Láseres de semiconductores: solucións de refrixeración eficientes para un rendemento mellorado

Os láseres de semiconductores, coñecidos polo seu tamaño compacto, deseño lixeiro, baixo consumo de enerxía, facilidade de modulación e capacidade de produción en masa, atoparon un uso xeneralizado en diversos campos como procesamento industrial, telecomunicacións, asistencia sanitaria, ciencias da vida e militares. A medida que a potencia de saída dos láseres de semiconductor segue aumentando, unha parte significativa da enerxía eléctrica convértese en calor. As características ópticas, a potencia de saída e a fiabilidade destes dispositivos están estreitamente ligadas á súa temperatura de funcionamento, convertendo a xestión térmica nun factor crítico, especialmente para os láseres de semiconductores de alta potencia.

1. Principios de refrixeración dos láseres de semiconductores

Os métodos primarios de refrixeración para láseres de semiconductor inclúen pía de calor de convección natural, microcanales, refrixeración termoeléctrica, refrixeración por pulverización e solucións de tubos de calor. Para os láseres de semiconductor dun chip dun chip, os disipadores de calor da convección natural adoitan ser os máis económicos e usados ​​habitualmente debido á súa sinxeleza na fabricación e montaxe. Os materiais de alta condutividade térmica úsanse normalmente para aumentar a superficie para a convección natural, aumentando así a disipación de calor e baixando a temperatura do chip. Para acurtar a ruta de transferencia de calor e axilizar a disipación térmica, agora é adoptada a unión de chip flip-chip, onde o chip láser está unido ao disipador de calor usando materiais como indio ou soldadura de ouro.

A maior parte da calor nos láseres de semiconductores xérase na rexión activa do chip, que logo transfire a través de capas como a soldadura, o illamento e a interface, chegando eventualmente o disipador de calor convencional onde se disipou mediante o refrixeración convectivo. O uso de pisos de calor elaborados con altos materiais de condutividade térmica é un xeito eficaz de reducir a temperatura de traballo dos láseres de semiconductores, garantindo o rendemento e a fiabilidade. Ao seleccionar materiais de disipador de calor, deben considerarse dous factores clave:

1. O material debería ter unha alta condutividade térmica para disipar eficazmente a calor.
2. O coeficiente de expansión térmica do material debe coincidir co chip láser para evitar danos inducidos polo estrés.

2. Materiais de disipador de calor para láseres de semiconductores

Un material ideal para o disipador de calor debe combinar unha alta condutividade térmica cun coeficiente de expansión térmica que coincida estreitamente co do chip láser. O cobre úsase a miúdo debido á súa excelente condutividade térmica e propiedades eléctricas. Non obstante, o coeficiente de expansión térmica de cobre difire significativamente do chip láser, que pode crear estrés térmico e afectar o rendemento láser. Un disipador de calor de transición feito de materiais con alta condutividade térmica e unha partida máis estreita ao chip pode axudar a mitigar este problema. Os materiais comúns para estes pía de calor de transición inclúen cerámica de nitruro de aluminio, cerámica de óxido de berilio, cerámica de carburo de silicio, aliaxes de cobre de tungsteno, obleas de carburo de silicio e películas finas de diamantes.

i. Aleación de tungsteno-cobre aliaxes de tungsteno-cobre combinan a baixa expansión do tungsteno coa alta condutividade térmica do cobre, tornándoos ideais para láseres de semiconductores. A expansión térmica e a condutividade desta pseudo-aleación pódese adaptar axustando a súa composición e coincide ben con silicio, arsenida de galio e materiais cerámicos. Os primeiros láseres utilizaron a miúdo unha estrutura de monte C de cobre de tungsteno, que despois evolucionou cara a barras de cobre de tungsteno.

II. A cerámica de nitruro de aluminio de aluminio ofrece un excelente rendemento global, cunha condutividade térmica teórica de ata 320W/(M · K), e os produtos comerciais normalmente oscilan entre 180W/(M · K) e 260W/(M · K). O seu coeficiente de expansión térmica tamén está bastante preto do dos chips láser, o que o converte nun material común de disipador de calor de transición.

iii. O carburo de silicio (sic) sic é un politipo homoxéneo de superlice natural típico con pendentes propiedades físicas e químicas. A súa resistencia á dureza e ao desgaste só son só para os diamantes, e conta cunha condutividade térmica teórica de ata 490W/(M · K) - tres veces a do silicio. Con baixa expansión, excelente disipación de calor e alta estabilidade térmica, SIC é altamente adecuado para dispositivos de alta potencia. Resiste a corrosión e non se derrete baixo presión normal, mentres que a súa oxidación superficial crea unha capa de dióxido de silicio que impide a maior oxidación.

iv. Diamante Para unha disipación térmica óptima, o diamante pódese usar como material de conexión entre o chip e o cobre. O diamante natural ten unha condutividade térmica excepcional de 2000W/(M · K), cinco veces a do cobre, cun baixo coeficiente de expansión térmica. Así, o diamante é un material ideal para o disipador de calor para os láseres de semiconductores de alta potencia. Debido ao custo, o diamante natural non é factible para os envases de semiconductores, pero o diamante úsase como disipador de calor en dúas formas: películas finas de diamantes (diamantes CVD) e compostos con metais como cobre e aluminio. Non obstante, a complexidade do procesamento de diamantes (corte, pulido e metalización) limita a súa aplicación a gran escala en afundidos de calor láser semiconductor.

v. O grafeno grafeno é un novo nanomaterial de carbono bidimensional con excelentes propiedades eléctricas, ópticas e térmicas. A súa condutividade térmica lateral pode alcanzar ata 5300W/(M · K), superando con moito outros materiais de disipador de calor como o carburo de silicio e o nitruro de aluminio. A aplicación de grafeno como disipador de calor nos láseres de semiconductores mostra un gran potencial para mellorar a disipación de calor e o rendemento do dispositivo.