垂直腔面发射半导体激光器(VerticalCavity SurfaceEmittingLaser,VCSEL)具有光束对称、低阈值、高速调制、单纵膜、没有光学镜面的灾难性损伤和易于生产密集的二维面阵等优点,被广泛应用于激光抽运、红外激光器光源、光存储、三维传感和光探测等领域。
金刚石在目前研发的高热导率材料中,其硬度、绝缘性和稳定性更适用于高功率器件以及极端复杂环境, 它独特的晶格结构和强共价电子键的组合导致了通过声子进行热传导的巨大容量,再加上它的低介电损耗、低摩擦系数、大光谱范围的透明度、高硬度和化学惰性以及热膨胀系数可变,能够很好地消除剪切应力,因此金刚石在热管理方面具有非常突出的优势。
采用金刚石过渡热沉的优势是能将芯片产生的热量快速传导到铜热沉,并与铜热沉绝缘以便设计大面积封装结构。为了研究金刚石过渡热沉对 VCSEL面阵温度的影响,利用有限元分析法模拟研究了加入过渡热沉后 VCSEL 面阵的散热效果,通 过考量激光器面阵中最高温与最低温的温度差值来衡量面阵单元间温度的均匀性。传统封装结构的 VCSEL面阵最高温度为39.882℃,最低温度为36.237℃,其发 光单元的温度差值为3.645℃,最高温度在发光单元的中心位置处,而最低温度位于边缘位置处,发光单元产生的热量在最中心部分积累,中心位置温度 最高。加入金刚石过渡热沉后,面阵的最高温度降 低到38.856℃,最低温度降低到35.547℃,发光单 元的温度差值缩小为3.309℃。因此,金刚石过渡热沉相比传统封装结构能使VCSEL面阵的温度降低的同时使得发光单元的最高温度和最低温度差值减小。这是由于,面阵内部产生的热量主要是通过热传导的方式从芯片传导到热沉中,采用金刚石做过渡热沉使得芯片产生的热量快速传导出去,额外 增加了封装结构的散热途径,使得相邻发光单元间的热影响减弱。
利用金刚石这一高热导材料作为热沉,能使导热效果比用传统热沉的大功率半导体激光器的效率提高1.5~2.0倍,并且采用金刚石作为基于量子点的高效率垂直外腔面发射激光器的热沉, 提高了有源区热量的均匀性。因此,金刚石在改善热传导方面具有很大的优势。若将高导热材料金刚石与传统导热材料铜结合制成复合热沉,不仅能提高热导率,还能改变热沉内部热流流向,对降低VCSE面阵发光单元间的热串扰效应而使激光器的性能实现显著提高具有重要作用。
化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
