高功率高可靠性9XX nm激光二极管 
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1 引言
近年来,随着外延生长工艺和芯片制作工艺的不断进步,9XX nm激光二极管的输出功率和电光转换效率等均有显著的提高。但在一些特殊的应用场合,如光纤激光器泵浦、非线性频率转换以及激光材料处理等[1-5],不仅要求激光二极管具有高的输出功率和转换效率,器件的可靠性也尤为重要。
半导体器件都是对温度敏感的,半导体激光二极管也不例外。温度升高会引起半导体激光二极管的阈值电流升高,发光效率下降,寿命缩短,波长漂移,从而造成模式不稳定,内部缺陷增加,这严重影响了器件的应用。在半导体激光二极管中,常用特征温度T0表示器件对温度的敏感程度,在不同的温度范围内T0有不同的值,提高T0的值有利于提高器件工作的可靠性。关于T0产生的根源和克服途径已经进行了大量的研究,但仍未得到根本的解决。通常情况下,造成T0值低的主要因素有[6-7]:1)由无辐射俄歇复合引起的载流子损失;2)注入到有源区的载流子从有源区越过异质结势垒泄漏到限制层中,简称载流子泄露[8];3)价带间光吸收引起的光损耗;4)界面和缺陷引起的无辐射复合。
当半导体激光二极管高功率输出时,主要是有源区载流子的泄漏导致发光效率变差、激光器阈值电流增加、特征温度减小。为了抑制高功率输出时有源区载流子的泄漏,本文在有源区两侧势垒层和波导层之间各引入一层高禁带宽度的GaAsP,用于提高器件的特征温度,改善器件的可靠性。
2 外延生长与器件制备
采用德国AIXTRON公司生产的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备进行芯片的外延生长,激光二极管外延结构参数如
表 1. 激光二极管外延结构参数
Table 1. Parameters of laser diode epitaxial structure
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3 器件测试与结果分析
为了提高器件的性能,改善激光二极管的可靠性,在有源区两侧势垒层和波导层之间各引入一层高禁带宽度的GaAsP,用于抑制器件高功率输出时有源区载流子的泄漏。三元III-V族半导体化合物AlxGa1-xAs的带隙宽度W同组分之间的关系为[9]
式中:1.42、1.247的单位为eV。
势垒层Al0.154~0.255Ga0.846~0.745As的禁带宽度为1.616~1.742 eV,而GaAsP的禁带宽度为1.9 eV,因此有源区中的载流子越过GaAsP需要更高的能量,从而可以有效地抑制器件在高功率输出时载流子越过势垒进入限制层产生无辐射复合,提高了器件性能。
3.1 光电特性
半导体激光二极管封装完成后,首先对其光电特性进行测试。将封装到AlN次热沉上的条宽200 μm、腔长2000 μm的器件放到半导体激光器综合测试仪上进行测试,控制测试温度为25 ℃。P-I-V特性曲线如
3.2 温度特性
温度特性主要是指阈值电流Ith与温度T的关系[10],即
式中:Ith(T)和Ith(T1)为不同温度T和T1对应的阈值电流。通过测出不同温度T和T1对应的阈值电流Ith(T)和Ith(T1),然后将它们带入(2)式,计算出特征温度T0,由T0值的大小来衡量器件的温度稳定性。显然,T0值越大,Ith随温度变化越小,器件温度稳定性越好。随着温度的升高,半导体激光二极管的阈值电流增大,输出功率减小,微分功率效率也减小,导致器件出现热饱和现象。温度对阈值电流的影响主要来自三个方面:增益系数、内量子效率和内部损耗。在不同的温度范围内,T0具有不同的值。
为了得出T0的值,将条宽200 μm、腔长2000 μm的激光器管芯封装在AlN次热沉上,然后将器件放到测试平台上进行变温测试,得到不同温度下的阈值电流。测试平台的温度由水冷机进行控制,温度偏差为±1 ℃。
图 3. 半导体激光二极管的阈值电流同温度的关系
Fig. 3. Relationship between threshold current and temperature of semiconductor laser diode
温度升高不仅会导致半导体激光二极管的阈值电流上升,输出功率降低,还会引起峰值波长的变化。对于一些特殊的应用,如泵浦光纤激光器等,由于增益材料增益谱的限制,激光器峰值波长变化越小越好。
图 4. 半导体激光二极管峰值波长随温度的变化
Fig. 4. Semiconductor laser diode peak wavelength versus temperature
3.3 退化与寿命特性
任何半导体器件都会退化甚至损坏,半导体激光器也是如此,因此激光器的退化机制和延长寿命一直是激光二极管的重要研究课题。随着对退化机制认识的不断深入和外延生长等制作工艺的进步,如今激光器的寿命已经得到了极大的改善。半导体激光器的退化坑可分为灾变性损坏、快退化和慢退化三种[13]。为了解决上述问题,可采用加大出光面积、选择适当的工作电流、避免过高的输出功率、端面蒸镀增透介质膜、减少端面处光吸收、加强热沉散热,以及降低器件发热等措施。
有两种定义工作寿命的方法[14]:1)当激光器在额定工作电流下连续工作时,输出功率下降到原始值的80%所需的时间;2)当激光器在额定功率下连续工作时,工作电流上升到原始值的120%所需的时间。前者采用恒流控制,后者采用恒功率控制。本文采用第一种方法对器件进行加速老化测试,额定工作电流If=14 A,老化温度T=20 ℃,其结果如
4 结论
本文从9XX nm半导体激光二极管的外延结构出发,通过在有源区两侧势垒层和波导层之间各引入一层高禁带宽度的GaAsP,抑制了器件高功率输出时有源区载流子的泄漏,提高了激光器输出功率,改善了器件稳定性。重点分析了器件的光电特性、温度特性,及退化与寿命特性。结果显示:通过调整外延结构,器件热饱和功率得到了显著的提升;在10~40 ℃温度范围内器件特征温度从原来的150 K提高至197.37 K(-75.76 ℃);条宽200 μm、腔长2000 μm的激光二极管可靠性工作的最大输出功率高达14.4 W,工作寿命长达20000 h以上。
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