808 nm半導體激光芯片電光轉換效率的溫度特性機理研究?

宋云菲王貞福李特楊國文

1)(中國科學院西安光學精密機械研究所,瞬態光學與光子技術國家重點實驗室,西安 710119)

2)(中國科學院大學,北京 100049)

3)(西安立芯光電科技有限公司,西安 710077)

808 nm半導體激光芯片電光轉換效率的溫度特性機理研究?

宋云菲1)2)王貞福1)李特1)楊國文1)3)?

1)(中國科學院西安光學精密機械研究所,瞬態光學與光子技術國家重點實驗室,西安 710119)

2)(中國科學院大學,北京 100049)

3)(西安立芯光電科技有限公司,西安 710077)

(2016年12月1日收到;2017年3月8日收到修改稿)

提高808 nm大功率半導體激光器電光轉換效率具有重要的學術意義和商業價值,是實現器件小型化、輕量化、高可靠性的必要前提.本文以腔長1.5 mm的傳導冷卻封裝808 nm半導體激光陣列為研究對象,在熱沉溫度?40—25?C范圍內對其進行光電特性測試,對不同溫度下電光轉換效率的影響因子進行了實驗研究和理論分析.結果表明∶在?40?C環境溫度下,最高電光轉換效率從室溫25?C時的56.7%提高至66.8%,內量子效率高達96.3%,載流子泄漏損耗的占比貢獻由16.6%下降至3.1%.該研究對實現808 nm高效率半導體激光芯片的自主研發具有重要意義.

∶半導體激光芯片,電光轉換效率,溫度

PACS∶42.55.PxDOI∶10.7498/aps.66.104202

1 引 言

高功率半導體激光器具有體積小、重量輕、效率高、壽命長等優點,在工業加工[1]、醫療美容[2]、航空航天[3]、激光抽運和光纖激光等[4]領域應用極其廣泛[5,6].其中,808 nm高功率半導體激光器是固體激光器(Nd∶YAG)最理想的抽運源[7],高電光轉換效率的抽運源一方面可以減少發熱從而降低系統的散熱成本,同時可以有效降低結溫和工作電流,從而有效提高器件的可靠性和穩定性;另一方面,在相同工作電流下,可以實現更高的輸出功率[8].因此,高電光轉換效率半導體激光芯片是實現器件高功率、高可靠性、小型化、輕量化的前提和基礎.

808 nm高效率半導體激光芯片是國內外研究的熱點領域之一[9,10],nLight在2007年報道的808 nm傳導冷卻型封裝半導體激光器陣列,填充因子24%,在15?C工作溫度條件下,輸出功率達到55 W,最高電光轉換效率71.5%[7],這是目前國際上報道的最高水平;2008年,FBH報道了808 nm傳導冷卻型激光陣列,填充因子20%,在15?C工作溫度條件下,輸出功率81 W,電光轉換效率67.7%[11];2016年,Coherent報道了808 nm傳導冷卻型激光陣列,填充因子18%,在25?C溫度下,輸出功率60 W時壽命大于5萬小時,電光轉換效率為63%[12].國內相關單位在該領域的研究水平較國外存在一定的差距,但差距在逐年減小.2008年,劉素平等[13]報道了808 nm激光陣列,填充因子50%,室溫準連續條件下最高功率達到259 W,輸出功率100 W時電光轉換效率為52%;2014年,海特光電公司徐小紅等[14]報道了808 nm激光陣列采用微通道冷卻型封裝方式,在25?C溫度下,連續工作電流為230 A時獲得204 W的輸出功率,最大電光轉換效率為55.7%;2016年8月,我們研究組通過深入的研究開發出808 nm微通道冷卻型激光陣列,填充因子50%,在25?C溫度下,實現了連續輸出功率大于150 W,最高電光轉換效率達到65.5%[15],這也是當時國內報道的最高水平.

獲得更高電光轉換效率的途徑之一是降低熱沉溫度,2006年,nLight報道了溫度低至78 K的975 nm半導體激光器特性,工作溫度為?50?C時電光轉換效率高達85%[16].然而,半導體激光芯片在低溫條件下的電光轉換效率機理分析在國內外卻鮮見報道.本文主要研究熱沉溫度變化(?40—25?C)對808 nm半導體激光芯片的電光轉換效率的影響.從理論上分析焦耳熱、界面電壓損失、閾值以下自發輻射、載流子泄漏、腔內光吸收和腔面損耗等各影響因子的作用機理,并對各種能量損耗路徑占比貢獻隨溫度的變化進行分析,為進一步提高半導體激光陣列的電光轉換效率提供了有效的理論與實驗基礎.

2 理論分析

電光轉換效率定義為輸出光功率與輸入電功率之比,可表示為[17]

其中,ηc為電光轉換效率,ηd代表外微分量子效率,Ith代表閾值電流,V0為開啟電壓,Rs為串聯電阻.其中,外微分量子效率ηd與腔面損耗αm可表示為

ηi代表內量子效率;αi為內損耗;L為腔長;R1,R2分別為器件前后腔面反射率.電光轉換效率ηc隨著電流的增大逐漸到最大,進一步增大工作電流,ηc反而下降.將(1)式左右兩端分別對電流求導,得到最高電光轉換效率為[17]

從(5)式也可以看出,在工作狀態下,降低器件串聯電阻Rs和開啟電壓V0,可以降低同等電流下器件的工作電壓V,最終提高器件電光轉換效率ηc.其中,V0由準費米能級差(VF)和能帶不匹配帶來的界面電壓(Vhj)兩部分組成,

將(6)式代入(5)式中,可以得到以下表達式∶

(7)式表明從輸入電功率到輸出光功率,能量損耗的路徑可以分為五部分[19],I2Rs為串聯電阻引起的功率損失,IVhj是能帶不匹配帶來的界面損失,ηiIthVF為閾值以下自發輻射,IVF(1?ηi)源自載流子泄漏,ηi(I?Ith)VF為理論輸出光功率,包含實際輸出光功率、腔內光吸收和腔面損耗等部分.由于低溫條件工作時,器件的電光轉換效率會提高,意味著以上五種能量損耗路徑隨著溫度變化呈非均勻,進而需要詳細分析能量損耗路徑對效率的占比貢獻.

3 實驗系統及測量結果

實驗對象為自主設計研制的808 nm半導體激光芯片,在n-GaAs襯底上采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝進行外延材料生長,外延采用非對稱波導結構,其中有源區材料選用In-AlGaAs/AlGaAs,其厚度為8 nm,光限制因子為1.24%;波導層采用低Al組分的AlGaAs,該結構能夠大幅降低P波導層光吸收損耗[15],從而提高電光轉換效率.器件采用傳導冷卻型封裝方式,如圖1所示.芯片腔長為1.5 mm,發光區寬度100μm,發光點數為47,填充因子為50%.

圖1 (網刊彩色)傳導冷卻封裝半導體激光陣列芯片及器件Fig.1.(color online)1 cm-chips and bars mounted junction down on passively cooled heatsinks.

器件熱沉溫度范圍?40—25?C條件下,整體實驗裝置完全置于ESL-10高低溫箱中,溫度的控制及反饋采用T1000型精密測溫儀完成.圖2所示為電光轉換效率和輸出功率隨熱沉溫度的變化.可以看出,隨著溫度降低,最高電光轉換效率不斷增加;器件在同等工作電流下的功率輸出顯著增加,且斜率效率不斷增大.其中,在功率-電流關系曲線中,閾值以上線性部分的斜率即為斜率效率,單位為W/A.

表1是從圖1提取的不同溫度條件下的最高電光轉換效率對應的工作電流值.

圖2 (網刊彩色)在?40—25?C范圍內電光轉換效率和L-I測試曲線Fig.2.(color online)Power conversion efficiency and L-I curves at?40—25?C respectively.

表1 不同溫度下最高電光轉換效率及對應的電流值Table 1.Power conversion efficiency under different heatsink temperatures.

對比25?C與?40?C條件下器件輸出特性曲線,最高電光轉換效率對應的工作電流值從90 A升高至110 A,最高電光轉換效率分別為56.71%與66.81%,電光轉換效率提升幅度達到了絕對值10%.

4 結果討論

對比不同溫度條件下效率變化,需要對(7)式中能量損耗路徑進行分析計算.依據測試數據可以分析得到斜率效率ηslop,Ith,Rs和V0與溫度的關系.在?40—25?C范圍內半導體激光芯片參數ηslop和Ith變化趨勢如表2所列.

表2 不同溫度對應的閾值電流Ith和斜率效率ηslop參數對比Table 2.Threshold current and slop efficiency values at various temperatures.

由表2可以看出,隨著溫度不斷降低,ηslop不斷增大. 器件在相同工作電流100 A條件下,25?C條件下輸出功率95.89 W,ηslop為1.183 W/A,而?40?C時功率高達122 W,ηslop增大至1.387 W/A.說明低溫下載流子泄漏減小,越過勢壘的載流子降低,內量子效率增加.同時,通過L-I曲線擬合得到Ith,表2中反映出Ith隨著溫度降低不斷減小,由于準費米能級和注入載流子能量分布隨著溫度升高不斷展寬,最終導致透明載流子濃度和閾值電流與溫度呈正相關.半導體激光器閾值電流密度Jth對應特征溫度為T0,Jth與溫度關系為

由于T0并非是與溫度無關的常量,高特征溫度說明Ith隨溫度變化的敏感性較弱,反映器件良好的溫度特性.經過數據擬合,我們得到熱沉溫度在0—25?C范圍內特征溫度T0為217.39 K,而在?40—?10?C范圍內T0高達277.78 K.

表3 不同溫度對應的V0和Rs參數對比Table 3.Turn-on voltage and series resistance values at various temperatures.

從表3可以得到低溫工作條件下開啟電壓與串聯電阻的變化趨勢,低溫下V0和Rs數值均呈增長趨勢,最終導致串聯電阻和電壓損失增加.究其原因,是由于有源區帶隙寬度變大,準費米能級差值變大,進而導致V0升高.V0與準費米能級差的關系密切,由于異質結能帶不匹配,界面電壓的存在導致V0略大于hγ/e,該部分電壓造成的損失為電壓損失,低電壓損失能夠有效提高電光轉化效率;工作電壓主要組成分兩部分,一是開啟電壓V0,二是Rs引起的壓降.Rs可理解為各層電阻的疊加,Rs可表示為

Rs與載流子遷移率μ、載流子濃度、各層厚度L成反比.由于P波導層摻雜濃度顯著低于包層,且空穴遷移率僅為電子遷移率1/3,因為各層電阻中,P型波導層是串聯電阻主要組成[10].μe和μh隨著溫度降低而減小,導致低溫下,Rs增加.

依據上述分析,我們針對五種能量損耗路徑進行了量化計算,表4是詳細的計算結果.

圖3是表4的二維呈現,可以看到,當熱沉溫度從25?C降低至?40?C,電光轉換效率從56.7%逐步提高至66.8%.其中,由于串聯電阻隨溫度不斷增大,其對應的損耗占比貢獻從7.8%上升至10.3%,在?40?C低溫工作時高的串聯電阻是制約效率提高的主要因素;另外,由于內量子效率隨溫度的降低逐漸增大,理論上會加劇閾值以下的自發輻射效應,但閾值電流隨溫度降低大幅減小,最終使得閾值以下自發輻射損失隨溫度小幅度減少;同時,因低溫下內量子效率逐漸增大,載流子泄漏損失占比貢獻從16.6%降低至3.1%,這也是低溫工作時效率提高的主導因素,也反映出室溫下需要針對載流子泄漏這一因素對器件外延結構進行優化設計;對比?30?C和?40?C兩種不同的工作溫度,溫度降低10?C,載流子泄漏占比貢獻變化僅為0.1%,說明低溫工作條件下由于載流子泄漏導致效率降低的因素可忽略,從另一方面也反映了電光轉換效率存在極限值.

圖3 (網刊彩色)在?40—25?C范圍內能量損耗分布趨勢對比Fig.3.(color online)Energy loss analysis results at various temperatures.

表4 不同溫度對應能量損耗分布對比Table 4.Energy loss analysis results at various temperatures.

5 結 論

本文通過研究在?40—25?C溫度范圍內808 nm半導體激光芯片電壓、功率和電光轉換效率等輸出特性參數,理論分析了不同溫度下制約效率提升的主要瓶頸因素.在熱沉溫度為?40?C極端工作條件下,器件內量子效率高達96.3%;載流子損耗占比僅為3.1%,較室溫條件降低13.5%,最終實現最高電光轉換效率升高10%.器件在不同溫度條件下電光轉換效率的能量損耗途徑的分析研究對高效率芯片的外延設計工作提供了重要參考.

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PACS∶42.55.PxDOI∶10.7498/aps.66.104202

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61504167)and the“100 Talents Project”of Chinese Academy of Sciences,China(Grant No.Y429941233).

?Corresponding author.E-mail:yangguowen@opt.ac.cn

Efficiency analysis of 808 nm laser diode array under different operating temperatures?

Song Yun-Fei1)2)Wang Zhen-Fu1)Li Te1)Yang Guo-Wen1)3)?
1)(State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics,Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710119,China)
2)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
3)(Xi’an Lumcore Optoelectronics Technologies Co.,Ltd,Xi’an 710077,China)

1 December 2016;revised manuscript

8 March 2017)

The 808 nm high-efficiency laser diodes have many advantages,such as high output power,high reliabilities,compact sizes,which are widely used in many areas,such as industry,communication,science,medicine and biology.In order to improve the power conversion efficiencies of 808 nm laser diodes,the following requirements must be considered,such as loss of joule heating,loss by the carrier leakage,spontaneous radiation loss below the threshold current,loss by interface voltage defect,internal losses including free-carrier absorption loss and scattering loss.These losses above are closely related to the operating temperature of laser diode.In this paper,power conversion efficiency analysis is demonstrated from the aspects of the output power,threshold current,slope efficiency,voltage,and series resistance at different temperatures..This is thefi rst time that the detailed study has been carried out under various temperatures(up to the lowest temperature of?40?C).And the detailed study above can be of benefit to designing the wafer epitaxial structure.

High-power 808 nm laser diode arrays are mounted on conduction cooled heatsinks.And the laser chips have 47 emitters with 50%infi ll factor,100μm stripe in width and 1.5 mm in cavity length.The asymmetric broad waveguide epitaxial structure with lower absorption loss in p-type waveguide and cladding layer is designed in order to reduce the internal losses.The device performances are measured under operating temperatures ranging from ?40?C to 25?C including the output power,threshold current,slope efficiency,series resistance,voltage,etc.Then the power conversion efficiency of 808 nm laser diode arrays are demonstrated from the output characteristics at different operating temperatures.

With temperature decreasing,the series resistance gradually increases.The loss of joule heating ratio rises from 7.8%to 10.3%.In that case,the high series resistance is the major factor to prevent the efficiency from further improving at a low temperature of?40?C.As temperature decreases from 25?C to ?40?C,the carrier leakage ratio is reduced from 16.6%to 3.1%,the carrier leakage is the dominant factor for increasing efficiency,which means that it is necessary to optimize the epitaxial structure in order to reduce the carrier leakage at the room temperature.Comparing the two different work temperatures from ?30?C to?40?C,the carrier leakage ratio only changes 0.1%,which implies that the carrier leakage could be ignored under the low temperature.Meanwhile,as temperature decreases from 25?C to?40?C,the power conversion efficiency increases from 56.7%to 66.8%.

∶laser chip,power conversion efficiency,temperature

?國家自然科學基金(批準號:61504167)和中國科學院百人計劃(批準號:Y429941233)資助的課題.

?通信作者.E-mail:yangguowen@opt.ac.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society