1. 引言
半導(dǎo)體激光器采用III-V化合物為其有源介質(zhì)，通常通過(guò)電注入，在有源區(qū)通過(guò)電子與空穴復(fù)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(dǎo)體激光具有十分顯著的特點(diǎn)：1）能量轉(zhuǎn)換效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高電光轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)65%以上 [1]，與之成為鮮明對(duì)照的是，CO2氣體激光的能量轉(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(gè)出射功率超過(guò)10 W 的半導(dǎo)體激光芯片尺寸大約為0.3 mm3, 而一臺(tái)固態(tài)激光更有可能占據(jù)實(shí)驗(yàn)室的整整一張工作臺(tái)；3）可靠性高，平均壽命估計(jì)可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)小時(shí)[2]；4）價(jià)格低廉。半導(dǎo)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(biāo)隨時(shí)間以指數(shù)上升的趨勢(shì)改善，而價(jià)格則隨時(shí)間以指數(shù)形式下降。正是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光的上述優(yōu)點(diǎn)，使其愈來(lái)愈廣泛地應(yīng)用到國(guó)計(jì)民生的各個(gè)方面，諸如工業(yè)應(yīng)用、信息技術(shù)、激光顯示、激光醫(yī)療以及科學(xué)研究與國(guó)防應(yīng)用。高功率激光芯片有若干重要技術(shù)指標(biāo)，包括能量轉(zhuǎn)換效率以及器件運(yùn)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(shè)計(jì)，而運(yùn)行可靠性主要與芯片的腔面處理工藝有關(guān)。本文首先簡(jiǎn)要介紹深圳瑞波光電子有限公司高功率激光的設(shè)計(jì)思想以及腔面處理方法，隨后展示深圳清華大學(xué)研究院和深圳瑞波光電子有限公司在研發(fā)1470nm高功率單管激光芯片方面所取得的主要進(jìn)展。
2. 1470nm高功率激光外延結(jié)構(gòu)與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖1. 半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)示意圖
圖2. 外延結(jié)構(gòu)以及與之對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)分布
半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)從電子學(xué)上講是一p-n結(jié)構(gòu)，而從光學(xué)角度講則是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同波長(zhǎng)器件，外延結(jié)構(gòu)材料也會(huì)隨波長(zhǎng)的不同而選用不同材料體系。比如，藍(lán)綠光以GaN材料為襯底，以InGaN為量子阱材料；從600 nm到1250 nm的器件，均是基于GaAs材料體系，而量子阱材料根據(jù)波長(zhǎng)需要選取不同材料。對(duì)于激射波長(zhǎng)為1300-1700 nm范圍內(nèi)的量子阱結(jié)構(gòu), 則基于InP材料體系，通常采用In(1-x-y)Ga(x)Al(y)As 量子阱材料, 通過(guò)調(diào)節(jié)材料的組分以及選取適當(dāng)?shù)牧孔于搴穸?，人們可以在很大范圍?nèi)自由設(shè)計(jì)激射波長(zhǎng)。圖1給出了一個(gè)典型的基于InGaAlAs量子阱材料的1470 nm半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)示意圖，由其可見，外延結(jié)構(gòu)由有源區(qū)多量子阱、InGaAlAs波導(dǎo)以及InP包層材料組成。為了形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)材料的折射率要小于量子阱材料的折射率，如此一來(lái)，在生長(zhǎng)方向上，材料對(duì)其中的光場(chǎng)便形成很強(qiáng)的限制作用, 光場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域恰好與有源區(qū)重疊，從而使得量子阱材料有很高的光增益（見圖2）。另外，為了實(shí)現(xiàn)電子與空穴在量子阱內(nèi)產(chǎn)生受激輻射復(fù)合，材料必須被摻雜成p-i-n結(jié)構(gòu)，其中有源波導(dǎo)區(qū)通常為非摻雜的本征區(qū)域。有源區(qū)的設(shè)計(jì)主要參數(shù)為量子阱組分、厚度、量子阱數(shù)目以及勢(shì)壘組分等，而設(shè)計(jì)的主要考慮是閾值電流、量子效率等。有源區(qū)確定后，接下來(lái)的設(shè)計(jì)便是波導(dǎo)設(shè)計(jì)以及摻雜優(yōu)化。波導(dǎo)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)選取合適的波導(dǎo)材料、厚度來(lái)獲得所需要的量子阱光場(chǎng)限制因子、遠(yuǎn)場(chǎng)分布等。在器件設(shè)計(jì)方面，通常采用腔長(zhǎng)較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)檎麄€(gè)芯片的封裝模塊的熱阻與腔長(zhǎng)近似成反比，芯片越長(zhǎng)，模塊熱阻越小，芯片的結(jié)溫越低。圖3-5為我們計(jì)算的芯片工作電流、閾值電流以及結(jié)溫與腔長(zhǎng)以及腔面反射率之間的關(guān)系。在計(jì)算中我們嚴(yán)格采用數(shù)值分析方法分析了器件在實(shí)際封裝結(jié)構(gòu)下整體封裝模塊的熱阻抗。由圖可見，對(duì)于2瓦的輸出功率當(dāng)腔長(zhǎng)為2 mm時(shí)，工作電流大約為5.5 A，而閾值電流大約為450 mA, 芯片的結(jié)溫為45 °C，比運(yùn)行環(huán)境高出20 °C。
圖3. 工作電流與腔長(zhǎng)以及腔面反射率之間的關(guān)系
圖4. 閾值電流與腔長(zhǎng)以及腔面反射率之間的關(guān)系
圖5. 芯片結(jié)溫與腔長(zhǎng)以及腔面反射率之間的關(guān)系
3. 1470 nm高功率激光工藝制作
高功率激光因?yàn)樾枰敵龊芨叩墓β剩云溆性磪^(qū)條寬一般為幾十微米甚至幾百微米，具體條寬根據(jù)應(yīng)用而定。為了區(qū)別單模窄波導(dǎo)激光，這種激光結(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)被稱之為寬條激光。寬條激光的工藝處理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，有的公司為了簡(jiǎn)化工藝，只是通過(guò)有限幾個(gè)步驟的工藝處理（如離子注入）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(guò)，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]。RB-14xx系列激光芯片是我們自主設(shè)計(jì)與制作的激射波長(zhǎng)從1400-1600 nm變化的高功率激光芯片， 芯片輸出功率1-5瓦，其它功率輸出可以根據(jù)用于需求特別制作。我們制作的激光發(fā)光區(qū)寬度為95微米，這樣可以耦合到光纖芯徑為105微米的多模光纖中。激光腔長(zhǎng)根據(jù)我們的理論計(jì)算結(jié)果選取2-3 mm, 具體長(zhǎng)度與額定輸出功率有關(guān)，腔長(zhǎng)較長(zhǎng)的芯片輸出功率更高。
為了改善寬條激光的穩(wěn)定性，也可以通過(guò)刻蝕形成脊波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不僅會(huì)對(duì)電流形成隔離作用，而且因?yàn)榭涛g形成的波導(dǎo)對(duì)光在橫向形成波導(dǎo)限制。圖6給出了刻蝕后形成的寬波導(dǎo)激光。在瑞波光電，我們采用了簡(jiǎn)單的化學(xué)濕刻方法來(lái)形成橫向波導(dǎo)。波導(dǎo)刻蝕完畢后，還需要進(jìn)行一系列的工藝處理，包括電流注入窗口刻蝕、金屬電極制作、芯片減薄、快速退火以及腔面鍍膜等。腔面鍍膜參數(shù)選用前述的計(jì)算結(jié)果，即高反面飯反射率大約為95%，而低反射腔面的反射率大約為2-4%。
圖6. 寬波導(dǎo)高功率激光示意圖
4. 高功率激光性能測(cè)試
高功率半導(dǎo)體激光測(cè)試參數(shù)主要包括光—電流—電壓（LIV）特性曲線、溫度特性、光譜曲線、光束特性、可靠性以及偏振性質(zhì)等。由于半導(dǎo)體芯片對(duì)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、靜電、塵埃、電流電壓的過(guò)脈沖以及光的回反射等都非常敏感，這些參數(shù)的任何變化不僅影響到測(cè)量精度，而且更有可能引起器件的突然失效。為此，激光的測(cè)試環(huán)境必須經(jīng)過(guò)認(rèn)真考慮。深圳瑞波光電子有限公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)集多年測(cè)試分析經(jīng)驗(yàn)，提出了一套完整的芯片參數(shù)測(cè)試分析方案，構(gòu)建了能夠精確控制測(cè)試環(huán)境、對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行快速自動(dòng)測(cè)試、最后自動(dòng)生成主要參數(shù)測(cè)試報(bào)告的測(cè)試系統(tǒng)。針對(duì)半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的表征測(cè)試需要，我們研發(fā)了一系列測(cè)試儀器，包括針對(duì)裸芯片的單管/巴條測(cè)試系統(tǒng)和full-bar巴條測(cè)試系統(tǒng) （這里full-bar巴條測(cè)試是指共電極測(cè)試，測(cè)試電流可達(dá)200-400 A），針對(duì)貼片后器件的COS （chip-on-submount）測(cè)試系統(tǒng)、針對(duì)光纖耦合蝶形封裝的模塊測(cè)試系統(tǒng)、以及大容量并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控器件功率和波長(zhǎng)的老化壽命測(cè)試系統(tǒng)等。特別需要指出的是，我們的壽命測(cè)試系統(tǒng)具有諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，包括：1）容量大，可以同時(shí)測(cè)試320只COS模塊；2）檢測(cè)參數(shù)多，包括輸出功率、電流、電壓以及波長(zhǎng)等；3）可以提供加速壽命測(cè)試，即器件可以在更高輸出功率以及更高的環(huán)境溫度下工作。圖7為我們的COS 測(cè)試臺(tái)圖片，該系統(tǒng)主要由電子學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械組件、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)組成，可以對(duì)前述的各種參數(shù)進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的測(cè)試。芯片工藝制作完畢后，芯片以P面朝下的方式被焊接在厚度為350 微米的鍍金AlN陶瓷片上，焊錫材料采用的是金錫焊料。為了簡(jiǎn)明起見，以后將這種方式封裝的芯片稱之為COS（chip-on-submount）。COS測(cè)試是用我們開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)完成的，該系統(tǒng)可以在連續(xù)和脈沖電流下全方面表征器件的光電特性，包括LIV特性，光譜特性以及光束特性等。該系統(tǒng)已經(jīng)在多家激光芯片制造企業(yè)和封裝企業(yè)的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線上采用。
圖7. 測(cè)試工作臺(tái)照片
5. 超高功率1470 nm 高功率激光芯片
圖8為在不同溫度下以持續(xù)電流方式(CW)測(cè)試的光—電流（L-I）特性曲線，由其可見，COS在20℃測(cè)試環(huán)境下，閾值電流大約為490 mA，斜率效率大約為0.42 W/A，而達(dá)到2瓦輸出功率時(shí)所需要的工作電流為5.6 A，實(shí)際測(cè)試參數(shù)與前述的理論預(yù)測(cè)高度吻合。在溫度為40℃時(shí)，器件的閾值電流與外量子效率稍有下降，表明芯片有很好的溫度特性。芯片的最高輸出功率超過(guò)4瓦。圖9為20℃環(huán)境溫度下以準(zhǔn)續(xù)電流方式(QCW)測(cè)試的不同腔長(zhǎng)芯片的光—電流（L-I）特性曲線。在我們的QCW測(cè)試中，我們采用了脈沖寬度為1毫秒、脈沖占空比為10%的脈沖測(cè)試方式。從圖10我們顯然可以看出，腔長(zhǎng)較長(zhǎng)的激光可以在更高的電流下工作，不過(guò)其缺點(diǎn)是外量子效率稍低，閾值電流更高。另外，對(duì)于腔長(zhǎng)為３毫米的器件，芯片可以在高達(dá)50 A的工作電流下工作， 一方面演示了芯片在QCW模式下的最高輸出功率， 另一方面也表明芯片的可靠性水平，因?yàn)樾酒目煽啃耘c工作電流以及輸出功率密切相關(guān)。圖10為輸出功率為2瓦時(shí)所測(cè)得的光束發(fā)散角，很顯然，在垂直方向上（即外延生長(zhǎng)方向）光束發(fā)散角的全寬半高值（FWHM）大約為30度。圖11 為輸出功率為2瓦時(shí)的實(shí)際激射波長(zhǎng)，其值大約為1458 nm。 除過(guò)上述典型參數(shù)之外，高功率激光的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)是其可靠性水平。因?yàn)槠骷勖饕c三個(gè)參數(shù)密切相關(guān)，即輸出功率、器件結(jié)溫以及工作電流。為了能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)獲得可靠的器件壽命估計(jì)，在器件可靠性評(píng)估中，人們通常采用所謂的加速壽命測(cè)試，即器件在高于額定輸出功率、高于額定工作電流以及更高的可控環(huán)境溫度下工作，通過(guò)監(jiān)控芯片的工作參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系來(lái)評(píng)估芯片在正常運(yùn)行時(shí)的使用壽命，圖12為我們5只COS連續(xù)測(cè)試4000小時(shí)的功率變化記錄。測(cè)試功率為2.7瓦，測(cè)試電流為9 A，測(cè)試溫度為40度。另外，圖中的數(shù)據(jù)噪聲是由于系統(tǒng)切換等引起的，而實(shí)際上，到目前為止我們尚未檢測(cè)到任何功率衰減跡象。
圖8. 1470 nm單管COS模塊在不同測(cè)試溫度下的光—電流曲線（CW測(cè)試）
圖9. 1470 nm不同腔長(zhǎng)單管COS模塊在攝氏20度下的光—電流曲線（QCW測(cè)試）
圖10. 1470 nm芯片的垂直方向的光束特性
圖11 激光光譜
圖12. 器件加速壽命測(cè)試（CW，40°C）測(cè)試
6. 結(jié)論
本文簡(jiǎn)要綜述了高功率1470 nm 半導(dǎo)體激光的設(shè)計(jì)以及腔面工藝處理方法，隨后展示了深圳瑞波光電子公司在高功率1470 nm 芯片研發(fā)方面所取得的進(jìn)展。測(cè)試表明，我們所研發(fā)的器件性能指標(biāo)包括可靠性水平達(dá)到了國(guó)際一流水平。
致謝
本項(xiàng)目研究得到了國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)課題“高線性激光器和高飽和功率光探測(cè)器陣列芯片”資助（課題編號(hào)2015AA016901），并得到了廣東省“創(chuàng)新引進(jìn)科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”與深圳市“孔雀團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”的支持。
參考文獻(xiàn)
1. G. Bacchin, A. Fily, B. Qiu, D. Fraser, S. Robertson, V. Loyo-Maldonado, S. D. McDougall and B. Schmidt, “High temperature and high peak power 808 nm QCW bars and stacks”, SPIE Vol. 7583, (2010)
2. Matthew Peters, Victor Rossin, Bruno Acklin, “High-efficiency high-reliability laser diodes at JDS Uniphase”, Proc. SPIE 5711, High-Power Diode Laser Technology and Applications III, 142, (March 17, 2005)
3. K A Bulashevich, V F Mymrin, S YuKarpov, D M Demidovand A L Ter-Martirosyan, “Effect of free-carrier absorption on performance of 808 nmAlGaAs-basedhigh-power laser diodes”, Semicond. Sci. Technol. 22, 502–510, (2007)
4. H. C. Casey, Jr and P. L. Carter, “Variation of intervalence band absorption with hole concentration in p-type InP”, Appl. Phys. Lett., 44, 82-83, (1984)
5. N. A. Pikhtin, S. O. Slipchenko, Z. N. Sokolova, A. L. Stankevich, D. A. Vinokurov, I. S.Tarasovand , and Zh. I. Alferov, “16W continuous-wave output power from100 μm-aperture laser with quantumwell asymmetric heterostructure”, ELECTRonICS LETTERS, Vol. 40, No. 22, (8th October 2004)
6. Bocang Qiu, Manuela Buda, “Beam divergence dependnce of Injection current”, Intense internal report, 2008
7. Stephen P. Najida, Gianluca Bachin, Bocang Qiu, “Benefits of quantum well intermixing in high power diode lasers”, SPIE Vol. 5356, (2004)
8. B.C. Qiu, O. Kowalski, S.D. McDougall, X.F. Liu, and J.H. Marsh, “High reliability, high power arrays of 808 nm single mode diode lasers employing various quantum well structures”, SPIE Vol. 6909, (2008)
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