GaAs基980 nm高功率半导体激光器的研究进展

胡雪莹，董海亮，贾志刚，张爱琴，梁 建，许并社,4

(1.太原理工大学，新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原 030024；2．太原理工大学轻纺工程学院，太原 030024；3．太原理工大学材料科学与工程学院，太原 030024；4．陕西科技大学，材料原子分子科学研究所，西安 710021)

0 引 言

在医疗、工业和军事应用中都需要用到轻量、可靠、高效的高功率半导体激光器。与其他材料的激光器相比，InGaAs应变量子阱结构的半导体激光器由于其阈值电流密度低、温度特性好、功率密度高、电光转换效率高等特性而得到了广泛应用。半导体激光器与其他材料的900 nm以上波长范围激光器功率和电光转化效率对比数据，如表1所示[1-4]。虽然应变结构提高了激光器性能，但对于高功率激光器，其光电性能、散热性能和光束质量还需大幅度提升，在外延结构的设计和制备、光学灾变损伤(catastrophic optical damage, COD)阈值的改善和散热效率的提高等方面都存在瓶颈，电光转换效率(wall-plug efficiency, WPE)较低的弊病仍需解决。我国高功率半导体激光器的研究起步较晚，在优化激光器性能、开发新结构和拓展应用领域上都与国际顶尖水平存在差距[5]。提高半导体激光器综合性能对我国发展自主集成高功率半导体技术，推动激光科技创新升级具有重要意义。

本文从InGaAs激光器的历史发展，影响激光器综合性能的因素和改进方法，外延结构、芯片结构和热沉封装结构设计，发展前景等方面对高功率InGaAs量子阱激光器进行了综述。

表1 不同种类900 nm以上波长范围激光器性能对比[1-4]Table 1 Performance comparison of different laser with wavelength range above 900 nm[1-4]

1 高功率InGaAs量子阱激光器历史发展

1984年，Laidig等首次制备了InGaAs/GaAs应变量子阱激光器。1991年，Welch等[6]实现了980 nm波长InGaAs/GaAs垂直腔面发射激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VCSEL)室温条件下的连续稳定输出。1994年，Fan等[7]实现了多量子阱InGaAs激光器1.05 W输出。2004年Chilla等[8]设计了垂直外腔面发射激光器结构，980 nm CW输出功率达30 W。2007年，美国JSDU公司开发了波长910～980 nm的激光器迭阵，输出功率达480 W，室温下WPE达73%[9]。2013年，德国Laserline公司研发的大功率光纤耦合产品，连续输出功率达到45 kW[4]。2016年，本课题组制备的980 nm非对称宽波导结构的激光器占空比为20%，注入电流为4 A时，单管连续输出功率为4.1 W[10]。2018年，郑婉华课题组设计了980 nm非对称超大光腔脊波导激光器，注入电流为2 A时单管实现了1.9 W的连续输出，横向和垂直方向的光束质量因子分别为1.77和1.47[9]。图1给出了国内外大功率激光器单管输出功率研究进展[11]。

图1 大功半导体激光器单管输出功率发展[11]Fig.1 Development of single-emitter output power of high-power semiconductor lasers[11]

2 激光器外延结构对光电性能的影响

室温连续高功率输出是半导体激光器可以得到广泛应用的前提，目前高功率半导体激光器的电光转换效率在50%左右，提高输出功率、改善光束特性是高功率激光器发展中的关键问题。

2.1 提高激光器的输出功率

提高激光器输出功率的思路有：提高器件的量子效率及WPE，减小光学限制因子Γ，减少载流子损耗，提高COD阈值。具体措施包括优化有源区结构、使用无吸收窗口技术、腔面钝化和镀膜等。

最初应变量子阱结构的有源区多为单量子阱，2000年Ke等制备了InGaAs/GaAs单量子阱脊波导激光器，外量子效率为0.31 W/A，斜率效率为0.37 W/A[12]。2005年Gao等[13]设计的单量子阱斜率效率达1.14 W/A，转换效率31.7%。应变补偿结构具有更小的应变量、更深的势阱和更大的临界厚度，进一步提高了载流子限制能力。2020年袁庆贺等[14]设计了具有GaAsP阻挡层的9XX nm激光器，最大WPE 71.8%、斜率效率提高到1.21 W/A。近年来无铝有源区因不易氧化的特性而受到重视，但无铝结构载流子泄漏严重，斜率效率低且在大电流注入时易跳模和波长红移[15]，尚无法实现高功率稳定单模输出。图2的量子阱点(quantum well-dots, QWDs)结构具有高增益和低弹性应力的优点[16]，2019年，Kornyshov等[17]设计的980 nm QWDs耦合大光腔激光器内损耗仅为0.5 cm-1，远场特性良好且波长稳定，连续输出功率超过13 W。2020年Su等[18]设计的DETA掺杂WS2QWDs结构使PL强度提高六倍，QWDs结构有望大幅增加载流子注入效率，或成为下一代高功率高性能激光器的发展方向。

要在提高输出功率的同时避免COD，一是要抑制腔面应变弛豫，防止带隙收缩；二是要降低腔面载流子密度。无吸收窗口技术提高COD水平的形式有两种：量子阱混杂和窗口非注入区工艺[19]。

量子阱混杂技术通过互扩散使带隙变宽，从而抵消带隙收缩。1998年Xu等[20]使用无杂质空位诱导技术制备了无吸收窗口，通过SiO2和SrF2薄膜控制量子阱混杂程度，使激光器最大输出功率提高36%。2013年Zhou等[21]通过无杂质空位诱导，使InGaAs/GaAsP激光器COD水平提高16%。相比无杂质空位诱导，Si杂质诱导效率更高，2020年马骁宇等使用该技术使波长蓝移93 nm[22]，证明杂质诱导可用于提高COD水平，但目前该技术成本较高，需采用掺杂等方式降低成本。窗口非注入是引入电流非注入区，降低腔面载流子密度的技术，包括加入介质阻挡层、离子注入和腐蚀掺杂层。1994年Sagawa和Hiramoto等[23]设计了25 μm介质阻挡层，使激光器最大输出功率从350 mW提高至466 mW。2003年刘斌等[24]使用质子注入法制备了腔面载流子非注入区，使COD阈值功率和最大输出功率提高超过50%。2014年张松等[25]通过湿法腐蚀引入侧向电流非注入区，在注入电流30 A时，COD功率从18 W提高至22 W。2019年，Arslan等[26]发现非注入窗口区在不影响高功率输出的条件下可使腔面温度降低40%，为该技术在高功率激光器中的使用提供了依据。窗口非注入区宽度和腐蚀深度都很小，所以提高刻蚀工艺精度，减小COD水平对非注入区体积的敏感度，是采用窗口非注入工艺提高COD水平的发展方向。

腔面钝化是指去除腔面解理引入的杂质并形成钝化层，从而降低腔面载流子密度。腔面镀膜是指在钝化后的腔面上镀不同的薄膜，以保护解理腔面和改变腔面反射率。

腔面钝化包括干法和湿法两种方法。1983年Lindstrom和Tihanyi提出了真空离子束干法钝化的概念[27]，2003年程东明等[28]使用P2S5/NH4OH与(NH4)2Sx溶液化学钝化，COD功率从600 mW提高至1 500 mW。2019年赵懿昊等[29]设计了真空解理钝化工艺，器件输出功率比在空气中解理后钝化的激光器提高23%，但成本问题制约着真空解理钝化技术的推广。腔面镀膜由前腔面的减反射膜(增透膜)和后腔面的高反射率膜(高反膜)组成，其中高反膜反射率>90%，是腔面镀膜的主要部分。2005年舒雄文等[30]采用离子辅助镀SiO2/TiO2高反膜和Al2O3增透膜，外量子效率提高77%。2013年刘磊[31]设计了Al2O3/TiO2/SiO2高反膜系，器件斜率效率从0.49 W/A提高至0.91 W/A，出光功率从0.70 W提高至1 W。增透膜的作用是消除杂散光，提高器件透光率。2016年许留洋[32]设计了等离子钝化AlN增透膜，COD阈值功率从3.0 W提高至6.1 W。2020年崔碧峰等[33]发现张应力状态Al2O3增透膜比常规压应力状态斜率效率和热饱和功率更高，为腔面膜优化提出了新思路。

2.2 光束特性改善

激光器的光束特性用式(1)的M2因子来评价，其中ω为束腰半径，θ为远场发散角半角，λ为波长。ω在快轴上受折射率导引和反导引效应共同作用，变化较小，在慢轴上与条宽相关。因此，减小θ是改善光束质量的主要方式[34]，其方法主要包括大光腔波导结构(large optical cavity, LOC)、纵向光子带波导(longitudinal photonic band crystal, LPBC)和插入模式扩展层等。

(1)

LOC理论是1983年由Tsang和Olsson提出的[35]，这种结构可以减小垂直发射角，但波导层过厚会引起高阶激射和载流子泄漏。因为空穴对光吸收损耗更强，所以应减小P层厚度。2010年胡理科等[36]设计了去除P波导层的LOC结构，远场发散角降至16.1°(θ⊥)×10.2°(θ∥)。去除P波导层会导致模式竞争，因此需适当保留。2013年李建军等[37]设计了N波导层1.15 μm、P波导层0.85 μm的980 nm激光器，单模工作远场发散角为24°(θ⊥)×6.6°(θ∥)。2017年Serin等[38]设计了4.8 μm 耦合大光腔结构，远场垂直发散角为14°，基本接近衍射极限。2018年Zhao等[39]设计了为5.2 μm厚的超大光腔波导层，其中P波导层厚度为700 nm，其远场发散角为11.5°(θ⊥)×6.8°(θ∥)。

LPBC由折射率不同的介电材料交替生长组成，能有效抑制光波发散，降低器件发散角。2003年Maximov等[40]设计了远场垂直发散角为6°的LPBC激光器，2008年Novikov等[41]设计的16.5 μm LPBC激光器在1.3 W连续输出时的远场垂直发散角小于5°。2013年，汪丽杰[42]设计了如图3所示的单横模特性稳定的布拉格反射PBC双光束激光器，单束激光远场发散角7.2°×5.4°，连续输出功率2.6 W。2019年Yoshida等[43]设计的光子晶体表面发射激光器(photonic crystal surface emitting lasers, PCSELs)输出功率10 W时远场垂直发散角小于0.3°，充分体现了光子晶体减小发散角、增加输出功率的优势。目前国内对于PCSELs的研究较少，LPBC和PCSELs的发展目标在于简化生长工艺和进一步优化其结构和性能。

LOC结构阈值电流相对较大，LPBC成本相对更高。模式扩展层是指在限制层中加入一段波导层，通过诱导近场光波模式扩展减小限制因子和远场发散角[44]。1996年Yen和Lee在InGaAs激光器单管中引入了100 nm的模式扩展层[45]，2006年，王晓燕等[46]设计了Al0.5Ga0.5As模式扩展层，输出功率75 W时远场垂直发散角为25°。2018年李林等[47]通过在模式扩展层和中心波导之间引入低折射率层，使远场垂直发散角为18°且阈值电流密度仅为173 A/cm2。

图2 QWDs结构示意图[16]Fig.2 Structure diagram of QWDs[16]

图3 纵向光子带晶体激光器结构示意图[42]Fig.3 Schematic diagram of LPBC structure[42]

3 激光器芯片结构设计

宽条形激光器虽然可以通过增大脊波导宽度提高输出功率，但会面临高阶模激射和COD等问题。为了实现高功率高光束质量输出，以下四种新型激光器结构逐渐成为研究热点。

3.1 分布反馈半导体激光器(distributed feedback, DFB)

DFB是一种将Bragg光栅刻在腔内的激光器，其发射波长稳定，远场发散角小。1997年Jeon等[48]采用一次外延制备了980 nm DFB激光器，远场发散角11.7°×17.8°，连续输出功率70 mW。2005年Wenzel等[49]设计了超大光腔波导结构DFB，斜率效率达到1 W/A，输出功率500 mW。二次外延是在刻蚀好的布拉格光栅上外延生长覆盖层、上限制层和欧姆接触层的技术。2011年FBH研究所通过二次外延生长制备了图4所示的976 nm DFB激光器，其WPE大于60%、10 W连续输出寿命5 000 h、光谱宽度小于1 nm[50]。二次外延生长时间长，这不仅损害材料质量，也降低了激光器的灵敏度。2017年Decker等[51]设计了直接在外延结构上刻蚀的非均匀光栅结构，2019年邱橙等[52]设计了无须二次外延的增益耦合式DFB结构，这些一次外延DFB光束质量较好，但输出功率仍低于常规二次外延DFB，提高一次外延DFB的输出功率和阈值，是DFB的发展方向。

3.2 分布布拉格反射激光器(distributed Bragg reflector, DBR)

DFB和DBR都有内置布拉格光栅，不同点在于DFB的光栅在谐振腔中，而DBR的光栅在谐振腔的一端或两端且不用二次外延，制造工艺更简单。Parke和O′Brien于1992年设计了971.9 nm波长的边发射DBR，连续输出功率110 mW，斜率效率0.35～0.47 W/A[53]。为了在保证波长稳定的情况下增大输出功率，人们对DBR的结构进行了改进。2009年Fiebig等[54]设计了全展开角为6°的锥形DBR，工作波长为980 nm，最大输出功率12 W，远场垂直发散角小于15°。2011年Reddy设计了增益导带中心具有两个DBR刻蚀光栅的双波长DBR，可同时输出968 nm和976.8 nm两种稳定波长，为DBR激光器高功率多波长输出奠定了基础[55]。2020年Paoletti等[56]设计了10空间复用多发射极DBR，可在920 nm范围多波长输出，功率达100 W且制备工艺简单，多波长输出DBR激光器将成为高功率DBR激光器的发展趋势。

图4 DFB激光器结构示意图[50]Fig.4 Schematic diagram of DFB structure[50]

3.3 垂直腔面发射激光器

如图5所示，VCSEL有顶发射和底发射两种结构，具有阈值电流低、电光转换效率高、发散角小的优点。1990年Ceels和Coldren实现了980 nm VCSEL的室温连续输出，阈值电流0.7 mA[57]。2001年Miller等[58]制备了由19个单器件组成的VCSEL阵列，室温连续输出功率1.08 W，证明了VCSEL阵列高功率稳定输出的特性。2008年Princeton Optronics公司设计了5 mm VCSEL阵列，其最高WPE 51%，最大输出功率231 W，为当时世界上最高水平[59]。2018年Warren等[60]使用背面发射VCSEL阵列芯片技术制造的150单元VCSEL阵列，峰值输出功率400 W，远场垂直发散角15°。Czyszanowski等2017年提出了半导体-金属亚波长光栅代替P-DBR的改进方案。亚波长光栅具有光耦合和电注入功能，且其厚度更小，偏振特性和热电性能更优，但存在阈值较高和自身光吸收大的问题[61]。垂直外腔面发射激光器光束质量更好，2020年张建伟等[62]设计了垂直外腔面发射激光器，远场发散角为9.2°×9.0°，光斑均匀分布，但输出功率尚不及VCSEL。目前Philips Photonics等公司已在智能手机、传感器等领域实现了VCSEL商业化，我国光迅科技做到了VCSEL在光通讯方面的实用化，但在消费电子领域，国内厂商尚未实现量产[63]。

图5 两种不同的VCSEL结构示意图Fig.5 Schematic diagram of two different VCSEL structures

4 热沉封装设计及其对器件性能的影响

高功率输出不仅需要性能优秀的激光器芯片，也需要对热沉封装进行合理的设计。根据Shen等的研究，芯片热阻只占LD总热阻的35.7%，约64%的热阻来自热沉、焊接和封装[64]。废热影响了器件性能，加速了器件老化，低热阻、高散热效率的热沉封装结构产热少，可以为芯片高效散热，提高激光器的功率和使用寿命。

4.1 热沉材料设计

热沉应做到热导率较大和热膨胀系数匹配。Cu导热和加工性能良好，是常用的金属热沉材料，但热膨胀系数与GaAs相差较大。次热沉的使用减少了Cu和芯片之间的热膨胀系数不匹配，2013年Zhao等[65]在铜热沉与芯片之间引入了微通道AlN次热沉，使热阻减小80%。AlN虽然能减小热阻，但制备工艺较合金更复杂，2019年石琳琳等[66]设计了CuW次热沉和石墨辅助热沉结构，将过渡热沉尺寸从2.0 mm减小至0.6 mm的同时，结温从338.9 K降低至334.9 K。对于功率更高的半导体激光器，陶瓷热沉散热效果不佳，合金材料又易腐蚀，因此科研人员引入了热导率更高且更稳定的金刚石热沉。1996年Weiss等[67]首次将CVD金刚石膜用作激光器热沉，器件斜率效率为1 W/A。2003年潘存海等[68]设计了金刚石膜/Ti/Ni/Au金属化体系热沉，热阻为AlN热沉的40%。2016年Parashchuk[69]发现金刚石热沉能使激光器斜率效率提高1.5～2倍，工作电流范围扩大2～3倍。2019年，王鲁华[70]设计的Cu/diamond(Ti)复合材料热导率高达811 W/(m·K)，热膨胀系数与GaAs极为接近，有望成为新一代热沉封装材料。

4.2 热沉封装结构设计

封装包括芯片封装和保护壳封装，不仅可以形成闭合电路、保护芯片，也是芯片散热的重要方式。芯片封装是将芯片直接焊接在热沉上，主要包括C-mount和F-mount封装[71]，结构如图6所示。C-mount成本低廉、工艺成熟，但体积较大且使用功率较小。F-mount封装将芯片、次热沉和铜热沉垂直组装，其散热路径更短、散热效率更高。2010年张彦鑫等[72]设计的F-mount结构WPE为55%；2015年Bezotosnyi等[73]将F-mount应用在980 nm激光器上，COD阈值从20 W提高至28 W，15 W连续输出时的WPE达65%。2020年Wu等[74]设计了由两层铜板和高热导率夹层组成的“三明治”热沉，与常规F-mount相比热阻降低了27.4%。

保护壳封装是如微通道热沉等将芯片焊在热沉的某一部分上并密封保护的结构。1988年Mundinger等[75]发明了硅微通道热沉，2005年刘云等[76]改进为五层无氧铜微通道热沉，热阻为4.982×10-3K·cm2/W。2015年范嗣强[77]设计了具有微蒸发腔和多通道毛细管层的微通道结构，采用R134a相变制冷，100 W巴条最高温度仅为305 K。2019年，Shen等[78]设计了微通道和射流狭缝混合热沉，通过射流冲击使激光器阵列热阻降低15%，WPE达到64.2%。喷雾冷却、液态金属冷却等新兴散热方式能够高效散热，如2009年美国RNIN公司使用喷雾冷却和热存储技术成功为150 kW级的高能激光散热；2010年John等[79]使用In-Ga液态合金作为冷却剂，导热效率提高了28倍，但均存在技术不成熟、普适性差等问题。

图6 两种不同封装结构示意图[71]Fig.6 Schematic diagram of two different mount structures[71]

5 结语与展望

本文从980 nm InGaAs高功率量子阱激光器的历史发展和影响InGaAs激光器性能的问题及改进方法方面进行了综述。在外延结构方面，应变补偿量子阱、无吸收窗口、腔面钝化和镀膜解决了有源区晶格不匹配、载流子泄漏严重的问题，使激光器输出功率和电光转换效率不断提高；大光腔非对称波导、光子晶体和模式扩展层的发展提高了光束的对称性，出光质量得到改善。新型芯片结构提升了激光器的输出功率和光束特性；热沉封装技术的发展增强了激光器的可靠性，推动了高功率激光器的集成和工业化生产。

未来高功率980 nm半导体激光器的发展方向主要有：(1)改进芯片结构和外延生长技术。发展新式激光器结构，降低腔内损耗和阈值电流，提高输出功率和转换效率，并简化制备工艺。(2)发展激光器的热沉封装技术。开发热导率更高的热沉材料和性能更稳定的封装结构，避免封装结构的产热影响器件可靠性和输出功率。(3)发展光学矫正技术。实现快慢轴出光质量相同，获得发散角更小、对称性更好的光斑和更准直的光束。(4)发展高度集成化技术，使高功率激光器向轻型化发展。