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：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)激光更有可能占據(jù)實驗室的整整一張工作臺；3）可靠性高，平均壽命估計可以長達數(shù)十萬小時[2]；4）價格低廉。半導(dǎo)體激光也同樣遵從集成電路工業(yè)中的摩爾定律，即性能指標隨時間以指數(shù)上升的趨勢改善，而價格則隨時間以指數(shù)形式下降。正是因為半導(dǎo)體激光的上述優(yōu)點，使其愈來愈廣泛地應(yīng)用到國計民生的各個方面，諸如工業(yè)應(yīng)用、信息技術(shù)、激光顯示、激光醫(yī)療以及科學研究與國防應(yīng)用。高功率激光芯片有若干重要技術(shù)指標，包括能量轉(zhuǎn)換效率以及器件運行可靠性等。器件的能量轉(zhuǎn)換效率主要取決于芯片的外延結(jié)構(gòu)與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，而運行可靠性主要與芯片的腔面處理工藝有關(guān)。本文首先簡要介紹深圳瑞波光電子有限公司高功率激光的設(shè)計思想以及腔面處理方法，隨后展示深圳清華大學研究院和深圳瑞波光電子有限公司在研發(fā)1470nm高功率單管激光芯片方面所取得的主要進展。
2. 1470nm高功率激光外延結(jié)構(gòu)與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計
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
半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)從電子學上講是一p-n結(jié)構(gòu)，而從光學角度講則是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。對于不同波長器件，外延結(jié)構(gòu)材料也會隨波長的不同而選用不同材料體系。比如，藍綠光以GaN材料為襯底，以InGaN為量子阱材料；從600 nm到1250 nm的器件，均是基于GaAs材料體系，而量子阱材料根據(jù)波長需要選取不同材料。對于激射波長為1300-1700 nm范圍內(nèi)的量子阱結(jié)構(gòu), 則基于InP材料體系，通常采用In(1-x-y)Ga(x)Al(y)As 量子阱材料, 通過調(diào)節(jié)材料的組分以及選取適當?shù)牧孔于搴穸龋藗兛梢栽诤艽蠓秶鷥?nèi)自由設(shè)計激射波長。圖1給出了一個典型的基于InGaAlAs量子阱材料的1470 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)多量子阱、InGaAlAs波導(dǎo)以及InP包層材料組成。為了形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)材料的折射率要小于量子阱材料的折射率，如此一來，在生長方向上，材料對其中的光場便形成很強的限制作用, 光場最強的區(qū)域恰好與有源區(qū)重疊，從而使得量子阱材料有很高的光增益（見圖2）。另外，為了實現(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。有源區(qū)的設(shè)計主要參數(shù)為量子阱組分、厚度、量子阱數(shù)目以及勢壘組分等，而設(shè)計的主要考慮是閾值電流、量子效率等。有源區(qū)確定后，接下來的設(shè)計便是波導(dǎo)設(shè)計以及摻雜優(yōu)化。波導(dǎo)設(shè)計時通過選取合適的波導(dǎo)材料、厚度來獲得所需要的量子阱光場限制因子、遠場分布等。在器件設(shè)計方面，通常采用腔長較長的結(jié)構(gòu)，這是因為整個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。圖3-5為我們計算的芯片工作電流、閾值電流以及結(jié)溫與腔長以及腔面反射率之間的關(guān)系。在計算中我們嚴格采用數(shù)值分析方法分析了器件在實際封裝結(jié)構(gòu)下整體封裝模塊的熱阻抗。由圖可見，對于2瓦的輸出功率當腔長為2 mm時，工作電流大約為5.5 A，而閾值電流大約為450 mA, 芯片的結(jié)溫為45 °C，比運行環(huán)境高出20 °C。
圖3. 工作電流與腔長以及腔面反射率之間的關(guān)系
圖4. 閾值電流與腔長以及腔面反射率之間的關(guān)系
圖5. 芯片結(jié)溫與腔長以及腔面反射率之間的關(guān)系
3. 1470 nm高功率激光工藝制作
高功率激光因為需要輸出很高的功率，所以其有源區(qū)條寬一般為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]。RB-14xx系列激光芯片是我們自主設(shè)計與制作的激射波長從1400-1600 nm變化的高功率激光芯片， 芯片輸出功率1-5瓦，其它功率輸出可以根據(jù)用于需求特別制作。我們制作的激光發(fā)光區(qū)寬度為95微米，這樣可以耦合到光纖芯徑為105微米的多模光纖中。激光腔長根據(jù)我們的理論計算結(jié)果選取2-3 mm, 具體長度與額定輸出功率有關(guān)，腔長較長的芯片輸出功率更高。
為了改善寬條激光的穩(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，而且因為刻蝕形成的波導(dǎo)對光在橫向形成波導(dǎo)限制。圖6給出了刻蝕后形成的寬波導(dǎo)激光。在瑞波光電，我們采用了簡單的化學濕刻方法來形成橫向波導(dǎo)。波導(dǎo)刻蝕完畢后，還需要進行一系列的工藝處理，包括電流注入窗口刻蝕、金屬電極制作、芯片減薄、快速退火以及腔面鍍膜等。腔面鍍膜參數(shù)選用前述的計算結(jié)果，即高反面飯反射率大約為95%，而低反射腔面的反射率大約為2-4%。
圖6. 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)過認真考慮。深圳瑞波光電子有限公司技術(shù)團隊集多年測試分析經(jīng)驗，提出了一套完整的芯片參數(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)進行快速自動測試、最后自動生成主要參數(shù)測試報告的測試系統(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時監(jiān)控器件功率和波長的老化壽命測試系統(tǒng)等。特別需要指出的是，我們的壽命測試系統(tǒng)具有諸多獨特的優(yōu)點，包括：1）容量大，可以同時測試320只COS模塊；2）檢測參數(shù)多，包括輸出功率、電流、電壓以及波長等；3）可以提供加速壽命測試，即器件可以在更高輸出功率以及更高的環(huán)境溫度下工作。圖7為我們的COS 測試臺圖片，該系統(tǒng)主要由電子學系統(tǒng)、機械組件、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)組成，可以對前述的各種參數(shù)進行快速和準確的測試。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)在多家激光芯片制造企業(yè)和封裝企業(yè)的研發(fā)實驗室和生產(chǎn)線上采用。
圖7. 測試工作臺照片
5. 超高功率1470 nm 高功率激光芯片
圖8為在不同溫度下以持續(xù)電流方式(CW)測試的光—電流（L-I）特性曲線，由其可見，COS在20℃測試環(huán)境下，閾值電流大約為490 mA，斜率效率大約為0.42 W/A，而達到2瓦輸出功率時所需要的工作電流為5.6 A，實際測試參數(shù)與前述的理論預(yù)測高度吻合。在溫度為40℃時，器件的閾值電流與外量子效率稍有下降，表明芯片有很好的溫度特性。芯片的最高輸出功率超過4瓦。圖9為20℃環(huán)境溫度下以準續(xù)電流方式(QCW)測試的不同腔長芯片的光—電流（L-I）特性曲線。在我們的QCW測試中，我們采用了脈沖寬度為1毫秒、脈沖占空比為10%的脈沖測試方式。從圖10我們顯然可以看出，腔長較長的激光可以在更高的電流下工作，不過其缺點是外量子效率稍低，閾值電流更高。另外，對于腔長為３毫米的器件，芯片可以在高達50 A的工作電流下工作， 一方面演示了芯片在QCW模式下的最高輸出功率， 另一方面也表明芯片的可靠性水平，因為芯片的可靠性與工作電流以及輸出功率密切相關(guān)。圖10為輸出功率為2瓦時所測得的光束發(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30度。圖11 為輸出功率為2瓦時的實際激射波長，其值大約為1458 nm。 除過上述典型參數(shù)之外，高功率激光的一個至關(guān)重要的參數(shù)是其可靠性水平。因為器件壽命主要與三個參數(shù)密切相關(guān)，即輸出功率、器件結(jié)溫以及工作電流。為了能夠在相對較短的時間內(nèi)獲得可靠的器件壽命估計，在器件可靠性評估中，人們通常采用所謂的加速壽命測試，即器件在高于額定輸出功率、高于額定工作電流以及更高的可控環(huán)境溫度下工作，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行時的使用壽命，圖12為我們5只COS連續(xù)測試4000小時的功率變化記錄。測試功率為2.7瓦，測試電流為9 A，測試溫度為40度。另外，圖中的數(shù)據(jù)噪聲是由于系統(tǒng)切換等引起的，而實際上，到目前為止我們尚未檢測到任何功率衰減跡象。
圖8. 1470 nm單管COS模塊在不同測試溫度下的光—電流曲線（CW測試）
圖9. 1470 nm不同腔長單管COS模塊在攝氏20度下的光—電流曲線（QCW測試）
圖10. 1470 nm芯片的垂直方向的光束特性
圖11 激光光譜
圖12. 器件加速壽命測試（CW，40°C）測試
6. 結(jié)論
本文簡要綜述了高功率1470 nm 半導(dǎo)體激光的設(shè)計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1470 nm 芯片研發(fā)方面所取得的進展。測試表明，我們所研發(fā)的器件性能指標包括可靠性水平達到了國際一流水平。
致謝
本項目研究得到了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 計劃)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)新引進科研團隊計劃”與深圳市“孔雀團隊計劃”的支持。
參考文獻
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