碳化硅衬底：高功率激光器散热解决方案的未来

       碳化硅（SiC）衬底作为高功率激光器的过渡热沉材料，凭借其卓越的热导率、优异的耐高温性能、机械强度及化学稳定性，已成为解决激光器散热问题的理想选择。随着激光器功率需求的不断提升，SiC衬底在提高激光器效率、延长使用寿命和优化性能方面的作用愈加重要。随着相关技术的不断进步，SiC材料将在更多高功率应用中展现其巨大潜力。若需要了解更多关于SiC衬底在高功率激光器中的应用信息，请随时与我们的销售团队联系：vp@honestgroup.cn。

1. 高功率激光器热沉材料的关键特性

        尽管半导体激光器具备较高的电光转换效率，但在其芯片的有源区仍会产生非辐射复合损耗和自由载流子吸收等现象，这些问题在激光器工作过程中会导致大量热量的积聚。除了这些因素外，由于各层材料间的电阻效应，焦耳热不断生成，进一步加剧了热量积累。由于激光器芯片的材料热导率较低，这些热量无法迅速有效地传导出去，最终导致有源区温度升高。温度的上升使得有源区材料的禁带宽度减小，进而引发激射波长红移、效率下降、功率衰减以及阈值电流增大的系列问题，严重影响激光器的性能、寿命和可靠性。因此，优化散热性能直接决定了激光器的稳定性与长期运行表现。

        理想的过渡热沉材料应具备以下几个关键特性：

1）高热导率：能够快速有效地传导热量，减少热阻，防止热量在芯片区域积聚。

2）与芯片材料热膨胀匹配：材料的热膨胀系数应与激光器芯片相匹配，以避免因热胀冷缩不一致而导致的机械应力和损伤。

3）良好的机械强度与稳定性：在高温和长期工作条件下仍能保持稳定的性能。

2. SiC晶片用作高功率激光器散热片的研究

        散热材料的选择不仅要依赖其优异的导热性，还要兼顾其在泵浦和激光波长下的高透射特性。如图1（a）所示，潜在的散热器材料通常具有较高的导热性能。图1（b）则展示了SiC晶片与金刚石薄膜材料在250-2650nm波长区域的外部透射光谱。可以看出，SiC与金刚石在400-2500nm波段都具有良好的透射性能，适用于高功率激光器的散热需求。

图1（a） 潜在散热器材料的导热性（b）碳化硅与金刚石散热片的外部传输

        SiC衬底在高功率激光器中的应用，能够有效将芯片产生的热量迅速传导到外部热沉系统，从而保持激光器在最佳工作温度下运行。与传统的铜、铝等散热材料相比，SiC材料能够更高效地散发热量，减轻冷却系统的负担，避免过热导致的激光波长红移、效率下降等问题。

        SiC衬底的优异热导性显著降低了激光器芯片的工作温度，减少了由于过热引起的损耗。研究表明，采用SiC衬底后，激光器的电光转换效率得到了显著提升，功率输出的稳定性也有所增强。与传统C-mount铜热沉相比，使用SiC衬底的热阻可降低0.49°C/W，同时电光转换效率和功率输出提高了10%以上。

        此外，SiC衬底的高热导率还使得热管理系统的体积和重量得到有效缩小。这对于高功率激光器的紧凑型和集成化设计至关重要，尤其是在对设备体积和重量有严格要求的应用中，SiC衬底的优势更加突出。

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