1 引言

半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、易集成等优点,在工业加工、通信、医疗、**等领域有着广泛的应用。氮化镓(GaN)是第三代半导体材料的代表,是近20年发展起来的新型宽禁带直接带隙半导体材料,GaN及其三元和四元合金发射波长覆盖了从紫外到红外波段。GaN基激光器具有结构简单、使用方便、电-光转换效率高、寿命长等优点,基于GaN 的紫光(约400 nm)、蓝光(约450 nm)和绿光(约520 nm)激光器在激光生物医学、激光彩色显示、激光高密度数据存储、激光光谱学、激光照明、激光指示、激光打印、激光倍频、激光水下成像与通信等领域有广泛应用,近年来备受人们关注^[1-3]。

近年来,GaN基激光器技术日渐成熟,国内外多家研究机构和公司都报道了高功率的GaN基激光器。其中以日本的日亚公司最为突出,该公司已经推出3.5 W高功率蓝光激光器商业化产品^[4],其电-光转换效率最大可达到41.2%。松下电器公司则报道了室温工作条件下单管芯输出激光功率可达到7.2 W,电-光转换效率达到38%,是迄今报道的功率最高的GaN基激光器^[5],充分显示了GaN激光器在高功率领域的应用潜力。国内一些研究所和高校也在GaN基激光器的研究方面实现了突破,在实验室环境下已实现功率大于2 W的激光输出^[5]。

当前GaN激光器的性能还有很大的提升空间。为了提升器件的输出效率,需要在外延结构设计、外延生长、管芯设计和制作等方面着手,降低器件的工作电压,提高器件的斜率效率。前腔面反射率是器件谐振腔的重要参数,对器件的阈值电流、斜率效率和输出功率有着重要的影响。对于非对称谐振腔设计的半导体激光器,空间烧孔(LSHB)是造成器件斜率效率下降和限制最大功率输出的重要因素^[6-10]。为了有效抑制空间烧孔效应,提升激光器的斜率效率和输出功率,本文对GaN基蓝光半导体激光器的腔面反射率设计进行研究,并在3 A的工作电流下,获得了接近2.6 W的高功率输出。

2 样品制备

为了研究前腔面反射率对激光器特性的影响,需要在激光器前腔面沉积不同厚度的薄膜以改变其反射率,因此需要准确地获取薄膜的光学常数。使用包络线法求解薄膜的光学常数,利用Ares 710型电子束蒸发镀膜机在不同离子源辅助条件下,在石英基底上制备了600 nm厚的Al₂O₃单层膜。利用分光光度计测量了透射率曲线,并计算了薄膜样品的光学常数,如图1(b)所示。从图1(b)可以看出,在不同的离子源辅助条件下,膜层的折射率不同。只使用Ar离子辅助(IAD)时,薄膜的色散现象较为明显,在低波段折射率较大,当波长大于810 nm时,折射率较小。而在Ar+N离子辅助下,薄膜在波长为450 nm时的折射率为1.62,理论上在GaN基底上可以实现低于0.1%的反射率。利用Macleod软件计算了两种工艺条件下,前腔面反射率与膜厚之间的关系。可以看出,在适当的工艺条件下,通过调整膜层厚度,可以获得极低的前腔反射率,如图1(c)所示。本实验选取Ar+N离子辅助条件,在GaN激光器前腔面上制备了厚度分别为70,78,85,89,93,109,136 nm的单层Al₂O₃薄膜,对应的反射率为0.1%,1%,2.5%,4%,5.5%,12%,18%,后腔面高反膜膜系为GaN/10 nm Al₂O₃/10(Ta₂O₅/SiO₂)/Ta₂O₅/air,反射率均高于99.8%。

图 1. 不同工艺条件下制备的薄膜样品的光学性质。(a)透射率曲线;(b)光学常数;(c)膜厚与腔面反射率的关系

Fig. 1. Optical characteristics of film samples under different processing conditions. (a) Transmission curve; (b) optical constant; (c) film thickness versus facet reflectivity

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3 测试结果与讨论

在GaN自支撑体衬底上外延生长了基于InGaN量子阱的蓝光激光器,通过标准工艺制成了腔长为1 mm,单管芯发光区宽度为25 μm的厘米巴条,利用电子束蒸发技术制备了腔面膜,其中后腔面反射率大于99.8%。通过改变单层膜厚度,实现了前腔面反射率在0.1%~18%之间连续变化;利用脉冲测试平台,在脉冲宽度为1 μs,重复频率为1 kHz的条件下,测量了不同前腔面反射率样品的阈值电流和斜率效率;样品经封装后,在连续测试条件下,测量了样品的输出功率。

3.1 阈值电流

半导体激光器阈值电流密度J_th与模式增益系数、透明电流密度、腔长、腔面反射率的关系为

ln(Jth)=αiG+ln(Jtr)+ln(RfRb)-12G×1L,(1)

式中:J_th为器件的阈值电流密度;J_tr为透明电流密度;α_i为内部光学损耗,本研究中α_i=10 cm^-1;G为模式增益系数;R_f、R_b分别为前腔反射率与后腔反射率,本研究中R_b=0.998;L为腔长,本研究中L=0.1 cm。

在脉冲条件下得到的阈值电流密度与腔长的关系如图2所示。从图2可以看出,本研究测得的实验数据具有较好的线性度,阈值电流密度随着腔面反射率的减小而增大。通过线性拟合可以得出器件的模式增益系数为12.5 cm^-1,透明电流密度J_tr为221 A·cm^-2。

图 2. 阈值电流密度与腔面反射率的关系图

Fig. 2. Relationship between threshold current density and facet reflectivity

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3.2 微分量子效率

微分量子效率η_d是指半导体激光器在阈值电流以上工作时,输出光子数随着注入载流子数值的增加而提高的比率,由内量子效率η_i、内损耗a_i和镜面损耗a_m共同决定。

ηd=ηiamam+ai,(2)am=12Lln1RfRb。(3)

利用脉冲测试平台,测量了不同前腔面反射率器件的斜率效率S,表达式为

S=dPdI=ћνeηd,(4)

式中:P为出光功率;I为工作电流;ћν为光子能量;e为电子电荷量。可以看出,微分量子效率与斜率效率在数值上存在简单的转换关系。

图3中数据点为在低占空比(0.1%)脉冲测试条件下,得到的不同前腔反射率样品的微分量子效率,曲线为考虑了空间烧孔的理论仿真值。从图3可以看出,随着前腔面反射率的升高,微分量子效率先升高后减小。当反射率约为5%时,器件的微分量子效率η_d将达到峰值,对应的斜率效率将高于1.3 W·A^-1。

图 3. 不同前腔面反射率下的微分量子效率

Fig. 3. Differential quantum efficiency versus front facet reflectivity

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在经典理论中,如(2)式和(3)式的描述,当后腔面反射率一定时,对于同种结构的器件,前腔面反射率越小,斜率效率将越高,这与图3的实验结果并不相符。由于非对称谐振腔结构(即 R_f≠R_b)受空间烧孔与双光子吸收等非线性效应的影响,当反射率低于某个特定值时,反射率继续降低则可能造成增益压缩,从而导致器件微分量子效率下降^[11]。其根本原因在于:在非对称谐振腔中,前、后腔面的反射率存在较大差异,造成内部光场分布不均匀,导致内部载流子分布不均匀,从而出现空间烧孔现象,对器件的微分量子效率产生影响,同时也会导致最高输出功率下降,其影响大小与腔长、内部光学损耗、反射率设计有关。此外,腔面反射率过低,也会造成载流子泄漏,导致斜率效率下降。

3.3 器件封装测试结果

利用LOOMIS公司生产的LSD 100型裂片机将前腔面反射率为5%的巴条解理成单管,然后封装在微通道冷却器上,保持P面向上。在25 ℃的冷却水温度下测试了器件的P-I特性,如图4所示。

图 4. 前腔面反射率为5%时器件的P-I特性

Fig. 4. P-I characteristic of device with 5% front facet reflectivity

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如图4所示,方块是在脉宽为1 μs,重复频率为1 kHz的脉冲测试条件下得到的出光功率,虚线表示在理论计算过程中,忽略了热量对器件的影响得到的出光功率,可以看出,两者的符合程度较高,这是由于器件在0.1%的低占空比、短脉冲工作条件下,器件内部产热较少,与不考虑空间烧孔和热效应的理想情况相比较,其功率损耗约0.42 W@3 A。圆点为在连续工作模式下测得的出光功率,与理想情况相比,功率损失约为0.92 W@3 A,其中热效应导致的功率损失约为0.5 W@3 A。这主要是因为GaN基半导体激光器P面外延层较薄,采用倒装易出现腔面遮挡,因此本研究采用了正装封装,导致器件散热能力较差,即热阻较大,在连续工作时的结温较高,后续通过倒装封装设计,有望进一步提高输出功率

4 结论

GaN是一种非常重要的宽禁带半导体材料,在众多领域有着重要的应用潜力。空间烧孔与热效应限制了器件的最高输出功率,其中热效应需要在封装方式中予以解决,以降低器件的热阻。空间烧孔效应是使用非对称谐振腔的必然结果,可以通过降低器件内部光学损耗,减小腔长,优化腔面反射率等方式进行抑制。其中优化腔面反射率是一种快速而有效的措施,可以提升器件的微分量子效率和最大输出功率。本研究对波长为450 nm的GaN基蓝光激光器的前腔面膜反射率进行了研究,结果表明,前腔面反射率为5%的器件,具有较高的斜率效率,斜率效率大于1.3 W·A^-1,并在连续工作模式下,获得了2.6 W的高功率输出。