新型半导体激光巴条衬底与液冷微结构集成散热研究

1

作者 陈琅 刘嘉辰 +6 位作者 章珺越 吴顺华 黄维洲 张锐 王贞福 张佳晨 李特 《发光学报》 北大核心 2025年第2期343-353,共11页

芯片衬底与微通道集成一体化是一项全球前沿的研究热点,与传统液冷微通道热沉相比,具有革命性的优势,已成功应用于绝缘栅双极型晶体管等芯片领域,展现出卓越的散热性能。随着大科学装置及工业领域对半导体激光芯片输出功率需求的增加,... 芯片衬底与微通道集成一体化是一项全球前沿的研究热点,与传统液冷微通道热沉相比,具有革命性的优势,已成功应用于绝缘栅双极型晶体管等芯片领域,展现出卓越的散热性能。随着大科学装置及工业领域对半导体激光芯片输出功率需求的增加,热管理成为一项关键技术问题。传统激光巴条冷却研究主要集中在优化液冷热沉结构,但其散热能力受到传热路径热阻的限制。为应对这一挑战,本研究基于芯片衬底与微通道集成一体化设计,提出了一种新型分布式流型结构,用于半导体激光芯片的高效散热。该设计显著缩短了传热路径,减少了热阻,从而有效降低芯片结温与冷却流量,为实现高集成度和高散热量的激光芯片提供了重要技术支撑。研究结果表明,本文提出的分布式流型结构突破了半导体激光巴条衬底微通道设计的瓶颈,在0.35 L/min@20℃的液冷条件下,实现了芯片温升≤40℃的目标,并在1000 W/cm^(2)的高热流密度条件下获得了最佳填充因子为0.25,芯片温升为30.52℃的模拟结果。 展开更多

关键词 半导体激光巴条 液冷 衬底微结构 片上集成散热

在线阅读 下载PDF 职称材料

980nm大功率垂直腔面发射激光器温度和远场分布特性 被引量：6

2

作者 宁永强 李特 +9 位作者 秦莉 崔锦江 张岩 刘光裕 张星 王贞福 史晶晶 梁雪梅 刘云 王立军 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2008年第6期984-986,1015,共4页

采用发射波长为980nm的InGaAs／GaAs应变量子阱，在垂直腔面发射结构中共设计生长3组、每组3个量子阱，形成9个量子阱的周期性增益结构，并使每组均位于腔场极大处，以获得最好的增益匹配。为提高激光器的输出功率及获得较好的光束质量... 采用发射波长为980nm的InGaAs／GaAs应变量子阱，在垂直腔面发射结构中共设计生长3组、每组3个量子阱，形成9个量子阱的周期性增益结构，并使每组均位于腔场极大处，以获得最好的增益匹配。为提高激光器的输出功率及获得较好的光束质量，采用大台面直径和由衬底面出射激光的结构。每个单元器件的P面台面直径为400-600μm，经湿氮气氛下40min的侧氧化后在有源区形成直径300-500μm的电流限制孔。而N面出光孔的直径仍为相应的400-600μm。在室温连续工作下器件的最大输出功率达到1．4W。随着注入电流的增大，观察到激光远场分布从空心圆环向中心单亮斑转化的过程。对不同温度下的激光输出特性进行了变温测试，结果表明通过DBR和有源区结构设计上较好的匹配，实现了室温下最低的激射闽值电流。 展开更多

关键词 垂直腔面发射激光器 周期增益 量子阱 远场分布

在线阅读 下载PDF 职称材料

高光束质量大功率垂直腔面发射激光 被引量：4

3

作者 宁永强 张星 +5 位作者 秦莉 刘云 王伟 张立森 王贞福 王立军 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2012年第12期3219-3225,共7页

大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)在激光泵浦、激光测距、激光雷达等领域有广泛的应用前景,但目前的常规激光器材料结构尚未针对大功率激光输出进行优化设计。特别是为获得大功率激光输出所采用的大出光窗口导致的激光光束质量劣化成为... 大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)在激光泵浦、激光测距、激光雷达等领域有广泛的应用前景,但目前的常规激光器材料结构尚未针对大功率激光输出进行优化设计。特别是为获得大功率激光输出所采用的大出光窗口导致的激光光束质量劣化成为限制其应用发展的核心问题之一。针对上述问题对激光器材料结构与器件结构进行了两方面的新结构设计和研制:(1)以实现大功率激光输出为目标,材料结构设计上对出光窗口一侧的N-DBR反射率进行了调整,以具有99.3%反射率的n-DBR替代常规结构中所采用的99.7%以上反射率。与常规材料结构相比,采用优化后的材料结构制备的直径500μm出光孔径的单管器件在注入电流110 A时激光输出功率达到102 W,而单元出光窗口直径100μm的5×5阵列在100 A电流下的激光输出功率为103 W,单元直径为140μm的8×8阵列在130 A注入电流下的激光输出功率达到115 W;(2)针对大出光窗口导致的光束质量劣化,通过湿法化学刻蚀研制了直接集成在出光窗口表面的微透镜结构,单元出光窗口直径为90μm的6×6阵列器件在4 A注入电流下的激光光束发散角压缩到6.6°,与未集成微透镜时的14.8°相比有了大幅改善。实验结果表明:降低n-DBR反射率及集成微透镜结构有效地改善提高了大功率垂直腔面发射激光的输出功率和激光光束质量。 展开更多

关键词 垂直腔面发射激光器 大功率 高光束质量 微透镜 窄脉冲

在线阅读 下载PDF 职称材料

高功率半导体激光阵列的高温特性机理 被引量：4

4

作者 李波 王贞福 +7 位作者 仇伯仓 杨国文 李特 赵宇亮 刘育衔 王刚 白少博 杜宇琦 《发光学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期1158-1164,共7页

高峰值功率半导体激光阵列在高温工作条件中的应用需求日益凸显,本文以微通道封装的高峰值功率960 nm半导体激光阵列为研究对象,通过精密控温系统测试了其在10~80℃范围内峰值功率、电光转换效率、工作电压和光谱等一系列光电特性,结合... 高峰值功率半导体激光阵列在高温工作条件中的应用需求日益凸显,本文以微通道封装的高峰值功率960 nm半导体激光阵列为研究对象,通过精密控温系统测试了其在10~80℃范围内峰值功率、电光转换效率、工作电压和光谱等一系列光电特性,结合理论分析,给出不同温度下电光转化效率的能量损耗分布。结果表明,工作温度从10℃升高到80℃后,电光转化效率从63.95%下降到47.68%,其中载流子泄漏损耗占比从1.93%上升到14.85%,是导致电光转换效率下降的主要因素。该研究对高峰值功率半导体激光器阵列在高温应用和激光芯片设计方面具有重要的指导意义。 展开更多

关键词 高功率半导体激光阵列 高温 微通道 电光转化效率 能量损耗分布

在线阅读 下载PDF 职称材料

高功率高光束质量980nm垂直腔底面发射激光器 被引量：1

5

作者 张岩 宁永强 +10 位作者 王烨 刘光裕 张星 王贞福 史晶晶 王伟 张立森 秦莉 孙艳芳 刘云 王立军 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2010年第5期329-332,361,共5页

报道了优化p面电极的高功率高光束质量980nm垂直腔底面发射激光器(VCSEL).采用数学模型对VCSEL的电流密度进行了模拟计算,发现电流密度分布由氧化孔直径和p面电极直径决定.确定氧化孔直径后,优化p面电极直径可以实现电流密度的均匀分布... 报道了优化p面电极的高功率高光束质量980nm垂直腔底面发射激光器(VCSEL).采用数学模型对VCSEL的电流密度进行了模拟计算,发现电流密度分布由氧化孔直径和p面电极直径决定.确定氧化孔直径后,优化p面电极直径可以实现电流密度的均匀分布,抑制远场光斑中高阶边模的产生.将p面电极直径优化为580μm,制作的600μm的VCSEL远场发散角从30°减小到15°,优化器件的阈值电流和最高输出功率都略有增加.通过改进器件封装方式后,器件输出功率达到2.01W,激射波长为982.6nm. 展开更多

关键词 垂直腔面发射激光器 高功率 电流分布 远场分布

在线阅读 下载PDF 职称材料

980nm高功率垂直腔面发射激光器的理论分析 被引量：1

6

作者 张星 宁永强 +8 位作者 孙艳芳 张云翼 张岩 刘光裕 史晶晶 王贞福 秦莉 刘云 王立军 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2010年第6期435-439,共5页

理论分析了980nm高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的器件特性与其分布布拉格反射镜(DBR)反射率的依赖关系,并计算了具有不同有源区直径的VCSEL的输出特性.分析了具有不同有源区直径的VCSEL在不同DBR反射率条件下的连续输出特性曲线,发现... 理论分析了980nm高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的器件特性与其分布布拉格反射镜(DBR)反射率的依赖关系,并计算了具有不同有源区直径的VCSEL的输出特性.分析了具有不同有源区直径的VCSEL在不同DBR反射率条件下的连续输出特性曲线,发现DBR反射率的改变会对有源区直径不同的VCSEL产生不同程度的影响.为了验证理论分析的结果,进行了器件测试实验.实验结果表明,有源区直径为500μm的VCSEL,当其N-DBR反射率分别为99.7%及99.2%时,在连续注入电流为6A时,其输出功率分别为2.01W和2.09W;而有源区直径为200μm的VCSEL,当N-DBR反射率为99.7%及99.2%时,连续注入电流为3A时,其输出功率分别为0.64W及1.12W.器件测试结果有效验证了理论分析的结论. 展开更多

关键词 半导体激光器 垂直腔面发射激光器 分布布拉格反射镜反射率

在线阅读 下载PDF 职称材料

一种基于热补偿电流的大功率VCSEL模型 被引量：9

7

作者 马强 田振华 +2 位作者 王贞福 秦莉 宁永强 《发光学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第4期463-466,共4页

基于激光速率方程并加入了热补偿电流,建立了一种用于分析大功率垂直腔面发射激光器(VCSELs)输出特性(P-I)的模型。先测得已知温度下的P-I特性,根据实验数据,利用阈值电流和温度的关系和Gao等人的方法得到a参数和其它参数。把所得参数... 基于激光速率方程并加入了热补偿电流,建立了一种用于分析大功率垂直腔面发射激光器(VCSELs)输出特性(P-I)的模型。先测得已知温度下的P-I特性,根据实验数据,利用阈值电流和温度的关系和Gao等人的方法得到a参数和其它参数。把所得参数代入模型,可以获得所需温度下的P-I特性。从模拟结果可以看出,不同温度下,模拟结果与实验结果吻合的非常好,而不考虑热补偿电流时差别很大,从而证明了该激光器模型的有效性;同时,从有源区温度和电流关系曲线可以看出,有源区随着电流增加温升很快,进一步证实了我们研究温度影响的重要性。 展开更多

关键词 速率方程 VCSELS 热模型

在线阅读 下载PDF 职称材料

大功率半导体激光器阵列热串扰行为 被引量：4

8

作者 张志勇 张普 +5 位作者 聂志强 李小宁 熊玲玲 刘晖 王贞福 刘兴胜 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第8期1904-1910,共7页

以硬焊料传导制冷,30%填充因子半导体激光器阵列为例,建立了三维有限元模型,对阵列内部各发光单元之间的热串扰行为进行了分析研究。结果表明,当其连续波工作时间大于1.2 ms后,阵列内发光单元之间出现热串扰现象;当次热沉由CuW合金改为... 以硬焊料传导制冷,30%填充因子半导体激光器阵列为例,建立了三维有限元模型,对阵列内部各发光单元之间的热串扰行为进行了分析研究。结果表明,当其连续波工作时间大于1.2 ms后,阵列内发光单元之间出现热串扰现象;当次热沉由CuW合金改为铜金刚石复合材料时,阵列内发光单元自热阻和相邻发光单元的串扰热阻降低,有效地降低了各发光单元之间的热串扰行为。保持阵列宽度、发光单元数目及发光单元周期不变,发现随阵列填充因子的增加,器件热阻以指数衰减趋势逐渐降低,而发光单元间的热串扰特性对此变化并不敏感;保持阵列单个发光单元输出功率,发光单元尺寸及阵列宽度不变,增加发光单元个数后,阵列内各发光单元之间热串扰加剧,填充因子越高阵列升温速率越快;但在最初约70μs内,包含不同数目发光单元的阵列最高温度差异仅约0.5℃,有利于多发光单元高填充因子器件高功率输出。 展开更多

关键词 激光器 热串扰 有限单元法 半导体激光器阵列 热阻

在线阅读 下载PDF 职称材料

高功率半导体激光列阵芯片测试表征与仿真优化 被引量：5

9

作者 杜宇琦 王贞福 +7 位作者 张晓颖 杨国文 李特 刘育衔 李波 常奕栋 赵宇亮 兰宇 《发光学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期674-681,共8页

针对高功率半导体激光芯片工作温度升高易引起芯片性能退化和失效问题,首先理论分析了工作温度对内量子效率的影响机理。其次,为量化温度影响芯片稳定性的主要因素,自主搭建高功率半导体激光列阵芯片测试系统,研究15~60℃半导体激光列... 针对高功率半导体激光芯片工作温度升高易引起芯片性能退化和失效问题,首先理论分析了工作温度对内量子效率的影响机理。其次,为量化温度影响芯片稳定性的主要因素,自主搭建高功率半导体激光列阵芯片测试系统,研究15~60℃半导体激光列阵芯片的温度特性,分析了5种能量损耗分布及其随温度的变化趋势。实验结果表明,当温度由15℃升高至60℃,载流子泄漏损耗占比由2.30%急剧上升至11.36%,是造成半导体激光芯片在高温下电光转换效率降低的主要因素。最后进行了外延结构的仿真优化,仿真结果表明,提高波导层Al组分至20%,能有效限制载流子泄漏,平衡Al组分增加带来的串联电阻增大问题,可以获得高效率输出。该研究对高温下半导体激光芯片的设计具有重要的指导意义。 展开更多

关键词 高功率 半导体激光列阵芯片 高温特性 能量损耗分布

在线阅读 下载PDF 职称材料

808 nm半导体激光芯片波导优化与效率特性分析 被引量：7

10

作者 常奕栋 王贞福 +6 位作者 张晓颖 杨国文 李特 杜宇琦 赵宇亮 刘育衔 兰宇 《发光学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第7期1040-1048,共9页

对808 nm的InAlGaAs/AlGaAs半导体激光器芯片的波导厚度进行了优化,研究发现N波导与P波导厚度比值为1.8时芯片电光转换效率最高。基于上述高效率芯片研制出Chip-on-submount(COS)单管和光纤芯径62.5μm、数值孔径0.22的光纤耦合模块,并... 对808 nm的InAlGaAs/AlGaAs半导体激光器芯片的波导厚度进行了优化,研究发现N波导与P波导厚度比值为1.8时芯片电光转换效率最高。基于上述高效率芯片研制出Chip-on-submount(COS)单管和光纤芯径62.5μm、数值孔径0.22的光纤耦合模块,并研究了两种器件在-10~90℃范围内的效率特性。结果显示,温度由-10℃升高到90℃,COS单管的载流子泄漏占比由1.18%增加到16.67%,光纤耦合模块的载流子泄漏占比由1.99%增加到17.73%,表明温升引起的载流子泄漏加剧是导致电光转换效率降低的主要因素。此外,还研究了高温老炼、热真空、空间辐照对光纤耦合模块电光转换效率的影响,并揭示了导致器件电光转换效率降低的内在因素。 展开更多

关键词 半导体激光器 光纤耦合模块 光功率 电光转换效率

在线阅读 下载PDF 职称材料

低温808 nm高效率半导体激光器 被引量：3

11

作者 吴顺华 刘国军 +1 位作者 王贞福 李特 《发光学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期786-795,共10页

为了提高低温工作环境下808 nm半导体激光器的输出特性,深入研究了电光转换效率的温度特性。结合载流子泄漏抑制和器件串联电阻的优化考虑,从理论上深入分析了有源区量子阱内的载流子限制现象,提出针对低温工作环境下的势垒高度及相应... 为了提高低温工作环境下808 nm半导体激光器的输出特性,深入研究了电光转换效率的温度特性。结合载流子泄漏抑制和器件串联电阻的优化考虑,从理论上深入分析了有源区量子阱内的载流子限制现象,提出针对低温工作环境下的势垒高度及相应的量子阱结构设计方法,包括势垒层的材料组分、厚度等重要参数的优化,极大地改善了器件在低温工作环境下的性能。采用优化后的外延结构,制备了腔长2 mm的半导体激光巴条。在工作温度-50℃、注入电流为600 A时,巴条输出功率达到799 W,电光转换效率为71%,斜率效率为1.34 W/A;注入电流为400 A时,器件达到最高电光转换效率73.5%,此时的载流子限制效率约为99%,串联电阻为0.43 mΩ;在-60~60℃温度范围内,中心波长随温度的漂移系数为0.248 nm/℃。 展开更多

关键词 半导体激光器 载流子泄漏 低温 高效率 温度效应

在线阅读 下载PDF 职称材料

双应力交叉步进加速退化试验下大功率半导体激光器寿命预测方法

12

作者 张业奇 王贞福 +5 位作者 李特 陈琅 张佳晨 吴顺华 刘嘉辰 杨国文 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2023年第5期120-129,共10页

高可靠性已成为大功率半导体激光器实用化的重要指标之一,而寿命预测是大功率半导体激光器可靠性评估的首要环节。文中提出了一种双应力交叉步进加速退化的试验方法,对830 nm F-mount封装的大功率半导体激光器进行了四种不同的双应力条... 高可靠性已成为大功率半导体激光器实用化的重要指标之一,而寿命预测是大功率半导体激光器可靠性评估的首要环节。文中提出了一种双应力交叉步进加速退化的试验方法,对830 nm F-mount封装的大功率半导体激光器进行了四种不同的双应力条件A[22℃,1.4 A],B[42℃,1.4 A],C[42℃,1.8 A],D[62℃,1.8 A]下的电流-温度交叉步进加速退化试验研究,对光输出功率退化轨迹进行拟合,按照80%功率退化作为失效判据,结合修正后的艾琳模型和威布尔分布外推得到器件在正常工作条件下的平均失效时间(MTTF)为5811 h。文中给出了完整的加速退化模型建立过程与详细的外推寿命计算方法,并对模型进行了准确性检验,误差不超过10%。该方法相比单应力恒定加速试验方法,可以大幅度节约试验时间和试验成本,这对于大功率半导体激光器的自主研制具有重要的指导意义。 展开更多

关键词 大功率半导体激光器 加速退化试验 双应力 寿命

在线阅读 下载PDF 职称材料

半导体激光器低热阻液冷热沉研究现状与展望

13

作者 陈琅 刘嘉辰 +3 位作者 张佳晨 王贞福 王丹 李特 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期84-91,共8页

近年来,半导体激光器输出功率持续增加,引发热负载受限问题。热负载使芯片有源区产生温升,进一步影响芯片温度分布,导致半导体激光器(Laser diode,LD)芯片性能逐渐劣化。而对于确定的封装形式,热沉热阻成为控制温升的决定性因素。因此,... 近年来,半导体激光器输出功率持续增加,引发热负载受限问题。热负载使芯片有源区产生温升,进一步影响芯片温度分布,导致半导体激光器(Laser diode,LD)芯片性能逐渐劣化。而对于确定的封装形式,热沉热阻成为控制温升的决定性因素。因此,降低热沉热阻对提升半导体激光器输出能力与光束性质具有重要意义。液冷热沉可以有效降低热阻,本文从液冷热沉材料、液冷热沉结构和液冷冷媒性质三个方面,回顾了近30年LD液冷热沉热阻演变进程,总结了液冷热沉发展过程中热阻的影响因素,进一步探讨了降低热阻的发展方向与应用前景。 展开更多

关键词 半导体激光器 液冷热沉 热阻 结构 材料 冷媒

在线阅读 下载PDF 职称材料