44瓦超高功率808nm半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)與制作

1、44瓦超高功率808 nm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III-V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808 nm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。一個出射功率超過10 W 的半導(dǎo)體激光芯片尺寸大約為0.3 mm3, 而一臺固態(tài)

2、激光更有可能占據(jù)實(shí)驗(yàn)室的整整一張工作臺；3）可靠性高，平均壽命估計(jì)可以長達(dá)數(shù)十萬小時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)隨時間以指數(shù)上升的趨勢改善，而價(jià)格則隨時間以指數(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)用到國計(jì)民生的各個方面，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808 nm 以及9xx nm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

3、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)示意圖圖2. 外延結(jié)構(gòu)以及與之對應(yīng)的光場分布圖3. 量子阱限制因子與SCH層厚度之間的關(guān)系圖4. 光束發(fā)散角與SCH層厚度之間的關(guān)系圖1給出了一個典型的基于AlGaAs材料的808 nm半導(dǎo)體激光外延結(jié)構(gòu)示意圖，由其可見，外延結(jié)構(gòu)由有源區(qū)量子阱、AlGaAs波導(dǎo)以及AlGaAs包層材料組成，在材料選取上包層材料的Al 組

4、分要高于波導(dǎo)層材料的Al組分，以保證在材料生長方向形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即材料對其中的光場有限制作用（見圖2）。另外，為了實(shí)現(xiàn)電子與空穴在量子阱內(nèi)產(chǎn)生受激輻射復(fù)合，材料必須被摻雜成p-i-n結(jié)構(gòu)，其中有源波導(dǎo)區(qū)通常為非摻雜的本征區(qū)域。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光的主要性能參數(shù)對溫度非常敏感，所以在設(shè)計(jì)外延與器件結(jié)構(gòu)時，必須仔細(xì)優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡可能減小器件的內(nèi)損耗以及串聯(lián)電阻，盡可能地提高器件的內(nèi)量子效率, 以便獲得盡可能高的電光轉(zhuǎn)換效率。在器件設(shè)計(jì)方面，通常采用腔長較長的結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)檎麄€芯片的封裝模塊的熱阻與腔長近似成反比，芯片越長，模塊熱阻越小，芯片的結(jié)溫越低；此外另一考慮因素是器件的可靠性。因?yàn)榭煽啃砸才c

5、芯片工作時的電流密度有關(guān)，電流密度越大，壽命越短。不同于低功率器件，在高功率激光設(shè)計(jì)中，閾值電流的大小不是最優(yōu)先考慮的因素。 研究表明，高功率激光芯片的壽命主要與芯片內(nèi)的光場密度、電流密度以及芯片結(jié)溫有關(guān)，而在上述三個因素之中，光場密度對壽命以及可靠性影響最為顯著。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，雖然閾值電流會有所上升，

6、但考慮到高功率激光的工作電流是閾值電流的10-20倍以上， 閾值電流的些許增加并不會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，量子阱內(nèi)的載流子吸收損耗也會相應(yīng)降低；2）可以降低外延生長方向上的光束發(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，不僅會提高光的耦合效率，而且會容許后續(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

7、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)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剩?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)有時會被稱之為寬條激光。寬條激光的工藝處理相對比較簡單，有的公司為了

8、簡化工藝，只是通過有限幾個步驟的工藝處理（如離子注入）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)

9、)，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）能夠中和因半導(dǎo)體界面晶格缺陷而產(chǎn)生的復(fù)合中心；2）鈍化材料應(yīng)該對激光無吸收；3）鈍化材料應(yīng)該與半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)接近; 4） 與本底半導(dǎo)體材料有很好的化學(xué)與物理吸附。腔面鈍化的目的是中和半導(dǎo)體激光腔面的非輻射復(fù)合中心，從而消除因非輻射復(fù)合而引起的腔面光學(xué)災(zāi)變。腔面鍍膜是在激光腔的后

10、端面鍍上多對由兩種不同介質(zhì)材料組成的介質(zhì)膜，以便使其對腔內(nèi)的反射率達(dá)到90%以上， 而在激光的前端面， 通過蒸鍍一定厚度的介質(zhì)膜材料，使其反射率在2-10%左右。 圖5. 寬波導(dǎo)高功率激光示意圖4. 高功率激光性能測試高功率半導(dǎo)體激光測試參數(shù)主要包括光電流電壓（LIV）特性曲線，溫度特性、光譜曲線、光束特性、可靠性以及偏振性質(zhì)等。由于半導(dǎo)體芯片對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、靜電、塵埃、電流電壓的過脈沖以及光的回反射等都非常敏感，這些參數(shù)的任何變化不僅影響到測量精度，而且更有可能引起器件的突然失效。為此，激光的測試環(huán)境必須經(jīng)過認(rèn)真考慮。深圳瑞波光電子有限公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)集多年測試分析經(jīng)驗(yàn)，提出了一套完整的芯

11、片參數(shù)測試分析方案，構(gòu)建了能夠精確控制測試環(huán)境、對各種參數(shù)進(jìn)行快速自動測試、最后自動生成主要參數(shù)測試報(bào)告的測試系統(tǒng)。針對半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的表征測試需要，我們研發(fā)了一系列測試儀器，包括針對裸芯片的單管/巴條測試系統(tǒng)和full-bar巴條測試系統(tǒng) （這里full-bar巴條測試是指共電極測試， 測試電流可達(dá)200-400 A），針對貼片后器件的COS （chip-on-submount）測試系統(tǒng)、針對光纖耦合蝶形封裝的模塊測試系統(tǒng)、以及大容量并可以實(shí)時監(jiān)控器件功率和波長的老化壽命測試系統(tǒng)等。圖7給出了我們研發(fā)的COS 測試系統(tǒng)的圖片，該系統(tǒng)主要由電子學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械組件、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理

12、與分析系統(tǒng)組成，可以對前述的各種參數(shù)進(jìn)行快速和全方位的測試。 圖6. 測試工作臺照片5. 超高功率808 nm 高功率激光芯片RB-808系列激光芯片是我們自主設(shè)計(jì)與制作的808nm高功率激光芯片。RB-808 系列芯片是瑞波公司積極順應(yīng)市場需求，研發(fā)出針對不同工作模式的芯片，其中包括輸出不同功率的單管芯片（8-10瓦）、輸出功率達(dá)100 W（CW：連續(xù)電流模式）的巴條芯片等。在本文中我們重點(diǎn)介紹我們所研發(fā)的單管高功率產(chǎn)品，而高功率巴條芯片將在其它文章中給予詳細(xì)介紹。808 nm 激光在外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，有多種不同選擇，比如量子阱材料可以采用GaAs、AlGaAs、InGaAlAs、InGaAs

13、P等8，波導(dǎo)材料可以在選取量子阱材料后，根據(jù)材料的電子學(xué)與光學(xué)性質(zhì)做出相應(yīng)選擇。在深圳瑞波，我們采用了有源區(qū)無鋁的InGaAsP量子阱結(jié)構(gòu)。采用無鋁有源區(qū)結(jié)構(gòu)的好處是沒有腔面在解理后在大氣中的氧化問題，從而避免了與大氣氧化有關(guān)的可靠性問題。芯片工藝制作完畢后，芯片以P面朝下的方式被焊接在厚度為350 微米的鍍金AlN陶瓷片上，焊錫材料采用的是金錫焊料。為了簡明起見，以后將這種方式封裝的芯片稱之為COS（chip-on-submount）。COS測試是用我們開發(fā)的測試系統(tǒng)完成的，該系統(tǒng)可以在連續(xù)和脈沖電流下全方面表征器件的光電特性，包括LIV特性，光譜特性以及光束特性等。該系統(tǒng)已經(jīng)在多家激光芯片

14、制造企業(yè)和封裝企業(yè)的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線上采用。 圖7為所測試的不同溫度下的光電流（L-I）特性曲線，由其可見，COS在20度測試環(huán)境下，閾值電流大約為1.8 A，斜率效率大約為1.2 W/A, 而達(dá)到10瓦輸出功率時所需要的工作電流為10 A。圖8為所測試的中心波長與電流之間的關(guān)系，考慮到對于808 nm的激光芯片，溫度每升高一度，波長紅移大約為0.25 nm, 意味著在工作電流為10 A時，芯片的結(jié)溫大約比環(huán)境測試溫度高出16度左右，這一溫度升高與我們的計(jì)算完全相符。圖9為工作電流在10 A時所測得的光束發(fā)散角，很顯然，在垂直方向上（即外延生長方向）光束發(fā)散角的全寬半高值（FWHM）大約為2

15、5度，比國外通用的同類型808芯片的36度發(fā)散角減少了30%，而水平方向上包含95%光場能量的光束發(fā)散角大約為10度。瑞波公司808nm芯片優(yōu)異的遠(yuǎn)場特性使得后續(xù)封裝模塊光束整形和光纖耦合得到改善。在器件可靠性評估中，我們對器件進(jìn)行加速壽命測試以及COMD破壞性測試。加速壽命測試是在更高的可控環(huán)境溫度下，以及比額定工作電流更高的注入電流下以連續(xù)波（CW）方式工作，通過監(jiān)控芯片的工作參數(shù)與時間的關(guān)系來評估芯片在正常運(yùn)行時的使用壽命；而COMD破壞性測試是在特定脈沖工作方式下， 對器件施加不斷增加的電流， 直到器件因COMD發(fā)生而停止工作為止，這一測試容許我們獲得芯片發(fā)生COMD時腔面功率的大小。

16、 在COMD測試中，我們采用周期為10毫秒、占空比為10%的脈沖電流對芯片進(jìn)行破壞性測試，測試結(jié)果可參見圖10。由圖可見，當(dāng)注入電流為48 A時，COS的功率為44瓦，隨后芯片失效。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，圖10給出的測試結(jié)果并不是由于腔面災(zāi)變失效引起器件功率下降，因?yàn)槭Х治霭l(fā)現(xiàn)芯片的失效是由于電流過大，引起金線熔斷而引起的，而熔斷的金線導(dǎo)致芯片局部溫度過高才導(dǎo)致芯片最終失效。從所測試的光電流電壓（L-I-V）特性來看，芯片失去功率的同時，電壓也降為零值，而真正的COMD發(fā)生時，電壓會升高大約150 mV，電壓升高的原因是當(dāng)芯片輸出功率瞬間減小，腔內(nèi)的載流子濃度因?yàn)檩椛鋸?fù)合減小而隨之升高，抬高了量子阱

17、內(nèi)的費(fèi)米能級，進(jìn)而導(dǎo)致了電壓的上升。此外，還需要補(bǔ)充的是，盡管COMD測試是在脈沖狀態(tài)下進(jìn)行的，但因?yàn)槊}沖寬度達(dá)1000微秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過芯片本身的熱時間常數(shù)，所以這一測試在熱學(xué)上幾乎等效于持續(xù)電流測試模式。圖7. 808 nm 連續(xù)電流，不同溫度情況下的單管COS模塊光電流特性曲線圖8. 激光波長隨溫度變化關(guān)系圖9. 水平與垂直方向的光束特性圖10. 激光腔面失效功率（COMD）測試6. 結(jié)論本文簡要綜述了高功率808 nm 半導(dǎo)體激光的設(shè)計(jì)以及腔面工藝處理方法， 隨后展示了深圳瑞波光電子公司在高功率808 nm 芯片研發(fā)方面所取得的進(jìn)展。我們最新測試的單管COMD功率達(dá)44瓦以上， 這一功率水

18、平表明我們的芯片腔面處理工藝能夠滿足10瓦單管芯片所需要的工藝水平。致謝本項(xiàng)目研究得到了國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)課題“高線性激光器和高飽和功率光探測器陣列芯片”資助（課題編號2015AA016901）， 并得到了廣東省“創(chuàng)新引進(jìn)科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”與深圳市“孔雀團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”的支持。參考文獻(xiàn)1. G. Bacchin, A. Fily, B. Qiu, D. Fraser, S. Robertson, V. Loyo-Maldonado, S. D. McDougall and B. Schmidt, “High temperature and high peak power 808 nm

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