第5章 半导体激光器效率参数

Bar 焊接的“Smile”效应 焊接的“Smile”效应
Bar 封装时的应力特性
由于bar GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 由于bar 的GaAs衬底的热膨胀系数与热沉 热膨胀系数不一致引入应力。
半导体激光器的工作状态
按电流的持续时间分： 1、连续（CW） 、连续（CW） 2、准连续（QCW） 、准连续（QCW） 3、脉冲（pulse） 、脉冲（pulse） 按电流的变化程度分： 1、连续（CW） 、连续（CW） 2、软脉冲（Soft pulse） 、软脉冲（Soft pulse） 3、硬脉冲（Hard pulse） 、硬脉冲（Hard pulse）
不同脉宽情况下的热效应
低占空比硬脉冲工作状态
AuSn焊料的特点 AuSn焊料的特点
高温、高电流密度条件下稳定性好； 高温、高电流密度条件下稳定性好； 激光bar结温可允许达 结温可允许达80 激光bar结温可允许达80 ℃； 寿命高达3 万小时； 寿命高达3-4万小时； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下 寿命与普通工作状态寿命差别不大。 寿命与普通工作状态寿命差别不大。
Bar 的n面电连接
Bar与热沉的焊接 Bar与热沉的焊接
难点：位置的控制 难点：
3µm
A
Vacuum gripping tool
B y
x
3µm
Heat sink Soldeing plate
Bar与热沉的焊接 Bar与热沉的焊接
难点：焊层内部空洞问题 产生原因：1、固化过程中的“出气” 产生原因：1、固化过程中的“出气”； 2、焊料氧化，浸润性变差。
846
846
845 0 2000 4000 6000 8000 10000
845 0 2000 4000 6000 8000 10000
Lateral position (祄 )
Lateral position (祄 )
Bar内“超模”的抑制 ar内“超模”的抑制
超模：延垂直于腔长方向的振荡模式，降低bar 超模：延垂直于腔长方向的振荡模式，降低 整体效率。 整体效率。
电极和热沉
END
Bar 的封装与散热
机械稳定性； 机械稳定性； 电连接； 电连接； 散热问题； 散热问题；
电光转换效率计算， 以50%电光转换效率计算，一个典型的中等功 电光转换效率计算 率50W/bar，腔长为 ，腔长为1mm，热流密度为 ， 500W/cm2
电极窗口技术
Bar的制备工艺 Bar的制备工艺
与单元器件基本一致； 材料均匀性要求更高； 每一步制作工艺可靠性要求更高；
wafer diameter: 3“ wavelength ∆λ uniformity: Dl = 2nm chip size: 2 mm x0.5 mm
number of bars: 100 - 200
AuSn焊料的使用 AuSn焊料的使用
新一代CTE热沉 新一代CTE热沉
Bar 内应力分布
bar facet
Cu heat sink
847
847
mounted on Cu heatsink PL wavelength (nm) PL wavelength (nm)
Mounted on expansion-matched heatsink
半导体激光器的几个效率参数
3、外量子效率
ηex是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，腔内 是考虑到有源区内产生的光子并不能全部发射出去，
产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。 产生的光子遭受散射、衍射和吸收，以及反射镜端面损耗等。 因为激光器有激射的阈值特性，所以当I<Ith时， ηex很小， 很小， 因为激光器有激射的阈值特性，所以当 直线上升， 变大。 当I>Ith时，P直线上升， ηex变大。 直线上升
是内部损耗
afc是有源区内的自由载流子吸收系数 aout波导层中的吸收系数 主要也是自由载流子吸收 波导层中的吸收系数(主要也是自由载流子吸收 主要也是自由载流子吸收) as是辐射遭受有源区晶格缺陷散射和厚度不均匀引起的损耗系数 ac是辐射渗入波导层的损耗系数
Je和Jh分别是流过异质结势垒的电子和空穴的漏电流 J2为有源区电流密度；ηi为内量子效率； 为有源区电流密度； 为内量子效率； Q2为谐振腔品质因素； 为谐振腔品质因素；
半导体激光器的几个效率参数
4 斜率效率(外微分量子效率, P-I曲线的斜率) 斜率效率(外微分量子效率, P- 曲线的斜率)
半导体激光器的特征温度
半导体激光器温度稳定性的衡量
T jth ∝ exp T 0

半导体激光器制备流程图
外延材料生长
半导体激光器电极制作过程
半导体激光器电极制作过程
Bar焊接焊料的选择 Bar焊接焊料的选择
软焊料 In材料具有非常好的延展性 材料具有非常好的延展性， 纯In材料具有非常好的延展性，抗疲劳 性以及抗裂纹传播率.适用于CTE与GaAs差别 性以及抗裂纹传播率.适用于CTE与GaAs差别 较大的热沉材料与激光bar之间的焊接 例如： 之间的焊接， 较大的热沉材料与激光bar之间的焊接，例如： CVD金刚石 无氧铜和AlN等材料 CVD金刚石、无氧铜和AlN等材料。 金刚石、 等材料。 硬焊料 AuSn合金为激光 AuSn合金为激光bar焊接的首选硬焊料。 合金为激光bar焊接的首选硬焊料 焊接的首选硬焊料。 适用于热沉材料热膨胀系数(CTE)与GaAs差 适用于热沉材料热膨胀系数(CTE)与GaAs差 别非常小的情况，例如：BeO热沉和 热沉和CuW合 别非常小的情况，例如：BeO热沉和CuW合 金热沉。 金热沉。
上节课回顾： 1、增益谱及阈值增益； 增益谱及阈值增益；
2、半导体激光器中的波导结构及光场限制机制； 、半导体激光器中的波导结构及光场限制机制； 3、半导体激光器中的光场模式 、
半导体激光器典型测试曲线
0 .7 60 50 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 30 20 10 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 20 30 40 50 60 0.0 70
In 焊料的缺点
极限寿命为10 小时左右； 极限寿命为104小时左右； 光束质量随工作时间增加而降低（In蠕变加剧 蠕变加剧Smile效 光束质量随工作时间增加而降低（In蠕变加剧Smile效 应）； 不利于更高功率工作（连续输出功率<120W/bar）； 不利于更高功率工作（连续输出功率<120W/bar）； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时； 工业用低占空比完全调制硬脉冲条件下工作寿命几百小时； 控制激光bar结温 55℃ 结温≤ 控制激光bar结温≤55℃。
2、内量子效率
由于有源区内存在杂质缺陷及异质结界面态的非辐射复合 和长波长激光器中的俄歇复合等因素， 和长波长激光器中的俄歇复合等因素，使得注入有源区的 每一个电子—空穴对不能 空穴对不能100％的产生辐射复合，即ηi总 每一个电子 空穴对不能 ％的产生辐射复合， 是小于1，但一般也有95％以上，是转换效率很高的激光 是小于 ，但一般也有 ％以上， 器件。 器件。
半导体激光器的几个效率参数
1、功率效率
加于激光器上的电功率转换为输出光功率的效率
降低r 降低 s，特别是制备良好的低电阻率的欧姆接触是提 高功率效率的关键。改善管芯散热环境， 高功率效率的关键。改善管芯散热环境，降低工作温度也 有利于功率效率的提高。 有利于功率效率的提高。
半导体激光器的几个效率参数
半导体激光器表面金属化
N面低掺杂GaAs衬底采用GeAuNi/TiAu 面低掺杂GaAs衬底采用GeAuNi/TiAu P面高掺杂采用TiPtAu 面高掺杂采用TiPtAu 形成欧姆接触
半导体激光器腔面的要求
半导体外延片解理形成腔面； 腔面的钝化； 前后腔面镀膜。
wafer diameter: 3“
E - O e f f ic ie n c y
0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 .0
Output power (W)
40
Current ( A)
P-I,U-I以及光电转换效率曲线 以及光电转换效率曲线
阈值电流密度
有源区内的局部增益是均匀分布的，则模 增益
分别是对应模式的增益和限制因子 为局部阂值增益系数 是镜面末端损耗
chip size: 2 mm x 0.5 mm number of chips: 2000
半导体激光器腔面钝化技术
减小腔面光吸收— 减小腔面光吸收—增加腔面材料禁带宽度； 减小腔面氧化— 减小腔面氧化—硫化技术、真空解理、无 铝有源区； 减小腔面附近焦耳热。
目前腔面COD最高水 最高水 目前腔面 平大于100 mW / 平大于 um
典型的封装形式
Bar p面朝下焊接到热沉上，热沉充当正极； p面朝下焊接到热沉上 热沉充当正极； 面朝下焊接到热沉上， 热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉； 热沉根据散热量不同分为有源、无源热沉； N面电连接采用Cu箔或金丝引线。 面电连接采用Cu箔或金丝引线 箔或金丝引线。
上电极 下电极
电流方向 发光方向 热散出方向