低閾值852 nm半導(dǎo)體激光器的溫度特性

廖翌如， 關(guān)寶璐， 李建軍， 劉 儲， 米國鑫， 徐 晨

(北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

低閾值852 nm半導(dǎo)體激光器的溫度特性

廖翌如， 關(guān)寶璐*， 李建軍*， 劉 儲， 米國鑫， 徐 晨

(北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)和半導(dǎo)體后工藝技術(shù)制備了852 nm半導(dǎo)體激光器，它在室溫下的閾值電流為57.5 mA，輸出的光譜線寬小于1 nm。測試分析了激光器的輸出光功率、閾值電流、電壓、輸出中心波長隨溫度的變化。測試結(jié)果表明，當(dāng)溫度變化范圍為293～328 K時(shí)，閾值電流的變化速率為0.447 mA/K，特征溫度T0為142.25 K，輸出的光功率變化率為0.63 mW/K。通過計(jì)算求得理想因子n為2.11，激光器熱阻為77.7 K/W，中心波長漂移速率是0.249 29 nm/K，實(shí)驗(yàn)得出的中心波長漂移速率與理論計(jì)算結(jié)果相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該半導(dǎo)體器件在293～303 K的溫度范圍內(nèi)，各特性參數(shù)能夠保持相對良好的狀態(tài)。器件如果工作在高溫環(huán)境，需要添加控溫設(shè)備以保證器件在良好狀態(tài)下運(yùn)行。

852 nm半導(dǎo)體激光器； 溫度特性； 閾值電流； 特征溫度

1 引 言

隨著半導(dǎo)體激光器[1-7]技術(shù)逐漸成熟，半導(dǎo)體激光器以體積小、攜帶方便、功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，在醫(yī)療、材料加工、通信等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。852 nm波段的激光器除了可以應(yīng)用在濾波器、穩(wěn)頻器等通信設(shè)備中，還可以作為核心光源部件應(yīng)用于銫原子鐘[8-9]中。銫原子鐘的作用主要是進(jìn)行空間上的精確定位，并且相對于其他原子鐘具有更高的精確度，在航空以及航海業(yè)中扮演著重要的角色。由于工作地點(diǎn)的不同，所處環(huán)境的溫度也不一樣，往往要求激光器能夠在不同的溫度下穩(wěn)定工作，因此對852 nm半導(dǎo)體激光器溫度特性的研究顯得尤為重要。

國內(nèi)外研究人員針對半導(dǎo)體激光器的溫度特性做了大量研究工作。2006年，Kanazawa等對1.2 μm GaInAs/GaAs量子阱激光器的溫度特性進(jìn)行了研究，得出在連續(xù)工作(CW)條件下，溫度為30～80 ℃時(shí)，特征溫度T0是222 K[10]；2006年，張永明等對波長為808 nm的InGaAsP-InP單量子阱激光器進(jìn)行了熱特性的研究，在溫度為23～70 ℃時(shí)，特征溫度達(dá)到了325 K[11]。2008年，程燦等研究了連續(xù)工作的體布拉格光柵外腔半導(dǎo)體激光器的溫度特性，在輸出功率為34.5 W時(shí)，波長紅移約0.56 nm[12]。2012年，徐華偉等對852 nm半導(dǎo)體激光器InGaAlAs、InGaAsP、InGaAs和GaAs量子阱的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)得到了波長隨溫度漂移的數(shù)值為0.256 nm/K[13]。同年，李再金等研究了1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半導(dǎo)體激光器的溫度特性，得到光譜漂移為0.37 nm/℃，特征溫度為68.6 K[14]。2013年，黃海華等研究了850 nm錐形半導(dǎo)體激光器的溫度特性，測試溫度為20～70 ℃時(shí)，錐形結(jié)構(gòu)器件的特征溫度為164 K[15]。2014年，Zhai等對高功率1 060 nm DFB結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了研究，得到光譜的漂移速度為0.35 nm/K[16]。近幾年來，雖然人們對半導(dǎo)體激光器的溫度特性研究很多，但是針對低閾值852 nm波長F-P(Fabry-Perot)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的溫度特性的研究還相對比較少。

本文設(shè)計(jì)并制備了波長為852 nm F-P型半導(dǎo)體激光器，在室溫下功率轉(zhuǎn)換達(dá)到37%，封裝燒結(jié)后閾值電流達(dá)到57.5 mA。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了閾值、輸出功率、中心波長等與溫度之間的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算分析特征溫度、串聯(lián)電阻和熱阻等特性，并進(jìn)行了相關(guān)的討論。

2 器件結(jié)構(gòu)與制備

本實(shí)驗(yàn)使用的852 nm量子阱激光器外延片是采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)設(shè)備生長得到，外延層結(jié)構(gòu)采用非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)可以同時(shí)降低腔內(nèi)的光損耗和有源區(qū)的光限制因子，提高輸出光功率。整個(gè)外延片的結(jié)構(gòu)層從上到下依次是蓋層、上限制層、上波導(dǎo)層、有源區(qū)、下波導(dǎo)層、下限制層、N型GaAs襯底層。為了實(shí)現(xiàn)小功率、窄線寬，激光器采用F-P(Fabry-Perot)型邊發(fā)射窄條雙溝槽結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所

圖1 (a)852 nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)該器件樣品在溫度為298 K時(shí)的P-I、V-I特性曲線；(c)輸出光譜圖。

Fig.1 (a) Structure of the semiconductor laser diode. (b)P-IandV-Icharacteristics of the semiconductor laser at 298 K. (c) Output spectrum at 298 K.

示。器件制作成窄脊條的目的是實(shí)現(xiàn)光譜單空間模式分布，雙溝槽能夠減小驅(qū)動電流橫向擴(kuò)散，從而達(dá)到減小閾值的目的。該器件結(jié)構(gòu)的后工藝制備是制作含有雙溝槽的5 μm窄條脊型結(jié)構(gòu)，通過濕法化學(xué)腐蝕，制作出雙溝槽和脊型臺面，腐蝕深度分別是2 μm和500 nm；利用PECVD設(shè)備在其表面淀積二氧化硅，并腐蝕引線孔處的二氧化硅；濺射350 nm厚的TiAu；N面襯底減薄至120 μm；蒸鍍AuGeNi/Au合金；器件解理成1 000 μm，鍍膜，P面朝上燒結(jié)在無氧銅熱沉上，使用的封裝管座是TO-3。由于我們制作的是小功率半導(dǎo)體激光器，注入電流的面積較小，采用P面朝上封裝工藝，既可避免芯片擺放時(shí)容易爬銦從而污染腔面，同時(shí)利用TEC控溫系統(tǒng)有效減少小功率激光器發(fā)熱問題，因此，P面朝上的擺放不僅改善器件的可靠性性能，同時(shí)提高了輸出光功率的效率。在298 K溫度直流驅(qū)動條件下，測出半導(dǎo)體激光器的特性曲線和光譜圖如圖1(b)、(c)所示。由圖中可以看出，半導(dǎo)體激光器的閾值電流大小為57.5 mA，當(dāng)驅(qū)動電流為150 mA時(shí)，輸出的光功率大小為104 mW，輸出光譜的線寬為0.625 nm。

3 結(jié)果與討論

在獲得852 nm半導(dǎo)體激光器良好輸出特性的基礎(chǔ)上，注入相同的電流，采用TEC設(shè)備對工作溫度進(jìn)行精確控制，并詳細(xì)研究溫度對P-I、V-I特性曲線和輸出的中心波長等特性的影響。

3.1 溫度對P-I特性的影響

圖2(a)是半導(dǎo)體激光器工作溫度在293～328 K范圍內(nèi)時(shí)，P-I特性與溫度的變化關(guān)系曲線。

圖2 (a)半導(dǎo)體激光器在不同溫度下的P-I特性曲線；(b)不同溫度下的lnIth-T關(guān)系曲線。

Fig.2 (a)P-Icharacteristics at different temperature of the semiconductor laser. (b) lnIthvs.Tat different temperature.

圖3是半導(dǎo)體激光器在注入電流為150 mA時(shí)輸出光功率隨溫度的變化。從圖3以看出：在注入150 mA電流時(shí)，隨著溫度的升高，輸出的光功率呈下降趨勢。當(dāng)輸出的光功率從107.13 mW降低到85.09 mW時(shí)，變化率為0.63 mW/K。其原因是，半導(dǎo)體激光的內(nèi)部損耗函數(shù)是溫度函數(shù)，且兩者是成正比的關(guān)系。隨著溫度的上升，內(nèi)部損耗也會增加，從而導(dǎo)致內(nèi)外量子效率降低和閾值電流增大。而且與溫度系數(shù)有關(guān)的熱載流子泄漏所引起的漏電流也會隨之增多，進(jìn)一步造成器件的閾值電流增大，最終導(dǎo)致輸出的光功率下降。

圖3 半導(dǎo)體激光器的輸出光功率隨溫度的變化

Fig.3 Output optical power of the semiconductor laservs. temperature

3.2 溫度對V-I特性的影響

圖4(a)是器件在293～328 K溫度范圍內(nèi)的V-I特性曲線。從圖4(a)可以看出：當(dāng)半導(dǎo)體器件的產(chǎn)生電壓大于開啟電壓時(shí)，對于相同的產(chǎn)生電壓，需要的注入電流隨著溫度的升高而增大。

電壓與電流的關(guān)系表達(dá)式[17]為：

(1)

圖4 (a)不同溫度下的V-I特性曲線，內(nèi)嵌圖是電壓在1.5～1.95 V范圍的放大圖；(b)處理圖(a)中小于閾值電流的數(shù)據(jù)得到的I(dV/dI)與電流I的關(guān)系圖。

Fig.4 (a)V-Icharacteristics at different temperature. Inset is an enlarged diagram of the curves in the range of 1.5-1.95 V. (b)I(dV/dI)vs.Ifor the current less than the threshold value in Fig.(a).

(2)

其中，V是加在半導(dǎo)體激光器上的正向電壓，Vd是內(nèi)建電場的電壓值，RS是串聯(lián)電阻。RS隨溫度變化的幅度小于V-Vd，所以在式(1)中V-Vd隨溫度的變化是需要重點(diǎn)考慮的因素。從式(2)可知，禁帶寬度隨著溫度的升高而減小，從而導(dǎo)致內(nèi)建電場Vd減小，V-Vd增大，所以工作電流隨溫度的升高而增大。

根據(jù)V-I特性曲線，可以得到二極管的V-I表達(dá)式[17-18]為：

(3)

將式(1)變形為V=Vd+IRS，對兩邊求導(dǎo)，得出dVd/dI值。當(dāng)I0?I時(shí)，得到以下表達(dá)式：

(4)

(5)

通過公式(4)可知，將閾值電流以下的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和擬合可以得出理想因子和串聯(lián)電阻值。計(jì)算得出，在298 K條件下，理想因子n為2.11，串聯(lián)電阻為2.28 Ω。理想因子n表示器件中的電流情況。正常的理想因子n在1～2之間。本實(shí)驗(yàn)制作的激光器是小功率窄條寬，條寬窄導(dǎo)致注入電流后的電流密度比較大，電流的擴(kuò)展效應(yīng)比較明顯，電流限制的能力較弱，載流子泄露比較嚴(yán)重，最終導(dǎo)致了本實(shí)驗(yàn)制作的激光器的理想因子稍大于2。

半導(dǎo)體激光器中的串聯(lián)電阻主要包括半導(dǎo)體材料的體電阻、歐姆接觸形成的歐姆電阻和封裝焊接時(shí)產(chǎn)生的電阻等。如果串聯(lián)電阻比較大，輸出的光功率會減小，所以在制作半導(dǎo)體激光器時(shí)應(yīng)盡量減小串聯(lián)電阻。減小串聯(lián)電阻的方法有：(1)在N面減薄時(shí)應(yīng)盡量減小N面的厚度，即減小半導(dǎo)體激光器的體電阻值；(2)半導(dǎo)體材料和電極金屬之間形成的歐姆接觸要好，這樣能減少兩者之間的歐姆電阻值；(3)采用良好的焊料焊接，減小焊接時(shí)產(chǎn)生的電阻。

3.3 溫度對光譜的影響

圖5(a)是不同溫度下的852 nm激光器的輸出光譜。從圖5(a)可以看出，溫度升高會導(dǎo)致輸出的中心波長紅移。根據(jù)半導(dǎo)體器件原理可知，半導(dǎo)體激光器中使用的材料是直接帶隙材料，波長λ是由禁帶寬度Eg決定的，Eg與溫度有關(guān)。λ的表達(dá)式為[19]：

(6)

由于溫度的升高導(dǎo)致禁帶寬度減小，所以由公式(6)可知λ會隨溫度的升高而增大，即波長紅移。

圖5(b)是溫度與禁帶寬度和波長之間的關(guān)系曲線，可以看出隨著溫度的升高，禁帶寬度減小。dEg/dT可以通過擬合Eg和T的關(guān)系曲線得到，其數(shù)值為-4.25567E-4。

圖5 (a)不同溫度下的半導(dǎo)體激光器的輸出光譜；(b)不同溫度下的輸出中心波長和禁帶寬度的變化曲線；(c)298 K時(shí)，不同的功率損耗Pth對應(yīng)的激射波長。

Fig.5 (a) Spectra of the semiconductor laser at different temperature. (b) Output center wavelength and band gapvs. temperature. (c) Relationship of power consumption and lasing wavelength at 298 K.

根據(jù)表達(dá)式[20]：

(7)

將根據(jù)圖5(b)中Eg-T曲線擬合求解出的dEg/dT=-4.25567E-4的值帶入式(7)，計(jì)算得出dλ/dT=0.249 27，與實(shí)驗(yàn)測試得到的0.249 29 nm/K的數(shù)值基本一致。

為了減小熱效應(yīng)對熱阻值的影響，本實(shí)驗(yàn)在占空比為0.5%的脈沖條件下測試。在溫度為298 K時(shí)，得出激射波長與半導(dǎo)體激光器的消耗功率Pth之間的關(guān)系如圖5(c)所示。熱阻的表達(dá)式為[20]：

(8)

在注入電流較小時(shí)，Δλ/Pth的數(shù)值可以通過對圖5(c)中的曲線進(jìn)行擬合得出，其數(shù)值為0.019 37。ΔT/Δλ的數(shù)值由圖5(b)得出，其數(shù)值為4.011 7，最終由式(8)得出熱阻值為77.7 K/W，包括芯片和熱沉的熱阻。

半導(dǎo)體器件的熱阻會影響其光學(xué)和電學(xué)參數(shù)，降低熱阻可以增加輸出光功率，提高器件的可靠性。為了減小激光器熱阻，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)外延結(jié)構(gòu)，例如采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、多量子阱結(jié)構(gòu)等，使得半導(dǎo)體激光器具有更高的特征溫度，進(jìn)而降低器件對溫度變化的靈敏度，減小熱阻值。另外，還要優(yōu)化激光器封裝結(jié)構(gòu)和封裝工藝，采用具有良好主動或被動制冷的熱沉和散熱結(jié)構(gòu)，減小封裝工藝帶來的熱阻。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并制備了低閾值小功率852 nm半導(dǎo)體激光器，其在室溫下的閾值電流達(dá)到57.5 mA，輸出光譜線寬小于1 nm。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了溫度特性研究，結(jié)果表明：當(dāng)溫度變化范圍為293～328 K時(shí)，激光器閾值電流從56.7 mA增加到72.4 mA，變化速率為0.447 mA/K；輸出的光功率從107.13 mW降低到85.09 mW，功率下降速率為0.63 mW/K。計(jì)算得出在298 K溫度條件下的理想因子為2.11，串聯(lián)電阻值為2.28 Ω。在相同的電流注入情況下，輸出的中心波長隨著溫度的漂移速度是0.249 29 nm/K，與實(shí)驗(yàn)得出 的結(jié)果基本一致。在293～303 K的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體激光器各參數(shù)保持正常。

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廖翌如(1992-)，女，江西贛州人，碩士研究生，2014年于贛南師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體激光器方面的研究。

E-mail: liaoyiru@emails.bjut.edu.cn

關(guān)寶璐(1980-)，男，遼寧沈陽人，博士，副教授，2008年于北京工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體激光發(fā)光器件和光電子材料方面的研究。

E-mail: gbl@bjut.edu.cn

李建軍(1966-)，男，河北張家口人，博士，教授，2001年于北京工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體材料和光電子器件方面的研究。

E-mail: lijianjun@bjut.edu.cn

Thermal Characteristics of The Low Threshold 852 nm Semiconductor Lasers

LIAO Yi-ru, GUAN Bao-lu*, LI Jian-jun*, LIU Chu, MI Guo-xin, XU Chen

(KeyLaboratoryofOpto-ElectronicsTechnology,MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China))

852 nm semiconductor laser was manufactured by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and semiconductor subsequent technology. The threshold current of this laser was 57.5 mA, output spectral line width was less than 1 nm at room temperature. The impact of temperature on output optical power, threshold current, voltage, output centre wavelength was analyzed. When the temperature changes from 293 to 328 K, the characteristic temperature is 142.25 K, and the rates of the threshold current change and output light power are 0.447 mA/K and 0.63 mW/K, respectively. Ideal factornis calculated to be 2.11, while the laser thermal resistance is calculated to be 77.7 K/W. The calculated center wavelength drift rate is 0.249 29 nm/K, corresponding well to the measured value in the experiment. Experimental results demonstrate that the relevant parameters of this laser are stable with the temperature ranging from 293 to 303 K. However, a temperature device is needed if a higher working temperature is required.

852 nm semiconductor laser; temperature characteristic; threshold current; characteristics of the temperature

1000-7032(2017)03-0331-07

2016-09-13；

2016-10-21

半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化技術(shù)基金(YXBGD20151JL01)； 國家自然科學(xué)基金(61575008,60908012,61376049,61076044,61107026,61204011)； 北京市自然科學(xué)基金(4132006,4102003,4112006)； 北京市教育委員會基礎(chǔ)技術(shù)研究基金(KM201210005004)資助項(xiàng)目 Supported by Semiconductor Laser Industrialization Technology Fund(YXBGD20151JL01); National Natural Science Foundation of China(61575008,60908012,61376049,61076044,61107026,61204011); National Natural Science Foundation of Beijing city(4132006,4102003,4112006);Foundation Technology Research Fund of Beijing Municipal Education Commission(KM201210005004)

TN248.4

A

10.3788/fgxb20173803.0331

*CorrespondingAuthors,E-mail:gbl@bjut.edu.cn;lijianjun@bjut.edu.cn