化金属层结构以及采用无空洞贴片技术,来增加贴片界面的完整性,以减小贴片界面的热阻,降低贴片层空洞。

 

(a)有空洞                                  (b)无空洞

图1:贴片层完整性

另外,不同的封装结构对器件的热阻影响不同。最常见的巴条封装结构包括传导冷却型CS封装和微通道液体制冷型封装两种。相对热传导封装结构,微通道液体制冷型封装结构的热阻明显降低,利用此结构封装的激光器的输出功率显著高于传导封装的器件。对于808nm半导体激光器巴条,填充因子20%的芯片传导冷却封装后的输出功率可达60W;而填充因子75%的芯片采用微通道液体制冷封装后的输出功率可达到120W。

2(a)和(b)分别为西安矩光公司生产的808nm单巴条半导体激光器,传导冷却填充因子为20%,输出功率为60W;液体冷却填充因子75%,输出功率可达120W。图32(a)和(b)中单巴条半导体激光器的功率-电压-电流和光谱特性曲线。

  

(a)传导冷却封装                 b)液体制冷封装

图2:单巴条半导体激光器

 图32(a)和(b)单巴条半导体激光器的功率-电压-电流和光谱曲线

由以上分析可见,要提高热管理,需要从芯片、贴片工艺和封装结构三个方面考虑:一是优化芯片设计、降低芯片热阻;二是提高贴片工艺技术,进行无空洞贴片封装;三是优化封装结构,采用散热效率高的封装结构。

 温度不均匀性

温度的不均匀性对半导体激光器巴条性能有很大影响,将导致半导体激光器巴条光谱展宽、近场和远场光强分布不均匀和腔面损伤(COD)。

半导体激光器的发射波长随温度有很明显的变化,如808nm半导体激光器的波长随节点温度以0.28nm/℃的速率变化。当半导体激光器芯片中每个发光单元的温度分布不均匀时,每个发光单元发射的波长就不同,就会引起激光器光谱展宽,如图4所示,可能出现“双峰”或“右肩膀”。

4:半导体激光器巴条光谱

激光器巴条有源区每个发光单元温度不均匀也会造成该发光区域的近场和远场光强分布不均,出现较大的波峰,严重时会导致腔面损伤。É.O’Neill等人对此进行了深入研究[4],采用三束激光照射有源区的不同位置,再进行近场光强测量,如图5所示,结果发现在温度高的区域出现了光强峰值,激光照射处产生了较大的峰值光强(如图6所示)。

5:激光照射有源区的不同位置

图6:不同激光照射位置时近场光强分布

半导体激光器巴条温度的不均匀性主要由半导体激光器芯片中各个发光单元的自身差异以及封装过程中贴片层内产生的空洞引起。前者主要由芯片结构决定,每个发光单元的接触电阻不同,引起电流分布不均匀,导致温度分布不均匀;后者则由封装工艺决定,贴片层中出现的空洞导热性很差,易引起温度分布不均。目前制造激光器芯片的工艺技术比较成熟,芯片本身的不均匀性较小;而封装不好时,贴片层内会产生较多的空洞,这些空洞导致芯片局部热量的积累和温升,从而造成温度的不均匀。

减小温度的不均匀性可从两方面实现。首先从芯片入手,控制芯片外延生长,使各个发光单元外延生长均匀,并使芯片各发光单元表面的欧姆接触电阻均匀一致。其次,改进贴片工艺,尽可能做到“无空洞”贴片,保证散热均匀。

西安炬光采用了光谱宽度控制技术,对半导体激光器巴条的光谱宽度进行了有效控制。随机选择了200个808nm的微通道液体制冷半导体激光器巴条,测得其光谱特性统计结果如图7所示。83%的器件的光谱宽度控制在2nm以内,100%的器件的光谱宽度控制在2.5nm以内。

图7:单巴半导体激光器FWHM统计数据

 

热应力

半导体激光器的热应力将导致器件波长漂移、光谱展宽和巴条“smile效应”等,极大影响了器件的性能。

热应力的产生是由于芯片和衬底的热膨胀系数(CTE)失配所导致。热应力与热膨胀系数和温度的关系为:

              (5)

其中,E1E2分别为材料的弹性模量,α1、α2分别为材料的热膨胀系数,Tf为焊料凝固点的温度,Ts为应力测试点的温度(工作温度)。

激光器外延材料内的热应力影响器件的发射波长,应力对波长的影响系数为~1*10-5 eV/bar(或~0.005nm/bar)。半导体激光器的张应力和压应力对光谱漂移产生不同的效果,张应力引起红移,压应力引起蓝移[5]

而整个半导体激光器巴条宽度内发光单元所遭受的非均匀热应力将会造成波长分布不均,导致光谱展宽,如图8所示。

图8:热应力不均匀导致光谱展宽

 

热应力较大时候,导致半导体激光器巴条损伤,甚至导致芯片断裂,如图9所示。

图9:热应力导致的芯片损伤 

热应力还将导致“smile效应”[6],由于半导体激光器和铜热沉之间的热膨胀系数差异为10.1×10-6/℃,在封装过程中,器件的温度需要由铟的熔点(156℃)降到室温(25℃),温差达131℃。根据公式(5)得出产生的热应力对于标准的10mm长的激光器巴条来说,将使铜热沉和激光器巴条间出现14μm的收缩差异,从而导致激光器巴条变形。10示意性地说明了铟从熔点降至室温过程中,热应力导致巴条弯曲的原理。11给出了半导体激光器巴条的各类近场非线性(smile)的放大图像。

图10:近场非线性形成的原理示意图

图11:放大后的半导体激光器巴条各类“smile”图

 

减小热应力的影响有三个途径:第一,采用高的热传导率和热膨胀系数与芯片更加匹配的衬底/热沉材料;第二,通过优化封装工艺降低施加在激光器线阵上的热应力;第三,通过优化封装工艺降低热应力分布的不均匀性。

西安炬光科技有限公司拥有先进的热应力控制技术,从上面三个方面减小器件的热应力,生产的99%的半导体激光器巴条产品的“smile效应”小于1μm。图12给出了随机选取的900个半导体激光器巴条的“smile效应”统计,结果显示99%的近场非线性值都小于1μm。

图12Smile统计图

贴片材料

对半导体激光器巴条的封装,选择贴片材料非常重要,直接影响器件的性能。由于铟具有熔点低和良好的塑性形变,能有效降低热应力,工艺较易实现,因此目前通常采用的是铟金属。但铟在高电流下易产生电迁移和电热迁移问题,这又极大地降低了半导体激光器的可靠性[7]。为了解决铟带来的问题,采用无铟化技术、用金锡焊料代替铟,可以克服铟焊料的电迁移和电热迁移。图13测试和对比了铟与金锡封装的激光器在加速老化条件下的寿命。由图13可知,铟焊料封装的器件不到400小时输出功率就出现突然退化的现象;而金锡焊料封装的器件1500小时后功率仍然稳定输出。因此采用金锡焊料封装的激光器寿命远远高于铟封装的激光器。但金锡焊料由于组分控制难、带来的热应力问题以及熔点较高,也提升了工艺难度。

图13:不同焊料封装激光器加速寿命测试对比

 

无铟化技术工艺难度大,但无铟化激光器具有储存时间长、耐高温、性能稳定等优点。因此对于需要长储存时间的器件来说,必须采用无铟化的封装技术。西安炬光科技公司拥有无铟化封装技术,生产了多款无铟化巴条、叠阵和面阵高功率半导体激光器产品,如图14(a)~(d)所示。

 (a) 无铟化传导冷却线阵LD

      

(b) 无铟化G-stack LD     

 (c) 无铟化垂直叠阵LD

(d)20kW无铟化准连续激光器面阵

图14:无铟化传导冷却线阵、叠阵和面阵高功率半导体激光器

 将铟和金锡封装的半导体激光器产品分别进行极端环境储存和测试实验:高温(85℃、2000小时存储)、低温(-40℃、150小时存储)及高低温循环(-40~+85℃的循环环境下经历50次循环),然后测试并对比它们光谱特性。15(a)和(b)分别给出了铟和金锡封装的产品在经过三个阶段存储前、后的光谱曲线。对比15(a)和(b)可知,存储后铟封装的产品波长发生显著红移,光谱已经恶化;金锡封装产品光谱基本保持不变。很显然,采用无铟化技术,用金锡制备的激光器产品具有储存时间长、耐高温、性能稳定的优点。

                            (a)

                          (b)

图15:铟和全无铟化产品长储存后的光谱对比

 小结

本文介绍了影响高功率半导体激光器巴条性能的因素,包括:热管理、温度不均匀性、热应力和贴片材料四个方面,并提出了提高高功率半导体激光器巴条性能的方法和策略。

 

 参考文献:

[[1]]Yongkun Sin, Brandan Foran, Nathan Presser,et al. Reliability and Failure Mode Investigation of High Power Multi-Mode InGaAs Strained Quantum Well Single Emitters[J], Proc.of SPIE Vol. 6456(2007) 645605-1

[[2]] FANG Hua, LI Yang, “Thermal Analyse and Design of High-Power LED”, ADVANCED DISPLAY, 2007 (9),67-70

[[3]] Zhenbang Yuan, Jingwei Wang, Xu Chen, Peiyong Wei, Di Wu, Xingsheng Liu, “Study of Steady and Transient Thermal Behavior of High Power Semiconductor Laser array,” Proceedings of 59th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp.831-836, 2009.

[[4]] É.O’Neill, P.O’Brien, J.Houlihan and J.Mclnerney, Modification of internal temperature distribution in broad area semiconductor lasers and the effect on near- and far-field distributions, IEE Pmc.-Optoelectron, 2000,147(1):31-35.

[[5]]R. Stakse, J. Sebastien, J. Wenzel, G. Erbert, H.G. Hansel, “Influence of mounting stress on polarization degree of electroluminescence of laser diode bars”, IEEE Lasers and Electro-Optics Society13th Annual Meeting, 13-16 November 2000, The Westin RioMar Beach, Rio Grande, Puerto Rico , pp. 10-15, 2000.

[[6]]Jingwei Wang, Lijun Kang, Kai Yang, Peiyong Wei, Xingsheng Liu, “Study of the mechanism of "smile" in high power diode laser arrays and strategies in improving near-field linearity,” Proceedings of 59th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp.837-842, 2009.

[[7]] Liu X. S., Davis R. W., Hughes L. C.,etc., A Study on the Reliability of Indium Solder Die Bonding of High Power Semiconductor Lasers[J], Journal of Applied Physics, 2006,100(1):103104.


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