連續(xù)工作7.5W高功率氮化鎵基藍(lán)光激光器（特邀）

胡磊，李德堯，劉建平，田愛(ài)琴，王旦，張濤，吳思，徐鵬，楊輝

（1 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215123）

（2 廣東中科半導(dǎo)體微納制造技術(shù)研究院，廣東佛山528000）

0 引言

氮化鎵（Gallium Nitride，GaN）基材料具有大禁帶寬度、高電子遷移率、高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，且是一種直接帶隙發(fā)光材料，應(yīng)用于各種電子器件和光電器件中，受到了廣泛關(guān)注。相對(duì)于GaN 基發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）而言，GaN 基激光器（Laser Diode，LD）具有方向性好、亮度高、顏色純以及在大電流注入下保持高效率的特點(diǎn)，其中高功率GaN 基藍(lán)光激光器在激光顯示、激光照明、激光通信和金屬加工等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景［1-6］。但高功率GaN 基藍(lán)光激光器的研制難度極大，主要與外延生長(zhǎng)、工藝制備以及封裝工藝這三個(gè)難點(diǎn)有關(guān)：1）激光器外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需保證晶體質(zhì)量的同時(shí)提高量子阱發(fā)光效率和減少光吸收損耗［7-9］；2）需減少工藝制備過(guò)程中引入的側(cè)壁損耗與腔面損耗［10］；3）需開(kāi)發(fā)與倒裝工藝匹配的低熱阻封裝技術(shù)，從而高功率GaN 基藍(lán)光激光器能有效散熱［11-13］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在高功率GaN 基藍(lán)光激光器方面都取得了較大的進(jìn)展。日本日亞公司采用TO90 倒裝方式，將熱阻降至6 K/W，制備了波長(zhǎng)為455 nm、連續(xù)工作光功率約5.7 W 的藍(lán)光激光器［14］；索尼公司報(bào)道了連續(xù)工作光功率約5 W 的藍(lán)光激光器［15］；德國(guó)歐司朗公司也采用TO90 封裝方式，獲得了連續(xù)工作光功率為5.5 W 的藍(lán)光激光器［16］，其熱阻為8 K/W；中科院半導(dǎo)體所報(bào)道了連續(xù)工作光功率為6 W 的藍(lán)光激光器［17］。

本文通過(guò)優(yōu)化GaN 基藍(lán)光激光器的封裝結(jié)構(gòu)，采用雙面封裝方式以提高藍(lán)光激光器的散熱能力，實(shí)現(xiàn)藍(lán)光激光器的熱阻為6.7 K/W，特征溫度T0為235 K，代表雙面封裝的藍(lán)光激光器具有好的材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和封裝。脊寬45 μm、腔長(zhǎng)1 200 μm 藍(lán)光激光器的閾值電流密度為1.1 kA/cm2，斜率效率為1.4 W/A，在6 A電流工作下，室溫連續(xù)工作光輸出功率達(dá)到了7.5 W。

1 結(jié)構(gòu)

用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）外延設(shè)備在c 面GaN自支撐襯底上生長(zhǎng)藍(lán)光激光器外延結(jié)構(gòu)。外延結(jié)構(gòu)由硅（Si）摻雜的n-Al0.08Ga0.93N 下限制層，Si 摻雜的n-GaN 層，Si 摻雜的n-In0.04Ga0.96N 波導(dǎo)層（Waveguide Layer，WG），兩個(gè)周期的In0.16Ga0.84N/GaN 多量子阱（Multiple Quantum Wells，MQWs），非故意摻雜的In0.02Ga0.98N 波導(dǎo)層，鎂（Mg）摻雜的p-Al0.2Ga0.8N 電子阻擋層（Electron Blocking Layer，EBL），Mg 摻雜的Al0.07Ga0.93N/GaN（2.5/2.5 nm）超晶格上限制層和重?fù)诫s的p-InGaN 接觸層組成。藍(lán)光激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先用磁控濺射設(shè)備在藍(lán)光激光器外延結(jié)構(gòu)上沉積金屬接觸電極p-elecrode，光刻并采用干法刻蝕出激光器45 μm 寬的脊形結(jié)構(gòu)，然后在脊形兩側(cè)沉積200 nm 二氧化硅，起到電學(xué)隔離的作用。在頂部沉積p型電極，并將GaN 襯底減薄拋光后沉積n 型電極。最后沿m 面解理成1 200 μm 長(zhǎng)的巴條，在前后腔面沉積具有不同反射率的多層介質(zhì)膜形成光學(xué)諧振腔。

圖1 氮化鎵基藍(lán)光激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of GaN-based LD

2 封裝

為了獲得GaN 基藍(lán)光激光器在室溫連續(xù)條件下的高光功率輸出，需要將藍(lán)光激光器單芯片進(jìn)行封裝，GaN 激光器的焦耳熱主要來(lái)自于量子阱的非輻射復(fù)合和p 型層，采取p-down 倒裝封裝方式才能更好地散熱。圖2（a）為采取單面封裝方式的藍(lán)光激光器示意圖，將藍(lán)光激光器倒裝封裝在AlN 過(guò)渡熱沉上，并共晶在銅塊上提供散熱通道，AlN 過(guò)渡熱沉與陶瓷基板通過(guò)打線串聯(lián)在一起，作為高功率藍(lán)光激光器的正極，從藍(lán)光激光器的N 面打線至陶瓷基板作為負(fù)極。與單面封裝的藍(lán)光激光器不同，雙面封裝方式采用銅塊2 與藍(lán)光激光器N 面充分貼合，增加激光器的散熱，如圖2（b）。

圖2 高功率GaN 基藍(lán)光激光器的兩種封裝方式Fig.2 Two packaging methods for high-power GaN-based blue laser diode

2.1 熱阻

通過(guò)激光器的熱阻大小可以判斷封裝的好壞，測(cè)量激光器正向電壓隨溫度變化關(guān)系，獲得激光器的電壓溫度系數(shù)，從而計(jì)算出熱阻［18-19］。圖3（a）為熱阻測(cè)試電路示意圖，其中E 是一個(gè)小的直流電源，并聯(lián)電容C用以吸收電源的噪聲波動(dòng)，電路中并聯(lián)了兩個(gè)電阻R1 和R2，其中R1 的阻值遠(yuǎn)大于R2，待測(cè)試的藍(lán)光激光器串聯(lián)在電路內(nèi)，示波器測(cè)量電阻兩端以及激光器兩端電壓變化情況。測(cè)試開(kāi)始前，先閉合開(kāi)關(guān)S，由于并聯(lián)電阻較小，激光器在大電流、高結(jié)溫下工作；隨后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，激光器轉(zhuǎn)換成小電流工作，結(jié)溫慢慢下降，正向電壓發(fā)生變化，此正向電壓差即為結(jié)溫變化引起的正向電壓變化值，根據(jù)式（1）和（2）可計(jì)算出藍(lán)光激光器的熱阻［20-21］

式中，VFB是小電流平衡狀態(tài)穩(wěn)定的電壓，VFA是斷開(kāi)開(kāi)關(guān)后一定延時(shí)時(shí)間后的小電流電壓，Tc為電壓溫度系數(shù)，Rth是熱阻，IH是激光器大電流工作時(shí)電流，VH是激光器大電流工作時(shí)電壓，Pout是大電流工作時(shí)的光功率。單面封裝和雙面封裝方式的藍(lán)光激光器的電壓隨時(shí)間變化曲線分別如圖3（b）和圖3（c）所示。根據(jù)電壓差求得單面封裝的藍(lán)光激光器的熱阻為8.5 K/W，而雙面封裝的藍(lán)光激光器的熱阻為6.7 K/W?？梢园l(fā)現(xiàn)采取雙面封裝方式的GaN 基藍(lán)光激光器的熱阻較小，能更有效散熱，有利于高功率藍(lán)光激光器室溫連續(xù)條件下工作。

圖3 不同封裝方式的藍(lán)光激光器熱阻測(cè)試曲線Fig.3 Thermal resistance test curves of blue lasers with different packaging methods

2.2 特征溫度

激光器的閾值電流密度Jth隨溫度變化而變化，閾值電流密度與溫度之間的關(guān)系滿足［22］

式中，Tr是室溫，T0是特征溫度。

特征溫度T0是衡量半導(dǎo)體激光器溫度穩(wěn)定性的參數(shù)，它與激光器芯片的材料質(zhì)量和結(jié)構(gòu)有關(guān)，可判斷激光器能否在室溫下連續(xù)工作，用兩個(gè)不同溫度下閾值電流的比值來(lái)衡量激光器的熱穩(wěn)定性，比值越小代表這個(gè)器件具有更好的溫度特性［22-24］。圖4（a）為單面封裝的藍(lán)光激光器從室溫加到65 ℃時(shí)的連續(xù)工作下功率-電流（P-I）曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度增加，藍(lán)光激光器的閾值電流增加，斜率效率略微下降，圖4（b）為其特征溫度的擬合曲線，根據(jù)式（3）擬合的單面封裝藍(lán)光激光器的特征溫度為132 K。根據(jù)雙面封裝的藍(lán)光激光器從室溫加到65 ℃時(shí)的連續(xù)工作下的P-I曲線，如圖4（c），閾值電流增加更為緩慢，擬合獲得雙面封裝的藍(lán)光激光器的特征溫度為235 K，如圖4（d）所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)雙面封裝的藍(lán)光激光器的特征溫度更高，表明這種封裝方式具有更好的溫度穩(wěn)定性。

圖4 不同封裝方式的藍(lán)光激光器的特征溫度測(cè)試曲線Fig.4 Characteristic temperature curves of blue lasers with different packaging methods

3 器件性能

圖5 為單面封裝和雙面封裝的GaN 基藍(lán)光激光器的室溫連續(xù)電注入時(shí)的功率-電流-電壓（P-I-V）曲線，脊寬45 μm、腔長(zhǎng)1 200 μm 的兩種封裝方式的藍(lán)光激光器的激射波長(zhǎng)均為442 nm，閾值電流密度均為1.1 kA/cm2，雙面封裝的藍(lán)光激光器的斜率效率為1.4 W/A，單面封裝的藍(lán)光激光器的斜率效率更高為1.5 W/A。當(dāng)電流增加至3 A，單面封裝的藍(lán)光激光器的斜率效率開(kāi)始明顯下降，當(dāng)電流繼續(xù)增加至4 A 時(shí)，功率出現(xiàn)了飽和，這是單面封裝的藍(lán)光激光器散熱不佳、結(jié)溫升高所導(dǎo)致，同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)單面封裝的藍(lán)光激光器的電壓小于雙面封裝的藍(lán)光激光器，也表明單面封裝的藍(lán)光激光器散熱不佳，熱量囤積導(dǎo)致電壓下降。最終獲得的雙面封裝的藍(lán)光激光器在6 A 電流工作下，工作電壓為5.9 V，輸出功率達(dá)到了7.5 W，表明低的熱阻和高的特征溫度有助于獲得高功率藍(lán)光激光器。

圖5 不同封裝方式的藍(lán)光激光器的室溫連續(xù)工作時(shí)的P-I-V 曲線Fig.5 P-I-V curves of blue laser with different packaging methods under continuous-wave operation at room temperature

4 結(jié)論

采用雙面封裝方式，優(yōu)化GaN 基藍(lán)光激光器的封裝結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后雙面封裝GaN 基藍(lán)光激光器熱阻降到6.7 K/W，特征溫度T0提高到為235 K，表明雙面封裝的藍(lán)光激光器具有良好的材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和封裝。脊寬45 μm、腔長(zhǎng)1 200 μm 雙面封裝的藍(lán)光激光器的閾值電流密度為1.1 kA/cm2，斜率效率為1.4 W/A，在6 A電流工作下，室溫連續(xù)工作光輸出功率達(dá)到了7.5 W。