大功率量子級聯激光器的光學與熱學協同優化設計

楊若珂,張東亮,鄭顯通,田 旺,柳 淵,鹿利單,祝連慶,王偉平

(1.北京信息科技大學 光電信息與儀器北京市工程研究中心,北京 100016;2.北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院,北京 100016;3.中國電子科技集團公司智能科技研究院,北京 100015)

1 引 言

量子級聯激光器(QCL)是一種新型單極半導體激光器,其利用量子能帶工程調節導帶子帶間的能級結構,在子帶間的傳輸躍遷來實現輻射發光。QCL具有波長覆蓋范圍廣、轉換效率高、體積緊湊、可靠性高等優勢,在定向紅外對抗、紅外激光制導、?；窓z測、氣體傳感器等諸多領域都有重要的應用。由于QCL有源區是由多周期納米量級的外延層交疊組成的超晶格結構,其工作時需外加偏壓才能形成所需的能帶結構以及足夠的注入電流,激發子帶間電子躍遷,注入的電流會在有源區產生大量的焦耳熱,嚴重的熱積累會影響器件的工作溫度和輸出功率,惡化器件性能[1]。目前,QCL輸出功率的提升主要通過新型有源區設計提升電光轉換效率,以及通過波導結構設計與封裝工藝降低熱積累效應,但將單模QCL輸出功率擴展到多瓦甚至更高功率仍然是一個極大的挑戰。

在有源區設計方面,各研究團隊先后提出了三阱垂直躍遷有源區、超晶格有源區、應變補償量子阱有源區、束縛-連續躍遷有源區、四阱雙聲子共振有源區、非聲子共振設計結構等有源區設計方案[2]。在波導設計方面,掩埋式異質結結構被證明是提高器件性能非常成功的方法。2007年,Razeghi團隊首次采用窄脊掩埋異質結波導和新的封裝工藝,用溝道寬度為6 μm的摻鐵InP雙溝道,實現了器件在150 K下連續波輸出功率超過1 W,電光轉換效率超過18 %[3]。2011年,哈弗大學Capasso團隊采用錐形波導結構減輕QCL材料中的增益飽和效應,實現了在4.5 μm下連續輸出功率超過4.5 W[4]。2012年,Lyakh團隊采用錐形掩埋異質結構波導制備了發射波長為 4.7 μm的QCL,該器件在283 K下產生超過4.5 W連續輸出功率[5]。2020年,國內中國科學院及長春理工大學等研究機構采用半絕緣掩埋異質結構,使長波器件輸出功率較傳統結構提升85 %,室溫最大輸出功率從280 mW提高到520 mW[6]。在封裝散熱設計方面,美國西北大學Razeghi團隊研究證明,在激光器脊周圍電鍍金可以使器件熱阻減少43 %[7]。國內劉鋒奇團隊等的研究結果表明,采用倒裝焊封裝方式,可使產生熱的有源區更接近熱沉的接觸面,減少熱阻,可顯著提升QCL散熱性能[8]。

目前美國西北大學報道了世界上最高輸出功率的單管基橫模QCL,其激射波長為4.6 μm,室溫下連續波輸出功率為5.1 W,脈沖工作模式下電光轉化效率高達27 %[9],該器件結構是通過氣體源與固態源結合的分子束外延設備(Gas-MBE)生長完成。由于此類生長設備非常特殊,商業化設備很少見,國際上報道的另一種方法是采用固態源MBE生長核心層結構與MOCVD生長波導層結構相結合的方法生長完整的器件結構,該方法能夠通過常規設備實現InP即QCL的外延生長,也是本文采用的方法。但這種方法存在的問題是:在MBE中進行有源區生長前,需對襯底進行脫氧,而通常固態MBE沒有磷源,InP襯底直接脫氧無磷保護的情況下會破壞材料表面,影響下一步外延材料的表面粗糙度,進而降低器件效率。為了避免這個問題,本課題組提出在使用MBE生長有源核心區前采用MOCVD外延生長一層晶格匹配In0.53Ga0.47As層,一方面便于在無磷源的固態MBE內進行As保護下的脫氧,另一方面MBE生長有源核心區后再外延生長一層晶格匹配In0.53Ga0.47As層,以保護完成外延的有源區,避免在向MOCVD轉移過程中污染或破壞有源區。

基于以上提到的材料外延工藝設計,本文研究針對大功率的中波紅外量子級聯激光器的波導結構與散熱結構協同設計方法,并進行封裝設計仿真優化,目標是在提高光限制因子、降低波導損耗的同時提高散熱效果,為基于二次外延工藝的大功率量子級聯激光器結構與工藝設計提供理論依據。

2 器件模型建模分析

本文設計仿真的目標器件性能參數為:QCL激射波長為4.6 μm,在室溫下單管輸出功率能夠達到4 W,電光轉換效率(WPE)達到15 %,預計熱輸出功率需要大于25 W。為實現這一目標功率,需要對QCL進行有源區設計和器件結構設計。其中有源區設計包括了材料體系的選擇和能帶結構設計,器件結構設計包括器件光學和熱學結構的設計,以及二者設計兼容性考慮。本器件的有源區設計參考目前世界上最高輸出功率的單管基橫模QCL[10],在此基礎上進行能帶結構調整與優化,進一步提升了增益和注入效率,優化后的有源區淺阱設計的能帶結構和波函數分布如圖1所示。該器件有源區由六種不同材料組成的淺阱設計構成,分別是應變的Ga0.31In0.69As(勢阱)和 Al0.64In0.36As(勢壘),InAs/AlAs 插入層,有源區接近晶格匹配的In0.53Ga0.47As和Al0.48In0.52As。因為有源區結構設計不屬于本文研究的內容,只是作為結構參數輸入到光學與熱學設計仿真模型中,在此不做詳細論述。

圖1 設計的淺阱有源區能帶結構和波函數分布圖

器件波導結構的設計考慮以下方面:一、設計的波導能有效地限制光場且有足夠低的光學吸收損耗、模式損耗;二、波導材料和結構的選擇要綜合考慮光學性能和散熱性能。如前所述,本器件在有源區上下分別外延生長晶格匹配的In0.53Ga0.47As包層,之后再生長InP波導包層。由于In0.53Ga0.47As導熱系數為5.23 W/(m·K),InP導熱系數為68 W/(m·K),InP的折射率為3.091+0.000i,In0.53Ga0.47As折射率為3.061+0.000i,因此包層和波導層結構的厚度會對器件的光學和熱學特性同時產生影響,結構優化要兼顧兩種特性。此外,還通過采用摻Fe的InP絕緣散熱溝道層,以及波導包覆金層的設計,來提升器件核心區的散熱效果。

綜上分析,本研究提出如圖2所示的器件結構:n型摻雜的InP(2×1017cm-3)基底,InP下包層(2×1017cm-3),In0.53Ga0.47As下包層(2×1016cm-3),有源區結構(平均摻雜2×1017cm-3),In0.53Ga0.47As上包層(2×1016cm-3),InP上包層(2×1017cm-3)和InP蓋層(1×1019cm-3),SiO2絕緣層,摻Fe的InP散熱溝道層,Au層。本文通過COMSOL有限元分析軟件對器件進行結構建模,假設沿激光器長度方向是均勻的,采用二維波導建模。圖3為器件結構圖。圖4為器件結構仿真優化流程圖。通過仿真優化器件結構模型,獲得滿足設計目標的器件結構參數。

圖2 器件整體結構模型示意圖

圖3 基于COMSOL的器件結構模型圖

圖4 器件結構仿真優化總體流程

3 基于有限元的光學結構分析

3.1 仿真分析流程及參數設置

在光學仿真中,首先定義有源區及各層的幾何參數及光學參數,之后設置邊界條件,再求解方程。由于在波導橫截面方向建模,幾何參數只需考慮波導寬度及各層厚度,波導寬度設置為8 μm,其中影響波導光限制因子的因素有In0.53Ga0.47As層和InP上下包層厚度參數,將其分別設置為變量Hg、Hup、Hlo,其余各層參數對于光學性能的影響較小,其中InP襯底、InP蓋層、SiO2絕緣層及Au層的厚度值來源于參考文獻[11]。此外,QCL有源區是由多層不同厚度的超薄層材料組成,為簡化模型,可看作是具有特定折射率的單體積層。本文通過 ErWinJr開源軟件獲取有源區整體的等效折射率參數以及各波導包層材料的折射率參數[12]。如表1所示,為模型中各層材料的光學參數設置。

表1 各層波導材料的幾何參數和折射率參數

3.2 光學仿真結果分析

本節將通過光學模型的仿真,得到不同參數設計下的波導光場分布、波導光限制因子(Γ)及波導損耗α(w)。這里將討論以下幾組數據:In0.53Ga0.47As層厚度分別為50、100、200、400 nm,下包層 InP 厚度分別為0.3、0.5、0.8、1、2、3 μm,上包層 InP 厚度分別為:0.3、0.5、0.8、1、2、3 μm。

首先討論In0.53Ga0.47As層厚度對波導光場的影響,固定上下包層InP厚度為1 μm,對In0.53Ga0.47As層厚度進行參數掃描,得到如圖5所示結果。由圖可得,In0.53Ga0.47As層厚度的變化對光場的影響程度較小,隨著厚度增加光場無明顯泄露。其次,固定In0.53Ga0.47As層厚度為50 nm,下包層厚度為1 μm,對上InP包層厚度進行參數掃描,得到波導TM模式分布,如圖6所示。最后,固定In0.53Ga0.47As層厚度為50 nm,上包層厚度為2 μm,對下包層InP厚度進行參數掃描,得到如圖7所示結果,由圖可知,下包層厚度在0.3～0.8 μm時,光場泄露至襯底層。

圖5 不同In0.53Ga0.47As厚度對應的波導的TM模式分布圖

圖6 不同InP上包層厚度對應的波導的TM模式分布圖

圖7 不同的InP下包層厚度對應的波導的TM模式分布圖

為了確定不同參數下波導對光的限制程度,還需求解波導的光限制因子,如公式(1)所示[13]:

(1)

其中,ΓTM為TM模式的光學限制因子,E的模平方為功率流。在COMSOL中,利用表面積分公式可直接求解波導的光限制因子。

同時,通過模式分析得到有效折射率參數,根據公式(2)求解對應模式的波導損耗:

α(w)=4πk(w)/λ0

(2)

其中,k(w)為消光系數,λ0為波長。圖8(a)～(c)為通過參數掃描計算得到的光限制因子及波導損耗隨著各功能層厚度參數的變化曲線。圖8(a)展示了Γ及α(w)值隨In0.53Ga0.47As層厚度的變化趨勢:當上、下包層厚度為1 μm時,Γ1隨著In0.53Ga0.47As厚度的增加逐漸減小,在厚度為400 nm時,Γ值為0.66;α1(w)值也隨著In0.53Ga0.47As波導厚度的增加而減小,當大于250 nm時快速下降為0;在上包層厚度為2 μm,下包層厚度為1 μm時,Γ2隨著In0.53Ga0.47As厚度的增加逐漸減小,在厚度為400 nm時,Γ值為0.65,而α2(w)不隨In0.53Ga0.47As波導厚度變化而變化,保持為0。

圖8 光學限制因子及波導損耗隨不同功能層厚度參數變化

圖8(b)展示了InP上包層厚度對Γ及α(w)值的影響,由圖可得,上包層厚度為0.5 μm時,Γ最大為0.74,與最小值僅相差0.04;α(w)值隨著上包層InP厚度的增加而減小,在上包層厚度為0.5 μm時,α(w)值為3.5,與最小值相差3。α(w)變化幅度大。圖8(c)展示了InP下包層厚度對Γ及α(w)值的影響,由圖可得,在固定In0.53Ga0.47As厚度為50 nm,上包層InP厚度為2 μm時,Γ隨著下包層厚度的增加而減小,但幅度僅為0.01,可忽略。α(w)值固定不變為0。

通過以上分析可知,In0.53Ga0.47As層厚度變化對Γ值影響大,上包層InP厚度變化對α(w)值影響大,而下包層厚度對Γ及α(w)影響很弱。因此,在光學模型中選取In0.53Ga0.47As層厚度為50 nm,上包層InP厚度為2 μm,下包層InP厚度為1 μm,波導損耗最小,波導限制效果較好。

4 基于有限元的熱學結構分析

4.1 仿真分析流程及參數設置

本節將基于COMSOL軟件熱學仿真模塊對器件熱特性進行精確求解。首先需要對QCL的傳熱機制進行分析,以便于進行熱學模型的邊界條件設置。因為大部分電壓在激光器的有源區域下降[13],QCL器件熱量的產生主要在于核心層,可忽略波導層和基底層中電流的焦耳加熱效應。在QCL中各材料之間的傳熱方式是固體傳熱,固體熱傳導方程如式:

(3)

式中,K為導熱系數。激光器和散熱器的表面與周圍的氣體環境會發生由對流引起的熱傳遞,由公式描述:

-h(Text-T)=Q(W·m-2)

(4)

式中,h為對流傳熱系數,設置為20 W/m2K;Text是固體的表面溫度;T是遠離表面的氣體的溫度。第三種傳熱方式是輻射的,用公式描述:

(5)

式中,ε是表面發射率,σ是斯蒂芬-玻爾茲曼常數5.67×10-8W·m-2;Tssur為遠離表面的周圍背景溫度;T為表面溫度。在QCL溫度小于500 K時,可以忽略輻射[14]。

分析QCL器件的傳熱機制后,通過固傳熱模塊中的熱通量設置、固體傳熱設置、熱源和初始溫度、邊界條件設置,求解計算獲取在不同結構參數下的器件溫度分布。熱學模型參數包括幾何參數、材料的熱導率、熱容參數以及邊界條件參數,對于二維熱學結構模型,其波導幾何結構與光學波導結構基本一致,不同點在于在兩邊添加了摻鐵InP散熱掩埋溝道層,溝道層的寬度設置為10 μm,InP熱學參數來源于已有研究結果[15]。有源區多層薄膜結構,其導熱系數與體材料有很大差異,由于界面效應,應考慮各向異性導熱系數(k∥≠k⊥)[16],SiO2和金的熱學參數來源于已有研究結果[17],所用到的材料的熱學參數設置如表2所示。

表2 熱學模型中材料參數

有源核心區設置為發熱源,通過目標激光器功率和電光轉換效率計算得到,發熱功率需設置為25 W。邊界條件中,設置熱沉溫度為280 K,其他外部邊界都設置絕熱,封裝方式采取倒裝焊結構,即外延面朝下與銅熱沉接觸。

4.2 熱學與光學仿真結果協同分析

本研究中選取波導層In0.53Ga0.47As厚度分別為:50、100、200、400 nm,波導下包層InP厚度分別為:0.3、0.5、0.8、1、2、3 μm,上包層InP厚度分別為:0.3、0.5、0.8、1、2、3 μm。固定上包層InP厚度為2 μm,下包層InP厚度為1 μm,金層厚度為3 μm,對In0.53Ga0.47As厚度進行掃描,得出如圖9所示的結果,隨著In0.53Ga0.47As厚度層的增加,核心區溫度逐漸上升,在400 nm時,溫度最高達到406 K。之后,固定In0.53Ga0.47As厚度為50 nm,下包層厚度為1 μm,金層厚度為3 μm,對上包層InP參數進行掃描,得到圖10所示的結果,由圖可知,上包層厚度由0.3 μm增加至3 μm,器件核心區溫度由371K上升至381 K。最后,固定In0.53Ga0.47As厚度為50 nm,上包層厚度為2 μm,金層厚度為3 μm,對下包層InP厚度參數進行掃描,得到如圖11所示結果,由圖可得,下包層InP厚度增加對核心區溫度無明顯影響。

圖9 不同In0.53Ga0.47As厚度對器件溫度的影響

圖10 不同上包層InP厚度對器件溫度的影響

圖11 不同下包層InP厚度對器件溫度的影響

結合上述光學與熱學仿真結果分析可知,In0.53Ga0.47As層厚度變化對描述器件光學和散熱性能的三個參數(Γ、α(w)、T)值有明顯的影響,該層趨向于越薄越有利于器件性能提升;InP上包層的厚度變化對α(w)和T值有明顯的影響,該層趨向于越厚越有利于器件性能提升;InP下包層的厚度變化對器件光學及散熱效果影響較小。考慮到材料外延工藝,綜合分析得到,在波導In0.53Ga0.47As層厚度保持在50 nm,波導上包層厚度為2 μm,下包層厚度為1 μm,器件光學和散熱綜合性能較好,得到優化后的參數可為后續工藝提供指導。最后,通過參數掃描分析封裝金層厚度對器件溫度的影響,在固定各功能層厚度之后,金層的厚度分別設置為:1、3、5、8 μm,獲得器件整體溫度分布如圖12所示。由圖可知,在金層厚度為1～8 μm時,核心層溫度幾乎不變。

圖12 不同金層厚度對器件溫度的影響

5 總結及展望

本文利用多物理場耦合仿真有限元分析軟件Comsol Multiphysics 5.6,結合目前世界上最高單管基橫模QCL的淺阱高勢壘有源區能帶結構的改進設計,基于二次外延工藝限制,采用新型波導設計,對QCL進行了光學和熱學結構的建模與仿真優化。通過仿真得到在不同參數設計下器件的光場分布及整體溫度分布,確定了適用于本器件結構的各層波導參數和散熱結構參數。仿真得出:對于倒裝焊結構,In0.53Ga0.47As層厚度的變化影響著器件光學和熱學性能,在厚度取50 nm時,效果最佳;上包層InP厚度的變化,主要影響波導損耗的大小,從而影響器件性能,在厚度大于2 μm時,波導損耗低至0;下包層InP厚度的變化對器件光學及散熱性能影響幾乎可忽略;在封裝結構中,隨著金層厚度的增加,器件核心層溫度無明顯變化。此外,在QCL的仿真模擬中,由于器件溫度會影響材料折射率的變化,可能存在一定的不準確性,但這不會影響變化趨勢。因此,在后續的研究中會結合實驗數據,對本研究中的器件結構進一步迭代優化。