杜宇琦，王貞福，張曉穎，楊國(guó)文，李 特，劉育銜，李 波，常奕棟，趙宇亮，蘭 宇

(1.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710119；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049； 3.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院, 陜西 西安 710100)

1 引 言

半導(dǎo)體激光器由于體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在激光泵浦[1]、材料加工[2]、激光醫(yī)療[3]、激光雷達(dá)[4]和空間激光通信[5]等方面應(yīng)用十分廣泛。其中，790～1 100 nm波段高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展比較成熟，一般采用InGaAs/AlGaAs/GaAs材料體系或InGaAs/GaAsP體系。InGaAs/GaAsP材料采用寬帶隙GaAsP作勢(shì)壘層可有效限制載流子泄漏，減小因載流子泄漏而造成的光學(xué)損耗[5]，但由于勢(shì)壘層GaAsP外延生長(zhǎng)工藝復(fù)雜，容易引入缺陷，造成大量載流子的聚集，限制了器件效率提高[6]；InGaAs/AlGaAs/GaAs材料體系目前已經(jīng)開(kāi)展了較為深入的研究，制備技術(shù)成熟[7]，有閾值電流密度低、調(diào)制及線寬特性改善等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于在材料焊接、表面相變硬化、表面熔覆、空間通信[8]等高溫工作領(lǐng)域的應(yīng)用，工作環(huán)境惡劣，激光器面臨著相對(duì)較高的環(huán)境溫度和工作溫度[9]，嚴(yán)重影響著半導(dǎo)體激光器的光電性能[10]。此外，溫度升高器件容易產(chǎn)生熱飽和(Thermal rollover)、腔面光學(xué)災(zāi)變損傷(Catastrophic optical mirror damage，COMD)等物理現(xiàn)象，引起器件的性能退化甚至失效。因此，研究高功率半導(dǎo)體激光器在高溫下的輸出特性和變化規(guī)律，特別是高溫對(duì)電光轉(zhuǎn)換效率的影響機(jī)制，以此來(lái)提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率、減小廢熱產(chǎn)生成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。

2006年，Kanazawa等[11]研究了1.2 μm高溫工作的InGaAs/GaAs量子阱激光器的溫度特性，高應(yīng)變InGaAs/GaAs脊形波導(dǎo)激光器的有源層由具有高度應(yīng)變的InGaAs的3個(gè)量子阱組成，In占比32%，在連續(xù)驅(qū)動(dòng)條件下，最高工作溫度達(dá)到200 ℃以上，溫度特性T0在30～80 ℃下為222 K，顯示出應(yīng)變量子阱優(yōu)異的溫度特性；2009年，Crump等[12]報(bào)道了980 nm半導(dǎo)體激光器單管在短脈寬(500 ns，1 kHz)條件下，器件在15～125 ℃范圍內(nèi)斜率效率降低15%，且通過(guò)波導(dǎo)層中自發(fā)輻射的增強(qiáng)證實(shí)了載流子的泄漏；2020年，Hülsewede等[13]為提高半導(dǎo)體激光器工作溫度范圍，降低散熱冷卻成本，優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)及熱沉結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了列陣器件在熱沉35 ℃條件下，芯片輸出功率仍在200 W以上，結(jié)溫不超過(guò)70 ℃。同樣，國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度特性也做了大量研究。2012年，長(zhǎng)春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半導(dǎo)體激光器列陣模塊的溫度特性，通過(guò)調(diào)試得到不同溫度條件下的最佳工作狀態(tài)，并提出引入應(yīng)變降低閾值電流[14]；2016年，劉旭等[15]報(bào)道了高溫激光二極管抽運(yùn)全固態(tài)激光器，滿足在-40～60 ℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，降低溫控系統(tǒng)的制冷壓力，有效實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)激光器小型化和高效率；2017年，西安光機(jī)所研究了填充因子為30%的808 nm半導(dǎo)體激光器陣列在熱沉溫度為15 ℃時(shí)最高電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到71%[16]。

為進(jìn)一步研究高功率半導(dǎo)體激光列陣的高溫特性工作機(jī)理，本文建立列陣芯片測(cè)試系統(tǒng)，分析15～60 ℃半導(dǎo)體激光芯片列陣的光電性能，通過(guò)計(jì)算特征溫度分析半導(dǎo)體激光芯片的熱穩(wěn)定性，從5種能量損耗路徑研究高溫下影響半導(dǎo)體激光芯片性能的主要因素，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)建模與仿真，針對(duì)載流子泄漏問(wèn)題給出了外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

2 理論分析

半導(dǎo)體激光器的光輸出功率為

(1)

其中，ηd為外微分量子效率，h為普朗克常數(shù)，ν為光子頻率，I為工作電流，Ith為閾值電流，斜率效率ηd是表征半導(dǎo)體激光器光電性能的主要參數(shù)之一，可表示為

(2)

其中，ηi表示內(nèi)量子效率，αi為內(nèi)損耗，αm為腔面損耗，L為腔長(zhǎng)，R1、R2分別為芯片前后腔面反射率。由公式(2)可知，對(duì)于確定腔長(zhǎng)、腔面反射率的半導(dǎo)體激光器，斜率效率與內(nèi)量子效率ηi成正比，與內(nèi)損耗αi成反比。半導(dǎo)體激光器內(nèi)量子效率可表示為[17]：

ηi=ηlηνηr,

(3)

其中，ηl表示與側(cè)向擴(kuò)展電流相聯(lián)系的注入效率，代表注入到有源區(qū)的電流與注入電流之比，對(duì)于寬波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器，ηl約為1；ην表示注入到量子阱區(qū)的復(fù)合電流與注入到整個(gè)有源區(qū)的電流的比值；ηr表示注入到量子阱的電流中輻射復(fù)合占總復(fù)合電流(包括輻射復(fù)合和自發(fā)輻射復(fù)合)的比例，隨溫度的升高ηr基本保持恒定。由于ηl、ηr在不同溫度下基本保持恒定[17]，因此，ην是影響內(nèi)量子效率的主要因素，可表示為

(4)

其中，Istim為輻射復(fù)合電流，Ir為非輻射復(fù)合電流，Iν為漏電流。圖1為量子阱漏電流示意圖。圖2為15～60 ℃下InGaAs/GaAs量子阱自由電子濃度與15 ℃自由電子濃度的比值變化情況，可以看出，在15～60 ℃，量子阱自由電子濃度下降超過(guò)20%，漏電流大小與量子阱載流子濃度成反比。因此，漏電流隨溫度升高迅速增大，內(nèi)量子效率也會(huì)急劇減小，嚴(yán)重影響半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定性。為量化研究影響芯片穩(wěn)定性的主要因素，從實(shí)驗(yàn)角度詳細(xì)分析了5種能量損耗分布及其隨溫度的變化趨勢(shì)。

圖1 半導(dǎo)體激光器漏電流示意圖

圖2 量子阱自由電子濃度在不同溫度下的歸一化分布

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及芯片測(cè)試

3.1 芯片結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體激光芯片外延結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(Metal-organic chemical vapour deposition，MOCVD)進(jìn)行外延材料生長(zhǎng)。在n-GaAs襯底(Si摻雜，2×1018cm-3)上依次生長(zhǎng)N型GaAs緩沖層，摻雜濃度為2×1018cm-3，N型包層Al0.18Ga0.82As，摻雜濃度為1×1018cm-3；N型波導(dǎo)層Al0.1Ga0.9As，不摻雜；有源區(qū)為無(wú)摻雜的InGaAs/GaAs；P型波導(dǎo)層Al0.1Ga0.9As，不摻雜；P型包層Al0.48Ga0.52As，摻雜濃度為2×1018cm-3；P型蓋層GaAs,摻雜濃度為1×1019cm-3。

圖3 典型的半導(dǎo)體激光陣列芯片外延結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為半導(dǎo)體激光芯片列陣及具體結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的1 cm列陣，列陣芯片尺寸如下：腔長(zhǎng)2 mm，寬度10 mm，厚度120 μm，P面電極200 μm，包含37個(gè)獨(dú)立發(fā)光點(diǎn)，填充因子75%。

圖4 半導(dǎo)體激光列陣芯片示意圖及結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

我們獨(dú)立自主搭建了LIV100列陣測(cè)試系統(tǒng)，如圖5所示，芯片真空吸附在溫控載物臺(tái)上，電源卡采用U型銅箔提供脈寬范圍為0.05～2 000 μs、重復(fù)頻率19.23～9 995.00 Hz的高電流，接觸式探針測(cè)量運(yùn)行狀態(tài)下芯片電壓，電流、電壓和光功率的采樣速率為1～20 MS/s，最終由積分球接收光信號(hào)并由光電二極管檢測(cè)器及光譜儀測(cè)量光功率和波長(zhǎng)。在不考慮封裝帶來(lái)的應(yīng)力影響下，實(shí)驗(yàn)研究15～60 ℃高功率半導(dǎo)體激光芯片列陣的溫度特性。

圖5 半導(dǎo)體激光列陣芯片測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 芯片測(cè)試

列陣芯片通過(guò)真空吸附固定在散熱底板上，通過(guò)熱電制冷器(Thermo-electric cooler，TEC)控溫將散熱底板控制在恒定溫度。在驅(qū)動(dòng)電流100 A、重復(fù)頻率20 Hz、脈寬200 μs、占空比0.4%條件下，測(cè)試15～60 ℃范圍內(nèi)的光電性能，如圖6，圖7所示為峰值功率和電光轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，列陣芯片在15 ℃輸出功率最大為93.11 W，60 ℃功率為72.59 W，在15～60 ℃芯片整體光輸出功率下降達(dá)22%，對(duì)應(yīng)電光轉(zhuǎn)換效率由54.82%下降至43.88%。

圖6 15～60 ℃半導(dǎo)體激光列陣芯片L-I曲線

圖7 15～60 ℃半導(dǎo)體激光陣列芯片電光轉(zhuǎn)換效率曲線

此外，如圖8所示，在驅(qū)動(dòng)電流100 A條件下，隨著溫度由15 ℃升高至60 ℃，芯片峰值波長(zhǎng)從952.8 nm紅移至965.6 nm，溫度隨波長(zhǎng)偏移系數(shù)為0.28 nm/℃。

圖8 15～60 ℃半導(dǎo)體激光陣列芯片光譜

閾值電流隨溫度的變化特性表明，量子阱結(jié)構(gòu)限制了不同溫度下半導(dǎo)體激光器的光電性能[18]。從所測(cè)得的L-I曲線，計(jì)算得到不同溫度條件下，閾值電流、斜率效率隨溫度的變化如表1所示。從表1可知，在相同電流條件下，15～60 ℃溫度范圍內(nèi)，列陣芯片閾值電流由19.92 A增大至28.80 A，斜率效率由1.18 W/A降低至1.03 W/A。閾值電流Ith與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

表1 15～60 ℃半導(dǎo)體激光芯片閾值電流變化趨勢(shì)

(5)

其中，Tr為室溫；Ith為室溫下閾值電流；T0為半導(dǎo)體激光芯片的特征溫度，用來(lái)表征半導(dǎo)體激光芯片對(duì)溫度的敏感特性，T0越大表示半導(dǎo)體激光芯片對(duì)溫度越不敏感，熱穩(wěn)定性越好。通過(guò)計(jì)算得到15～40 ℃特征溫度T0為138.89 K，45～60 ℃特征溫度T0只有94.34 K，反映了在高溫條件下，半導(dǎo)體激光芯片對(duì)溫度極其敏感，其光電性能極易受溫度影響。

4 能量損耗分析

當(dāng)熱沉溫度從15 ℃上升至60 ℃，半導(dǎo)體激光芯片的輸出光功率降低，閾值電流增大，斜率效率降低，中心波長(zhǎng)紅移。造成這一變化的主要原因有激光器有源區(qū)載流子能量的顯著增加導(dǎo)致載流子泄漏加劇，溫度升高導(dǎo)致自發(fā)輻射、非輻射復(fù)合幾率增大等。為深入探究半導(dǎo)體激光芯片的高溫特性，本文從電功率轉(zhuǎn)換成光功率的能量損耗路徑進(jìn)行分析，通常輸入電功率可表示為

Pinput=IV=I2Rs+IV0，

(6)

其中，Rs為列陣芯片串聯(lián)電阻，V0為開(kāi)啟電壓。開(kāi)啟電壓V0由準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)差VF和能帶不匹配帶來(lái)的界面電壓Vhj兩部分組成，因此，輸入電功率可以分為五部分[19]，表示為

Pinput=I2Rs+IVhj+ηiIthVF+IVF(1-ηi)+

ηi(I-Ith)VF，

(7)

其中，I2Rs為串聯(lián)電阻引起的功率損失；IVhj是能帶不匹配帶來(lái)的界面損失；ηiIthVF為閾值以下自發(fā)輻射；IVF(1-ηi)表示載流子泄漏損耗；ηi(I-Ith)VF為理論輸出光功率，包含實(shí)際光輸出功率及腔內(nèi)腔面損耗。

根據(jù)公式(7)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流100 A條件下，芯片15～60 ℃溫度范圍內(nèi)五種能量損耗占比量化計(jì)算如圖9所示。具體分析結(jié)果如下：

(1)焦耳熱

(2)電壓損失

電壓損失是指半導(dǎo)體能帶不匹配帶來(lái)的界面電壓，當(dāng)熱沉溫度從15 ℃上升到60 ℃時(shí)，界面電壓損失略微減小，電壓損耗由1.50%降低至1.47%。

(3)自發(fā)輻射

如圖9所示，在電流100 A條件下，由于閾值電流較大，在15～60 ℃溫度范圍內(nèi)，自發(fā)輻射占比在14.84%～19.14%之間。當(dāng)溫度升高時(shí)，閾值電流隨溫度升高而大幅增大，導(dǎo)致自發(fā)輻射占比增加[21]。

圖9 驅(qū)動(dòng)電流100 A時(shí), 15～60 ℃半導(dǎo)體激光列陣芯片能量損耗分布圖。

(4)載流子泄漏

由圖9能量損耗分布圖可以看出，在15～60 ℃溫度范圍內(nèi)，載流子泄漏水平從2.3%迅速增大至11.36%，這是造成半導(dǎo)體激光芯片內(nèi)損耗增加、閾值電流增大的關(guān)鍵因素。如表1所示，當(dāng)TEC溫度從15 ℃升高至60 ℃時(shí)，閾值電流增加了44.57%，斜率效率降低11.96%。主要原因是溫度升高，自由載流子能量增大，導(dǎo)致部分載流子越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入波導(dǎo)層，將能量以熱的形式釋放。

由表1計(jì)算得到的15～40 ℃特征溫度T0為138.89 K，45～60 ℃特征溫度T0只有94.34 K，也很好地證明了在高溫條件下，載流子泄漏水平明顯增大。此外，逃逸的自由載流子促進(jìn)波導(dǎo)層載流子密度增加，非輻射復(fù)合速率增大，更多電子能量轉(zhuǎn)換為熱能導(dǎo)致半導(dǎo)體激光芯片有源區(qū)內(nèi)量子效率降低，溫度升高，進(jìn)而可能發(fā)生熱翻轉(zhuǎn)，限制輸出功率的增加。

5 芯片結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)高溫工作時(shí)對(duì)載流子的有效限制，從芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上優(yōu)化波導(dǎo)層及包層的Al組分。從圖10可以看出，當(dāng)N型波導(dǎo)層與P型波導(dǎo)層Al組分由10%增加至25%，波導(dǎo)層少數(shù)載流子濃度降低，載流子泄漏問(wèn)題得到有效控制。

圖10 不同波導(dǎo)Al組分下N型、P型波導(dǎo)少子歸一化分布。

圖11為60 ℃工作溫度條件下，該結(jié)構(gòu)在不同波導(dǎo)Al組分下的理論輸出功率、電壓及注入電流為10 A時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率曲線。由圖可知，通過(guò)調(diào)節(jié)Al組分可以有效提高輸出功率，主要原因是高Al組分增加了對(duì)量子阱載流子的限制作用，有效減小了載流子泄漏損耗。隨著波導(dǎo)層Al組分的增加，理論上在相同載流子濃度條件下，遷移率降低將導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大[22]；但當(dāng)波導(dǎo)層Al組分低于20%時(shí)，載流子泄漏嚴(yán)重且大部分載流子泄漏至波導(dǎo)層，波導(dǎo)層少數(shù)載流子濃度隨Al組分的增加逐漸降低，對(duì)應(yīng)遷移率隨之不斷提高，綜合影響導(dǎo)致整體串聯(lián)電阻沒(méi)有明顯變化。當(dāng)波導(dǎo)層Al組分高于20%時(shí)，載流子泄漏被有效抑制，波導(dǎo)層載流子濃度降低不明顯，尤其是P波導(dǎo)層的少子濃度下降變緩慢，導(dǎo)致波導(dǎo)層載流子遷移率降低，引起串聯(lián)電阻明顯增加，電壓增大明顯。因此，如圖11(c)所示，光電轉(zhuǎn)換效率呈先增大后減小的趨勢(shì)，并在Al組分為20%時(shí)達(dá)到最大光電轉(zhuǎn)換效率。從仿真結(jié)果可知，在權(quán)衡載流子泄漏、串聯(lián)電阻對(duì)光電性能的影響后，提高波導(dǎo)層Al組分至20%既能有效限制載流子泄漏，又能平衡Al組分增加帶來(lái)的串聯(lián)電阻增大問(wèn)題。

圖11 (a)不同波導(dǎo)Al組分下的L-I曲線；(b)不同波導(dǎo)Al組分下的V-I曲線；(c)電光轉(zhuǎn)換效率與波導(dǎo)層不同Al組分關(guān)系。

6 結(jié) 論

本文對(duì)溫度影響960 nm激光陣列芯片的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了理論分析，并搭建了列陣芯片測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)15～60 ℃溫度范圍內(nèi)列陣芯片進(jìn)行光電性能測(cè)試，計(jì)算得出工作溫度由15 ℃升高至60 ℃時(shí)，焦耳熱損耗由21.70%降低至20.72%，電壓損耗從1.50%減小到1.47%，自發(fā)輻射占比在14.84%～19.14%之間，載流子泄漏占比從2.3%迅速上升至11.36%，是造成芯片熱不穩(wěn)定性的關(guān)鍵原因。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化N型、P型波導(dǎo)層及包層Al組分，當(dāng)芯片工作溫度為60 ℃時(shí)，波導(dǎo)層Al組分為20%時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率最高，表明適當(dāng)增加鋁組分可以有效地限制載流子泄漏。該研究對(duì)于高溫下半導(dǎo)體激光芯片電光轉(zhuǎn)換效率的提高提供了重要的參考。