半导体激光器腔面镀膜及可靠性的研究

2022-02-22陈永泽王振兴熊金华吴志勇

今日自动化 2022年12期

陈永泽，王振兴，熊金华，梁海，吴志勇

（深圳市恒天伟焱科技股份有限公司，广东深圳 518000）

1969年后研制成功的单异质结和双异质结生化激光器，由于结构转换效率高、体积小、材料轻、稳定性高、温度控制能力强，以及与其他半导体器件的融合能力强，已成为现代信息科学技术发展的关键设备。而随着工业生产能力的日益提高及其一致性，以及新材料和新结构加工技术的大量出现，半导体激光器的应用范围已不只是在现代信息科学技术领域，它还将在新材料加工技术、精密测量设备等新应用领域方面表现出强大能力，其正在迅速占领过去以气体和固态激光器技术所主导的部分应用领域。半导体激光器的相干光泵浦源也将使过去固体激光器技术做出历史性变革，并产生崭新的技术革命。而半导体激光器的特殊性能，也将使其广泛地运用到军事上的某些领域中，如激光测距、潜通信、导航、光电引信、窃听等，并作为光电战争中新的有生力量。目前激光应用范围几乎涉及各个领域，光纤通信、光盘传送、全色显示器、激光传感器、激光打印机等，甚至在激光仪器制造和激光医疗等领域中，半导体激光器也不失其高效率、小额化、可集成化和佼佼者的关键地位，并受到了人们充分的重视。

1 半导体激光器及其原理介绍

1.1 半导体收音机激光器

半导体激光器是指采用半导体收音机材料为主要工作物料的一种激光仪器。半导线激光器亦称为激光二极体，简写LD。这是激光源中极其重要的一种激光仪器。利用半导体激光器材料进行光受激辐射的工作，原理与固体和气体激光器相同。但因为其所采用的光激活材料为半导体收音机材料，它具备稳定性高、质量低、稳定性好、工作寿命长的主要特性，也可以通过一次注入或输出电流泵送。一般电缆激光器的振动模式与一般开放式光学谐振腔的振动模式完全不同。半导体激光器的光腔一般为介质波导腔，其振动模式为介质波导模式。半导体激光器和发光侧二极管（都是半导体线二极管）的结构非常相似。不同之处在于，激光器有一个光学腔，而侧面LED 没有这样的腔，缺少谐振腔，因而也就不能进行光的传递、扩大而形成相干的激光。

半导体激光器的PN 结主要有均匀结、单异质性结和双异质结。但同时，它的特性也能够通过条或带状构造加以调节。在半导体收音机激光仪中，除由晶格分裂面构成的法布里–珀罗（F-P）谐振器外，还存在分布布拉格反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构。此外，量子阱（QW）和多量子阱（№w），应变量子阱激光器和垂直腔表面反射激光仪器（VCSEL）已被深入研究，作为有源层。

半导体激光器的主要特点是：①超小型化，重量轻；②效率高；③发射的激光波长范围广；④使用寿命长。

目前，半导体激光器已成为激光器件中最重要的组成部分之一。半导体线激光器是光通信应用中发展最快、最关键的光缆通信基础照明，已广泛应用于激光视盘、光盘、激光高速打印、全息、图形记录、数字显示、办公智能、激光准直、防盗激光、医学激光与激光生物学。目前半导体线激光器已成为光数据处理、光存贮，以及光计算等新兴应用领域的主要角色。

1.2 半导体激光器工作原理

半导体激光器也是一个自相干叠加的辐射光源。和其他激光器相同，要让它产生自相干叠加辐射，就需要符合3个基本要求。

（1）确定起激射媒质（有源区）内少数载流子的反转分布关系。如处在高能态电导线底的电子数，比处在低能射线态价质带顶的电子空穴中心数大许多。这是靠向异质结加正向偏压后，向有源层内加入必需的少数载流子来完成的。

（2）有一种适当的谐振腔使受激辐射在这里经过多种反应而产生激光振荡。对F-P 腔半导体激光器很容易地就能够使用晶格的表面作为自然解理表面，来产生F-P 腔。

（3）为产生平稳振动，激光媒质需要能供给适当大的增益设定范围，激光增益需要小于或超过所有损失之和。而这就需要适当强的额定电流加入，并且需要符合相应的电闺值需求。

为了达到粒子数反转，原子的能量等级不得低于3级。但由于在光分和物体作用时，受激吸引与自动释放都是同步出现的。也就是说，低能级的原子在吸收光能后会上升到高能级，但高能级的原子会下降到低能级，因为它们受到光的刺激，而不受外界的刺激。因此，当高能级的原子质量与低能级的原子质量相似时，从低能级到高能级的过程将更加困难。此时，一些分子被加入，一些分子也下降。尽管上升没有结束，但它处于自动平衡状态。因此，如果只有两个能级的能量，就不可能逆转粒子的数量。

谐振腔（具有一对高反射率的激光反射器的腔）在上述光学分割中，沿腔轴传输的光学元件在外部受到保护，返回并随后在转移能面中的光学分子之间受到刺激，从而产生激发辐射并产生倍增的光学元件。然后又是反馈。如果这种情况在循环中继续，可能会出现“雪崩”放大效应，激光束从腔的另一端发射。

2 半导体激光器腔面膜的设计

2.1 增透膜的设计原理

从物理学上来讲，当单层膜的总折射率位于入射介质和衬底折射率之间时，单层膜就形成了减反光的效果。坪顶增透层的理想要求是膜表面的光传感厚度一般为λ/4，其水溶性元素比例等于入射介质与基底折光率乘积的平方根。见式（1）。

文章所研究的大功率半导体激光器前腔表面的减反射膜可能不是完全的减反射膜，相反，它还需要有一定的反射，并具有较好的值，因此选择一层膜很好。在单层减反射膜中，当光线垂直下落时，其反照率表达式与公式（1）一致，但此处涂层折射率的n值介于n0和ng之间。因此，这里的减反射膜在设计时只需调整膜厚，从而得到所需要的反射率值就可以了。

2.2 薄膜材料的选择

寻求更适于高威力激光器的低吸收/低功率积累，以及表面态比较低的材料以得到高阈值膜材料，也是当前研发的一项重点,以生产高性能薄膜。

1995年，中国科学院光学与工程研究所利用808反应注入激光器作为薄膜材料，获得了97%的高反照率。1999年，上海半导体无线电研究所利用电子束真空蒸发在储氢条件下制备了808 nm 薄膜。在808波长下，吸收系数逐渐降低到可忽略或可忽略的水平，形成了真正的高水溶性非吸附膜。在马力大激光器上，产生高损伤阈值和低吸收率的光传感薄膜材料受到了人们的重视。但是实际适用的薄膜材料却很少，目前最佳的低水中溶解度材料为ThF4，不过由于它的高放射性活度、带毒，并不适合。因此产生了混合薄膜材料，如在ZrO 中加入MgO 或SiO2能够减少光散射；在MgF。中加入了CaF。或ZnF 能够减小薄膜的张应力。但是混合薄膜的技术目前还不是很稳定，关键控制技术也还没有很完善。

3 半导体激光器的可靠性

3.1 影响半导体器件可靠性问题的各种因素

3.1.1 材料内部的晶格缺陷和应力的影响

材料结构退化的主要因素是在有源区域的位错，或者从其他地方迁移到有源区域上的位错。内部退化可能包括以下两类。

（1）整个活动区域的均匀退化；

（2）暗线缺陷和具有强光吸收的暗点缺陷。

一方面，这些缺陷与新基体材料的引入和变化以及加工过程中外展的发展密切相关，另一方面，它们也与未辐照复合中心引起的微观结构变化密切相关。由于非辐射复合中心产生的能量可以传递给其他带电粒子或声子，因此会引起复合中心的网络振动。这些离子与声子之间的强非线性相互作用可导致缺陷中心周围的晶体结构发生变化，导致故障中心上升和滑动，并释放以多声子形式束缚在缺陷上的电子。此外，由于一些载流子被较高能级的中心捕获，并且释放的电子能也以与缺陷相互作用的方式发射电子能，因此p.H.的禁止带宽越大，活性区域中的材料分解速度越快。此外，真空期产生的原子或高水平的金属杂质是导致分解的不利因素。这种变化的速率很大程度上与温度有关，因此降解速率可能取决于温度。

3.1.2 腔面损伤退化

半导体激光器对二端腔面的损伤主要有两个：①空洞的破坏性磨损；②空腔表面化学腐蚀损坏。破坏性损伤通常是由电磁波照射的高能密度光熔化和溶解前腔的微机表面引起的。一个重要原因是，表面层附近的光的吸引力和远处表面层的结合增加了电流密度，并且一些大面积过热。破坏性损伤的最终力取决于活动区域的宽度。这种灾难性的破坏通常是灾难性的。空腔表面的光化学腐蚀主要是由光化学效应引起的，光化学效应使空腔表面的表层产生氧化物，或在空腔表面产生局部缺陷，进而使空腔表面的光反射系数发生变化，进而破坏激光螺纹部分的稳定性，从而提高辐射的复合率。特别是在含有大多数铊元素的半导体激光器中，自适应逻辑元件会吸收水蒸气和氧化物，导致局部末端氧化物缺陷，这直接影响到吸收表面反射光的能力，从而造成局部区域或严重内部过热，从而影响甚至毁坏激光器性能。大型腔表面的金属氧化物层和碳污染也是直接影响设备性能和可靠性的关键因素之一。金属晶体外延板在空气中溶解后，腔室的表层吸附了很多氧化物层和碳，甚至产生金属氧化物层。氧也是一个既深且平的杂质层，具有辐射重组功能，因此可以减少材料的亮度效果。另外，金属氧化物层还可能形成杂质缺陷，使得缺陷位错迅速扩大。在激光使用电场和强磁场时，这种缺陷会在其影响下快速扩展，从而提高非活性复合的可能性，也因此降低了亮度效果，同时增加仪器的加热温度，从而迅速损伤激光。但是，金属氧化物含量较大的材料更易于退化为最终激光表面，而且可受到的光学强度也减小了。所以，腔体表面吸附的氧气会显著影响部件的可靠性。

3.2 镀膜对半导体激光器可靠性的影响

半导体激光器拥有尺寸较小、材质轻薄、工作效率较高、运行寿命长等一系列优点。它一经问世即引起人类普遍重视，并极大地促进了科技的发展，同时由于其应用越来越普遍，人类对半导体激光器的性能也提出了更高的要求，在许多地区都需要激光器具有较好的输入输出特点、高的输入输出工作功率、长的工作寿命等。为达到这些目标，科研工作者在这方面做了大量的科学研究工作，并提出了多种方法、工艺和结构，可以提高激光器的输入输出特性和使用寿命。激光腔表面的涂层便是其中一种。虽然普通GaAs 激光器自然解理面的总反射率大约为31%，但这并非一种理想值。而且，由于这种自然解理表面在空气环境中易于氧化，并引起对环境的污染，极大地制约了激光器，特别是高功能激光器的应用年限。而通过对激光器腔面进行优化镀膜，也可以在适当程度上提高了激光器的输出功率特性，进而改善了其输出功率和工作延寿能力，并已经构成了一种常用的提高半导体激光器特点的手段之一。