[논문]2차원 FEM 시뮬레이션을 이용한 650 nm InAIGaP/InGaP 다중양자우물 대면적 레이저다이오드의 열적 분석

임정우; 정관수; 유재수

2차원 FEM 시뮬레이션을 이용한 650 nm InAIGaP/InGaP 다중양자우물 대면적 레이저다이오드의 열적 분석
Thermal analysis of 650 nm InAIGaP/InGaP MQW broad area lasers using a 2D FEM simulation 원문보기

임정우 (경희대학교 전자전파공학과) , 정관수 (경희대학교 전자전파공학과) , 유재수 (경희대학교 전자전파공학과)

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가설 설정

V는 활성영역 내에서의 전압이고 I는 인가전류, U는 활성 영역의 체적을 나타낸다. 일정온도(여기서 T_ambient= 298K)에서 소자 내부는 자연대류를 가정하고, 복사에 대한 열 확산은 매우 작으므로 무시하였다. 화합물 반도체 물질의 경우, 양자우물 내에서는 isotropic 열전도율을 사용하였으며, 금속 물질의 경우 실제 측정되어 알려진 열전도율을 사용하였다.

제안 방법

(3) 그리고 2차원 FEM (finite element method) 시물레이션을 통해 소자들의 열적 분석으로부터 소자 내의 활성영역 (active region)에서 열확산 및 온도 분포, 열저항 (R_th)을 계산하였다.⁽⁴⁾
2차원 대칭구조를 이용하여 InAlGaP/InGaP 다중양자우물 대면적 레이저다이오드 (w= 50 µm)의 열해석 시뮬레이션에 의한 열확산 및 온도 분포.
그림 2. ATLAS 시물레이션을 통해 얻은 InAlGaP/InGaP 다중양자우물대면적 레이저 다이오드들의 V-I-L 특성 곡선.
그림 1에서의 레이저다이오드 구조에 대해 V-I-L 특성을 위한 ATLAS 시물레이션이 수행되었다. 그리고 열적 특성은 2차원 FEM 시물레이션에 의해 분석되었다. 활성영역에서 발생한 열은 상부 p형 클래드 층을 통해 대류에 의해 확산되거나 하부 n형 클래드 층 및 n형 GaAs 기판을 통해 전도에 의해 heatsink로 확산된다.
본 연구는 650 nm InGaAlP/InGaP 다중양자우물 대면적 레이저다이오드에 대해 다양한 릿지 너비에 대해 이론적으로 얻어진 heat source density를 기반으로 2차원 열확산 모델을 사용하여 열 시물레이션을 수행하였다. 이러한 시물레이션을 통해 소자의 열확산, 온도분포, 열저항 및 열전도도가 계산되었다.
본 연구는 ATLAS 시물레이션을 이용하여 650 nm 파장을 방출하는 다양한 너비를 갖는 InAlGaP/InGaP 다중양자우물 대면적 레이저다이오드의 V-I-L 데이터를 얻어 heat source density를 계산하였다.⁽³⁾ 그리고 2차원 FEM (finite element method) 시물레이션을 통해 소자들의 열적 분석으로부터 소자 내의 활성영역 (active region)에서 열확산 및 온도 분포, 열저항 (R_th)을 계산하였다.
본 연구는 650 nm InGaAlP/InGaP 다중양자우물 대면적 레이저다이오드에 대해 다양한 릿지 너비에 대해 이론적으로 얻어진 heat source density를 기반으로 2차원 열확산 모델을 사용하여 열 시물레이션을 수행하였다. 이러한 시물레이션을 통해 소자의 열확산, 온도분포, 열저항 및 열전도도가 계산되었다.

후속연구

이러한 결과는 ATLAS 시물레이션에 의한 이론적인 V-I-L data값에 기인할 수 있다. 보다 실제적인 소자의 열적 분석은 추후 V-I-L 측정결과에 기반을 둔 heat source density로부터 FEM 시뮬레이션을 통해 얻어질 수 있을 것으로 사료된다.

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