基于ANSYS半導體激光器熱特性模擬與分析

姜曉光，趙英杰，吳志全

(1.長春理工大學 材料科學與工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 高功率半導體激光器國家重點實驗室，長春 1300222)

半導體激光器具有效率高，單色性與方向性好，體積較小(采用TO封裝)，工作電源電壓較低及使用較方便等優點被廣泛應用于光纖通信、制導、測量、醫療及信息存取等領域[1]。近年來，隨著半導體激光器芯片制造工藝的不斷提高，半導體激光器實現了在去除熱電制冷器后仍能穩定工作。由于缺少熱電制冷器，這使得半導體激光器的工作溫度將受封裝結構的影響。另外隨著激光器芯片輸出功率的不斷提高，其芯片的熱量積累將變得更加嚴重。因此，減少激光器封裝結構的熱阻，控制激光器熱量的產生，是設計激光器結構主要考慮的因素。

有限元法是求解數理方程的一種數值計算方法，是解決工程實際問題的一種有力的數值計算工具。

有限元法具有以下特點[4]：

1.由于采用小區域劃分，可以把各種復雜的結構劃分成簡單的正規的小區域，因此有限元模型可以適用于各種復雜的結構。

2.劃分的子域足夠小，邊界條件就可以近似相等，因此有限元模型可以適用于各種復雜的邊界條件求解。

3.足夠小的子域可使區域內的材料特性可以看成均勻的，因此有限元模型對復雜的材料也能很好的求解。

利用有限元方法在傳熱學中的應用，能夠解決復雜的三維連續體熱傳導問題。Ansys是一款功能強大，融合結構、熱、流體電磁等一體的大型通用有限元分析軟件，目前已廣泛用于電子技術、土木工程、船舶制造、航空航天、能源、國防軍工等工業領域和科學研究領域[4]。Ansys作為新穎的有限元分析軟件在處理熱分析問題方面具有強大的功能，而且在涉及熱學特性的多物理場耦合分析中也具有很好的處理能力。

本文采用Ansys有限元分析軟件針對中紅外In-AlAs/InGaAs/InP量子級聯激光器熱特性進行研究。優化設計激光器封裝結構和結構參數，用Ansys對激光器進行了熱場模擬和分析，得到一系列對封裝結構設計和制造工藝有參考價值的數據。

1 結構模型設計和有限元熱特性模擬分析

Ansys進行熱分析計算的基本原理是將所處理的對象劃分成有限個單元(包含相應的若干節點)，然后根據能量守恒原理求解給定邊界條件和初始條件下每一節點處的熱平衡方程，由此計算出各節點溫度，繼而進一步求解出其他相關量。總體來說，單元劃分得越小，計算精度就越高。但根據具體情況可以靈活地改變單元尺寸。這樣，我們無須增加單元和節點即可以提高計算精度。Ansys進行模擬步驟基本步驟如圖1所示。

圖1 Ansys模擬步驟Fig.1 Ansys simulation steps

1.1 引入假設

為了最大的減少激光器的熱阻，必須對激光器整體封裝結構進行優化設計。半導體激光器一般的寬度和厚度均為m量級，長度為mm量級，熱沉的尺寸為cm量級，而外延層結構厚度可達nm量級，這就使得我們在設計結構模型時必須加以假設。

針對激光器結構我們引入的假設:

1.在實際濕法刻蝕很難刻蝕出完全垂直的脊條，我們假設為完全垂直的脊條。

2.對于一些厚度很薄的層，如量子級聯激光器有源區上下梯度緩沖層等，可以忽略不計；對于有源區的量子阱和超晶格結構我們假設為一層。

3.電流注入與熱流密度在諧振腔方向是均勻分布。

圖2 脊條形激光器橫截面示意圖Fig.2 Cross section sketch map of ridge laser

1.2 熱產生機制

在工作狀態下，激光器主要的熱量是由于有源區中載流子非輻射復合，輻射吸收和自發發射所產生的[2]。為了簡化計算，假定電流限制區的電流密度是均勻的。

1.有源區產生的熱量Qavtive：

式中：dactive為有源區的厚度，Vj為PN結上的電壓降，j為注入電流密度，jth為閾值電流密度，sp為自發發射內量子效率，i為受激輻射內量子效率，fsp為自發輻射光子逃逸因子。

2.電極層中熱量主要是表面接觸電阻產生的焦耳熱，用Q0表示式中con表示電極層與p型GaAs的接觸電阻值，d為該層的厚度。

3.其他各層的熱量都以焦耳熱的形式產生，用Qi表示

1.3 模型建立

Ansys中建立模型的方法有:直接手工建模法、實體建模法、導入其他建模工具如：CAD、pro/e等創建的模型。對于本論文所研究的半導體激光器來說，采用實體建模法比較合適。實體建模法需要建模人員具備很強的空間思維能力，其中還需要一些技巧。實體模型建立以后，再對模型進行網格劃分生成有限元模型。

在Ansys中建立模型有幾個關鍵步驟：

1.激光器模型尺寸較小，長度單位統一選為微米值制：

2.在設置單元屬性時注意溫度對材料特性的影響，可以利用Ansys中MP命令設置材料特性參數關系，插入表1材料參數。

3.在劃分網格時，比較關注的是有源區出溫度分布，因此在劃分網格時讓有源區網格盡量小，保證其精確度。

表1 激光器結構尺寸和材料參數Tab.1 Laser structure size and material parameters

采用的激光器為中紅外 InAlAs/InGaAs/InP量子級聯激光器。其芯區包含25級三阱耦合垂直躍遷結構，激射波長約為8m。器件采用脊波導型FP腔結構。為了對不同的燒結類型進行散熱對比，研究激光器的散熱效果，通過兩種不同的燒結類型對激光器的熱分布進行模擬。這兩種燒結類型分別是正裝貼片(襯底焊接到熱沉上)和倒裝貼片(外延層焊接到熱沉上)，其結構模型如圖3所示。

圖3 (a)激光器倒裝貼片 (b)激光器正裝貼片Fig.3 (a)Epi-down laser (b)Epi-up laser

1.4 模擬結果與分析

對一個中紅外InAlAs/InGaAs/InP量子級聯激光器進行計算，結構參數和材料參數見表1。計算選取f=0.4，i=0.9，sp=0.66，Vj=1.97，Ith=174mA，I=450mA，環境溫度選取 25℃，對流交換系數為23.2W/(m2k)。

圖4給出激光器在倒裝貼片和正裝貼片時出光端面二維溫度分布云圖。可見器件溫升主要集中在有源區。熱量主要由有源區產生，經過襯底傳到熱沉上，再由熱沉散發出去。

圖4 (a)倒裝貼片型激光器 (b)正裝貼片型激光器溫度分布云圖 溫度分布云圖Fig.4 (a)Temperature distr-(b)Temperature distribution of epi-down laseribution of epi-up laser

對于正裝貼片型激光器來說最高溫度在有源區中間，溫度為 52.5℃，跟熱沉底部溫度相差有27.5℃，其熱阻為Rth=(52.5 25)/6.3=4.37(K/W)。對于倒裝貼片型激光器來說，最高溫度在激光器的有源區中間，為 46.7℃，跟熱沉底部溫度相差有21.7℃，根據熱阻計算公式Rth=(T T0)/P=(46.7 25)/6.3=3.44(K/W)。相比之下，倒裝貼片型激光器的散熱效果要好得多，能有效的降低工作溫度。采用倒裝貼片方式就是使熱源盡量靠近良導熱體熱沉，于是器件和熱沉之間的焊接材料的厚度和熱導率就成了封裝散熱的關鍵因素。

2 結論

本文詳細介紹了用有限元法進行激光器的熱特性模擬和分析方法與步驟。采用商用有限元軟件，設計了模擬激光器熱特性的方法與步驟。通過對In-AlAs/InGaAs/InP量子級聯激光器正裝貼片和倒轉貼片型兩種燒結類型的熱特性模擬分析，得到兩種類型的溫度分布結果，在25℃的環境溫度下，正裝貼片和倒轉貼片型激光器的熱阻分別為 4.37K/W 和3.44K/W。因此在室溫下風冷采用倒裝貼片對脊條形激光器的散熱能起很好效果。

[1]張永剛，何友軍.半導體激光器的熱場分析及熱特性表征[J].稀有金屬，2004，28：551-553.

[2]李毅，蔣群杰，武斌，等.非制冷980 nm泵浦激光器封裝技術[J].紅外與激光工程，2006，35(增刊):110-114.

[3]江劍平.半導體激光器[M].北京：電子工業出版社，2000.

[4]唐興倫，范群波，張朝暉，等.ANSYS工程應用教程—熱與電磁學篇[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[5]杜國同.半導體激光器件物理[M].長春：吉林大學出版社，2002.