高功率半導體激光列陣芯片測試表征與仿真優(yōu)化

杜宇琦，王貞福，張曉穎，楊國文，李 特，劉育銜，李 波，常奕棟，趙宇亮，蘭 宇

(1.中國科學院西安光學精密機械研究所 瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室, 陜西 西安 710119；2.中國科學院大學, 北京 100049； 3.陜西省計量科學研究院, 陜西 西安 710100)

1 引 言

半導體激光器由于體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長等優(yōu)點，在激光泵浦[1]、材料加工[2]、激光醫(yī)療[3]、激光雷達[4]和空間激光通信[5]等方面應用十分廣泛。其中，790～1 100 nm波段高功率半導體激光器發(fā)展比較成熟，一般采用InGaAs/AlGaAs/GaAs材料體系或InGaAs/GaAsP體系。InGaAs/GaAsP材料采用寬帶隙GaAsP作勢壘層可有效限制載流子泄漏，減小因載流子泄漏而造成的光學損耗[5]，但由于勢壘層GaAsP外延生長工藝復雜，容易引入缺陷，造成大量載流子的聚集，限制了器件效率提高[6]；InGaAs/AlGaAs/GaAs材料體系目前已經(jīng)開展了較為深入的研究，制備技術(shù)成熟[7]，有閾值電流密度低、調(diào)制及線寬特性改善等諸多優(yōu)點。由于在材料焊接、表面相變硬化、表面熔覆、空間通信[8]等高溫工作領域的應用，工作環(huán)境惡劣，激光器面臨著相對較高的環(huán)境溫度和工作溫度[9]，嚴重影響著半導體激光器的光電性能[10]。此外，溫度升高器件容易產(chǎn)生熱飽和(Thermal rollover)、腔面光學災變損傷(Catastrophic optical mirror damage，COMD)等物理現(xiàn)象，引起器件的性能退化甚至失效。因此，研究高功率半導體激光器在高溫下的輸出特性和變化規(guī)律，特別是高溫對電光轉(zhuǎn)換效率的影響機制，以此來提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率、減小廢熱產(chǎn)生成為國內(nèi)外研究的熱點領域之一。

2006年，Kanazawa等[11]研究了1.2 μm高溫工作的InGaAs/GaAs量子阱激光器的溫度特性，高應變InGaAs/GaAs脊形波導激光器的有源層由具有高度應變的InGaAs的3個量子阱組成，In占比32%，在連續(xù)驅(qū)動條件下，最高工作溫度達到200 ℃以上，溫度特性T0在30～80 ℃下為222 K，顯示出應變量子阱優(yōu)異的溫度特性；2009年，Crump等[12]報道了980 nm半導體激光器單管在短脈寬(500 ns，1 kHz)條件下，器件在15～125 ℃范圍內(nèi)斜率效率降低15%，且通過波導層中自發(fā)輻射的增強證實了載流子的泄漏；2020年，Hülsewede等[13]為提高半導體激光器工作溫度范圍，降低散熱冷卻成本，優(yōu)化芯片設計及熱沉結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了列陣器件在熱沉35 ℃條件下，芯片輸出功率仍在200 W以上，結(jié)溫不超過70 ℃。同樣，國內(nèi)對半導體激光器的溫度特性也做了大量研究。2012年，長春理工大學高功率半導體激光國家重點實驗室研究了1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半導體激光器列陣模塊的溫度特性，通過調(diào)試得到不同溫度條件下的最佳工作狀態(tài)，并提出引入應變降低閾值電流[14]；2016年，劉旭等[15]報道了高溫激光二極管抽運全固態(tài)激光器，滿足在-40～60 ℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，降低溫控系統(tǒng)的制冷壓力，有效實現(xiàn)了全固態(tài)激光器小型化和高效率；2017年，西安光機所研究了填充因子為30%的808 nm半導體激光器陣列在熱沉溫度為15 ℃時最高電光轉(zhuǎn)換效率達到71%[16]。

為進一步研究高功率半導體激光列陣的高溫特性工作機理，本文建立列陣芯片測試系統(tǒng)，分析15～60 ℃半導體激光芯片列陣的光電性能，通過計算特征溫度分析半導體激光芯片的熱穩(wěn)定性，從5種能量損耗路徑研究高溫下影響半導體激光芯片性能的主要因素，結(jié)合實驗結(jié)果，進行了半導體激光器結(jié)構(gòu)建模與仿真，針對載流子泄漏問題給出了外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計建議。

2 理論分析

半導體激光器的光輸出功率為

(1)

其中，ηd為外微分量子效率，h為普朗克常數(shù)，ν為光子頻率，I為工作電流，Ith為閾值電流，斜率效率ηd是表征半導體激光器光電性能的主要參數(shù)之一，可表示為

(2)

其中，ηi表示內(nèi)量子效率，αi為內(nèi)損耗，αm為腔面損耗，L為腔長，R1、R2分別為芯片前后腔面反射率。由公式(2)可知，對于確定腔長、腔面反射率的半導體激光器，斜率效率與內(nèi)量子效率ηi成正比，與內(nèi)損耗αi成反比。半導體激光器內(nèi)量子效率可表示為[17]：

ηi=ηlηνηr,

(3)

其中，ηl表示與側(cè)向擴展電流相聯(lián)系的注入效率，代表注入到有源區(qū)的電流與注入電流之比，對于寬波導半導體激光器，ηl約為1；ην表示注入到量子阱區(qū)的復合電流與注入到整個有源區(qū)的電流的比值；ηr表示注入到量子阱的電流中輻射復合占總復合電流(包括輻射復合和自發(fā)輻射復合)的比例，隨溫度的升高ηr基本保持恒定。由于ηl、ηr在不同溫度下基本保持恒定[17]，因此，ην是影響內(nèi)量子效率的主要因素，可表示為

(4)

其中，Istim為輻射復合電流，Ir為非輻射復合電流，Iν為漏電流。圖1為量子阱漏電流示意圖。圖2為15～60 ℃下InGaAs/GaAs量子阱自由電子濃度與15 ℃自由電子濃度的比值變化情況，可以看出，在15～60 ℃，量子阱自由電子濃度下降超過20%，漏電流大小與量子阱載流子濃度成反比。因此，漏電流隨溫度升高迅速增大，內(nèi)量子效率也會急劇減小，嚴重影響半導體激光器的穩(wěn)定性。為量化研究影響芯片穩(wěn)定性的主要因素，從實驗角度詳細分析了5種能量損耗分布及其隨溫度的變化趨勢。

圖1 半導體激光器漏電流示意圖

圖2 量子阱自由電子濃度在不同溫度下的歸一化分布

3 實驗系統(tǒng)及芯片測試

3.1 芯片結(jié)構(gòu)

半導體激光芯片外延結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng)(Metal-organic chemical vapour deposition，MOCVD)進行外延材料生長。在n-GaAs襯底(Si摻雜，2×1018cm-3)上依次生長N型GaAs緩沖層，摻雜濃度為2×1018cm-3，N型包層Al0.18Ga0.82As，摻雜濃度為1×1018cm-3；N型波導層Al0.1Ga0.9As，不摻雜；有源區(qū)為無摻雜的InGaAs/GaAs；P型波導層Al0.1Ga0.9As，不摻雜；P型包層Al0.48Ga0.52As，摻雜濃度為2×1018cm-3；P型蓋層GaAs,摻雜濃度為1×1019cm-3。

圖3 典型的半導體激光陣列芯片外延結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為半導體激光芯片列陣及具體結(jié)構(gòu)示意圖。本實驗采用標準的1 cm列陣，列陣芯片尺寸如下：腔長2 mm，寬度10 mm，厚度120 μm，P面電極200 μm，包含37個獨立發(fā)光點，填充因子75%。

圖4 半導體激光列陣芯片示意圖及結(jié)構(gòu)

3.2 實驗系統(tǒng)

我們獨立自主搭建了LIV100列陣測試系統(tǒng)，如圖5所示，芯片真空吸附在溫控載物臺上，電源卡采用U型銅箔提供脈寬范圍為0.05～2 000 μs、重復頻率19.23～9 995.00 Hz的高電流，接觸式探針測量運行狀態(tài)下芯片電壓，電流、電壓和光功率的采樣速率為1～20 MS/s，最終由積分球接收光信號并由光電二極管檢測器及光譜儀測量光功率和波長。在不考慮封裝帶來的應力影響下，實驗研究15～60 ℃高功率半導體激光芯片列陣的溫度特性。

圖5 半導體激光列陣芯片測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 芯片測試

列陣芯片通過真空吸附固定在散熱底板上，通過熱電制冷器(Thermo-electric cooler，TEC)控溫將散熱底板控制在恒定溫度。在驅(qū)動電流100 A、重復頻率20 Hz、脈寬200 μs、占空比0.4%條件下，測試15～60 ℃范圍內(nèi)的光電性能，如圖6，圖7所示為峰值功率和電光轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果。從圖中可以看出，列陣芯片在15 ℃輸出功率最大為93.11 W，60 ℃功率為72.59 W，在15～60 ℃芯片整體光輸出功率下降達22%，對應電光轉(zhuǎn)換效率由54.82%下降至43.88%。

圖6 15～60 ℃半導體激光列陣芯片L-I曲線

圖7 15～60 ℃半導體激光陣列芯片電光轉(zhuǎn)換效率曲線

此外，如圖8所示，在驅(qū)動電流100 A條件下，隨著溫度由15 ℃升高至60 ℃，芯片峰值波長從952.8 nm紅移至965.6 nm，溫度隨波長偏移系數(shù)為0.28 nm/℃。

圖8 15～60 ℃半導體激光陣列芯片光譜

閾值電流隨溫度的變化特性表明，量子阱結(jié)構(gòu)限制了不同溫度下半導體激光器的光電性能[18]。從所測得的L-I曲線，計算得到不同溫度條件下，閾值電流、斜率效率隨溫度的變化如表1所示。從表1可知，在相同電流條件下，15～60 ℃溫度范圍內(nèi)，列陣芯片閾值電流由19.92 A增大至28.80 A，斜率效率由1.18 W/A降低至1.03 W/A。閾值電流Ith與溫度的對應關系為

表1 15～60 ℃半導體激光芯片閾值電流變化趨勢

(5)

其中，Tr為室溫；Ith為室溫下閾值電流；T0為半導體激光芯片的特征溫度，用來表征半導體激光芯片對溫度的敏感特性，T0越大表示半導體激光芯片對溫度越不敏感，熱穩(wěn)定性越好。通過計算得到15～40 ℃特征溫度T0為138.89 K，45～60 ℃特征溫度T0只有94.34 K，反映了在高溫條件下，半導體激光芯片對溫度極其敏感，其光電性能極易受溫度影響。

4 能量損耗分析

當熱沉溫度從15 ℃上升至60 ℃，半導體激光芯片的輸出光功率降低，閾值電流增大，斜率效率降低，中心波長紅移。造成這一變化的主要原因有激光器有源區(qū)載流子能量的顯著增加導致載流子泄漏加劇，溫度升高導致自發(fā)輻射、非輻射復合幾率增大等。為深入探究半導體激光芯片的高溫特性，本文從電功率轉(zhuǎn)換成光功率的能量損耗路徑進行分析，通常輸入電功率可表示為

Pinput=IV=I2Rs+IV0，

(6)

其中，Rs為列陣芯片串聯(lián)電阻，V0為開啟電壓。開啟電壓V0由準費米能級差VF和能帶不匹配帶來的界面電壓Vhj兩部分組成，因此，輸入電功率可以分為五部分[19]，表示為

Pinput=I2Rs+IVhj+ηiIthVF+IVF(1-ηi)+

ηi(I-Ith)VF，

(7)

其中，I2Rs為串聯(lián)電阻引起的功率損失；IVhj是能帶不匹配帶來的界面損失；ηiIthVF為閾值以下自發(fā)輻射；IVF(1-ηi)表示載流子泄漏損耗；ηi(I-Ith)VF為理論輸出光功率，包含實際光輸出功率及腔內(nèi)腔面損耗。

根據(jù)公式(7)，對驅(qū)動電流100 A條件下，芯片15～60 ℃溫度范圍內(nèi)五種能量損耗占比量化計算如圖9所示。具體分析結(jié)果如下：

(1)焦耳熱

(2)電壓損失

電壓損失是指半導體能帶不匹配帶來的界面電壓，當熱沉溫度從15 ℃上升到60 ℃時，界面電壓損失略微減小，電壓損耗由1.50%降低至1.47%。

(3)自發(fā)輻射

如圖9所示，在電流100 A條件下，由于閾值電流較大，在15～60 ℃溫度范圍內(nèi)，自發(fā)輻射占比在14.84%～19.14%之間。當溫度升高時，閾值電流隨溫度升高而大幅增大，導致自發(fā)輻射占比增加[21]。

圖9 驅(qū)動電流100 A時, 15～60 ℃半導體激光列陣芯片能量損耗分布圖。

(4)載流子泄漏

由圖9能量損耗分布圖可以看出，在15～60 ℃溫度范圍內(nèi)，載流子泄漏水平從2.3%迅速增大至11.36%，這是造成半導體激光芯片內(nèi)損耗增加、閾值電流增大的關鍵因素。如表1所示，當TEC溫度從15 ℃升高至60 ℃時，閾值電流增加了44.57%，斜率效率降低11.96%。主要原因是溫度升高，自由載流子能量增大，導致部分載流子越過勢壘進入波導層，將能量以熱的形式釋放。

由表1計算得到的15～40 ℃特征溫度T0為138.89 K，45～60 ℃特征溫度T0只有94.34 K，也很好地證明了在高溫條件下，載流子泄漏水平明顯增大。此外，逃逸的自由載流子促進波導層載流子密度增加，非輻射復合速率增大，更多電子能量轉(zhuǎn)換為熱能導致半導體激光芯片有源區(qū)內(nèi)量子效率降低，溫度升高，進而可能發(fā)生熱翻轉(zhuǎn)，限制輸出功率的增加。

5 芯片結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化

為實現(xiàn)高溫工作時對載流子的有效限制，從芯片結(jié)構(gòu)設計層面上優(yōu)化波導層及包層的Al組分。從圖10可以看出，當N型波導層與P型波導層Al組分由10%增加至25%，波導層少數(shù)載流子濃度降低，載流子泄漏問題得到有效控制。

圖10 不同波導Al組分下N型、P型波導少子歸一化分布。

圖11為60 ℃工作溫度條件下，該結(jié)構(gòu)在不同波導Al組分下的理論輸出功率、電壓及注入電流為10 A時光電轉(zhuǎn)換效率曲線。由圖可知，通過調(diào)節(jié)Al組分可以有效提高輸出功率，主要原因是高Al組分增加了對量子阱載流子的限制作用，有效減小了載流子泄漏損耗。隨著波導層Al組分的增加，理論上在相同載流子濃度條件下，遷移率降低將導致串聯(lián)電阻增大[22]；但當波導層Al組分低于20%時，載流子泄漏嚴重且大部分載流子泄漏至波導層，波導層少數(shù)載流子濃度隨Al組分的增加逐漸降低，對應遷移率隨之不斷提高，綜合影響導致整體串聯(lián)電阻沒有明顯變化。當波導層Al組分高于20%時，載流子泄漏被有效抑制，波導層載流子濃度降低不明顯，尤其是P波導層的少子濃度下降變緩慢，導致波導層載流子遷移率降低，引起串聯(lián)電阻明顯增加，電壓增大明顯。因此，如圖11(c)所示，光電轉(zhuǎn)換效率呈先增大后減小的趨勢，并在Al組分為20%時達到最大光電轉(zhuǎn)換效率。從仿真結(jié)果可知，在權(quán)衡載流子泄漏、串聯(lián)電阻對光電性能的影響后，提高波導層Al組分至20%既能有效限制載流子泄漏，又能平衡Al組分增加帶來的串聯(lián)電阻增大問題。

圖11 (a)不同波導Al組分下的L-I曲線；(b)不同波導Al組分下的V-I曲線；(c)電光轉(zhuǎn)換效率與波導層不同Al組分關系。

6 結(jié) 論

本文對溫度影響960 nm激光陣列芯片的內(nèi)在機理進行了理論分析，并搭建了列陣芯片測試系統(tǒng)，對15～60 ℃溫度范圍內(nèi)列陣芯片進行光電性能測試，計算得出工作溫度由15 ℃升高至60 ℃時，焦耳熱損耗由21.70%降低至20.72%，電壓損耗從1.50%減小到1.47%，自發(fā)輻射占比在14.84%～19.14%之間，載流子泄漏占比從2.3%迅速上升至11.36%，是造成芯片熱不穩(wěn)定性的關鍵原因。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化N型、P型波導層及包層Al組分，當芯片工作溫度為60 ℃時，波導層Al組分為20%時光電轉(zhuǎn)換效率最高，表明適當增加鋁組分可以有效地限制載流子泄漏。該研究對于高溫下半導體激光芯片電光轉(zhuǎn)換效率的提高提供了重要的參考。