（微电子学与固体电子学专业论文）大功率多有源区列阵激光器的研究.pdf

摘要 摘要 半导体光电器件是光电子产业中最重要的组成部分，是继大规模集成电路 之后，信息高技术领域中最有发展前途的产品。半导体激光器在光电子技术领 域中的位置、应用和发展趋势，正像当年晶体管在电子技术领域中一样，起着 其它激光器不可替代的作用。本论文主要分析了波长为9 8 0 n m 的条形半导体激 光器的工艺、结构特点，以及相应的理论和实验结果，这些为激光器取得大功 率奠定了基础。 为了获得大功率，必须对半导体激光器性能和特点进行详细分析。本论文 采用了理论与实验相结合的方法对激光器进行研究。对激光器的常规工艺流程 和普通光刻版进行了详细的说明后，介绍了一种自主设计制作的多功能列阵激 光器光刻版，此光刻版可以实现一次光刻出现两个不同填充因子的图形，可以 在完全相同的工艺条件下比较不同填充因子激光器的性能，避免了工艺波动造 成的不利影响。采用了b o x i n b o x 对位技术，对位精确度有了明显提高。同时 对位标记的巧妙应用可以做出不同类型的图形，做到了一版多用。 列阵激光器有很多发光单元，之间电场、光场会互相影响，因此必须引入隔 离槽来进行隔离。通过理论分析和实验数据得出：隔离槽的深度和侧向位置确实 影响输出功率，斜率效率，阈值电流等重要参数，但是刻蚀对有源层的损耗也对 这些参数有较大影响，所以在实际工艺中，要综合考虑这些因素。隔离槽的最佳 刻蚀深度在上限制层p 区，以不超过有源区为准；隔离槽的最佳侧向位置与台面 越近越好，以不增加非辐射复合为准。同时对隔离槽的绝缘问题进行了分析，提 出了利用湿法氧化工艺在隔离槽的侧壁形成一层材料本体氧化膜，提高器件的辐 射复合效率。本实验室湿氧工艺已经取得了一些进展，由于是新工艺、及实验条 件限制，湿氧工艺条件有待进一步优化。 分析了单有源激光器的阈值电流特点，即阈值电流在很大的腔长范围内保 持恒定，造成这样现象的原因是有源区不掺杂和采用了线形渐变折射率导引机 制的量子阱激光器结构，使得内损耗很小，阈值增益主要由腔面损耗决定，导 致阈值电流不随腔长变化。分析了量子阱内捕获载流子的原理，提出了捕获 逃逸模型。分析了隧道再生大功率半导体激光器的工作原理、结构特点、设计 要点。隧道再生大功率半导体激光器隔离槽不同深度对器件的性能影响。在以 上工作的基础上，对比了不同填充因子大功率半导体激光器的性能，以及l c r n b a r 条能够达到的最大光功率。提出了最适合多有源区列阵激光器取得大功率的 工艺条件。 关键词：列阵激光器；光刻版；隔离槽；湿氧；大功率激光器 北京工业大学工学硕十学位论文 a bs t r a c t s e m i c o n d u c t o ro p t o e l e c t r o n i cd e v i c ep l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei no p t o e l e c t r o n i c i n d u s t r y b e s i d e sl a r g es c a l ei n t e g r a t i o nc i r c u i t ，i ti st h em o s tp r o m i s i n gp r o d u c ti n t h ei n f o r m a t i o nh i g ht e c h n o l o g yf i e l d a st h e i m p o r t a n c eo ft r a n s i s t o ri n t h e e l e c t r i c a lt e c h n o l o g yf i e l d ，t h es i g n i f i c a t i o n ，a p p l i c a t i o n ，t h et r e n do f d e v e l o p m e n to f s e m i c o n d u c t o rl a s e ri nt h eo p t o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yf i e l dc a n n o tb er e p l a c e db ya n y o t h e rt y p e so fl a s e r t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep r o c e s s ，s t r u c t u r e ，i n t e r r e l a t e dt h e o r y a n de x p e r i m e n td a t ao fs t r i pl a s e rw i t hw a v e l e n g t ho f9 8 0 n m ，w h i c hb u i l tt h e f o u n d a t i o nf o rs e m i c o n d u c t o r1 a s e rw i t hh i g hp o w e r i no r d e rt oo b t a i nh i g hp o w e r , w em u s ta n a l y z et h es e m i c o n d u c t o rl a s e r s c a p a b i l i t ya n dc h a r a c t e r i s t i ci nd e t a i l t h i sp a p e rc o m b i n e sb o t ht h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d st os t u d yt h el a s e r a f t e rc o m p r e h e n s i v ee x p l a n a t i o no ft h e l a s e rp r o c e s sf l o wa n do r d i n a r yl a s e rr e t i c l e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e san o v e ll a s e r r e t i c l ew i t hm a n yf u n c t i o n s t h er e t i c l ec a nm a k et w ol a s e rg r a p h sw i t hd i f f e r e n tf i l l f a c t o ri no n es t e pl i t h o g r a p h yp r o c e s s ，s ow ec a nc o m p a r ed i f f e r e n tf i l lf a c t o rl a s e r w i t ht h es a m ep r o c e s s ，a v o i d i n gp r o c e s sf l u c t u a t i n g t h i sr e t i c l ea d o p t sb o x i n b o x a l i g n m e n tt e c h n i q u e ，i m p r o v e dt h ep r e c i s i o n m e a n w h i l ew ec a ng e tm a n yd i f f e r e n t l a s e rg r a p h sb yu s i n gt h ea l i g n m e n tm a r kn e a t l y l a s e ra r r a yh a sm a n ye m i t t e r s ，i t se l e c t r i cf i e l da n dl i g h tf i l e dw i l la f f e c te a c h o t h e r , l o w e rt h el a s e r sp o w e re f f i c i e n c y , s oi ti sn e c e s s a r yt oa d o p ta r r a yg r o o v et o r e s t r i c tt h ee f f e c t t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n td a t a ，w ec a l lg e tt h a t t h ed e p t ha n dt h el a t e r a lp o s i t i o no ft h ea r r a yg r o o v eh a v ea l a r g ee f f e c to ni m p o r t a n t p a r a m e t e r s ：l a s e r se m i t t i n gp o w e r , s l o p ee f f i c i e n c y , t h r e s h o l dc u r r e n te t c b u ta r r a y g r o o v ee t c h i n ga l s oh a v ea ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nl a s e rp a r a m e t e r s s oi nt h er e a l p r o c e s s ，a l lt h ef a c t o r ss h o u l db ec o n s i d e r e d t h eb e s td e p t ho fa r r a yg r o o v ei si nt h e pc o n f i n e m e n tl a y e r , s h o u l dn o te x c e e dt h ea c t i v er e g i o n u n d e rt h es i t u a t i o no fn o t a d d i n gn o n r a d i o a c t i v er e c o m b i n a t i o n ，as m a l l e rd i s t a n c eb e t w e e nt h el a t e r a la r r a y g r o o v ea n dt h el a s e rr i d g ew i l ly i e l dt h eb e t t e rr e s u l t w ea l s oa n a l y z et h ea r r a y g r o o v ei s o l a t i o n ，p r o p o s i n gaw e to x i d a t i o np r o c e s s ，w h i c hc a np r o d u c ean a t i v e o x i d a t i o nf i l m ，i m p r o v i n gl a s e r sc o m b i n a t i o ne f f i c i e n c y l i t t l ep r o g r e s si nt h ew e t o x i d a t i o np r o c e s sh a sb e e na c h i e v e di nt h el a ba si ti san e w p r o c e s sa n dd u et ot h e p o o re x p e r i m e n tc o n d i t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h r e s h o l dc u r r e n to ft h es i n g l ea c t i v el a s e ri sa n a l y z e d f o r i i a b s t r a c t i i u n d o p i n gt h ea c t i v er e g i o na n da d o p t i n gl i n e a rg r a d e di n d e xq u a n t u mw e l l1 a s e r s t r u c t u r e ，t h ei n t e r n a ll o s si sm i n i m i z e da n dt h et h r e s h o l dg a i nd e p e n d sm a i n l vo n t h ec a v i t yf a c e tl o s s t h e r e f o r e ，t h et h r e s h o l dc u r r e n ts t a y sc o n s t a n tf o ra l a r g er a n g e o ft h el e n g t ho f c a v i t y t h e q u a n t u m w e l l c a p t u r i n gc a r r i e rp r i n c i p l ei s a n a l y z e d a n dt h e “c a p t u r e 。e s c a p e ”m o d e li sp r o p o s e d t h ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft u n n e li u n c t i o n r e g e n e r a t i o nl a s e rd i o d e sh a sb e e ni n t r o d u c e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i ch a sb e e n a n a l y z e df r o mw o r k i n gp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dd e s i g n p o i n t b a s e do n a l lt h ew o r km e n t i o n e da b o v e ，w e c o m p a r ed i f f e r e n tf i 儿f a c t o rh i g hp o w e r s e m i c o n d u c t o rl a s e r sc a p a c i t ya n dt h elc mb a rm a x i m u ml i g h tp o w e r f i n a l l y , w e g w e t h em o s ts u i t a b l ep r o c e s sc o n d i t i o nf o rt u n n e l j u n c t i o nr e g e n e r a t i o nl a s e r k e yw o r d ：l a s e ra r r a y ；l a s e rr e t i c l e ；a r r a yg r o o v e ；w e to x i d a t i o n ；h i g hp o w e r l a s e r n i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：_ j 受叁址导师签名：左址日期：刍瑚泪 第1 章绪论 第1 章绪论 光电子技术是划时代的信息技术，以光电子为基础的通信和网络技术越来 越重要，正深刻影响着经济社会的各个领域。半导体光电器件是光电子产业中 最重要的组成部分，是继大规模集成电路之后，信息高技术领域中最有发展前 途的产品。其中半导体激光器是一类电流驱动的理想光子源器件，而且其具有 体积小、重量轻、转换效率高、可靠性高、能直接调制及与其它半导体器件集 成的能力强等特点，在光纤通信、光盘存储、激光印刷、传感计测、激光加工 与医疗、显示、制导等民用与军事领域，等诸多领域有着广泛的应用【l 卅。 1 1 半导体激光器的发展历史 半导体激光器的第一个发展阶段：同质结注入型激光器。1 9 6 1 年，当时前 苏联科学院院士巴索夫( b a s o v ) 等人首先提出了在半导体材料中产生受激辐射 的理论。同年不久，伯纳德( b e m a r d ) 和杜拉福格( d u r a f f o u r g ) 给出了半导体中实 现受激发射时的必要条件【5 j 对应于非平衡电子、空穴浓度的准费米能级差 必须大于受激发射能量。1 9 6 2 年，前苏联列别捷夫物理研究所【6 】、麻省理工学 院【7 j 、国际商业通用公司( i b m ) 【8 】及通用电话和电子仪器公司( g e & e ) 9 】几乎同时 报道观察到了g a a sp n 结中的受激辐射现象。此类激光器的一个致命的弱点是 受激发射阈值电流密度极高，通常为5 1 0 4 1 1 0 5 a c m 2 ，因此只能在低温下以 脉冲的方式工作，离实用还有相当距离。 半导体激光器的第二阶段：单异质结注入型激光器。1 9 6 3 年，美国的 h k r o e m e r 和苏联的z h i a l f e r o v 【1o j 分别提出了采用将带隙较窄的半导体材料夹 在带隙较宽的半导体材料之间的结构可以提高激光器性能的想法。1 9 6 7 年，i b m 公司的j m w o o d a l l 等用液相外延( l p e ) 成功地生长了g a a s m g a a s 异质结。不 久之后，a l f e r o v 小组、r c a 的h k r e s s e l 和h n e l s o n 以及贝尔实验室的i h a y a s h i 和m b p a n i s h 报道了用l p e 制备的单异质结半导体激光器，室温阙值电流密度 为8 6 x 1 0 3 a e r a 2 。单异质结激光器可以利用异质结提供的势垒把载流子限制在 薄的有源区内从而使阈值电流密度比同质结激光器降低了整整一个数量级。 半导体激光器的第三个发展阶段：双异质结注入型激光器。在1 9 7 0 年初， 美国的p a n i s h 和h a y a s h i 等人实现了双异质结激光器的室温连续工作，阈值电 流密度在3 0 0 k 时达到了2 3 x 1 0 2 c m 2 【l ，这样阈值电流密度又降低了一个数 量级。双异质结激光器把窄带隙层夹在宽带隙层之间，两个异质结形成的势垒 把注入的载流子限制在有源区内，有利于实现激光器的高增益；同时由不同材 北京工业大学丁学硕士学位论文 料折射率差形成的光波导可以将光场大部分限制在有源区内，从而提高了激光 器的光场限制因子。由于在半导体异质结构研究方面的开创性工作，美国的 k r e o m e r 与前苏联的a l f e r o v 分享了2 0 0 0 年诺贝尔物理学奖。 半导体激光器的第四个发展阶段：量子阱激光器阶段。利用量子尺寸效应 制备性能更好的激光器二极管的想法是在7 0 年代初产生的【l 玉1 4 j 。但是直到1 9 7 7 年d u p u i s 等人才利用金属有机化合物汽相淀积技术( m o c v d ) 研制出了性能良 好的量子阱注入激光器【1 川，在脉冲状态下的室温阈值电流密度为3 k a c m 2 ，随 后不久又报道了连续工作的单量子阱和多量子阱激光器【1 6 l7 1 ，最低阈值电流密 度为16 6 0 a c m 2 ，外微分量子效率高达8 5 。1 9 8 1 年，曾焕添( w t t s a n g ) 【1 8 j 通 过优化多量子阱激光器中势垒的宽度和高度，并采用g r i n s c h 结构，使单量 子阱激光器的内部损耗降低到3 c m ，内量子效率接近9 5 ，1 1 2 5 p m 腔长的器 件阈值电流密度降到了1 6 0 a c m 2 。 半导体激光器的第五个发展阶段：应变量子阱激光器。应变量子阱激光器 是2 0 世纪8 0 年代之后的研究热点。在异质结半导体激光器和量子阱激光器的 研究初期，为了减小晶格失配及由此引起的应变和位错，人们总是选择晶格常 数匹配的材料。但是，这种晶格匹配的要求限制了激射波长的拓展。而随着半 导体激光器应用的不断扩展，人们需要更多新的波长。如0 8 8 p m 1 1 p m 波长 范围中，o 9 8 i - t m 的激光器是掺铒光纤放大器的必须泵浦源。如果选用乓合适 的i n 。g a l x a s 作有源材料，找不到与之匹配的衬底材料，如果采用i n o a a s o a a s 异质结，其失配率可达3 ，由此引出了对具有一定晶格失配率的应变量子阱的 研究。1 9 8 6 年，a d a m s 和y a b l o n o w i t c h 等人从理论上分析了应变量子阱激光器 具有的许多特点：如效率提高、温度特性改善、微分增益提高、调制带宽增加、 利用应变可决定输出光的偏振极性、降低阈值电流密度、填补普通非应变材料 不能满足的波长范围等。目前的半导体激光器多采用应变量子阱结构，发展速 度极快。 近年来低维量子结构激光器已成为研究热点之一。由于载流子的空间维度 限制，以量子点结构为有源区的量子点激光器理论上具有更低的阈值电流密度、 更高的光增益、更高的特征温度和更宽的调制带宽等优点。半导体低维量子结 构材料在未来的光通信、光电集成和超大规模集成电路等方面显示出了巨大的 应用前景，受到了人们的广泛重视。 随着外延技术的不断进步，半导体激光器的波长从8 5 0 n m 向两边不断延伸， 用于制备激光器的半导体材料体系也不断扩大。i n l 嚷g a x a s y p l - v 合金与 a l 。g a l x a s 是最重要的半导体激光器材料，用它们制作光通讯用的1 3 i - t m 和 1 5 p m 的激光器已经实用化。i n x g a l x a s 与a 1 g a a s 晶格不匹配，但是把它们组 合起来能够成为应变量子阱激光器的重要材料，可以制作0 9 m 波段的高性能 激光器。i n g a a s s b 、i n a s s b 与g a s b 、i n a s 衬底晶格能够相匹配，作为1 7 4 4 p m 第1 章绪论 范围的候补激光器材料正在研究中。( a l 。i n l - x ) v g a l y p 作为可见光激光器材料能 够与g a a s 衬底晶格相匹配，0 6 9 m 波段的红色半导体激光器已经实用化。绿 紫光范围的激光器材料是i i 一族的c d s 、c d s e 、z n s 、z n s e 及其合金，v 族的g a n 、i n n 、a i n 及其合金，近年来对这个波长范围的激光器的研究非常 活跃。g a a s 衬底上的z n s e 系量子阱激光器和a 1 2 0 3 衬底上的i n g a n 系量子阱 激光器已达到室温连续振荡的水平，进展十分迅速可以期望最近能够达到实用 期阶段。中远红外范围的激光器材料有i i 族的p b s n t e 、p b s s e 、p b s n s e ，在 3 3 4 9 m 的宽波段已经有各种注入型半导体激光器出现。这些激光器必须在低 温下工作，随着温度的变化激射波长变化的范围也很大。 1 2 大功率半导体激光器的特点及应用 一般情况下对于基横模，单频激光器来说，大于5 0 m w 的直流功率可以认 定为大功率，而对于多模的宽接触( 宽条) 激光器和列阵激光器来讲，大于5 0 0 m w 的直流功率可以认定为大功率。发展大功率半导体激光器的最初动力来自于高 效泵浦固体激光器的需求。在激光器出现的开始阶段，即使是小功率也不能实 现室温连续工作，一直到超晶格和量子阱技术及器件结构日益成熟才使大功率 半导体激光器得到迅速发展。 由于输出功率的增加，使大功率半导体激光器有着与许多小功率半导体激 光器不同的特性和性能要求： ( 1 ) 大功率半导体激光器具有更高的工作电流，因此承受着更大的热耗散 功率，需要严格考虑其散热条件。否则，会由于内部过热产生缺陷及加速位错 繁殖，导致器件寿命减小甚至失效。 ( 2 ) 大功率半导体激光器的腔面要承受相当大的功率密度，尤其是有源区 材料是含铝的器件，如a 1 g a a s g a a s ，由于铝的氧化使得腔面受损，因此选择 合适的腔面尺寸，以保证输出功率密度小于腔面受破坏的阈值功率密度。 ( 3 ) 小功率半导体激光器依靠管芯本身的自然解理面提供的谐振就可以得 到所需输出功率。对于大功率器件在最佳效率下工作，为减小阈值电流、工作 电流及热功率，需要对谐振腔的反射率进行仔细设计。 ( 4 ) 输出光束质量关系到半导体激光器与光纤的耦合效率、激光与物质相 互作用的效果，对于大功率半导体激光器尤其重要。 随着半导体激光器输出功率的逐步提高和输出特性的不断改善，它已经渗 透到诸多领域，主要包括光纤通信、光盘存储、光缆电视、材料加工、印刷制 版、激光打印、作为固体激光器和光纤放大器的高效泵浦源以及军事和医疗等 领域。图1 1 给出了半导体激光器的一些主要应用领域及其对应的工作波长、 北京工业大学t 学硕士学位论文 功率和线宽等特性。 兜通佑系统 图1 1 半导体激光器主要应用领域所需的波长，功率，线宽示意副1 9 】 f i g 1 - 1w a v e l e n g t h o u t p u tp o w e r , l i n e w i d t ho fs e m i c o n d u c t o rl a s e r i nm a i na p p l i c a t i o na r e a 在某些领域需要使用大功率半导体激光器，比如n d ：y a g 、n d ：y l f 和 n d ：y v 0 4 固体激光器需要提供几瓦至几千瓦的泵浦功率，这种方式的泵浦效率 要比宽浦氙灯高很多；在光纤通讯领域，掺铒光纤放大器( e r b i u md o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 和光纤r a m a n 放大器是全光通讯的必备元件，而波长为9 8 0 n m 的大 功率半导体激光器是这两种放大器的最理想的泵浦光源；作为固体激光器 ( d p s s l ) 的泵浦源【2 0 】是大功率半导体激光器的最大应用领域。半导体激光器体 积小、重量轻、直接电注入使其有高的量子效率，可以通过调整组分和控制温 度调整波长，但它的光束质量差，横模特性不尽理想，很难直接用于对光束质 量要求高的应用。而固体激光器输出的光束质量高，有很好的时间与空间的相 干性，光谱线宽与光束发散角均比半导体激光器小几个数量级。由于半导体激 光器泵浦固体激光器综合了半导体激光器与固体激光器的优点，具有高效率、 结构紧凑、体积小、重量轻、寿命小、性能稳定、供电简单和全固态等特点， 在卫星激光通信、材料微细加工、医学、大气监测、跟踪侦测和图象信息处理 等方面有得到了广泛的应用。此外，半导体激光器可用来泵浦含有不同激活离 子的固体激光材料，丰富了相干光源的谱线。 大功率半导体激光器的另一个最重要应用领域是用作掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 的泵浦光源。掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤、泵浦激光器、波分复用 第1 章绪论 器( w d m ) 、光学隔离器组成，图1 2 是掺铒光纤放大器的工作原理【2 l ，2 2 1 ，9 8 0 n m 泵源激光器是掺铒光纤放大器的能源。 输 1 5 波分复用嚣 输；l 馈弓 1 5 5 咚m e f 输光乡 糸漓：缀管冀登咖 图1 - 2 掺铒光纤放大器的原理图【2 l 】 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fe d f a 利用e d f a 作为光纤通信的中继将不再需要信号的探测、重新产生与重新 发射，因而去掉了原先在中继站中对高速电子电路、高速光接收和光发射器的 要求。可以说，e d f a 是近年来光纤通信领域的一项重要成果。 大功率半导体激光器在激光医疗中也有重要的应用【2 3 1 。与其它医用激光器 相比，半导体激光器具有体积小、重量轻、供电简单、结构紧凑、便于携带、 以及能够高效率地与光纤耦合等特点。目前已有许多比较成熟的医用半导体激 光器产品供应。 1 3 大功率半导体激光器列阵的发展现状 延长半导体激光器的使用寿命，提高半导体激光器的可靠性，增大半导体激 光器的输出功率一直是人们在半导体激光器研究中不懈的努力和追求的目标。但 由于单管的有源区体积小，输出功率受限于腔面灾变性失效，一般单个的p - n 结 半导体激光器的输出能量是几、几十或几百m w 量级，最好的也不过几瓦。因此 从8 0 年代开始，人们对二极管激光列阵展开了研究，希望通过线阵或面阵化技术 来克服单管激光器功率不足的问题。进入9 0 年代后，用于激光加工以及泵浦固体 激光器等众多领域的高功率半导体激光器阵列成为研究的热点之一( 2 4 乃j 。 把多个半导体激光器按照周期性的间距集成到一个芯片上就构成了半导体 激光器线阵歹l j ( b a r ) ，如图1 3 所示。 北京i 业大学i 学顿士学位论文 p - o 】幽o 。 p m 幽出 a c l i n n 珈n 咄灿】b 幽 图1 - 3 半导体激光器线阵结构示意图 h 各1 - 3s c h e m a t i cs h m c o l r e o f l a s e r a r r a y 根据应用的需要，还可以将数个半导体撤光二极管棒叠加在一起，形成激光 极管叠阵( r o c k ) ，以获得更大的输出功率，如图1 - 4 所示。 鲡 b a ) 水平堆叠嚯直堆叠 图1 4 高功率半导体撤光器叠阵列 f i g 1 - 4 h i g i i p o w e r l a 蝌s ) a c k 目前，商用的线阵通常是在一个1 厘米长的条上生长出多个发光单元( e 血i t t e r ) 来构成。根据功率的不同要求以及散热的需要，线阵的周期( 即两个发光单元中 心到中心的距离h 发光单元尺寸、填充因子以及每个b a r 条所包含的单元数都 会有所不同。目前激光= 极管棒谐振腔的典型长度在6 0 0 u m 和1 0 0 0 u m 之间，二 极管单元之间的距离为5 0 u m 到2 0 0 u m ，每个发光单元的尺寸根据功率大小为 1 0 0 - 4 0 0 u r n 。尽管单元之间发出的光并不相干由于一个激光二激光棒上集成了 效十个甚至上百个单元，相当于同等数量的单管同时受激发射，现在商用高功率 线阵列的连续输出功率可达4 0 - 1 0 0 w ，准连续输出功率已经可以达到几百瓦以 上。为了适应一些更高功率的要求人们还将几个、几十甚至更多的线阵做成堆叠 阵，目前国际上这种堆叠阵列可以达到千瓦级的连续( c 1 ) 输出r 硝”。研制与开 发处于领先地位的主要集中在欧美和亚洲的日本，知名企业主要有美国的l l n l 、 c o h e r e n t 、i m c 、s d l 、o p c 、h p d 、s p e c t r u m - - p h y s i c s ，德国的o s r a m 、j o l d 、 霪 醯 剪1 章绪论 f r a u h o r f , 法国的t h a l e s ，日本的s a n y o 、s o n y ，俄罗斯的a t c 等。美国 l l n l ( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 毛e2 0 0 1 年就已经实现了实用的 1 0 0 k w 输出堆叠阵【3 2 】。 1 4 多有源区半导体激光器 经多年研究实验，沈光地教授提出一种新机理的高效大功率半导体激光器 结构。这种结构通过改变半导体激光器的工作机理可以在很大程度上缓解大电 流造成的器件热烧毁和大光功率密度引起的端面灾变性损伤等传统大功率激光 器存在的主要问题，并可以有效地改善激光器的光束质量。这种新设想是：多 个半导体激光器的有源区被顺序生长同一个外延结构中，每两个有源区之间引 入一个突变隧道结，使在前一有源区中辐射复合的载流子通过反向隧道结获得 再生，并在下一有源区继续辐射复合发光。激光器两电极注入的每一对电子空 穴可以在多个有源区中经多次复合产生多个光子，使半导体激光器的量子效率 大大提高，并可以突破传统激光二极管量子效率不大于1 的理论极限。图1 - 5 是这种多有源区激光器在工作状态的能带示意图。 图1 - 5 隧道再生半导体激光器工作时能带图 f i g 1 - 5e n e r g yb a n dd i a g r a mo f t u n n e lj u n c t i o nr e g e n e r a t i o nl a s e rd i o d e s 新结构隧道再生半导体激光器与传统的激光二极管和激光器阵列相比有许 多重大的优越性。主要表现在： 第一：隧道再生多有源区激光器改变了传统激光器单纯依靠提高注入电流 来获得大光功率的方式，使器件在较高的端电压下工作。这与激光器叠层阵列 的情况有些类似，但是隧道再生激光器只有一对欧姆接触电极同时多了隧道结 结构。这样注入的一个电子在前一个有源区辐射复合发光，产生一个光子，掉 到价带，通过反向隧道结，电子隧穿道第二个有源区的导带，再辐射复合产生 第二个光子，这样注入的一个电子就可以产生多个光子。使量子效率远大于1 。 为了获得大的功率，只要增加有源区的数目就可以得到，不需要增加电流，这 北京工业大学t 学硕十学位论文 样，在小的电流下就可以得到大的光功率输出。 第二：隧道再生耦合多有源区激光器中各子有源区的间距较小f 不超过几百 纳米) ，所以各子有源区的光场相互耦合形成了一个真正的大光腔结构。耦合大 光腔垂直于结平面方向尺寸可以达到数个微米的水平，这比通常半导体激光器 有源区的光腔尺寸( 通常为1 0 2 a 量级) 增大两个量级。大的光腔尺寸可以使光场 在光腔内分布的更平坦，通过合理的设计可以使激光器输出光束的方向性及器 件的远场发散角等指标得到明显的改善。此外各子有源区之间的相互耦合同时 激射也使隧道再生激光器的单色性比激光器阵列器件好。 第三：多有源区结构使激光器的发光区在垂直于p n 结方向上的尺寸成量 级地提高。这样在相同的激光输出功率水平下，激光器出射端面处的光功率密 度得到大幅度降低。从而在根本上解决了端面灾变性损伤对大功率半导体激光 器的限制。由于现在是面发光，所以细线狭缝衍射的效应大大减小，因此，有 效地降低了光束的纵向发散角，光束质量提高，便与光纤耦合，无须复杂的光 束整形。 1 5 本论文主要研究内容 本论文以半导体激光器为中心展开了一系列的理论和实验研究。针对列阵 激光器的特点，研制了一套新的激光器光刻版，实现了一版多用。对激光器进 行了理论分析，根据分析结果，在常规工艺流程的基础上进行了优化，提高了 工艺稳定性和器件的性能。在工艺和光刻版都进行了优化的基础上，结合多有 源区激光器的特点，比较了不同填充因子激光器的性能，据此制备出了大功率 的半导体激光器。 ( 1 ) 设计并利用l e d i t 制作了一套列阵激光器的光刻版，可以实现一次光刻 出现两个不同周期的图形，因此就可以在完全相同的工艺条件下比较不同周期 激光器的性能。采用了b o x i n 。b o x 对位技术，对位精确度有了明显提高。对位 标记的巧妙应用可以做出不同类型的图形，做到了一版多用。 ( 2 ) 对条形激光器侧向漏电流进行了理论分析。结果表明：侧向漏电流占注 入电流的比例随着激光器条形台面宽度的增大而降低。同时根据理论分析做对 比实验得出，在不增加非辐射复合情况下，隔离槽与台面越近越能充分发挥其 减小漏电流的作用，这样阂值电流密度降低，最佳工作点的功率效率提高。 ( 3 ) 尝试使用湿氧氧化的方法在激光器侧壁形成天然的氧化物质绝缘层来 代替s i 0 2 填充激光器隔离槽，这样可以减少悬空键和非辐射复合中心，降低激 光器阈值电流，提高激光器的功率效率和光场特性。实验中由于工艺条件还不 成熟，致使生成的氧化物薄膜不致密，在溅射电极合金后，造成短路。还需要 第1 章绪论 进一步的实验验证来确定工艺条件。 ( 4 ) 一般激光器的阈值电流会随着腔长增加而增大，但是最近分析了单量子 阱激光器的阈值电流在很大的腔长范围内保持恒定原因。造成这样现象的原因 是由于激光器有源区不掺杂和采用了线形渐变折射率导引机制的量子阱激光器 结构，这样可以有效的减少载流子泄漏和非辐射复合，因此激光器内损耗很小， 阈值增益主要由腔面损耗决定，致使阈值电流在很大的腔长范围内保持恒定。 ( 5 ) 分析了隧道再生大功率半导体激光器的工作原理、结构特点、设计要点。 隧道再生大功率半导体激光器隔离槽不同深度对器件的性能影响。在以上工作 的基础上，对比了不同填充因子大功率半导体激光器的性能，以及l c mb a r 条 能够达到的最大光功率。提出了最适合多有源区列阵激光器取得大功率的工艺 条件。 第2 章半导体激光器的理论 第2 章半导体激光器的理论 半导体激光器是一种新兴的激光器。它的工作原理和工作特点与其他类型 的激光器有着明显的不同。本章具体分析半导体激光器的工作原理，性能参数， 以及应变量子阱激光器性质和大功率半导体激光器存在的问题以及解决措施。 2 1 半导体激光器的激射条件 光子与半导体内部电子( 或空穴) 的相互作用基本表现为以下四个物理过 程：光的自发辐射、光的受激辐射、光的受激吸收、非辐射跃迁。其中激光器 工作原理就是利用了光受激辐射。既：如果具有适当能量的光子去激励导带中 的电子使之与价带中的空穴复合并发射另一个光子，则这时发射的光子具有与 入射光相同的特征( 如频率、相位、偏振等) 。它能使入射光得到放大或当外界 提供谐振条件时产生激光发射。半导体激光器产生相干辐射，必须具备三个基 本条件 3 3 】。 ( 1 ) 建立起激射媒质( 有源区) 内载流子的反转分布。既处在高能态 导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多。这是靠给 异质结加正向偏压，向有源区注入必要的载流子来实现的。 ( 2 ) 有一个合适的谐振腔使受激辐射在其中得到多次反馈而形成激 光振荡。对f p 腔半导体激光器很方便地利用晶体的 1 1 0 面做自 然解理面来形成f - p 腔。 ( 3 )为了形成稳定振荡，激光媒质必须提供足够大的增益，使光增益 等于或大于各种损耗之和。这就要求足够强的电流注入，必须满 足一定的电流阈值条件。 2 1 1 粒子数反转分布与光增益 为了满足有源区的粒子数反转，必须使净受激发射速率大于净受激吸收速 率，既必须满足伯纳德和杜拉福格条件： e g h v 群一群 ( 2 1 1 式( 2 1 ) 表明，半导体中产生受激光辐射的必要条件是对应非平衡电子和空穴的 准费米能级之差应该大于受激发射的光子能量，如图2 1 所示。这也意味着半 导体受到激射后( 光照或电流注入) 在激射发生之前，导带与价带的准费米能 级之差必须大于e g ，或者说，在激励状态下，e ：或e 暑要分别进入到导带和非 常接近价带。 北京工业大学工学硕卜学位论文 人r ( e )( e ) 图2 - 1 粒子数反转条件示意图 f i 9 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc a r r i e ri n v e r s e 当满足粒子数反转条件时，净受激发射速率为正值。这时光波通过处于该 状态的半导体时将获得增益，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大。通常 将光波通过粒子数反转区获得的增益表示为： f ( z ) = f oe x p ( g z ) ( 2 2 ) 式中z 表示光的传播方向，f ( z ) 表示为某一点z 处单位面积的光子通量，f o 为光 波进入反转区z = 0 时单位面积的光子通量，g 为单位长度的增益或增益系数， 表示为单位面积所产生的附加光子通量与总光子通量之比。增益系数与电流密 度的关系可以表示为： 圭= d nc 3 8 等 陋3 ， 当激光器的工作电流大于某一确定的数值后，增益达到饱和。 2 1 2 激光器的阈值条件 式( 2 1 ) 是激光器产生激光的前提条件，要实际获得相干受激辐射，必须将 此增益介质置于光学谐振腔中，使光波在两个腔面反射镜之间通过增益介质来 回反射而得到放大。如果光增益超过谐振腔引起的光损耗及其他损耗之和，则 贮存在腔内的光场将不断增加，但是随着光增益的饱和会使放大系数减小。 考虑一个长度为l 的f p 腔，如图2 2 所示。内部填充折射率为n 。的半导 体材料。和乃分别为光场在两个谐振腔面上的场发射系数，它们的功率发射 系数分别为r ，= r l r , ，r ：= r 2 4 ，其中，巧是相应的共轭复数。在腔内传播 的平面波可用下式描写： 第2 章半导体激光器的理沦 e l = e x p i 2 无_ n r z 】e x p ( g - - a t ) z ( 2 4 ) 以n 式( 2 4 ) q b ，厶是自由空间波长；a 。是内部损耗系数；g 是增益系数。 部分反射端面r l 一腔长三i 图2 - 2f p 腔示意图 f i g2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ff pc a v i t y 在该系统中能够形成自持振荡的条件是：当波在两个腔面间经过一个周期 回到原处