106m大功率连续半导体激光器要点.docx

1、106m大功率连续半导体激光器要点纳米器件与技术Nanoelect ronic Device&Technology1.06m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In GaAs/Al GaAs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L IV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1.06m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

2、.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(200904-0209-041.06m High Pow er CW Semiconductor LasersRen Y ongxiao,Chen Hongtai,Zhang Shizu,Yang Hongwei,Hua Jizhen(T he13th Research I nstitute,

3、C E TC,S hi j iaz huang050051,ChinaAbstract:In GaAs/Al GaAs separated confinement heterost ruct ure comp ress st rained double and single quant um well materials were grown by t he metal organic chemical vapor depo sition (MOCVDtechnology.The single quant um well material of a1.06m high power CW sem

4、icon2 ductor laser was cho sen t hrough t he comparison between two kinds of material internal parame2 ters which were obtained by L IV test s for different cavity lengt h semiconductor laser diodes.The maximal electric2optical conversion efficiency reaches57.5%t hrough t he research on t he relatio

5、n2 ship of t he power conversion efficiency,drive current and cavity lengt h.After high2current high2 temperat ure accelerated aging test s of1mm cavity lengt h laser diode,t he result indicates t hat t he lifetime of t he laser diode at room temperat ure is far beyond104h at1.5A.K ey w ords:semicon

6、ductor lasers;MOCVD(metal organic chemical vapor deposition;electric2 optical conversion efficiency;accelerated aging;internal parametersEEACC:4320J0引言1.06m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1.06m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1.06m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

7、内尚未见到。本文对不同材料结构的1.06m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:2009-01-20E2m ail:ryxuestc1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In2 GaAs/Al GaAs分别限制压应变量子阱结构外延材料。材料生长使用德国A IXTRON-2000型MOCVD设

8、备,p型掺杂剂采用DEZn,n型掺杂剂采用Si H4,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In GaAs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21017/cm3,单量子阱材料结构的p限制层掺杂浓度为3.31017/cm3。p2Al GaAs(限制层GaAs波导层In GaAs量子阱GaAs势垒层In GaAs量子阱GaAs波导层n2Al GaAs(限制层图1双量子阱材料结构示

9、意图Fig.1Schematic material structure of05179-2p2Al GaAs(限制层GaAs波导层In GaAs量子阱GaAs波导层n2Al GaAs(限制层图2单量子阱材料结构示意图Fig.2Schematic material structure of08086-22材料参数提取采用以上两种材料,制成发射孔径为100m 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L IV测试结果进行分析提取材料内部特性参数。外量子效率与内量子效率i、腔长L的关系为81=1i(1+2iln(R b R f-1L(1式中:i为内损耗;R f、R

10、 b分别为激光器前、后腔面的反射率。阈值电流密度J th与透明电流密度J tr、模式增益G0、腔长L的关系为9ln(J th=iG+ln(J tr+ln(R b R f-12G01L(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/与L和ln(J th与1/L的拟合关系,如图3、4所示,进而得出i、i、G0、J th,见表1。任永晓等:1.06m大功率连续半导体激光器表1材料内部特性参数比较Table 1Comparison of the internal characters of two kindsof material structures

11、材料号05179-208086-2i0.8520.869i /cm-12.212.17G 0/cm -126.619.95J th /(A cm -288.549.4测试结果讨论:两种材料结构的内量子效率i和i 内损耗基本一致;虽然双阱的限制因子是单阱的2倍,但测试结果显示,双阱G 0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1.06m 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

12、长的管芯进行腔面镀膜(R f =2.7%、R b =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.7Curves of t he conversion efficiency and t he current fordifferent cavity lengt h lasers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

13、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Table 2Peak efficiency and related current for differentcavity length lasers腔长L/mm峰值效率/%注入电流I/A157.51.51.557.11.9257.22.22.557.32.7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P nor 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

14、 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:1.06m 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,即加速因子为=exp E a k B (1T 0-1T 1(3式中:k B 为玻耳兹曼常数;E a 为从加速老化数据中所得到的激活能(本文取E a =0.52eV 11;T 0和T 1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

15、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L IV 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1.06m 半导体激光器达到了实用化水平。参考文献:1杨祥林.光放大器及其应用M .北京:电子工业出版社,2000.2VOLL U ET

16、G ,HIR TZ J P ,FEU GN ET G ,et al.Highbrightness stack arrays for DPSSL laser application J .Proc of SPIE ,1998,3415:38-48.3武占春,顾卫东,王晓燕,等.1.064m 脉冲高功率量子阱激光器阵列J .半导体光电,2002,23(2:84-86.4CRUMP P ,DON G W M ,GRIMSHAW M ,et al.1002W diode laser bars show 71%power conversion from 7902nm to 10002nm and hav

17、e clear route to 85%C/Proc SPIE.2007,6456:6450M.5PETERS M ,ROSSIN V ,EV ERET T M ,et al.High 2power ,high 2efficiency laser diodes at JDSU C /Proc SPIE.2007,6456:64560G.6ENDFIZ J G ,VA KIL I M ,BROWEDR G S.High powerdiode laser arrays J .IEEE Journal of quantum electronics ,1992,28(4:952-965.7CHUAN

18、G S L.Efficient band 2structure calculations ofstrained quantum wells J .Phys Rev :B ,1991,43(12:9649-9661.8刘恩科,朱秉升,罗晋生,等.半导体物理学M .北京:电子工业出版社,2004.9江剑平.半导体激光器M .北京:电子工业出版社,2002.10黄德修,刘雪峰.半导体激光器及其应用M .北京:国防工业出版社,1999.11荣宝辉,王晓燕,安振峰,等.大功率半导体激光器加速寿命测试方法J .半导体技术,2008,33(4:360362.12ROSSIN V ,ZUCKER E ,STRITE T ,et al.Al GaInAs broad 2area lasers exhibit out standing reliability J .Com 2pound Semiconductor Magazine ,2003(3:46- 48.任永晓等:1.06m 大功率连续半导体激光器