mk diamentowa

Wpływ rozmieszczenia emiterów na ujednorodnienie temperatury w matrycy
zbudowanej na bazie szerokoprzerwowych materiałów azotkowych
Maciej Kuc, Andrzej Brozi, Robert P. Sarzała
Zespół Fotoniki, Instytut Fizyki, Politechnika Łódzka, ul. Wólczańska 219, 90-924 Łódź
W pracy przedstawiono wyniki trójwymiarowego modelowania komputerowego rozpływu ciepła w matrycach emiterów zbudowanych na bazie krawędziowego lasera azotkowego. Przeprowadzone obliczenia objęły
wpływ wzrostu liczby emiterów, ich szerokości i położenia w matrycy (z i bez diamentowej nakładki w układzie montażowym) na przyrost temperatury w jej wnętrzu oraz na wzajemne nagrzewanie się emiterów.
Zaprezentowano przykłady optymalizacji rozkładu emiterów w matrycach ze względu na obniżenie maksymalnego przyrostu temperatury oraz ze względu na zminimalizowanie efektu ich wzajemnego nagrzewania się.
capping GaN: Mg
(kRT = 50 W/mK)
cladding typu p
Al0.05Ga0.95N: Mg
(kRT = 45 W/mK)
injection layer In0.02Ga0.98N
(kRT = 30 W/mK)
EBL
falowód typu p GaN: Mg
Al0.12Ga0.88N: Mg
(kRT = 80 W/mK)
(kRT = 20 W/mK)
MQW
In0.1Ga0.9N/In0.02Ga0.98N
(kRT = 10 W/mK)
falowód typu n
GaN: Si (kRT = 80 W/mK)
kontakt typu p Au
(kRT = 320 W/mK)
oksydacja ZrOx
(kRT = 1.5 W/mK)
cladding typu n
Al0.08Ga0.92N: Si
(kRT = 30 W/mK)
rezonator
Substrat GaN: O (kRT = 180 W/mK)
299 K
303 K
301 K
305 K
307 K
309 K
Brak nakładki Nakładka
WE [µm]
ΔTLD [K]
ΔTLD [K]
Δ%
3
4.2
2.6
–38%
10
10.8
5.9
–45%
20
19.0
9.9
–48%
30
26.6
13.6
–49%
Modelowane przyrządy zamocowane zostały w konfiguracji epi-up (stroną typu n, czyli podłożem) na
miedzianym bloku za pomocą lutu PbSn o grubości t = 1 µm oraz przewodności cieplnej w temperaturze
pokojowej równej kRT = 50 W/mK. Temperatura dolnej powierzchni miedzianego bloku była stała i równa
temperaturze otoczenia 293 K (20 0C). Opcjonalnie dodawana do układu montażowego nakładka
diamentowa (t = 150 µm, kRT = 2000 W/mK) była mocowana na szczycie matrycy za pomocą twardego lutu
AuSn (t = 1 µm, kRT = 57 W/mK).
kontakt typu n
Au (kRT = 320 W/mK)
297 K
Modelowane jednowymiarowe matryce emiterów azotkowych
o szerokości 0.5 mm zaprojektowano poprzez powielenie w
obrębie pojedynczego przyrządu krawędziowego emitera o
długości 700 µm oraz szerokości paskowego obszaru
czynnego WE = 3–30 µm. Przepływ prądu o gęstości jth = 2.3
kA/cm2 przez obszary czynne emiterów matrycy powoduje
wydzielenie w nich ciepła o gęstości g(jth) ~2.3·1015 W/m3
(dla napięcia zasilającego Uth ~ 4.5 V).
311 K
Rozkład temperatury w strukturze emitera bazowego o szerokości 20 µm wraz ze szczegółami konstrukcji.
rezonator
Wpływ zmiany liczby i rozmieszczenia emiterów o zadanej szerokości oraz wpływ diamentowej nakładki na
rozkład temperatury w jej obszarze czynnym ΔTMAR został określony na podstawie dwóch parametrów
otrzymanych z wyników trójwymiarowych obliczeń cieplnych. Pierwszym z nich był maksymalny wzrost
temperatury w matrycach ΔTMmax ponad temperaturę otoczenia. ΔTMAR oraz ΔTMmax liczone są względem
maksymalnego przyrostu temperatury w pojedynczym emiterze ΔTLD (bez nakładki diamentowej) o tej
samej szerokości paska, co obszary czynne emiterów rozmieszczone w analizowanych matrycach:
∆T Mmax [%] = 100·(∆Tmax – ∆TLD)/∆TLD
Drugi parametr określa maksymalny wpływ efektu wzajemnego nagrzewania emiterów ΔTE w obrębie
pojedynczego przyrządu i został obliczony, jako procentowa różnica pomiędzy maksymalnymi przyrostami
temperatury w emiterach o najwyższej temperaturze (najgorętszym) oraz o najniższej temperaturze
(najchłodniejszym) pracujących w modelowanej matrycy:
substrat GaN
360 K
Rozkład temperatury w 9-elementowej matrycy emiterów o szerokości 20 µm
3
5
dE = 40 mm
7
9
11
13
WE = 3–30 mm
GaN
(tS = 100 mm)
x : 0 mm
500 mm
250 mm
n = 9, dE = 40 mm = const., brak diamentu
WE = 3 mm
500
WE = 20 mm
WE = 30 mm
Tmax []
x : 0 mm
300
5
500 mm
250 mm
g / g(jth) = 1, n = 5, brak diamentu
brak diamentu
n = 5, WE = 10 mm
270
min
M(min)
dE(TE )
dE(Tmax
)
(4E,5E)
(1E)
dE
15
= 80 mm = const.
dE
270
40
= 0 mm = const.
265
10
30
300
M
M
TAR []
3
WE = 30 mm
400
300
1
d(2E,3E)E
37–69 mm
dE = 40 mm
WE = 20 mm
1
GaN
(tS = 100 mm)
WE = 3 mm
400
2
WE = 10 mm
50
dE = 40 mm = const., brak diamentu
500
4
20
200
210
260
5
255
180
10
100
240
TE [%]
1
200
(2E,3E)
max
300
400
500
1
3
5
7
x [mm]
9
11
150
n [-]
Wyniki obliczeń dla matryc bez diamentowej nakładki w układzie montażowym. Najwyższe wartości ΔTE
odpowiadają matrycom z 9 emiterami: ΔTE (WE 3 µm) = 13%, ΔTE (WE 20 µm) = 16.5%, ΔTE (WE 30 µm) = 18%.
n = 9, dE = 40 mm = const., diamentu
WE = 30 mm
500
400
Tmax []
TAR []
M
M
100
200
300
400
500
x [mm]
180
6
170
4
200
TE 20mm 30mm
min
M(min)
dE(TE )
dE(Tmax
0
1
3
5
7
9
0
70
[-]
(4E,5E)
(1E)
dE
2.5
= 80 mm = const.
dE
= 0 mm = const.
2.0
176.0
1.5
175.5
1.0
175.0
0.5
150
(2E,3E)
11
60
(2E,3E)
n = 5, WE = 10 mm
)
max
 T E 3 mm
50
diament (tD = 150 mm)
176.5
160
2
max
0
8
300
 TE
dE
WE = 30 mm
100
200
40
350
g / g(jth) = 1, n = 5, diament
dE = 40 mm
400
300
190
WE = 3 mm
WE = 20 mm
300
Tmax
M
500
WE = 20 mm
250
x [mm]
M(min)
min
Wyniki obliczeń dla matrycy bez diamentowej nakładki w układzie montażowym. Najniższą wartość ΔTE min
= 3.2% obliczono dla d(2E,3E)E = 62 µm, zaś najniższy wzrost temperatury ΔTmax M(min) dla d(2E,3E)E = 54 µm.
10
dE = 40 mm = const., diament
TE [%]
WE = 3 mm
200
Tmax []
200
TAR []
100
250
150
M
0
0
13
= 40 mm
0
13
150
n [-]
dE
174.5
140
200
250
x [mm]
300
TE [%]
0
dE
TE [%]
 TE
= 40 mm
40
350
M(min)
min
Tmax
TE
50
(2E,3E)
dE
60
0.0
70
[-]
Wyniki obliczeń dla matryc z diamentową nakładką w układzie montażowym. Najwyższe wartości ΔTE = 2%
odpowiadają matrycom z 7 emiterami dla WE 20 µm i WE 30 µm oraz z 9 emiterami dla WE 3 µm.
Wyniki obliczeń dla matryc z diamentową nakładką w układzie montażowym. Najniższą wartość ΔTE min
= 0.6% obliczono dla d(2E,3E)E = 60 µm, zaś najniższy wzrost temperatury ΔTmaxM(min) dla d(2E,3E)E = 51 µm.
Wpływ położenia wybranych emiterów w 7-elementowej matrycy (WE = 3 µm) na rozkład temperatury w jej
obszarze czynnym ΔTMAR. Matryca w układzie montażowym bez nakładki.
Wpływ gęstości wydzielanej mocy g na optymalne położenie wybranych emiterów 2 i 3 w 5-elementowej
matrycy (WE = 10 µm) bez nakładki diamentowej w układzie montażowym.
40
80
120
dE(∆TmaxM(min))
0
52.5
98
120
dE(∆TEmin)
0
50
107.5
120
220
190
160
100
150
200
250
x [mm]
300
350
400
800
ΔTE [%]
Położenie
emiterów
1·g(jth)
3·g(jth)
5·g(jth)
7·g(jth)
dE (const.)
12.7
13.2
13.8
14.3
dE(∆TmaxM(min))
4.2
4.4
4.5
4.7
dE(∆TEmin)
2.1
2.2
2.3
2.4
700
600
55.0
dE
)
(4E,5E)
(1E)
dE
63.4
= 80 mm = const.
63.2
= 0 mm = const.
54.8
63.0
54.6
62.8
54.4
62.6
54.2
62.4
500
150
200
250
x [mm]
300
350
(TE ) [mm]
0
M(min)
dE(Tmax
brak diamentu
n = 5, WE = 10 mm
min
dE (const.)
min
dE(TE )
) [mm]
d(1E)E d(2E,3E)E d(4E,5E)E d(6E,7E)E
dE = 40 mm
55.2
1
2
3
4
5
6
g / g( jth) [-]
Praca została częściowo sfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego ,
z projektu rozwojowego Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, POIG.01.03.01-00-159/08 InTechFun
7
(2E,3E)
M
TAR []
250
900
(Tmax
)
dE
M(min)
dE(Tmax
M (min)
min
dE(TE )
g / g(jth) = 3, n = 5, brak diamentu
(2E,3E)
dE = 40 mm
dE [µm]
TAR []
280
Położenie
emiterów
M
g / g(jth) = 1, n = 7, brak diamentu
dE
1
2
Wpływ położenia dwóch wybranych emiterów 2 i 3 w
5-elementowej matrycy na rozkład temperatury w jej
obszarze czynnym ΔTMAR, obniżenie maksymalnego
wzrostu temperatury ΔTMmax oraz zmniejszenie efektu
wzajemnego nagrzewania się emiterów ΔTE. Zmiana
pomożenia emiterów 2 i 3 liczona jest jako zmiana
odległości względem środka struktury d(2E,3E)E.
Szerokość wszystkich 5 emiterów jest jednakowa WE
= 10 µm. Obliczenia zostały wykonane dla układu
montażowego z nakładką diamentową oraz bez niej.
Gęstość mocy g(jth) wydzielana w obszarach czynnych
wszystkich emiterów matrycy była jednakowa.
Diament – opcjonalnie
(tD = 150 mm)
M
4
= 430% , ΔTE = 16.5%).
Tmax []
6
∆TE [%] = 100·(∆Tmax – ∆Tmin)/∆Tmax
M
8
max
TE [%]
10
(ΔT M
Wpływ przyrostu liczby emiterów w matrycy na
rozkład temperatury w jej obszarze czynnym ΔTMAR
oraz na maksymalny przyrost temperatury ΔTMmax, a
także na efekt wzajemnego nagrzewania się
emiterów ΔTE. Emitery o szerokości WE = 3–30 µm
dodawane są do matrycy parzyście, symetrycznie
względem jej środka (n = 1, 2, 3, .. ,13) w stałej
odległości dE = 40 µm. Obliczenia prowadzone są dla
matryc z oraz bez diamentowej nakładki w układzie
montażowym. Gęstość mocy g(jth) wydzielana w
paskowych obszarach czynnych wszystkich emiterów
w matrycy była jednakowa.
Diament – opcjonalnie
(tD = 150 mm)
12
370 K
TE [%]
350 K
TAR []
340 K
330 K