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如何改善半導體激光器輸出功率？

2021-09-01來(lái)源：未知瀏覽：次
1 前 言半導體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、效率高、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著(zhù)輸出功率的不斷提高，半導體激光器在越來(lái)越多的應用領(lǐng)域逐漸取代了傳統固體激光器和氣體激光器的主導地位。大功率半導體激光器是大多數高性能激光系統的泵浦源，其光電轉換效率較高、易于制造。以大功率半導體激光器為基礎的工業(yè)和軍事應用在全球范圍內迅猛發(fā)展，涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)、激光通信、激光醫療、激光顯示、自動(dòng)化控制及軍事國防裝備等方面［1］。
近年來(lái)，通過(guò)不斷提高光電轉換效率，半導體激光器的輸出功率越來(lái)越高。然而，仍存在許多潛在的物理機制限制了半導體激光器的最大輸出功率。例如，由于災難性的光學(xué)反射鏡損壞，設備可能會(huì )在材料缺陷處［2］或前腔面處［3］發(fā)生故障; 例如，在高注入電流下，許多學(xué)者都觀(guān)察到功率飽和、熱翻轉現象［4－9］。早期文獻中提到限制半導體激光器輸出功率的因素包括: ① 在高注入電流下，空穴遷移率較低導致的有源區下方電子的泄漏［6］; ② P 型波導層中載流子的積累與重新復合［7］; ③ 量子阱內載流子捕獲速率與受激復合速率不平衡導致的增益壓縮效應［8］; ④ 縱向燒孔效應［9］; ⑤ 雙光子吸收效應; ⑥ 側向反波導效應［10］?；诖?，本文總結了影響大功率半導體激光器輸出功率的主要因素及其研究進(jìn)展，以期為優(yōu)化激光器外延生長(cháng)技術(shù)和芯片結構、改進(jìn)材料生長(cháng)質(zhì)量以及提高激光器輸出功率提供參考。


2 限制輸出功率的因素2. 1 腔面災變效應腔面災變( catastrophic optical damage，COD) 效應是限制半導體激光器輸出功率的最重要問(wèn)題，它會(huì )導致激光器輸出功率大幅或全部損失。早在 1973 年，Eliseev 就將COD 效應描述為微爆炸［11］; 1979 年，Henry 等［12］發(fā)表了一篇關(guān)于造成 COD 根本原因的文章; Waters［13］詳細闡述了 COD 效應導致半導體激光器失效的過(guò)程，這些早期研究中提出的大多數觀(guān)點(diǎn)現在仍然被很多學(xué)者引用。
COD 效應最初是由于是環(huán)境氣氛對半導體激光器芯片腔面的影響，產(chǎn)生了表面界面態(tài)，形成深能級復合中心，從而造成了半導體材料的氧化。激光器受激輻射產(chǎn)生電子空穴對后，這些電子空穴對在前腔面深能級復合中心以非輻射方式重新復合，使前腔面產(chǎn)生熱量，從而減小了出光面帶隙。出光面帶隙的減小引起腔面更強的光吸收，這就形成了一個(gè)正反饋回路。半導體激光器大功率輸出時(shí)，上述正反饋效應使得腔面升溫加快，導致腔面有源區材料熔融并產(chǎn)生 COD 效應，最終造成器件失效。COD 效應的產(chǎn)生嚴重制約了半導體激光器的大功率工作。為了得到輸出特性更好、穩定性更高的半導體激光器，COD 問(wèn)題成為科研人員研究的熱門(mén)課題。
2013 年，北京工業(yè)大學(xué) Qiao 等［14］對大功率 AlGaAs/ GaAs 激光器的 COD 瞬態(tài)熱特性進(jìn)行了研究。研究發(fā)現， COD 發(fā)生后在前腔面上觀(guān)察到兩個(gè)熔點(diǎn)( 圖 1) ，其位置與熱成像的熱閃位置完全匹配，此時(shí)前腔面溫度也升高了 305 ℃，這是由于電子空穴對的非輻射復合增強，更多的電能轉化為熱能。因此，瞬態(tài)熱特性對 COD 的發(fā)生有重要影響，抑制芯片過(guò)高的瞬態(tài)溫度是防止 COD 發(fā)生的重要途徑。


2015 年，Leonhauser 等［15］發(fā)現增加前腔面反射率會(huì )削弱光反饋對光的近場(chǎng)模式和發(fā)射光譜的影響，從而降低半導體激光器發(fā)生 COD 的風(fēng)險。研究表明，前腔面反射率的增加使得近場(chǎng)光場(chǎng)分布更加均勻，且外部光反饋對近場(chǎng)模式的影響會(huì )顯著(zhù)減小。這也意味著(zhù)增加前腔面反射率有助于避免 COD 的發(fā)生。
2016 年，美國通快公司提出用聲子彈跳模型來(lái)分析COD 效應的傳播動(dòng)力學(xué)過(guò)程［16］。研究發(fā)現，聲子彈跳模型的預測結果與所觀(guān)察到的衍射模式一致: COD 發(fā)生后，熔融的半導體材料從邊緣冷卻到中心并在中間留下一個(gè)狹窄的通道，這樣透射聲子就會(huì )在其中衍射。此外，通快公司還用該模型對 COD 的起源和傳播速度、功率密度下降時(shí) COD 連續相的演化、低階橫向激光模式的形成、界面橫向模式的重新分布以及表征微觀(guān)結構的衍射圖進(jìn)行了綜合解釋?zhuān)@為研發(fā)大功率半導體光電器件開(kāi)辟了新途徑。 

2018 年，Ｒauch 等［17］研究了 950 nm 寬波導激光器中由光學(xué)反饋和電注入失調造成的光學(xué)災變。通過(guò)對反饋點(diǎn)的定位( 圖 2) ，使反饋點(diǎn)覆蓋 P 側高摻雜層，從而最大限度地降低了發(fā)生 COD 的閾值。結果表明，由于光反饋在激光器前腔面附近的吸收具有很強的局域性，所以產(chǎn)生了低的損傷閾值。


COD 效應是限制激光器輸出功率的最重要機制。近幾年的研究表明，COD 是一個(gè)快速( 在 1 ns 內可產(chǎn)生宏觀(guān)缺陷) 、不可逆的缺陷生成過(guò)程，且激光又為 COD 缺陷的生長(cháng)提供了能量。因此，這種缺陷產(chǎn)生機制對于大功率半導體器件來(lái)說(shuō)尤為突出。弄清 COD 產(chǎn)生的過(guò)程及物理機理的同時(shí)，防止或抑制 COD 的發(fā)生，從而進(jìn)一步提高半導體激光器的輸出功率。
2. 2 功率飽和機制大功率半導體激光器的結構往往采用寬波導結構，波導層厚度為微米級。由于波導模式與高摻雜 P 型波導層重疊減少，從而減小了激光器內部光學(xué)損耗。然而，在非常高的電流密度下，激光器卻出現了功率飽和及熱翻轉現象。這是由于與薄的有源層相比，波導層占比很大，使得光限制因子減小，造成功率飽和，從而限制了這類(lèi)激光器的輸出功率。研究發(fā)現，造成激光器輸出功率飽和的物理機制主要有兩種，一是有源區載流子泄漏至波導 層 造 成 載 流 子 的 積 累［8，18］; 二是雙光子吸收效應［19－22］。 
2. 2. 1 載流子的泄漏在高注入電流下，半導體激光器有源區中的載流子泄漏至波導層，導致波導層中載流子的積累。這是因為當注入電流很高時(shí)，激光器內部有源區溫度升高，熱電子發(fā)射增強，造成了載流子逃逸。波導層中載流子重新復合以及自由載流子的吸收與散射都造成了半導體激光器損耗的增加和輸出功率的降低。
2008 年，德國 Ferdinand-Braun 研究所 Pietrzak 等［23］研究發(fā)現，隨著(zhù)電流的增加，半導體激光器的輸出功率逐漸減小。該團隊認為這不是一種熱效應，因為激光器的發(fā)射波長(cháng)并沒(méi)有增加。在高注入電流下，量子阱的勢壘相對較小，載流子從量子阱中逃逸并在波導層中積累，這些逃逸的載流子在波導層處重新復合，導致半導體激光器的輸出功率降低。 


2012 年，Avrutin 等［24］ 研究了由于波導層中載流子積累引起的半導體激光器輸出功率下降的問(wèn)題。研究發(fā)現，窄的非對稱(chēng)波導結構既可以使激光器實(shí)現低內損耗和基模工作，又不會(huì )引起其輸出功率的下降。這是因為在窄的非對稱(chēng)波導結構中，波導層較薄，光限制因子高。故在高注入電流下，相對于寬波導激光器，窄波導激光器的光電轉換效率優(yōu)勢更為突出，甚至其輸出功率可能得到提高。 

2017 年，德國 Ferdinand-Braun 研究所 Klehr 等［25］研究了脈沖電流下 808 nm 脊波導激光器的光電特性。注入脈沖電流時(shí)，激光器中部分載流子沒(méi)有在有源區重新復合，而是在脊波導層中積累; 在脈沖電流結束時(shí)，電子回流并產(chǎn)生反向電流。研究發(fā)現，低量子效率是由垂直和橫向載流子泄漏引起的，如圖 3 所示。也就是說(shuō)，波導層中電子的積累以及反向電流的產(chǎn)生造成了載流子的泄漏，降低了量子效率。


波導層中載流子的積累造成了載流子在波導層中重新復合和自由載流子的吸收與散射，增加了激光器的內損耗，導致其輸出功率飽和。另外，在高注入電流下，電流也會(huì )提供載流子，這也可能是造成激光器在高電流下輸出功率下降的原因。關(guān)于波導層中載流子的積累，有研究表明［7，24］，使用窄的非對稱(chēng)波導結構可以避免這種情況的產(chǎn)生。但是，寬波導結構可以提高 COD 損傷閾值，故針對具體的激光器結構設計需要權衡考慮各個(gè)要素，使激光器各方面性能盡可能達到最優(yōu)。 
2. 2. 2 雙光子吸收效應雙光子吸收效應是由自由載流子在波導層的吸收引起的，其中最主要的是由雙光子吸收生成的空穴所引起的價(jià)帶吸收。與其它機制不同，雙光子吸收是半導體材料中的一個(gè)基本過(guò)程，是不可避免的，只能通過(guò)降低半導體材料中的光通量改善。
2014 年，Dogan 等［26］研究了半導體激光器的雙光子吸收效應。研究發(fā)現，雙光子吸收是一個(gè)非線(xiàn)性過(guò)程，它限制了半導體激光器中光子的有效提取，而光子的有效提取隨光通量的增加呈非線(xiàn)性增長(cháng)。因此，設計大功率半導體激光器的結構要求增加光模式大小來(lái)減少光通量，且不影響其他關(guān)鍵參數。結果表明，耦合光波導激光器光束的發(fā)散度較小，輸出光斑為近圓形，光斑直徑約為 4 μm 且快軸方向模式尺寸大，減小了輸出端面的光功率密度，也降低了 COD 的發(fā)生概率。 
2016 年，Avrutin 等［27］ 從理論上分析了半導體激光器橫向結構對雙光子吸收的影響。研究表明，雙光子吸收會(huì )產(chǎn)生兩種顯著(zhù)的作用: 直接效應和間接效應。在對稱(chēng)波導激光器中，雙光子吸收的影響主要表現在雙光子吸收產(chǎn)生的載流子擴散以及其被有源區捕獲。這種雙光子吸收的直接效應會(huì )導致載流子被耗盡，此時(shí)，直接效應成為限制激光器功率輸出的主要因素。但是，對于有源層位置向 P 型波導層嚴重偏移的情況，即非對稱(chēng)寬波導結構，雙光子吸收產(chǎn)生的載流子引起了自由載流子的吸收，此時(shí)，間接效應成為限制激光器功率輸出的主要機制。因此，在優(yōu)化半導體激光器設計時(shí)，既要考慮雙光子的影響，又要考慮擴散電流引起波導層中載流子不均勻積累的影響。


2017～2018 年，Ｒyvkin 等［28－29］發(fā)現，在重摻雜 N 型波導層結構中，可以通過(guò)減小空穴的價(jià)帶吸收減小波導層中的熱積累，抑制半導體激光器在高溫下的光損耗，從而提高激光器的輸出功率。該模型包括電流注入和雙光子吸收效應產(chǎn)生的空穴所引起的價(jià)帶吸收效應，以及雙光子吸收的直接效應。結果表明，與相同結構下弱摻雜 N 型波導層相比，重摻雜 N 型波導層產(chǎn)生的損耗要小得多。因此，重摻雜波導激光器具有較高的輸出功率和光電轉換效率。


雙光子吸收和載流子泄漏共同造成了半導體激光器的功率飽和，但可以通過(guò)重摻雜 N 型波導層來(lái)減弱這種效應，提高激光器的輸出功率，如圖 4 所示［28］。
2. 3 縱向空間燒孔效應半導體激光器的前后端面通常要鍍一個(gè)高反射膜和一個(gè)低反射膜，以最大限度地實(shí)現激光器的大功率輸出。因此，激光內部光強的縱剖面是高度不對稱(chēng)的，從而導致脊波導方向載流子密度的不均勻分布。這些空間不均勻性形成了載流子的縱向空間燒孔效應，且其與腔長(cháng)有關(guān)，腔長(cháng)越長(cháng)，縱向空間燒孔效應越明顯。這不僅降低了高電流注入下激光器的光學(xué)增益和輸出功率，也影響了激光器的非線(xiàn)性和穩定性。研究人員對邊發(fā)射半導體激光器縱向空間燒孔效應已經(jīng)進(jìn)行了深入研究［30－36］，通過(guò)了解載流子空間分布機理，優(yōu)化激光器結構，使激光器非線(xiàn)性效應最小化，從而提高激光器性能［33］。
2011 年，英國約克大學(xué) Ｒyvkin 和 Avrutin［31］ 針對邊發(fā)射半導體激光器提出了一種光子和載流子密度縱向分布的物理模型，分析了載流子對激光器輸出功率的影響。只有當前腔面反射率極小時(shí)，縱向空間燒孔效應才會(huì )對激光器的輸出功率產(chǎn)生直接影響，這是由于空間載流子的不均勻分布導致有源區載流子泄漏，從而使激光器輸出功率降低。 
2014 年，美國羅斯-霍曼理工學(xué)院 Hao 等［37］ 建立了一個(gè)自洽模型來(lái)計算半導體激光器的縱向光子密度分布、載流子密度分布和增益分布情況。分析了不同參數對縱向空間燒孔效應的影響。結果表明，較大的注入電流、較長(cháng)的腔長(cháng)和較短的發(fā)光波長(cháng)會(huì )加劇縱向空間燒孔效應。該研究還證明，腔長(cháng)超過(guò) 2 毫米時(shí)縱向空間燒孔效應會(huì )影響激光器的最大輸出功率。該研究對優(yōu)化半導體激光器的結構設計具有一定的參考價(jià)值。
2017 年，Ｒauch 等［38］從理論上論證了熱誘導的折射率在橫向和縱向上的變化，不僅會(huì )導致前腔面近場(chǎng)光斑的收縮，還會(huì )導致后腔面近場(chǎng)光斑的擴大。然而，單一的橫向自熱引起的折射率變化( 通常稱(chēng)為熱透鏡效應) 不會(huì )導致近場(chǎng)光斑的收縮。因此，為防止前腔面近場(chǎng)光斑的收縮，在縱向保證器件溫度的均勻性是有必要的。 

2019 年，Avrutin 和 Ｒyvkin［39］ 研究了縱向空間燒孔效應對前后腔面反射率高度不對稱(chēng)的諧振腔半導體激光器性能的影響，并分析了其對載流子非輻射復合的影響。結果表明，在低注入電流下，縱向空間燒孔效應增加了非輻射復合電流，對輸出功率影響不大; 但在高注入電流下，縱向空間燒孔效應顯著(zhù)影響激光器的輸出功率。該研究利用縱向空間燒孔影響因子修正了輸出功率函數表達式，發(fā)現縱向空間燒孔效應可以用輸出損耗與總損耗之比來(lái)估計。在內部損耗遠小于耦合損耗的前提下，得到了高度不對稱(chēng)諧振腔中出光面反射率和縱向空間燒孔影響因子的函數表達式，分析估算結果與數值模擬結果一致，如圖 5 所示。

由于縱向空間燒孔效應限制了前腔面反射率的大小和腔長(cháng)，通過(guò)實(shí)驗或理論計算研究縱向空間燒孔效應對激光器輸出功率和光電轉換效率的影響，這為大功率半導體激光器的設計提供新的思路。
3 提高輸出功率的方法半導體激光器的最大輸出功率受 COD 的限制，因此對腔面處理技術(shù)的研究意義重大。2013 年，劍橋大學(xué)Guo 等利用密度泛函理論對氮鈍化 GaAs/Al2O3界面進(jìn)行模擬［40］，發(fā)現氮有很好的 GaAs 表面鈍化潛力。2015 年， Arab 等［41］使用金屬有機化學(xué)氣相沉積( MOCVD) 設備選擇性生長(cháng)了 GaAs 納米結構，隨后采用異質(zhì)外延生長(cháng)了AlGaAs 層進(jìn)行表面保護。2017 年，長(cháng)春理工大學(xué)許留洋等［42］利用射頻等離子法對 GaAs 半導體表面進(jìn)行了 S-N混合等離子體鈍化實(shí)驗。光致發(fā)光( PL) 測試結果表明，經(jīng)過(guò) S-N 混合等離子體鈍化的 GaAs 樣品的 PL 強度提高了 135%。2019 年，中國科學(xué)院半導體研究所王鑫等［43］開(kāi)發(fā)了一種單管芯半導體激光器腔面真空解理鈍化工藝，這是一種在真空中解理并直接對半導體激光器腔面蒸鍍鈍化膜的方法。該研究采用 ZnSe 材料作為鈍化膜材料，使制備的器件的輸出功率提高了 23%。
載流子在波導層中的積累及雙光子吸收均造成了半導體激光器輸出功率的飽和，嚴重影響了激光器的性能。2014 年，德國 Ferdinand-Braun 研究所 Hasler 等［44］研究了一種極端雙不對稱(chēng)結構( EDAS) 激光器，該結構減輕了 P型波導層中載流子積累的影響，輸出功率較傳統結構的激光器得到了提高。2015 年，Yamagata 等［45］研究發(fā)現半導體激光器的功率飽和與有源區溫度、熱透鏡均有關(guān)系，通過(guò)減小激光器電壓、增大脊條寬度可實(shí)現激光器的大功率、高效率輸出。2018 年，俄羅斯圣彼得堡學(xué)術(shù)大學(xué)Zhukov 等［46］研發(fā)了一種耦合大光腔結構的邊發(fā)射量子阱激光器。這種結構的激光器可以抑制橫向模式的產(chǎn)生且具有較低的內部損耗，與傳統結構相比，其內部損耗低至 0. 4 cm－1，達到了最優(yōu)結果。2018 年，Wilkens 等［47］研究了 EDAS 激光器，發(fā)現該類(lèi)型激光器具有較好的光束質(zhì)量，且內損耗低、單模特性好，在波分復用系統中具有很好的應用。
縱向空間燒孔效應和腔長(cháng)有關(guān)，腔長(cháng)越長(cháng)，縱向空間燒孔效應越明顯。2012 年，Chen 等［48］ 設計了一種縱向圖案化的電接觸結構，有效緩解了激光器的縱向空間燒孔效應。2015 年，Yamagata 等［45］研究了 915 nm 的大功率非對稱(chēng)非耦合限制異質(zhì)結構( ADCH) 激光器。通過(guò)優(yōu)化有源區的限制因子以及 N 型波導層和 P 型波導層的比例，減小了4和 6 mm 長(cháng)腔結構的內部損耗，提高了激光器的輸出功率和光電轉換效率。2015 年，Demir 等［49］在長(cháng)腔器件中，采用開(kāi)腔結構來(lái)提高載流子密度和光子密度的均勻性，緩解了縱向空間燒孔效應，獲得了更高輸出功率和光電轉換效率的激光器。該研究還對比了標準腔結構和開(kāi)腔結構的半導體激光器［50］，與標準腔結構相比，開(kāi)腔結構激光器具有更均勻的縱向增益和腔內光強。因此，開(kāi)腔結構激光器具有較低的由線(xiàn)性和非線(xiàn)性效應引起的功率損失。


4 結 語(yǔ)大功率半導體激光器的發(fā)展程度代表著(zhù)光電子產(chǎn)業(yè)的最高水平，其應用范圍逐漸擴展到日常生活的方方面面，受到世界各國的高度重視。因此，關(guān)于大功率半導體激光器輸出功率的研究也越來(lái)越多，本文總結了限制輸出功率的幾個(gè)主要因素，主要包括: COD 效應、載流子泄漏效應、雙光子吸收效應以及縱向空間燒孔效應，研究和理解這幾種物理機制對提高大功率半導體激光器輸出功率具有重要的指導意義。

通過(guò)分析上述 4 種限制輸出功率的因素，未來(lái)可以從以下幾個(gè)方面來(lái)減弱甚至消除它們對激光器輸出功率的影響: ① 改進(jìn)半導體激光器的芯片外延技術(shù)，改善材料的生長(cháng)質(zhì)量，減少材料內部缺陷及損耗; ② 優(yōu)化半導體激光器的結構設計，緩解載流子泄漏、縱向空間燒孔效應等 問(wèn) 題; ③ 優(yōu) 化 器 件 工 藝。采用腔面處理技術(shù)［51－52］、腔面鈍化工藝等方法提高 COD 損傷閾值。此 外，通過(guò)大通道熱沉、微通道熱沉等工藝增加激光器芯片的散熱，解決由激光器有源區熱積累引起的器件結溫升高［53－54］而導致性能和可靠性下降的問(wèn)題，進(jìn)一步提高大功率半導體激光器的輸出功率。