Vertikal-kavitierte Oberflächenemitter-Laser (VCSEL) lassen sich leicht auf einem Chip integrieren und sind Schlüsselelemente in Systemen wie Lidar und Sicherheitsbeleuchtung. Das starke selbstinduziertes Erhitzen innerhalb des VCSEL-Geräts beeinflusst jedoch die Ausgangsleistung, Hochgeschwindigkeitseigenschaften und Stabilität, weshalb die thermische Verwaltung von VCSELs von großer Bedeutung ist. Die Verwendung einer optimierten Verpackungsmethode kann die Wärmeableitung von VCSELs effektiv erhöhen und ist eine wichtige Methode zur Verbesserung der thermischen Leistung von VCSELs. Diese Arbeit basiert auf einem Modell mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur numerischen Analyse der thermischen Eigenschaften von VCSELs mit unterschiedlichen Verpackungsmethoden und einer mit einer dünnen Kupferschicht bedeckten Geräteoberfläche. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass im Vergleich zur Oberflächenlichtausgabe das Flip-Chip-Gehäuse mit Lichtausgabe durch das Substrat (vollständiges Ätzen der oberen und unteren DBR) die Temperatur der aktiven Zone effektiv um mehr als 56 % senken kann. Mit zunehmendem Durchmesser des Geräts sinken die Temperatur und der thermische Widerstand bei Geräten mit Oberflächenlichtausgabe deutlich, die Temperatur sinkt um etwa 50 ℃, der thermische Widerstand um mehr als 3,25 K/mW; während bei Geräten mit vollständig geätzter oberer und unterer DBR-Struktur und Flip-Chip-Gehäuse bzw. nur geätzter P-DBR-Struktur und Flip-Chip-Gehäuse die Temperatur und der thermische Widerstand langsam ansteigen, die Temperatur um etwa 2 ℃ und der thermische Widerstand um etwa 0,15 K/mW. Das Bedecken der Geräteoberfläche (oberer Tisch, Seitenwand und Substrat) mit einer Kupferschicht kann die Temperatur der aktiven Zone effektiv senken und den Wärmewiderstand verbessern. Bei einer Kupferdicke von 3 μm sinkt die Temperatur der aktiven Zone um 43 %, der Wärmewiderstand um 1,9 K/mW. Diese Arbeit analysiert die Auswirkungen der Verpackungsmethoden auf die thermischen Eigenschaften von VCSELs und schlägt entsprechende Optimierungslösungen vor, die eine leitende Bedeutung für die effektive Wärmeableitung von VCSELs haben.

Vertikale Oberflächenemitterlaser (VCSEL); thermische Eigenschaften; Temperatur; Wärmewiderstand