1、44瓦超高功率瓦超高功率808nm半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)與制作半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)與制作仇伯倉，胡海，何晉國深圳清華大學(xué)研究院深圳瑞波光電子有限公司1.引言半導(dǎo)體激光器采用IIIV化合物為其有源介質(zhì)，通常通過電注入，在有源區(qū)通過電子與空穴復(fù)合將注入的電能量轉(zhuǎn)換為光子能量。與固態(tài)或氣體激光相比，半導(dǎo)體激光具有十分顯著的特點(diǎn)：1）能量轉(zhuǎn)換效率高，比如典型的808nm高功率激光的最高電光轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)65%以上[1]，與之成為鮮明對照的是，CO2氣體

2、激光的能量轉(zhuǎn)換效率僅有10%，而采用傳統(tǒng)燈光泵浦的固態(tài)激光的能量轉(zhuǎn)換效率更低只有1%左右；2）體積小。一個(gè)出射功率超過10W的半導(dǎo)體激光芯片尺寸大約為0.3mm3而一臺(tái)固態(tài)激光更有可能占據(jù)實(shí)驗(yàn)室的整整一張工作臺(tái)；3）可靠性高，平均壽命估計(jì)可以長達(dá)數(shù)十萬小時(shí)[2]；4）價(jià)格低廉。半導(dǎo)體激光也同樣遵從集成電路工業(yè)中的摩爾定律，即性能指標(biāo)隨時(shí)間以指數(shù)上升的趨勢改善，而價(jià)格則隨時(shí)間以指數(shù)形式下降。正是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光的上述優(yōu)點(diǎn)，使其愈來愈廣泛地應(yīng)

3、用到國計(jì)民生的各個(gè)方面，諸如工業(yè)應(yīng)用、信息技術(shù)、激光顯示、激光醫(yī)療以及科學(xué)研究與國防應(yīng)用。隨著激光芯片性能的不斷提高與其價(jià)格的持續(xù)下降，以808nm以及9xxnm為代表的高功率激光器件已經(jīng)成為激光加工系統(tǒng)的最核心的關(guān)鍵部件。高功率激光芯片有若干重要技術(shù)指標(biāo)，包括能量轉(zhuǎn)換效率以及器件運(yùn)行可靠性等。器件的能量轉(zhuǎn)換效率主要取決于芯片的外延結(jié)構(gòu)與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而運(yùn)行可靠性主要與芯片的腔面處理工藝有關(guān)。本文首先簡要綜述高功率激光的設(shè)計(jì)思想以及腔面

4、處理方法，隨后展示深圳清華大學(xué)研究院和深圳瑞波光電子有限公司在研發(fā)808nm高功率單管激光芯片方面所取得的主要進(jìn)展。2.高功率激光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1.半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)示意圖著。事實(shí)上，激光芯片失效在很大程度上是由與光場密度有關(guān)的兩種失效模式有關(guān)：其一為因光場密度造成腔內(nèi)光學(xué)災(zāi)變（簡稱COBD）；其二為光場密度過高而在腔面引起的光學(xué)災(zāi)變（簡稱COMD）。在高功率激光外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了降低因光功率密度過高而引起器件失效的幾率，通常采用低光場密

5、度或者低限制因子設(shè)計(jì)。在低限制因子設(shè)計(jì)中，雖然閾值電流會(huì)有所上升，但考慮到高功率激光的工作電流是閾值電流的1020倍以上，閾值電流的些許增加并不會(huì)顯著影響器件的整體效率。而且采用低限制因子設(shè)計(jì)還有一些額外的優(yōu)點(diǎn)：1）可以降低激光腔內(nèi)的整體光損耗。這是因?yàn)榧す獾膿p耗主要是由自由載流子吸收（FCA）[3]以及價(jià)帶間載流子躍遷造成的吸收（IVBA）引起的[4]，當(dāng)采用低限制因子設(shè)計(jì)時(shí)，量子阱內(nèi)的載流子吸收損耗也會(huì)相應(yīng)降低；2）可以降低外延生長

6、方向上的光束發(fā)散角，從而改善光束特性。芯片的光束特性影響到半導(dǎo)體激光的光束整形、耦合設(shè)計(jì)，當(dāng)光束發(fā)散角小時(shí)，不僅會(huì)提高光的耦合效率，而且會(huì)容許后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)有更大設(shè)計(jì)與制造容差。低限制因子設(shè)計(jì)可以通過調(diào)整分別限制異質(zhì)結(jié)（SCH）層厚度來獲得。圖3給出了量子阱光場限制因子gamma與SCH厚度之間的關(guān)系，由其可見，低限制因子可用兩種不同方法來獲得：其一為采用SCH厚度很薄的設(shè)計(jì)；其二為采用SCH厚度很厚的設(shè)計(jì)。SCH厚度達(dá)到一微米左右波導(dǎo)

7、設(shè)計(jì)一般被稱之為大光場（LOC）設(shè)計(jì)[5]。在大光場設(shè)計(jì)中，因?yàn)楸容^容易兼顧芯片的腔內(nèi)損耗以及串聯(lián)電阻的優(yōu)化，所以當(dāng)今許多行業(yè)內(nèi)頂級公司采用這一設(shè)計(jì)理念。3.高功率激光工藝制作與腔面處理高功率激光因?yàn)樾枰敵龊芨叩墓β?，所以其有源區(qū)條寬都在幾十微米甚至幾百微米，具體條寬根據(jù)應(yīng)用而定。為了區(qū)別單模窄波導(dǎo)激光，這種激光結(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)被稱之為寬條激光。寬條激光的工藝處理相對比較簡單，有的公司為了簡化工藝，只是通過有限幾個(gè)步驟的工藝處理（如離子注入

8、）形成電隔離區(qū)域，然后制作p面金屬電極、晶片減薄、n面金屬電極沉積、快速退火以及腔面鍍膜等即完成所有工藝流程。不過，有證據(jù)似乎表明，用這種方法制作的激光的水平方向的光束特性隨電流變化比較大[6]。為了改善寬條激光相對于注入電流的穩(wěn)定性，也可以通過刻蝕形成脊波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不僅會(huì)對電流形成隔離作用，而且因?yàn)榭涛g形成的波導(dǎo)對光在橫向形成波導(dǎo)限制。圖5給出了刻蝕后形成的寬波導(dǎo)激光。高功率激光的工藝最具挑戰(zhàn)之處在于腔面處理與鍍膜工藝。腔面處理主要

9、有無吸收腔面技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)等[7]。無吸收腔面技術(shù)是通過材料生長完畢后的工藝處理技術(shù)（通常被稱之為量子阱混雜技術(shù))，在腔面附近區(qū)域，改變材料的性質(zhì)，使得材料的吸收峰藍(lán)移，從而使腔面區(qū)域的材料對芯片發(fā)射出的激光呈透明狀態(tài)。無吸收腔面技術(shù)也可通過材料再生長的方法來實(shí)現(xiàn)，所生長的材料的能帶寬度要足夠大，以便使其對芯片所發(fā)射的光呈現(xiàn)完全透明狀態(tài)。腔面鈍化技術(shù)是在腔面的半導(dǎo)體材料上沉積一薄層其它材料，這種材料最好具有如下的性質(zhì)：1）能夠中和因