微盘腔半导体激光器散热分析及封装工艺优化
微盘腔半导体激光器是光学微腔与半导体激光器的结合，它进一步优化了半导体激光器体积小、结构简单、重量轻的特点；独有的回音壁模式微盘腔更降低了器件的阈值电流、提高了品质因子。我们采用量子级联材料制备的有源区实现了微盘腔半导体激光器在中远红外波段的长波激射，特别是在战地有毒气体检测、自由空间保密通信等领域具有重要应用价值。本文对长波蜗线型微盘腔半导体激光器热效应显著的问题进行了深度分析，并在此基础上引入了新型阵列倒封装结构，改善了其热特性。具体内容如下： 1.基于ANSYS有限元分析分别对正/倒封装的微盘腔半导体激光器进行了热特性仿真，并深入研究了其温度分布和热应力、热应变分布。结果表明：倒封装有效降低了器件工作时的有源区温度；但带来了明显的热应力与热应变。受限于封装结构天然的缺陷，倒封装中也容易出现焊接不稳定，管芯侧翻等问题。为此，我们在传统倒封装的基础上对其结构进行了优化，提出了新型倒封装结构。新型倒封装的微盘腔半导体激光器通过在管芯的旁侧制备支柱的方法，形成了倒封装中对衬底的双重支撑结构，在降低了器件有源区温度的同时，封装可靠性也得到保障。 2.分别制备了正/倒封装的微盘腔半导体激光器单管，引入了厚胶掩膜工艺与Si3N4绝缘工艺。测试结果表明：制备的蜗线型微盘腔半导体激光器在水平方向具有明显的主瓣光输出；激射波长10.01μm；正封装器件的峰值输出功率只有10.8mW，而采用新型倒封装的器件则达到了12mW。 3.为了进一步提高微盘腔半导体激光器的输出功率，引入了新型阵列倒封装结构。在阵列倒封装的基础上制备了支柱阵列结构，同时添加过渡热沉以进一步缓解其工作时产生的高额热应力。我们也讨论了不同过渡热沉封装以及各发光单元热场重叠的问题。设计了AuSn和In的双焊料封装工艺，有效避免了二次贴片过程中由于温度升高造成头层焊料二次融化的现象。最终制备了添加AlN过渡热沉、发光单元中心间距650μm，采用新型阵列倒封装的微盘腔半导体激光器，其输出功率达到了34.6mW。
微盘腔半导体激光器;热特性;倒封装结构;封装工艺
长春理工大学
硕士
电子科学与技术
晏长岭
2022
中文
TN248
2023-02-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）