双散热片结构光抽运垂直外腔面发射激光器的热特性分析

　　近年来，光抽运垂直外腔面发射激光器（OPSVECSEL）在激光显示、激光通信、生物医学诊断和照相洗印等领域表现出良好的应用前景。然而研究发现，随着抽运功率的大，OPSVECSEL芯片内部沉积的废热促使器件的温升加大，产生了热翻转效应（thermalrollovereffect）。OPSVECSEL芯片内部的热量来自帽层、有源区（gamregon）和分布布拉格反射镜（DBR）所吸收的抽运光以及有源区内辐射复合和非辐射复合的量子缺4.有源区沉积的废热降低了量子阱的益，DBR沉积的废热降低了自身的反射率，提高了激光运转的阈值，二者都直接制约着OPSVECSEL的输出特性。因此，提高对器件有源区和DBR沉积废热的抽空速率，对其进行有效的热管理是改善OPSVECSEL输出特性的关键。

　　本文针对OPS-VECSEL的热产生机理，利用有限元法分别对两种散热结构的OPS-VECSEL进行热特性模拟。为了降低衬底热阻的影响，首先将厚度为500pm的衬底机械减薄至200pm；然后用一定比例的H2O2和NH3H2O混合溶液将剩余衬底移除掉大部分；再用一定比例的C6H8O7和H2O2混合溶液将衬底全部移除掉，露出腐蚀阻挡层，从而得到薄片VECSEL.文中A结构是采用毛细键合法（captlarybondmg）5在薄片VECSEL帽层表面键合金刚石散热片结构，B结构为首先将金刚石片a与薄片结构的帽层表面键合，然后在DBR下表面焊接金刚石片b，后将金刚石片b焊接到铜热沉上，本文将其简称为薄片VECSEL双金刚石散热片结构。

　　2计算模型为了探究两种结构中金刚石散热片厚度对器件散热性能的影响，首先在抽运功率为30W、抽运光斑半径为50pm时，通过改变A结构中芯片上部金刚石片的厚度来讨论器件温升情况，因此选取适宜厚度的上部散热片，模拟结果如圄1中曲线1所示；然后在B结构中选取适宜厚度的上部散热片a后，通过改变下部散热片b的厚度来讨论器件的温度变化，从而选取较佳的下部散热片厚度，模拟结果如圄1中曲线2所示。由圄1知A结构器件的温升随上部散热片a厚度的大而降低。当上部的金刚石a厚度超过500pm以后，器件温升与500pm厚时相比变化不大，因此在选择上部的金刚石片时，其厚度在500pm时可以获得很好的散热效果；而对于B结构来说，当上部金刚石厚度为500pm、下部金刚石厚度在300500pm时，器件的温升变化很小，因此在计算中选取500pm厚的下部散热片。

　　计算所采用的VECSEL芯片结构包括00pm厚的GaAs 4nm厚的AGaAs窗口层，有源区由11个量子阱组成，每个量子阱由121. 5nm的GaAsPu应变补偿层构成；DBR为27.5对A/4厚的AlAs和GaAs交替结构构成。

　　为了简化计算并保证计算精度，计算模型采用轴对称几何结构，同时将具有相似热分布函数的临近层作为一个复合层，即将帽层和窗口层作为一个复合层，而将有源区、DBR分别作为一个热导率各向异性的复合层。复合层的厚度为相邻单层厚度之和，复合层的热导率等效为垂直和平行于层平面的各向异性的热导率。DBR的底层记为坐标原点。VECSEL二维几何结构如圄2所示。考虑到芯片的直径为5mm，而芯片二工1心的厚度在10左右，因此采用pMKS单位制来克服该结构存在较大纵横比的问题。

　　复合层热导率的计算方法为导率为表1材料参数表2模型参数有源区和DBR内部热载荷的分布形式为3计算结果及分析根据表1和表2中的参数，利用ANSYS有限元热分析软件模拟获得VECSEL器件稳态温度分布情况。为了突出器件主要区域的温升情况，圄3给出的是器件沿z轴（一0.50.5mm）沿r轴从00.35mm区域的温升和热矢量分布情况。圄3（a）是模拟得到的器件的温度分布，圄中不同的颜色代表不同的温度。圄3（a）表明器件温升较高的区域很小，高温主要集中在有源区和DBR层且高温度出现在有源区，这是由于有源区远离热量抽运区且DBR热阻较大。当P=10W，w=50ym时，由圄3（a）可知B结构有源区的高温度为340.176K，而温度为293K，则有源区高温升为47. 176K，按照波长温度漂移系数为0.3nm/K计算，益波长漂移量约为14. 15nm；同理，在相同抽运条件下，A结构有源层的高温升为65.714K，益波长漂移量约为19.71nm.可见，同样抽运条件下B结构引起的波长漂移较小，其散热效果较好。

　　（a）模拟的器件温度分布；（b）模拟的器件热矢量分布图（b）是器件的热矢量分布图，其中不同的颜色代表不同的热流密度值，箭头代表热量的流动方向。

　　由（b）可知热量主要向芯片上下两侧流动，原因在于金刚石的热导率远远大于有源区和DBR层的热导率，芯片上、下两侧的金刚石片对有源区和DBR层的热量具有较大的抽运作用，引起热量向芯片两侧流动并散失；由于大的热流密度向芯片上部流动，可以看出此时芯片上部的散热片对降低有源区温度的作用明显优于下部散热片对降低有源区温度的影响，其原因在于DBR比窗口层和帽层的厚度大，有源区离上部热量抽运区较近。

　　和分别给出了不同抽运参数下，A、B结构VECSEL的模拟温升曲线。（a）表明当抽运功率一定时，随着抽运光斑半径的大，器件温升在逐渐减小，这是由于此时抽运光斑的大引起抽运功率密度的减小。而随着抽运光斑半径的减小，亦即功率密度大时，B结构的温升比A结构的温升明显低很多，此时B结构的散热性好；当抽运光斑半径大于250pm以后，两种结构的温升差别不大，其原因在于抽运功率密度减小，器件产生的热量主要从帽层导出，下散热片作用不明显。（b）表明当抽运功率密度一定时，随着光斑半径的大，两种结构器件的温度都在大，但此时B结构的温升比A结构的温升小很多，说明B结构更适合大功率工作。考虑到高功率工作时，抽运光斑半径通常都比较大（300700ym），因此计算中选取抽运光斑半径为500pm时，通过改变抽运功率密度来讨论器件的散热性能。由可知，抽运光斑半径一定时，随着抽运功率密度的大，温升在线性大。值得注意的是随着抽运功率密度的大，B结构的温升要比A结构温升低很多，这表明当抽运功率密度很大时，器件下部的金刚石片发挥较大的散热作用。

　　抽运光斑半径与器件温升的关系。抽运功率P=10W；（b）抽运功率密度搡=127.4kW/cm2综上所述，可以得到以下结论：在相同的抽运条件下，两种散热结构的VECSEL的温升变化趋势相同，在抽运功率密度较低时，两种结构的温升差别不大，而当抽运功率密度较大时，B结构的散热性能要明显优于A结构，并且抽运功率密度越大，B结构的散热优势就越明显，这表明B结构更适合大功率工作。

　　4结抽运功率密度与器件温升的关系针对OPS-VECSEL的散热问题，采用ANSYS有限元热分析软件对单面和双面金刚石片散热结构的薄片OPVECSEL进行了热分布特性的对比分析。模拟结果表明在抽运功率密度较高时，双面金刚石散热片结构的薄片VECSEL比单面键合金刚石片结构的薄片VECSEL散热性能好很多，所引起的波长漂移小；同时讨论了抽运光斑的半径、功率和功率密度等参量的变化对器件温升的影响，结果表明，在相同的抽运条件下，两种散热结构的VECSEL的温升变化趋势相同，而双金刚石散热片结构的VECSEL在大功率工作条件下的散热优势更为突出；在讨论金刚石片厚度对器件温升的影响中发现上部金刚石片为500ym、下部金刚石片的厚度在300500pm时就可以获得很好的散热效果。以上模拟分析结果为OPSVECSEL散热结构的改良和优化提供了一定的理论依据，对器件工艺具有一定的指导意义。