L’embase

Une fois le laser conçu et fabriqué, celui-ci doit être reporté sur une embase, ne serait-ce que pour des problématiques de préhension. Le type d’embase, notamment sa géométrie et le(s) matériau(x) la constituant, sont pourtant d’une importance critique en ce qui concerne la dissipation de la charge thermique. Dans cette partie,

nous menons une étude expérimentale en comparant plusieurs types d’embases, ainsi qu’une étude numérique sur le sens de montage du QCL sur l’embase.

Comme expliqué dans la partie II.2.3, les embases standards utilisées sont en AlN, recouvertes d’or sur lequel des contacts ont été séparés. Une embase type est représentée sur la figure III.29, et fait typiquement 5 × 6 mm2 pour une épaisseur de l’ordre de 1 mm. L’AlN des embases du commerce est compris entre 170 et 230 W/mK et est isolant électriquement.

Figure III.29: Schéma typique d’une embase (Kyocera).

Sur la partie centrale, où sera soudé le laser, un dépôt d’Au/Sn est réalisé. La soudure est alors effectuée en appuyant le laser sur la piste d’Au/Sn tout en chauffant l’ensemble à la température de fusion de l’Au/Sn.

Cependant des embases faites avec d’autres matériaux sont couramment em-ployées, comme le cuivre, ou de façon plus sporadique, comme le BeO, les métaux composites tungstène/cuivre, l’alumine et le diamant. Certains d’entre eux sont de meilleurs conducteurs thermiques, mais présentent le désavantage de ne pas avoir le même CTE que l’InP. Les propriétés de ces matériaux (tels qu’utilisés pour la fa-brication des embases) sont résumées dans le tableauIII.7 en nous basant sur deux états de l’art antérieurs [151,152] et sur les données des fabricants.

Matériau conductivité thermique (W/mK) CTE (ppm/◦C) isolant électrique

Kovar 15 5,8 non Al2O3 20-30 6,7 oui AlN 170 - 230 4,3 oui W1−x/Cux 170-240 (pour x de 10 à 55) 6,5 (x=10) non AlSiC 200 8 oui SiC 250 2,4 oui BeO 270 9 oui Cu 400 17,8 non Diamant 1200 - 2000 1,5 - 2 oui

Table III.7: Propriétés thermo-mécaniques et électriques des principaux matériaux employés pour les embases lasers.

Nous avons pu travailler, en plus de l’embase standard précédemment décrite, sur une embase standard avec un pavé de diamant soudé à l’indium, et un em-base en cuivre doré avec pavé de diamant, comme montré respectivement sur les figures III.30a et III.30b. Nous appellerons par la suite ces embases EAlN, ECD

AlN et ECD

(a) Image MEB d’un laser indié sur em-base ECD

AlN

(b) Photographie du laser soudée sur embase ECD Cu. Figure III.30: Photographies MEB et optiques des deux embases E^CDAlN et ECD

Cu.

Trois lasers identiques de 3 mm de long et 8 µm de large, issus de la même plaque avec la plaque ART 1784, similaire à la ART 609, présentée à la partie II.3.3, sont montés sur ces trois embases. Les courbes caractéristiques sont mesurées en PW à 3% et en CW, avec une régulation du Peltier allant de 10◦C à 50◦C. Les résistances thermiques de chaque composant sont mesurées expérimentalement selon la méthode décrite par Faist [74], en utilisant la formule :

R_th= ^T0ln(ICW th /I₀^p) − Tsub U_thICW th (III.26) où T0et Ip

0 sont la température et le courant caractéristique du courant de seuil, telle que décrite en II.3.2, ICW

th et Uth sont le courant et la tension de seuil à la température du Peltier en CW.

Les valeurs de T0 sont extraites individuellement pour chaque laser à partir des courbes caractéristiques, présentées en annexes B.3. Toutes les valeurs mesurées pour le calcul des résistances thermiques telles que définies par la formule III.26

Embase EAlN T_peltier (◦C) IP W th (A) ICW th (A) Vth (V) Rth (K/W) T0 (K) 10 0,442 0,630 10,8 8,59 165 20 0,474 0,681 10,88 8,05 165 30 0,503 0,732 11,04 7,64 165 40 0,534 0,786 11,32 7,15 165 50 0,564 0,849 11,58 6,87 165 Embase ECD AlN T_peltier (◦C) IP W th (A) ICW th (A) Vth (V) Rth (K/W) T0 (K) 10 0,443 0,675 10,72 9,15 157 20 0,476 0,725 10,86 8,42 157 30 0,506 0,782 11,04 7,90 157 40 0,540 0,840 11,28 7,32 157 50 0,572 0,912 11,55 6,96 157 Embase ECD Cu T_peltier (◦C) IP W th (A) ICW th (A) Vth (V) Rth (K/W) T0 (K) 10 0,477 0,621 10,68 6,52 164 20 0,510 0,663 10,79 6,03 164 30 0,537 0,709 10,93 5,88 164 40 0,575 0,757 11,1 5,38 164

Table III.8: Mesure des résistances thermiques des lasers montés sur les trois embases EAlN, ECD

AlN et ECD

Cu pour des températures allant de 10◦C à 50◦C.

Les résistances thermiques ainsi obtenues sont représentées sur la figure III.31.

10 15 20 25 30 35 40 T_sub (°C) 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 R ^th (K/W) E_AlN E AlN CD E_Cu^CD

Figure III.31: résistances thermiques mesurées pour les trois types d’embases en fonction de la température.

On remarque sur la figure que les résistances thermiques décroissent avec la température conformément aux prévisions, la conductivité thermique de l’InP aug-mentant avec la température. D’autre part, le QCL sur embase ECD

AlN présente, au contraire de ce que l’on aurait pu attendre, une résistance thermique légèrement

supérieure à celui sur embase EAlN. Cet écart varie de 0,17 K/W à 0,56 K/W selon la température. Cette différence peut s’expliquer par la différence de maturité dans les procédés de montage, et notamment de soudure. La soudure indiée sur diamant n’est pas un procédé standard, contrairement à la brasure Au/Sn sur embase AlN, et celle-ci n’a pas pu faire l’objet d’un développement approfondie en raison du nombre limité d’échantillons. En outre, l’embase ECD

Cu montre de meilleures performances que l’embase standard. En effet, la résistance thermique du QCL monté sur embase ECD Cu

a été mesurée comme étant plus faible d’environ 2 K/W par rapport à l’embase standard. L’effet de cette baisse de la résistance thermique est visible sur les courbes caractéristiques, présentée sur la figureIII.32.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Intensity (A) 0 2 4 6 8 10 12 Voltage (V) 0 100 200 300 400 500 600 700 Power (mW) E_AlN E^CD_Cu

Figure III.32: Courbes caractéristiques de deux lasers en CW de 3 mm de long et 8 µm de large, issus de la même plaque, l’un sur une embase en AlN standard et l’autre sur une embase cuivre avec pavé de diamant.

Le courant de seuil et l’efficacité dP/dI sont légèrement meilleures, passant res-pectivement de 0,690 A à 0,665 A et de 1,36 W/A à 1,61 W/A, soit des améliorations de 3,8 % et 18 %. La performance qui bénéficie le plus de cette baisse de la résis-tance thermique est la puissance maximum. En effet, une résisrésis-tance thermique plus faible permet non seulement de diminuer le courant de seuil, mais aussi d’atteindre le roll-over thermique pour des courants plus fort. Ainsi, l’utilisation de l’embase ECD

Cu permet d’atteindre une puissance de 638 mW contre 357 mW pour le QCL monté sur embase standard, ce qui représente une amélioration de 79 %.

Il convient toutefois de souligner le fait que l’InP, le cuivre et le diamant ont tous les trois des CTE très différents, comme rappelé dans le tableau III.7. L’utilisation des embases employant du cuivre ou du diamant nécessite donc de faire des soudures dites “molles” (soft-solder) avec de l’indium. Ces soudures sont moins robustes et fiables en comparaison des lasers montés sur AlN par brasure Au/Sn, dont le procédé a été développé pour les diodes servant aux télécommunications. Les principaux problèmes sont la migration électrique et thermo-électrique de l’indium vers la facette des composants, son oxydation et l’usure mécanique par la contrainte thermique de la soudure, ce qui réduit la durée de vie des composants [153].

III.3.2 Amélioration de la thermique par le sens de montage