Vertikal-emittierende Oberflächenlaser (VCSEL) sind einfach in Chips zu integrieren und stellen wesentliche optoelektronische Bauelemente in Systemen wie Laserradar und Sicherheitsbeleuchtung dar. Allerdings beeinflusst das starke Selbsterwärmungsphänomen innerhalb des VCSEL-Bauelements die Ausgangsleistung, Hochgeschwindigkeitseigenschaften und Stabilität, weshalb die thermische Managementtechnik von VCSEL von großer Bedeutung ist. Optimierte Verpackungsmethoden können die Wärmeableitung von VCSEL effektiv erhöhen und sind eine wichtige Methode zur Verbesserung der thermischen Leistung von VCSEL. Dieser Artikel basiert auf einem Finite-Elemente-Methode (FEM) Berechnungsmodell und führt eine numerische Analyse der thermischen Eigenschaften von VCSEL mit verschiedenen Verpackungsmethoden und mit einer dünnen Kupferschicht auf der Geräteoberfläche durch. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass im Vergleich zur Oberlichtaustrittsverpackung das Flip-Chip-Gehäuse mit Substratausgang (vollständiges Ätzen der oberen und unteren DBR) die Temperatur des aktiven Bereichs um über 56 % effektiv senken kann. Mit zunehmendem Gerätetopfdurchmesser sinken die Temperatur und der Wärmewiderstand bei Geräten mit Oberlichtaustrittsverpackung signifikant: Die Temperatur sinkt um etwa 50 ℃ und der Wärmewiderstand um mehr als 3,25 K/mW; bei Geräten mit vollständig geätzter oberer und unterer DBR-Struktur und Flip-Chip-Verpackung sowie Geräten mit nur geätzter P-DBR-Struktur und Flip-Chip-Verpackung steigen Temperatur und Wärmewiderstand jedoch langsam an, mit einem Temperaturanstieg von etwa 2 ℃ und einem Anstieg des Wärmewiderstands um etwa 0,15 K/mW. Eine Kupferbeschichtung auf der Geräteoberseite, den Seitenwänden und der Substratoberfläche kann die Temperatur des aktiven Bereichs effektiv senken und den Wärmewiderstand verbessern. Bei einer Kupferdicke von 3 μm sinkt die Temperatur der aktiven Zone um 43 % und der Wärmewiderstand um 1,9 K/mW. Dieser Artikel analysiert den Einfluss der Verpackungsmethode auf die thermischen Eigenschaften von VCSEL und schlägt entsprechende Optimierungslösungen vor, die für eine effektive Wärmeabfuhrverpackung von VCSEL richtungsweisend sind.

Vertikal-emittierende Oberflächenlaser (VCSEL); thermische Eigenschaften; Temperatur; Wärmewiderstand