胡雪瑩，董海亮，賈志剛，張愛琴，梁 建，許并社,4

(1.太原理工大學(xué)，新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024；2．太原理工大學(xué)輕紡工程學(xué)院，太原 030024；3．太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；4．陜西科技大學(xué)，材料原子分子科學(xué)研究所，西安 710021)

0 引 言

在醫(yī)療、工業(yè)和軍事應(yīng)用中都需要用到輕量、可靠、高效的高功率半導(dǎo)體激光器。與其他材料的激光器相比，InGaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器由于其閾值電流密度低、溫度特性好、功率密度高、電光轉(zhuǎn)換效率高等特性而得到了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器與其他材料的900 nm以上波長(zhǎng)范圍激光器功率和電光轉(zhuǎn)化效率對(duì)比數(shù)據(jù)，如表1所示[1-4]。雖然應(yīng)變結(jié)構(gòu)提高了激光器性能，但對(duì)于高功率激光器，其光電性能、散熱性能和光束質(zhì)量還需大幅度提升，在外延結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備、光學(xué)災(zāi)變損傷(catastrophic optical damage, COD)閾值的改善和散熱效率的提高等方面都存在瓶頸，電光轉(zhuǎn)換效率(wall-plug efficiency, WPE)較低的弊病仍需解決。我國(guó)高功率半導(dǎo)體激光器的研究起步較晚，在優(yōu)化激光器性能、開發(fā)新結(jié)構(gòu)和拓展應(yīng)用領(lǐng)域上都與國(guó)際頂尖水平存在差距[5]。提高半導(dǎo)體激光器綜合性能對(duì)我國(guó)發(fā)展自主集成高功率半導(dǎo)體技術(shù)，推動(dòng)激光科技創(chuàng)新升級(jí)具有重要意義。

本文從InGaAs激光器的歷史發(fā)展，影響激光器綜合性能的因素和改進(jìn)方法，外延結(jié)構(gòu)、芯片結(jié)構(gòu)和熱沉封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展前景等方面對(duì)高功率InGaAs量子阱激光器進(jìn)行了綜述。

表1 不同種類900 nm以上波長(zhǎng)范圍激光器性能對(duì)比[1-4]Table 1 Performance comparison of different laser with wavelength range above 900 nm[1-4]

1 高功率InGaAs量子阱激光器歷史發(fā)展

1984年，Laidig等首次制備了InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱激光器。1991年，Welch等[6]實(shí)現(xiàn)了980 nm波長(zhǎng)InGaAs/GaAs垂直腔面發(fā)射激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VCSEL)室溫條件下的連續(xù)穩(wěn)定輸出。1994年，F(xiàn)an等[7]實(shí)現(xiàn)了多量子阱InGaAs激光器1.05 W輸出。2004年Chilla等[8]設(shè)計(jì)了垂直外腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，980 nm CW輸出功率達(dá)30 W。2007年，美國(guó)JSDU公司開發(fā)了波長(zhǎng)910～980 nm的激光器迭陣，輸出功率達(dá)480 W，室溫下WPE達(dá)73%[9]。2013年，德國(guó)Laserline公司研發(fā)的大功率光纖耦合產(chǎn)品，連續(xù)輸出功率達(dá)到45 kW[4]。2016年，本課題組制備的980 nm非對(duì)稱寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器占空比為20%，注入電流為4 A時(shí)，單管連續(xù)輸出功率為4.1 W[10]。2018年，鄭婉華課題組設(shè)計(jì)了980 nm非對(duì)稱超大光腔脊波導(dǎo)激光器，注入電流為2 A時(shí)單管實(shí)現(xiàn)了1.9 W的連續(xù)輸出，橫向和垂直方向的光束質(zhì)量因子分別為1.77和1.47[9]。圖1給出了國(guó)內(nèi)外大功率激光器單管輸出功率研究進(jìn)展[11]。

圖1 大功半導(dǎo)體激光器單管輸出功率發(fā)展[11]Fig.1 Development of single-emitter output power of high-power semiconductor lasers[11]

2 激光器外延結(jié)構(gòu)對(duì)光電性能的影響

室溫連續(xù)高功率輸出是半導(dǎo)體激光器可以得到廣泛應(yīng)用的前提，目前高功率半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率在50%左右，提高輸出功率、改善光束特性是高功率激光器發(fā)展中的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 提高激光器的輸出功率

提高激光器輸出功率的思路有：提高器件的量子效率及WPE，減小光學(xué)限制因子Γ，減少載流子損耗，提高COD閾值。具體措施包括優(yōu)化有源區(qū)結(jié)構(gòu)、使用無(wú)吸收窗口技術(shù)、腔面鈍化和鍍膜等。

最初應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的有源區(qū)多為單量子阱，2000年Ke等制備了InGaAs/GaAs單量子阱脊波導(dǎo)激光器，外量子效率為0.31 W/A，斜率效率為0.37 W/A[12]。2005年Gao等[13]設(shè)計(jì)的單量子阱斜率效率達(dá)1.14 W/A，轉(zhuǎn)換效率31.7%。應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)具有更小的應(yīng)變量、更深的勢(shì)阱和更大的臨界厚度，進(jìn)一步提高了載流子限制能力。2020年袁慶賀等[14]設(shè)計(jì)了具有GaAsP阻擋層的9XX nm激光器，最大WPE 71.8%、斜率效率提高到1.21 W/A。近年來(lái)無(wú)鋁有源區(qū)因不易氧化的特性而受到重視，但無(wú)鋁結(jié)構(gòu)載流子泄漏嚴(yán)重，斜率效率低且在大電流注入時(shí)易跳模和波長(zhǎng)紅移[15]，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)高功率穩(wěn)定單模輸出。圖2的量子阱點(diǎn)(quantum well-dots, QWDs)結(jié)構(gòu)具有高增益和低彈性應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)[16]，2019年，Kornyshov等[17]設(shè)計(jì)的980 nm QWDs耦合大光腔激光器內(nèi)損耗僅為0.5 cm-1，遠(yuǎn)場(chǎng)特性良好且波長(zhǎng)穩(wěn)定，連續(xù)輸出功率超過(guò)13 W。2020年Su等[18]設(shè)計(jì)的DETA摻雜WS2QWDs結(jié)構(gòu)使PL強(qiáng)度提高六倍，QWDs結(jié)構(gòu)有望大幅增加載流子注入效率，或成為下一代高功率高性能激光器的發(fā)展方向。

要在提高輸出功率的同時(shí)避免COD，一是要抑制腔面應(yīng)變弛豫，防止帶隙收縮；二是要降低腔面載流子密度。無(wú)吸收窗口技術(shù)提高COD水平的形式有兩種：量子阱混雜和窗口非注入?yún)^(qū)工藝[19]。

量子阱混雜技術(shù)通過(guò)互擴(kuò)散使帶隙變寬，從而抵消帶隙收縮。1998年Xu等[20]使用無(wú)雜質(zhì)空位誘導(dǎo)技術(shù)制備了無(wú)吸收窗口，通過(guò)SiO2和SrF2薄膜控制量子阱混雜程度，使激光器最大輸出功率提高36%。2013年Zhou等[21]通過(guò)無(wú)雜質(zhì)空位誘導(dǎo)，使InGaAs/GaAsP激光器COD水平提高16%。相比無(wú)雜質(zhì)空位誘導(dǎo)，Si雜質(zhì)誘導(dǎo)效率更高，2020年馬驍宇等使用該技術(shù)使波長(zhǎng)藍(lán)移93 nm[22]，證明雜質(zhì)誘導(dǎo)可用于提高COD水平，但目前該技術(shù)成本較高，需采用摻雜等方式降低成本。窗口非注入是引入電流非注入?yún)^(qū)，降低腔面載流子密度的技術(shù)，包括加入介質(zhì)阻擋層、離子注入和腐蝕摻雜層。1994年Sagawa和Hiramoto等[23]設(shè)計(jì)了25 μm介質(zhì)阻擋層，使激光器最大輸出功率從350 mW提高至466 mW。2003年劉斌等[24]使用質(zhì)子注入法制備了腔面載流子非注入?yún)^(qū)，使COD閾值功率和最大輸出功率提高超過(guò)50%。2014年張松等[25]通過(guò)濕法腐蝕引入側(cè)向電流非注入?yún)^(qū)，在注入電流30 A時(shí)，COD功率從18 W提高至22 W。2019年，Arslan等[26]發(fā)現(xiàn)非注入窗口區(qū)在不影響高功率輸出的條件下可使腔面溫度降低40%，為該技術(shù)在高功率激光器中的使用提供了依據(jù)。窗口非注入?yún)^(qū)寬度和腐蝕深度都很小，所以提高刻蝕工藝精度，減小COD水平對(duì)非注入?yún)^(qū)體積的敏感度，是采用窗口非注入工藝提高COD水平的發(fā)展方向。

腔面鈍化是指去除腔面解理引入的雜質(zhì)并形成鈍化層，從而降低腔面載流子密度。腔面鍍膜是指在鈍化后的腔面上鍍不同的薄膜，以保護(hù)解理腔面和改變腔面反射率。

腔面鈍化包括干法和濕法兩種方法。1983年Lindstrom和Tihanyi提出了真空離子束干法鈍化的概念[27]，2003年程?hào)|明等[28]使用P2S5/NH4OH與(NH4)2Sx溶液化學(xué)鈍化，COD功率從600 mW提高至1 500 mW。2019年趙懿昊等[29]設(shè)計(jì)了真空解理鈍化工藝，器件輸出功率比在空氣中解理后鈍化的激光器提高23%，但成本問(wèn)題制約著真空解理鈍化技術(shù)的推廣。腔面鍍膜由前腔面的減反射膜(增透膜)和后腔面的高反射率膜(高反膜)組成，其中高反膜反射率>90%，是腔面鍍膜的主要部分。2005年舒雄文等[30]采用離子輔助鍍SiO2/TiO2高反膜和Al2O3增透膜，外量子效率提高77%。2013年劉磊[31]設(shè)計(jì)了Al2O3/TiO2/SiO2高反膜系，器件斜率效率從0.49 W/A提高至0.91 W/A，出光功率從0.70 W提高至1 W。增透膜的作用是消除雜散光，提高器件透光率。2016年許留洋[32]設(shè)計(jì)了等離子鈍化AlN增透膜，COD閾值功率從3.0 W提高至6.1 W。2020年崔碧峰等[33]發(fā)現(xiàn)張應(yīng)力狀態(tài)Al2O3增透膜比常規(guī)壓應(yīng)力狀態(tài)斜率效率和熱飽和功率更高，為腔面膜優(yōu)化提出了新思路。

2.2 光束特性改善

激光器的光束特性用式(1)的M2因子來(lái)評(píng)價(jià)，其中ω為束腰半徑，θ為遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角半角，λ為波長(zhǎng)。ω在快軸上受折射率導(dǎo)引和反導(dǎo)引效應(yīng)共同作用，變化較小，在慢軸上與條寬相關(guān)。因此，減小θ是改善光束質(zhì)量的主要方式[34]，其方法主要包括大光腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(large optical cavity, LOC)、縱向光子帶波導(dǎo)(longitudinal photonic band crystal, LPBC)和插入模式擴(kuò)展層等。

(1)

LOC理論是1983年由Tsang和Olsson提出的[35]，這種結(jié)構(gòu)可以減小垂直發(fā)射角，但波導(dǎo)層過(guò)厚會(huì)引起高階激射和載流子泄漏。因?yàn)榭昭▽?duì)光吸收損耗更強(qiáng)，所以應(yīng)減小P層厚度。2010年胡理科等[36]設(shè)計(jì)了去除P波導(dǎo)層的LOC結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角降至16.1°(θ⊥)×10.2°(θ∥)。去除P波導(dǎo)層會(huì)導(dǎo)致模式競(jìng)爭(zhēng)，因此需適當(dāng)保留。2013年李建軍等[37]設(shè)計(jì)了N波導(dǎo)層1.15 μm、P波導(dǎo)層0.85 μm的980 nm激光器，單模工作遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為24°(θ⊥)×6.6°(θ∥)。2017年Serin等[38]設(shè)計(jì)了4.8 μm 耦合大光腔結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)場(chǎng)垂直發(fā)散角為14°，基本接近衍射極限。2018年Zhao等[39]設(shè)計(jì)了為5.2 μm厚的超大光腔波導(dǎo)層，其中P波導(dǎo)層厚度為700 nm，其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為11.5°(θ⊥)×6.8°(θ∥)。

LPBC由折射率不同的介電材料交替生長(zhǎng)組成，能有效抑制光波發(fā)散，降低器件發(fā)散角。2003年Maximov等[40]設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)場(chǎng)垂直發(fā)散角為6°的LPBC激光器，2008年Novikov等[41]設(shè)計(jì)的16.5 μm LPBC激光器在1.3 W連續(xù)輸出時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)垂直發(fā)散角小于5°。2013年，汪麗杰[42]設(shè)計(jì)了如圖3所示的單橫模特性穩(wěn)定的布拉格反射PBC雙光束激光器，單束激光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角7.2°×5.4°，連續(xù)輸出功率2.6 W。2019年Yoshida等[43]設(shè)計(jì)的光子晶體表面發(fā)射激光器(photonic crystal surface emitting lasers, PCSELs)輸出功率10 W時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)垂直發(fā)散角小于0.3°，充分體現(xiàn)了光子晶體減小發(fā)散角、增加輸出功率的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于PCSELs的研究較少，LPBC和PCSELs的發(fā)展目標(biāo)在于簡(jiǎn)化生長(zhǎng)工藝和進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和性能。

LOC結(jié)構(gòu)閾值電流相對(duì)較大，LPBC成本相對(duì)更高。模式擴(kuò)展層是指在限制層中加入一段波導(dǎo)層，通過(guò)誘導(dǎo)近場(chǎng)光波模式擴(kuò)展減小限制因子和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角[44]。1996年Yen和Lee在InGaAs激光器單管中引入了100 nm的模式擴(kuò)展層[45]，2006年，王曉燕等[46]設(shè)計(jì)了Al0.5Ga0.5As模式擴(kuò)展層，輸出功率75 W時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)垂直發(fā)散角為25°。2018年李林等[47]通過(guò)在模式擴(kuò)展層和中心波導(dǎo)之間引入低折射率層，使遠(yuǎn)場(chǎng)垂直發(fā)散角為18°且閾值電流密度僅為173 A/cm2。

圖2 QWDs結(jié)構(gòu)示意圖[16]Fig.2 Structure diagram of QWDs[16]

圖3 縱向光子帶晶體激光器結(jié)構(gòu)示意圖[42]Fig.3 Schematic diagram of LPBC structure[42]

3 激光器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

寬條形激光器雖然可以通過(guò)增大脊波導(dǎo)寬度提高輸出功率，但會(huì)面臨高階模激射和COD等問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量輸出，以下四種新型激光器結(jié)構(gòu)逐漸成為研究熱點(diǎn)。

3.1 分布反饋半導(dǎo)體激光器(distributed feedback, DFB)

DFB是一種將Bragg光柵刻在腔內(nèi)的激光器，其發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角小。1997年Jeon等[48]采用一次外延制備了980 nm DFB激光器，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角11.7°×17.8°，連續(xù)輸出功率70 mW。2005年Wenzel等[49]設(shè)計(jì)了超大光腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)DFB，斜率效率達(dá)到1 W/A，輸出功率500 mW。二次外延是在刻蝕好的布拉格光柵上外延生長(zhǎng)覆蓋層、上限制層和歐姆接觸層的技術(shù)。2011年FBH研究所通過(guò)二次外延生長(zhǎng)制備了圖4所示的976 nm DFB激光器，其WPE大于60%、10 W連續(xù)輸出壽命5 000 h、光譜寬度小于1 nm[50]。二次外延生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)，這不僅損害材料質(zhì)量，也降低了激光器的靈敏度。2017年Decker等[51]設(shè)計(jì)了直接在外延結(jié)構(gòu)上刻蝕的非均勻光柵結(jié)構(gòu)，2019年邱橙等[52]設(shè)計(jì)了無(wú)須二次外延的增益耦合式DFB結(jié)構(gòu)，這些一次外延DFB光束質(zhì)量較好，但輸出功率仍低于常規(guī)二次外延DFB，提高一次外延DFB的輸出功率和閾值，是DFB的發(fā)展方向。

3.2 分布布拉格反射激光器(distributed Bragg reflector, DBR)

DFB和DBR都有內(nèi)置布拉格光柵，不同點(diǎn)在于DFB的光柵在諧振腔中，而DBR的光柵在諧振腔的一端或兩端且不用二次外延，制造工藝更簡(jiǎn)單。Parke和O′Brien于1992年設(shè)計(jì)了971.9 nm波長(zhǎng)的邊發(fā)射DBR，連續(xù)輸出功率110 mW，斜率效率0.35～0.47 W/A[53]。為了在保證波長(zhǎng)穩(wěn)定的情況下增大輸出功率，人們對(duì)DBR的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。2009年Fiebig等[54]設(shè)計(jì)了全展開角為6°的錐形DBR，工作波長(zhǎng)為980 nm，最大輸出功率12 W，遠(yuǎn)場(chǎng)垂直發(fā)散角小于15°。2011年Reddy設(shè)計(jì)了增益導(dǎo)帶中心具有兩個(gè)DBR刻蝕光柵的雙波長(zhǎng)DBR，可同時(shí)輸出968 nm和976.8 nm兩種穩(wěn)定波長(zhǎng)，為DBR激光器高功率多波長(zhǎng)輸出奠定了基礎(chǔ)[55]。2020年P(guān)aoletti等[56]設(shè)計(jì)了10空間復(fù)用多發(fā)射極DBR，可在920 nm范圍多波長(zhǎng)輸出，功率達(dá)100 W且制備工藝簡(jiǎn)單，多波長(zhǎng)輸出DBR激光器將成為高功率DBR激光器的發(fā)展趨勢(shì)。

圖4 DFB激光器結(jié)構(gòu)示意圖[50]Fig.4 Schematic diagram of DFB structure[50]

3.3 垂直腔面發(fā)射激光器

如圖5所示，VCSEL有頂發(fā)射和底發(fā)射兩種結(jié)構(gòu)，具有閾值電流低、電光轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)散角小的優(yōu)點(diǎn)。1990年Ceels和Coldren實(shí)現(xiàn)了980 nm VCSEL的室溫連續(xù)輸出，閾值電流0.7 mA[57]。2001年Miller等[58]制備了由19個(gè)單器件組成的VCSEL陣列，室溫連續(xù)輸出功率1.08 W，證明了VCSEL陣列高功率穩(wěn)定輸出的特性。2008年P(guān)rinceton Optronics公司設(shè)計(jì)了5 mm VCSEL陣列，其最高WPE 51%，最大輸出功率231 W，為當(dāng)時(shí)世界上最高水平[59]。2018年Warren等[60]使用背面發(fā)射VCSEL陣列芯片技術(shù)制造的150單元VCSEL陣列，峰值輸出功率400 W，遠(yuǎn)場(chǎng)垂直發(fā)散角15°。Czyszanowski等2017年提出了半導(dǎo)體-金屬亞波長(zhǎng)光柵代替P-DBR的改進(jìn)方案。亞波長(zhǎng)光柵具有光耦合和電注入功能，且其厚度更小，偏振特性和熱電性能更優(yōu)，但存在閾值較高和自身光吸收大的問(wèn)題[61]。垂直外腔面發(fā)射激光器光束質(zhì)量更好，2020年張建偉等[62]設(shè)計(jì)了垂直外腔面發(fā)射激光器，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為9.2°×9.0°，光斑均勻分布，但輸出功率尚不及VCSEL。目前Philips Photonics等公司已在智能手機(jī)、傳感器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了VCSEL商業(yè)化，我國(guó)光迅科技做到了VCSEL在光通訊方面的實(shí)用化，但在消費(fèi)電子領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廠商尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[63]。

圖5 兩種不同的VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of two different VCSEL structures

4 熱沉封裝設(shè)計(jì)及其對(duì)器件性能的影響

高功率輸出不僅需要性能優(yōu)秀的激光器芯片，也需要對(duì)熱沉封裝進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。根據(jù)Shen等的研究，芯片熱阻只占LD總熱阻的35.7%，約64%的熱阻來(lái)自熱沉、焊接和封裝[64]。廢熱影響了器件性能，加速了器件老化，低熱阻、高散熱效率的熱沉封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)熱少，可以為芯片高效散熱，提高激光器的功率和使用壽命。

4.1 熱沉材料設(shè)計(jì)

熱沉應(yīng)做到熱導(dǎo)率較大和熱膨脹系數(shù)匹配。Cu導(dǎo)熱和加工性能良好，是常用的金屬熱沉材料，但熱膨脹系數(shù)與GaAs相差較大。次熱沉的使用減少了Cu和芯片之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，2013年Zhao等[65]在銅熱沉與芯片之間引入了微通道AlN次熱沉，使熱阻減小80%。AlN雖然能減小熱阻，但制備工藝較合金更復(fù)雜，2019年石琳琳等[66]設(shè)計(jì)了CuW次熱沉和石墨輔助熱沉結(jié)構(gòu)，將過(guò)渡熱沉尺寸從2.0 mm減小至0.6 mm的同時(shí)，結(jié)溫從338.9 K降低至334.9 K。對(duì)于功率更高的半導(dǎo)體激光器，陶瓷熱沉散熱效果不佳，合金材料又易腐蝕，因此科研人員引入了熱導(dǎo)率更高且更穩(wěn)定的金剛石熱沉。1996年Weiss等[67]首次將CVD金剛石膜用作激光器熱沉，器件斜率效率為1 W/A。2003年潘存海等[68]設(shè)計(jì)了金剛石膜/Ti/Ni/Au金屬化體系熱沉，熱阻為AlN熱沉的40%。2016年P(guān)arashchuk[69]發(fā)現(xiàn)金剛石熱沉能使激光器斜率效率提高1.5～2倍，工作電流范圍擴(kuò)大2～3倍。2019年，王魯華[70]設(shè)計(jì)的Cu/diamond(Ti)復(fù)合材料熱導(dǎo)率高達(dá)811 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)與GaAs極為接近，有望成為新一代熱沉封裝材料。

4.2 熱沉封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

封裝包括芯片封裝和保護(hù)殼封裝，不僅可以形成閉合電路、保護(hù)芯片，也是芯片散熱的重要方式。芯片封裝是將芯片直接焊接在熱沉上，主要包括C-mount和F-mount封裝[71]，結(jié)構(gòu)如圖6所示。C-mount成本低廉、工藝成熟，但體積較大且使用功率較小。F-mount封裝將芯片、次熱沉和銅熱沉垂直組裝，其散熱路徑更短、散熱效率更高。2010年張彥鑫等[72]設(shè)計(jì)的F-mount結(jié)構(gòu)WPE為55%；2015年Bezotosnyi等[73]將F-mount應(yīng)用在980 nm激光器上，COD閾值從20 W提高至28 W，15 W連續(xù)輸出時(shí)的WPE達(dá)65%。2020年Wu等[74]設(shè)計(jì)了由兩層銅板和高熱導(dǎo)率夾層組成的“三明治”熱沉，與常規(guī)F-mount相比熱阻降低了27.4%。

保護(hù)殼封裝是如微通道熱沉等將芯片焊在熱沉的某一部分上并密封保護(hù)的結(jié)構(gòu)。1988年Mundinger等[75]發(fā)明了硅微通道熱沉，2005年劉云等[76]改進(jìn)為五層無(wú)氧銅微通道熱沉，熱阻為4.982×10-3K·cm2/W。2015年范嗣強(qiáng)[77]設(shè)計(jì)了具有微蒸發(fā)腔和多通道毛細(xì)管層的微通道結(jié)構(gòu)，采用R134a相變制冷，100 W巴條最高溫度僅為305 K。2019年，Shen等[78]設(shè)計(jì)了微通道和射流狹縫混合熱沉，通過(guò)射流沖擊使激光器陣列熱阻降低15%，WPE達(dá)到64.2%。噴霧冷卻、液態(tài)金屬冷卻等新興散熱方式能夠高效散熱，如2009年美國(guó)RNIN公司使用噴霧冷卻和熱存儲(chǔ)技術(shù)成功為150 kW級(jí)的高能激光散熱；2010年John等[79]使用In-Ga液態(tài)合金作為冷卻劑，導(dǎo)熱效率提高了28倍，但均存在技術(shù)不成熟、普適性差等問(wèn)題。

圖6 兩種不同封裝結(jié)構(gòu)示意圖[71]Fig.6 Schematic diagram of two different mount structures[71]

5 結(jié)語(yǔ)與展望

本文從980 nm InGaAs高功率量子阱激光器的歷史發(fā)展和影響InGaAs激光器性能的問(wèn)題及改進(jìn)方法方面進(jìn)行了綜述。在外延結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)變補(bǔ)償量子阱、無(wú)吸收窗口、腔面鈍化和鍍膜解決了有源區(qū)晶格不匹配、載流子泄漏嚴(yán)重的問(wèn)題，使激光器輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率不斷提高；大光腔非對(duì)稱波導(dǎo)、光子晶體和模式擴(kuò)展層的發(fā)展提高了光束的對(duì)稱性，出光質(zhì)量得到改善。新型芯片結(jié)構(gòu)提升了激光器的輸出功率和光束特性；熱沉封裝技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了激光器的可靠性，推動(dòng)了高功率激光器的集成和工業(yè)化生產(chǎn)。

未來(lái)高功率980 nm半導(dǎo)體激光器的發(fā)展方向主要有：(1)改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)和外延生長(zhǎng)技術(shù)。發(fā)展新式激光器結(jié)構(gòu)，降低腔內(nèi)損耗和閾值電流，提高輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，并簡(jiǎn)化制備工藝。(2)發(fā)展激光器的熱沉封裝技術(shù)。開發(fā)熱導(dǎo)率更高的熱沉材料和性能更穩(wěn)定的封裝結(jié)構(gòu)，避免封裝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)熱影響器件可靠性和輸出功率。(3)發(fā)展光學(xué)矯正技術(shù)。實(shí)現(xiàn)快慢軸出光質(zhì)量相同，獲得發(fā)散角更小、對(duì)稱性更好的光斑和更準(zhǔn)直的光束。(4)發(fā)展高度集成化技術(shù)，使高功率激光器向輕型化發(fā)展。