106m大功率连续半导体激光器要点.docx

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106m大功率连续半导体激光器要点

纳米器件与技术

NanoelectronicDevice&Technology

1.06μm大功率连续半导体激光器

任永晓,陈宏泰,张世祖,杨红伟,花吉珍

（中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄　050051

摘要:

利用金属有机化学气相淀积（MOCVD技术,生长了InGaAs/AlGaAs分别限制压应变

双量子阱和单量子阱两种材料结构,通过对不同腔长单管激光器的LIV测试获得内部参数,对单、双阱两种材料结构器件参数进行对比分析,确定了单量子阱结构作为1.06μm大功率半导

体激光器的材料结构。

通过研究单管激光器的电光转换效率与腔长、注入电流的关系,获得了最

高达到57.5%的电光转换效率。

对1mm腔长单管激光器进行了大电流高温加速老化测试,结

果显示研制出的单管激光器室温下在1.5A工作电流下寿命远大于104h。

关键词:

半导体激光器;金属有机化学气相淀积;电光转换效率;加速老化;内部参数

中图分类号:

TN365;TN304.23　文献标识码:

A　文章编号:

1671-4776（200904-0209-04

1.06μmHighPowerCWSemiconductorLasers

RenYongxiao,ChenHongtai,ZhangShizu,YangHongwei,HuaJizhen

（The13thResearchInstitute,CETC,Shijiazhuang050051,China

Abstract:

InGaAs/AlGaAsseparatedconfinementheterostructurecompressstraineddoubleandsinglequantumwellmaterialsweregrownbythemetalorganicchemicalvapordeposition（MOCVDtechnology.Thesinglequantumwellmaterialofa1.06μmhighpowerCWsemicon2ductorlaserwaschosenthroughthecomparisonbetweentwokindsofmaterialinternalparame2terswhichwereobtainedbyLIVtestsfordifferentcavitylengthsemiconductorlaserdiodes.Themaximalelectric2opticalconversionefficiencyreaches57.5%throughtheresearchontherelation2shipofthepowerconversionefficiency,drivecurrentandcavitylength.Afterhigh2currenthigh2temperatureacceleratedagingtestsof1mmcavitylengthlaserdiode,theresultindicatesthatthelifetimeofthelaserdiodeatroomtemperatureisfarbeyond104hat1.5A.

Keywords:

semiconductorlasers;MOCVD（metalorganicchemicalvapordeposition;electric2opticalconversionefficiency;acceleratedaging;internalparameters

EEACC:

4320J

0　引　言

1.06μm激光器广泛应用于材料加工、医用、信息存储和军事等方面,市场上1.06μm激光器多以固体激光器为主。

随着半导体激光器研究的不断深入,由于其体积小、重量轻、转换效率高,使得1.06μm半导体激光器取代固体激光器系统,独立应用于各种系统中成为可能[1-6]。

目前,国际上该波段器件已有成熟产品推出,而国内尚未见到。

本文对不同材料结构的1.06μm半导体激光器性能参数进行了测试分析,并对样品进行了寿命老化测试。

收稿日期:

2009-01-20

E2mail:

ryxuestc@

1　材料外延

分别限制结构具有较好的光子和电子分别限制作用,有利于提高光场限制因子,可明显降低阈值电流,提高激光器的功率输出水平。

此外,在量子阱区引入适当的压应变来改变材料的能带结构,可使量子阱激光器的透明载流子密度大为降低,在相同的注入载流子浓度下,峰值光增益显著提高,从而降低了器件的阈值电流密度[7]。

文中采用了In2GaAs/AlGaAs分别限制压应变量子阱结构外延材料。

材料生长使用德国AIXTRON-2000型MOCVD设备,p型掺杂剂采用DEZn,n型掺杂剂采用SiH4,在n型GaAs衬底上生长双量子阱（05179-2和单量子阱（08086-2两种材料结构,材料结构分别如图1、2所示。

两种材料结构的量子阱都是采用6nm的InGaAs材料,波导层都是250nm的GaAs材料,限制层为1100nm的Al0.30Ga0.70As材料。

二者区别:

双量子阱材料结构的p限制层掺杂浓度为2×1017/cm3,单量子阱材料结构的p限制层掺杂浓度为3.3×1017/cm3。

p2AlGaAs（限制层

GaAs波导层

InGaAs量子阱

GaAs势垒层

InGaAs量子阱

GaAs波导层

n2AlGaAs（限制层

图1　双量子阱材料结构示意图

Fig.1　Schematicmaterialstructureof05179-2

p2AlGaAs（限制层

GaAs波导层

InGaAs量子阱

GaAs波导层

n2AlGaAs（限制层

图2　单量子阱材料结构示意图

Fig.2　Schematicmaterialstructureof08086-2

2　材料参数提取

采用以上两种材料,制成发射孔径为100μm的宽区激光器单管,不镀膜。

下面通过对不同腔长（1、1.5、2、2.5mm的单管LIV测试结果进行分析提取材料内部特性参数。

外量子效率η与内量子效率ηi、腔长L的关系为[8]

1

η=

1

η

i

（1+

2αi

ln（RbRf-1

L（1式中:

αi为内损耗;Rf、Rb分别为激光器前、后腔面的反射率。

阈值电流密度Jth与透明电流密度Jtr、模式增益ΓG0、腔长L的关系为[9]

ln（Jth=[

α

i

ΓG

+ln（Jtr]+

ln（RbRf-1

2ΓG0

×1

L

（2器件未镀膜时,前后腔面反射率相等,约为0

.32,根据不同腔长的器件参数测试结果,可得到1/η与L和ln（Jth与1/L的拟合关系,如图3、4所示,进而得出αi、ηi、ΓG0、Jth,见表1。

　任永晓等:

1.06μm大功率连续半导体激光器　

表1　材料内部特性参数比较

Table1　Comparisonoftheinternalcharactersoftwokinds

ofmaterialstructures材料号05179-208086-2ηi

0.8520.869αi/cm

-12.212.17ГG0/cm-1

26.619.95Jth/（A・cm-2

88.5

49.4

测试结果讨论:

两种材料结构的内量子效率ηi

和αi内损耗基本一致;虽然双阱的限制因子Г是单阱的2倍,但测试结果显示,双阱ΓG0仅比单阱大33%,所以单阱的阈值电流密度反而小,如图5所示。

由图6可以看出单阱材料（08086-2的串联电阻小,这是因为单阱材料的p限制层掺杂浓度高

。

综上所述,作者选用08086-2单量子阱、高掺

杂的材料结构来制作1.06μm大功率半导体激光器。

3　器件制备与测试结果分析

作者将单量子阱结构（08086-2四种腔长的管

芯进行腔面镀膜（Rf=2.7%、Rb=96.1%后,经烧结、键合等工艺形成单管器件。

不同腔长单管的电光转换效率随注入电流的变化关系如图7

所示。

图7　不同腔长单管的电光转换效率随电流的变化关系曲线

Fig.7　Curvesoftheconversionefficiencyandthecurrentfor

differentcavitylengthlasers

从图7可以看出,不同腔长单管的电光转换效率的峰值对应的注入电流是不同的,腔长越长的电光转换效率峰值对应的注入电流密度越大,电光转换效率最大可以达到57.5%,如表2所示。

因此可以根据不同功率要求条件选取不同腔长的管芯来制作器件使得电光转换效率达到最优化。

表2　不同腔长单管的峰值效率及对应的注入电流

Table2　Peakefficiencyandrelatedcurrentfordifferent

cavitylengthlasers

腔长L/mm

峰值效率η/%

注入电流I/A

157.51.51.557.11.9257.22.22.5

57.3

2.7

对1mm腔长的单管进行大电流和高温加速老化实验,恒定老化电流3A,热沉温度60℃。

老化过程中归一化出光功率Pnor随时间变化的关系如图8所示。

老化曲线震荡是由于老化系统波动造成的,老化前后功率对比如图9所示。

可以看出经

200h加速老化后3A注入电流下的输出功率较老

化前下降了大约4%,按线性退化估算出1mm腔

　任永晓等:

1.06μm大功率连续半导体激光器　

长的单管在该老化条件下寿命要大于1000h。

半导体激光器随温度提高而引起的退化有Arrhenius关系[10],即加速因子τ为

τ=exp[

EakB（1T0-1T1

]（3

式中:

kB为玻耳兹曼常数;Ea为从加速老化数据中所得到的激活能（本文取Ea=0.52eV[11];T0

和T1分别为室温（293K和加速老化的温度（333K。

可以计算出由温度引起的加速因子为

11.8,推出该单管在室温下3A工作电流下的寿命

大于10000h,由于电流引起的加速老化效应[12],该单管器件在室温1.5A工作电流下的寿命更高

。

4　结　论

通过研究不同腔长的单管激光器的LIV特性来比较单、双阱两种材料结构的材料内部特性参数,获取了优化的材料结构;根据不同电流注入条件选取不同腔长的管芯可以使得电光转换效率达到最优化,电光转化效率最大可以达到57.5%;

1mm腔长的单管激光器经过200h的加速老化,

老化前后功率对比表明,在3A注入电流下功率下降了约4%,室温、3A电流下寿命大于10000h,

1.5A工作电流下寿命更高,表明研制的1.06μm半导体激光器达到了实用化水平。

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　任永晓等:

1.06μm大功率连续半导体激光器