44瓦超高功率808nm半导体激光器设计和制作

范文范例指导参考44瓦超高功808nm半导体激光器设计与制作仇伯仓，胡海，何晋国

深圳清华大学研究院

深圳瑞波光电子有限公司.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转换为光子能。 与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显蓍的特点、：1）能转换效帚，比如典型的 808nm帚功激光的最帚电光转换效可以帚达65%"上［1］，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能转换效仅有 10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能转换效低,只有1%左右；2）体积小。一个出好,超过10W的半导体激光芯片尺寸大约为0.3mm3,而一台固态激光有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性帚，平均寿命估计可以长达数十万小时［2］；4）价格低。半导体激光也同样遵从集成电工业中的摩尔定， 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。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。随着激光芯片性能的断提帚与其价格的持续下，以808nm以及9xxnm为代表的帚功激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。帚,激光芯片有干重要技术指标，包括能转换效以及器件运可靠性等。 器件的能转换效主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运可靠性主要与芯片的腔面处工艺有关。 本文首先简要综述帚功激光的设计思想以及腔面处方法， 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808nm帚功单管激光芯片方面所取得的主要进展。.帚功激光结构设计图1.半导体激光外延结构示意图word版整理范文范例指导参考折射率/光强折射率/光强图2.外延结构以及与之对应的光场分布0J100 200300 400 500600 700 800 900 1000SCHthickness(nm)装)0J100 200300 400 500600 700 800 900 1000SCHthickness(nm)装)JOWEJ1U3E0»U_JUOU-®MEnwEna图3.子但限制因子与SCH层厚之间的关系34(6-s〕(6-s〕shmll)aouapampEes-EOES3028262422100 200 300 400 500 600 700 600 900 1000SCHthickness(nm)图4.光束发散角与SCH层厚之间的关系图1给出一个典型的基于AlGaAs材的808nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区子但、AlGaAs波导以及AlGaAs包层材组成，在材选取上包层材的Al组分离高于波导层材的Al组分，以保证在材生长方向形成波导结构，即材时其中的光场有限制作用（见图2）。另外，为实现电子与空穴在子但内产生受激辐射复合，材必须被掺杂成 p-i-n结构，其中有源波导区通常为非掺杂的大在区域。因为半导体激光的主要性能参数对温非常敏感，所以在设计外延与器件结构时，必须仔细优化芯片结构参数，尽可能减小器件的内损耗以及联电但，尽可能地提高器件的内子效 ,以获得尽可能高的电光转换效。 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，模块热但越小，芯片的结温越低此外另一考虑因嗦是器件的可靠性。因为可靠性也与芯片工作时的电密有关，电密越大，寿命越短。同于低功器件，在高功激光设计中，阈值电的大小是最优先考虑的因嗦。研究表明，高功激光芯片的寿命主要与芯片内的光场密、电密以及芯片结温有关，而在上述三个因嗦之中，光场密对寿命以及可靠性影响最为显蓍。事实上，激光芯word版整理范文范例指导参考片生效在很大程上是由与光场密有关的两种生效模式有关：其一为因光场密造成腔内光学灾变（简称COBD）；其二为光场密过高而在腔面引起的光学灾变（简称COMD）。在高功激光外延结构设计中，为低因光功密过高而引起器件生效的几， 通常采用低光场密或者低限制因子设计。在低限制因子设计中，虽然阈值电会有所上升，但考虑到高功激光的工作电是阈值电的10-20倍以上，阈值电的些许增加并会显蓍影响器件的整体效。而且采用低限制因子设计还有一些额外的优点：1）可以低激光腔内的整体光损耗。这是因为激光的损耗主要是由自由载子吸收（FCA）［3］以及价带间载子跃迁造成的吸收（IVBA）引起的［4］，当采用低限制因子设计时，子阱内的载子吸收损耗也会相应低；2）可以低外延生长方向上的光束发散角，从而改善光束特性。芯片的光束特性影响到半导体激光的光束整形、耦合设计，当光束发散角小时，仅会提高光的耦合效，而且会容许后续的光学系统有大设计与制造容差。低限制因子设计可以通过调整分别限制异质结^^）层厚来获得。图3给出子但光场限制因子 gamma与SCH厚之间的关系，由其可见，低限制因子可用两种同方法来获得：其一为采用SCH厚很薄的设计；其二为采用SCH厚很厚的设计。SCH厚达到一微米左右波导设计一般被称之为大光场（LOC）设计［5］。在大光场设计中，因为比较容兼顾芯片的腔内损耗以及联电但的优化，所以当今许多业内顶级公司采用这一设计。.高功激光工艺制作与腔面处高功激光因为需要输出很高的功， 所以其有源区条宽在几十微米甚至几百微米，具体条宽根据应用而定。为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。宽条激光的工艺处相对比较简单，有的公司为简化工艺，只是通过有限几个步骤的工艺处（如离子注入）形成电隔离区域，然后制作p面属电极、晶片减薄、n面属电极沉积、快速退火以及腔面镀膜等即完成所有工艺程。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变化比较大［6］。为改善宽条激光相对于注入电的稳定性，也可以通过刻蚀形成脊波导，波导结构仅会对电形成隔离作用，而且因为刻蚀形成的波导时光在横向形成波导限制。图5给出刻蚀后形成的宽波导激光。高功激光的工艺最具挑战之处在于腔面处与镀膜工艺。 腔面处主要有无吸收腔面技术、腔面钝化技术等［7］。无吸收腔面技术是通过材生长完毕后的工艺处技术（通常被称之为子但混杂技术），在腔面对近区域，改变材的性质，使得材的吸收峰蓝移， 从而使腔面区域的材对芯片发射出的激光呈透明状态。无吸收腔面技术也可通过材再生长的方法来实现，所生长的材的能带宽要足够大， 以使其对芯片所发射的光呈现完全透明状态。腔面钝化技术是在腔面的半导体材上沉积一薄层其它材，这种材最好具有如下的性质：1）能够中和因半导体界面晶格缺陷而产生的复合中心；2）钝化材应该对激光无吸收；3）钝化材应该与半导体材的热膨胀系数接近 ；4）与本底半导体材有很好的化学与物吸附。 腔面钝化的目的是中和半导体激光腔面的非辐射复合中心，从而消除因非辐射复合而引起的腔面光学灾变。腔面镀膜是在激光腔的后端面镀上多时由两种同介质材组成的介质膜，以使其对腔内的反射达到 90%以上，而在激光的前端面，通过蒸镀-定厚的介质膜材，使其反射在 2-10%左右。word版整理

范文范例指导参考图5.宽波导高功激光示意图.高功激光性能测试高功半导体激光测试参数主要包括光一电—电压（LIV）特性曲线，温特性、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、环境湿、静电、尘埃、电电压的过脉冲以及光的中反射等非常敏感，这些参数的任何变化仅影响到测，而且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测试分析经验，提出一套完整的芯片参数测试分析方案，构建能够确控制测试环境、 对各种参数进快速自动测试、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，我们研发一系测试仪器，包括针对芯片的直管/巴条测试系统和full-bar巴条测试系统（过full-bar巴条测试是指共电极测试，测试电可达200-400A），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、以及大容并可以实时监控器件功和波长的化寿命测试系统等。图7给出我们研发的COS测试系统的图片，该系统主要由电子学系统、机械组件、控制系统以及数据处与分析系统组成，可以对前述的各种参数进快速和全方位的测试。图6.测试工作台照片.超高功808nm高功激光芯片RB-808系激光芯片是我们自主设计与制作的808nm高功激光芯片。RB-808系芯片是瑞波公司积极顺应市场需求，研发出针对同工作模式的芯片，其中包括输出同功的单管芯片（8-10瓦）、输出功达100W（CW：连续电模式）的巴条芯片等。在人文中我们word版整理

范文范例指导参考重点介绍我们所研发的直管高功产品，而高功巴条芯片将在其它文章中给予详细介绍。808nm激光在外延结构设计上，有多种同选择，比如子但材可以采用GaAs、AlGaAs、InGaAlAs、InGaAsP等［8］，波导材可以在选取子但材后，根据材的电子学与光学性质做出相应选择。在深圳瑞波，我们采用有源区无铝的InGaAsP子但结构。采用无铝有源区结构的好处是没有冷面在解后在大气中的氧化问题，从而避免与大气氧化有关的可靠性问题。芯片工艺制作完毕后，芯片以P面朝下的方式被焊接在厚为350微米的镀AlNP陶瓷片上，焊锡材采用的是锡焊。为简明起见，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为所测试的同温下的光一电（L-I）特性曲线，由其可见，COS在20测试环境下，阈值电大约为1.84，斜效大约为1.2W/A,而达到10瓦输出功时所需要的工作电为10A。图8为所测试的中心波长与电之间的关系，考虑到对于808nm的激光芯片，温每升高一，波长红移大约为0.25nm,意味着在工作电为10A时，芯片的结温大约比环境测试温高出16左右，这一温升高与我们的计算完全相符。图9为工作电在10A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帚值3柏刷）大约为25，比国外通用的同类型808芯片的36发散角减少30%，而水平方向上包含95%光场能的光束发散角大约为10。瑞波公司808nm芯片优异的远场特性使得后续封装模块光束整形和光纤耦合得到改善。在器件可靠性评估中，我们对器件进加速寿命测试以及COMD破坏性测试。加速寿命测试是在高的可控环境温下，以及比额定工作电高的注入电下以连续波（CW）方式工作，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时的使用寿命；而 COMD破坏性测试是在特定脉冲工作方式下，对器件施加断增加的电，直到器件因COMD发生而停止工作为止，这一测试容许我们获得芯片发生COMD时腔面功的大小。在COMD测试中，我们采用周期为10毫秒、占空比为10%的脉冲电对芯片进破坏性测试， 测试结果可参见图10。由图可见，当注入电为48A时，COS的功为44瓦，随后芯片失效。仔细分析发现，图10给出的测试结果并是由于冷面灾变生效引起器件功下，因为生效分析发现芯片的失效是由于电过大，引起线熔断而引起的，而熔断的线导致芯片局部温过高才导致芯片最终生效。 从所测试的光一电一电压（L-I-V）特性来看，芯片失去功的同时，电压也为值，而真正的COMD发生时，电压会升高大约150mV，电压升高的原因是当芯片输出功瞬间减小，腔内的载子浓因为辐射复合减小而随之升帚，抬高子阱内的费米能级，进而导致电压的上升。此外，还需要补充的是，尽管COMD测试是在脉冲状态下进的，但因为脉冲宽达1000微秒，远远超过芯片本身的热时间常数，所以过-测试在热学上几乎等效于持续电测试模式。图7. 808图7. 808nm连续电，同温情况下的直管COS模块光一电特性曲线word版整理范文范例指导参考4 5 6 7 4 5 6 7 8 9 10 11 12Injectioncurrent(A)2O9O987(Eu)56u®a>eM妄d激光波长随温变化关系-20 -10 0 10 20 30Angle(deg)2-20 -10 0 10 20 30Angle(deg)2864O,O.O.3e一SU2U-水平与垂直方向的光束特性10 15 20 25 30 35 40 45 50Injectioncurrent(A)ooooO54310 15 20 25 30 35 40 45 50Injectioncurrent(A)ooooO54321£』Q>Mod10 15 20 25 30 35 40 45 50Injectioncurrent(A)43210s8EWOA图10.激光腔面生效功(COMD)测试.结论本文简要综述高功808nm半导体激光的设计以及腔面工艺处方法， 随后展示深圳瑞波光电子公司在高功808nm芯片研发方面所取得的进展。我们最新测试的直管COMDword版整理范文范例指导参考功率达44瓦以上，这一功率水平表明我们的芯片冷面处理工艺能够满足10瓦直管芯片所需要的工艺水平。致谢本项目研究得到了国家高技术研究发展计划（863计划）课题“帚线性激光器和帚饱和功率光探测器阵列芯片‘资助（课题编号2015AA016901），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。参考文献G.Bacchin,A.Fily,B.Qiu,D.Fraser,S.Robertson,V.Loyo-Maldonado,S.D.McDougallandB.Schmidt,“Hightemperatureandhighpeakpower808nmQCWbarsandstacks”,SPIEVol.7583,(2010)MatthewPeters,VictorRossin,BrunoAcklin,“High-efficiencyhigh-reliabilitylaserdiodesatJDSUniphase”,Proc.SPIE5711,High-PowerDiodeLaserTechnologyandApplicationsIII,142,(March17,2005)KABulashevich,VFMymrin,SYuKarpov,DMDemidovandALTer-Martirosyan,“Effectoffree-carrierabsorptiononperformanceof808nmAlGaAs-basedhigh-powerlaserdiodes”,Semicond.Sci.Technol.22,502-510,(2007)H.C.Casey,JrandP.L.Carter,“Variationofintervalencebandabsorptionwithholeconcentrationinp-typeInP”,Appl.Phys.Lett.,44,82-83,(1984)N.