隧道再生半导体激光器的三维稳态热特性研究

针对隧道再生半导体激光器,建立了内部的热源分布模型,利用有限元方法模拟计算得到了两有源区隧道再生半导体激光器稳态三维温度分布.模拟结果表明,靠近衬底的有源区的光出射腔面中心的温度最高.在平行于结的方向上,温升集中在脊形电极内;在垂直于结的方向上,靠近衬底的有源区温度始终高于靠近热沉的有源区的温度;沿腔长方向,在光反射腔面附近温度下降较快.随着注入电流的增大,两有源区的温度升高,温差变大.实验测量了不同注入电流下器件的峰值波长,将其转换为温升,与模拟结果吻合.     

隧道再生半导体激光器热弛豫积累过程研究

针对隧道再生半导体激光器,建立了内部的热源分布模型。利用有限元方法模拟计算得到了两有源区隧道再生半导体激光器在不同占空比下工作时的热弛豫积累过程。模拟结果表明,芯片达到平衡前的热弛豫积累时间和达到热平衡时的温度均随注入电流占空比的增加而增加,热弛豫积累时间小于200ms。芯片内部温度分布表明,靠近衬底的有源区温度略高于靠近热沉的有源区温度,但温度差较小,热效应造成的波长漂移不会造成双峰现象。实验测量了在相同的边界条件下,不同占空比下器件的峰值波长,将其转换为温升,与模拟结果吻合。     

1.3μm波段单横模大功率输出量子点激光器

为了制备大功率、单横模输出的量子点激光器,对有源多模干涉波导结构进行了研究。通过优化器件结构设计,采用1×1型有源多模干涉波导结构,以均匀多层InAs/InGaAs/GaAs量子点材料作为有源区,制备了1.3μm波段的有源多模干涉结构量子点激光器。连续电流注入条件下的测试结果表明,与传统的均匀波导结构器件相比,有源多模干涉结构器件具有更低的串联电阻和更好的散热性能;在连续电流为0.5A的小注入情况下,器件的输出功率可达114mW、中心波长为1332nm。结果表明,有源多模干涉结构器件是制备大功率、单横模输出光发射器件的一种有效的器件结构。     

1.3μm波段单横模大功率输出量子点激光器

为了制备大功率、单横模输出的量子点激光器,对有源多模干涉波导结构进行了研究。通过优化器件结构设计,采用1×1型有源多模干涉波导结构,以均匀多层InAs/InGaAs/GaAs量子点材料作为有源区,制备了1.3μm波段的有源多模干涉结构量子点激光器。连续电流注入条件下的测试结果表明,与传统的均匀波导结构器件相比,有源多模干涉结构器件具有更低的串联电阻和更好的散热性能;在连续电流为0.5A的小注入情况下,器件的输出功率可达114mW、中心波长为1332nm。结果表明,有源多模干涉结构器件是制备大功率、单横模输出光发射器件的一种有效的器件结构。     

台面尺寸对垂直腔面发射激光器电学特性的影响

采用求泊松方程、电流密度方程、载流子扩散方程以及有源层结压降方程自洽解的方法,计算了不同台面大小的台面结构垂直腔面发射激光器内部的电势分布和有源层中的注入电流密度、载流子浓度及结压降分布.结果表明,台面尺寸对垂直腔面发射激光器内部的电势分布和有源层中的注入电流密度、载流子浓度及结压降分布有重要影响.在一定的外加电压下,随着台面尺寸减小,有源层中心处的注入电流密度、载流子浓度和结压降急剧减小,垂直腔面发射激光器性能恶化.     

N-LDMOS热载流子注入效应的分析和优化

研究了一种N-LDMOS器件的热载流子注入效应,分析了热载流子效应产生的机理、对器件性能以及可靠性的影响,提出了改进方法.为了降低此器件的热载流子注入效应,我们利用华润上华公司提供的ISE软件对N-LDMOS高压工艺进行模拟,根据模拟结果调整了器件结构,通过增大器件的场板长度、漂移区长度以及增加N阱与有源区的交叠长度等措施,使得相同偏置条件下,表征热载流子注入强度的物理量——器件衬底电流降为改进前的1/10,显著改善了该器件的热载流子注入效应.     

大功率670nm半导体激光器的研制

采用低压金属有机化学气相沉积生长了670nm激光器外延片,有源区采用单量子阱结构,阱区、垒区分别为InGaAsP和AlGaInP.利用该外延片制作了带无电流注入区的氧化物条形激光器.激光器腔长为900μm,电流注入区条宽为100μm,两端的无注入区宽度均为25μm.镀膜后器件的阈值电流为0.4A,输出波长670士2nm,最大输出功率为1100mW,水平、垂直发散角分别为8°,40°.表明该种结构可以提高器件的腔面光灾变功率.     

大功率670nm半导体激光器的研制

采用低压金属有机化学气相沉积生长了670nm激光器外延片,有源区采用单量子阱结构,阱区、垒区分别为InGaAsP和AlGaInP.利用该外延片制作了带无电流注入区的氧化物条形激光器.激光器腔长为900μm,电流注入区条宽为100μm,两端的无注入区宽度均为25μm.镀膜后器件的阈值电流为0.4A,输出波长670士2nm,最大输出功率为1100mW,水平、垂直发散角分别为8°,40°.表明该种结构可以提高器件的腔面光灾变功率.     

大功率670nm半导体激光器的研制

采用低压金属有机化学气相沉积生长了670nm激光器外延片，有源区采用单量子阱结构，阱区、垒区分别为InGaAsP和AlGaInP. 利用该外延片制作了带无电流注入区的氧化物条形激光器. 激光器腔长为900μm，电流注入区条宽为100μm，两端的无注入区宽度均为25μm. 镀膜后器件的阈值电流为0.4A，输出波长670±2nm，最大输出功率为1100mW, 水平、垂直发散角分别为8°, 40°. 表明该种结构可以提高器件的腔面光灾变功率.     

980nm高功率垂直腔面发射激光器的理论分析

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.     

用LPE研制的室温连续工作的1．48μm单量子阱激光器

利用液相外延（ＬＰＥ）技术研制出室温连续工作的ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ分别限制单量子阶（ＳＣＨ－ＳＱＷ）双沟平面掩埋（ＤＣ－ＰＢＨ）激光器。室温下，腔面未镀膜的激光器最低阈值电流为２３ｍＡ（激光器腔长为２００μｍ，ＣＷ，１３℃）。激射波长为１．４８μｍ，最高输出功率达１８．８ｍＷ（Ｌ＝２００μｍ．ＣＷ，１８℃）。脉冲输出峰值功率大于５０ｍＷ（脉冲宽度１μｓ、频率１ｋＨｚ），未见功率饱和。量子阱的阱宽为２０ｎｍ［１］．     

热源尺寸对AlGaN/GaN HEMT器件热阻的影响机理

基于CREE公司生产的十条栅指AlGaN/GaN HEMT器件,利用热传导方程,研究了AlGaN/GaN HEMT器件热阻随热源尺寸的变化规律及影响机理,建立了GaN HEMT器件的热传播模型并通过红外测温法结合Sentaurus TCAD模拟仿真的方法验证了模型的准确性.研究发现:热阻随热源尺寸的减小以近似指数的规律增加,随栅宽的减小以反比的规律增加.另外,在芯片尺寸、散热条件、功率密度等条件不变的情况下,栅长从1μm减小到0.05μm时,热阻大约增加80％.对该变化规律从两个方面进行了解释:一方面,热源面积越小,微观尺寸上的散热面积越小,热阻越大;另外,热源尺寸的减小会引起热源处热容的减小,产生的热量是一定的,热阻与温升成正比,因此对应的热阻增加.     

隧道再生大功率半导体激光器瞬态热特性研究

讨论了隧道再生大功率半导体激光器内部的热源分布，利用有限元方法模拟计算了其在脉冲工作下的二维瞬态热分布，同时测量了不同时刻波长的漂移量并换算为温升值，与计算结果进行了比较，二者基本吻合。模拟结果还表明靠近衬底的有源区温度略高于靠近热沉的有源区温度；用金刚石一铜热沉替换铜热沉，还可以很好地降低器件内部温升，使隧道再生大功率半导体激光器能够高效工作。     

Si/Glass激光键合的仿真及实验研究

对Si/Glass激光键合进行了有限元仿真,自主设计激光键合系统并进行了Si/Glass激光键合实验研究、测试与表征。以Si/Glass激光键合的二维传热解析模型为理论基础,应用有限元软件ANSYS仿真了激光功率20～48W时激光键合的三维温度场、键合熔融深度,并预测键合阈值功率为28 W。自主设计激光键合系统及实验方案,采用光斑直径150μm、功率30W的Nd:YAG连续激光实现了Si/Glass的良好激光键合。测试结果表明,激光键合强度最高为阳极键合的5.2倍,激光键合腔体气密性测试泄漏率平均值约9.29×10-9 Pa.m3/s,与阳极键合处于同一数量级。采用能谱分析(EDS)线扫描Si/Glass激光键合的界面材料成分,发现键合界面形成过渡层,激光功率30W时过渡层厚度9μm,与仿真结果吻合。     

900nm三叠层隧道级联激光器的结构优化研究

采用金属有机化合物气相淀积方法生长了900nm的三叠层隧道级联激光器。针对隧道级联激光器存在工作电压高、材料各层的光场耦合等问题,分别采用δ掺杂、扩展波导等技术对激光器结构进行了优化,并通过模拟计算对隧道结耗尽区宽度进行了优化。通过优化隧道结δ掺杂的生长条件,得到n+GaAs的掺杂浓度大于1×1019/cm3,使工作电压下降1V;通过采用扩展波导,使垂直发散角由常规结构的35°减小到20°。将900nm的三叠层隧道级联激光器制作成条宽300μm、腔长800μm的条形激光器,采用同轴封装形式,在20A的脉冲工作电流下,输出功率达到55W,斜率效率达到2.9W/A,以上指标是普通激光器的3倍。     

半导体激光器非典型宏通道水冷散热系统设计

针对大功率半导体激光器散热系统展开设计研究。首先，对水冷散热系统的流体通道中的冷却液进行了流体分析，结果表明在传统矩形流体通道结构中，冷却液在进液口处和弯度较小处容易产生湍流空洞。湍流空洞不仅会产生空泡腐蚀效应，还会导致靠近热源的上层冷却液填充不充分，降低系统的散热效率；其次，在传统流体通道结构的基础上，提出了一种非典型宏通道结构的优化模型。采用有限元分析软件Fluent分别对散热模型的分布和激光器模块器件的分布进行了数值模拟，流场结果表明优化模型中冷却液流动时没有湍流空洞产生，散热系统可靠性更高，冷却液在流体通道的上层填充效果更好，同时解决了传统模型中流体在局部流道中流速缓慢的问题，使散热系统具备更良好的散热性能。接着又通过温度场仿真结果得出，优化模型搭建的散热系统工作时激光器最高温度可降低2 ℃，且热源1上温度更均匀，热源3上温度降低1.25 ℃；最后，在激光器满功率输出情况下进行的散热实验对比，获得的实验数据与仿真结果基本一致。     

高功率高可靠性9XX nm激光二极管

为了提高半导体激光二极管的输出功率和可靠性,通过在有源区两侧势垒层和波导层之间引入高禁带宽度的GaAsP,抑制有源区载流子的泄漏,极大地改善了器件的性能。研究结果表明:在10~40℃温度范围内器件特征温度从原来的150 K提高至197.37 K(-75.76℃),峰值波长随温度的漂移系数为0.207 nm/℃;条宽200μm、腔长2000μm的9XX nm激光二极管可靠性工作的最大输出功率高达14.4 W;器件在注入电流为7 A时取得71.8%的最大电光转换效率,斜率效率为1.21 W/A。器件在恒定电流下的加速老化测试显示激光二极管可靠性工作寿命达2000 h以上。     

激光作用双层材料产生瞬态温度场的数值模拟

从经典热传导方程出发,建立了单个短脉冲激光作用双层材料的二维轴对称物理模型,在考虑材料热物理参数随温度变化的基础上,采用有限元方法模拟了材料的瞬态温度场,得到了激光作用中和作用后铝-玻璃系统的温度时空分布.数值研究结果表明,在激光作用期间,系统表面的温度分布主要取决于作用激光的能量分布特性,并且金属材料的趋肤效应导致系统在厚度方向的温升范围很浅;在激光作用后,系统内部的热量在热传导作用下从高温区移向低温区,并且厚度方向的温升范围随着表面温度降低而不断扩大,但由于铝的热传导系数比玻璃大得多,所以温升主要停留在铝膜层.     

795nm单模垂直腔面发射激光器

针对铷原予能级跃迁对光谱的特殊需求,设计并制备了795 nm单模垂直腔面发射激光器(VCSEL).根据对VCSEL的光场和模式的分析和计算结果,设计了单模VCSEL芯片结构.采用MOCVD技术生长了外延结构,制备了不同有源区直径的氧化限制型VCSEL芯片并进行了测试.当有源区直径从6 μm减小到3μm时,VCSEL芯片的边模抑制比(SMSR)由8.76 dB增加到34.05 dB,阈值电流由0.77 mA减小到0.35 mA.有源区直径为6,5,4和3μm的VCSEL芯片的输出功率分别为0.37,0.46,0.58和0.44 mW,有源区直径为4μm的VCSEL芯片的远场为圆形光束,发散角为15°.85℃时3.5 μm有源区直径的VCSEL芯片输出功率为0.125 mW,激射波长为795.3 nm.室温3 dB带宽大于8 GHz,满足了铷原子传感器对VCSEL单模光谱、输出功率及调制速率的要求.     

高功率轴快流CO2激光器激励源热沉结构优化设计

为了提高激励源的热稳定性,保证4kW轴快流CO₂激光器的光束质量,采用计算流体动力学的方法,理论分析了激光器激励源热沉的散热机理,对热流密度为106W/m2、面积为16cm2的激励源热沉结构进行了优化设计。结果表明,经过优化之后的热沉其表面的最高温度低于340K,完全能够满足激光器正常工作时激励源核心功率MOSFET对散热指标的要求;同时经过数值模拟得到了带凹槽微通道热沉的优化结构尺寸,分别是微通道凹槽间距P=0.6mm,微通道凹槽倾角θ=45°,微通道凹槽交错距离s=0.1mm,同时当雷诺数Re=546.9时,热沉有最优的散热效果,激光输出功率的稳定度可以控制在±2%以内。此研究为设计具有高效散热能力的微通道热沉提供了理论指导。