Polprevodniški laserji: Učinkovite hladilne rešitve za izboljšane zmogljivosti

Polprevodniški laserji, znani po kompaktni velikosti, lahki zasnovi, nizki porabi energije, enostavnosti modulacije in množični proizvodnji, so našli široko uporabo na različnih področjih, kot so industrijska predelava, telekomunikacija, zdravstvena oskrba, znanost o življenju in vojska. Ko se izhodna moč polprevodniških laserjev še naprej povečuje, se pomemben del električne energije pretvori v toploto. Optične značilnosti, izhodna moč in zanesljivost teh naprav so tesno vezani na njihovo delovno temperaturo, zaradi česar je toplotno upravljanje kritičen dejavnik, zlasti za polprevodniške laserje z visoko močjo.

1. hladilna načela polprevodniških laserjev

Primarne metode hlajenja za polprevodniške laserje vključujejo naravne konvekcijske toplotne umivalnike, mikrokanal, termoelektrično hlajenje, hlajenje razpršila in raztopine toplotnih cevi. Za polprevodniške laserje z enim čipom so naravni konvekcijski toplotni hladilniki pogosto najbolj ekonomični in se pogosto uporabljajo zaradi svoje preprostosti v proizvodnji in montaži. Visoke toplotne prevodnosti se običajno uporabljajo za povečanje površine za naravno konvekcijo, s čimer se poveča odvajanje toplote in zniža temperaturo čipa. Da bi skrajšali pot prenosa toplote in pospešeni toplotni disipaciji, je zdaj običajno sprejete vezave na čipu, kjer je laserski čip pritrjen na hladilni hladilnik z uporabo materialov, kot sta indij ali zlati veznik.

Večina toplote v polprevodniških laserjih nastaja v aktivnem območju čipa, ki se nato prenaša skozi plasti, kot so spajkalnik, izolacija in vmesnik, sčasoma pa doseže običajni hladilnik, kjer se razblini s konvektivnim hlajenjem. Uporaba toplotnih umivalnikov, narejenih iz materialov z visoko toplotno prevodnostjo, je učinkovit način za znižanje delovne temperature polprevodniških laserjev, kar zagotavlja delovanje in zanesljivost. Pri izbiri materialov za hlajenje hladilnika je treba upoštevati dva ključna dejavnika:

1. Material mora imeti visoko toplotno prevodnost za učinkovito distribucijo toplote.
2. Koeficient toplotne ekspanzije materiala se mora ujemati s kovčkom laserskega čipa, da se prepreči poškodbe, ki jih povzroča stres.

2. Materiali za hlajenje za polprevodniške laserje

Idealen material za hlajenje hladilnika bi moral združiti visoko toplotno prevodnost s koeficientom toplotne ekspanzije, ki se tesno ujema z laserskim čipom. Baker se pogosto uporablja zaradi odlične toplotne prevodnosti in električnih lastnosti. Vendar pa se bakreni koeficient toplotne ekspanzije bistveno razlikuje od kokoši laserskega čipa, ki lahko ustvari toplotni stres in vpliva na lasersko delovanje. Prehodni hladilnik iz materialov z visoko toplotno prevodnostjo in tesnejšo ekspanzijo s čipom lahko pomaga ublažiti to težavo. Običajni materiali za te prehodne toplotne umivalnike vključujejo aluminijevo nitridno keramiko, keramiko berilijevega oksida, keramiko iz silicijevega karbida, zlitine na volfraku, silicijevega karbida in diamantne tanke filme.

i. Zlitine z zlitinami za volframovo zlitino volframove zlitine združujejo nizko širitev volframa z visoko toplotno prevodnostjo bakra, zaradi česar so idealni za polprevodniške laserje. Toplotno širitev in prevodnost te psevdo zlitine je mogoče prilagoditi s prilagoditvijo njegove sestave in se dobro ujema s silikonom, galijevim arsenidom in keramičnimi materiali. Zgodnji laserji so pogosto uporabili strukturo C na volfraku, ki se je pozneje razvila v palice za volframo.

ii. Aluminijeva aluminijeva nitridna keramika ponuja odlično splošno zmogljivost s teoretično toplotno prevodnostjo do 320 W/(M · K), komercialni izdelki pa se običajno gibljejo od 180W/(M · K) do 260W/(M · K). Njegov koeficient toplotne ekspanzije je tudi precej blizu komoca laserskih čipov, zaradi česar je pogost prehodni material za hlajenje.

iii. Silicijev karbid (sic) Sic je tipičen naravni superlatski homogeni politip z izjemnimi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi. Njegova trdota in odpornost proti obrabi sta drugi le na diamanti in se ponaša s teoretično toplotno prevodnostjo do 490W/(m · k) - trikrat večji od silicija. Z nizko širitvijo, odlično razpršitvijo toplote in visoko toplotno stabilnostjo je SIC zelo primeren za naprave z veliko močjo. Upira se korozije in se ne stopi pod normalnim tlakom, medtem ko njegova površinska oksidacija ustvarja plast silikonskega dioksida, ki preprečuje nadaljnjo oksidacijo.

iv. Diamant za optimalno toplotno disipacijo lahko diamant uporabimo kot priključni material med čipom in bakrom. Natural Diamond ima izjemno toplotno prevodnost 2000W/(M · K), petkrat več kot baker, z nizkim koeficientom toplotne ekspanzije. Tako je diamant idealen material za hlajenje za hlajenje za polprevodniške laserje z visoko močjo. Zaradi stroškov naravni diamant ni izvedljiv za polprevodniško embalažo, vendar se diamant uporablja kot hladilnik v dveh oblikah: diamantni tanki filmi (CVD diamant) in kompoziti s kovinami, kot sta baker in aluminij. Vendar kompleksnost predelave diamantov-rezanje, poliranje in metalizacija-omejuje njegovo obsežno uporabo v polprevodniških laserskih toplotnih toplotah.

v. Graphene Graphene je nov dvodimenzionalni ogljikov nanomaterial z odličnimi električnimi, optičnimi in toplotnimi lastnostmi. Njegova bočna toplotna prevodnost lahko doseže do 5300W/(M · K), kar presega druge materiale za hlajenje hladilnika, kot sta silicijev karbid in aluminijev nitrid. Uporaba grafena kot hladilnika v polprevodniških laserjih kaže velik potencial za izboljšanje odvajanja toplote in zmogljivosti naprave.