Poluvodički laseri: učinkovita rješenja za hlađenje za poboljšane performanse

Poluvodički laseri, poznati po svojoj kompaktnoj veličini, laganom dizajnu, niskoj potrošnji energije, jednostavnosti modulacije i sposobnosti masovne proizvodnje, otkrili su široku upotrebu u različitim područjima kao što su industrijska prerada, telekomunikacije, zdravstvena zaštita, znanosti o životu i vojske. Kako se izlazna snaga poluvodičkih lasera i dalje povećava, značajan dio električne energije pretvara se u toplinu. Optičke karakteristike, izlazna snaga i pouzdanost ovih uređaja usko su vezani za njihovu radnu temperaturu, što toplotno upravljanje čini kritičnim faktorom, posebno za lasere poluvodiča velike snage.

1. Principi hlađenja poluvodičkih lasera

Primarne metode hlađenja poluvodičkih lasera uključuju prirodne toplotne sudopere, mikrokanale, termoelektrično hlađenje, hlađenje raspršivanja i otopine toplinske cijevi. Za lasere s jednim čipom poluvodiča, toplotni sudoperi od prirodnog konvekcije često su najekonomičniji i najčešće korišteni zbog njihove jednostavnosti u proizvodnji i montaži. Materijali s visokom toplinskom vodljivošću obično se koriste za povećanje površine za prirodnu konvekciju, povećavajući tako raspršivanje topline i snižavanje temperature čipa. Da bi se skratio put prijenosa topline i ubrzao toplinsko raspršivanje, sada se uobičajeno usvaja vezanje okretnih čipa, gdje je laserski čip pričvršćen na hladnjak pomoću materijala poput indijskog ili zlatnog lemljenja.

Većina topline u poluvodičkim laserima nastaje u aktivnoj regiji čipa, koja se zatim prenosi kroz slojeve poput lemljenja, izolacije i sučelja, na kraju dosegnuvši uobičajeni hladnjak gdje se raspršuje konvektivnim hlađenjem. Korištenje hladnjaka napravljenih od materijala visoke toplinske vodljivosti učinkovit je način za smanjenje radne temperature poluvodičkih lasera, osiguravajući performanse i pouzdanost. Pri odabiru materijala za hladnjak, treba razmotriti dva ključna faktora:

1. Materijal bi trebao imati visoku toplinsku vodljivost za učinkovito rasipanje topline.
2. Koeficijent toplinske ekspanzije materijala trebao bi se podudarati s laserskim čipom kako bi se izbjeglo oštećenje izazvano stresom.

2.

Idealan materijal za hladnjak trebao bi kombinirati visoku toplinsku vodljivost s koeficijentom toplinske ekspanzije koji usko odgovara onom laserskog čipa. Bakar se često koristi zbog izvrsne toplinske vodljivosti i električnih svojstava. Međutim, koeficijent toplinske ekspanzije bakra značajno se razlikuje od onog laserskog čipa, što može stvoriti toplinski stres i utjecati na performanse lasera. Prijelazni hladnjak izrađen od materijala s visokom toplinskom vodljivošću i bližim širenjem podudaranja s čipom može pomoći u ublažavanju ovog problema. Uobičajeni materijali za ove prijelazne hladnjake uključuju keramiku aluminij nitrida, keramiku berilij oksida, keramiku silicij-karbida, legure volfram-kapera, silikonski karbidni vafrovi i dijamantne tanke filmove.

i. Legure od legura s volfrapima s volframa kombiniraju nisko širenje volframa s visokom toplinskom vodljivošću bakra, što ih čini idealnim za poluvodičke lasere. Toplinsko širenje i vodljivost ove pseudo-legure mogu se prilagoditi podešavanjem njegovog sastava, a dobro se podudara s silicijskim, galijskim arsenidom i keramičkim materijalima. Rani laseri često su koristili strukturu C-Mount-Mount sa volframorom, koja se kasnije evoluirala u trake za volfram.

ii. Aluminij nitrid aluminij nitrid keramika nudi izvrsne ukupne performanse, s teorijskom toplinskom vodljivošću do 320W/(m · k), a komercijalni proizvodi obično se kreću od 180W/(M · K) do 260W/(m · K). Njegov koeficijent toplinske ekspanzije također je prilično blizu onom laserskih čipsa, što ga čini uobičajenim prijelaznim materijalom za hladnjak.

iii. Silicijev karbid (sic) sic je tipičan prirodni homogeni politelj superlattice s izvanrednim fizičkim i kemijskim svojstvima. Njegova tvrdoća i otpornost na habanje drugi su samo dijamantima, a ima teorijsku toplinsku vodljivost do 490W/(m · k) - tri puta veća od silicija. S malim ekspanzijom, izvrsnom disipacijom topline i visokom toplinskom stabilnošću, SIC je vrlo pogodan za uređaje velike snage. To se odupire koroziji i ne rastopi se pod normalnim tlakom, dok njegova površinska oksidacija stvara sloj silicij dioksida koji sprečava daljnju oksidaciju.

iv. Dijamant za optimalno toplinsko rasipanje, dijamant se može koristiti kao priključni materijal između čipa i bakra. Prirodni dijamant ima izuzetnu toplinsku vodljivost od 2000W/(m · k), pet puta veće od bakra, s niskim koeficijentom toplinske ekspanzije. Dakle, dijamant je idealan materijal za hladnjak za sudoper za poluvodičke lasere. Zbog troškova, prirodni dijamant nije izvediv za pakiranje poluvodiča, ali Diamond se koristi kao hladnjak u dva oblika: dijamantni tanki filmovi (CVD dijamant) i kompoziti s metalima poput bakra i aluminija. Međutim, složenost obrade dijamanta-rezanje, poliranje i metalizaciju-ograničava njegovu veliku primjenu u poluvodičkim laserskim hladnjacima.

v. Graphene grafen novi je dvodimenzionalni ugljični nanomaterijal s izvrsnim električnim, optičkim i toplinskim svojstvima. Njegova bočna toplinska vodljivost može doseći do 5300W/(m · k), što je daleko veće od ostalih materijala za hladnjake poput silicij -karbida i aluminijskog nitrida. Primjena grafena kao hladnjaka u poluvodičkim laserima pokazuje veliki potencijal za poboljšanje rasipanja topline i performanse uređaja.