0 引 言
大功率半导体激光器作为一种新型的激光光源,具有较高的电光转换效率和良好的工作稳定性及紧凑的体积和简单的驱动要求。它在光存储、光通信、国防、工业及医疗等方面有很大的发展前景。在大多数的应用中,器件的可靠性是一个决定性的因素,这也是关系到它们能否商品化的主要因素。半导体激光器的退化主要包括:体内退化,这种退化主要与外延生长材料和衬底有关;腔面退化这种退化方式主要和两个解理面有关;与烧结相关的退化[1]。
当前,大功率半导体激光器寿命水平一般在104h以下,主要失效模式为中短期失效[2]。腔面退化和腔面灾变性光学损伤(COD)是影响半导体激光器中短期可靠性和最大输出功率的一个主要因素[2-3],因此研制大功率半导体激光器,必须研究提高腔面COD阈值的方法。一般有以下几种途径提高COD阈值:一是减小腔面处表面态或界面态形成的非辐射复合中心的密度,方法有真空解理镀膜、腔面钝化技术[4-6]等;二是减小腔面处的光吸收,方法有非吸收窗技术[7-9]、量子阱混合技术等;三是减少腔面附近载流子注入,方法有腔面附近电流阻挡技术[10]等。
腔面附近电流阻挡结构技术简单、易于实现,可以和其他方法共同使用是本文研究的重点。实现腔面非注入的方法主要包括腔面附近介质钝化[10-11]、离子注入形成高阻区[12]、去除腔面附近的高掺杂层三种。采用腔面附近介质钝化的方法虽然可以限制电流直接流过腔面,但是由于高浓度掺杂的p型帽层的存在,电极窗口处的电流可以侧向扩散到腔面处,电流阻挡效果不好。离子注入会在有源区上方造成晶体损伤,产生缺陷,这可能会影响器件的长期可靠性。本文采用湿法腐蚀去除高掺杂层和介质钝化相结合的方法,在半导体激光器腔面处制备了电流非注入区,并制成单管器件,显著提高了半导体激光器腔面的COD阈值。
1 腔面非注入原理
腔面烧毁主要是由腔面非辐射复合和腔面光吸收两个因素引起的,如图1所示。为了防止COD的产生或腔面处缺陷的扩散,最重要的是设法减小端面处产生的热量从而减小端面处的温升。一方面须抑制端面处因应变弛豫导致的带隙收缩,减少光的吸收;另一方面应设法减少端面处表面或界面态形成的非辐射复合中心的密度。本文采用电流非注入结构来提高半导体激光器腔面的COD阈值。如图2所示,在激光器腔面附近引入25μm长的电流非注入区,以限制电流在腔面附近注入。这样就大大降低了腔面附近载流子浓度,减少了腔面处非辐射复合的发生,同时载流子感应的带隙收缩程度也会降低,带隙相对增加,光吸收相对减少。因而减小了腔面温升,使腔面COD阈值提高,延缓了腔面的退化。
2 器件制备
器件制备主要包括材料外延、非注入结构制备、常规芯片制备和器件封装。使用MOCVD外延设备在n型GaAs衬底上依次生长结构,如表1所示。
为了避免外延片间的差别影响实验结果,在同一外延片上制作非注入结构和常规结构两种芯片。使用光刻技术,在外延片上部分器件的腔面位置形成垂直于激光器谐振腔方向的条形窗口,窗口宽度为50μm;采用湿法腐蚀技术,去除表层约0.5μm的半导体材料,确保高掺杂层腐蚀干净。去胶并清洗干净外延片。
按常规工艺继续完成隔离槽腐蚀、钝化层制备、电极制备、衬底减薄以及解理、腔面镀膜等工艺。芯片结构参数为:发光孔径100μm,谐振腔长1mm。
非注入结构样品和常规结构样品各筛选10只,使用C-mount载体,完成烧结、键合等封装工艺。为了避免封装应力影响测试结果,所有样品都采用正装形式。
3 测试结果及分析
首先,对非注入结构和常规结构两种样品分别依次进行了L-I-V测试、光谱测试、发散角测试等多项常规测试。L-I-V测试条件:直流1.2A,室温测试。测试P-I曲线如图3所示。
从图3可以看出,两种结构器件的P-I曲线没有明显差别。在其他几项测试中,两种器件的波长、光谱半宽、发散角、开启电压等参数都基本一致。以上测试结果表明:虽然非注入结构的引入会在半导体激光器腔面处形成一个损耗区,但不影响器件的基本光电参数。
最后,测试了两种器件的COD。COD测试条件:直流5A,恒温20℃。测试曲线如图4所示。
从图4可以看出,非注入结构器件的烧毁阈值比常规器件有明显提高。非注入结构器件的烧毁值最高为3.7W,常规结构的烧毁值最高为3.1W。采用非注入结构使半导体激光器的烧毁阈值提高了19.4%。
COD测试完成后,在显微镜下对比了两种结构器件的出光面,如图5、6所示。
从图中可以看出,常规结构器件的出光面有明显的烧毁点;而采用非注入结构器件的出光面与烧毁前相比无明显变化。同样方法观察了器件的高反面,两种器件的高反面在COD测试前后都没有明显变化。COD测试后两种器件的出光面出现差异,这一现象在查阅的相关文献中未见报道。从中可以看出,两种器件在烧毁机理或烧毁方式上可存在差别。也许,样品中非注入结构器件的烧毁现象并不是COD,而是外延材料的内部缺陷造成的烧毁。如果这个假设成立,非注入结构器件的COD阈值会更高,这一点有待在后续实验中进一步研究。
4 结 论
本文采用腔面区P+腐蚀方法制作腔面电流非注入区结构器件,并与常规结构器件进行了对比测试。测试结果显示:电流非注入区的引入没有影响器件的阈值电流、斜率效率、波长、光谱半宽、发散角、开启电压等基本参数;采用非注入结构的半导体激光器烧毁阈值达到3.7W,比常规结构器件提高了近20%。此外,两种结构器件的烧毁现象有明显差别,实验样品中非注入结构器件的烧毁机理可能有别于常规器件,有待于开展更多的研究。
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作者简介：张世祖(1978—)，男，辽宁海城人，工程师，主要从事光电子器件的研究。
