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    提高大功率激光器芯片COD閾值的方法
    材料來源:芯片工藝技術           錄入時間:2023/2/27 15:10:41

    對于單顆輸出光功率超過500mW的激光器芯片已經是大功率激光器芯片了。轉換效率根據材料的不同而不同,像紅光的目前大功率也能達到50%,剩余的電能就轉換成熱能。

    對于小功率的LD,比如光通信用的mw級別的,一般也很少考慮腔面災變。大功率激光器芯片就容易發生腔面的災變Catastrophic optical damage,COD。光學災變損傷,亦稱災變性光學鏡面損傷(Catastrophic optical mirror damage,COMD),是大功率激光器的一種故障模式。通常我們會認為COD的產生是由于半導體PN結因超過功率密度而過載,并吸收了太多增益產生的光能,最終導致腔面區域的熔化、再結晶,而受影響的區域將產生大量的晶格缺陷,破壞了器件的性能。當影響的區域足夠大時,我們便將在光學顯微鏡下觀察到的腔面變黑以及裂縫、溝槽等現象,稱之為“外COD機制”。

    黑色斷點的位置就是發生COD的位置

    COD發生之后,AR面會有這種小的缺陷或者黑點出現。

    一旦發生COD,芯片就會不可逆轉的損耗,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、芯片設計階段、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應變量子阱技術

    量子阱作為半導體激光器最廣泛采用的有源區,其內部表現出量子化的子帶和階梯狀態密度,將大大提高激光器的閾值電流密度和溫度穩定性;通過改變勢阱寬度和勢壘高度,可以改變量子化的能量間隔,實現激光器的可調諧特性,與傳統的雙異質結半導體激光器相比,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變則會顯著地改變其本身的能帶結構,通過調整價帶中的重、輕空穴帶的位置,從而增加芯片外延結構的設計參數和自由度。一般來說,在III-V族三元和四元材料組成的量子阱外延結構中引入壓應變,會加劇能帶函數的變化,從而降低激光器的閾值電流;而引入張應變,則會平緩能帶函數,在一定程度上提高材料在大功率下工作狀態下的增益。應變量子阱的出現使得通過調節應變獲得所需能帶結構并提高增益成為了可能,使半導體激光器的性能出現了大的飛躍。

    1984年,Laidig等最早報道了基于應變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實驗室利用MBE方法降低了閾值電流———低至45A/cm2,基本達到理論極限[23]。1993年7月,日本的Hayakawa等利用GaAs/AlGaAs張應變量子阱得到了輸出波長在780nm的橫磁(TM)模CW激光器。

    2無鋁量子阱技術

    無鋁材料激光器相比有鋁材料激光器具有明顯的優勢:

    1)無鋁材料比含鋁材料具有更高的COMD功率密度。有源區中的鋁容易氧化和產生暗線缺陷,致使發生COMD時的功率密度減小,更容易產生COMD,從而限制了激光器的功率和壽命。

    2)同時,相對于含鋁量子阱,無鋁量子阱的電阻更低、熱導率更高,因而表面復合速率低、表面溫升低、腔面退化速率慢,對暗線缺陷的攀移有抑制作用,且材料內部退化速率慢。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等對與GaAs晶格匹配的InGaAsP單量子阱激光器的可靠性進行了研究,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,中國電子科技集團公司第十三研究所報道了無鋁1mm腔長的準連續陣列輸出功率可達40W,無鋁1cm長的鍍膜bar條在180A工作電流下,輸出功率大于185W。2013年,山東大學報道了無鋁有源區在20A工作電流下,輸出功率達20.86W的激光器。

    2波導結構技術

    2.1非對稱波導技術

    在大光腔結構中,隨著波導尺寸的增加,器件的串聯電阻也會增加。故為降低串聯電阻,通常對p型限制層施以較高的摻雜。實驗研究發現,光吸收正比于摻雜區的摻雜濃度,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,在對稱波導結構中,p型高摻雜區載流子的光吸收是形成內部損耗、導致效率降低的主要原因。可以通過p型波導和n型波導的厚度非對稱,折射率非對稱等調節方式,讓光場分布盡量限制在n型區域內擴展,從而降低串聯電阻和內部損耗,獲得較高的效率。

    2007年,中國科學院半導體研究所報道了無鋁有源區非對稱波導結構激光器,波長為808nm,連續工作條件下,輸出功率可達6W,2009年實現了980nm半導體激光,內損耗僅有0.78cm-1,2010年,實現了980nm半導體激光效率58.4%。2013年,日本的Morita等實現了條寬為100μm,腔長為4mm,CW輸出功率為19.8W,20℃溫度下轉換效率68%的半導體激光器。2020年,芬蘭的Ryvkin等通過對分對稱波導的折射率、限制因子、載流子濃度、內部損耗等方面的模擬分析,最終設計了短腔結構計算出CW輸出功率達40W的半導體激光器。

    2.2大光腔技術

    為了獲得高輸出功率,提高COMD閾值,需要降低有源區與限制層的光場能量密度。這就需要增大波導的尺度,增加光斑的尺寸,拓寬光場分布,這就是大光腔技術。在增加波導尺度的同時,可以優化波導結構,降低激光器的遠場快軸光束發散角。2005年,德國的Knauer等實現了808nm大光腔結構,獲得了25℃溫度下,CW輸出功率為15W,快軸遠場發散角為18°。2006年,Bookham公司采用InGaAs/AlGaAs材料,設計了漸變折射率大光腔芯片,在溫度為16℃、電流為20A時,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構,實現了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的大光腔結構,得到了CW輸出功率為20W的975nm單管半導體激光器,壽命大于4000h。2015年,北京工業大學凌小涵等設計了980nm大光腔單發光條大功率半導體激光器,其CW輸出功率達到12W,經老化實驗得到器件綜合成品率達到40%。2019年,長春理工大學的喬闖等設計并制作了非對稱大光腔結構,制備了890nm周期的分布式布拉格反射鏡(DBR)光柵,最終實現了輸出功率為10.7W,斜率效率為0.73W/A的激光輸出。

    3腔面技術

    3.1非吸收腔面技術

    通過增大腔面附近量子阱帶隙寬度,使得腔面處對激射波長透明,這就是非吸收腔面技術。非吸收腔面可以減少因非輻射復合和光吸收產生的熱量及光生載流子的數量,是提高半導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:二次外延生長技術和量子阱混合技術。二次外延生長是通過刻蝕、再生長一種寬帶隙半導體材料。這種方法技術難度大、工藝復雜,難以保證結合界面的晶體質量。量子阱混合技術通過在外延片上進行薄膜淀積或雜質注入,再通過高溫快速退火,使各組成元素發生互擴散,導致阱、壘組分發生變化,從而增大帶隙結構。這種方法操作相對簡單,成本低,效果較為明顯,但需要高溫條件下進行熱退火,可能會對器件造成一定的損傷。

    1984年,英國電信研究實驗室利用選擇性外延生長技術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,得到的輸出功率是普通激光器的2~3倍。1999年,日本京都大學制備出帶有非吸收腔面的780nmAlGaAs/GaAs大功率半導體激光器,最大輸出功率是傳統激光器的3倍。2000年,英國格拉斯哥大學制備了具有非吸收腔面的GaAs/AlGaAs半導體激光器,在發生COMD時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寬條半導體激光器的連續輸出功率為20W,可靠工作時間在5000h以上,最大效率超過65%。

    3.2腔面鈍化技術

    半導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合中心,從而加劇腔面結溫升高的急劇上升,最終導致COMD,使得器件失效。腔面鈍化能夠有效地去除半導體激光器腔面的沾污和氧化層等雜質,降低腔面的表面態密度,從而有效提高器件的熱穩定性、抑制COMD,最終提升最大輸出功率并提高器件的可靠性,為高性能和穩定工作提供保障。1987年,貝爾通訊研究公司的Sandroff等發明了腔面硫化處理技術。采用Na2S·9H2O溶液將GaAs/AlGaAs異質結雙極晶體管(HBTs)腔面鈍化,經硫化處理后的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ZnSe技術,將980nmInGaAs半導體激光器腔面鈍化,使激光器連續輸出功率提高50%。

    1997年,美國威斯康星大學的Mawst等利用激光輔助化學氣相沉積法在InGaAs雙量子阱半導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等報道了腔面鈍化無鋁有源區大功率半導體激光器,在激光器的老化過程中表現出優異的性能。2016年,北京工業大學利用離子銑氮鈍化處理980nm半導體激光器腔面,得到了CW輸出功率為22.5W,器件輸出功率提高了32.14%。2019年,中國科學院半導體研究所采用射頻等離子體增強反應磁控濺射沉積α-SiNx薄膜對980nm光子晶體激光器進行腔面鈍化。通過優化氮-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的穩定性。2019年,中國科學院半導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體激光器腔面鈍化膜,有效提高半導體激光器輸出功率和器件損傷閾值,提供腔面保護。

    3.3鍍膜技術

    腔面鍍膜技術是大功率激光器的關鍵工藝技術之一,其作用有兩個:1)覆蓋解理腔面,防止有源區氧化,提高可靠性和穩定性;2)改變腔面膜反射率,使得激光器在保持性能的基礎上實現單面出光,提高激光器的輸出功率和激光的利用效率。因為激光器的腔面是晶體的自然解理面(110面),其反射率約為31%,在激光器工作時,由于激光器前后腔面反射率大小一樣,因而造成兩個腔面同時出光。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-光轉換效率。該技術主要內容有兩個方面:一是膜系材料的選擇。首先要考慮鍍層材料的高純性、長期穩定性、附著力、鍍層材料與自然解理面之間的熱匹配和應力匹配、鍍層材料之間的晶格匹配等。同時還要易于蒸鍍,不會對激光器的自然解理面產生破壞,能夠防止環境氣氛擴散進入器件發光區。二是確定高反膜的反射率和增透膜的透射率,基本原則是:通過后腔面發射的光盡可能少,使激光盡可能由前腔面透過,同時又不引起明顯的腔面附加吸收和附加損耗。對于增透膜,膜系材料可以選擇折射率介于波導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%。

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