44瓦超高功率808nm半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)和制作

范文范例指導(dǎo)參考44瓦超高功808nm半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)與制作仇伯倉，胡海，何晉國

深圳清華大學(xué)研究院

深圳瑞波光電子有限公司.引|言半導(dǎo)體激光器采用III-V化合物為其有源介質(zhì)，通常通過電注入，在有源區(qū)通過電子與空穴復(fù)合將注入的電能轉(zhuǎn)換為光子能。 與固態(tài)或氣體激光相比，半導(dǎo)體激光具有十分顯蓍的特點(diǎn)、：1）能轉(zhuǎn)換效帚，比如典型的 808nm帚功激光的最帚電光轉(zhuǎn)換效可以帚達(dá)65%"上［1］，與之成為鮮明對照的是，CO2氣體激光的能轉(zhuǎn)換效僅有 10%，而采用傳統(tǒng)燈光泵浦的固態(tài)激光的能轉(zhuǎn)換效低,只有1%左右；2）體積小。一個(gè)出好,超過10W的半導(dǎo)體激光芯片尺寸大約為0.3mm3,而一臺(tái)固態(tài)激光有可能占據(jù)實(shí)驗(yàn)室的整整一張工作臺(tái)；3）可靠性帚，平均壽命估計(jì)可以長達(dá)數(shù)十萬小時(shí)［2］；4）價(jià)格低。半導(dǎo)體激光也同樣遵從集成電工業(yè)中的摩爾定， 即性能指標(biāo)隨時(shí)間以指數(shù)上升的趨勢改善，而價(jià)格則隨時(shí)間以指數(shù)形式下。正是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光的上述優(yōu)點(diǎn)，使其愈來愈廣泛地應(yīng)用到國計(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)研究與國防應(yīng)用。隨著激光芯片性能的斷提帚與其價(jià)格的持續(xù)下，以808nm以及9xxnm為代表的帚功激光器件已經(jīng)成為激光加工系統(tǒng)的最核心的關(guān)鍵部件。帚,激光芯片有干重要技術(shù)指標(biāo)，包括能轉(zhuǎn)換效以及器件運(yùn)可靠性等。 器件的能轉(zhuǎn)換效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)可靠性主要與芯片的腔面處工藝有關(guān)。 本文首先簡要綜述帚功激光的設(shè)計(jì)思想以及腔面處方法， 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)808nm帚功單管激光芯片方面所取得的主要進(jìn)展。.帚功激光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1.半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)示意圖word版整理范文范例指導(dǎo)參考折射率/光強(qiáng)折射率/光強(qiáng)圖2.外延結(jié)構(gòu)以及與之對應(yīng)的光場分布0J100 200300 400 500600 700 800 900 1000SCHthickness(nm)裝)0J100 200300 400 500600 700 800 900 1000SCHthickness(nm)裝)JOWEJ1U3E0?U_JUOU-?MEnwEna圖3.子但限制因子與SCH層厚之間的關(guān)系34(6-s〕(6-s〕shmll)aouapampEes-EOES3028262422100 200 300 400 500 600 700 600 900 1000SCHthickness(nm)圖4.光束發(fā)散角與SCH層厚之間的關(guān)系圖1給出一個(gè)典型的基于AlGaAs材的808nm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)子但、AlGaAs波導(dǎo)以及AlGaAs包層材組成，在材選取上包層材的Al組分離高于波導(dǎo)層材的Al組分，以保證在材生長方向形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即材時(shí)其中的光場有限制作用（見圖2）。另外，為實(shí)現(xiàn)電子與空穴在子但內(nèi)產(chǎn)生受激輻射復(fù)合，材必須被摻雜成 p-i-n結(jié)構(gòu)，其中有源波導(dǎo)區(qū)通常為非摻雜的大在區(qū)域。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光的主要性能參數(shù)對溫非常敏感，所以在設(shè)計(jì)外延與器件結(jié)構(gòu)時(shí)，必須仔細(xì)優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡可能減小器件的內(nèi)損耗以及聯(lián)電但，盡可能地提高器件的內(nèi)子效 ,以獲得盡可能高的電光轉(zhuǎn)換效。 在器件設(shè)計(jì)方面，通常采用腔長較長的結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)檎麄€(gè)芯片的封裝模塊的熱阻與腔長近似成反比，芯片越長，模塊熱但越小，芯片的結(jié)溫越低此外另一考慮因嗦是器件的可靠性。因?yàn)榭煽啃砸才c芯片工作時(shí)的電密有關(guān)，電密越大，壽命越短。同于低功器件，在高功激光設(shè)計(jì)中，閾值電的大小是最優(yōu)先考慮的因嗦。研究表明，高功激光芯片的壽命主要與芯片內(nèi)的光場密、電密以及芯片結(jié)溫有關(guān)，而在上述三個(gè)因嗦之中，光場密對壽命以及可靠性影響最為顯蓍。事實(shí)上，激光芯word版整理范文范例指導(dǎo)參考片生效在很大程上是由與光場密有關(guān)的兩種生效模式有關(guān)：其一為因光場密造成腔內(nèi)光學(xué)災(zāi)變（簡稱COBD）；其二為光場密過高而在腔面引起的光學(xué)災(zāi)變（簡稱COMD）。在高功激光外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為低因光功密過高而引起器件生效的幾， 通常采用低光場密或者低限制因子設(shè)計(jì)。在低限制因子設(shè)計(jì)中，雖然閾值電會(huì)有所上升，但考慮到高功激光的工作電是閾值電的10-20倍以上，閾值電的些許增加并會(huì)顯蓍影響器件的整體效。而且采用低限制因子設(shè)計(jì)還有一些額外的優(yōu)點(diǎn)：1）可以低激光腔內(nèi)的整體光損耗。這是因?yàn)榧す獾膿p耗主要是由自由載子吸收（FCA）［3］以及價(jià)帶間載子躍遷造成的吸收（IVBA）引起的［4］，當(dāng)采用低限制因子設(shè)計(jì)時(shí)，子阱內(nèi)的載子吸收損耗也會(huì)相應(yīng)低；2）可以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(dǎo)體激光的光束整形、耦合設(shè)計(jì)，當(dāng)光束發(fā)散角小時(shí)，僅會(huì)提高光的耦合效，而且會(huì)容許后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)有大設(shè)計(jì)與制造容差。低限制因子設(shè)計(jì)可以通過調(diào)整分別限制異質(zhì)結(jié)^^）層厚來獲得。圖3給出子但光場限制因子 gamma與SCH厚之間的關(guān)系，由其可見，低限制因子可用兩種同方法來獲得：其一為采用SCH厚很薄的設(shè)計(jì)；其二為采用SCH厚很厚的設(shè)計(jì)。SCH厚達(dá)到一微米左右波導(dǎo)設(shè)計(jì)一般被稱之為大光場（LOC）設(shè)計(jì)［5］。在大光場設(shè)計(jì)中，因?yàn)楸容^容兼顧芯片的腔內(nèi)損耗以及聯(lián)電但的優(yōu)化，所以當(dāng)今許多業(yè)內(nèi)頂級(jí)公司采用這一設(shè)計(jì)。.高功激光工藝制作與腔面處高功激光因?yàn)樾枰敵龊芨叩墓Γ?所以其有源區(qū)條寬在幾十微米甚至幾百微米，具體條寬根據(jù)應(yīng)用而定。為區(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。寬條激光的工藝處相對比較簡單，有的公司為簡化工藝，只是通過有限幾個(gè)步驟的工藝處（如離子注入）形成電隔離區(qū)域，然后制作p面屬電極、晶片減薄、n面屬電極沉積、快速退火以及腔面鍍膜等即完成所有工藝程。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變化比較大［6］。為改善寬條激光相對于注入電的穩(wěn)定性，也可以通過刻蝕形成脊波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)僅會(huì)對電形成隔離作用，而且因?yàn)榭涛g形成的波導(dǎo)時(shí)光在橫向形成波導(dǎo)限制。圖5給出刻蝕后形成的寬波導(dǎo)激光。高功激光的工藝最具挑戰(zhàn)之處在于腔面處與鍍膜工藝。 腔面處主要有無吸收腔面技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)等［7］。無吸收腔面技術(shù)是通過材生長完畢后的工藝處技術(shù)（通常被稱之為子但混雜技術(shù)），在腔面對近區(qū)域，改變材的性質(zhì)，使得材的吸收峰藍(lán)移， 從而使腔面區(qū)域的材對芯片發(fā)射出的激光呈透明狀態(tài)。無吸收腔面技術(shù)也可通過材再生長的方法來實(shí)現(xiàn)，所生長的材的能帶寬要足夠大， 以使其對芯片所發(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(dǎo)體材上沉積一薄層其它材，這種材最好具有如下的性質(zhì)：1）能夠中和因半導(dǎo)體界面晶格缺陷而產(chǎn)生的復(fù)合中心；2）鈍化材應(yīng)該對激光無吸收；3）鈍化材應(yīng)該與半導(dǎo)體材的熱膨脹系數(shù)接近 ；4）與本底半導(dǎo)體材有很好的化學(xué)與物吸附。 腔面鈍化的目的是中和半導(dǎo)體激光腔面的非輻射復(fù)合中心，從而消除因非輻射復(fù)合而引起的腔面光學(xué)災(zāi)變。腔面鍍膜是在激光腔的后端面鍍上多時(shí)由兩種同介質(zhì)材組成的介質(zhì)膜，以使其對腔內(nèi)的反射達(dá)到 90%以上，而在激光的前端面，通過蒸鍍-定厚的介質(zhì)膜材，使其反射在 2-10%左右。word版整理

范文范例指導(dǎo)參考圖5.寬波導(dǎo)高功激光示意圖.高功激光性能測試高功半導(dǎo)體激光測試參數(shù)主要包括光一電—電壓（LIV）特性曲線，溫特性、光譜曲線、光束特性、可靠性以及偏振性質(zhì)等。由于半導(dǎo)體芯片對環(huán)境溫、環(huán)境濕、靜電、塵埃、電電壓的過脈沖以及光的中反射等非常敏感，這些參數(shù)的任何變化僅影響到測，而且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(rèn)真考慮。深圳瑞波光電子有限公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)集多測試分析經(jīng)驗(yàn)，提出一套完整的芯片參數(shù)測試分析方案，構(gòu)建能夠確控制測試環(huán)境、 對各種參數(shù)進(jìn)快速自動(dòng)測試、最后自動(dòng)生成主要參數(shù)測試報(bào)告的測試系統(tǒng)。針對半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的表征測試需要，我們研發(fā)一系測試儀器，包括針對芯片的直管/巴條測試系統(tǒng)和full-bar巴條測試系統(tǒng)（過full-bar巴條測試是指共電極測試，測試電可達(dá)200-400A），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)、以及大容并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控器件功和波長的化壽命測試系統(tǒng)等。圖7給出我們研發(fā)的COS測試系統(tǒng)的圖片，該系統(tǒng)主要由電子學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械組件、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處與分析系統(tǒng)組成，可以對前述的各種參數(shù)進(jìn)快速和全方位的測試。圖6.測試工作臺(tái)照片.超高功808nm高功激光芯片RB-808系激光芯片是我們自主設(shè)計(jì)與制作的808nm高功激光芯片。RB-808系芯片是瑞波公司積極順應(yīng)市場需求，研發(fā)出針對同工作模式的芯片，其中包括輸出同功的單管芯片（8-10瓦）、輸出功達(dá)100W（CW：連續(xù)電模式）的巴條芯片等。在人文中我們word版整理

范文范例指導(dǎo)參考重點(diǎn)介紹我們所研發(fā)的直管高功產(chǎn)品，而高功巴條芯片將在其它文章中給予詳細(xì)介紹。808nm激光在外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，有多種同選擇，比如子但材可以采用GaAs、AlGaAs、InGaAlAs、InGaAsP等［8］，波導(dǎo)材可以在選取子但材后，根據(jù)材的電子學(xué)與光學(xué)性質(zhì)做出相應(yīng)選擇。在深圳瑞波，我們采用有源區(qū)無鋁的InGaAsP子但結(jié)構(gòu)。采用無鋁有源區(qū)結(jié)構(gòu)的好處是沒有冷面在解后在大氣中的氧化問題，從而避免與大氣氧化有關(guān)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為350微米的鍍AlNP陶瓷片上，焊錫材采用的是錫焊。為簡明起見，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為所測試的同溫下的光一電（L-I）特性曲線，由其可見，COS在20測試環(huán)境下，閾值電大約為1.84，斜效大約為1.2W/A,而達(dá)到10瓦輸出功時(shí)所需要的工作電為10A。圖8為所測試的中心波長與電之間的關(guān)系，考慮到對于808nm的激光芯片，溫每升高一，波長紅移大約為0.25nm,意味著在工作電為10A時(shí)，芯片的結(jié)溫大約比環(huán)境測試溫高出16左右，這一溫升高與我們的計(jì)算完全相符。圖9為工作電在10A時(shí)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)散角的全寬半帚值3柏刷）大約為25，比國外通用的同類型808芯片的36發(fā)散角減少30%，而水平方向上包含95%光場能的光束發(fā)散角大約為10。瑞波公司808nm芯片優(yōu)異的遠(yuǎn)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(píng)估中，我們對器件進(jìn)加速壽命測試以及COMD破壞性測試。加速壽命測試是在高的可控環(huán)境溫下，以及比額定工作電高的注入電下以連續(xù)波（CW）方式工作，通過監(jiān)控芯片的工作參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系來評(píng)估芯片在正常運(yùn)時(shí)的使用壽命；而 COMD破壞性測試是在特定脈沖工作方式下，對器件施加斷增加的電，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(shí)腔面功的大小。在COMD測試中，我們采用周期為10毫秒、占空比為10%的脈沖電對芯片進(jìn)破壞性測試， 測試結(jié)果可參見圖10。由圖可見，當(dāng)注入電為48A時(shí)，COS的功為44瓦，隨后芯片失效。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，圖10給出的測試結(jié)果并是由于冷面災(zāi)變生效引起器件功下，因?yàn)樯Х治霭l(fā)現(xiàn)芯片的失效是由于電過大，引起線熔斷而引起的，而熔斷的線導(dǎo)致芯片局部溫過高才導(dǎo)致芯片最終生效。 從所測試的光一電一電壓（L-I-V）特性來看，芯片失去功的同時(shí)，電壓也為值，而真正的COMD發(fā)生時(shí)，電壓會(huì)升高大約150mV，電壓升高的原因是當(dāng)芯片輸出功瞬間減小，腔內(nèi)的載子濃因?yàn)檩椛鋸?fù)合減小而隨之升帚，抬高子阱內(nèi)的費(fèi)米能級(jí)，進(jìn)而導(dǎo)致電壓的上升。此外，還需要補(bǔ)充的是，盡管COMD測試是在脈沖狀態(tài)下進(jìn)的，但因?yàn)槊}沖寬達(dá)1000微秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過芯片本身的熱時(shí)間常數(shù)，所以過-測試在熱學(xué)上幾乎等效于持續(xù)電測試模式。圖7. 808圖7. 808nm連續(xù)電，同溫情況下的直管COS模塊光一電特性曲線word版整理范文范例指導(dǎo)參考4 5 6 7 4 5 6 7 8 9 10 11 12Injectioncurrent(A)2O9O987(Eu)56u?a>eM妄d激光波長隨溫變化關(guān)系-20 -10 0 10 20 30Angle(deg)2-20 -10 0 10 20 30Angle(deg)2864O,O.O.3e一SU2U-水平與垂直方向的光束特性10 15 20 25 30 35 40 45 50Injectioncurrent(A)ooooO54310 15 20 25 30 35 40 45 50Injectioncurrent(A)ooooO54321￡』Q>Mod10 15 20 25 30 35 40 45 50Injectioncurrent(A)43210s8EWOA圖10.激光腔面生效功(COMD)測試.結(jié)論本文簡要綜述高功808nm半導(dǎo)體激光的設(shè)計(jì)以及腔面工藝處方法， 隨后展示深圳瑞波光電子公司在高功808nm芯片研發(fā)方面所取得的進(jìn)展。我們最新測試的直管COMDword版整理范文范例指導(dǎo)參考功率達(dá)44瓦以上，這一功率水平表明我們的芯片冷面處理工藝能夠滿足10瓦直管芯片所需要的工藝水平。致謝本項(xiàng)目研究得到了國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題“帚線性激光器和帚飽和功率光探測器陣列芯片‘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)G.Bacchin,A.Fily,B.Qiu,D.Fraser,S.Robertson,V.Loyo-Maldonado,S.D.McDougallandB.Schmidt,“Hightemperatureandhighpeakpower808nmQCWbarsandstacks”,SPIEVol.7583,(2010)MatthewPeters,VictorRossin,BrunoAcklin,“High-efficiencyhigh-reliabilitylaserdiodesatJDSUniphase”,Proc.SPIE5711,High-PowerDiodeLaserTechnologyandApplicationsIII,142,(March17,2005)KABulashevich,VFMymrin,SYuKarpov,DMDemidovandALTer-Martirosyan,“Effectoffree-carrierabsorptiononperformanceof808nmAlGaAs-basedhigh-powerlaserdiodes”,Semicond.Sci.Technol.22,502-510,(2007)H.C.Casey,JrandP.L.Carter,“Variationofintervalencebandabsorptionwithholeconcentrationinp-typeInP”,Appl.Phys.Lett.,44,82-83,(1984)N.