高可靠性無鋁有源層808 nm半導體激光器泵浦源

劉 鵬，朱 振，陳 康，王榮堃，夏 偉,3，徐現(xiàn)剛,

(1.山東大學，新一代半導體材料研究院，晶體材料國家重點實驗室，濟南 250100；2.山東華光光電子股份有限公司，濟南 250101； 3.濟南大學物理科學與技術學院，濟南 250022)

0 引 言

半導體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、效率高及易于集成等優(yōu)點，在工業(yè)加工、智能傳感、醫(yī)養(yǎng)健康及固體和光纖激光器泵浦源等方面有著重要應用。其中808 nm半導體激光器是Nd摻雜YAG固體激光器的理想泵浦源，被廣泛用于精細加工、雷達測距等領域[1-2]。除了激光器的功率和效率，可靠性是實際應用中最為關注的性能。隨著激光器輸出功率越來越高，災變性光學損傷(COD)成為影響半導體激光器可靠性及壽命的關鍵因素。這和激光器的材料生長和腔面處理有直接關系。由于AlGaAs材料生長工藝比較成熟，目前808 nm激光器大部分使用AlGaInAs/AlGaAs作為有源層。但是含鋁材料不穩(wěn)定，極易氧化形成缺陷并在材料內(nèi)部延伸造成器件失效。國際上，大功率808 nm激光器一般都在腔面做特殊處理來控制缺陷的產(chǎn)生或延伸，如美國II VI公司的E2工藝[3]，德國FBH研究所的H離子清洗工藝[4]。但特殊處理會帶來復雜的工藝問題，降低良率，給808 nm激光器的批量化生產(chǎn)增加難度。

本文通過量產(chǎn)型金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)設備生長了InGaAsP/GaInP結構的808 nm半導體激光器。由于有源區(qū)不含活潑性的鋁元素，材料生長及腔面處理的工藝窗口較大，激光器的性能更加穩(wěn)定和可靠。在15 A電流加速老化下，激光器工作4 200 h未出現(xiàn)功率衰減及COD現(xiàn)象，10 W工作壽命推測在40 000 h以上。

本文是繼承和發(fā)揚了蔣民華院士“為晶體提供泵源”的指導思想，不忘初心，通過各單位多年持久的產(chǎn)學研緊密結合，堅持創(chuàng)新，在山東華光光電子股份有限公司實現(xiàn)了規(guī)?；慨a(chǎn)，滿足了市場需求。同時開發(fā)了630～1 100 nm波段的多種半導體激光器泵浦源，其中808 nm激光器由于具有優(yōu)異的性能，是產(chǎn)業(yè)化較為成功的泵源之一。

1 實 驗

1.1 激光器結構

如上所述，無鋁結構的激光器在抑制體材料缺陷及提高腔面光學損傷方面有很多優(yōu)勢，但和傳統(tǒng)的AlGaAs材料相比，InGaAsP/GaInP材料也有一些短板。根據(jù)JDSU的研究[5]，GaInP材料的熱導率是0.08 W/(cm·K)，為Al0.25Ga0.75As材料的一半，而其相同摻雜濃度下的電導率也要低于AlGaAs材料，這會影響激光器的高功率和高轉換效率輸出。在激光器外延結構設計上采用雙非對稱結構，如表1所示，P側GaInP波導層的厚度要小于N側GaInP波導層的厚度，P型AlGaInP限制層的Al組分要高于N型AlGaInP限制層的Al組分。這不僅使光場偏向N區(qū)，降低空穴對光子的吸收，同時還能縮減P側的外延層厚度，降低P區(qū)外延層的熱阻及電阻。GaInP波導層中間為一層8 nm厚度的InGaAsP單量子阱。InGaAsP材料可以通過調(diào)節(jié)III族及V族原子的組分實現(xiàn)量子阱的壓縮和伸張應變，進而得到不同的激光偏振模式。為獲得更低的閾值電流密度，可以使用壓應變的InGaAsP量子阱。

表1 808 nm激光器的外延結構Table 1 Epitaxial structure of 808 nm laser diode

為滿足激光器耦合進入400 μm芯徑的光纖的需求，激光器發(fā)光區(qū)的寬度設計為390 μm，周期為750 μm，腔長為2 mm。

1.2 激光器制備

外延材料生長使用量產(chǎn)型 MOCVD系統(tǒng)。襯底為偏向<111>A方向15°的GaAs(100)晶面，可以有效抑制GaInP材料的有序結構，增加材料生長窗口。III族有機源采用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和三甲基銦(TMIn)，V族源材料為砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)，N型摻雜為Si，P型摻雜為Mg。外延層生長過程的溫度控制在600～700 ℃，反應室壓力為104Pa。量子阱是整個激光器結構的核心，其生長質(zhì)量決定了激光器的性能。InGaAsP為四元材料，且AsH3和PH3在不同生長條件下的分配系數(shù)差別較大，需要對量子阱的生長方式進行特殊設計。如圖1所示，通過優(yōu)化量子阱及兩側界面的生長溫度及氣流切換方式，得到界面陡峭的InGaAsP量子阱。外延層的結晶質(zhì)量和表面狀態(tài)也會影響激光器的性能參數(shù)。圖2是經(jīng)過優(yōu)化后的單層GaInP的原子力顯微鏡(AFM)照片，可以看到外延層的表面非常平整，粗糙度Ra僅為0.13 nm，很接近外延生長前的GaAs襯底表面。

圖1 GaInP/InGaAsP量子阱的TEM照片F(xiàn)ig.1 TEM image of GaInP/InGaAsP quantum well

圖2 GaInP外延層的AFM照片F(xiàn)ig.2 AFM image of GaInP epitaxial layer

外延片生長完成以后進行芯片工藝的制作。使用濕法腐蝕工藝形成390 μm的寬條，并在寬條兩側覆蓋SiO2絕緣膜，形成電流注入?yún)^(qū)。P面金屬電極為Ti/Pt/Au，N面金屬電極為Ge/Ni/Au。解理成2 mm腔長的巴條，使用電子束蒸發(fā)設備在前后腔面分別蒸鍍5%的增透膜及98%的高反膜。解離成管芯，P面朝下燒結于AlN陶瓷材料的AuSn熱沉上。

2 結果與討論

為驗證設計的外延結構及生長的材料質(zhì)量，測試并計算了芯片的內(nèi)量子效率和腔內(nèi)損耗。將工藝晶片分別解理成1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm四種腔長的巴條，在未鍍膜的條件下，利用脈沖電流分別測試它們的斜率效率和閾值電流，然后通過數(shù)值擬合，得到圖3和4的曲線。通過計算得到芯片的內(nèi)量子效率ηi為97%，光吸收損耗系數(shù)αi為1.1 cm-1，透明電流密度Jtr為96 A·cm-2，模式增益系數(shù)ΓG0為15 cm-1。這個結果同德國Jenoptik公司及FBH研究所報道的808 nm激光器結果是接近的[6-7]。

圖3 外微分量子效率和腔長的擬合曲線Fig.3 Curve of external differential efficiency and cavity length

圖4 閾值電流密度和腔長的擬合曲線Fig.4 Curve of threshold current density and cavity length

圖5為封裝后的808 nm激光器在25 ℃條件下的功率-電流-電壓曲線。從圖中可以看出，激光器的閾值電流為1.5 A，對應的閾值電流密度為192 A·cm-2。激光器的斜率效率為1.26 W/A，對應的外量子效率為82%。在10 A電流下，激光器的輸出功率達到了10.5 W，電壓1.82 V，轉換效率為58%。

圖6為熱沉溫度分別是25 ℃、35 ℃、45 ℃及55 ℃下的功率及電壓曲線。隨著溫度增加，激光器的載流子溢出變得嚴重，閾值電流會增加，斜率效率會下降。由于P型限制層使用了高帶隙的AlGaInP材料，高溫下可以很好地將載流子限制在有源區(qū)內(nèi)，激光器在55 ℃及10 A電流下的輸出功率仍達到了9.3 W，具有較好的溫度特性。

圖7是激光器在10 A電流下測試的光譜曲線。其峰值波長為807.9 nm，光譜的半高寬(FWHM)為1.7 nm。圖8是激光器的遠場特性測試。激光器工作時的水平發(fā)散角為9°，垂直發(fā)散角為31°。

圖5 808 nm LD的功率-電流-電壓曲線Fig.5 Power-current-voltage curves of 808 nm LD

圖6 不同溫度下的808 nm LD功率曲線Fig.6 Power curves of 808 nm LD at different temperatures

圖7 808 nm LD的光譜曲線Fig.7 Optical spectrum of 808 nm LD

圖8 808 nm LD的遠場發(fā)散角Fig.8 Far field angle of 808 nm LD

圖9 CW及QCW大電流測試下的功率曲線Fig.9 Power curves at high current CW and QCW testing

圖10 激光器加速老化曲線Fig.10 Accelerated aging curves of the laser

808 nm的大功率激光器一般在工業(yè)及特種行業(yè)中作為泵浦源使用，需要具有高的可靠性。由于大功率激光器的主要失效模式為COD造成的突然失效，其COD功率是影響激光器可靠性的重要因素。在實驗中，可以通過大電流測試考評激光器的COD水平。圖9為連續(xù)電流(CW)及準連續(xù)電流(QCW，脈寬1 ms，周期100 ms)模式測試下的激光器功率曲線圖。受限于測試電源的最大電流，激光器在CW 24.5 A下功率達到了23 W，在QCW 50 A下的功率達到了54 W，并且兩種測試方式均沒有COD產(chǎn)生，說明制作的808 nm激光器的腔面COD功率在54 W以上，具有高的抗腔面光學損傷特性。激光器的壽命和穩(wěn)定性可以通過提高電流或溫度的加速老化方式進行快速考評。由于808 nm激光器的主要失效原因是腔面COD，提高電流(功率)的加速方式更能反映808 nm激光器的可靠性水平。國內(nèi)外同行大部分使用12 A以內(nèi)的加速電流進行老化[6,8-9]，鑒于無鋁結構激光器在抗腔面光學損傷方面的優(yōu)勢，使用更高的15 A加速電流。圖10是10只808 nm激光器在15 A電流、水冷溫度25 ℃下的在線監(jiān)控老化曲線。經(jīng)過4 200 h的老化，激光器沒有出現(xiàn)功率衰減及突然失效現(xiàn)象。通過文獻所用的加速因子計算方法[10]，推算808 nm激光器在10 W下的壽命為40 000 h以上，12 W下的壽命也在20 000 h以上。

3 結 論

本文使用MOCVD方法生長了高質(zhì)量的InGaAsP/GaInP材料體系的激光器外延片，并制作了390 μm條寬及2 mm腔長的器件。室溫測試閾值電流為1.5 A，斜率效率1.26 W/A，10 A下的功率達到10.5 W，轉換效率為58%。CW電流測試最大功率為23 W@24.5 A，QCW電流測試最大功率為54 W@50 A。在15 A電流加速老化下，激光器工作4 200 h未出現(xiàn)功率衰減及COD現(xiàn)象，推算808 nm激光器在10 W下的壽命為40 000 h以上，12 W下的壽命在20 000 h以上。