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提高大功率激光器芯片COD阈值的方法
材料来源:芯片工艺技术           录入时间:2023/2/27 15:10:41

对于单颗输出光功率超过500mW的激光器芯片已经是大功率激光器芯片了。转换效率根据材料的不同而不同,像红光的目前大功率也能达到50%,剩余的电能就转换成热能。

对于小功率的LD,比如光通信用的mw级别的,一般也很少考虑腔面灾变。大功率激光器芯片就容易发生腔面的灾变Catastrophic optical damage,COD。光学灾变损伤,亦称灾变性光学镜面损伤(Catastrophic optical mirror damage,COMD),是大功率激光器的一种故障模式。通常我们会认为COD的产生是由于半导体PN结因超过功率密度而过载,并吸收了太多增益产生的光能,最终导致腔面区域的熔化、再结晶,而受影响的区域将产生大量的晶格缺陷,破坏了器件的性能。当影响的区域足够大时,我们便将在光学显微镜下观察到的腔面变黑以及裂缝、沟槽等现象,称之为“外COD机制”。

黑色断点的位置就是发生COD的位置

COD发生之后,AR面会有这种小的缺陷或者黑点出现。

一旦发生COD,芯片就会不可逆转的损耗,一般是光功率下降50%以上,甚至无光。如何提高芯片耐COD的能力呢。可以在材料外延阶段、芯片设计阶段、芯片工艺阶段、以及芯片端面腔面处理方面做文章。

提高芯片耐COD的几种方案:

1应变量子阱技术

量子阱作为半导体激光器最广泛采用的有源区,其内部表现出量子化的子带和阶梯状态密度,将大大提高激光器的阈值电流密度和温度稳定性;通过改变势阱宽度和势垒高度,可以改变量子化的能量间隔,实现激光器的可调谐特性,与传统的双异质结半导体激光器相比,可以有效地降低激光器的阈值电流,提高量子效率与微分增益。而在量子阱中引入应变则会显著地改变其本身的能带结构,通过调整价带中的重、轻空穴带的位置,从而增加芯片外延结构的设计参数和自由度。一般来说,在III-V族三元和四元材料组成的量子阱外延结构中引入压应变,会加剧能带函数的变化,从而降低激光器的阈值电流;而引入张应变,则会平缓能带函数,在一定程度上提高材料在大功率下工作状态下的增益。应变量子阱的出现使得通过调节应变获得所需能带结构并提高增益成为了可能,使半导体激光器的性能出现了大的飞跃。

1984年,Laidig等最早报道了基于应变InGaAs/GaAs量子阱的激光器,在较高的阈值电流密度(1.1kA/cm2)下获得了波长为1μm的激光,通过完善工艺将阈值电流密度降低到465A/cm2。1991年AT&TBell实验室利用MBE方法降低了阈值电流———低至45A/cm2,基本达到理论极限[23]。1993年7月,日本的Hayakawa等利用GaAs/AlGaAs张应变量子阱得到了输出波长在780nm的横磁(TM)模CW激光器。

2无铝量子阱技术

无铝材料激光器相比有铝材料激光器具有明显的优势:

1)无铝材料比含铝材料具有更高的COMD功率密度。有源区中的铝容易氧化和产生暗线缺陷,致使发生COMD时的功率密度减小,更容易产生COMD,从而限制了激光器的功率和寿命。

2)同时,相对于含铝量子阱,无铝量子阱的电阻更低、热导率更高,因而表面复合速率低、表面温升低、腔面退化速率慢,对暗线缺陷的攀移有抑制作用,且材料内部退化速率慢。在1998年,美国的Pendse等最初提出,无铝量子阱激光器具有更高的可靠性。1999年,美国的Mawsi等对与GaAs晶格匹配的InGaAsP单量子阱激光器的可靠性进行了研究,证明了无铝器件的端面温升比含铝的AlGaAs激光器低得多,并在10℃工作温度下,获得了3.2W的最大输出功率。2008年,中国电子科技集团公司第十三研究所报道了无铝1mm腔长的准连续阵列输出功率可达40W,无铝1cm长的镀膜bar条在180A工作电流下,输出功率大于185W。2013年,山东大学报道了无铝有源区在20A工作电流下,输出功率达20.86W的激光器。

2波导结构技术

2.1非对称波导技术

在大光腔结构中,随着波导尺寸的增加,器件的串联电阻也会增加。故为降低串联电阻,通常对p型限制层施以较高的掺杂。实验研究发现,光吸收正比于掺杂区的掺杂浓度,并且在p型材料中被空穴吸收光子的损耗大于在n型材料中被电子吸收光子的损耗。这样,在对称波导结构中,p型高掺杂区载流子的光吸收是形成内部损耗、导致效率降低的主要原因。可以通过p型波导和n型波导的厚度非对称,折射率非对称等调节方式,让光场分布尽量限制在n型区域内扩展,从而降低串联电阻和内部损耗,获得较高的效率。

2007年,中国科学院半导体研究所报道了无铝有源区非对称波导结构激光器,波长为808nm,连续工作条件下,输出功率可达6W,2009年实现了980nm半导体激光,内损耗仅有0.78cm-1,2010年,实现了980nm半导体激光效率58.4%。2013年,日本的Morita等实现了条宽为100μm,腔长为4mm,CW输出功率为19.8W,20℃温度下转换效率68%的半导体激光器。2020年,芬兰的Ryvkin等通过对分对称波导的折射率、限制因子、载流子浓度、内部损耗等方面的模拟分析,最终设计了短腔结构计算出CW输出功率达40W的半导体激光器。

2.2大光腔技术

为了获得高输出功率,提高COMD阈值,需要降低有源区与限制层的光场能量密度。这就需要增大波导的尺度,增加光斑的尺寸,拓宽光场分布,这就是大光腔技术。在增加波导尺度的同时,可以优化波导结构,降低激光器的远场快轴光束发散角。2005年,德国的Knauer等实现了808nm大光腔结构,获得了25℃温度下,CW输出功率为15W,快轴远场发散角为18°。2006年,Bookham公司采用InGaAs/AlGaAs材料,设计了渐变折射率大光腔芯片,在温度为16℃、电流为20A时,获得了大于17W的CW输出功率。2008年,Xu等采用InAlGaAs/AlGaAs/GaAs材料的渐变折射率新型大光腔结构,实现了25℃温度下CW输出功率为23W的915nm激光器。2009年,德国的Crump等采用InGaAs/GaAsP材料和芯径2.5μm的大光腔结构,得到了CW输出功率为20W的975nm单管半导体激光器,寿命大于4000h。2015年,北京工业大学凌小涵等设计了980nm大光腔单发光条大功率半导体激光器,其CW输出功率达到12W,经老化实验得到器件综合成品率达到40%。2019年,长春理工大学的乔闯等设计并制作了非对称大光腔结构,制备了890nm周期的分布式布拉格反射镜(DBR)光栅,最终实现了输出功率为10.7W,斜率效率为0.73W/A的激光输出。

3腔面技术

3.1非吸收腔面技术

通过增大腔面附近量子阱带隙宽度,使得腔面处对激射波长透明,这就是非吸收腔面技术。非吸收腔面可以减少因非辐射复合和光吸收产生的热量及光生载流子的数量,是提高半导体激光器输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:二次外延生长技术和量子阱混合技术。二次外延生长是通过刻蚀、再生长一种宽带隙半导体材料。这种方法技术难度大、工艺复杂,难以保证结合界面的晶体质量。量子阱混合技术通过在外延片上进行薄膜淀积或杂质注入,再通过高温快速退火,使各组成元素发生互扩散,导致阱、垒组分发生变化,从而增大带隙结构。这种方法操作相对简单,成本低,效果较为明显,但需要高温条件下进行热退火,可能会对器件造成一定的损伤。

1984年,英国电信研究实验室利用选择性外延生长技术制备出非吸收腔面的AlGaAs大光腔激光器,在脉冲输出(脉宽为100ns)时,得到的输出功率是普通激光器的2~3倍。1999年,日本京都大学制备出带有非吸收腔面的780nmAlGaAs/GaAs大功率半导体激光器,最大输出功率是传统激光器的3倍。2000年,英国格拉斯哥大学制备了具有非吸收腔面的GaAs/AlGaAs半导体激光器,在发生COMD时的最高输出功率是普通激光器的2倍。2015年,滨松光电子股份有限公司制备了带隙差为100meV的非吸收腔面,915nm波段InGaAs宽条半导体激光器的连续输出功率为20W,可靠工作时间在5000h以上,最大效率超过65%。

3.2腔面钝化技术

半导体激光器的自然解理面极容易被潮解和氧化,氧化物和沾污易成为非辐射复合中心,从而加剧腔面结温升高的急剧上升,最终导致COMD,使得器件失效。腔面钝化能够有效地去除半导体激光器腔面的沾污和氧化层等杂质,降低腔面的表面态密度,从而有效提高器件的热稳定性、抑制COMD,最终提升最大输出功率并提高器件的可靠性,为高性能和稳定工作提供保障。1987年,贝尔通讯研究公司的Sandroff等发明了腔面硫化处理技术。采用Na2S·9H2O溶液将GaAs/AlGaAs异质结双极晶体管(HBTs)腔面钝化,经硫化处理后的HBT电流增益提高了60多倍。1996年,Syrbu等在蒸镀高反/增透膜前利用原位生长ZnSe技术,将980nmInGaAs半导体激光器腔面钝化,使激光器连续输出功率提高50%。

1997年,美国威斯康星大学的Mawst等利用激光辅助化学气相沉积法在InGaAs双量子阱半导体激光器腔面处形成ZnSe钝化层,将器件COD阈值提高了50%。2005年,德国的Ressel等报道了腔面钝化无铝有源区大功率半导体激光器,在激光器的老化过程中表现出优异的性能。2016年,北京工业大学利用离子铣氮钝化处理980nm半导体激光器腔面,得到了CW输出功率为22.5W,器件输出功率提高了32.14%。2019年,中国科学院半导体研究所采用射频等离子体增强反应磁控溅射沉积α-SiNx薄膜对980nm光子晶体激光器进行腔面钝化。通过优化氮-氩混合等离子体并采用快速退火的方法,显著抑制了COMD,提高了器件的性能和激光系统的稳定性。2019年,中国科学院半导体所在真空中直接蒸镀一层厚度为25nm的ZnSe材料作为钝化膜,利用ZnSe薄膜材料大禁带宽度的特性作为半导体激光器腔面钝化膜,有效提高半导体激光器输出功率和器件损伤阈值,提供腔面保护。

3.3镀膜技术

腔面镀膜技术是大功率激光器的关键工艺技术之一,其作用有两个:1)覆盖解理腔面,防止有源区氧化,提高可靠性和稳定性;2)改变腔面膜反射率,使得激光器在保持性能的基础上实现单面出光,提高激光器的输出功率和激光的利用效率。因为激光器的腔面是晶体的自然解理面(110面),其反射率约为31%,在激光器工作时,由于激光器前后腔面反射率大小一样,因而造成两个腔面同时出光。通过腔面镀膜在激光器的前后腔面分别制备增透膜和高反射膜,高反膜降低了阈值电流,而增透膜提高了器件的量子效率和电-光转换效率。该技术主要内容有两个方面:一是膜系材料的选择。首先要考虑镀层材料的高纯性、长期稳定性、附着力、镀层材料与自然解理面之间的热匹配和应力匹配、镀层材料之间的晶格匹配等。同时还要易于蒸镀,不会对激光器的自然解理面产生破坏,能够防止环境气氛扩散进入器件发光区。二是确定高反膜的反射率和增透膜的透射率,基本原则是:通过后腔面发射的光尽可能少,使激光尽可能由前腔面透过,同时又不引起明显的腔面附加吸收和附加损耗。对于增透膜,膜系材料可以选择折射率介于波导层有效折射率与空气折射率之间的材料。通常选择Al2O3、SiO2作为低折射率材料,ZrO2、TiO2等作为高折射率材料。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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