980 nm大光腔單發光條大功率LD失效分析

凌小涵，崔碧峰，張 松，王曉玲，劉夢涵，何 新

(北京市光電子技術實驗室 北京工業大學，北京100124)

1 引言

在激光技術的發展中，半導體激光器由于體積小、重量輕、壽命長、電光轉換效率高、覆蓋的波段范圍廣、價格便宜等優點，使得半導體激光器得到了廣泛的應用。980 nm大功率半導體激光器作為固體激光器或光纖激光器的抽運源具有重要的應用價值［1］。由于半導體激光器在應用中成為一個基本元器件，而器件的可靠性成為各種應用中的一個決定性因素，因此通過可靠性和壽命測試研究器件的失效原因已成為當前的熱點［2］。大功率半導體激光器的失效可以分為早期失效、緩慢失效以及突然失效。腔面燒毀又稱為災變性光學燒毀(COD)或者災變性光學鏡面燒毀(COMD)，具有一定隨機性，對激光器的使用十分不利，因此解決腔面燒毀失效尤其重要［1，3］。

本文對980 nm大光腔大功率半導體激光器芯片進行了外延生長。從制備好的器件中隨機抽取9個巴條，每個巴條可解理出20個單管，即180只半導體激光器單管，進行封裝測試。經過64 h老化測試，其中72只器件性能穩定，108只器件失效，成品率達到40%。通過對失效器件的數據分析，發現膜的撕裂對于器件的穩定性產生了重要影響。

2 器件結構

本文研究的是在GaAs襯底上用MOCVD技術生長的單量子阱大功率半導體激光器，選用In-GaAs/GaAs/AlGaAs系材料制備芯片外延結構。為了提高半導體激光器腔面的COD閾值，實驗采用非對稱超大光腔波導結構。

首先進行器件的MOCVD外延設計生長，其中n型和p型限制層是Al0．3Ga0．7As材料;波導層是總厚度為2μm的Al0．1Ga0．9As，綜合考慮高階模的抑制及閾值光增益的降低，采用ΔW=300 nm的非對稱超大光腔波導結構，即n側波導層厚度為1．15μm，p側波導層厚度為0．85μm;使用In0．2Ga0．8As量子阱材料作為有源層，厚度為7 nm，器件的外延結構如圖1所示。

圖1 大功率半導體激光器外延結構

外延過程中，Ⅲ族源是TMAl，TMGa和TMIn，V族源是100%的AsH3，載氣是經鈀管純化后的高純H2，n型摻雜源是經H2稀釋的SiH4，p型摻雜源是CCl4。反應室的壓力約為8000 Pa，襯底轉速為1000 r/min，有源區的生長溫度為575℃。根據設計的芯片外延結構，采用軟件模擬了器件光束的近場分布，如圖2所示，可以觀察到器件是非對稱大光腔結構［4］。外延生長結束后，進行寬條脊型器件制備，先腐蝕形成高度為300 nm的脊型臺，脊型臺寬度為100μm，然后腐蝕窗口區，用來提高COD閾值。再濺射200 nm的SiO2并光刻形成95μm的p型電極孔，接著濺射Ti/Pt/Au作為p型電極，然后減薄襯底至120μm并濺射AuGeNi/Au作為n面電極，在450℃條件下快速合金退火1 min。之后對芯片進行腔面膜的鍍制(前后腔面的反射率分別為7%和91．7%)。

圖2 非對稱大光腔波導結構的折射率和近場分布

3 失效原因分析

半導體激光器的管芯極小，工作電流密度和光功率密度很高，從而引起器件性能的退化。而且半導體激光器的腔面是用解理工藝形成的，腔面本身受到環境條件影響而污染也會也會導致激光器性能退化。這些都是器件本身的性能缺陷，是無法避免的。本實驗中大功率半導體激光器由于其輸出功率大、產生的熱量多，易使器件燒毀，所以更加重視腔面的燒毀閾值。為提高大功率半導體激光器的器件性能，分別在腔面鍍制高反膜和增透膜。腔面鍍膜不但可以降低閾值電流、提高斜率效率、增大光功率，還可以有效地降低器件的燒毀率。本文重點分析腔面鍍膜后的大功率半導體激光器的失效原因，并得出鍍膜分離巴條時產生的膜撕裂時造成器件燒毀的主要原因［5－7］。

實驗過程中器件失效原因主要有以下方面:

(1)封裝對器件產生的影響

①焊料攀爬造成的腔面退化［8－9］。實驗采用的是金錫焊料封裝，更有益于激光器散熱。對于燒毀的激光器，分析其腔面有源區的元素成分。圖3(a)所示是在掃描電鏡下觀察放大后激光器的腔面，通過圖3(b)顯示有源區成分分析，發現有源區有Au的存在，說明金錫焊料攀爬，大量的Au黏附在膜的表層，使得出光面熱量分布不均勻，造成器件燒毀。

圖3 掃描電鏡下腔面燒毀放大結構

②管芯擺放不正造成的腔面退化［10－12］。封裝時管芯出光一側的腔面與熱沉的邊緣未對齊，使得激光光束不對稱、不均勻，降低了激光器光束質量;還會造成管芯受熱不均勻，局部過熱，加速了器件的燒毀。如圖4所示，在掃描電鏡下可觀察到熱沉部分圖像清晰，而激光器腔面部分圖像模糊，可見是管芯與熱沉未對齊，造成熱沉與管芯不在同一高度上，形成腔面模糊圖像。

圖4 掃描電鏡下腔面圖像

(2)鍍膜對器件產生的影響

①本實驗先將芯片解離為巴條，一個巴條上分布20個激光器單管，然后進行腔面鍍膜，由于巴條在夾具內緊密排列，分離時會造成膜的撕裂。撕裂部位如果靠近有源區就會造成器件燒毀。如圖5所示，對9個巴條的單管進行封裝測試，發現巴條1、6、7、8、9的管芯初測，燒毀的激光器個數較少，剩余器件老化后性能也較為穩定，說明膜較為完好，器件性能穩定;而巴條2、3、4、5初測時器件燒毀情況嚴重，剩余器件老化后基本全部燒毀。說明膜撕裂造成了整個巴條的損壞，使得整條激光器性能降低。圖6所示為顯微鏡下腔面圖片，可以觀察到出光面的上下兩側都有膜破損的情況，說明在分離巴條時確實造成了膜的撕裂。

②鍍膜過程中引入的損傷。在激光器出光兩側分別鍍制高反膜和增透膜，其中增透膜的主要成份是Al2O3。將老化后燒毀的激光器用堿液去掉增透膜，再用掃描電鏡(SEM)觀察。如圖7所示，發現腔面還是存留了少部分的Al原子。說明在鍍膜的過程中，電子束蒸發后經離子源加速的膜材料有一定的能量打在腔面上，造成了腔面的損傷，加速了有源區燒毀。

圖5 不同巴條老化測試后燒毀情況

圖6 顯微鏡下膜撕裂圖片

圖7 掃描電鏡下去膜后腔面殘留的Al離子

4 結論

實驗采用大光腔結構、真空解理鍍膜、腔面非注入區技術制備了980 nm單發光條大功率半導體激光器。對抽取的180只半導體激光器封裝后進行老化測試，經過64 h電老化，得到功率基本未發生變化的器件有72只，綜合成品率達到40%。對老化過程中失效器件進行分析可得，鍍膜后分離巴條產生的膜撕裂是激光器燒毀的主要原因，并重點分析了膜撕裂對器件產生的影響。

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