基于ANSYS半导体激光器热特性模拟与分析

姜晓光，赵英杰，吴志全

(1.长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022；2.长春理工大学 高功率半导体激光器国家重点实验室，长春 1300222)

半导体激光器具有效率高，单色性与方向性好，体积较小(采用TO封装)，工作电源电压较低及使用较方便等优点被广泛应用于光纤通信、制导、测量、医疗及信息存取等领域[1]。近年来，随着半导体激光器芯片制造工艺的不断提高，半导体激光器实现了在去除热电制冷器后仍能稳定工作。由于缺少热电制冷器，这使得半导体激光器的工作温度将受封装结构的影响。另外随着激光器芯片输出功率的不断提高，其芯片的热量积累将变得更加严重。因此，减少激光器封装结构的热阻，控制激光器热量的产生，是设计激光器结构主要考虑的因素。

有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。

有限元法具有以下特点[4]：

1.由于采用小区域划分，可以把各种复杂的结构划分成简单的正规的小区域，因此有限元模型可以适用于各种复杂的结构。

2.划分的子域足够小，边界条件就可以近似相等，因此有限元模型可以适用于各种复杂的边界条件求解。

3.足够小的子域可使区域内的材料特性可以看成均匀的，因此有限元模型对复杂的材料也能很好的求解。

利用有限元方法在传热学中的应用，能够解决复杂的三维连续体热传导问题。Ansys是一款功能强大，融合结构、热、流体电磁等一体的大型通用有限元分析软件，目前已广泛用于电子技术、土木工程、船舶制造、航空航天、能源、国防军工等工业领域和科学研究领域[4]。Ansys作为新颖的有限元分析软件在处理热分析问题方面具有强大的功能，而且在涉及热学特性的多物理场耦合分析中也具有很好的处理能力。

本文采用Ansys有限元分析软件针对中红外In-AlAs/InGaAs/InP量子级联激光器热特性进行研究。优化设计激光器封装结构和结构参数，用Ansys对激光器进行了热场模拟和分析，得到一系列对封装结构设计和制造工艺有参考价值的数据。

1 结构模型设计和有限元热特性模拟分析

Ansys进行热分析计算的基本原理是将所处理的对象划分成有限个单元(包含相应的若干节点)，然后根据能量守恒原理求解给定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，继而进一步求解出其他相关量。总体来说，单元划分得越小，计算精度就越高。但根据具体情况可以灵活地改变单元尺寸。这样，我们无须增加单元和节点即可以提高计算精度。Ansys进行模拟步骤基本步骤如图1所示。

图1 Ansys模拟步骤Fig.1 Ansys simulation steps

1.1 引入假设

为了最大的减少激光器的热阻，必须对激光器整体封装结构进行优化设计。半导体激光器一般的宽度和厚度均为m量级，长度为mm量级，热沉的尺寸为cm量级，而外延层结构厚度可达nm量级，这就使得我们在设计结构模型时必须加以假设。

针对激光器结构我们引入的假设:

1.在实际湿法刻蚀很难刻蚀出完全垂直的脊条，我们假设为完全垂直的脊条。

2.对于一些厚度很薄的层，如量子级联激光器有源区上下梯度缓冲层等，可以忽略不计；对于有源区的量子阱和超晶格结构我们假设为一层。

3.电流注入与热流密度在谐振腔方向是均匀分布。

图2 脊条形激光器横截面示意图Fig.2 Cross section sketch map of ridge laser

1.2 热产生机制

在工作状态下，激光器主要的热量是由于有源区中载流子非辐射复合，辐射吸收和自发发射所产生的[2]。为了简化计算，假定电流限制区的电流密度是均匀的。

1.有源区产生的热量Qavtive：

式中：dactive为有源区的厚度，Vj为PN结上的电压降，j为注入电流密度，jth为阈值电流密度，sp为自发发射内量子效率，i为受激辐射内量子效率，fsp为自发辐射光子逃逸因子。

2.电极层中热量主要是表面接触电阻产生的焦耳热，用Q0表示式中con表示电极层与p型GaAs的接触电阻值，d为该层的厚度。

3.其他各层的热量都以焦耳热的形式产生，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、实体建模法、导入其他建模工具如：CAD、pro/e等创建的模型。对于本论文所研究的半导体激光器来说，采用实体建模法比较合适。实体建模法需要建模人员具备很强的空间思维能力，其中还需要一些技巧。实体模型建立以后，再对模型进行网格划分生成有限元模型。

在Ansys中建立模型有几个关键步骤：

1.激光器模型尺寸较小，长度单位统一选为微米值制：

2.在设置单元属性时注意温度对材料特性的影响，可以利用Ansys中MP命令设置材料特性参数关系，插入表1材料参数。

3.在划分网格时，比较关注的是有源区出温度分布，因此在划分网格时让有源区网格尽量小，保证其精确度。

表1 激光器结构尺寸和材料参数Tab.1 Laser structure size and material parameters

采用的激光器为中红外 InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器。其芯区包含25级三阱耦合垂直跃迁结构，激射波长约为8m。器件采用脊波导型FP腔结构。为了对不同的烧结类型进行散热对比，研究激光器的散热效果，通过两种不同的烧结类型对激光器的热分布进行模拟。这两种烧结类型分别是正装贴片(衬底焊接到热沉上)和倒装贴片(外延层焊接到热沉上)，其结构模型如图3所示。

图3 (a)激光器倒装贴片 (b)激光器正装贴片Fig.3 (a)Epi-down laser (b)Epi-up laser

1.4 模拟结果与分析

对一个中红外InAlAs/InGaAs/InP量子级联激光器进行计算，结构参数和材料参数见表1。计算选取f=0.4，i=0.9，sp=0.66，Vj=1.97，Ith=174mA，I=450mA，环境温度选取 25℃，对流交换系数为23.2W/(m2k)。

图4给出激光器在倒装贴片和正装贴片时出光端面二维温度分布云图。可见器件温升主要集中在有源区。热量主要由有源区产生，经过衬底传到热沉上，再由热沉散发出去。

图4 (a)倒装贴片型激光器 (b)正装贴片型激光器温度分布云图 温度分布云图Fig.4 (a)Temperature distr-(b)Temperature distribution of epi-down laseribution of epi-up laser

对于正装贴片型激光器来说最高温度在有源区中间，温度为 52.5℃，跟热沉底部温度相差有27.5℃，其热阻为Rth=(52.5 25)/6.3=4.37(K/W)。对于倒装贴片型激光器来说，最高温度在激光器的有源区中间，为 46.7℃，跟热沉底部温度相差有21.7℃，根据热阻计算公式Rth=(T T0)/P=(46.7 25)/6.3=3.44(K/W)。相比之下，倒装贴片型激光器的散热效果要好得多，能有效的降低工作温度。采用倒装贴片方式就是使热源尽量靠近良导热体热沉，于是器件和热沉之间的焊接材料的厚度和热导率就成了封装散热的关键因素。

2 结论

本文详细介绍了用有限元法进行激光器的热特性模拟和分析方法与步骤。采用商用有限元软件，设计了模拟激光器热特性的方法与步骤。通过对In-AlAs/InGaAs/InP量子级联激光器正装贴片和倒转贴片型两种烧结类型的热特性模拟分析，得到两种类型的温度分布结果，在25℃的环境温度下，正装贴片和倒转贴片型激光器的热阻分别为 4.37K/W 和3.44K/W。因此在室温下风冷采用倒装贴片对脊条形激光器的散热能起很好效果。

[1]张永刚，何友军.半导体激光器的热场分析及热特性表征[J].稀有金属，2004，28：551-553.

[2]李毅，蒋群杰，武斌，等.非制冷980 nm泵浦激光器封装技术[J].红外与激光工程，2006，35(增刊):110-114.

[3]江剑平.半导体激光器[M].北京：电子工业出版社，2000.

[4]唐兴伦，范群波，张朝晖，等.ANSYS工程应用教程—热与电磁学篇[M].北京：中国铁道出版社，2003.

[5]杜国同.半导体激光器件物理[M].长春：吉林大学出版社，2002.