850nm高亮度半导体激光器腔面膜技术研究

我们采用一种实验室自制的混合材料 H 进行实验 。
该材料是把两种激光损伤阈值较高的材料按一定比
例混合 , 其透明区为 360nm - 7μm , 采用电子束离
子辅助蒸发其折射率为 212, 熔点为 1800℃, 在
2200 - 2300℃时开始蒸发 , 蒸发速率控制在 012 -
014nm / s。经过多次实验 , 我们发现该膜料光学性
850nm 波长高亮度半导体激光器作为大气窗口 和空间通信光源的理想选择之一 , 要求具有较高的 功率输出和光束质量 。高亮度的 DPL 激光器及光 纤激光器的发展也需要进一步提高泵浦源 - - 高亮 度半导体激光器的功率密度 。而高亮度 、高功率的 半导体激光器也被广泛用于军事方面 , 比如替代小 功率固体激光器用于激光制导 、测距 [ 1 ] 。在激光 空间通信中 , 作为独立发射光源 , 要求高亮度半导 体激光器具有高稳定性和长寿命 。
图 4 实测减反射膜的反射率曲线 图 5 镀膜前后激光器输出功率的比较 图 6 实测的激光器芯片的 P - I、V - I曲线 F ig14 The te s te d cu rve F ig15 The o u tp u t pow e r o f the ch ip com p a re d F ig16 P - I a nd V - I cu rve s o f the o f AR film w ith the unco a te d app a ra tu s la se r ba r a t 850nm
113 工艺实验
将解理好的半导体芯片条装入特制的夹具放入 真空镀膜机中 , 关闭真空室 。当真空室的压强达到 410 ×10 - 6 Torr时 , 打开离子源和电子枪开始镀膜 。 具体的实验数据如表 1 和表 2 所示 (其中 Vn 为离
20
长春理工大学学报
2007年
图 1 高反射膜系的理论曲线 图 2 增透膜的理论曲线 图 3 实测高反射膜的反射率曲线 F ig11 The theo ry cu rve o f HR film F ig12 The theo ry cu rve o f AR film F ig13 The te s te d cu rve o f HR film
( nSi = 314、 nA lGaA s = 315 ) , 不会影响 A lGaA s的光
学性能 , 并且 Si与 A lGaA s的晶格相匹配 。所以我
们采用在端面先镀制一层
λ 0
/ 4 厚的
Si膜将
A lGaA s
表面钝化 , 以保证器件光学性能稳定 。同时 , 在
A lGaA s表面沉积 Si膜也解决了实际工艺中的 SiO2 薄膜和 A lGaA s衬底结合不牢固的问题 。 [ 6 ]
度 Jth ,则应使 Rf 、Rr 之积越大越好 。若要提高外微分
量子效率
η e
,
则应使前腔面能量反射比
Rf 越小越
好 ,而后腔面能量反射比 Rr 越大越好 。所以 , 要降低
阈值电流密度
J
th
、又要
提
高
外微分量子效
率
η e
,
就
必须选取适当的能量反射比 Rf 和 R r [7 ] 。经过理论计 算和实验分析我们发现当后腔面的反射率为 97% 、
摘 要 : 利用真空镀膜设备 , 采用电子束离子辅助蒸发技术 , 在条宽 100μm 腔长 1mm 的半导体激光器发光芯片
的端面沉积光学介质膜 。经测试采用这种技术制作出的高亮度半导体激光器发光芯片的输出功率达 316W , 与未
镀膜的器件相比功率提高了 215～311倍 , 外微分量子效率提高到 89176% , 功率效率达到 4012%。激射波长为
高亮度半导体激光器具有单位面积上光功率密 度极 大 的 特 点 , 极 易 引 起 激 光 器 表 面 的 光 学 灾 变 [ 5 ] 。而且解理后的单晶面暴露在室温下的大气 环境中 , 很容易与氧反应生成氧化物 , 对器件的输
出功率和光学性能影响非常严重 [ 1 ] 。 另外 , 高亮度半导体激光器的退化是影响其寿
前腔面的反射率为 315% 时 , 激光器的功率效率最
高。
对于高亮度激光器而言 , 端面突然发生光学灾 变损伤现象尤其突出 。为了克服灾变性光学损伤我
们采取了两种措施 : 一是通过采用大光腔结构 [ 4 ] , 在输出功率不变的情况下降低腔面上的光功率密
度 ; 二是从多层膜的弱吸收原理出发设计出热吸收
面氧化层 , 然后在其表面引入某种元素成分 , 使之
在晶体表面形成牢固的共价键 , 将表面态 (表面
态可以视为因表面处晶格失配形成不饱和的悬挂键
或者由于其它晶体缺陷或吸附原子等原因而在禁带
中引入的电子能级 ) 能级由禁带转移到导带或价
带中 , 从而改善其表面特性 。
由于 Si的折射率与 A lGaA s芯片折射率很接近
半导体激光器腔面高反射膜通常采用的高折射
率材料主要有 : Ta2 O5 、 Si、 HfO2 , 低折射率材料 主要是 SiO2 和 A l2 O3 。减反射膜一般采用 A l2 O3 、 ZrO2 、HfO2 、 SiO2 等膜料来设计单Fra Baidu bibliotek或双层膜 。
采用以上膜料设计腔面膜的理论和技术都已经
相当成熟 , 在很多文章中都有论述 。所以本文中 ,
比较低的前后腔面膜 。
112 膜系设计
在理论部分我们提到 COD 是影响激光器性能
的重要参数 。为了提高器件的 COD , 我们采用表
面钝化技术来改善器件的表面特性并降低表面复合
速率 。半导体芯片的表面钝化就是采用某种工艺除
去其表面的氧化层 , 然后在其表面形成一层致密的
薄膜 。具体地说 , 表面钝化就是要首先除去芯片表
子源控制电压 、Vd 为离子源驱动电压 ) :
表 1 高反射膜实验数据 Ta b11 The da ta o f HR film
XTAL (晶控 Temp Press Rate 气体的流量 Vn Vd
ZHU L iyan, FU Xiuhua ( Changchun U n iversity of S cience and Technologh , Changchun 13022) Abstract: B y using the vacuum coating equipment and adop ting the vapouring technique which assist an2 ted by electron beam and hydronium. W e aggraded the op tical dielectric layer on the two end surfaces of the sem iconductor laser ’s lum inous CMOS chip , which has 100μm stripe w idth and 1mm resonator length. After testing, the output power of the high - lum inated sem iconductor laser’s lum inous CMOS chip , which p roduced by adop ting this new technique is 316w. It has many merits when compared w ith the uncoated apparatus. The power has been raised by 215 to 311 times, the quanta efficiency of the ex2 ternal differentiation has been imp roved to 89176% , and the power efficiency has been achieved 4012%. The chip em itted at 85017nm. Key words: HR film; AR film; COD; Threshold current density
为后腔面 。一般情况下 , 量子阱半导体激光器总的
外微分量子效率
η e
、阈
值电流
密度
J th及 阈 值 电 流
Ith之间存在以下关系式 :
η e
=
η i
α
i
1/ +
( 2L ) ln 1 / ( 2L )
(1 ln
/Rf Rr ) (1 /Rf Rr )
(1)
J th
=
J0
η
exp
i
α i
+ 1 / ( 2L ) ln ( 1 /Rf R r )
85017nm。
关键词 : 高反射膜 ; 减反射膜 ; 光学灾变 (COD ) ; 阈值电流密度
中图分类号 : TB43 文献标识码 : A
文章编号 : 1672 - 9870 (2007) 01 - 0018 - 03
The Techn ica l D evelopm en t of the 850nm H igh - lum inance Sem iconductor La ser’s F ilm
19
输送到表面 , 从而使表面处有较大的复合电流 [ 2 ] 。 在输出能量较高时 , 载流子主要是由带隙吸收激光 而产生的光激发提供的 。由于复合产生的热量导致 带隙的局部热收缩 , 在表面的光吸收和随之引起的 复合电流会随着温度的升高而加剧 。当达到某一能 量输出值时 , 这种正反馈导致温度很快升高 , 从而 引起激光器的有源区融化而导致光学灾变的发生 。 所以 , 我们采用对半导体芯片端面进行镀膜的方法 来改善器件性能 。
1 膜系设计及实验
111 理论分析
对于半导体激光器而言 , 反映激光器性能的参 数主要有阈值电流 、斜率效率 、输出功率及 COD。 要想在尽量小的工作电流下得到尽可能高的输出功
率 , 就要降低阈值电流或提高斜率效率 。
在应用时 , 总是把激光器芯片的一个端面镀增
透膜作为前腔面 (出光面 ) , 另一端镀高反射膜作
第 30卷第 1期 2 0 0 7年 3月
长春理工大学学报
Journal of Changchun University of Science and Technology
Vo l130 No11 M a r. 2 0 0 7
850nm 高亮度半导体激光器腔面膜技术研究
朱立岩 , 付秀华
(长春理工大学 , 长春 130022)
命和使用的主要因素 。它主要可分为三种 : 渐变退 化 、迅速退化及光学灾变 。光学灾变是和解理面有 关的退化 , 半导体激光器中的光学灾变是影响半导 体激光器的最大输出功率和器件寿命的一个主要因 素 。而光学灾变是由热量的逸出产生的 , 它主要发 生在半导体激光器发光芯片的表面 。热量的逸出是 一个正反馈过程 , 它是由载流子的非辐射复合产生 的热量引起的 。在靠近表面处 , 由于表面复合和体 复合 , 载流子的复合率增强 。这是因为表面区有大 量的缺陷 (这些缺陷是由解理和热应力引起的机 械应力产生的 ) 。由于缺陷的存在 , 载流子被不断
能稳定 、不易与其他物质发生反应 、容易蒸镀而且
吸收很小 。
高反射膜的膜系结构为: AlGaAs|Si - 4(SiO2 H) |Air。 选取 A l2 O3 ( nM = 1162 )作为膜料来设计增透膜 ,膜 系结构为 : A lGaA s |M | A ir。膜系的理论曲线如图 1
和图 2所示 。
Γβ 0
J0
(2)
Ith = LW Jth
(3)
其中
η i
为内量子效率
,αi
为内损耗
,
L
为腔长
,
W
为
有源区宽度 , Rf、Rr 分别为前腔面 (出光面 ) 和后腔
面 (反射面 ) 的能量反射比 , J0 为透明阈值电流密
度 ,β0 为增益系数 ,Γ为微观限制因子 [3 ] 。 由以上三式分析可知 :如果要降低阈值电流密
收稿日期 : 2006 - 08 - 10 基金项目 : 武器装备预研基金项目 作者简介 : 朱立岩 (1982 - ) , 女 , 硕士研究生 , 主要研究方向为光学薄膜 , E - mail : zhuliyan522@ hotmail1com。
第 1期
朱立岩 , 等 : 850nm 高亮度半导体激光器腔面膜技术研究