半導體激光器腔面鍍膜及可靠性的研究.pdf

1、大功率半導體激光器作為一種新型的激光光源具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和可靠的工作穩(wěn)定性及緊湊的體積和驅(qū)動簡單等特性，具有極其廣泛的應用前景。但是實用的器件必須具有良好的輸出特性、高的可靠性，而這些都與激光器腔面反射鏡有關，合適的腔面反射鏡不但能夠較大的改善激光器的輸出特性，而且能夠極大的提高激光器的可靠性。因此，對大功率半導體激光器腔面反射鏡進行研究具有極為重要的意義。 本論文圍繞高可靠性大功率半導體激光器，在器件結構設計、腔面鏡關鍵

2、工藝中材料特性研究、腔面鏡反射率測量、半導體激光器可靠性等方面結合本實驗室所生產(chǎn)的大功率980nm的InGaAs/GaAs/AlGaAs器件和激射波長為808nm的 AlinGaAs/AlGaAs/GaAs器件作了較多的研究工作。本課題的研究將有助于促進國內(nèi)半導體激光器腔面鍍膜工藝的發(fā)展，為我們實驗室的高性能大功率半導體激光器的可靠性篩選和壽命實驗的發(fā)展創(chuàng)造條件。主要內(nèi)容歸納如下： (1)以980nm應變量子阱激光器為例，介紹了

3、如何通過優(yōu)化設計波導層、限制層和有源層的厚度及組分，設計具有窄發(fā)散角、低閾值和高效率的激光器結構。接下來，詳細介紹了應變量子阱激光器的結構設計和完整的激光器后工藝制備過程。其中著重介紹了后工藝過程，包括光刻和Au/AuGeNi/n-GaAs合金歐姆接觸電極的制作。 對于采用套刻工藝形成脊型結構的激光器來說，光刻版的制作比采用剝離工藝的要復雜。采用套刻工藝光刻時需要使用兩塊線條尺寸不同的光刻版，分別用于在GaAs的外延片上光刻出脊

4、型的臺面和淀積SiO<,2>后套刻引線孔。然后以制作 75μm條寬的980nm激光器的光刻后工藝為例，說明光刻版的制作和使用過程。接下來用激光器綜合參數(shù)儀對我們實驗室自制的980nm激光器進行了測試，給出了測試圖，并對參數(shù)進行了說明。 在已知激射波長與器件溫度及器件的結構參數(shù)，如腔長、有源區(qū)厚度、腔面反射率等有關的基礎上，通過實驗研究了尚未見文獻報道的條寬會對激射波長產(chǎn)生影響。研究表明，條寬的變化也會導致激射波長發(fā)生漂移。通過理

5、論分析得出了結論，半導體激光器有源區(qū)寬度的變化會導致器件閾值電流密度、閾值載流子密度的變化，從而會導致器件激射波長的變化。而且條寬變窄，閾值電流密度、閾值載流子密度將變大，器件激射波長發(fā)生藍移。因此，在實際的器件研制中，可通過改變有源區(qū)寬度對器件的激射波長在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。 (2)對半導體激光器腔面鍍膜進行了研究。基于計算機模擬的結果，提出定性判斷光學薄膜折射率相對大小的新方法。根據(jù)全反膜反射譜中的峰值反射率和增透膜反射譜中

6、的谷值反射率的值推算出光學薄膜的折射率的值，實驗結果證明了新方法是可行性，從而不僅可以用于半導體激光器，可以用于其他的光學薄膜折射率的判斷。 (3)半導體激光器腔面鍍膜的工藝研究。這一部分首先介紹了半導體激光器腔面鍍膜的方法與實驗室現(xiàn)有的設備，然后通過具體實驗，說明了增透膜的制備與優(yōu)化。實驗的采用樣品是本實驗室自己生產(chǎn)的980nm單有源區(qū)雙應變量子阱半導體激光器，該器件性能穩(wěn)定，結果可靠，為分析和說明提供了有利的事實依據(jù)。接下來

7、結合實驗分析了不同沉積條件對硅薄膜導電性的影響。 具體來說，研究了氬離子轟擊對于電子束蒸發(fā)沉積多晶硅薄膜的影響。發(fā)現(xiàn)轟擊增加了光吸收和直流電導率，并且導致了光吸收帶邊的紅移，這在以前的電子束蒸發(fā)多晶硅薄膜中是未見報道的。我們認為是由于中程有序的增加導致了光吸收的增加，和光吸收帶邊的紅移。對于室溫下直流電導率的增加，我們認為也是由于帶隙收縮和電子遷移率的增加導致的中程有序的增加引起的。 (4)對半導體激光器的可靠性進行了研

8、究。這種方法能夠較準確地測量出激光器在直流工作時的穩(wěn)態(tài)熱特性。通過改變環(huán)境溫度和電流等應力，測量在不同應力下的正向電壓。由理論計算得到電壓溫度系數(shù)dV<,f>/dT推出的電流溫度系數(shù)ΔT/AI為31.9℃/A，由實驗得到dV<,f>/dT推出的ΔT/ΔI為37.2℃/A。把這兩者和常規(guī)的波長漂移法得到的結果ΔT/ΔI≈29.7℃/A進行比較，結果基本一致，從而證明了新方法的可行性。 對于特定型號的激光器，我們就可以通過這些直接能

9、測量到的參數(shù)的改變來了解激光器溫升的變化，對研究器件的性能及可靠性有非常重要的意義。進一步，為了研究不同鍍膜條件對激光器工作溫度升高時特性的影響，我找了同一外延片上制作的不同腔長的980nm的激光器管芯樣品進行實驗，我們測試了輸出功率P、閾值電流I<,th>、外微分量子效率E<,s>、功率效率E<,p>和激射波長。從測量結果可以看出激光器各項性能隨溫度升高的變化率，以及鍍膜對器件性能的影響等。 隨后，我們利用半導體激光器加速壽命