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CVD金刚石热沉封装高功率半导体激光器的热特性

发表时间:2021-12-29 15:45作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、可调节性强和使用方便等优势,广泛用于固体激光器泵浦、材料加工、医疗美容和军事国防等诸多领域。然而,随着半导体激光器制造工艺的成熟,特别是高功率小体积器件,可靠性成为制约其发展的重要因素。高功率半导体激光器会在小面积上产生一个极大的热通量,特别是连续波(CW)驱动下,局部热阻造成有源区温度随着电流增大而不断升高,使电光转换效率随温度升高指数降低,甚至引发腔面灾变性光学损伤,严重抑制器件的可靠性与使用寿命。目前半导体激光器封装常用的热沉材料如:AlN和Cu等,其中AlN由于导热率低,难以实现良好的散热效果,而Cu的导体特性会导致水冷热沉通道内的电化学腐蚀,从而造成堵塞。


金刚石具有极高的导热率,作为高功率半导体激光器封装热沉,表现出优异的散热特性:一方面将集中于器件PN结的热量能够均匀迅速的沿热沉表面扩散;另一方面将热量沿热沉垂直方向迅速导出。天然金刚石由于成本问题无法应用于半导体激光器封装,因此CVD金刚石膜可适用于半导体激光器热沉材料。StefanWeiβ等研究了封装于CVD金刚石热沉的半导体激光器电光特性,斜率效率可达1W/A,电光转换效率约45%。Parashchuk将封装于金刚石和铜热沉的半导体激光器与进行对比,金刚石封装器件斜率效率提高约1.5倍。上述研究仅报道了金刚石热沉封装半导体激光器的电光特性,而优化金刚石沉积工艺对器件电光特性影响未见报道。


制备CVD金刚石膜可通过热丝CVD、直流电弧等离子体喷射CVD和微波CVD等方法实现。


本文沉积金刚石膜所采用的EACVD技术是以热丝CVD为基础,在灯丝与衬底之间加载高电压,使等离子体加速到达衬底,提高金刚石的沉积速率,可实现规模化生产。同时在沉积过程中控制适量O2以加强对非金刚石相刻蚀,制备出导热性能优异的高品质金刚石膜作为热沉用于半导体激光器封装。


CVD金刚石热沉制备

  通过电子辅助化学气相沉积系统(EACVD)沉积自支撑金刚石膜。采用Mo片(65mm)作为衬底,以粒径1μm的金刚石微粉进行研磨,然后在乙醇和去离子水中超声清洗10min。将预处理好的衬底放入沉积室,并连接好Ta丝作为灯丝,本底真空抽至0.01Pa,通入H2和O2为辅助气体,CH4为碳源气体,灯丝与衬底之间加载直流功率沉积金刚石膜。研究O2流量为0sccm、2sccm、5sccm和10sccm对金刚石沉积的影响,分别记为样品a、b、c和d,具体工艺要求如表1所示。沉积结束后,采用化学机械抛光对制得的自支撑金刚石膜进行表面平坦化处理,使粗糙度低于10nm。采用YAG激光切割机将金刚石抛光片切割为12×8mm2尺寸,作为半导体激光器封装热沉。



半导体激光器封装


通过磁控溅射系统在CVD金刚石热沉片表面沉积Ti/Pt/Au多层膜,作为金属化层。通过电子束蒸发系统沉积10μm厚的In膜,作为半导体激光器封装焊料层。采用高精度贴片机,以COS(ChiponSubmount)结构将半导体激光器线阵贴片于金刚石热沉表面,并贴片于铜基水冷热沉,封装结构如图1所示。实验中使用的半导体激光器线阵取自于同一GaAs晶圆,确保外延、溅射和光刻等工艺条件相同,减小器件性能差异。



表征与测试


通过扫描电子显微镜(EM,Zeiss)和拉曼光谱仪(Raman,ThermoScientific)对制备的金刚石膜的形貌结构和物相成分等进行表征。通过光热偏转导热仪对金刚石热沉的导热率进行测试。通过积分球(Sphere,Labsphere)、热电偶温度计、电流驱动源和水冷机组建的测试平台对半导体激光器的电光特性进行测试。


O2流量对金刚石的沉积与导热率影响


图2为制备的金刚石膜样品a、b、c和d形貌的SEM照片。由图2(a)可见,在不通入O2的条件下,沉积的金刚石膜为多晶结构,晶粒表面平滑棱角分明,结构完整,多为正八面体,以(111)晶面为主要生长取向。由图2(b)可见,在O2流量为2sccm时,金刚石晶粒尺寸有一定增大,晶粒表面出现一些平行排布的位错线。由图2(c)可见,在O2流量为5sccm时,晶粒的均匀性降低,其表面的位错线更为明显,晶粒表面还存在少量缺陷。由图2(d)可见,当O2流量增至10sccm时,晶粒尺寸显著增大,可达50~100μm,然而其结构的完整性降低,缺陷增加,晶粒表面的位错线扩展,边界的滑移量增大,出现了明显的“阶梯”。以上金刚石膜形貌的变化表明,随着O2流量的增加,加强了对金刚石膜生长表面的碳氢基团的刻蚀作用,降低了金刚石的形核密度,使金刚石晶粒尺寸增大,然而刻蚀作用也会导致金刚石生长过程中缺陷增加,降低了晶粒结构的完整性。



图3为不同O2流量下沉积的金刚石膜的Ra-man光谱,通过分析发现在波数1332cm-1和1440cm-1位置出现两个特征峰。其中,1332cm-1处的峰为sp3键碳散射峰,被认为是金刚石相特征峰。根据文献报道,1440cm-1处的峰是由sp2键碳引起的,对应于无定形碳或石墨,被认为是非金刚石相。由图3中可以看出,在不通入O2时,样品a的金刚石相与非金刚石相的峰强比为4.63;当氧流量达到10sccm时,样品d的金刚石相与非金刚石相的峰强比为32.26。以上分析表明,随着O2流量的增加,刻蚀作用加强,使非金刚石相成分降低。


图4为不同O2流量下沉积的金刚石膜的热传导特性的光热偏转检测,该方法通过一束功率较高的激励光照射金刚石使其加热,然后另一束低功率的检测光束掠射到金刚石加热区表面,因存在的折射梯度使其偏转,检测光束的偏转信号通过高灵敏度的传感器采集。通常,偏转信号到热源的距离r和相位φ与金刚石样品的热扩散系数α有如下关系:



其中,ω为激励光的调制频率,k=φ/r即为图4中检测信号的斜率,偏转信号到热源的距离r与相位φ呈线性关系,从而计算出热扩散系数α。金刚石热扩散系数α与热导率K又有如下关系:


其中,ρ为金刚石密度,C为其比热容。经过计算得到的金刚石导热率如表2所示,不通入O2条件下制备的样品a导热率为1158.6WK-1m-1,随着O2流量增加,加强了对非金刚石相的刻蚀,提高了金刚石品质,从而使制备的金刚石导热率得到提高,当O2流量为5sccm时,样品c导热率可高达1812.3WK-1m-1。然而,当O2流量增至10sccm时,样品d导热率为1515.7WK-1m-1。金刚石的热传导机理不同于金属,是利用晶格声子传导热量,与声子传播自由程有关,对于CVD金刚石膜热传导率大小受晶格中各种声子散射机制影响,当O2流量过高时,金刚石被严重刻蚀,使晶体中的缺陷增加,形成的倒逆散射使导热率降低。


基于金刚石热沉半导体激光器的电光特性


在连续波(CW)条件下,热沉温度为25℃,将封装于不同O2流量下制备的金刚石热沉的半导体激光器的功率-电流特性曲线进行测试,如图5所示。基于金刚石热沉样品a的封装器件,其阈值电流约为6.21A,斜率效率为1.12W/A,当输入电流为30A时,输出的光功率为26.5W;而金刚石热沉样品c的封装器件的阈值电流约为5.85A,斜率效率为1.30W/A,当输入电流为30A时,光功率为31.1W。可以看出,通入适当的O2流量可提高金刚石热沉的散热特性,可使器件获得低的阈值和高的斜率效率。然而对于O2流量为10sccm条件制备的热沉,即金刚石样品d的封装器件的阈值电流约为5.97A,斜率效率为1.24W/A。



图6为封装于不同O2流量下制备的金刚石热沉的半导体激光器电光效率-电流特性曲线,封装于金刚石热沉样品a的器件,在27A时达到电光转换效率最大值为52.2%;而封装于金刚石热沉c的器件的电光转换效率随着电流变化始终高于其他3个样件,具有优异的散热特性,获得的电光转换效率最大值为60.6%。



图7是热沉温度为25℃时,对封装于不同O2流量下制备的金刚石热沉的半导体激光器光谱特性的测试。图中的虚线峰对应脉冲输入条件下(50μs,200Hz)获得的光谱中心波长;实线峰对应连续波输入条件下(I=10,15,20,25和30A)获得的中心波长。由图7(a)可见,对于金刚石热沉a的封装器件,在脉冲方式下的中心波长为804.95nm,输入连续波30A时的中心波长为808.37nm,其红移量为3.4nm。由图7(c)和(d)可见,金刚石热沉c和d的封装器件的红移量分别为2.02nm和2.33nm。对于808nm半导体激光器,其光谱随工作结温度变化的温漂系数通常为0.28nm/K[20],金刚石样品a、c和d的封装器件上升的温度分别为12.1K,7.2K和8.32K。比较样品a和c可以看出,适当的O2流量可提高金刚石热沉的导热特性,使器件温度降低约4.9K。



图8为封装于不同O2流量下制备的金刚石热沉的半导体激光器的波长漂移量与温度和热功率变化关系。由图8(a)和(b)可以看出,波长的红移量随热沉温度和器件产生热功率的升高而增大,其变化基本呈线性关系,根据热阻Rth的计算公式如下:


其中,Δλ为波长漂移量,ΔT为热沉温度变化量,ΔQ为器件产生热功率变化量。在图8(a)中,金刚石热沉a、b、c和d的封装器件的λ-T系数分别为0.256、0.247、0.235和0.239nm/K;在图8(b)中,不同金刚石热沉封装器件的λ-Q系数分别为0.251、0.226、0.165和0.195nm/W。经计算,得到的热阻分别为0.98、0.915、0.702和0.816K/W,可以看出金刚石热沉c封装器件的热阻最低,比金刚石热沉a的热阻降低约28.4%


研究了EACVD技术沉积自支撑金刚石膜的工艺,适量增加O2流量,可加强对非金刚石相的刻蚀,有助于提高金刚石品质,从而使其导热率得到提高,当O2流量为5sccm时,金刚石导热率可高达1812.3WK-1m-1。当O2流量过高时,金刚石被刻蚀,使晶体中的缺陷增加,形成的倒逆散射使导热率降低。其次,研究了基于金刚石热沉封装的半导体激光器的电光特性,研究结果表明:在O2流量5sccm时制备的金刚石热沉表现出良好的散热特性,封装器件的斜率效率可提高至1.30W/A,最高电光转换效率约为60.6%,在热沉温度25℃和连续波30A输入时的光谱测试表明器件温度降低约4.9K,不同温度和热功率的光谱测试表明热阻降低约28.4%。

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