陳永澤，王振興，熊金華，梁 海，吳志勇

（深圳市恒天偉焱科技股份有限公司，廣東深圳 518000）

1969年后研制成功的單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)生化激光器，由于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率高、體積小、材料輕、穩(wěn)定性高、溫度控制能力強(qiáng)，以及與其他半導(dǎo)體器件的融合能力強(qiáng)，已成為現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備。而隨著工業(yè)生產(chǎn)能力的日益提高及其一致性，以及新材料和新結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的大量出現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍已不只是在現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，它還將在新材料加工技術(shù)、精密測(cè)量設(shè)備等新應(yīng)用領(lǐng)域方面表現(xiàn)出強(qiáng)大能力，其正在迅速占領(lǐng)過(guò)去以氣體和固態(tài)激光器技術(shù)所主導(dǎo)的部分應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體激光器的相干光泵浦源也將使過(guò)去固體激光器技術(shù)做出歷史性變革，并產(chǎn)生嶄新的技術(shù)革命。而半導(dǎo)體激光器的特殊性能，也將使其廣泛地運(yùn)用到軍事上的某些領(lǐng)域中，如激光測(cè)距、潛通信、導(dǎo)航、光電引信、竊聽(tīng)等，并作為光電戰(zhàn)爭(zhēng)中新的有生力量。目前激光應(yīng)用范圍幾乎涉及各個(gè)領(lǐng)域，光纖通信、光盤傳送、全色顯示器、激光傳感器、激光打印機(jī)等，甚至在激光儀器制造和激光醫(yī)療等領(lǐng)域中，半導(dǎo)體激光器也不失其高效率、小額化、可集成化和佼佼者的關(guān)鍵地位，并受到了人們充分的重視。

1 半導(dǎo)體激光器及其原理介紹

1.1 半導(dǎo)體收音機(jī)激光器

半導(dǎo)體激光器是指采用半導(dǎo)體收音機(jī)材料為主要工作物料的一種激光儀器。半導(dǎo)線激光器亦稱為激光二極體，簡(jiǎn)寫LD。這是激光源中極其重要的一種激光儀器。利用半導(dǎo)體激光器材料進(jìn)行光受激輻射的工作，原理與固體和氣體激光器相同。但因?yàn)槠渌捎玫墓饧せ畈牧蠟榘雽?dǎo)體收音機(jī)材料，它具備穩(wěn)定性高、質(zhì)量低、穩(wěn)定性好、工作壽命長(zhǎng)的主要特性，也可以通過(guò)一次注入或輸出電流泵送。一般電纜激光器的振動(dòng)模式與一般開(kāi)放式光學(xué)諧振腔的振動(dòng)模式完全不同。半導(dǎo)體激光器的光腔一般為介質(zhì)波導(dǎo)腔，其振動(dòng)模式為介質(zhì)波導(dǎo)模式。半導(dǎo)體激光器和發(fā)光側(cè)二極管（都是半導(dǎo)體線二極管）的結(jié)構(gòu)非常相似。不同之處在于，激光器有一個(gè)光學(xué)腔，而側(cè)面LED 沒(méi)有這樣的腔，缺少諧振腔，因而也就不能進(jìn)行光的傳遞、擴(kuò)大而形成相干的激光。

半導(dǎo)體激光器的PN 結(jié)主要有均勻結(jié)、單異質(zhì)性結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)。但同時(shí)，它的特性也能夠通過(guò)條或帶狀構(gòu)造加以調(diào)節(jié)。在半導(dǎo)體收音機(jī)激光儀中，除由晶格分裂面構(gòu)成的法布里–珀羅（F-P）諧振器外，還存在分布布拉格反射（DBR）和分布反饋（DFB）結(jié)構(gòu)。此外，量子阱（QW）和多量子阱（№w），應(yīng)變量子阱激光器和垂直腔表面反射激光儀器（VCSEL）已被深入研究，作為有源層。

半導(dǎo)體激光器的主要特點(diǎn)是：①超小型化，重量輕；②效率高；③發(fā)射的激光波長(zhǎng)范圍廣；④使用壽命長(zhǎng)。

目前，半導(dǎo)體激光器已成為激光器件中最重要的組成部分之一。半導(dǎo)體線激光器是光通信應(yīng)用中發(fā)展最快、最關(guān)鍵的光纜通信基礎(chǔ)照明，已廣泛應(yīng)用于激光視盤、光盤、激光高速打印、全息、圖形記錄、數(shù)字顯示、辦公智能、激光準(zhǔn)直、防盜激光、醫(yī)學(xué)激光與激光生物學(xué)。目前半導(dǎo)體線激光器已成為光數(shù)據(jù)處理、光存貯，以及光計(jì)算等新興應(yīng)用領(lǐng)域的主要角色。

1.2 半導(dǎo)體激光器工作原理

半導(dǎo)體激光器也是一個(gè)自相干疊加的輻射光源。和其他激光器相同，要讓它產(chǎn)生自相干疊加輻射，就需要符合3個(gè)基本要求。

（1）確定起激射媒質(zhì)（有源區(qū)）內(nèi)少數(shù)載流子的反轉(zhuǎn)分布關(guān)系。如處在高能態(tài)電導(dǎo)線底的電子數(shù)，比處在低能射線態(tài)價(jià)質(zhì)帶頂?shù)碾娮涌昭ㄖ行臄?shù)大許多。這是靠向異質(zhì)結(jié)加正向偏壓后，向有源層內(nèi)加入必需的少數(shù)載流子來(lái)完成的。

（2）有一種適當(dāng)?shù)闹C振腔使受激輻射在這里經(jīng)過(guò)多種反應(yīng)而產(chǎn)生激光振蕩。對(duì)F-P 腔半導(dǎo)體激光器很容易地就能夠使用晶格的表面作為自然解理表面，來(lái)產(chǎn)生F-P 腔。

（3）為產(chǎn)生平穩(wěn)振動(dòng)，激光媒質(zhì)需要能供給適當(dāng)大的增益設(shè)定范圍，激光增益需要小于或超過(guò)所有損失之和。而這就需要適當(dāng)強(qiáng)的額定電流加入，并且需要符合相應(yīng)的電閨值需求。

為了達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，原子的能量等級(jí)不得低于3級(jí)。但由于在光分和物體作用時(shí)，受激吸引與自動(dòng)釋放都是同步出現(xiàn)的。也就是說(shuō)，低能級(jí)的原子在吸收光能后會(huì)上升到高能級(jí)，但高能級(jí)的原子會(huì)下降到低能級(jí)，因?yàn)樗鼈兪艿焦獾拇碳?，而不受外界的刺激。因此，?dāng)高能級(jí)的原子質(zhì)量與低能級(jí)的原子質(zhì)量相似時(shí)，從低能級(jí)到高能級(jí)的過(guò)程將更加困難。此時(shí)，一些分子被加入，一些分子也下降。盡管上升沒(méi)有結(jié)束，但它處于自動(dòng)平衡狀態(tài)。因此，如果只有兩個(gè)能級(jí)的能量，就不可能逆轉(zhuǎn)粒子的數(shù)量。

諧振腔（具有一對(duì)高反射率的激光反射器的腔）在上述光學(xué)分割中，沿腔軸傳輸?shù)墓鈱W(xué)元件在外部受到保護(hù)，返回并隨后在轉(zhuǎn)移能面中的光學(xué)分子之間受到刺激，從而產(chǎn)生激發(fā)輻射并產(chǎn)生倍增的光學(xué)元件。然后又是反饋。如果這種情況在循環(huán)中繼續(xù)，可能會(huì)出現(xiàn)“雪崩”放大效應(yīng)，激光束從腔的另一端發(fā)射。

2 半導(dǎo)體激光器腔面膜的設(shè)計(jì)

2.1 增透膜的設(shè)計(jì)原理

從物理學(xué)上來(lái)講，當(dāng)單層膜的總折射率位于入射介質(zhì)和襯底折射率之間時(shí)，單層膜就形成了減反光的效果。坪頂增透層的理想要求是膜表面的光傳感厚度一般為λ/4，其水溶性元素比例等于入射介質(zhì)與基底折光率乘積的平方根。見(jiàn)式（1）。

文章所研究的大功率半導(dǎo)體激光器前腔表面的減反射膜可能不是完全的減反射膜，相反，它還需要有一定的反射，并具有較好的值，因此選擇一層膜很好。在單層減反射膜中，當(dāng)光線垂直下落時(shí)，其反照率表達(dá)式與公式（1）一致，但此處涂層折射率的n值介于n0和ng之間。因此，這里的減反射膜在設(shè)計(jì)時(shí)只需調(diào)整膜厚，從而得到所需要的反射率值就可以了。

2.2 薄膜材料的選擇

尋求更適于高威力激光器的低吸收/低功率積累，以及表面態(tài)比較低的材料以得到高閾值膜材料，也是當(dāng)前研發(fā)的一項(xiàng)重點(diǎn),以生產(chǎn)高性能薄膜。

1995年，中國(guó)科學(xué)院光學(xué)與工程研究所利用808反應(yīng)注入激光器作為薄膜材料，獲得了97%的高反照率。1999年，上海半導(dǎo)體無(wú)線電研究所利用電子束真空蒸發(fā)在儲(chǔ)氫條件下制備了808 nm 薄膜。在808波長(zhǎng)下，吸收系數(shù)逐漸降低到可忽略或可忽略的水平，形成了真正的高水溶性非吸附膜。在馬力大激光器上，產(chǎn)生高損傷閾值和低吸收率的光傳感薄膜材料受到了人們的重視。但是實(shí)際適用的薄膜材料卻很少，目前最佳的低水中溶解度材料為ThF4，不過(guò)由于它的高放射性活度、帶毒，并不適合。因此產(chǎn)生了混合薄膜材料，如在ZrO 中加入MgO 或SiO2能夠減少光散射；在MgF。中加入了CaF?；騔nF 能夠減小薄膜的張應(yīng)力。但是混合薄膜的技術(shù)目前還不是很穩(wěn)定，關(guān)鍵控制技術(shù)也還沒(méi)有很完善。

3 半導(dǎo)體激光器的可靠性

3.1 影響半導(dǎo)體器件可靠性問(wèn)題的各種因素

3.1.1 材料內(nèi)部的晶格缺陷和應(yīng)力的影響

材料結(jié)構(gòu)退化的主要因素是在有源區(qū)域的位錯(cuò)，或者從其他地方遷移到有源區(qū)域上的位錯(cuò)。內(nèi)部退化可能包括以下兩類。

（1）整個(gè)活動(dòng)區(qū)域的均勻退化；

（2）暗線缺陷和具有強(qiáng)光吸收的暗點(diǎn)缺陷。

一方面，這些缺陷與新基體材料的引入和變化以及加工過(guò)程中外展的發(fā)展密切相關(guān)，另一方面，它們也與未輻照復(fù)合中心引起的微觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。由于非輻射復(fù)合中心產(chǎn)生的能量可以傳遞給其他帶電粒子或聲子，因此會(huì)引起復(fù)合中心的網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)。這些離子與聲子之間的強(qiáng)非線性相互作用可導(dǎo)致缺陷中心周圍的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致故障中心上升和滑動(dòng)，并釋放以多聲子形式束縛在缺陷上的電子。此外，由于一些載流子被較高能級(jí)的中心捕獲，并且釋放的電子能也以與缺陷相互作用的方式發(fā)射電子能，因此p.H.的禁止帶寬越大，活性區(qū)域中的材料分解速度越快。此外，真空期產(chǎn)生的原子或高水平的金屬雜質(zhì)是導(dǎo)致分解的不利因素。這種變化的速率很大程度上與溫度有關(guān)，因此降解速率可能取決于溫度。

3.1.2 腔面損傷退化

半導(dǎo)體激光器對(duì)二端腔面的損傷主要有兩個(gè)：①空洞的破壞性磨損；②空腔表面化學(xué)腐蝕損壞。破壞性損傷通常是由電磁波照射的高能密度光熔化和溶解前腔的微機(jī)表面引起的。一個(gè)重要原因是，表面層附近的光的吸引力和遠(yuǎn)處表面層的結(jié)合增加了電流密度，并且一些大面積過(guò)熱。破壞性損傷的最終力取決于活動(dòng)區(qū)域的寬度。這種災(zāi)難性的破壞通常是災(zāi)難性的?？涨槐砻娴墓饣瘜W(xué)腐蝕主要是由光化學(xué)效應(yīng)引起的，光化學(xué)效應(yīng)使空腔表面的表層產(chǎn)生氧化物，或在空腔表面產(chǎn)生局部缺陷，進(jìn)而使空腔表面的光反射系數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而破壞激光螺紋部分的穩(wěn)定性，從而提高輻射的復(fù)合率。特別是在含有大多數(shù)鉈元素的半導(dǎo)體激光器中，自適應(yīng)邏輯元件會(huì)吸收水蒸氣和氧化物，導(dǎo)致局部末端氧化物缺陷，這直接影響到吸收表面反射光的能力，從而造成局部區(qū)域或嚴(yán)重內(nèi)部過(guò)熱，從而影響甚至毀壞激光器性能。大型腔表面的金屬氧化物層和碳污染也是直接影響設(shè)備性能和可靠性的關(guān)鍵因素之一。金屬晶體外延板在空氣中溶解后，腔室的表層吸附了很多氧化物層和碳，甚至產(chǎn)生金屬氧化物層。氧也是一個(gè)既深且平的雜質(zhì)層，具有輻射重組功能，因此可以減少材料的亮度效果。另外，金屬氧化物層還可能形成雜質(zhì)缺陷，使得缺陷位錯(cuò)迅速擴(kuò)大。在激光使用電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，這種缺陷會(huì)在其影響下快速擴(kuò)展，從而提高非活性復(fù)合的可能性，也因此降低了亮度效果，同時(shí)增加儀器的加熱溫度，從而迅速損傷激光。但是，金屬氧化物含量較大的材料更易于退化為最終激光表面，而且可受到的光學(xué)強(qiáng)度也減小了。所以，腔體表面吸附的氧氣會(huì)顯著影響部件的可靠性。

3.2 鍍膜對(duì)半導(dǎo)體激光器可靠性的影響

半導(dǎo)體激光器擁有尺寸較小、材質(zhì)輕薄、工作效率較高、運(yùn)行壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。它一經(jīng)問(wèn)世即引起人類普遍重視，并極大地促進(jìn)了科技的發(fā)展，同時(shí)由于其應(yīng)用越來(lái)越普遍，人類對(duì)半導(dǎo)體激光器的性能也提出了更高的要求，在許多地區(qū)都需要激光器具有較好的輸入輸出特點(diǎn)、高的輸入輸出工作功率、長(zhǎng)的工作壽命等。為達(dá)到這些目標(biāo)，科研工作者在這方面做了大量的科學(xué)研究工作，并提出了多種方法、工藝和結(jié)構(gòu)，可以提高激光器的輸入輸出特性和使用壽命。激光腔表面的涂層便是其中一種。雖然普通GaAs 激光器自然解理面的總反射率大約為31%，但這并非一種理想值。而且，由于這種自然解理表面在空氣環(huán)境中易于氧化，并引起對(duì)環(huán)境的污染，極大地制約了激光器，特別是高功能激光器的應(yīng)用年限。而通過(guò)對(duì)激光器腔面進(jìn)行優(yōu)化鍍膜，也可以在適當(dāng)程度上提高了激光器的輸出功率特性，進(jìn)而改善了其輸出功率和工作延壽能力，并已經(jīng)構(gòu)成了一種常用的提高半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)的手段之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

高功率的半導(dǎo)體收音機(jī)激光器，作為一個(gè)全新的激光光源，既有較大的電光變換效率和可靠的工作穩(wěn)定性，且結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)便，所以有著更廣闊的使用發(fā)展前景。詳細(xì)地介紹了半導(dǎo)體激光器及其工作原理，并對(duì)其可靠性加以探討，期望能給有關(guān)技術(shù)人員提出借鑒。