有铝激光器和无铝激光器特征温度对比研究

有铝激光器和无铝激光器特征温度对比研究

李雅静1,彭海涛2

(1.咸阳师范学院 物理与电子工程学院,陕西 咸阳712000;2.中国电子科技集团公司第13研究所,河北 石家庄050051)

摘要为了测量两种有源区材料半导体激光器的温度灵敏度,文中对InGaAsP/GaAs无铝和AlGaInAs/AlGaAs/GaAs有铝的808 nm大功率半导体激光器,采用阈值电流法衡量两种有源区材料激光器的特征温度。在各种温度下实验性地测量激光器的P-I曲线,并采用线性拟合法得到阈值温度线性关系,实验结果表明有铝激光器温度性能明显优于无铝激光器。

关键词有铝激光器;无铝激光器;特征温度;阈值电流法

收稿日期:2015-04-08

基金项目:咸阳师范学院专项科研基金资助项目(12XSYK016)

作者简介:李雅静(1983—),女,硕士,助教。研究方向:大功率半导体激光器。E-mail:jawson-78@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.045

中图分类号TN248.4

Study on Characteristic Temperature of Al-containing andAl-free High Power Semiconductor Laser Diodes

LI Yajing1,PENG Haitao2

(1.School of Physics & Electronic Engineering,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China;

2.The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

AbstractAt present,AlGaInAs and InGaAsP have been mainly used in 808 nm high-power laser diode active layer,and the semiconductor laser is very sensitive to temperature.In order to measure the temperature sensitivity of two active layer material LDs,the threshold current method are used for 808 nm high power Al-free InGaAsP/GaAs lasers and Al-containing AlGaInAs/AlGaAs/GaAs lasers to measure the characteristic temperature.We test the P-I curves at various temperatures and obtain the linear relationship between the threshold current and temperature by linear fitting.Experimental results show that the temperature properties of aluminum laser are better than those of the Al-free laser.

KeywordsAl-containing LD;Al-free LD;characteristic temperature;threshold current method

LD 是高效率的电子—光子转化器件,但由于不可避免的存在各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制,造成注入到器件的相当一部分电功率将转换成热能耗散在LD内,引起有源区温升。在 LD 性能表征测试时,首先必须要求激光器处于发光状态。因此,研究LD的热特性,分析热对器件性能的影响,对于准确把握器件性能的温度依赖性,以及测试过程热抑制措施的实施等方面均具有重要意义,且对于LD的器件设计与优化,包括有源区的结构、器件的封装方式和散热等,也具有重要的指导意义[1-3]。

1阈值电流法

半导体激光器工作时的温升是影响器件寿命及可靠性的重要因素。激光器内部产生的热在激光器直流工作时是一个引人注意的焦点。所谓结温,按其标准定义为:基于半导体器件的热电关系,通过电测量得到的PN结温度。一般半导体激光器的PN结温度可通过一些常规的实验方法进行测量,也可根据构成PN结不同材料的一些光学或电学参数进行测量,这些温敏参数随温度而变化,文中可利用此变化间接地反映芯片温度[4-6]。

半导体激光器结温升高,阈值电流也会随之变化,利用此特性可进行结温的测量。为了保证测量电流不影响环境温度,令激光器在一短脉冲下工作,并维持管芯处于恒定温度,测量此时的阈值电流值,以此为基准,测量连续工作状态下激光器的阈值电流[7-8]。

特征温度T0是衡量激光器对温度灵敏度的一对参数。较高的T0意味着当温度快速增加时,激光器的阈值电流增大较慢。也可将T0解释为激光器的热稳定性。测量方法是:在各种温度下实验地测量激光器的P-I曲线,芯片温升由下式决定,由此可计算T0的值[9-10]。

(1)

式中,T0是激光器的特征温度;Jth是阈值电流密度,单位为A/cm2,Jth(Tr)是不同温度下的阈值电流密度。

2实验结果与分析

实验中制作的样品为波长808 nm的无Al 和有Al激光器,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,其器件的结构均为氧化物条形分别限制异质结构(SCH-SQW)。使用溅射方法在外延片表面沉积一层SiO2,然后用标准的光刻技术在SiO2表面刻蚀出100 μm宽的条形窗口。在外延片的p侧沉积TiPtAu,从衬底一侧减薄到约100 μm后,在n型一侧沉积AuGeNi,400 ℃条件下合金1 min,腔面镀膜(前后腔面的反射率分别为5%和95%),综合解理,将筛选出的管芯p面向下固定在蒸In的热沉上,热沉固定于TO-3 管壳上并封装。

选取封装好的有铝激光器和无铝激光器单管分别在10 ℃,20 ℃,25 ℃,30 ℃,35 ℃,40 ℃,45 ℃,50 ℃,55 ℃,60 ℃下进行P-I测试,测试结果如图1所示。

图1　不同温度下P-I特性曲线图

因此得到有铝激光器和无铝激光器的阈值电流,如表1所示。

表1　有铝激光器不同温度下阈值电流测试结果

表2　无铝激光器不同温度下阈值电流测试结果

采用线性拟和法得到有铝激光器和无铝激光器的特征温度T0,拟和曲线如图2所示。

图2　特征温度拟和曲线

由拟和曲线得到半导体激光器单管的特征温度T0如下

(2)

(3)

综上所述,通过对上述激光器单管进行了特征温度测试,数据处理后得到激光器单管的特征温度T0,无铝激光器温度特性T0明显小于有铝激光器。两种材料的激光器芯片结构及制作工艺均相同,可见影响其温度特性差异的主要原因来自有源区载流子泄漏。有铝激光器较之无铝激光器能有效地将载流子限制在有源区中,GaAsP材料的带隙差主要落在价带,导致电子的限制能力变差减少漏电流,从而可大幅提高载流子的跃迁几率,降低阈值电流。

3结束语

本文对InGaAsP/GaAs无铝和AlGaInAs/AlGaAs/GaAs有铝的808 nm大功率半导体激光器采用阈值电流法测量两种有源区材料激光器的特征温度。分别在10 ℃,20 ℃,25 ℃,30 ℃,35 ℃,40 ℃,45 ℃,50 ℃,55 ℃,60 ℃的温度下测量激光器的P-I曲线,并采用线性拟合法得到阈值温度线性关系,实验结果得到有铝激光器特征温度为158.73 ℃高于无铝激光器的135.14 ℃,并从材料禁带宽度角度分析了造成此结果的可能原因。

参考文献

[1]朱洪波,刘云,郝明明,等.高效率半导体激光器光纤耦合模块[J].发光学报,2011,32(11):1147-1151.

[2]裘利平,郭伟玲,罗丹,等.大功率980 nm InGaAs/InGaAsP/InGaP激光器热特性[J].中国激光,2009,36(6):1356-1359.

[3]刘迪,宁永强,张金龙,等.高功率InGaAs/GaAsP应变量子阱垂直腔面发射激光器列阵[J].光学精密工程,2012,20(10):2147-2153.

[4]Qiao Yanbin,Chen Yanning,Zhao Dongyan,et al.Thermal crosstalk characteristics in high-power 808 nm AlGaAs/GaAs laser diode bars[J].Infrared Millim Waves,2015,34(1):10-14.

[5]李再金,芦鹏,李特,等.1.06 μm InGaAs/InGaAsP 量子阱半导体激光器的温度特性[J].发光学报,2012,33(6):647-650.

[6]Zhang Lisen,Ning Yongqiang,Zeng Yugang,et al.Design of active region for watt-level VCSEL at 1060 nm[J].Chinese Journal of Luminescence,2012,33(7):774-779.

[7]杜伟华,杨红伟,陈国鹰,等.808 nm半导体激光器的腔面反射率设计[J].光电工程,2008,35(9):41-44.

[8]何国荣,沈文娟,王青,等.高功率980nm垂直腔面发射激光器的温度特性[J].红外与激光工程,2010,39(1):57-60.

[9]梁雪梅,秦莉,王烨,等.808 nm边发射二极管激光器特征温度[J].光学学报,2010,30(5):1390-1396．

[10]江剑平.半导体激光器[M].北京:电子工业出版社,2000.

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