Polovodičové lasery: Efektívne riešenia chladenia pre zvýšený výkon

Semiconductor lasery, známe svojou kompaktnou veľkosťou, ľahkým dizajnom, nízkou spotrebou energie, ľahkosťou modulácie a kapacitou hromadnej výroby, zistili rozsiahle využívanie v rôznych oblastiach, ako je priemyselné spracovanie, telekomunikácie, zdravotníctvo, vedy o živote a armáda. Keď sa výstupná sila polovodičových laserov neustále zvyšuje, významná časť elektrickej energie sa premení na teplo. Optické charakteristiky, výstupný výkon a spoľahlivosť týchto zariadení sú úzko zviazané s ich prevádzkovou teplotou, čím sa tepelný manažment stane kritickým faktorom, najmä pri vysokorýchlostných polovodičových laseroch.

1. Zásady chladenia polovodičových laserov

Medzi primárne chladiace metódy pre polovodičové lasery patrí prírodné konvekčné chladiče, mikrokanály, termoelektrické chladenie, chladenie rozprašovania a roztoky tepelných potrubí. Pre polovodičové lasery s jedným čipom sú prírodné konvekčné chladiče často najkonomómnejšie a bežne používané kvôli ich jednoduchosti vo výrobe a montáži. Materiály s vysokou tepelnou vodivosťou sa zvyčajne používajú na zvýšenie povrchovej plochy na prirodzenú konvekciu, čím sa zvyšuje rozptyl tepla a zníženie teploty čipu. Na skrátenie dráhy prenosu tepla a urýchlenie tepelného rozptylu sa teraz bežne prijíma väzba Flip-Chip, kde je laserový čip pripevnený k chladiacemu drezu pomocou materiálov, ako je indium alebo spájka so zlatom.

Väčšina tepla v polovodičových laseroch sa generuje v aktívnej oblasti čipu, ktorá sa potom prenáša cez vrstvy, ako je spájka, izolácia a rozhranie, a nakoniec dosiahne konvenčný chladiaci drez, kde sa rozptyľuje konvekčným chladením. Používanie chladičov vyrobených z materiálov s vysokou tepelnou vodivosťou je efektívny spôsob, ako znížiť pracovnú teplotu polovodičových laserov, čím sa zabezpečuje výkon a spoľahlivosť. Pri výbere materiálov chladiča by sa mali brať do úvahy dva kľúčové faktory:

1. Materiál by mal mať vysokú tepelnú vodivosť, aby účinne rozptýlila teplo.
2. Koeficient tepelnej expanzie materiálu by sa mal zhodovať s koeficientom laserového čipu, aby sa zabránilo poškodeniu vyvolaným stresom.

2. Materiály chladiča pre polovodičové lasery

Ideálny materiál z chladiča by mal kombinovať vysokú tepelnú vodivosť s koeficientom tepelnej expanzie, ktorý sa úzko zhoduje s laserovým čipom. Meď sa často používa kvôli svojej vynikajúcej tepelnej vodivosti a elektrickým vlastnostiam. Koeficient tepelnej expanzie medi sa však výrazne líši od laserového čipu, ktorý môže vytvárať tepelný stres a ovplyvniť laserový výkon. Prechodný chladič vyrobený z materiálov s vysokou tepelnou vodivosťou a bližšou expanznou zhodou s čipom môže pomôcť zmierniť tento problém. Bežné materiály pre tieto prechodné chladiče zahŕňajú keramiku nitridu hliníka, keramiku oxidu berylium, keramika karbidu kremíka, zliatiny volfrámu, zliatiny kremíkového karbidu kremíka a diamantové tenké filmy.

i. Zliatiny zliatiny volfrámového zliatiny volfrámu kombinujú nízku expanziu volfrámu s vysokou tepelnou vodivosťou medi, vďaka čomu sú ideálne pre polovodičové lasery. Tepelná expanzia a vodivosť tohto pseudo-zliau sa dá prispôsobiť úpravou jeho zloženia a dobre sa zhoduje s kremíkom, gáliovým arzenidom a keramickými materiálmi. Rané lasery často využívali štruktúru C-Mount C-Mount, ktorá sa neskôr vyvinula do tyčí volfrámu.

II. Hliníkový nitrid hliníkový nitrid keramika ponúka vynikajúci celkový výkon, s teoretickou tepelnou vodivosťou až do 320 W/(m · k) a komerčné výrobky sa zvyčajne pohybujú od 180 W/(m · k) do 260 W/(m · k). Jeho koeficient tepelnej expanzie je tiež veľmi blízko k laserovým čipom, čo z neho robí spoločný prechodný materiál na chladič.

III. Silikónový karbid (SIC) SIC je typický prírodný superlattice homogénny polytype s vynikajúcimi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami. Jeho tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu sú na druhom mieste iba od diamantov a môže sa pochváliť teoretickou tepelnou vodivosťou až do 490 W/(m · k) - trochkrát kremíka. S nízkou expanziou, vynikajúcim rozptylom tepla a vysokou tepelnou stabilitou je SIC veľmi vhodný pre vysokorýchlostné zariadenia. Odoláva korózii a neroztopí sa pri normálnom tlaku, zatiaľ čo jej povrchová oxidácia vytvára vrstvu oxidu kremíka, ktorá zabraňuje ďalšej oxidácii.

iv. Diamond Pre optimálne tepelné rozptyl sa môže diamant použiť ako spojovací materiál medzi čipom a meďou. Prírodný diamant má výnimočnú tepelnú vodivosť 2000 W/(m · k), päťnásobok medi, s nízkym koeficientom tepelnej expanzie. Diamant je teda ideálnym materiálom chladiča pre polovodičové lasery s vysokým výkonom. Kvôli nákladom nie je prírodný diamant uskutočniteľný pre polovodičové obaly, ale diamant sa používa ako chladič v dvoch formách: tenké filmy s diamantmi (CVD diamant) a kompozity s kovmi ako meď a hliník. Zložitosť spracovania diamantov-rekulovanie, leštenie a metalizácia-však obmedzuje svoju rozsiahlu aplikáciu v polovodičových laserových chladičoch.

v. Grafén grafén je nový dvojrozmerný uhlíkový nanomateriál s vynikajúcimi elektrickými, optickými a tepelnými vlastnosťami. Jeho bočná tepelná vodivosť môže dosiahnuť až 5300 W/(m · k), čo je ďaleko presahujúca ďalšie materiály z chladiča, ako je karbid kremíka a nitrid hliníka. Aplikácia grafénu ako chladiča v polovodičových laseroch vykazuje veľký potenciál na zlepšenie rozptylu tepla a výkonu zariadenia.