44瓦超高功率808nm半导体激光器设计与制作

44瓦超高功率808nm半导体激光器设计与制作仇伯仓，胡海，何晋国深圳清华大学研究院深圳瑞波光电子有限公司1.引言半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上[1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低,只有1%左右；2）体积小。一个出射功率超过10W的半导体激光芯片尺寸大约为0.3mm3,而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808nm以及9xxnm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。2.高功率激光结构设计图1.半导体激光外延结构示意图图2.外延结构以及与之对应的光场分布图3.量子阱限制因子与SCH层厚度之间的关系图4.光束发散角与SCH层厚度之间的关系图1给出了一个典型的基于AlGaAs材料的808nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区量子阱、AlGaAs波导以及AlGaAs包层材料组成，在材料选取上包层材料的Al组分要高于波导层材料的Al组分，以保证在材料生长方向形成波导结构，即材料对其中的光场有限制作用（见图2）。另外，为了实现电子与空穴在量子阱内产生受激辐射复合，材料必须被掺杂成p-i-n结构，其中有源波导区通常为非掺杂的本征区域。因为半导体激光的主要性能参数对温度非常敏感，所以在设计外延与器件结构时，必须仔细优化芯片结构参数，尽可能减小器件的内损耗以及串联电阻，尽可能地提高器件的内量子效率,以便获得尽可能高的电光转换效率。在器件设计方面，通常采用腔长较长的结构，这是因为整个芯片的封装模块的热阻与腔长近似成反比，芯片越长，模块热阻越小，芯片的结温越低；此外另一考虑因素是器件的可靠性。因为可靠性也与芯片工作时的电流密度有关，电流密度越大，寿命越短。不同于低功率器件，在高功率激光设计中，阈值电流的大小不是最优先考虑的因素。研究表明，高功率激光芯片的寿命主要与芯片内的光场密度、电流密度以及芯片结温有关，而在上述三个因素之中，光场密度对寿命以及可靠性影响最为显著。事实上，激光芯片失效在很大程度上是由与光场密度有关的两种失效模式有关：其一为因光场密度造成腔内光学灾变（简称COBD）；其二为光场密度过高而在腔面引起的光学灾变（简称COMD）。在高功率激光外延结构设计中，为了降低因光功率密度过高而引起器件失效的几率，通常采用低光场密度或者低限制因子设计。在低限制因子设计中，虽然阈值电流会有所上升，但考虑到高功率激光的工作电流是阈值电流的10-20倍以上，阈值电流的些许增加并不会显著影响器件的整体效率。而且采用低限制因子设计还有一些额外的优点：1）可以降低激光腔内的整体光损耗。这是因为激光的损耗主要是由自由载流子吸收（FCA）[3]以及价带间载流子跃迁造成的吸收（IVBA）引起的[4]，当采用低限制因子设计时，量子阱内的载流子吸收损耗也会相应降低；2）可以降低外延生长方向上的光束发散角，从而改善光束特性。芯片的光束特性影响到半导体激光的光束整形、耦合设计，当光束发散角小时，不仅会提高光的耦合效率，而且会容许后续的光学系统有更大设计与制造容差。低限制因子设计可以通过调整分别限制异质结（SCH）层厚度来获得。图3给出了量子阱光场限制因子gamma与SCH厚度之间的关系，由其可见，低限制因子可用两种不同方法来获得：其一为采用SCH厚度很薄的设计；其二为采用SCH厚度很厚的设计。SCH厚度达到一微米左右波导设计一般被称之为大光场（LOC）设计[5]。在大光场设计中，因为比较容易兼顾芯片的腔内损耗以及串联电阻的优化，所以当今许多行业内顶级公司采用这一设计理念。3.高功率激光工艺制作与腔面处理高功率激光因为需要输出很高的功率，所以其有源区条宽都在几十微米甚至几百微米，具体条宽根据应用而定。为了区别单模窄波导激光，这种激光结构有时会被称之为宽条激光。宽条激光的工艺处理相对比较简单，有的公司为了简化工艺，只是通过有限几个步骤的工艺处理（如离子注入）形成电隔离区域，然后制作p面金属电极、晶片减薄、n面金属电极沉积、快速退火以及腔面镀膜等即完成所有工艺流程。不过，有证据似乎表明，用这种方法制作的激光的水平方向的光束特性随电流变化比较大[6]。为了改善宽条激光相对于注入电流的稳定性，也可以通过刻蚀形成脊波导，波导结构不仅会对电流形成隔离作用，而且因为刻蚀形成的波导对光在横向形成波导限制。图5给出了刻蚀后形成的宽波导激光。高功率激光的工艺最具挑战之处在于腔面处理与镀膜工艺。腔面处理主要有无吸收腔面技术、腔面钝化技术等[7]。无吸收腔面技术是通过材料生长完毕后的工艺处理技术（通常被称之为量子阱混杂技术)，在腔面附近区域，改变材料的性质，使得材料的吸收峰蓝移，从而使腔面区域的材料对芯片发射出的激光呈透明状态。无吸收腔面技术也可通过材料再生长的方法来实现，所生长的材料的能带宽度要足够大，以便使其对芯片所发射的光呈现完全透明状态。腔面钝化技术是在腔面的半导体材料上沉积一薄层其它材料，这种材料最好具有如下的性质：1）能够中和因半导体界面晶格缺陷而产生的复合中心；2）钝化材料应该对激光无吸收；3）钝化材料应该与半导体材料的热膨胀系数接近;4）与本底半导体材料有很好的化学与物理吸附。腔面钝化的目的是中和半导体激光腔面的非辐射复合中心，从而消除因非辐射复合而引起的腔面光学灾变。腔面镀膜是在激光腔的后端面镀上多对由两种不同介质材料组成的介质膜，以便使其对腔内的反射率达到90%以上，而在激光的前端面，通过蒸镀一定厚度的介质膜材料，使其反射率在2-10%左右。图5.宽波导高功率激光示意图4.高功率激光性能测试高功率半导体激光测试参数主要包括光—电流—电压（LIV）特性曲线，温度特性、光谱曲线、光束特性、可靠性以及偏振性质等。由于半导体芯片对环境温度、环境湿度、静电、尘埃、电流电压的过脉冲以及光的回反射等都非常敏感，这些参数的任何变化不仅影响到测量精度，而且更有可能引起器件的突然失效。为此，激光的测试环境必须经过认真考虑。深圳瑞波光电子有限公司技术团队集多年测试分析经验，提出了一套完整的芯片参数测试分析方案，构建了能够精确控制测试环境、对各种参数进行快速自动测试、最后自动生成主要参数测试报告的测试系统。针对半导体激光器的关键制造环节的表征测试需要，我们研发了一系列测试仪器，包括针对裸芯片的单管/巴条测试系统和full-bar巴条测试系统（这里full-bar巴条测试是指共电极测试，测试电流可达200-400A），针对贴片后器件的COS（chip-on-submount）测试系统、针对光纤耦合蝶形封装的模块测试系统、以及大容量并可以实时监控器件功率和波长的老化寿命测试系统等。图7给出了我们研发的COS测试系统的图片，该系统主要由电子学系统、机械组件、控制系统以及数据处理与分析系统组成，可以对前述的各种参数进行快速和全方位的测试。图6.测试工作台照片5.超高功率808nm高功率激光芯片RB-808系列激光芯片是我们自主设计与制作的808nm高功率激光芯片。RB-808系列芯片是瑞波公司积极顺应市场需求，研发出针对不同工作模式的芯片，其中包括输出不同功率的单管芯片（8-10瓦）、输出功率达100W（CW：连续电流模式）的巴条芯片等。在本文中我们重点介绍我们所研发的单管高功率产品，而高功率巴条芯片将在其它文章中给予详细介绍。808nm激光在外延结构设计上，有多种不同选择，比如量子阱材料可以采用GaAs、AlGaAs、InGaAlAs、InGaAsP等[8]，波导材料可以在选取量子阱材料后，根据材料的电子学与光学性质做出相应选择。在深圳瑞波，我们采用了有源区无铝的InGaAsP量子阱结构。采用无铝有源区结构的好处是没有腔面在解理后在大气中的氧化问题，从而避免了与大气氧化有关的可靠性问题。芯片工艺制作完毕后，芯片以P面朝下的方式被焊接在厚度为350微米的镀金AlN陶瓷片上，焊锡材料采用的是金锡焊料。为了简明起见，以后将这种方式封装的芯片称之为COS（chip-on-submount）。COS测试是用我们开发的测试系统完成的，该系统可以在连续和脉冲电流下全方面表征器件的光电特性，包括LIV特性，光谱特性以及光束特性等。该系统已经在多家激光芯片制造企业和封装企业的研发实验室和生产线上采用。图7为所测试的不同温度下的光—电流（L-I）特性曲线，由其可见，COS在20度测试环境下，阈值电流大约为1.8A，斜率效率大约为1.2W/A,而达到10瓦输出功率时所需要的工作电流为10A。图8为所测试的中心波长与电流之间的关系，考虑到对于808nm的激光芯片，温度每升高一度，波长红移大约为0.25nm,意味着在工作电流为10A时，芯片的结温大约比环境测试温度高出16度左右，这一温度升高与我们的计算完全相符。图9为工作电流在10A时所测得的光束发散角，很显然，在垂直方向上（即外延生长方向）光束发散角的全宽半高值（FWHM）大约为25度，比国外通用的同类型808芯片的36度发散角减少了30%，而水平方向上包含95%光场能量的光束发散角大约为10度。瑞波公司808nm芯片优异的远场特性使得后续封装模块光束整形和光纤耦合得到改善。在器件可靠性评估中，我们对器件进行加速寿命测试以及COMD破坏性测试。加速寿命测试是在更高的可控环境温度下，以及比额定工作电流更高的注入电流下以连续波（CW）方式工作，通过监控芯片的工作参数与时间的关系来评估芯片在正常运行时的使用寿命；而COMD破坏性测试是在特定脉冲工作方式下，对器件施加不断增加的电流，直到器件因COMD发生而停止工作为止，这一测试容许我们获得芯片发生COMD时腔面功率的大小。在COMD测试中，我们采用周期为10毫秒、占空比为10%的脉冲电流对芯片进行破坏性测试，测试结果可参见图10。由图可见，当注入电流为48A时，COS的功率为44瓦，随后芯片失效。仔细分析发现，图10给出的测试结果并不是由于腔面灾变失效引起器件功率下降，因为失效分析发现芯片的失效是由于电流过大，引起金线熔断而引起的，而熔断的金线导致芯片局部温度过高才导致芯片最终失效。从所测试的光—电流—电压（L-I-V）特性来看，芯片失去功率的同时，电压也降为零值，而真正的COMD发生时，电压会升高大约150mV，电压升高的原因是当芯片输出功率瞬间减小，腔内的载流子浓度因为辐射复合减小而随之升高，抬高了量子阱内的费米能级，进而导致了电压的上升。此外，还需要补充的是，尽管COMD测试是在脉冲状态下进行的，但因为脉冲宽度达1000微秒，远远超过芯片本身的热时间常数，所以这一测试在热学上几乎等效于持续电流测试模式。图7.808nm连续电流，不同温度情况下的单管COS模块光—电流特性曲线图8.激光波长随温度变化关系图9.水平与垂直方向的光束特性图10.激光腔面失效功率（COMD）测试6.结论本文简要综述了高功率808nm半导体激光的设计以及腔面工艺处理方法，随后展示了深圳瑞波光电子公司在高功