高可靠性无铝有源层808 nm半导体激光器泵浦源

刘 鹏，朱 振，陈 康，王荣堃，夏 伟,3，徐现刚,

(1.山东大学，新一代半导体材料研究院，晶体材料国家重点实验室，济南 250100；2.山东华光光电子股份有限公司，济南 250101； 3.济南大学物理科学与技术学院，济南 250022)

0 引 言

半导体激光器具有体积小、质量轻、效率高及易于集成等优点，在工业加工、智能传感、医养健康及固体和光纤激光器泵浦源等方面有着重要应用。其中808 nm半导体激光器是Nd掺杂YAG固体激光器的理想泵浦源，被广泛用于精细加工、雷达测距等领域[1-2]。除了激光器的功率和效率，可靠性是实际应用中最为关注的性能。随着激光器输出功率越来越高，灾变性光学损伤(COD)成为影响半导体激光器可靠性及寿命的关键因素。这和激光器的材料生长和腔面处理有直接关系。由于AlGaAs材料生长工艺比较成熟，目前808 nm激光器大部分使用AlGaInAs/AlGaAs作为有源层。但是含铝材料不稳定，极易氧化形成缺陷并在材料内部延伸造成器件失效。国际上，大功率808 nm激光器一般都在腔面做特殊处理来控制缺陷的产生或延伸，如美国II VI公司的E2工艺[3]，德国FBH研究所的H离子清洗工艺[4]。但特殊处理会带来复杂的工艺问题，降低良率，给808 nm激光器的批量化生产增加难度。

本文通过量产型金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长了InGaAsP/GaInP结构的808 nm半导体激光器。由于有源区不含活泼性的铝元素，材料生长及腔面处理的工艺窗口较大，激光器的性能更加稳定和可靠。在15 A电流加速老化下，激光器工作4 200 h未出现功率衰减及COD现象，10 W工作寿命推测在40 000 h以上。

本文是继承和发扬了蒋民华院士“为晶体提供泵源”的指导思想，不忘初心，通过各单位多年持久的产学研紧密结合，坚持创新，在山东华光光电子股份有限公司实现了规模化量产，满足了市场需求。同时开发了630～1 100 nm波段的多种半导体激光器泵浦源，其中808 nm激光器由于具有优异的性能，是产业化较为成功的泵源之一。

1 实 验

1.1 激光器结构

如上所述，无铝结构的激光器在抑制体材料缺陷及提高腔面光学损伤方面有很多优势，但和传统的AlGaAs材料相比，InGaAsP/GaInP材料也有一些短板。根据JDSU的研究[5]，GaInP材料的热导率是0.08 W/(cm·K)，为Al0.25Ga0.75As材料的一半，而其相同掺杂浓度下的电导率也要低于AlGaAs材料，这会影响激光器的高功率和高转换效率输出。在激光器外延结构设计上采用双非对称结构，如表1所示，P侧GaInP波导层的厚度要小于N侧GaInP波导层的厚度，P型AlGaInP限制层的Al组分要高于N型AlGaInP限制层的Al组分。这不仅使光场偏向N区，降低空穴对光子的吸收，同时还能缩减P侧的外延层厚度，降低P区外延层的热阻及电阻。GaInP波导层中间为一层8 nm厚度的InGaAsP单量子阱。InGaAsP材料可以通过调节III族及V族原子的组分实现量子阱的压缩和伸张应变，进而得到不同的激光偏振模式。为获得更低的阈值电流密度，可以使用压应变的InGaAsP量子阱。

表1 808 nm激光器的外延结构Table 1 Epitaxial structure of 808 nm laser diode

为满足激光器耦合进入400 μm芯径的光纤的需求，激光器发光区的宽度设计为390 μm，周期为750 μm，腔长为2 mm。

1.2 激光器制备

外延材料生长使用量产型 MOCVD系统。衬底为偏向<111>A方向15°的GaAs(100)晶面，可以有效抑制GaInP材料的有序结构，增加材料生长窗口。III族有机源采用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和三甲基铟(TMIn)，V族源材料为砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)，N型掺杂为Si，P型掺杂为Mg。外延层生长过程的温度控制在600～700 ℃，反应室压力为104Pa。量子阱是整个激光器结构的核心，其生长质量决定了激光器的性能。InGaAsP为四元材料，且AsH3和PH3在不同生长条件下的分配系数差别较大，需要对量子阱的生长方式进行特殊设计。如图1所示，通过优化量子阱及两侧界面的生长温度及气流切换方式，得到界面陡峭的InGaAsP量子阱。外延层的结晶质量和表面状态也会影响激光器的性能参数。图2是经过优化后的单层GaInP的原子力显微镜(AFM)照片，可以看到外延层的表面非常平整，粗糙度Ra仅为0.13 nm，很接近外延生长前的GaAs衬底表面。

图1 GaInP/InGaAsP量子阱的TEM照片Fig.1 TEM image of GaInP/InGaAsP quantum well

图2 GaInP外延层的AFM照片Fig.2 AFM image of GaInP epitaxial layer

外延片生长完成以后进行芯片工艺的制作。使用湿法腐蚀工艺形成390 μm的宽条，并在宽条两侧覆盖SiO2绝缘膜，形成电流注入区。P面金属电极为Ti/Pt/Au，N面金属电极为Ge/Ni/Au。解理成2 mm腔长的巴条，使用电子束蒸发设备在前后腔面分别蒸镀5%的增透膜及98%的高反膜。解离成管芯，P面朝下烧结于AlN陶瓷材料的AuSn热沉上。

2 结果与讨论

为验证设计的外延结构及生长的材料质量，测试并计算了芯片的内量子效率和腔内损耗。将工艺晶片分别解理成1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm四种腔长的巴条，在未镀膜的条件下，利用脉冲电流分别测试它们的斜率效率和阈值电流，然后通过数值拟合，得到图3和4的曲线。通过计算得到芯片的内量子效率ηi为97%，光吸收损耗系数αi为1.1 cm-1，透明电流密度Jtr为96 A·cm-2，模式增益系数ΓG0为15 cm-1。这个结果同德国Jenoptik公司及FBH研究所报道的808 nm激光器结果是接近的[6-7]。

图3 外微分量子效率和腔长的拟合曲线Fig.3 Curve of external differential efficiency and cavity length

图4 阈值电流密度和腔长的拟合曲线Fig.4 Curve of threshold current density and cavity length

图5为封装后的808 nm激光器在25 ℃条件下的功率-电流-电压曲线。从图中可以看出，激光器的阈值电流为1.5 A，对应的阈值电流密度为192 A·cm-2。激光器的斜率效率为1.26 W/A，对应的外量子效率为82%。在10 A电流下，激光器的输出功率达到了10.5 W，电压1.82 V，转换效率为58%。

图6为热沉温度分别是25 ℃、35 ℃、45 ℃及55 ℃下的功率及电压曲线。随着温度增加，激光器的载流子溢出变得严重，阈值电流会增加，斜率效率会下降。由于P型限制层使用了高带隙的AlGaInP材料，高温下可以很好地将载流子限制在有源区内，激光器在55 ℃及10 A电流下的输出功率仍达到了9.3 W，具有较好的温度特性。

图7是激光器在10 A电流下测试的光谱曲线。其峰值波长为807.9 nm，光谱的半高宽(FWHM)为1.7 nm。图8是激光器的远场特性测试。激光器工作时的水平发散角为9°，垂直发散角为31°。

图5 808 nm LD的功率-电流-电压曲线Fig.5 Power-current-voltage curves of 808 nm LD

图6 不同温度下的808 nm LD功率曲线Fig.6 Power curves of 808 nm LD at different temperatures

图7 808 nm LD的光谱曲线Fig.7 Optical spectrum of 808 nm LD

图8 808 nm LD的远场发散角Fig.8 Far field angle of 808 nm LD

图9 CW及QCW大电流测试下的功率曲线Fig.9 Power curves at high current CW and QCW testing

图10 激光器加速老化曲线Fig.10 Accelerated aging curves of the laser

808 nm的大功率激光器一般在工业及特种行业中作为泵浦源使用，需要具有高的可靠性。由于大功率激光器的主要失效模式为COD造成的突然失效，其COD功率是影响激光器可靠性的重要因素。在实验中，可以通过大电流测试考评激光器的COD水平。图9为连续电流(CW)及准连续电流(QCW，脉宽1 ms，周期100 ms)模式测试下的激光器功率曲线图。受限于测试电源的最大电流，激光器在CW 24.5 A下功率达到了23 W，在QCW 50 A下的功率达到了54 W，并且两种测试方式均没有COD产生，说明制作的808 nm激光器的腔面COD功率在54 W以上，具有高的抗腔面光学损伤特性。激光器的寿命和稳定性可以通过提高电流或温度的加速老化方式进行快速考评。由于808 nm激光器的主要失效原因是腔面COD，提高电流(功率)的加速方式更能反映808 nm激光器的可靠性水平。国内外同行大部分使用12 A以内的加速电流进行老化[6,8-9]，鉴于无铝结构激光器在抗腔面光学损伤方面的优势，使用更高的15 A加速电流。图10是10只808 nm激光器在15 A电流、水冷温度25 ℃下的在线监控老化曲线。经过4 200 h的老化，激光器没有出现功率衰减及突然失效现象。通过文献所用的加速因子计算方法[10]，推算808 nm激光器在10 W下的寿命为40 000 h以上，12 W下的寿命也在20 000 h以上。

3 结 论

本文使用MOCVD方法生长了高质量的InGaAsP/GaInP材料体系的激光器外延片，并制作了390 μm条宽及2 mm腔长的器件。室温测试阈值电流为1.5 A，斜率效率1.26 W/A，10 A下的功率达到10.5 W，转换效率为58%。CW电流测试最大功率为23 W@24.5 A，QCW电流测试最大功率为54 W@50 A。在15 A电流加速老化下，激光器工作4 200 h未出现功率衰减及COD现象，推算808 nm激光器在10 W下的寿命为40 000 h以上，12 W下的寿命在20 000 h以上。