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关于金刚石热沉封装高功率半导体激光器的热特性研究

时间:2023-11-01浏览次数:1027

金刚石具有极高的导热率,,作为高功率半导体激光器封装热沉,,表现出优异的散热特性:一方面将集中于器件PN结的热量能够均匀迅速的沿热沉表面扩散;另一方面将热量沿热沉垂直方向迅速导出。。。。


通过磁控溅射系统在CVD金刚石热沉片表面沉积Ti/Pt/Au多层膜,,作为金属化层。。通过电子束蒸发系统沉积10μm 厚的In膜,,,,作为半导体激光器封装焊料 层。。。。采用高精度贴片机,,,,以COS结构将半导体激光器线阵贴片于金刚石热沉表面,,,并贴片于铜基水冷热沉,,,封装结构如图1所示。。


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O2流量对金刚石的沉积与导热率产生影响。。。。不通入O2条件下制备的样品a导热率为1158.6W/(m·K),,,,随着O2流量增加,,加强了对非金刚石相的刻蚀,,,,提高了金刚石品质,,从而使制备的金刚石导热率得到提高,,,当O2流量 为 5sccm 时,,,样 品 c 导 热 率 可 高 达1812.3W/(m·K)。。然而,,,当 O2 流量增至10sccm 时,,样品d导热率为1515.7W/(m·K)。。。。金刚石的热传导机理不同于金属,,,是利用晶格声子传导热量,,,,与声子传播自由程有关,,,,对于 CVD金刚石膜热传导率大小受晶格中各种声子散射机 制影响,,当O2流量过高时 ,,,,金刚石被严重刻蚀,,,使晶体中的缺陷增加,,,形成倒逆散射使导热率降低。。


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在连续波(CW)条件下,,,,热沉温度为25 ℃,,,,将封装于不同 O2 流量下制备的金刚石热沉的半导体激光器的功率-电 流 特 性 曲 线 进 行 测 试,,如 图 5 所 示。。。。基于金刚石热沉样品a的封装器件,,,,其阈值电流约为6.21A,,,斜率效率为1.12 W/A,,,当输入电流为30A时,,,输出的光功率为26.5 W;而金刚石热沉样品c的封装器件的阈值 电 流 约 为5.85A,,斜 率 效 率 为1.30W/A,,当输入电流为30A 时,,光功率为31.1 W。。。可以看出,,通入适当的 O2 流量可提高金刚石热沉的散热 特 性,,,,可 使 器 件 获 得 低 的 阈 值 和 高 的 斜 率 效 率。。。。然而对于 O2 流量为10sccm 条件制备的热沉,,,,即金刚石样品 d的封装器件的阈值电流约为5.97A,,斜率效率为1.24 W/A。。

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图6为封装于不同O2 流量下制备的金刚石热沉的半导体激光器电光效率-电流特 性 曲 线,,,封装于金刚石热沉样品a的器件,,,在27A时达到电光转换效率最大值为52.2%;而封装于金刚石热沉c的器件的电光转换效率随着电流变化始终高于其他3个样件,,,,具有优异的散热特性,,,获得的电光转换效率最大值为60.6%。。。


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图7是热沉温度为25 ℃时,,对封装于不同 O2流量下制备的金刚石热沉的半导体激光器光谱特性的测试。。。图中的虚线峰对应脉冲输入条件下(50μs,,200Hz)获得的光谱中心波长;实线峰对应连续波输入条件下(I=10,,,15,,,20,,,,25和30A)获得的中心波长。。。。由图7(a)可见,,,对于金刚石热沉a的封装器件,,,,在脉冲方式下的中心波长为804.95nm,,,,输入连续波30A 时 的 中 心 波 长 为 808.37nm,,,,其 红 移 量 为 3.4nm。。。由图7(c)和(d)可见,,,,金刚石热沉c和d的封装器件的红移量分别为2.02nm 和2.33nm。。。对于808nm 半导体激光器,,其光谱随工作结温度变化的温漂系数 通 常 为 0.28nm/K[20],,金 刚 石 样 品 a、、、、c 和 d的 封 装 器 件 上 升 的 温 度 分 别 为12.1K,,7.2K和8.32K。。比较样品a和c可以看出,,适当的 O2 流量可提高金刚石热沉的导热特性,,使器件温度降低约4.9K。。


研究结果表明:在O2流 量5sccm时制备的金刚石热沉表现出良好的散热特性,,封装器件的斜率效率可提高至1.30W/A,,最高电光转换效率约为60.6%,,,在热沉温度25℃和连续波30A 输入时的光谱测试表明器件温度降低约4.9K,,,不同温度和热功率的光谱测试 表明热阻降低约28.4%。。。


目前,采用尊龙时凯金刚石热沉片的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、、功率晶体管、、电子封装材料等领域也有应用。。尊龙时凯热沉片现有四款标准产品,,,TC1200,,,TC1500,,,,TC1800,,,,TC2000,,,,热导率覆盖1000-2200W/(m·K),,适合高功率、、、、高频、、、、高温等场景热沉所需。。。

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