高功率nm半导体激光器设计与制

1.引言

半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上[1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低,只有1%左右；2）体积小。

一个出射功率超过10W的半导体激光芯片尺寸大约为0.3mm3,而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。本文首先简要介绍深圳瑞波光电子有限公司高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。

2.nm高功率激光外延结构与器件结构设计 　　

　　图1.半导体激光外延结构示意图

图2.外延结构以及与之对应的光场分布

半导体激光器外延结构从电子学上讲是一p-n结构，而从光学角度讲则是波导结构。对于不同波长器件，外延结构材料也会随波长的不同而选用不同材料体系。比如，蓝绿光以GaN材料为衬底，以InGaN为量子阱材料；从nm到nm的器件，均是基于GaAs材料体系，而量子阱材料根据波长需要选取不同材料。对于激射波长为-nm范围内的量子阱结构,则基于InP材料体系，通常采用In(1-x-y)Ga(x)Al(y)As量子阱材料,通过调节材料的组分以及选取适当的量子阱厚度，人们可以在很大范围内自由设计激射波长。图1给出了一个典型的基于InGaAlAs量子阱材料的nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区多量子阱、InGaAlAs波导以及InP包层材料组成。为了形成波导结构，波导材料的折射率要小于量子阱材料的折射率，如此一来，在生长方向上，材料对其中的光场便形成很强的限制作用,光场最强的区域恰好与有源区重叠，从而使得量子阱材料有很高的光增益（见图2）。另外，为了实现电子与空穴在量子阱内产生受激辐射复合，材料必须被掺杂成p-i-n结构，其中有源波导区通常为非掺杂的本征区域。有源区的设计主要参数为量子阱组分、厚度、量子阱数目以及势垒组分等，而设计的主要考虑是阈值电流、量子效率等。有源区确定后，接下来的设计便是波导设计以及掺杂优化。波导设计时通过选取合适的波导材料、厚度来获得所需要的量子阱光场限制因子、远场分布等。在器件设计方面，通常采用腔长较长的结构，这是因为整个芯片的封装模块的热阻与腔长近似成反比，芯片越长，模块热阻越小，芯片的结温越低。图3-5为我们计算的芯片工作电流、阈值电流以及结温与腔长以及腔面反射率之间的关系。在计算中我们严格采用数值分析方法分析了器件在实际封装结构下整体封装模块的热阻抗。由图可见，对于2瓦的输出功率当腔长为2mm时，工作电流大约为5.5A，而阈值电流大约为mA,芯片的结温为45°C，比运行环境高出20°C。

　　图3.工作电流与腔长以及腔面反射率之间的关系

　　图4.阈值电流与腔长以及腔面反射率之间的关系

　　图5.芯片结温与腔长以及腔面反射率之间的关系

3.nm高功率激光工艺制作

高功率激光因为需要输出很高的功率，所以其有源区条宽一般为几十微米甚至几百微米，具体条宽根据应用而定。为了区别单模窄波导激光，这种激光结构有时会被称之为宽条激光。宽条激光的工艺处理相对比较简单，有的公司为了简化工艺，只是通过有限几个步骤的工艺处理（如离子注入）形成电隔离区域，然后制作p面金属电极、晶片减薄、n面金属电极沉积、快速退火以及腔面镀膜等即完成所有工艺流程。不过，有证据似乎表明，用这种方法制作的激光的水平方向的光束特性随电流变化比较大[6]。RB-14xx系列激光芯片是我们自主设计与制作的激射波长从-1nm变化的高功率激光芯片，芯片输出功率1-5瓦，其它功率输出可以根据用于需求特别制作。我们制作的激光发光区宽度为95微米，这样可以耦合到光纤芯径为微米的多模光纤中。激光腔长根据我们的理论计算结果选取2-3mm,具体长度与额定输出功率有关，腔长较长的芯片输出功率更高。

为了改善宽条激光的稳定性，也可以通过刻蚀形成脊波导，波导结构不仅会对电流形成隔离作用，而且因为刻蚀形成的波导对光在横向形成波导限制。图6给出了刻蚀后形成的宽波导激光。在瑞波光电，我们采用了简单的化学湿刻方法来形成横向波导。波导刻蚀完毕后，还需要进行一系列的工艺处理，包括电流注入窗口刻蚀、金属电极制作、芯片减薄、快速退火以及腔面镀膜等。腔面镀膜参数选用前述的计算结果，即高反面饭反射率大约为95%，而低反射腔面的反射率大约为2-4%。

　　图6.宽波导高功率激光示意图

4.高功率激光性能测试

高功率半导体激光测试参数主要包括光—电流—电压（LIV）特性曲线、温度特性、光谱曲线、光束特性、可靠性以及偏振性质等。由于半导体芯片对环境温度、环境湿度、静电、尘埃、电流电压的过脉冲以及光的回反射等都非常敏感，这些参数的任何变化不仅影响到测量精度，而且更有可能引起器件的突然失效。为此，激光的测试环境必须经过认真考虑。深圳瑞波光电子有限公司技术团队集多年测试分析经验，提出了一套完整的芯片参数测试分析方案，构建了能够精确控制测试环境、对各种参数进行快速自动测试、最后自动生成主要参数测试报告的测试系统。针对半导体激光器的关键制造环节的表征测试需要，我们研发了一系列测试仪器，包括针对裸芯片的单管/巴条测试系统和full-bar巴条测试系统（这里full-bar巴条测试是指共电极测试，测试电流可达-A），针对贴片后器件的COS（chip-on-submount）测试系统、针对光纤耦合蝶形封装的模块测试系统、以及大容量并可以实时监控器件功率和波长的老化寿命测试系统等。特别需要指出的是，我们的寿命测试系统具有诸多独特的优点，包括：1）容量大，可以同时测试只COS模块；2）检测参数多，包括输出功率、电流、电压以及波长等；3）可以提供加速寿命测试，即器件可以在更高输出功率以及更高的环境温度下工作。图7为我们的COS测试台图片，该系统主要由电子学系统、机械组件、控制系统以及数据处理与分析系统组成，可以对前述的各种参数进行快速和准确的测试。芯片工艺制作完毕后，芯片以P面朝下的方式被焊接在厚度为微米的镀金AlN陶瓷片上，焊锡材料采用的是金锡焊料。为了简明起见，以后将这种方式封装的芯片称之为COS（chip-on-submount）。COS测试是用我们开发的测试系统完成的，该系统可以在连续和脉冲电流下全方面表征器件的光电特性，包括LIV特性，光谱特性以及光束特性等。该系统已经在多家激光芯片制造企业和封装企业的研发实验室和生产线上采用。

　　图7.测试工作台照片

5.超高功率nm高功率激光芯片

图8为在不同温度下以持续电流方式(CW)测试的光—电流（L-I）特性曲线，由其可见，COS在20℃测试环境下，阈值电流大约为mA，斜率效率大约为0.42W/A，而达到2瓦输出功率时所需要的工作电流为5.6A，实际测试参数与前述的理论预测高度吻合。在温度为40℃时，器件的阈值电流与外量子效率稍有下降，表明芯片有很好的温度特性。芯片的最高输出功率超过4瓦。图9为20℃环境温度下以准续电流方式(QCW)测试的不同腔长芯片的光—电流（L-I）特性曲线。在我们的QCW测试中，我们采用了脉冲宽度为1毫秒、脉冲占空比为10%的脉冲测试方式。从图10我们显然可以看出，腔长较长的激光可以在更高的电流下工作，不过其缺点是外量子效率稍低，阈值电流更高。另外，对于腔长为３毫米的器件，芯片可以在高达50A的工作电流下工作，一方面演示了芯片在QCW模式下的最高输出功率，另一方面也表明芯片的可靠性水平，因为芯片的可靠性与工作电流以及输出功率密切相关。图10为输出功率为2瓦时所测得的光束发散角，很显然，在垂直方向上（即外延生长方向）光束发散角的全宽半高值（FWHM）大约为30度。图11为输出功率为2瓦时的实际激射波长，其值大约为nm。除过上述典型参数之外，高功率激光的一个至关重要的参数是其可靠性水平。因为器件寿命主要与三个参数密切相关，即输出功率、器件结温以及工作电流。为了能够在相对较短的时间内获得可靠的器件寿命估计，在器件可靠性评估中，人们通常采用所谓的加速寿命测试，即器件在高于额定输出功率、高于额定工作电流以及更高的可控环境温度下工作，通过监控芯片的工作参数与时间的关系来评估芯片在正常运行时的使用寿命，图12为我们5只COS连续测试0小时的功率变化记录。测试功率为2.7瓦，测试电流为9A，测试温度为40度。另外，图中的数据噪声是由于系统切换等引起的，而实际上，到目前为止我们尚未检测到任何功率衰减迹象。

　　图8.nm单管COS模块在不同测试温度下的光—电流曲线（CW测试）

　　图9.nm不同腔长单管COS模块在摄氏20度下的光—电流曲线（QCW测试）

　　图10.nm芯片的垂直方向的光束特性

　　图11激光光谱

　　图12.器件加速寿命测试（CW，40°C）测试

6.结论

本文简要综述了高功率nm半导体激光的设计以及腔面工艺处理方法，随后展示了深圳瑞波光电子公司在高功率nm芯片研发方面所取得的进展。测试表明，我们所研发的器件性能指标包括可靠性水平达到了国际一流水平。

致谢

本项目研究得到了国家高技术研究发展计划(计划)课题“高线性激光器和高饱和功率光探测器阵列芯片”资助（课题编号AA），并得到了广东省“创新引进科研团队计划”与深圳市“孔雀团队计划”的支持。

（来源：激光世界）

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