980 nm大光腔单发光条大功率LD失效分析

凌小涵，崔碧峰，张 松，王晓玲，刘梦涵，何 新

(北京市光电子技术实验室 北京工业大学，北京100124)

1 引言

在激光技术的发展中，半导体激光器由于体积小、重量轻、寿命长、电光转换效率高、覆盖的波段范围广、价格便宜等优点，使得半导体激光器得到了广泛的应用。980 nm大功率半导体激光器作为固体激光器或光纤激光器的抽运源具有重要的应用价值［1］。由于半导体激光器在应用中成为一个基本元器件，而器件的可靠性成为各种应用中的一个决定性因素，因此通过可靠性和寿命测试研究器件的失效原因已成为当前的热点［2］。大功率半导体激光器的失效可以分为早期失效、缓慢失效以及突然失效。腔面烧毁又称为灾变性光学烧毁(COD)或者灾变性光学镜面烧毁(COMD)，具有一定随机性，对激光器的使用十分不利，因此解决腔面烧毁失效尤其重要［1，3］。

本文对980 nm大光腔大功率半导体激光器芯片进行了外延生长。从制备好的器件中随机抽取9个巴条，每个巴条可解理出20个单管，即180只半导体激光器单管，进行封装测试。经过64 h老化测试，其中72只器件性能稳定，108只器件失效，成品率达到40%。通过对失效器件的数据分析，发现膜的撕裂对于器件的稳定性产生了重要影响。

2 器件结构

本文研究的是在GaAs衬底上用MOCVD技术生长的单量子阱大功率半导体激光器，选用In-GaAs/GaAs/AlGaAs系材料制备芯片外延结构。为了提高半导体激光器腔面的COD阈值，实验采用非对称超大光腔波导结构。

首先进行器件的MOCVD外延设计生长，其中n型和p型限制层是Al0．3Ga0．7As材料;波导层是总厚度为2μm的Al0．1Ga0．9As，综合考虑高阶模的抑制及阈值光增益的降低，采用ΔW=300 nm的非对称超大光腔波导结构，即n侧波导层厚度为1．15μm，p侧波导层厚度为0．85μm;使用In0．2Ga0．8As量子阱材料作为有源层，厚度为7 nm，器件的外延结构如图1所示。

图1 大功率半导体激光器外延结构

外延过程中，Ⅲ族源是TMAl，TMGa和TMIn，V族源是100%的AsH3，载气是经钯管纯化后的高纯H2，n型掺杂源是经H2稀释的SiH4，p型掺杂源是CCl4。反应室的压力约为8000 Pa，衬底转速为1000 r/min，有源区的生长温度为575℃。根据设计的芯片外延结构，采用软件模拟了器件光束的近场分布，如图2所示，可以观察到器件是非对称大光腔结构［4］。外延生长结束后，进行宽条脊型器件制备，先腐蚀形成高度为300 nm的脊型台，脊型台宽度为100μm，然后腐蚀窗口区，用来提高COD阈值。再溅射200 nm的SiO2并光刻形成95μm的p型电极孔，接着溅射Ti/Pt/Au作为p型电极，然后减薄衬底至120μm并溅射AuGeNi/Au作为n面电极，在450℃条件下快速合金退火1 min。之后对芯片进行腔面膜的镀制(前后腔面的反射率分别为7%和91．7%)。

图2 非对称大光腔波导结构的折射率和近场分布

3 失效原因分析

半导体激光器的管芯极小，工作电流密度和光功率密度很高，从而引起器件性能的退化。而且半导体激光器的腔面是用解理工艺形成的，腔面本身受到环境条件影响而污染也会也会导致激光器性能退化。这些都是器件本身的性能缺陷，是无法避免的。本实验中大功率半导体激光器由于其输出功率大、产生的热量多，易使器件烧毁，所以更加重视腔面的烧毁阈值。为提高大功率半导体激光器的器件性能，分别在腔面镀制高反膜和增透膜。腔面镀膜不但可以降低阈值电流、提高斜率效率、增大光功率，还可以有效地降低器件的烧毁率。本文重点分析腔面镀膜后的大功率半导体激光器的失效原因，并得出镀膜分离巴条时产生的膜撕裂时造成器件烧毁的主要原因［5－7］。

实验过程中器件失效原因主要有以下方面:

(1)封装对器件产生的影响

①焊料攀爬造成的腔面退化［8－9］。实验采用的是金锡焊料封装，更有益于激光器散热。对于烧毁的激光器，分析其腔面有源区的元素成分。图3(a)所示是在扫描电镜下观察放大后激光器的腔面，通过图3(b)显示有源区成分分析，发现有源区有Au的存在，说明金锡焊料攀爬，大量的Au黏附在膜的表层，使得出光面热量分布不均匀，造成器件烧毁。

图3 扫描电镜下腔面烧毁放大结构

②管芯摆放不正造成的腔面退化［10－12］。封装时管芯出光一侧的腔面与热沉的边缘未对齐，使得激光光束不对称、不均匀，降低了激光器光束质量;还会造成管芯受热不均匀，局部过热，加速了器件的烧毁。如图4所示，在扫描电镜下可观察到热沉部分图像清晰，而激光器腔面部分图像模糊，可见是管芯与热沉未对齐，造成热沉与管芯不在同一高度上，形成腔面模糊图像。

图4 扫描电镜下腔面图像

(2)镀膜对器件产生的影响

①本实验先将芯片解离为巴条，一个巴条上分布20个激光器单管，然后进行腔面镀膜，由于巴条在夹具内紧密排列，分离时会造成膜的撕裂。撕裂部位如果靠近有源区就会造成器件烧毁。如图5所示，对9个巴条的单管进行封装测试，发现巴条1、6、7、8、9的管芯初测，烧毁的激光器个数较少，剩余器件老化后性能也较为稳定，说明膜较为完好，器件性能稳定;而巴条2、3、4、5初测时器件烧毁情况严重，剩余器件老化后基本全部烧毁。说明膜撕裂造成了整个巴条的损坏，使得整条激光器性能降低。图6所示为显微镜下腔面图片，可以观察到出光面的上下两侧都有膜破损的情况，说明在分离巴条时确实造成了膜的撕裂。

②镀膜过程中引入的损伤。在激光器出光两侧分别镀制高反膜和增透膜，其中增透膜的主要成份是Al2O3。将老化后烧毁的激光器用碱液去掉增透膜，再用扫描电镜(SEM)观察。如图7所示，发现腔面还是存留了少部分的Al原子。说明在镀膜的过程中，电子束蒸发后经离子源加速的膜材料有一定的能量打在腔面上，造成了腔面的损伤，加速了有源区烧毁。

图5 不同巴条老化测试后烧毁情况

图6 显微镜下膜撕裂图片

图7 扫描电镜下去膜后腔面残留的Al离子

4 结论

实验采用大光腔结构、真空解理镀膜、腔面非注入区技术制备了980 nm单发光条大功率半导体激光器。对抽取的180只半导体激光器封装后进行老化测试，经过64 h电老化，得到功率基本未发生变化的器件有72只，综合成品率达到40%。对老化过程中失效器件进行分析可得，镀膜后分离巴条产生的膜撕裂是激光器烧毁的主要原因，并重点分析了膜撕裂对器件产生的影响。

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