高功率1470 nm半導體激光器設計與制作

豆豆samuel 2019-04-21

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1. 引言

半導體激光器采用III-V化合物為其有源介質，通常通過電注入，在有源區(qū)通過電子與空穴復合將注入的電能量轉換為光子能量。與固態(tài)或氣體激光相比，半導體激光具有十分顯著的特點：1）能量轉換效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高電光轉換效率可以高達65%以上 [1]，與之成為鮮明對照的是，CO2氣體激光的能量轉換效率僅有10%，而采用傳統(tǒng)燈光泵浦的固態(tài)激光的能量轉換效率更低, 只有1%左右；2）體積小。

一個出射功率超過10 W 的半導體激光芯片尺寸大約為0.3 mm3, 而一臺固態(tài)激光更有可能占據(jù)實驗室的整整一張工作臺；3）可靠性高，平均壽命估計可以長達數(shù)十萬小時[2]；4）價格低廉。半導體激光也同樣遵從集成電路工業(yè)中的摩爾定律，即性能指標隨時間以指數(shù)上升的趨勢改善，而價格則隨時間以指數(shù)形式下降。正是因為半導體激光的上述優(yōu)點，使其愈來愈廣泛地應用到國計民生的各個方面，諸如工業(yè)應用、信息技術、激光顯示、激光醫(yī)療以及科學研究與國防應用。高功率激光芯片有若干重要技術指標，包括能量轉換效率以及器件運行可靠性等。器件的能量轉換效率主要取決于芯片的外延結構與器件結構設計，而運行可靠性主要與芯片的腔面處理工藝有關。本文首先簡要介紹深圳瑞波光電子有限公司高功率激光的設計思想以及腔面處理方法，隨后展示深圳清華大學研究院和深圳瑞波光電子有限公司在研發(fā)1470nm高功率單管激光芯片方面所取得的主要進展。

2. 1470nm高功率激光外延結構與器件結構設計　　

　　圖1. 半導體激光外延結構示意圖

圖2. 外延結構以及與之對應的光場分布

半導體激光器外延結構從電子學上講是一p-n結構，而從光學角度講則是波導結構。對于不同波長器件，外延結構材料也會隨波長的不同而選用不同材料體系。比如，藍綠光以GaN材料為襯底，以InGaN為量子阱材料；從600 nm到1250 nm的器件，均是基于GaAs材料體系，而量子阱材料根據(jù)波長需要選取不同材料。對于激射波長為1300-1700 nm范圍內的量子阱結構, 則基于InP材料體系，通常采用In(1-x-y)Ga(x)Al(y)As 量子阱材料, 通過調節(jié)材料的組分以及選取適當?shù)牧孔于搴穸龋藗兛梢栽诤艽蠓秶鷥茸杂稍O計激射波長。圖1給出了一個典型的基于InGaAlAs量子阱材料的1470 nm半導體激光外延結構示意圖，由其可見，外延結構由有源區(qū)多量子阱、InGaAlAs波導以及InP包層材料組成。為了形成波導結構，波導材料的折射率要小于量子阱材料的折射率，如此一來，在生長方向上，材料對其中的光場便形成很強的限制作用, 光場最強的區(qū)域恰好與有源區(qū)重疊，從而使得量子阱材料有很高的光增益（見圖2）。另外，為了實現(xiàn)電子與空穴在量子阱內產生受激輻射復合，材料必須被摻雜成p-i-n結構，其中有源波導區(qū)通常為非摻雜的本征區(qū)域。有源區(qū)的設計主要參數(shù)為量子阱組分、厚度、量子阱數(shù)目以及勢壘組分等，而設計的主要考慮是閾值電流、量子效率等。有源區(qū)確定后，接下來的設計便是波導設計以及摻雜優(yōu)化。波導設計時通過選取合適的波導材料、厚度來獲得所需要的量子阱光場限制因子、遠場分布等。在器件設計方面，通常采用腔長較長的結構，這是因為整個芯片的封裝模塊的熱阻與腔長近似成反比，芯片越長，模塊熱阻越小，芯片的結溫越低。圖3-5為我們計算的芯片工作電流、閾值電流以及結溫與腔長以及腔面反射率之間的關系。在計算中我們嚴格采用數(shù)值分析方法分析了器件在實際封裝結構下整體封裝模塊的熱阻抗。由圖可見，對于2瓦的輸出功率當腔長為2 mm時，工作電流大約為5.5 A，而閾值電流大約為450 mA, 芯片的結溫為45 °C，比運行環(huán)境高出20 °C。

　　圖3. 工作電流與腔長以及腔面反射率之間的關系

　　圖4. 閾值電流與腔長以及腔面反射率之間的關系

　　圖5. 芯片結溫與腔長以及腔面反射率之間的關系

3. 1470 nm高功率激光工藝制作

高功率激光因為需要輸出很高的功率，所以其有源區(qū)條寬一般為幾十微米甚至幾百微米，具體條寬根據(jù)應用而定。為了區(qū)別單模窄波導激光，這種激光結構有時會被稱之為寬條激光。寬條激光的工藝處理相對比較簡單，有的公司為了簡化工藝，只是通過有限幾個步驟的工藝處理（如離子注入）形成電隔離區(qū)域，然后制作p面金屬電極、晶片減薄、n面金屬電極沉積、快速退火以及腔面鍍膜等即完成所有工藝流程。不過，有證據(jù)似乎表明，用這種方法制作的激光的水平方向的光束特性隨電流變化比較大[6]。RB-14xx系列激光芯片是我們自主設計與制作的激射波長從1400-1600 nm變化的高功率激光芯片，芯片輸出功率1-5瓦，其它功率輸出可以根據(jù)用于需求特別制作。我們制作的激光發(fā)光區(qū)寬度為95微米，這樣可以耦合到光纖芯徑為105微米的多模光纖中。激光腔長根據(jù)我們的理論計算結果選取2-3 mm, 具體長度與額定輸出功率有關，腔長較長的芯片輸出功率更高。

為了改善寬條激光的穩(wěn)定性，也可以通過刻蝕形成脊波導，波導結構不僅會對電流形成隔離作用，而且因為刻蝕形成的波導對光在橫向形成波導限制。圖6給出了刻蝕后形成的寬波導激光。在瑞波光電，我們采用了簡單的化學濕刻方法來形成橫向波導。波導刻蝕完畢后，還需要進行一系列的工藝處理，包括電流注入窗口刻蝕、金屬電極制作、芯片減薄、快速退火以及腔面鍍膜等。腔面鍍膜參數(shù)選用前述的計算結果，即高反面飯反射率大約為95%，而低反射腔面的反射率大約為2-4%。

　　圖6. 寬波導高功率激光示意圖

4. 高功率激光性能測試

高功率半導體激光測試參數(shù)主要包括光—電流—電壓（LIV）特性曲線、溫度特性、光譜曲線、光束特性、可靠性以及偏振性質等。由于半導體芯片對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、靜電、塵埃、電流電壓的過脈沖以及光的回反射等都非常敏感，這些參數(shù)的任何變化不僅影響到測量精度，而且更有可能引起器件的突然失效。為此，激光的測試環(huán)境必須經過認真考慮。深圳瑞波光電子有限公司技術團隊集多年測試分析經驗，提出了一套完整的芯片參數(shù)測試分析方案，構建了能夠精確控制測試環(huán)境、對各種參數(shù)進行快速自動測試、最后自動生成主要參數(shù)測試報告的測試系統(tǒng)。針對半導體激光器的關鍵制造環(huán)節(jié)的表征測試需要，我們研發(fā)了一系列測試儀器，包括針對裸芯片的單管/巴條測試系統(tǒng)和full-bar巴條測試系統(tǒng) （這里full-bar巴條測試是指共電極測試，測試電流可達200-400 A），針對貼片后器件的COS （chip-on-submount）測試系統(tǒng)、針對光纖耦合蝶形封裝的模塊測試系統(tǒng)、以及大容量并可以實時監(jiān)控器件功率和波長的老化壽命測試系統(tǒng)等。特別需要指出的是，我們的壽命測試系統(tǒng)具有諸多獨特的優(yōu)點，包括：1）容量大，可以同時測試320只COS模塊；2）檢測參數(shù)多，包括輸出功率、電流、電壓以及波長等；3）可以提供加速壽命測試，即器件可以在更高輸出功率以及更高的環(huán)境溫度下工作。圖7為我們的COS 測試臺圖片，該系統(tǒng)主要由電子學系統(tǒng)、機械組件、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)組成，可以對前述的各種參數(shù)進行快速和準確的測試。芯片工藝制作完畢后，芯片以P面朝下的方式被焊接在厚度為350 微米的鍍金AlN陶瓷片上，焊錫材料采用的是金錫焊料。為了簡明起見，以后將這種方式封裝的芯片稱之為COS（chip-on-submount）。COS測試是用我們開發(fā)的測試系統(tǒng)完成的，該系統(tǒng)可以在連續(xù)和脈沖電流下全方面表征器件的光電特性，包括LIV特性，光譜特性以及光束特性等。該系統(tǒng)已經在多家激光芯片制造企業(yè)和封裝企業(yè)的研發(fā)實驗室和生產線上采用。

　　圖7. 測試工作臺照片

5. 超高功率1470 nm 高功率激光芯片

圖8為在不同溫度下以持續(xù)電流方式(CW)測試的光—電流（L-I）特性曲線，由其可見，COS在20℃測試環(huán)境下，閾值電流大約為490 mA，斜率效率大約為0.42 W/A，而達到2瓦輸出功率時所需要的工作電流為5.6 A，實際測試參數(shù)與前述的理論預測高度吻合。在溫度為40℃時，器件的閾值電流與外量子效率稍有下降，表明芯片有很好的溫度特性。芯片的最高輸出功率超過4瓦。圖9為20℃環(huán)境溫度下以準續(xù)電流方式(QCW)測試的不同腔長芯片的光—電流（L-I）特性曲線。在我們的QCW測試中，我們采用了脈沖寬度為1毫秒、脈沖占空比為10%的脈沖測試方式。從圖10我們顯然可以看出，腔長較長的激光可以在更高的電流下工作，不過其缺點是外量子效率稍低，閾值電流更高。另外，對于腔長為３毫米的器件，芯片可以在高達50 A的工作電流下工作，一方面演示了芯片在QCW模式下的最高輸出功率，另一方面也表明芯片的可靠性水平，因為芯片的可靠性與工作電流以及輸出功率密切相關。圖10為輸出功率為2瓦時所測得的光束發(fā)散角，很顯然，在垂直方向上（即外延生長方向）光束發(fā)散角的全寬半高值（FWHM）大約為30度。圖11 為輸出功率為2瓦時的實際激射波長，其值大約為1458 nm。除過上述典型參數(shù)之外，高功率激光的一個至關重要的參數(shù)是其可靠性水平。因為器件壽命主要與三個參數(shù)密切相關，即輸出功率、器件結溫以及工作電流。為了能夠在相對較短的時間內獲得可靠的器件壽命估計，在器件可靠性評估中，人們通常采用所謂的加速壽命測試，即器件在高于額定輸出功率、高于額定工作電流以及更高的可控環(huán)境溫度下工作，通過監(jiān)控芯片的工作參數(shù)與時間的關系來評估芯片在正常運行時的使用壽命，圖12為我們5只COS連續(xù)測試4000小時的功率變化記錄。測試功率為2.7瓦，測試電流為9 A，測試溫度為40度。另外，圖中的數(shù)據(jù)噪聲是由于系統(tǒng)切換等引起的，而實際上，到目前為止我們尚未檢測到任何功率衰減跡象。