一文解析大功率激光器芯片

　　對(duì)于單顆輸出光功率超過500mW的激光器芯片已經(jīng)是大功率激光器芯片了。轉(zhuǎn)換效率根據(jù)材料的不同而不同，像紅光的目前大功率也能達(dá)到50%，剩余的電能就轉(zhuǎn)換成熱能。

　　對(duì)于小功率的LD，比如光通信用的mw級(jí)別的，一般也很少考慮腔面災(zāi)變。大功率激光器芯片就容易發(fā)生腔面的災(zāi)變Catastrophic optical damage，COD。光學(xué)災(zāi)變損傷，亦稱災(zāi)變性光學(xué)鏡面損傷（Catastrophic optical mirror damage，COMD），是大功率激光器的一種故障模式。通常我們會(huì)認(rèn)為COD的產(chǎn)生是由于半導(dǎo)體PN結(jié)因超過功率密度而過載，并吸收了太多增益產(chǎn)生的光能，最終導(dǎo)致腔面區(qū)域的熔化、再結(jié)晶，而受影響的區(qū)域?qū)a(chǎn)生大量的晶格缺陷，破壞了器件的性能。當(dāng)影響的區(qū)域足夠大時(shí)，我們便將在光學(xué)顯微鏡下觀察到的腔面變黑以及裂縫、溝槽等現(xiàn)象，稱之為“外COD機(jī)制”。

　　黑色斷點(diǎn)的位置就是發(fā)生COD的位置

　　COD發(fā)生之后，AR面會(huì)有這種小的缺陷或者黑點(diǎn)出現(xiàn)。

　　一旦發(fā)生COD，芯片就會(huì)不可逆轉(zhuǎn)的損耗，一般是光功率下降50%以上，甚至無光。如何提高芯片耐COD的能力呢?？梢栽诓牧贤庋与A段、芯片設(shè)計(jì)階段、芯片工藝階段、以及芯片端面腔面處理方面做文章。

　　提高芯片耐COD的幾種方案：

　　1應(yīng)變量子阱技術(shù)量子阱作為半導(dǎo)體激光器最廣泛采用的有源區(qū)，其內(nèi)部表現(xiàn)出量子化的子帶和階梯狀態(tài)密度，將大大提高激光器的閾值電流密度和溫度穩(wěn)定性；通過改變勢(shì)阱寬度和勢(shì)壘高度，可以改變量子化的能量間隔，實(shí)現(xiàn)激光器的可調(diào)諧特性，與傳統(tǒng)的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器相比，可以有效地降低激光器的閾值電流，提高量子效率與微分增益?而在量子阱中引入應(yīng)變則會(huì)顯著地改變其本身的能帶結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整價(jià)帶中的重?輕空穴帶的位置，從而增加芯片外延結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)和自由度?一般來說，在III-V族三元和四元材料組成的量子阱外延結(jié)構(gòu)中引入壓應(yīng)變，會(huì)加劇能帶函數(shù)的變化，從而降低激光器的閾值電流；而引入張應(yīng)變，則會(huì)平緩能帶函數(shù)，在一定程度上提高材料在大功率下工作狀態(tài)下的增益?應(yīng)變量子阱的出現(xiàn)使得通過調(diào)節(jié)應(yīng)變獲得所需能帶結(jié)構(gòu)并提高增益成為了可能，使半導(dǎo)體激光器的性能出現(xiàn)了大的飛躍?

　　1984年，Laidig等最早報(bào)道了基于應(yīng)變InGaAs/GaAs量子阱的激光器，在較高的閾值電流密度（1.1kA/cm2）下獲得了波長(zhǎng)為1μm的激光，通過完善工藝將閾值電流密度降低到465A/cm2?1991年AT&TBell實(shí)驗(yàn)室利用MBE方法降低了閾值電流———低至45A/cm2，基本達(dá)到理論極限［23］?1993年7月，日本的Hayakawa等利用GaAs/AlGaAs張應(yīng)變量子阱得到了輸出波長(zhǎng)在780nm的橫磁（TM）模CW激光器?

　　2無鋁量子阱技術(shù)

　　無鋁材料激光器相比有鋁材料激光器具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

　　1）無鋁材料比含鋁材料具有更高的COMD功率密度?有源區(qū)中的鋁容易氧化和產(chǎn)生暗線缺陷，致使發(fā)生COMD時(shí)的功率密度減小，更容易產(chǎn)生COMD，從而限制了激光器的功率和壽命?

　　2）同時(shí)，相對(duì)于含鋁量子阱，無鋁量子阱的電阻更低?熱導(dǎo)率更高，因而表面復(fù)合速率低?表面溫升低?腔面退化速率慢，對(duì)暗線缺陷的攀移有抑制作用，且材料內(nèi)部退化速率慢?在1998年，美國的Pendse等最初提出，無鋁量子阱激光器具有更高的可靠性?1999年，美國的Mawsi等對(duì)與GaAs晶格匹配的InGaAsP單量子阱激光器的可靠性進(jìn)行了研究，證明了無鋁器件的端面溫升比含鋁的AlGaAs激光器低得多，并在10℃工作溫度下，獲得了3.2W的最大輸出功率?2008年，中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所報(bào)道了無鋁1mm腔長(zhǎng)的準(zhǔn)連續(xù)陣列輸出功率可達(dá)40W，無鋁1cm長(zhǎng)的鍍膜bar條在180A工作電流下，輸出功率大于185W?2013年，山東大學(xué)報(bào)道了無鋁有源區(qū)在20A工作電流下，輸出功率達(dá)20.86W的激光器?

　　2波導(dǎo)結(jié)構(gòu)技術(shù)

? ? ? 2.1非對(duì)稱波導(dǎo)技術(shù)

　　在大光腔結(jié)構(gòu)中，隨著波導(dǎo)尺寸的增加，器件的串聯(lián)電阻也會(huì)增加?故為降低串聯(lián)電阻，通常對(duì)p型限制層施以較高的摻雜?實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，光吸收正比于摻雜區(qū)的摻雜濃度，并且在p型材料中被空穴吸收光子的損耗大于在n型材料中被電子吸收光子的損耗?這樣，在對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，p型高摻雜區(qū)載流子的光吸收是形成內(nèi)部損耗?導(dǎo)致效率降低的主要原因?可以通過p型波導(dǎo)和n型波導(dǎo)的厚度非對(duì)稱，折射率非對(duì)稱等調(diào)節(jié)方式，讓光場(chǎng)分布盡量限制在n型區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展，從而降低串聯(lián)電阻和內(nèi)部損耗，獲得較高的效率?

　　2007年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所報(bào)道了無鋁有源區(qū)非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器，波長(zhǎng)為808nm，連續(xù)工作條件下，輸出功率可達(dá)6W，2009年實(shí)現(xiàn)了980nm半導(dǎo)體激光，內(nèi)損耗僅有0.78cm-1，2010年，實(shí)現(xiàn)了980nm半導(dǎo)體激光效率58.4%?2013年，日本的Morita等實(shí)現(xiàn)了條寬為100μm，腔長(zhǎng)為4mm，CW輸出功率為19.8W，20℃溫度下轉(zhuǎn)換效率68%的半導(dǎo)體激光器?2020年，芬蘭的Ryvkin等通過對(duì)分對(duì)稱波導(dǎo)的折射率?限制因子?載流子濃度?內(nèi)部損耗等方面的模擬分析，最終設(shè)計(jì)了短腔結(jié)構(gòu)計(jì)算出CW輸出功率達(dá)40W的半導(dǎo)體激光器?

　　2.2大光腔技術(shù)

　　為了獲得高輸出功率，提高COMD閾值，需要降低有源區(qū)與限制層的光場(chǎng)能量密度?這就需要增大波導(dǎo)的尺度，增加光斑的尺寸，拓寬光場(chǎng)分布，這就是大光腔技術(shù)?在增加波導(dǎo)尺度的同時(shí)，可以優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，降低激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)快軸光束發(fā)散角?2005年，德國的Knauer等實(shí)現(xiàn)了808nm大光腔結(jié)構(gòu)，獲得了25℃溫度下，CW輸出功率為15W，快軸遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為18°?2006年，Bookham公司采用InGaAs/AlGaAs材料，設(shè)計(jì)了漸變折射率大光腔芯片，在溫度為16℃?電流為20A時(shí)，獲得了大于17W的CW輸出功率?2008年，Xu等采用InAlGaAs/AlGaAs/GaAs材料的漸變折射率新型大光腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了25℃溫度下CW輸出功率為23W的915nm激光器?2009年，德國的Crump等采用InGaAs/GaAsP材料和芯徑2.5μm的大光腔結(jié)構(gòu)，得到了CW輸出功率為20W的975nm單管半導(dǎo)體激光器，壽命大于4000h?2015年，北京工業(yè)大學(xué)凌小涵等設(shè)計(jì)了980nm大光腔單發(fā)光條大功率半導(dǎo)體激光器，其CW輸出功率達(dá)到12W，經(jīng)老化實(shí)驗(yàn)得到器件綜合成品率達(dá)到40%?2019年，長(zhǎng)春理工大學(xué)的喬闖等設(shè)計(jì)并制作了非對(duì)稱大光腔結(jié)構(gòu)，制備了890nm周期的分布式布拉格反射鏡（DBR）光柵，最終實(shí)現(xiàn)了輸出功率為10.7W，斜率效率為0.73W/A的激光輸出?

　　3腔面技術(shù)3.1非吸收腔面技術(shù)

　　通過增大腔面附近量子阱帶隙寬度，使得腔面處對(duì)激射波長(zhǎng)透明，這就是非吸收腔面技術(shù)?非吸收腔面可以減少因非輻射復(fù)合和光吸收產(chǎn)生的熱量及光生載流子的數(shù)量，是提高半導(dǎo)體激光器輸出功率和可靠性的有效方法?目前，非吸收腔面的制作方法主要包括：二次外延生長(zhǎng)技術(shù)和量子阱混合技術(shù)?二次外延生長(zhǎng)是通過刻蝕?再生長(zhǎng)一種寬帶隙半導(dǎo)體材料?這種方法技術(shù)難度大?工藝復(fù)雜，難以保證結(jié)合界面的晶體質(zhì)量?量子阱混合技術(shù)通過在外延片上進(jìn)行薄膜淀積或雜質(zhì)注入，再通過高溫快速退火，使各組成元素發(fā)生互擴(kuò)散，導(dǎo)致阱?壘組分發(fā)生變化，從而增大帶隙結(jié)構(gòu)?這種方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，效果較為明顯，但需要高溫條件下進(jìn)行熱退火，可能會(huì)對(duì)器件造成一定的損傷?

　　1984年，英國電信研究實(shí)驗(yàn)室利用選擇性外延生長(zhǎng)技術(shù)制備出非吸收腔面的AlGaAs大光腔激光器，在脈沖輸出（脈寬為100ns）時(shí)，得到的輸出功率是普通激光器的2~3倍?1999年，日本京都大學(xué)制備出帶有非吸收腔面的780nmAlGaAs/GaAs大功率半導(dǎo)體激光器，最大輸出功率是傳統(tǒng)激光器的3倍?2000年，英國格拉斯哥大學(xué)制備了具有非吸收腔面的GaAs/AlGaAs半導(dǎo)體激光器，在發(fā)生COMD時(shí)的最高輸出功率是普通激光器的2倍?2015年，濱松光電子股份有限公司制備了帶隙差為100meV的非吸收腔面，915nm波段InGaAs寬條半導(dǎo)體激光器的連續(xù)輸出功率為20W，可靠工作時(shí)間在5000h以上，最大效率超過65%?

　　3.2腔面鈍化技術(shù)

　　半導(dǎo)體激光器的自然解理面極容易被潮解和氧化，氧化物和沾污易成為非輻射復(fù)合中心，從而加劇腔面結(jié)溫升高的急劇上升，最終導(dǎo)致COMD，使得器件失效?腔面鈍化能夠有效地去除半導(dǎo)體激光器腔面的沾污和氧化層等雜質(zhì)，降低腔面的表面態(tài)密度，從而有效提高器件的熱穩(wěn)定性?抑制COMD，最終提升最大輸出功率并提高器件的可靠性，為高性能和穩(wěn)定工作提供保障?1987年，貝爾通訊研究公司的Sandroff等發(fā)明了腔面硫化處理技術(shù)?采用Na2S·9H2O溶液將GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBTs）腔面鈍化，經(jīng)硫化處理后的HBT電流增益提高了60多倍?1996年，Syrbu等在蒸鍍高反/增透膜前利用原位生長(zhǎng)ZnSe技術(shù)，將980nmInGaAs半導(dǎo)體激光器腔面鈍化，使激光器連續(xù)輸出功率提高50%?

　　1997年，美國威斯康星大學(xué)的Mawst等利用激光輔助化學(xué)氣相沉積法在InGaAs雙量子阱半導(dǎo)體激光器腔面處形成ZnSe鈍化層，將器件COD閾值提高了50%?2005年，德國的Ressel等報(bào)道了腔面鈍化無鋁有源區(qū)大功率半導(dǎo)體激光器，在激光器的老化過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能?2016年，北京工業(yè)大學(xué)利用離子銑氮鈍化處理980nm半導(dǎo)體激光器腔面，得到了CW輸出功率為22.5W，器件輸出功率提高了32.14%?2019年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所采用射頻等離子體增強(qiáng)反應(yīng)磁控濺射沉積α-SiNx薄膜對(duì)980nm光子晶體激光器進(jìn)行腔面鈍化?通過優(yōu)化氮-氬混合等離子體并采用快速退火的方法，顯著抑制了COMD，提高了器件的性能和激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性?2019年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所在真空中直接蒸鍍一層厚度為25nm的ZnSe材料作為鈍化膜，利用ZnSe薄膜材料大禁帶寬度的特性作為半導(dǎo)體激光器腔面鈍化膜，有效提高半導(dǎo)體激光器輸出功率和器件損傷閾值，提供腔面保護(hù)?

　　3.3鍍膜技術(shù)

　　腔面鍍膜技術(shù)是大功率激光器的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，其作用有兩個(gè)：1）覆蓋解理腔面，防止有源區(qū)氧化，提高可靠性和穩(wěn)定性；2）改變腔面膜反射率，使得激光器在保持性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)單面出光，提高激光器的輸出功率和激光的利用效率?因?yàn)榧す馄鞯那幻媸蔷w的自然解理面（110面），其反射率約為31%，在激光器工作時(shí)，由于激光器前后腔面反射率大小一樣，因而造成兩個(gè)腔面同時(shí)出光?通過腔面鍍膜在激光器的前后腔面分別制備增透膜和高反射膜，高反膜降低了閾值電流，而增透膜提高了器件的量子效率和電-光轉(zhuǎn)換效率?該技術(shù)主要內(nèi)容有兩個(gè)方面：一是膜系材料的選擇?首先要考慮鍍層材料的高純性?長(zhǎng)期穩(wěn)定性?附著力?鍍層材料與自然解理面之間的熱匹配和應(yīng)力匹配?鍍層材料之間的晶格匹配等?同時(shí)還要易于蒸鍍，不會(huì)對(duì)激光器的自然解理面產(chǎn)生破壞，能夠防止環(huán)境氣氛擴(kuò)散進(jìn)入器件發(fā)光區(qū)?二是確定高反膜的反射率和增透膜的透射率，基本原則是：通過后腔面發(fā)射的光盡可能少，使激光盡可能由前腔面透過，同時(shí)又不引起明顯的腔面附加吸收和附加損耗?對(duì)于增透膜，膜系材料可以選擇折射率介于波導(dǎo)層有效折射率與空氣折射率之間的材料?通常選擇Al2O3?SiO2作為低折射率材料，ZrO2?TiO2等作為高折射率材料?高反膜的反射率一般采用95%~98%，增透膜的反射率一般采用1%~5%?

　　編輯：黃飛