44瓦超高功率808nm半導體激光器設計與制作

1、44瓦超高功率808 nm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III-V化合物為其有源介質，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）能量轉換效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高電光轉換效率可以高達65%以上 1，與之成為鮮明對照的是，CO2氣體激光的能量轉換效率僅有10%，而采用傳統(tǒng)燈光泵浦的固態(tài)激光的能量轉換效率更低, 只有1%左右；2）體積小。一個出射功率超過10 W 的半導體激光芯片尺寸大約為0.3 mm3, 而一臺固態(tài)

2、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用到國計民生的各個方面，諸如工業(yè)應用、信息技術、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808 nm 以及9xx nm為代表的高功率激光器件已經(jīng)成為激光加工系統(tǒng)的最核心的關鍵部件。高功率激光芯片有若干重要技術指標，包括能量轉換效率以及器件運行可靠性等。 器件的能量轉換效率主要取決于芯片

3、的外延結構與器件結構設計，而運行可靠性主要與芯片的腔面處理工藝有關。本文首先簡要綜述高功率激光的設計思想以及腔面處理方法，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. 高功率激光結構設計圖1. 半導體激光外延結構示意圖圖2. 外延結構以及與之對應的光場分布圖3. 量子阱限制因子與SCH層厚度之間的關系圖4. 光束發(fā)散角與SCH層厚度之間的關系圖1給出了一個典型的基于AlGaAs材料的808 nm半導體激光外延結構示意圖，由其可見，外延結構由有源區(qū)量子阱、AlGaAs波導以及AlGaAs包層材料組成，在材料選取上包層材料的Al 組

4、分要高于波導層材料的Al組分，以保證在材料生長方向形成波導結構，即材料對其中的光場有限制作用（見圖2）。另外，為了實現(xiàn)電子與空穴在量子阱內產生受激輻射復合，材料必須被摻雜成p-i-n結構，其中有源波導區(qū)通常為非摻雜的本征區(qū)域。因為半導體激光的主要性能參數(shù)對溫度非常敏感，所以在設計外延與器件結構時，必須仔細優(yōu)化芯片結構參數(shù)，盡可能減小器件的內損耗以及串聯(lián)電阻，盡可能地提高器件的內量子效率, 以便獲得盡可能高的電光轉換效率。在器件設計方面，通常采用腔長較長的結構，這是因為整個芯片的封裝模塊的熱阻與腔長近似成反比，芯片越長，模塊熱阻越小，芯片的結溫越低；此外另一考慮因素是器件的可靠性。因為可靠性也與

5、芯片工作時的電流密度有關，電流密度越大，壽命越短。不同于低功率器件，在高功率激光設計中，閾值電流的大小不是最優(yōu)先考慮的因素。 研究表明，高功率激光芯片的壽命主要與芯片內的光場密度、電流密度以及芯片結溫有關，而在上述三個因素之中，光場密度對壽命以及可靠性影響最為顯著。事實上，激光芯片失效在很大程度上是由與光場密度有關的兩種失效模式有關：其一為因光場密度造成腔內光學災變（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構設計中，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，

6、但考慮到高功率激光的工作電流是閾值電流的10-20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，量子阱內的載流子吸收損耗也會相應降低；2）可以降低外延生長方向上的光束發(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整分別限制異質結（SCH）層

7、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損耗以及串聯(lián)電阻的優(yōu)化，所以當今許多行業(yè)內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，這種激光結構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

8、簡化工藝，只是通過有限幾個步驟的工藝處理（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，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，波導結構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。腔面處理主要有無吸收腔面技術、腔面鈍化技術等7。無吸收腔面技術是通過材料生長完畢后的工藝處理技術（通常被稱之為量子阱混雜技術

9、)，在腔面附近區(qū)域，改變材料的性質，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：1）能夠中和因半導體界面晶格缺陷而產生的復合中心；2）鈍化材料應該對激光無吸收；3）鈍化材料應該與半導體材料的熱膨脹系數(shù)接近; 4） 與本底半導體材料有很好的化學與物理吸附。腔面鈍化的目的是中和半導體激光腔面的非輻射復合中心，從而消除因非輻射復合而引起的腔面光學災變。腔面鍍膜是在激光腔的后

10、端面鍍上多對由兩種不同介質材料組成的介質膜，以便使其對腔內的反射率達到90%以上， 而在激光的前端面， 通過蒸鍍一定厚度的介質膜材料，使其反射率在2-10%左右。 圖5. 寬波導高功率激光示意圖4. 高功率激光性能測試高功率半導體激光測試參數(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等。由于半導體芯片對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、靜電、塵埃、電流電壓的過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量精度，而且更有可能引起器件的突然失效。為此，激光的測試環(huán)境必須經(jīng)過認真考慮。深圳瑞波光電子有限公司技術團隊集多年測試分析經(jīng)驗，提出了一套完整的芯

11、片參數(shù)測試分析方案，構建了能夠精確控制測試環(huán)境、對各種參數(shù)進行快速自動測試、最后自動生成主要參數(shù)測試報告的測試系統(tǒng)。針對半導體激光器的關鍵制造環(huán)節(jié)的表征測試需要，我們研發(fā)了一系列測試儀器，包括針對裸芯片的單管/巴條測試系統(tǒng)和full-bar巴條測試系統(tǒng) （這里full-bar巴條測試是指共電極測試， 測試電流可達200-400 A），針對貼片后器件的COS （chip-on-submount）測試系統(tǒng)、針對光纖耦合蝶形封裝的模塊測試系統(tǒng)、以及大容量并可以實時監(jiān)控器件功率和波長的老化壽命測試系統(tǒng)等。圖7給出了我們研發(fā)的COS 測試系統(tǒng)的圖片，該系統(tǒng)主要由電子學系統(tǒng)、機械組件、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理

12、與分析系統(tǒng)組成，可以對前述的各種參數(shù)進行快速和全方位的測試。 圖6. 測試工作臺照片5. 超高功率808 nm 高功率激光芯片RB-808系列激光芯片是我們自主設計與制作的808nm高功率激光芯片。RB-808 系列芯片是瑞波公司積極順應市場需求，研發(fā)出針對不同工作模式的芯片，其中包括輸出不同功率的單管芯片（8-10瓦）、輸出功率達100 W（CW：連續(xù)電流模式）的巴條芯片等。在本文中我們重點介紹我們所研發(fā)的單管高功率產品，而高功率巴條芯片將在其它文章中給予詳細介紹。808 nm 激光在外延結構設計上，有多種不同選擇，比如量子阱材料可以采用GaAs、AlGaAs、InGaAlAs、InGaAs

13、P等8，波導材料可以在選取量子阱材料后，根據(jù)材料的電子學與光學性質做出相應選擇。在深圳瑞波，我們采用了有源區(qū)無鋁的InGaAsP量子阱結構。采用無鋁有源區(qū)結構的好處是沒有腔面在解理后在大氣中的氧化問題，從而避免了與大氣氧化有關的可靠性問題。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。為了簡明起見，以后將這種方式封裝的芯片稱之為COS（chip-on-submount）。COS測試是用我們開發(fā)的測試系統(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

14、制造企業(yè)和封裝企業(yè)的研發(fā)實驗室和生產線上采用。 圖7為所測試的不同溫度下的光電流（L-I）特性曲線，由其可見，COS在20度測試環(huán)境下，閾值電流大約為1.8 A，斜率效率大約為1.2 W/A, 而達到10瓦輸出功率時所需要的工作電流為10 A。圖8為所測試的中心波長與電流之間的關系，考慮到對于808 nm的激光芯片，溫度每升高一度，波長紅移大約為0.25 nm, 意味著在工作電流為10 A時，芯片的結溫大約比環(huán)境測試溫度高出16度左右，這一溫度升高與我們的計算完全相符。圖9為工作電流在10 A時所測得的光束發(fā)散角，很顯然，在垂直方向上（即外延生長方向）光束發(fā)散角的全寬半高值（FWHM）大約為2

15、5度，比國外通用的同類型808芯片的36度發(fā)散角減少了30%，而水平方向上包含95%光場能量的光束發(fā)散角大約為10度。瑞波公司808nm芯片優(yōu)異的遠場特性使得后續(xù)封裝模塊光束整形和光纖耦合得到改善。在器件可靠性評估中，我們對器件進行加速壽命測試以及COMD破壞性測試。加速壽命測試是在更高的可控環(huán)境溫度下，以及比額定工作電流更高的注入電流下以連續(xù)波（CW）方式工作，通過監(jiān)控芯片的工作參數(shù)與時間的關系來評估芯片在正常運行時的使用壽命；而COMD破壞性測試是在特定脈沖工作方式下， 對器件施加不斷增加的電流， 直到器件因COMD發(fā)生而停止工作為止，這一測試容許我們獲得芯片發(fā)生COMD時腔面功率的大小。

16、 在COMD測試中，我們采用周期為10毫秒、占空比為10%的脈沖電流對芯片進行破壞性測試，測試結果可參見圖10。由圖可見，當注入電流為48 A時，COS的功率為44瓦，隨后芯片失效。仔細分析發(fā)現(xiàn)，圖10給出的測試結果并不是由于腔面災變失效引起器件功率下降，因為失效分析發(fā)現(xiàn)芯片的失效是由于電流過大，引起金線熔斷而引起的，而熔斷的金線導致芯片局部溫度過高才導致芯片最終失效。從所測試的光電流電壓（L-I-V）特性來看，芯片失去功率的同時，電壓也降為零值，而真正的COMD發(fā)生時，電壓會升高大約150 mV，電壓升高的原因是當芯片輸出功率瞬間減小，腔內的載流子濃度因為輻射復合減小而隨之升高，抬高了量子阱

17、內的費米能級，進而導致了電壓的上升。此外，還需要補充的是，盡管COMD測試是在脈沖狀態(tài)下進行的，但因為脈沖寬度達1000微秒，遠遠超過芯片本身的熱時間常數(shù)，所以這一測試在熱學上幾乎等效于持續(xù)電流測試模式。圖7. 808 nm 連續(xù)電流，不同溫度情況下的單管COS模塊光電流特性曲線圖8. 激光波長隨溫度變化關系圖9. 水平與垂直方向的光束特性圖10. 激光腔面失效功率（COMD）測試6. 結論本文簡要綜述了高功率808 nm 半導體激光的設計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808 nm 芯片研發(fā)方面所取得的進展。我們最新測試的單管COMD功率達44瓦以上， 這一功率水

18、平表明我們的芯片腔面處理工藝能夠滿足10瓦單管芯片所需要的工藝水平。致謝本項目研究得到了國家高技術研究發(fā)展計劃(863 計劃)課題“高線性激光器和高飽和功率光探測器陣列芯片”資助（課題編號2015AA016901）， 并得到了廣東省“創(chuàng)新引進科研團隊計劃”與深圳市“孔雀團隊計劃”的支持。參考文獻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

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