GaAs基980nm高功率半导体激光器的研究进展

GaAs基980nm高功率半导体激光器的研究进展

高鹏1, 高佳1  ,陈艳玲2

1.天津三安光电有限公司   天津市  300384 2.泰山学院  泰安市  271000

摘要：980 nm 波段半导体激光器因其优异的光学性质，被广泛应用于光纤放大器与其它固体激光器的泵浦源来使用，除此之外 980nm 半导体激光器在军事、医学、民用等领域均大放异彩，凭借其广泛的应用领域，受到科研工作者的广泛关注，其中提高器件输出功率一直是科研工作中的重要目标。为了进一步提高 980nm 半导体激光器的性能，使其在医疗、通信和工业等领域实现更加广泛的应用。本文介绍了高功率半导体激光器的芯片结构和封装结构设计，重点阐述了影响高功率 GaAs 基量子阱激光器光电性能、散热和实际应用。

关键词：GaAs 基；高功率；980 nm 半导体激光器  

随着技术的不断进步，高功率半导体激光器材料、工艺、封装水平得到快速提高，已逐步进入激光泵浦、材料处理/加工、医疗及国防应用领域。对半导体激光器应用领域的不断扩展，特别是高功率光纤激光器泵浦、激光切割方面的应用，也使得研究人员更加关注高功率、高亮度的半导体激光器芯片技术的发展。在面向 2035年推进制造业高质量发展、建设制造强国的国家战略背景下，高功率激光器将在引领先进制造业发展、推动工业智能化进程、促进经济产业升级和我国建设创新型国家以及提升国际产业竞争力中发挥重要作用。

一、半导体激光器

半导体激光器也可以称作“直接半导体激光器”，是用多个半导体激光芯片（激光二极管，L D），通过合束直接进行功率放大从而实现工业应用。半导体激光器以电作为泵浦源，以半导体材料作为增益介质，通过电光转换实现激光的激射，最后将多束激光耦合进光纤以实现高功率激光的输出。半导体材料通常采用掺杂I I I—V族化合物，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）等。GaA s和I n P材料可以实现红光波段激光激射、G aN可以覆盖比较宽的波长范围，实现红光和蓝绿紫波段的激光激射。半导体激光器与其他激光器相比，具有电光转换效率高（超过50%）、工作寿命长（超过 10万h）、能够直接电调制、易于集成、体积小、结构紧凑等优点。高功率（千瓦级）半导体激光器主要应用于淬火、熔覆等加工场景。另外，百瓦级半导体激光器主要用作光纤激光器和固体激光器的泵浦源。

二、半导体激光器原理

电子在原子或分子中的能量取离散值，与能级相对应。考虑能量差为 E 的两个能级，并假设上能级被电子占据，下能级没有被占据，如果一束角频率为的入射光满足以下关系式：

通过激发价带中的电子到导带，产生大量的电子空穴对，从而实现势垒反转。可以通过光照射或电子束照射来实现激发。然而，对于实用型激光器来说，最有效的激励方法是在半导体材料中形成 p-n 结，并通过对它提供正向电流，在结附近的耗尽层中注入高能的少数载流子。当将少数载流子(即电子)从 n 型区域注入到 p 型区域中时, 为满足电中性，多数载流子(即空穴)的数目增加，并得到激发态。这种用电流注入的方式激发的半导体激光器被称为注入型激光器或者激光器二极管LD。获得反转分布的一个重要要求是正向偏置电压 V 必须满足：

半导体激光器对与材料的要求有很多，其中最终要的是要有像 GaAs 一样的直接跃迁型带隙。在这种情况下，能带边缘附近的电子和空穴满足能量和动量守恒规律，因此可以发生光跃迁。因为跃迁概率很大，很容易产生光发射。大多数的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料（AlAs 除外）与Ⅱ-Ⅵ族半导体材料都是直接跃迁型材料，可以成为激光材料。有了合适的工作物质和激励源后，可实现离子数反转，但这样产生的受激发射强度很弱，无法实际应用。人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，一般是激光器两端的自然解理面，通常使用沿外延材料晶向解理得到的端面来充当的；在谐振腔中，光会不断的进行干涉，不断的往返形成振荡，最终满足阈值条件激射发光。在谐振腔中，使得光增益大于光损耗。

三、GaAs 基 980 nm 高功率半导体激光器

1、激光器芯片结构设计。宽条形激光器虽然可以通过增大脊波导宽度提高输出功率，但会面临高阶模激射和 COD 等问题。为了实现高功率高光束质量输出，以下激光器结构逐渐成为研究热点。

（1）分布反馈半导体激光器DFB 是一种将 Bragg 光栅刻在腔内的激光器，其发射波长稳定，远场发散角小。［1］采用一次外延制备了 980 nm DFB 激光器，远场发散角 11．7°× 17.8°，连续输出功率 70 mW，设计了超大光腔波导结构 DFB，斜率效率达到 1 W/A，输出功率 500 mW。二次外延是在刻蚀好的布拉格光栅上外延生长覆盖层、上限制层和欧姆接触层的技术。设计了直接在外延结构上刻蚀的非均匀光栅结构，设计了无须二次外延的增益耦合式 DFB 结构，这些一次外延 DFB 光束质量较好，但输出功率仍低于常规二次外延 DFB，提高一次外延 DFB 的输出功率和阈值，是 DFB 的发展方向。

（2）垂直腔面发射激光器。VCSEL 有顶发射和底发射两种结构，具有阈值电流低、电光转换效率高、发散角小的优点，半导体-金属亚波长光栅代替 P-DBＲ 的改进方案。亚波长光栅具有光耦合和电注入功能，且其厚度更小，偏振特性和热电性能更优，但存在阈值较高和自身光吸收大的问题。垂直外腔面发射激光器光束质量更好，［2］设计了垂直外腔面发射激光器，远场发散角为 9．2° × 9．0°，光斑均匀分布，但输出功率尚不及 VCSEL。目前在智能手机、传感器等领域实现了 VCSEL 商业化，我国光迅科技做到了VCSEL 在光通讯方面的实用化，但在消费电子领域，国内厂商尚未实现量产。

2、热沉封装设计及其对器件性能的影响

高功率输出不仅需要性能优秀的激光器芯片，也需要对热沉封装进行合理的设计，芯片热阻只占 LD 总热阻的 35．7%，约 64%的热阻来自热沉、焊接和封装。废热影响了器件性能，加速了器件老化，低热阻、高散热效率的热沉封装结构产热少，可以为芯片高效散热，提高激光器的功率和使用寿命。

（1）热沉材料设计。热沉应做到热导率较大和热膨胀系数匹配。Cu 导热和加工性能良好，是常用的金属热沉材料，但热膨胀系数与 GaAs 相差较大。次热沉的使用减少了Cu 和芯片之间的热膨胀系数不匹配，在铜热沉与芯片之间引入了微通道 AlN 次热沉，使热阻减小 80% 。AlN 虽然能减小热阻，但制备工艺较合金更复杂，CuW 次热沉和石墨辅助热沉结构，将过渡热沉尺寸从 2．0 mm 减小至0.6 mm的同时，结温从 338.9 K 降低至 334.9 K。对于功率更高的半导体激光器，陶瓷热沉散热效果不佳，合金材料又易腐蚀，因此科研人员引入了热导率更高且更稳定的金刚石热沉。

（2）热沉封装结构设计。封装包括芯片封装和保护壳封装，不仅可以形成闭合电路、保护芯片，也是芯片散热的重要方式。芯片封装是将芯片直接焊接在热沉上，C-mount 成本低廉、工艺成熟，但体积较大且使用功率较小。F-mount 封装将芯片、次热沉和铜热沉垂直组装，其散热路径更短、散热效率更高。［1］设计的 F-mount 结构 WPE 为 55% ; 将 F-mount应用在 980 nm 激光器上，COD 阈值从 20 W 提高至 28 W，15 W 连续输出时的 WPE 达 65% 。设计了由两层铜板和高热导率夹层组成的“三明治”热沉，与常规 F-mount 相比热阻降低了27．4% 。保护壳封装是如微通道热沉等将芯片焊在热沉的某一部分上并密封保护的结构。

基于980 nm InGaAs 高功率量子阱激光器的历史发展和影响 InGaAs 激光器性能的问题及改进方法方面进行了分析，使激光器输出功率和电光转换效率不断提高，新型芯片结构提升了激光器的输出功率和光束特性; 热沉封装技术的发展增强了激光器的可靠性，推动了高功率激光器的集成和工业化生产。

参考文献：

［1］宁永强，陈泳屹，张 俊． 大功率半导体激光器发展及相关技术概述［J］． 光学学报: 2020.12．

［2］许留洋． 高功率半导体激光器腔面钝化及器件特性研究［D］． 长春: 长春理工大学，2019．

［3］崔碧峰，程 瑾，郝 帅．不同应力增透膜对半导体激光器性能的影响［J］． 半导体光电，2020，41( 1) : 77-79 + 84．