高功率半導體激光陣列的高溫特性機理

李 波 王貞福* 仇伯倉 楊國文 李 特 趙宇亮劉育銜 王 剛 白少博 杜宇琦

(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, 陜西 西安 710119；2. 中國科學院大學, 北京 100049)

1 引 言

隨著高功率半導體激光器的快速發展,其應用正在從傳統的激光加工、激光通訊、激光顯示和激光泵浦等領域逐步向智能制造、精密加工、虛擬現實、智慧系統等高端制造業過渡,成為不可替代的光電器件之一[1-3]。 現實中激光應用不可避免地會觸及高溫工作條件,而在高溫下,激光芯片中的能量損耗機制尚不明確,隨著工作溫度的升高,激光器性能將會出現閾值電流升高、波長紅移、光譜展寬、電光轉換效率和量子效率下降等現象。據報道,2004 年,nLight 公司采用CS 封裝的808 nm 激光陣列在70 ℃下仍可以實現50%的電光轉換效率[4]；2009 年,Jenoptic 公司采用改進的CN 封裝940 nm 激光陣列在50 ℃下實現了輸出功率120 W,峰值效率達到了53%[5]；2010 年,Itense 公司采用H 型銅塊封裝的高功率準連續808 nm 激光陣列在95 ℃下實現了400 W 的輸出功率[6]；2018 年,FBH 研究中心設計的940 nm 單管在75 ℃高溫連續條件下仍可以達到59%的轉換效率[7]。 國內方面,2008 年,中科院半導體所采用銅塊散熱形式的808 nm 激光陣列在室溫準連續條件下實現了52%的轉換效率[8]；2014 年,山東大學團隊等研制的940 nm 激光單管在25 ℃連續條件下實現了74%的最大轉化效率[9]；2016年,中科院西安光機所采用微通道封裝的808 nm激光陣列在25 ℃連續條件下實現了65.5%的最高轉換效率,為當年國內報道最高,次年提高到了68%,在15 ℃下更是達到了71%的轉換效率[10-11]。

隨著工作環境的多樣化,已提出高功率半導體激光器需在高溫工作條件下應用的要求。 高溫條件下,高功率半導體激光器的整體性能會嚴重下降甚至失效,而在高溫下高功率半導體激光器的研究報道較少。 本文將以微通道封裝的高功率半導體激光陣列為研究對象,分析高溫條件下產品的各項性能以及內部損耗機制。 微通道封裝的產品通過高溫水冷循環機控溫,控溫范圍0 ～95℃,控溫精度為0.01 ℃,可以真實反映其工作條件溫度。 通過研究高溫條件下高功率半導體激光陣列性能及損耗機理,可以為其實際應用提供重要的指導意義。

2 實驗及結果分析

2.1 實驗對象和測試系統

本文采用自主研制的高功率準連續960 nm半導體激光陣列(Laser diode array,LDA)為研究對象,該產品有38 個獨立的發光點,條寬10 mm,腔長2 mm,填充因子75%,有源區為InGaAs 材料,芯片是p(正極)面朝下被焊接在微通道(Micro-channel cooler,MCC)熱沉上。 器件的工作溫度通過高溫精密控溫系統實現,該設備可以實現0 ～95 ℃的精確控溫。 高功率半導體激光陣列高溫性能測試系統如圖1 所示,虛線框中的組件放在由計算機控制的精密移動平臺上。 測試條件：循環水流量為0.3 L/min,脈沖寬度400 μs,重復頻率200 Hz,占空比為8%。

按照圖1 的測試流程和測試條件對器件進行高溫實驗。 圖2(a)是產品在20 ℃下的功率-電流-電壓(P-I-V)特性。 從圖中可知,加電大小為600 A 時輸出的峰值功率達到了670.4 W,電光轉化效率為64.5%,中心波長為957.3 nm,并在250 A 下達到了最大的電光轉化效率71.7%,斜率效率(Slope efficiency)和閾值電流分別為1.2 W/A和19.1 A。 圖2(b)是器件在驅動電流20 A 下測試的近場圖像,測試的器件具有38 個完整發光點并且沒有發生光學災變損傷(Catastrophic optical mirror damage,COMD)。

圖1 激光陣列高溫測試表征系統簡圖Fig.1 High temperature measurement system diagram for semiconductor lasers

圖2 高峰值功率半導體激光陣列測試曲線和近場光斑測試圖。 (a)LDA 在20 ℃下的P-I-V 曲線,插圖是600 A 下的光譜；(b)LDA 的近場光斑圖像。Fig.2 Test curve and near field spot of high peak power semiconductor laser array. (a)P-I-V performance of LDA at 20 ℃, the inset is the spectrum at 600 A.(b)Photo of the near field pattern of the LDA.

2.2 輸出功率

器件在10 ～80 ℃范圍內的輸出功率如圖3所示,從功率-電流(P-I)曲線可以分別獲得在不同溫度下器件的閾值電流,斜率效率和特征溫度。

圖3 LDA 在10 ～80 ℃范圍內的輸出功率Fig.3 Output power of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

激光器的輸出功率表示如下[12]：

其中,ηi為內量子效率,h、ν、q、Ith分別為普朗克常數、出射光頻率、元電荷量、閾值電流,αm、αi分別是內損耗和腔面損耗,L是腔長,R1、R2分別是前后腔面反射率。 提高內量子效率、降低閾值電流和內損耗都可以提高輸出功率。 表1是根據功率-電流(P-I)(圖3)曲線獲得的相關參數。

由表1 可知,溫度升高將會導致閾值電流升高、斜率效率下降。 在同樣工作電流600 A 下,輸出功率從10 ℃的681.1 W 下降到80 ℃的486.4 W,下降差值達194.7 W,器件在高溫下性能退化嚴重。 表1 參數變化如圖4 所示。

表1 不同溫度下的閾值電流和斜率效率Tab.1 Threshold current and slope efficiency at different temperatures

半導體激光器中的閾值電流、斜率效率與特征溫度的關系為[7]：

其中,η(T)、η(Tr)、Ith(T)、Ith(Tr)分別是溫度為T和Tr時的斜率效率和閾值電流,T0和T1是特征溫度,特征溫度反映對溫度變化的敏感性。 經過擬合,在10 ～40 ℃范圍內的特征溫度T0=200.0 K,在50 ～80 ℃范圍內的特征溫度T0=169.9 K,隨溫度升高閾值電流的溫度特性下降；T1=333.3 K,斜率效率的溫度特性較高,隨溫度變化的幅度較小。

圖4 10 ～80 ℃范圍內閾值電流和斜率效率的變化對比Fig.4 Threshold current and slope efficiency from 10 ℃to 80 ℃

2.3 工作電壓

器件在10 ～80 ℃范圍內的工作電壓如圖5所示。 從電壓-電流(V-I)曲線可以獲得不同溫度下的開啟電壓和串聯電阻,其結果如表2 所示。

圖5 10 ～80 ℃范圍內的工作電壓對比Fig.5 Working voltage of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

從表2 可知,隨著溫度的升高,開啟電壓和串聯電阻均呈現下降的趨勢,溫度升高將會導致量子阱的帶隙寬度變小,準費米能級差值變小,進而導致開啟電壓降低。 此外,由于能級的不匹配,界面電壓的存在會使開啟電壓V0略高于準費米能級差,進而產生界面電壓損失。 溫度的升高將會使載流子的遷移率升高,但也會加劇其碰撞幾率。陣列的串聯電阻受到以上兩方面因素影響,呈現出下降的趨勢。

表2 根據V-I 曲線獲得開啟電壓(V0)和串聯電阻(Rs)Tab.2 Open voltage(V0) and series resistance(Rs) according to the V-I curve

2.4 電光轉換效率

器件的電光轉化效率是反映其性能的重要參數。 圖6 是器件在10 ～80 ℃范圍內的電光轉化效率,可以看到效率隨著溫度的升高而下降,電光轉化效率表達式如下[12]：

其中,ηc是電光轉換效率,ηd是外微分量子效率。 高溫下器件內部的載流子越過勢壘泄漏嚴重導致內量子效率下降,這也是使電光轉化效率下降的原因之一。 內量子效率的變化如圖7 所示,可以看到內量子效率從10 ℃的97.3%下降到80 ℃的80.0%。

圖6 10 ～80 ℃范圍內電光轉化效率的對比Fig.6 Electro-optic conversion efficiency of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

圖7 10 ～80 ℃范圍內器件內量子效率變化Fig.7 Internal differential quantum efficiency of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

2.5 中心波長和光譜

溫度升高將會導致器件的波長紅移,通過波長隨溫度漂移的變化可以得出溫漂系數(波長隨溫度線性變化系數)。 圖8 是600 A 下不同溫度的光譜分布。 從圖中可知,溫度從10 ℃升高到80 ℃,波長從954.3 nm 紅移到975.6 nm,溫漂系數為0.3 nm/℃。 溫度的升高也會使光譜展寬,這與有源區熱積累效應及分布不均勻有關,70 ℃之后尤其明顯。

圖8 電流600 A 下,10 ～80 ℃范圍內光譜的變化。Fig.8 Spectra of the LDA at 600 A from 10 ℃to 80 ℃

2.6 損耗占比

半導體激光器中最終的能量輸出是決定其性能的重要參數,為了更好地分析限制轉化效率的內在因素,這里對輸入的能量損耗進行分析,進而深入地理解能量在傳輸過程中如何分配[13-14]。輸入的能量可以表示如下：

輸入的能量不可避免地會有串聯電阻產生的熱損耗,因而在設計中降低串聯電阻可以提高電光轉換效率。 其中,開啟電壓V0是由準費米能級差(VF)和能級不匹配帶來的界面電壓(Vhj)兩部分組成,即：

進而公式(7)可以寫成：

其中I2Rs是串聯電阻引起的焦耳熱,IVhj是界面電壓造成的損失,ηiIthVF是自發輻射損失,IVF(1 -ηi)是載流子泄露損失,ηi(I-Ith)VF是包含吸收、散射損耗和實際輸出三部分的理論輸出功率。 經過以上分析,高溫下器件的各項參數性能會發生變化,因而在工作中能量損耗占比也會呈現出不同的分布,對其輸入能量損耗路徑進行詳細的分析顯得十分重要[15]。 圖9 是5 種能量損耗機制量化結果分布。

圖9 10 ～80 ℃范圍內能量損耗分布Fig.9 Energy loss distribution from 10 ℃to 80 ℃

從圖9 可以看出,當溫度從10 ℃升到80 ℃后,焦耳熱反而降低,下降趨勢不明顯,不過在損耗中占比最大；界面電壓損失呈減少趨勢,自發輻射損耗呈增加趨勢,不過兩者變化幅度不大,占比較少；同時吸收散射損耗占比也明顯增大,這與高溫下腔面光吸收嚴重造成損耗升高有關[16]；反觀載流子泄漏隨著溫度升高損耗占比增加最為明顯,從1.93%上升到14.85%,高溫下載流子更容易越過勢壘產生泄漏,是高溫下電光轉化效率下降的主要原因。 如果能夠在設計中減小串聯電阻及優化量子阱勢壘高度,可以使器件在高溫中實現高效率輸出。

3 結 論

本文以微通道封裝的高峰值功率960 nm 半導體激光陣列為研究對象,采用精密控溫設備研究分析了在10 ～80 ℃范圍內器件的輸出功率、電壓、電光轉化效率和光譜等各項性能的變化趨勢以及限制電光轉換效率的主要因素。 研究顯示,陣列工作溫度升高將使輸出功率降低、工作電壓下降、中心波長紅移、光譜展寬、電光轉換效率下降。 損耗占比顯示：溫度從10 ℃上升到80 ℃后,載流子泄漏損耗占比上升最大,是高溫下轉化效率下降的主要原因；同時自發輻射損耗、界面電壓損耗、吸收和散射損耗上升,焦耳熱下降、這些損耗占比變化幅度不大；損耗中焦耳熱占比最大,因此,進一步降低串聯電阻可以有效地提高轉換效率。 高溫下能量損耗占比的分析對高溫、高效率激光芯片的研制具有重要的指導意義。