*
谢鹏飞1,2， 雷 军1,2， 吕文强1,2， 高松信1,2， 王 昭1,2， 曹礼强1,2， 王丞乾1,2
（1. 中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室，四川 绵阳 621900； 2. 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900）
摘 要： 为降低半导体激光芯片的慢轴远场发散角，提高其慢轴方向的光束质量，设计了横向热流抑制的封装结构。利用热沉间的物理隔离，削弱了半导体激光芯片慢轴方向上的温度梯度，有效降低了半导体激光芯片慢轴方向的发散角。采用热分析模拟了不同封装结构下芯片发光区的温度分布，并对波长9 15 nm 的窄条宽半导体激光芯片进行封装。实验结果表明，在工作电流15 A ，封装在隔离槽长4 mm ，脊宽120 μm 刻槽热沉上的芯片，其慢轴远场发散角由12.25°降低至10.49°，相应的光参量积（BPP ）由5.344 mm·mrad 降低至4.576 3 mm·mrad ，慢轴方向亮度提升了约5.5%。实验结果表明，横向热流抑制的封装结构可以有效地削弱半导体激光芯片慢轴方向上由热透镜效应引起的高阶模激射，从而降低其慢轴远场发散角。
关键词： 半导体激光器； 慢轴发散角； 封装结构； 横向热流抑制
中图分类号： TN248.4 文献标志码： A doi : 10.11884/HPLPB202133.200241
Experimental investigation of the package of diode laser chip
based on lateral heat flow suppression叠衣板
Xie Pengfei 1,2， Lei Jun 1,2， Lü Wenqiang 1,2， Gao Songxin 1,2， Wang Zhao 1,2， Cao Liqiang 1,2， Wang Chengqian 1,2
（1. Key Laboratory of Science and Technology on High Energy Laser , CAEP , Mianyang 621900, China ;
2. Institute of Applied Electronics , CAEP , Mianyang 621900, China ）
Abstract ： To improve slow axis beam quality of diode laser (LD) and decrease slow axis divergence angle, a new package with lateral heat flow suppression was designed utilizing the difference in thermal conductivity between air and heat sink. The finite element analysis software was used to analyze the temperature distribution with lateral flow suppression package. It is shown that diode laser chip soldered on trough heat sink with width W =120 μm and length L =4000 μm can reduce slow axis divergence angle about 14%, from 12.25° to 10.49°, when working current was 15A. Correspondingly, beam parameter product (BPP) can reduce from 5.344 mm·mrad to 4.576 3 mm·mrad and the brightness of slow axis increased about 5.5% than before. According to the result, the lateral flow suppression package can weaken higher order mode caused by thermal lens effect of diode laser so that decrease slow axis divergence angle effectively.
Key words ： diode laser ； slow axis divergence angle ； package structure ； lateral heat flow suppression
半导体激光器（LD ）具有电光效率高、寿命长、可靠性高等优点，在材料加工、军事国防、通讯、医疗、美容等领域有着广泛的应用前景[1-4]。但是LD 在高功率输出条件下，其光束质量随工作电流增大而变差，限制了其应用范围。因此，高功率半导体激光器只能作为泵浦源或对光束质量要求不高的表面处理、加工等方面。
针对光束质量问题，研究人员从不同的角度提出了一些解决方案，其中一条技术路线就是减小慢轴方向的发散角。高功率LD 在工作时由于受到电光效率的限制，其部分注入功率将以热的形式耗散，且随着工作电流的升高，半导体激光芯片内部的温度将从有源区中心向四周传导，形成温度梯度分布，导致芯片内部折射率分布不均匀，从而产生慢轴方向波导的热透镜效应。热透镜效应对半导体激光芯片的影响因素之一是会使得LD 慢轴方向产生高阶模、导致慢轴发散角增大，最终会造成光束质量恶化等[5]。目前，关于削弱LD 慢轴方向热透镜效应，提高其光束质量的研究在国内外已经引起了广泛关注，主要以优化热传导路径为主要技术路线[6-8]。
* 收稿日期：2020-08-18； 修订日期：2020-11-02
基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFB1107302）
作者简介：谢鹏飞（1994—），男，硕士研究生，主要从事半导体激光器封装技术研究；。
第 33 卷第 2 期强 激 光 与 粒 子 束
Vol. 33，No. 22021 年 2 月
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Feb.，2021
本文采用一种基于横向热流抑制技术的封装结构，使半导体激光芯片有源区两侧与热沉间存在填充空气的物理隔离槽。由于空气和热沉之间的热导率差异大，所以芯片有源区垂直方向上的热传导会优于两侧，使得芯片慢轴方向温度分布更均匀，削弱了热透镜效应，降低了半导体激光器芯片慢轴方向上的发散角。
1 计算模拟
本文主要以芯片烧结在过渡热沉上的COS （chip-on-submount ） 封装结构为研究对象，对传统COS 封装结构和采用横向热流抑制技术后的半导体激光器芯片温度场分布进行模拟，并计算获得两种不同封装结构下的慢轴方向温度梯度分布[9-10]。其中，横向热流抑制结构中的槽长4 mm ，槽宽100 μm ，脊宽120 μm ，热沉材料为AlN 陶瓷，芯片功率为20 W ，电光效率为60%。采用横向热流抑制技术后的COS 热沉结构示意图如图1所示。不同封装结构半导体激光芯片慢轴方向温度分布如图2～3所示。
Fig. 1 Schematic diagram of a chip-on-submount (COS) structure
based on lateral heat flow suppression technology
图 1 基于横向热流抑制技术的COS 热沉结构示意图
123
4
m m
y
x
z
55
刮奖卡制作50454035
30
25
55.054.554.053.553.052.552.0
52.051.5
4
2
000.4
m m
m m
0.02
0.040.060.080.100.12radial length/mm
(a) temperature distribution of chip
(b) temperature distribution along slow axis
Fig. 2 Temperature distribution of normal package structure along slow axis
图 2 传统COS 封装结构中芯片慢轴方向温度分布
surface temperature/°C
4
2
00.2m m
m m 01
2
3
4
x
y
z
65
6055
5045
403530
25
67.166.966.766.566.366.165.965.7
0.02
0.040.060.080.100.12radial length/mm
(a) temperature distribution of chip
(b) temperature distribution along slow axis
Fig. 3 Temperature distribution of lateral heat flow suppression package structure along slow axis
图 3 采用横向热流抑制技术后的芯片慢轴方向温度分布
强 激 光 与 粒 子 束
从图2可以看出，采用传统COS 封装结构后，芯片结温最高可达55.5 ℃，慢轴方向温度梯度约为4 ℃。相对于传统COS 封装结构，采用横向热流抑制技术后的半导体激光芯片（图3），由于空气和热沉之间的热导率差异，有源区的热量仅能从其正下方的热沉通道进行传导，导致芯片结温有所增加，但芯片慢轴方向上的温度梯度降低为1.4 ℃。
2 实验过程与结果
2.1 横向热流抑制封装实验
本实验采用中心波长为915 nm 、条宽100 μm 、腔长4 mm 的半导体激光芯片。采用预置AuSn 焊料的AlN 陶瓷作为COS 热沉，用超快激光加工的方式在热沉上加工长4 mm ，脊宽120 μm 的隔离槽，加工后需要清洗处理。AlN 热沉清洗前后对比如图4所示。采用贴片机将芯片P 面与AlN 热沉进行烧结，N 2作为保护气以防止AuSn 焊料在高温下氧化。芯片烧结后如图5所示。最后，将烧结后的单管芯片进行金带键合以实现芯片的电连接。
2.2 实验结果与分析
对传统COS 封装结构和采用横向热流抑制封装的单管芯片分别在连续工作条件下进行光电性能和发散角测试，其中水冷温度为23 ℃。芯片光电性能如图6所示。
从图6（a ）中可以看出，采用横向热流抑制封装后的半导
体激光芯片在连续工作条件下输出功率要低于传统封装结构的芯片。在15 A 工作电流下，横向热流抑制封装后的芯片输出功率为13.16 W ，传统封装结构芯片输出功率为14.58 W 。从图6（b ）中可以看出，在15 A 工作电流下，传统封装结构芯
片电光效率为56.59 %，而横向热流抑制封装后的芯片电光效率为51.34 %，电光效率下降了5.25 %。采用横向热流抑制封装的芯片电光效率下降主要原因是芯片封装热阻的增加。在热沉上加工的隔离槽
使得有源区温度传导路径发生改变，有源区温度只能从隔离槽上的凸台向下传导，增加了芯片的热阻。热阻的增加会提高芯片结温，导致量子阱内的载流子有足够的能量跃出势垒，增加了非辐射复合的几率，降低了芯片的电光效率。对于热阻的降低，
[11-12][13-14]，
(a)(b)
Fig. 4 The isolated trough manufactured by ultrafast laser (a) before and (b) after cleaning
图 4 超快激光加工的隔离槽
Fig. 5 Semiconductor laser chip sealed by lateral heat
flow suppression technology
图 5 烧结后的单管芯片
16
14
106
70
汽车防尘罩
50
30
1020
2
4
6
810
12
14
I /A
16
2
4
6
810
12在线预约系统
14
I /A
normal
normal
trough@4 mm
trough@4 mm
(a)(b)
Fig. 6 Photoelectric performances between lateral heat flow suppression and normal package: (a) output, (b) EO efficiency
图 6 连续工作条件下不同封装结构的芯片光电性能（a ）输出功率（b ）电光转换效率
谢鹏飞等： 基于横向热流抑制的半导体激光芯片封装实验研究
图7为不同工作电流下两种封装结构波长变化。从图中可以看出，随着工作电流的增加，采用横向热流抑制封装的芯片由于热阻的增加，芯片输出波长红移量要高于传统封装结
贝克曼梁法构的。
在不同工作电流下对采用横向热流抑制封装结构的半导体激光芯片进行慢轴发散角测试，测试结果如图8所示。
从图8（a ）可以看出，随着工作电流的不断升高，采用横向热流抑制技术封装的半导体芯片的慢轴发散角逐渐降低，并在电流15 A 下达到发散角最小（10.49 °）。在15 A 工作条件下，采用横向热流抑制封装结构的芯片相较于传统封装结构具有较低的发散角，减少幅度为14 %，如图8（b ）所示。相应地，芯片慢轴方向光参量积（BPP ）由5.344 mm·mrad 降低
至4.576 3 mm·mrad ，慢轴方向亮度与传统封装结构相比提升了1.2倍。这说明在高工作电流下，由热透镜导致的高阶模式激射，造成慢轴发散角增加的现象可通过采用该封装结构进行削弱，这也与文献[7]和[8]结果一致。此外，在工作电流15 A 以下时，采用横向热流抑制封装的芯片产生了高阶模，慢轴发散角曲线的两侧呈现尖峰，该尖峰随着工作电流的升高而不断降低。这可能是由于在低电流工作条件下，热沉与芯片有源区之间的应力导致量子阱变形，载流子在有源区两侧的密度分布大，导致高阶模的产生。随着工作电流的不断增大，由于电流对载流子的调制作用和高阶模式的削弱，使得慢轴
发散角降低[5,15-16]。不同电流下的慢轴远场发散角数值如表1所示。
3 结 论
本文主要对一种基于横向热流抑制的封装结构进行了实验研究，从热分析上验证了该封装结构降低半导体激光芯片慢轴方向温度梯度，进而降低慢轴远场发散角，提高光束质量的可行性。
采用波长915 nm 的窄条宽芯片进行了横向热流抑制封装实验，并对其光电性能和发散角进行了测试。实验结果表明，在15 A 工作电流下，采用槽长4 mm ，脊宽120 μm 的隔离槽封装后的芯片慢轴远场发散角为10.49 °。与传统封装结构相比，在15 A 工作电流下，该封装结构可降低慢轴发散角的14%，芯片慢轴方向光参量积（BPP ）由5.344 mm·mrad 降低至4.576 3 mm·mrad ，慢轴方向亮度与传统封装结构相比提升了约5.5%。基于横向热流抑制的封装结构为降低慢轴远场发散角，提高光束质量提供了一种新的技术路线，而应力对慢轴远场高阶模的影响和降低该封装结构热阻的研究需进行更进一步的研究。
表 1 不同电流下横向热流抑制封装结构的慢轴发散角数值Table 1 The value of slow axis divergence angle in different current
current/A
slow axis divergence angle/(°)
current/A slow axis divergence angle/(°)
1 4.481115.01717.041312.009
15.95
15
10.49
920
915910
905
normal
trough@4 mm
监控摄像机外壳
1 A 7 A 9 A
11 A 13 A 14 A 15 A I /A
Fig. 7 Wavelength of lateral heat flow suppression
and normal package with different current
图 7 不同电流下两种封装结构的波长变化
6.085.004.003.002.001.000−19.9
−10.0
10.0
21.0
X -axis value
(a)
13 A
11 A
15 A
7 A
1 A 6.085.00
4.003.002.001.00
0−19.9
−10.0
10.021.0
X -axis value
(b)
trough@4 mm
normal
Fig. 8 Slow axis divergence angle with different current (a) and slow axis divergence angle in different package (b)
图 8 不同电流下的慢轴发散角（a ）和（b ）不同封装结构下的慢轴发散角
强 激 光 与 粒 子 束
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