半導(dǎo)體激光器腔面鍍膜及可靠性的研究.pdf

1、大功率半導(dǎo)體激光器作為一種新型的激光光源具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和可靠的工作穩(wěn)定性及緊湊的體積和驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單等特性，具有極其廣泛的應(yīng)用前景。但是實(shí)用的器件必須具有良好的輸出特性、高的可靠性，而這些都與激光器腔面反射鏡有關(guān)，合適的腔面反射鏡不但能夠較大的改善激光器的輸出特性，而且能夠極大的提高激光器的可靠性。因此，對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器腔面反射鏡進(jìn)行研究具有極為重要的意義。 本論文圍繞高可靠性大功率半導(dǎo)體激光器，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腔面鏡關(guān)鍵

2、工藝中材料特性研究、腔面鏡反射率測(cè)量、半導(dǎo)體激光器可靠性等方面結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室所生產(chǎn)的大功率980nm的InGaAs/GaAs/AlGaAs器件和激射波長(zhǎng)為808nm的 AlinGaAs/AlGaAs/GaAs器件作了較多的研究工作。本課題的研究將有助于促進(jìn)國內(nèi)半導(dǎo)體激光器腔面鍍膜工藝的發(fā)展，為我們實(shí)驗(yàn)室的高性能大功率半導(dǎo)體激光器的可靠性篩選和壽命實(shí)驗(yàn)的發(fā)展創(chuàng)造條件。主要內(nèi)容歸納如下： (1)以980nm應(yīng)變量子阱激光器為例，介紹了

3、如何通過優(yōu)化設(shè)計(jì)波導(dǎo)層、限制層和有源層的厚度及組分，設(shè)計(jì)具有窄發(fā)散角、低閾值和高效率的激光器結(jié)構(gòu)。接下來，詳細(xì)介紹了應(yīng)變量子阱激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和完整的激光器后工藝制備過程。其中著重介紹了后工藝過程，包括光刻和Au/AuGeNi/n-GaAs合金歐姆接觸電極的制作。 對(duì)于采用套刻工藝形成脊型結(jié)構(gòu)的激光器來說，光刻版的制作比采用剝離工藝的要復(fù)雜。采用套刻工藝光刻時(shí)需要使用兩塊線條尺寸不同的光刻版，分別用于在GaAs的外延片上光刻出脊

4、型的臺(tái)面和淀積SiO<,2>后套刻引線孔。然后以制作 75μm條寬的980nm激光器的光刻后工藝為例，說明光刻版的制作和使用過程。接下來用激光器綜合參數(shù)儀對(duì)我們實(shí)驗(yàn)室自制的980nm激光器進(jìn)行了測(cè)試，給出了測(cè)試圖，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了說明。 在已知激射波長(zhǎng)與器件溫度及器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如腔長(zhǎng)、有源區(qū)厚度、腔面反射率等有關(guān)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)研究了尚未見文獻(xiàn)報(bào)道的條寬會(huì)對(duì)激射波長(zhǎng)產(chǎn)生影響。研究表明，條寬的變化也會(huì)導(dǎo)致激射波長(zhǎng)發(fā)生漂移。通過理

5、論分析得出了結(jié)論，半導(dǎo)體激光器有源區(qū)寬度的變化會(huì)導(dǎo)致器件閾值電流密度、閾值載流子密度的變化，從而會(huì)導(dǎo)致器件激射波長(zhǎng)的變化。而且條寬變窄，閾值電流密度、閾值載流子密度將變大，器件激射波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。因此，在實(shí)際的器件研制中，可通過改變有源區(qū)寬度對(duì)器件的激射波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 (2)對(duì)半導(dǎo)體激光器腔面鍍膜進(jìn)行了研究?；谟?jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，提出定性判斷光學(xué)薄膜折射率相對(duì)大小的新方法。根據(jù)全反膜反射譜中的峰值反射率和增透膜反射譜中

6、的谷值反射率的值推算出光學(xué)薄膜的折射率的值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了新方法是可行性，從而不僅可以用于半導(dǎo)體激光器，可以用于其他的光學(xué)薄膜折射率的判斷。 (3)半導(dǎo)體激光器腔面鍍膜的工藝研究。這一部分首先介紹了半導(dǎo)體激光器腔面鍍膜的方法與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備，然后通過具體實(shí)驗(yàn)，說明了增透膜的制備與優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)的采用樣品是本實(shí)驗(yàn)室自己生產(chǎn)的980nm單有源區(qū)雙應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體激光器，該器件性能穩(wěn)定，結(jié)果可靠，為分析和說明提供了有利的事實(shí)依據(jù)。接下來

7、結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析了不同沉積條件對(duì)硅薄膜導(dǎo)電性的影響。 具體來說，研究了氬離子轟擊對(duì)于電子束蒸發(fā)沉積多晶硅薄膜的影響。發(fā)現(xiàn)轟擊增加了光吸收和直流電導(dǎo)率，并且導(dǎo)致了光吸收帶邊的紅移，這在以前的電子束蒸發(fā)多晶硅薄膜中是未見報(bào)道的。我們認(rèn)為是由于中程有序的增加導(dǎo)致了光吸收的增加，和光吸收帶邊的紅移。對(duì)于室溫下直流電導(dǎo)率的增加，我們認(rèn)為也是由于帶隙收縮和電子遷移率的增加導(dǎo)致的中程有序的增加引起的。 (4)對(duì)半導(dǎo)體激光器的可靠性進(jìn)行了研

8、究。這種方法能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量出激光器在直流工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)熱特性。通過改變環(huán)境溫度和電流等應(yīng)力，測(cè)量在不同應(yīng)力下的正向電壓。由理論計(jì)算得到電壓溫度系數(shù)dV<,f>/dT推出的電流溫度系數(shù)ΔT/AI為31.9℃/A，由實(shí)驗(yàn)得到dV<,f>/dT推出的ΔT/ΔI為37.2℃/A。把這兩者和常規(guī)的波長(zhǎng)漂移法得到的結(jié)果ΔT/ΔI≈29.7℃/A進(jìn)行比較，結(jié)果基本一致，從而證明了新方法的可行性。 對(duì)于特定型號(hào)的激光器，我們就可以通過這些直接能

9、測(cè)量到的參數(shù)的改變來了解激光器溫升的變化，對(duì)研究器件的性能及可靠性有非常重要的意義。進(jìn)一步，為了研究不同鍍膜條件對(duì)激光器工作溫度升高時(shí)特性的影響，我找了同一外延片上制作的不同腔長(zhǎng)的980nm的激光器管芯樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們測(cè)試了輸出功率P、閾值電流I<,th>、外微分量子效率E<,s>、功率效率E<,p>和激射波長(zhǎng)。從測(cè)量結(jié)果可以看出激光器各項(xiàng)性能隨溫度升高的變化率，以及鍍膜對(duì)器件性能的影響等。 隨后，我們利用半導(dǎo)體激光器加速壽命