孟慶輝，馮士維，賈 京，張亞民，喬彥彬，岳 元

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

1 引言

隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)日趨成熟，大功率半導(dǎo)體激光器在固體激光器泵浦、材料加工、醫(yī)療、光信息處理、軍事領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用［1］。大功率半導(dǎo)體激光器的功率密度的不斷增加，導(dǎo)致功耗不斷增加，工作結(jié)溫不斷升高［2］，也將影響器件的其他性能參數(shù)［3］。大功率激光器結(jié)溫過(guò)高，將影響其閾值電流密度、輸出光功率、激光光譜等電學(xué)特性［4］。溫度變化引起的光學(xué)和電學(xué)參數(shù)變化成為影響器件可靠性的重要因素［5］。根據(jù)Arrhenius方程，器件的退化功率隨溫度的升高成e指數(shù)規(guī)律變化，影響著器件的使用壽命［6］。

M A Lapointe等人［7］研究了不同襯底對(duì)半導(dǎo)體激光器熱阻的影響，W.J.Hwang等人［8］研究了封裝對(duì)半導(dǎo)體激光器熱阻的影響，通常測(cè)量半導(dǎo)體激光器熱阻的方法有物理接觸法［9］、光學(xué)法［10］、電學(xué)法［11］。物理接觸法是通過(guò)溫度傳感器與被測(cè)器件接觸來(lái)測(cè)量器件的表面溫度，不適合測(cè)量芯片有源區(qū)的溫升。光學(xué)法是利用發(fā)射光譜隨結(jié)溫移動(dòng)特性測(cè)量器件的熱阻，操作過(guò)程比較復(fù)雜，影響測(cè)量的精度。電學(xué)法是利用PN結(jié)的溫敏特性進(jìn)行器件芯片工作溫升的測(cè)量，不破壞芯片的封裝結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單快捷。測(cè)量大功率激光器巴條的工作溫升有一定的優(yōu)勢(shì)。

本文在設(shè)計(jì)的大功率激光器熱阻測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大功率激光器巴條的穩(wěn)態(tài)溫升測(cè)量，并結(jié)合結(jié)構(gòu)函數(shù)方法分析出激光器巴條熱量傳遞路徑上的各層結(jié)構(gòu)熱阻，并將測(cè)量結(jié)果與紅外熱成像結(jié)果進(jìn)行了比較，除此之外，通過(guò)測(cè)量激光器巴條的熱阻和溫升實(shí)現(xiàn)其光功率測(cè)量。

2 熱阻測(cè)量原理及光轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算

2.1 熱阻測(cè)量原理

基于小電流下正向PN結(jié)結(jié)電壓隨溫度線性變化關(guān)系，以及通過(guò)測(cè)量的器件有源區(qū)穩(wěn)態(tài)溫升過(guò)程獲取器件熱阻是目前廣泛采用的測(cè)量方法。較之其他方法，其具有在信號(hào)采集、處理上的便捷性。此外，結(jié)合結(jié)構(gòu)函數(shù)方法［12］，通過(guò)對(duì)穩(wěn)態(tài)溫升曲線進(jìn)行處理能有效提取熱傳輸路徑上的熱阻構(gòu)成。

此方法測(cè)量器件工作溫升主要包括兩個(gè)步驟:校準(zhǔn)過(guò)程和測(cè)量過(guò)程。校準(zhǔn)過(guò)程主要是測(cè)量器件有源區(qū)溫度與PN結(jié)結(jié)電壓變化的線性關(guān)系，獲取校準(zhǔn)曲線，即溫度系數(shù)k。具體步驟包括:①將激光器巴條置于溫度恒定的恒溫平臺(tái)上，在其正－負(fù)電極之間施加20 mA恒定的小電流，測(cè)量激光器巴條正－負(fù)極之間的電壓;②改變恒溫平臺(tái)溫度，重復(fù)步驟①分別在不同溫度下測(cè)量激光器巴條結(jié)電壓，測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

圖1 大功率激光器巴條結(jié)電壓與溫度的關(guān)系圖Fig.1 The relationship between the high power laser bar junction voltage and the temperature

從圖1可以看出，小電流下(20 mA)，激光器巴條的結(jié)電壓變化與溫度變化呈線性關(guān)系。結(jié)電壓變化與溫度變化的比值即為溫度系數(shù)k。

測(cè)量過(guò)程主要是采集激光器巴條加熱到熱穩(wěn)態(tài)以后，切斷功率，采集恒定小電流下器件冷卻過(guò)程中正向PN結(jié)結(jié)電壓變化，時(shí)序圖及熱阻測(cè)量系統(tǒng)原理圖如圖2所示。具體步驟包括:①通過(guò)施加大電流，使大功率激光器巴條加熱到熱穩(wěn)態(tài);②切斷大電流，同時(shí)給激光器巴條施加恒定的正向小電流(20 mA)，采集其結(jié)電壓，此過(guò)程采樣時(shí)間分辨率為1μs;③根據(jù)采集到的結(jié)電壓變化以及溫度系數(shù)，利用公式ΔT=ΔV/k，即可得到器件溫度隨時(shí)間的變化，即冷卻響應(yīng)曲線。結(jié)合器件冷卻過(guò)程和加熱過(guò)程的互補(bǔ)關(guān)系，即可得到器件穩(wěn)態(tài)溫升曲線。利用結(jié)構(gòu)函數(shù)方法對(duì)穩(wěn)態(tài)溫升曲線進(jìn)行處理，提取熱流方向上各層材料對(duì)器件溫升的貢獻(xiàn)。最后通過(guò)有效熱阻計(jì)算公式(R=△T/Pth)可以得到熱流路徑上各層材料熱阻。

圖2 熱阻測(cè)量系統(tǒng)時(shí)序圖Fig.2 The sequencechart of the thermal resistance measurement system

本方法測(cè)量誤差主要來(lái)源于器件加熱狀態(tài)到結(jié)電壓采集狀態(tài)的切換過(guò)程。本文通過(guò)快速開(kāi)關(guān)技術(shù)，在20 A的條件下，將大功率激光器巴條切換到小電流狀態(tài)的開(kāi)關(guān)速度優(yōu)化至20μs以下，具有更高的測(cè)量精度。

2.2 光轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算

由于發(fā)光器件中，耗散熱功率與發(fā)光效率之間存在明確的關(guān)系，可以通過(guò)熱阻測(cè)量獲取激光器光功率。器件施加電流小于閾值電流，其穩(wěn)態(tài)熱阻基本不變［13］，發(fā)光功率忽略不計(jì)。此時(shí)器件施加的總功率Ptot等于器件的熱耗散功率Pth。因此，利用這一關(guān)系首先測(cè)量出激光器未激射時(shí)的熱阻Rth0，即器件的實(shí)際熱阻。其次，測(cè)量器件在不同工作電流下(電流大于閾值電流)的熱阻Rth，此時(shí)所用的總功率Ptot包括了光功率Pop和熱耗散功率Pth。

根據(jù)測(cè)量到的熱阻，可以得到在不同工作電流下(電流大于閾值電流)器件激射后發(fā)熱導(dǎo)致的溫升，根據(jù)熱阻定義式，可以計(jì)算出其不同工作電流時(shí)的耗散功率Pth:

Ptot是施加在激光器上的總電功率，激光器的發(fā)光功率Pop為:

3 測(cè)量結(jié)果與分析

3.1 熱阻測(cè)量及紅外熱成像測(cè)量結(jié)果比較

如圖3(a)所示，激光器巴條的熱傳輸路徑上的結(jié)構(gòu)層依次為芯片、焊料、熱沉，所設(shè)置的工作條件為工作電流3 A，測(cè)試電流20 mA，加熱時(shí)間300 s，采集時(shí)間1000 s，恒溫平臺(tái)溫度為20℃，因?yàn)楦鲗硬牧系膶?dǎo)阻和熱容量不同，從而使得熱量傳導(dǎo)至各層材料的時(shí)間不同，因此，所得到的溫度響應(yīng)曲線對(duì)應(yīng)的傳輸路徑會(huì)有相應(yīng)的階梯。利用結(jié)構(gòu)函數(shù)法可以得到大功率激光器巴條的結(jié)構(gòu)熱阻曲線［14］如圖3(b)所示。

圖3 大功率激光器的溫升及熱阻結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The temperature rise and differential thermal resistance of high power laser

通過(guò)用紅外熱像儀對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，利用紅外熱像儀(FLR SC5700)監(jiān)控激光器腔面溫度變化，熱像儀工作在2.1～5.5 m波段，溫度分辨率20 mK，空間分辨率為5 m，工作頻率為25 Hz?？紤]到紅外設(shè)備的鏡頭和散熱器等原因，在這里施加3 A的電流進(jìn)行測(cè)試，紅外熱成像法采集到的溫升圖像如圖4所示。

圖4 紅外熱像儀采集到的大功率激光器巴條的腔面溫度Fig.4 High power laser cavity surface temperature of thermal infrared imager

由圖3和圖4可知電學(xué)方法測(cè)量結(jié)果明顯高于紅外熱成像法測(cè)量結(jié)果。紅外熱成像法采集到的激光器巴條的溫升是48.5℃。采用相同的時(shí)間起點(diǎn)，電學(xué)法采集到的溫升是52.5℃。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因兩個(gè):一方面，紅外熱成像法測(cè)量的是器件的表面溫度，比器件結(jié)溫要低;另一方面，紅外的分辨率一般為5μm左右，其測(cè)量溫度測(cè)量區(qū)域的平均值，對(duì)于深亞微米有源區(qū)器件，其測(cè)量值比實(shí)際值偏低。提取紅外成像溫度隨時(shí)間的變化，并作歸一化處理，與電學(xué)法測(cè)量的溫度進(jìn)行比較，如圖5所示，兩種測(cè)試方法激光器巴條達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間相同。

圖5 紅外法和電學(xué)法測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)歸一化圖Fig.5 Temperature normalization of Infrared measurement and electric method

3.2 基于電學(xué)法測(cè)量半導(dǎo)體激光器巴條的光轉(zhuǎn)換效率

在測(cè)試前將大功率激光器放在溫度為25℃的恒溫平臺(tái)上，為保證更好的散熱條件，激光器與恒溫平臺(tái)之間施加了25 N壓力，以保證激光器的充分散熱及與恒溫平臺(tái)的等溫條件。熱阻是半導(dǎo)體器件的一個(gè)基本參數(shù)，對(duì)于已經(jīng)封裝好的激光器巴條來(lái)說(shuō)，其標(biāo)準(zhǔn)熱阻保持不變，當(dāng)工作電流高于閾值電流時(shí)激光器巴條開(kāi)始激射，一部分電功率轉(zhuǎn)化為光功率，因此我們測(cè)試低于閾值電流時(shí)的熱阻就是器件的標(biāo)準(zhǔn)熱阻，施加不同電流的大功率激光器巴條的熱阻測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同電流密度下激光器巴條的結(jié)構(gòu)熱阻圖Fig.6 The structure function thermal resistance of high power thermal resistance under different current density

從圖6可以看出，施加電流小于閾值電流情況下電流為2 A，激光巴條標(biāo)準(zhǔn)熱阻值為2.33℃/W。測(cè)量電流大于閾值電流的情況下5 A、10 A、15 A時(shí)穩(wěn)態(tài)熱阻值分別為2.25℃/W、1.95℃/W、1.85℃/W。工作電流大于閾值電流時(shí)，穩(wěn)態(tài)熱阻隨著工作電流增大而減小。我們認(rèn)為激光巴條隨著電流密度的增大，光轉(zhuǎn)換效率增大是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。通過(guò)測(cè)量施加不同工作電流的大功率激光器巴條的瞬態(tài)熱阻，結(jié)合公式(1)、(2)、(3)分析出其產(chǎn)生激光的過(guò)程中內(nèi)部芯片熱特性和發(fā)光情況。

大功率激光器巴條在2 A、5 A、10 A、15 A的電功率分別為2.96 W、8 W、17.6 W、28.7 W。通過(guò)公式(1)式和(2)可以計(jì)算出5 A、10 A、15 A情況下的光功率分別為0.27 W、2.87 W、5.91 W，我們用光功率除以器件施加的總功率可以得到所對(duì)應(yīng)的光轉(zhuǎn)換效率分別為3.4%、16.3%、20.6%。隨著施加功率增加，大功率激光器的熱阻不斷減小，而其光轉(zhuǎn)換效率不斷增大。

為了驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用大功率半導(dǎo)體激光器參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量(LG07SS－3)對(duì)不同電流密度下的光功率和光轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了測(cè)量。電學(xué)法測(cè)量的大功率激光器巴條的光轉(zhuǎn)換效率與半導(dǎo)體激光器參數(shù)測(cè)試儀的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示。

圖7 光轉(zhuǎn)化效率對(duì)比圖Fig.7 Light conversion efficiency comparison chart

測(cè)試結(jié)果表明:大功率激光器巴條的光轉(zhuǎn)換效率隨著電流密度的增加而增大，與電學(xué)法測(cè)量的半導(dǎo)體激光器巴條熱阻的結(jié)果基本一致。值得注意的是，通過(guò)溫度測(cè)量得到的光轉(zhuǎn)換效率比實(shí)際測(cè)量值稍高，并且隨著功率的增大，差值逐漸增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是，由于溫度測(cè)量過(guò)程中存在一個(gè)從工作狀態(tài)到測(cè)量狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，本試驗(yàn)中為10μs左右，使得測(cè)量的溝道溫升小于實(shí)際值，從而計(jì)算得到的耗散功率比實(shí)際耗散功率小，因此得到的發(fā)光功率大于實(shí)際值。因此，我們認(rèn)為通過(guò)電學(xué)法測(cè)量器件溫度可以有效測(cè)量出激光器的光轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)論

本文利用電學(xué)法測(cè)量了大功率激光器巴條的工作溫升，并通過(guò)紅外熱成像方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示采用電學(xué)法能測(cè)量出大功率激光器巴條的工作溫升。同時(shí)我們提出了一種利用電學(xué)法測(cè)量器件結(jié)溫獲取大功率激光器巴條的光功率的新方法，并用大功率半導(dǎo)體激光器參數(shù)測(cè)試儀對(duì)此方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可以有效的測(cè)量出激光器巴條的光轉(zhuǎn)換效率。

［1］ QIAO Yanbin，F(xiàn)ENG Shiwei，MA Xiaoyu．In frared and laser engineering［J］．Infrared and Laser Engineering，2011，40(11):2134－2137．(in Chinese)喬彥彬，馮士維，馬驍宇，等．GaAs基半導(dǎo)體激光器熱特 性［J］．紅 外 與 激 光 工 程，2011，40(11):2134－2137．

［2］ WANG Dehong，LI Yajing，AN Zhenfeng．Nanoeiectronic device＆technology［J］．Micronanoelectronic Technology，2008，45(9):508－511．(in Chinese)王德宏，李雅靜，安振峰．大功率半導(dǎo)體激光器步進(jìn)加速老化研究［J］．微納電子技術(shù)，2008，45(9):508－511．

［3］ Li J，F(xiàn)eng S，Zhang G，et al．Thermal analysis of high power laser diodes with multiple emitters［J］．Infrared and Laser Engineering，2012，41(8):2027－2032．

［4］ Zhang Y，F(xiàn)eng S，Zhu H，et al．Two-dimensional transient simulations of the self-heating effects in GaN-based HEMTs［J］．Microelectronics Reliability，2013，53(5):694－700．

［5］ CHENG Dongming，DU Yanli，MA Fengying，et al．The study and prospects of heat sink technology about semiconductor lasers［J］．Electronics＆Packaging，2007，7(3):27－32．(in Chinese)程?hào)|明，杜艷麗，馬鳳英，等．半導(dǎo)體激光器散熱技術(shù)研究及進(jìn)展［J］．電子與封裝，2007，7(3):27－32．

［6］ Del Alamo J A，Joh J．GaN HEMT reliability［J］．Microelectronics reliability，2009，49(9):1200－1206．

［7］ Lapointe M A，Chatigny S，PichéM，et al．Thermal effects in high-power CW fiber lasers［C］//SPIE LASE:Lasers and Applications in Science and Engineering．International Society for Optics and Photonics，2009:71951U－71951U－11．

［8］ Hwang W J，Lee T H，Choi J H，et al．Thermal investigation of GaN-based laser diode package［J］．Components and Packaging Technologies，IEEE Transactions on，2007，30(4):637－642．

［9］ Park J，Shin M W，Lee C C．Thermal modeling and measurement of GaN-based HFETdevices［J］．Electron Device Letters，IEEE，2003，24(7):424－426．

［10］CUI Bifeng，LU Pengcheng，GUO Weiling，et al．Thermal characterization of hight-power laser diode cascaded by tunnel junction［J］．Jounrnal of Functional Materials and Devices，2004，10(1):87－89．(in Chinese)崔碧峰，魯鵬程，郭偉玲，等．隧道級(jí)聯(lián)大功率半導(dǎo)體激光器熱特性分析［J］．功能材料與器件學(xué)報(bào)，2004，10(1):87－89．

［11］Kuball M，Hayes J M，Uren M J，et al．Measurement of temperature in active high-power AlGaN/GaN HFETs using Raman spectroscopy［J］．Electron Device Letters，IEEE，2002，23(1):7－9．

［12］FENG Shiwei，XIE Xuesong，LChangzhi，et al．Measure and study on thermal characteristics of semiconductor devices by electrical method［J］．Chinese Journal of Semiconductor，1999，20(5):358－364．(in Chinese)馮士維，謝雪松，呂長(zhǎng)志，等．半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測(cè)量與分析［J］．半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，1999，20(5):358－364．

［13］Hwang W J，Lee T H，Nam OH，et al．Thermal analysis of GaN-based laser diode package［J］．Physica Status Solidi(c)，2006，3(6):2174－2177．