44瓦超高功率808 nm 半導體激光器設計與制作

1、44瓦超高功率瓦超高功率808nm半導體激光器設計與制作半導體激光器設計與制作仇伯倉，胡海，何晉國深圳清華大學研究院深圳瑞波光電子有限公司1.引言半導體激光器采用IIIV化合物為其有源介質(zhì)，通常通過電注入，在有源區(qū)通過電子與空穴復合將注入的電能量轉(zhuǎn)換為光子能量。與固態(tài)或氣體激光相比，半導體激光具有十分顯著的特點：1）能量轉(zhuǎn)換效率高，比如典型的808nm高功率激光的最高電光轉(zhuǎn)換效率可以高達65%以上[1]，與之成為鮮明對照的是，CO2氣體

2、激光的能量轉(zhuǎn)換效率僅有10%，而采用傳統(tǒng)燈光泵浦的固態(tài)激光的能量轉(zhuǎn)換效率更低只有1%左右；2）體積小。一個出射功率超過10W的半導體激光芯片尺寸大約為0.3mm3而一臺固態(tài)激光更有可能占據(jù)實驗室的整整一張工作臺；3）可靠性高，平均壽命估計可以長達數(shù)十萬小時[2]；4）價格低廉。半導體激光也同樣遵從集成電路工業(yè)中的摩爾定律，即性能指標隨時間以指數(shù)上升的趨勢改善，而價格則隨時間以指數(shù)形式下降。正是因為半導體激光的上述優(yōu)點，使其愈來愈廣泛地應

3、用到國計民生的各個方面，諸如工業(yè)應用、信息技術(shù)、激光顯示、激光醫(yī)療以及科學研究與國防應用。隨著激光芯片性能的不斷提高與其價格的持續(xù)下降，以808nm以及9xxnm為代表的高功率激光器件已經(jīng)成為激光加工系統(tǒng)的最核心的關(guān)鍵部件。高功率激光芯片有若干重要技術(shù)指標，包括能量轉(zhuǎn)換效率以及器件運行可靠性等。器件的能量轉(zhuǎn)換效率主要取決于芯片的外延結(jié)構(gòu)與器件結(jié)構(gòu)設計，而運行可靠性主要與芯片的腔面處理工藝有關(guān)。本文首先簡要綜述高功率激光的設計思想以及腔面

4、處理方法，隨后展示深圳清華大學研究院和深圳瑞波光電子有限公司在研發(fā)808nm高功率單管激光芯片方面所取得的主要進展。2.高功率激光結(jié)構(gòu)設計圖1.半導體激光外延結(jié)構(gòu)示意圖著。事實上，激光芯片失效在很大程度上是由與光場密度有關(guān)的兩種失效模式有關(guān)：其一為因光場密度造成腔內(nèi)光學災變（簡稱COBD）；其二為光場密度過高而在腔面引起的光學災變（簡稱COMD）。在高功率激光外延結(jié)構(gòu)設計中，為了降低因光功率密度過高而引起器件失效的幾率，通常采用低光場密

5、度或者低限制因子設計。在低限制因子設計中，雖然閾值電流會有所上升，但考慮到高功率激光的工作電流是閾值電流的1020倍以上，閾值電流的些許增加并不會顯著影響器件的整體效率。而且采用低限制因子設計還有一些額外的優(yōu)點：1）可以降低激光腔內(nèi)的整體光損耗。這是因為激光的損耗主要是由自由載流子吸收（FCA）[3]以及價帶間載流子躍遷造成的吸收（IVBA）引起的[4]，當采用低限制因子設計時，量子阱內(nèi)的載流子吸收損耗也會相應降低；2）可以降低外延生長

6、方向上的光束發(fā)散角，從而改善光束特性。芯片的光束特性影響到半導體激光的光束整形、耦合設計，當光束發(fā)散角小時，不僅會提高光的耦合效率，而且會容許后續(xù)的光學系統(tǒng)有更大設計與制造容差。低限制因子設計可以通過調(diào)整分別限制異質(zhì)結(jié)（SCH）層厚度來獲得。圖3給出了量子阱光場限制因子gamma與SCH厚度之間的關(guān)系，由其可見，低限制因子可用兩種不同方法來獲得：其一為采用SCH厚度很薄的設計；其二為采用SCH厚度很厚的設計。SCH厚度達到一微米左右波導

7、設計一般被稱之為大光場（LOC）設計[5]。在大光場設計中，因為比較容易兼顧芯片的腔內(nèi)損耗以及串聯(lián)電阻的優(yōu)化，所以當今許多行業(yè)內(nèi)頂級公司采用這一設計理念。3.高功率激光工藝制作與腔面處理高功率激光因為需要輸出很高的功率，所以其有源區(qū)條寬都在幾十微米甚至幾百微米，具體條寬根據(jù)應用而定。為了區(qū)別單模窄波導激光，這種激光結(jié)構(gòu)有時會被稱之為寬條激光。寬條激光的工藝處理相對比較簡單，有的公司為了簡化工藝，只是通過有限幾個步驟的工藝處理（如離子注入

8、）形成電隔離區(qū)域，然后制作p面金屬電極、晶片減薄、n面金屬電極沉積、快速退火以及腔面鍍膜等即完成所有工藝流程。不過，有證據(jù)似乎表明，用這種方法制作的激光的水平方向的光束特性隨電流變化比較大[6]。為了改善寬條激光相對于注入電流的穩(wěn)定性，也可以通過刻蝕形成脊波導，波導結(jié)構(gòu)不僅會對電流形成隔離作用，而且因為刻蝕形成的波導對光在橫向形成波導限制。圖5給出了刻蝕后形成的寬波導激光。高功率激光的工藝最具挑戰(zhàn)之處在于腔面處理與鍍膜工藝。腔面處理主要

9、有無吸收腔面技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)等[7]。無吸收腔面技術(shù)是通過材料生長完畢后的工藝處理技術(shù)（通常被稱之為量子阱混雜技術(shù))，在腔面附近區(qū)域，改變材料的性質(zhì)，使得材料的吸收峰藍移，從而使腔面區(qū)域的材料對芯片發(fā)射出的激光呈透明狀態(tài)。無吸收腔面技術(shù)也可通過材料再生長的方法來實現(xiàn)，所生長的材料的能帶寬度要足夠大，以便使其對芯片所發(fā)射的光呈現(xiàn)完全透明狀態(tài)。腔面鈍化技術(shù)是在腔面的半導體材料上沉積一薄層其它材料，這種材料最好具有如下的性質(zhì)：1）能夠中和因