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中红外半导体激光器的热特性分析

2020-11-22阅读(826)

中红外半导体激光器的热特性分析

论文摘要

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体激光器在紫外、可见光、红外等波段均有重要应用，具有广阔的发展前景。然而激光器的性能，包括阈值电流、光谱特性、工作模式等，都极大受到温度的影响。此博士学位论文主要利用数值分析方法对2μm波段锑化物多量子阱激光器和中红外量子级联激光器的热特性进行了深入的分析。内容包括： 1．在前人工作的基础上，对应用于半导体激光器的热特性分析的有限元计算方法进行了大量优化工作，成功地加快了分析的效率和精度，并且使器件模型、材料性质等参数更加接近实际情况，从而分析结果更加准确。 2．采用Abeles近似和插值法计算了尚无实验数据的一些三元和四元系锑化物材料的热导率参数；在结构特殊的量子级联激光器有源区中首次引入界面热阻的概念并采用DMM（Diffuse Mismatch Model）近似估算了其热导率；利用Debye近似计算了有限元分析所需的各种材料的热容。 3．采用有限元方法，基于实际器件重点分析了InGaAsSb／AlGaAsSb脊波导多量子阱激光器、InGaAs／InAlAs量子级联激光器和InGaAs／AlGaAsSb量子级联激光器在目前常用的几种封装方法下的稳态和瞬态热特性。通过引入热时间常数来定量分析激光器瞬态工作条件下的散热效率，并且对比分析了各种封装方法的优劣和散热特点。此外还分析了结构因子以及材料的改变、温度的变化对于激光器性能的影响。发现了激光器有源区内部非均匀热场分布对于激光器光谱特性的影响，并通过对激光器激射光谱的测试观测到了光谱展宽现象。 攻读学位期间的工作还包括：利用传输矩阵法对化合物半导体双结太阳电池表层抗反射涂层进行了优化设计，通过绘制反射率等值线图来表征薄膜各层材料的厚度对于抗反射性能的影响，并从几种常用的材料组合中寻找到了最佳的方案；分析了GaAs，InGaP同质隧道结的隧穿电流与材料、掺杂浓度等参数的关系；多种光电探测器材料及准晶结构的MBE生长和材料的特性表征。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 引言
  • 第二章 半导体激光器及其管芯封装方法综述
  • 2.1 概述
  • 2.2 半导体激光器
  • 2.3 半导体激光器的分类
  • 2.4 电注入型半导体激光器的发展简介
  • 2.5 半导体激光器封装方法概述
  • 2.5.1 基于管芯层次的封装
  • 2.5.2 基于器件层次的封装
  • 2.6 本论文的工作背景及主要研究工作
  • 第三章 有限元方法基础及其应用于半导体激光器热分析中的技巧
  • 3.1 概述
  • 3.2 有限元方法简介
  • 3.2.1 有限元方法的基本思想
  • 3.2.2 有限元方法的主要特点
  • 3.2.3 有限元方法的计算步骤
  • 3.3 有限元方法在传热分析中的应用
  • 3.3.1 传热学基本原理
  • 3.3.1.1 热传导
  • 3.3.1.2 热对流
  • 3.3.1.3 热辐射
  • 3.3.2 传热分析中的有限元法
  • 3.4 ANSYS软件在有限元热分析中的应用
  • 3.5 半导体激光器有限元分析中的一些技巧
  • 3.5.1 单位制问题
  • 3.5.2 模型搭建
  • 3.5.3 网格划分
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 锑化物半导体激光器的热特性分析
  • 4.1 概述
  • 4.2 中红外波段AlGaAsSb／InGaAsSb多量子阱激光器的结构
  • 4.3 锑化物半导体材料的热学参数计算
  • 4.3.1 热导率
  • 4.3.2 热容
  • 4.4 锑化物激光器的热特性分析
  • 4.4.1 外延结构
  • 4.4.2 器件尺寸、材料参数以及模拟参数
  • 4.4.3 热产生机制
  • 4.4.4 稳态热分析结果
  • 4.4.4.1 温度场分布和热流
  • 4.4.4.2 不同封装方法的比较
  • 4.4.4.3 正装厚镀金层的优化
  • 4.4.4.4 结构参数对激光器热阻的影响
  • 4.4.5 瞬态热分析结果
  • 4.4.5.1 激光器的单脉冲激励条件研究
  • 4.4.5.2 时间常数
  • 4.4.5.3 热量积累效应
  • 4.4.6 锑化物激光器热阻的测试
  • 4.4.7 热特性对激射光谱的影响
  • 4.4.7.1 有源区核心温度场分布
  • 4.4.7.2 有源区温差对于激射光谱的影响
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 量子级联激光器的热特性分析
  • 5.1 概述
  • 5.2 InGaAs／InAlAs量子级联激光器的结构特点
  • 5.3 量子级联激光器有源区的热导率
  • 5.3.1 界面热阻效应及其对量子级联激光器热特性的影响
  • 5.3.2 有源区热导率计算结果
  • 5.4 InGaAs／InAlAs量子级联激光器的器件结构和模拟参数
  • 5.5 InGaAs／InAlAs量子级联激光器热特性分析结果
  • 5.5.1 不同封装方法的热特性比较
  • 5.5.2 注入电流密度的影响
  • 5.5.3 包覆层和等离层材料的影响
  • 5.6 InGaAs／AlGaAsSb量子级联激光器热特性分析结果
  • 5.7 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 6.1 总结
  • 6.2 一些设想和建议
  • 附录A 多结太阳电池宽谱抗反射涂层及低阻隧道结特性的研究
  • A.1 概述
  • A.2 InGaP／GaAs太阳电池宽谱抗反射涂层的研究
  • A.3 InGaP／GaAs串接太阳电池低阻隧道结的研究
  • 附录B 测量仪器的计算机控制和GPIB编程
  • 附录C 参考文献
  • 附录D 发表文章目录
  • 附录E 致谢
  • 附录F 作者简介
  • 学位论文独创性声明
  • 学位论文使用授权声明

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