半導(dǎo)體激光器輸出功率影響因素的研究進(jìn)展

黃佳瑤，尚 林，馬淑芳，張 帥，劉青明，侯艷艷，孔慶波，許并社,2

(1.陜西科技大學(xué) 材料原子·分子科學(xué)研究所，陜西 西安 710021)(2.太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

1 前 言

半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著輸出功率的不斷提高，半導(dǎo)體激光器在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)固體激光器和氣體激光器的主導(dǎo)地位。大功率半導(dǎo)體激光器是大多數(shù)高性能激光系統(tǒng)的泵浦源，其光電轉(zhuǎn)換效率較高、易于制造。以大功率半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的工業(yè)和軍事應(yīng)用在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)、激光通信、激光醫(yī)療、激光顯示、自動(dòng)化控制及軍事國防裝備等方面[1]。

近年來，通過不斷提高光電轉(zhuǎn)換效率，半導(dǎo)體激光器的輸出功率越來越高。然而，仍存在許多潛在的物理機(jī)制限制了半導(dǎo)體激光器的最大輸出功率。例如，由于災(zāi)難性的光學(xué)反射鏡損壞，設(shè)備可能會(huì)在材料缺陷處[2]或前腔面處[3]發(fā)生故障；例如，在高注入電流下，許多學(xué)者都觀察到功率飽和、熱翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象[4-9]。早期文獻(xiàn)中提到限制半導(dǎo)體激光器輸出功率的因素包括：① 在高注入電流下，空穴遷移率較低導(dǎo)致的有源區(qū)下方電子的泄漏[6]；② P型波導(dǎo)層中載流子的積累與重新復(fù)合[7]；③ 量子阱內(nèi)載流子捕獲速率與受激復(fù)合速率不平衡導(dǎo)致的增益壓縮效應(yīng)[8]；④ 縱向燒孔效應(yīng)[9]；⑤ 雙光子吸收效應(yīng)；⑥ 側(cè)向反波導(dǎo)效應(yīng)[10]?；诖耍疚目偨Y(jié)了影響大功率半導(dǎo)體激光器輸出功率的主要因素及其研究進(jìn)展，以期為優(yōu)化激光器外延生長技術(shù)和芯片結(jié)構(gòu)、改進(jìn)材料生長質(zhì)量以及提高激光器輸出功率提供參考。

2 限制輸出功率的因素

2.1 腔面災(zāi)變效應(yīng)

腔面災(zāi)變(catastrophic optical damage, COD)效應(yīng)是限制半導(dǎo)體激光器輸出功率的最重要問題，它會(huì)導(dǎo)致激光器輸出功率大幅或全部損失。早在1973年，Eliseev就將COD效應(yīng)描述為微爆炸[11]；1979年，Henry等[12]發(fā)表了一篇關(guān)于造成COD根本原因的文章；Waters[13]詳細(xì)闡述了COD效應(yīng)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器失效的過程，這些早期研究中提出的大多數(shù)觀點(diǎn)現(xiàn)在仍然被很多學(xué)者引用。

COD效應(yīng)最初是由于是環(huán)境氣氛對半導(dǎo)體激光器芯片腔面的影響，產(chǎn)生了表面界面態(tài)，形成深能級復(fù)合中心，從而造成了半導(dǎo)體材料的氧化。激光器受激輻射產(chǎn)生電子空穴對后，這些電子空穴對在前腔面深能級復(fù)合中心以非輻射方式重新復(fù)合，使前腔面產(chǎn)生熱量，從而減小了出光面帶隙。出光面帶隙的減小引起腔面更強(qiáng)的光吸收，這就形成了一個(gè)正反饋回路。半導(dǎo)體激光器大功率輸出時(shí)，上述正反饋效應(yīng)使得腔面升溫加快，導(dǎo)致腔面有源區(qū)材料熔融并產(chǎn)生COD效應(yīng)，最終造成器件失效。COD效應(yīng)的產(chǎn)生嚴(yán)重制約了半導(dǎo)體激光器的大功率工作。為了得到輸出特性更好、穩(wěn)定性更高的半導(dǎo)體激光器，COD問題成為科研人員研究的熱門課題。

2013年，北京工業(yè)大學(xué)Qiao等[14]對大功率AlGaAs/GaAs激光器的COD瞬態(tài)熱特性進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，COD發(fā)生后在前腔面上觀察到兩個(gè)熔點(diǎn)(圖1)，其位置與熱成像的熱閃位置完全匹配，此時(shí)前腔面溫度也升高了305 ℃，這是由于電子空穴對的非輻射復(fù)合增強(qiáng)，更多的電能轉(zhuǎn)化為熱能。因此，瞬態(tài)熱特性對COD的發(fā)生有重要影響，抑制芯片過高的瞬態(tài)溫度是防止COD發(fā)生的重要途徑。

圖1 COD發(fā)生后在出光面觀察到的兩個(gè)熔點(diǎn)[14]Fig.1 Two melting spots observed on the output facet after COD occurred[14]

2015年，Leonh?user等[15]發(fā)現(xiàn)增加前腔面反射率會(huì)削弱光反饋對光的近場模式和發(fā)射光譜的影響，從而降低半導(dǎo)體激光器發(fā)生COD的風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，前腔面反射率的增加使得近場光場分布更加均勻，且外部光反饋對近場模式的影響會(huì)顯著減小。這也意味著增加前腔面反射率有助于避免COD的發(fā)生。

2016年，美國通快公司提出用聲子彈跳模型來分析COD效應(yīng)的傳播動(dòng)力學(xué)過程[16]。研究發(fā)現(xiàn)，聲子彈跳模型的預(yù)測結(jié)果與所觀察到的衍射模式一致：COD發(fā)生后，熔融的半導(dǎo)體材料從邊緣冷卻到中心并在中間留下一個(gè)狹窄的通道，這樣透射聲子就會(huì)在其中衍射。此外，通快公司還用該模型對COD的起源和傳播速度、功率密度下降時(shí)COD連續(xù)相的演化、低階橫向激光模式的形成、界面橫向模式的重新分布以及表征微觀結(jié)構(gòu)的衍射圖進(jìn)行了綜合解釋，這為研發(fā)大功率半導(dǎo)體光電器件開辟了新途徑。

2018年，Rauch等[17]研究了950 nm寬波導(dǎo)激光器中由光學(xué)反饋和電注入失調(diào)造成的光學(xué)災(zāi)變。通過對反饋點(diǎn)的定位(圖2)，使反饋點(diǎn)覆蓋P側(cè)高摻雜層，從而最大限度地降低了發(fā)生COD的閾值。結(jié)果表明，由于光反饋在激光器前腔面附近的吸收具有很強(qiáng)的局域性，所以產(chǎn)生了低的損傷閾值。

COD效應(yīng)是限制激光器輸出功率的最重要機(jī)制。近幾年的研究表明，COD是一個(gè)快速(在1 ns內(nèi)可產(chǎn)生宏觀缺陷)、不可逆的缺陷生成過程，且激光又為COD缺陷的生長提供了能量。因此，這種缺陷產(chǎn)生機(jī)制對于大功率半導(dǎo)體器件來說尤為突出。弄清COD產(chǎn)生的過程及物理機(jī)理的同時(shí)，防止或抑制COD的發(fā)生，從而進(jìn)一步提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率。

圖2 COD發(fā)生后器件產(chǎn)生的兩種失效模式[17]：(a)器件失效，(b)腔面失效Fig.2 Two damage patterns of devices after COD occurred[17]: (a) device damage, (b)cavity damage

2.2 功率飽和機(jī)制

大功率半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)往往采用寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)層厚度為微米級。由于波導(dǎo)模式與高摻雜P型波導(dǎo)層重疊減少，從而減小了激光器內(nèi)部光學(xué)損耗。然而，在非常高的電流密度下，激光器卻出現(xiàn)了功率飽和及熱翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這是由于與薄的有源層相比，波導(dǎo)層占比很大，使得光限制因子減小，造成功率飽和，從而限制了這類激光器的輸出功率。研究發(fā)現(xiàn)，造成激光器輸出功率飽和的物理機(jī)制主要有兩種，一是有源區(qū)載流子泄漏至波導(dǎo)層造成載流子的積累[8, 18]；二是雙光子吸收效應(yīng)[19-22]。

2.2.1 載流子的泄漏

在高注入電流下，半導(dǎo)體激光器有源區(qū)中的載流子泄漏至波導(dǎo)層，導(dǎo)致波導(dǎo)層中載流子的積累。這是因?yàn)楫?dāng)注入電流很高時(shí)，激光器內(nèi)部有源區(qū)溫度升高，熱電子發(fā)射增強(qiáng)，造成了載流子逃逸。波導(dǎo)層中載流子重新復(fù)合以及自由載流子的吸收與散射都造成了半導(dǎo)體激光器損耗的增加和輸出功率的降低。

2008年，德國Ferdinand-Braun研究所Pietrzak等[23]研究發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增加，半導(dǎo)體激光器的輸出功率逐漸減小。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這不是一種熱效應(yīng)，因?yàn)榧す馄鞯陌l(fā)射波長并沒有增加。在高注入電流下，量子阱的勢壘相對較小，載流子從量子阱中逃逸并在波導(dǎo)層中積累，這些逃逸的載流子在波導(dǎo)層處重新復(fù)合，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的輸出功率降低。

2012年，Avrutin等[24]研究了由于波導(dǎo)層中載流子積累引起的半導(dǎo)體激光器輸出功率下降的問題。研究發(fā)現(xiàn)，窄的非對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)既可以使激光器實(shí)現(xiàn)低內(nèi)損耗和基模工作，又不會(huì)引起其輸出功率的下降。這是因?yàn)樵谡姆菍ΨQ波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，波導(dǎo)層較薄，光限制因子高。故在高注入電流下，相對于寬波導(dǎo)激光器，窄波導(dǎo)激光器的光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢更為突出，甚至其輸出功率可能得到提高。

2017年，德國Ferdinand-Braun研究所Klehr等[25]研究了脈沖電流下808 nm脊波導(dǎo)激光器的光電特性。注入脈沖電流時(shí)，激光器中部分載流子沒有在有源區(qū)重新復(fù)合，而是在脊波導(dǎo)層中積累；在脈沖電流結(jié)束時(shí)，電子回流并產(chǎn)生反向電流。研究發(fā)現(xiàn)，低量子效率是由垂直和橫向載流子泄漏引起的，如圖3所示。也就是說，波導(dǎo)層中電子的積累以及反向電流的產(chǎn)生造成了載流子的泄漏，降低了量子效率。

波導(dǎo)層中載流子的積累造成了載流子在波導(dǎo)層中重新復(fù)合和自由載流子的吸收與散射，增加了激光器的內(nèi)損耗，導(dǎo)致其輸出功率飽和。另外，在高注入電流下，電流也會(huì)提供載流子，這也可能是造成激光器在高電流下輸出功率下降的原因。關(guān)于波導(dǎo)層中載流子的積累，有研究表明[7, 24]，使用窄的非對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以避免這種情況的產(chǎn)生。但是，寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以提高COD損傷閾值，故針對具體的激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要權(quán)衡考慮各個(gè)要素，使激光器各方面性能盡可能達(dá)到最優(yōu)。

2.2.2 雙光子吸收效應(yīng)

雙光子吸收效應(yīng)是由自由載流子在波導(dǎo)層的吸收引起的，其中最主要的是由雙光子吸收生成的空穴所引起的價(jià)帶吸收。與其它機(jī)制不同，雙光子吸收是半導(dǎo)體材料中的一個(gè)基本過程，是不可避免的，只能通過降低半導(dǎo)體材料中的光通量改善。

2014年，Dogan等[26]研究了半導(dǎo)體激光器的雙光子吸收效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，雙光子吸收是一個(gè)非線性過程，它限制了半導(dǎo)體激光器中光子的有效提取，而光子的有效提取隨光通量的增加呈非線性增長。因此，設(shè)計(jì)大功率半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)要求增加光模式大小來減少光通量，且不影響其他關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)果表明，耦合光波導(dǎo)激光器光束的發(fā)散度較小，輸出光斑為近圓形，光斑直徑約為4 μm且快軸方向模式尺寸大，減小了輸出端面的光功率密度，也降低了COD的發(fā)生概率。

2016年，Avrutin等[27]從理論上分析了半導(dǎo)體激光器橫向結(jié)構(gòu)對雙光子吸收的影響。研究表明，雙光子吸收會(huì)產(chǎn)生兩種顯著的作用：直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。在對稱波導(dǎo)激光器中，雙光子吸收的影響主要表現(xiàn)在雙光子吸收產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散以及其被有源區(qū)捕獲。這種雙光子吸收的直接效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致載流子被耗盡，此時(shí)，直接效應(yīng)成為限制激光器功率輸出的主要因素。但是，對于有源層位置向P型波導(dǎo)層嚴(yán)重偏移的情況，即非對稱寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，雙光子吸收產(chǎn)生的載流子引起了自由載流子的吸收，此時(shí)，間接效應(yīng)成為限制激光器功率輸出的主要機(jī)制。因此，在優(yōu)化半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮雙光子的影響，又要考慮擴(kuò)散電流引起波導(dǎo)層中載流子不均勻積累的影響。

圖3 脈沖電流對脊波導(dǎo)激光器電流密度、模式分布和非受激復(fù)合速率R的影響(R根據(jù)右邊的對數(shù)刻度用顏色來表征；每幅圖中兩條白線分別代表80%和1%的光強(qiáng)輪廓線；箭頭表示電子(紫色)和空穴(黑色)的流動(dòng)密度)[25]Fig.3 Effect of pulse current on calculated current densities, mode profiles and non-stimulated recombination rates R of ridge-waveguide lasers (R is color coded according to the logarithmic scale on the right-hand side; two white lines in each panel representing 80% and 1% contours of the optical intensity; arrows representing the particle flow densities of electrons (purple) and holes(black))[25]

2017～2018年，Ryvkin等[28-29]發(fā)現(xiàn)，在重?fù)诫sN型波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)中，可以通過減小空穴的價(jià)帶吸收減小波導(dǎo)層中的熱積累，抑制半導(dǎo)體激光器在高溫下的光損耗，從而提高激光器的輸出功率。該模型包括電流注入和雙光子吸收效應(yīng)產(chǎn)生的空穴所引起的價(jià)帶吸收效應(yīng)，以及雙光子吸收的直接效應(yīng)。結(jié)果表明，與相同結(jié)構(gòu)下弱摻雜N型波導(dǎo)層相比，重?fù)诫sN型波導(dǎo)層產(chǎn)生的損耗要小得多。因此，重?fù)诫s波導(dǎo)激光器具有較高的輸出功率和光電轉(zhuǎn)換效率。

雙光子吸收和載流子泄漏共同造成了半導(dǎo)體激光器的功率飽和，但可以通過重?fù)诫sN型波導(dǎo)層來減弱這種效應(yīng)，提高激光器的輸出功率，如圖4所示[28]。

2.3 縱向空間燒孔效應(yīng)

半導(dǎo)體激光器的前后端面通常要鍍一個(gè)高反射膜和一個(gè)低反射膜，以最大限度地實(shí)現(xiàn)激光器的大功率輸出。因此，激光內(nèi)部光強(qiáng)的縱剖面是高度不對稱的，從而導(dǎo)致脊波導(dǎo)方向載流子密度的不均勻分布。這些空間不均勻性形成了載流子的縱向空間燒孔效應(yīng)，且其與腔長有關(guān)，腔長越長，縱向空間燒孔效應(yīng)越明顯。這不僅降低了高電流注入下激光器的光學(xué)增益和輸出功率，也影響了激光器的非線性和穩(wěn)定性。研究人員對邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器縱向空間燒孔效應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行了深入研究[30-36]，通過了解載流子空間分布機(jī)理，優(yōu)化激光器結(jié)構(gòu)，使激光器非線性效應(yīng)最小化，從而提高激光器性能[33]。

圖4 不同摻雜水平下，N型波導(dǎo)層中由雙光子吸收引起的非平衡載流子的內(nèi)吸收與輸出功率的關(guān)系(line 1-1×1016 cm-3，line 2-1×1018 cm-3，line 3-2×1018 cm-3，line 4-3×1018 cm-3)[28]Fig.4 Power dependence of the internal absorption due to nonequilibrium carriers induced by two-photon absorption with different doping levels in N-optical confinement layer of 1×1016 cm-3(line 1), 1×1018 cm-3(line 2), 2×1018 cm-3(line 3), 3×1018 cm-3 (line 4)[28]

2011年，英國約克大學(xué)Ryvkin和Avrutin[31]針對邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器提出了一種光子和載流子密度縱向分布的物理模型，分析了載流子對激光器輸出功率的影響。只有當(dāng)前腔面反射率極小時(shí)，縱向空間燒孔效應(yīng)才會(huì)對激光器的輸出功率產(chǎn)生直接影響，這是由于空間載流子的不均勻分布導(dǎo)致有源區(qū)載流子泄漏，從而使激光器輸出功率降低。

2014年，美國羅斯-霍曼理工學(xué)院Hao等[37]建立了一個(gè)自洽模型來計(jì)算半導(dǎo)體激光器的縱向光子密度分布、載流子密度分布和增益分布情況。分析了不同參數(shù)對縱向空間燒孔效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，較大的注入電流、較長的腔長和較短的發(fā)光波長會(huì)加劇縱向空間燒孔效應(yīng)。該研究還證明，腔長超過2毫米時(shí)縱向空間燒孔效應(yīng)會(huì)影響激光器的最大輸出功率。該研究對優(yōu)化半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

2017年，Rauch等[38]從理論上論證了熱誘導(dǎo)的折射率在橫向和縱向上的變化，不僅會(huì)導(dǎo)致前腔面近場光斑的收縮，還會(huì)導(dǎo)致后腔面近場光斑的擴(kuò)大。然而，單一的橫向自熱引起的折射率變化(通常稱為熱透鏡效應(yīng))不會(huì)導(dǎo)致近場光斑的收縮。因此，為防止前腔面近場光斑的收縮，在縱向保證器件溫度的均勻性是有必要的。

2019年，Avrutin和Ryvkin[39]研究了縱向空間燒孔效應(yīng)對前后腔面反射率高度不對稱的諧振腔半導(dǎo)體激光器性能的影響，并分析了其對載流子非輻射復(fù)合的影響。結(jié)果表明，在低注入電流下，縱向空間燒孔效應(yīng)增加了非輻射復(fù)合電流，對輸出功率影響不大；但在高注入電流下，縱向空間燒孔效應(yīng)顯著影響激光器的輸出功率。該研究利用縱向空間燒孔影響因子修正了輸出功率函數(shù)表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)縱向空間燒孔效應(yīng)可以用輸出損耗與總損耗之比來估計(jì)。在內(nèi)部損耗遠(yuǎn)小于耦合損耗的前提下，得到了高度不對稱諧振腔中出光面反射率和縱向空間燒孔影響因子的函數(shù)表達(dá)式，分析估算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致,如圖5所示。

由于縱向空間燒孔效應(yīng)限制了前腔面反射率的大小和腔長，通過實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算研究縱向空間燒孔效應(yīng)對激光器輸出功率和光電轉(zhuǎn)換效率的影響，這為大功率半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)提供新的思路。

圖5 不同腔長和內(nèi)部吸收下，縱向空間燒孔因子(LSHB)與出光面反射率的關(guān)系(圖中實(shí)線為分析結(jié)果，虛線為數(shù)值模擬結(jié)果)[39]Fig.5 With different cavity lengths and internal absorptions,longitudinal spatial hole burning(LSHB) factor as a function of the output facet reflectance (the solid line representing analytical results and dashed line representing numerical results)[39]

3 提高輸出功率的方法

半導(dǎo)體激光器的最大輸出功率受COD的限制，因此對腔面處理技術(shù)的研究意義重大。2013年，劍橋大學(xué)Guo等利用密度泛函理論對氮鈍化GaAs/Al2O3界面進(jìn)行模擬[40]，發(fā)現(xiàn)氮有很好的GaAs表面鈍化潛力。2015年，Arab等[41]使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備選擇性生長了GaAs納米結(jié)構(gòu)，隨后采用異質(zhì)外延生長了AlGaAs層進(jìn)行表面保護(hù)。2017年，長春理工大學(xué)許留洋等[42]利用射頻等離子法對GaAs半導(dǎo)體表面進(jìn)行了S-N混合等離子體鈍化實(shí)驗(yàn)。光致發(fā)光(PL)測試結(jié)果表明，經(jīng)過S-N混合等離子體鈍化的GaAs樣品的PL強(qiáng)度提高了135%。2019年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王鑫等[43]開發(fā)了一種單管芯半導(dǎo)體激光器腔面真空解理鈍化工藝，這是一種在真空中解理并直接對半導(dǎo)體激光器腔面蒸鍍鈍化膜的方法。該研究采用ZnSe材料作為鈍化膜材料，使制備的器件的輸出功率提高了23%。

載流子在波導(dǎo)層中的積累及雙光子吸收均造成了半導(dǎo)體激光器輸出功率的飽和，嚴(yán)重影響了激光器的性能。2014年，德國Ferdinand-Braun研究所Hasler等[44]研究了一種極端雙不對稱結(jié)構(gòu)(EDAS)激光器，該結(jié)構(gòu)減輕了P型波導(dǎo)層中載流子積累的影響，輸出功率較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的激光器得到了提高。2015年，Yamagata等[45]研究發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的功率飽和與有源區(qū)溫度、熱透鏡均有關(guān)系，通過減小激光器電壓、增大脊條寬度可實(shí)現(xiàn)激光器的大功率、高效率輸出。2018年，俄羅斯圣彼得堡學(xué)術(shù)大學(xué)Zhukov等[46]研發(fā)了一種耦合大光腔結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射量子阱激光器。這種結(jié)構(gòu)的激光器可以抑制橫向模式的產(chǎn)生且具有較低的內(nèi)部損耗，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其內(nèi)部損耗低至0.4 cm-1，達(dá)到了最優(yōu)結(jié)果。2018年，Wilkens等[47]研究了EDAS激光器，發(fā)現(xiàn)該類型激光器具有較好的光束質(zhì)量，且內(nèi)損耗低、單模特性好，在波分復(fù)用系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用。

縱向空間燒孔效應(yīng)和腔長有關(guān)，腔長越長，縱向空間燒孔效應(yīng)越明顯。2012年，Chen等[48]設(shè)計(jì)了一種縱向圖案化的電接觸結(jié)構(gòu)，有效緩解了激光器的縱向空間燒孔效應(yīng)。2015年，Yamagata等[45]研究了915 nm的大功率非對稱非耦合限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(ADCH)激光器。通過優(yōu)化有源區(qū)的限制因子以及N型波導(dǎo)層和P型波導(dǎo)層的比例，減小了4和6 mm長腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損耗，提高了激光器的輸出功率和光電轉(zhuǎn)換效率。2015年，Demir等[49]在長腔器件中，采用開腔結(jié)構(gòu)來提高載流子密度和光子密度的均勻性，緩解了縱向空間燒孔效應(yīng)，獲得了更高輸出功率和光電轉(zhuǎn)換效率的激光器。該研究還對比了標(biāo)準(zhǔn)腔結(jié)構(gòu)和開腔結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器[50]，與標(biāo)準(zhǔn)腔結(jié)構(gòu)相比，開腔結(jié)構(gòu)激光器具有更均勻的縱向增益和腔內(nèi)光強(qiáng)。因此，開腔結(jié)構(gòu)激光器具有較低的由線性和非線性效應(yīng)引起的功率損失。

4 結(jié) 語

大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展程度代表著光電子產(chǎn)業(yè)的最高水平，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展到日常生活的方方面面，受到世界各國的高度重視。因此，關(guān)于大功率半導(dǎo)體激光器輸出功率的研究也越來越多，本文總結(jié)了限制輸出功率的幾個(gè)主要因素，主要包括：COD效應(yīng)、載流子泄漏效應(yīng)、雙光子吸收效應(yīng)以及縱向空間燒孔效應(yīng)，研究和理解這幾種物理機(jī)制對提高大功率半導(dǎo)體激光器輸出功率具有重要的指導(dǎo)意義。

通過分析上述4種限制輸出功率的因素，未來可以從以下幾個(gè)方面來減弱甚至消除它們對激光器輸出功率的影響：① 改進(jìn)半導(dǎo)體激光器的芯片外延技術(shù)，改善材料的生長質(zhì)量，減少材料內(nèi)部缺陷及損耗；② 優(yōu)化半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，緩解載流子泄漏、縱向空間燒孔效應(yīng)等問題；③ 優(yōu)化器件工藝。采用腔面處理技術(shù)[51-52]、腔面鈍化工藝等方法提高COD損傷閾值。此外，通過大通道熱沉、微通道熱沉等工藝增加激光器芯片的散熱，解決由激光器有源區(qū)熱積累引起的器件結(jié)溫升高[53-54]而導(dǎo)致性能和可靠性下降的問題，進(jìn)一步提高大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率。