GaAs基980 nm高功率半導體激光器的研究進展

胡雪瑩，董海亮，賈志剛，張愛琴，梁 建，許并社,4

(1.太原理工大學，新材料界面科學與工程教育部重點實驗室，太原 030024；2．太原理工大學輕紡工程學院，太原 030024；3．太原理工大學材料科學與工程學院，太原 030024；4．陜西科技大學，材料原子分子科學研究所，西安 710021)

0 引 言

在醫療、工業和軍事應用中都需要用到輕量、可靠、高效的高功率半導體激光器。與其他材料的激光器相比，InGaAs應變量子阱結構的半導體激光器由于其閾值電流密度低、溫度特性好、功率密度高、電光轉換效率高等特性而得到了廣泛應用。半導體激光器與其他材料的900 nm以上波長范圍激光器功率和電光轉化效率對比數據，如表1所示[1-4]。雖然應變結構提高了激光器性能，但對于高功率激光器，其光電性能、散熱性能和光束質量還需大幅度提升，在外延結構的設計和制備、光學災變損傷(catastrophic optical damage, COD)閾值的改善和散熱效率的提高等方面都存在瓶頸，電光轉換效率(wall-plug efficiency, WPE)較低的弊病仍需解決。我國高功率半導體激光器的研究起步較晚，在優化激光器性能、開發新結構和拓展應用領域上都與國際頂尖水平存在差距[5]。提高半導體激光器綜合性能對我國發展自主集成高功率半導體技術，推動激光科技創新升級具有重要意義。

本文從InGaAs激光器的歷史發展，影響激光器綜合性能的因素和改進方法，外延結構、芯片結構和熱沉封裝結構設計，發展前景等方面對高功率InGaAs量子阱激光器進行了綜述。

表1 不同種類900 nm以上波長范圍激光器性能對比[1-4]Table 1 Performance comparison of different laser with wavelength range above 900 nm[1-4]

1 高功率InGaAs量子阱激光器歷史發展

1984年，Laidig等首次制備了InGaAs/GaAs應變量子阱激光器。1991年，Welch等[6]實現了980 nm波長InGaAs/GaAs垂直腔面發射激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VCSEL)室溫條件下的連續穩定輸出。1994年，Fan等[7]實現了多量子阱InGaAs激光器1.05 W輸出。2004年Chilla等[8]設計了垂直外腔面發射激光器結構，980 nm CW輸出功率達30 W。2007年，美國JSDU公司開發了波長910～980 nm的激光器迭陣，輸出功率達480 W，室溫下WPE達73%[9]。2013年，德國Laserline公司研發的大功率光纖耦合產品，連續輸出功率達到45 kW[4]。2016年，本課題組制備的980 nm非對稱寬波導結構的激光器占空比為20%，注入電流為4 A時，單管連續輸出功率為4.1 W[10]。2018年，鄭婉華課題組設計了980 nm非對稱超大光腔脊波導激光器，注入電流為2 A時單管實現了1.9 W的連續輸出，橫向和垂直方向的光束質量因子分別為1.77和1.47[9]。圖1給出了國內外大功率激光器單管輸出功率研究進展[11]。

圖1 大功半導體激光器單管輸出功率發展[11]Fig.1 Development of single-emitter output power of high-power semiconductor lasers[11]

2 激光器外延結構對光電性能的影響

室溫連續高功率輸出是半導體激光器可以得到廣泛應用的前提，目前高功率半導體激光器的電光轉換效率在50%左右，提高輸出功率、改善光束特性是高功率激光器發展中的關鍵問題。

2.1 提高激光器的輸出功率

提高激光器輸出功率的思路有：提高器件的量子效率及WPE，減小光學限制因子Γ，減少載流子損耗，提高COD閾值。具體措施包括優化有源區結構、使用無吸收窗口技術、腔面鈍化和鍍膜等。

最初應變量子阱結構的有源區多為單量子阱，2000年Ke等制備了InGaAs/GaAs單量子阱脊波導激光器，外量子效率為0.31 W/A，斜率效率為0.37 W/A[12]。2005年Gao等[13]設計的單量子阱斜率效率達1.14 W/A，轉換效率31.7%。應變補償結構具有更小的應變量、更深的勢阱和更大的臨界厚度，進一步提高了載流子限制能力。2020年袁慶賀等[14]設計了具有GaAsP阻擋層的9XX nm激光器，最大WPE 71.8%、斜率效率提高到1.21 W/A。近年來無鋁有源區因不易氧化的特性而受到重視，但無鋁結構載流子泄漏嚴重，斜率效率低且在大電流注入時易跳模和波長紅移[15]，尚無法實現高功率穩定單模輸出。圖2的量子阱點(quantum well-dots, QWDs)結構具有高增益和低彈性應力的優點[16]，2019年，Kornyshov等[17]設計的980 nm QWDs耦合大光腔激光器內損耗僅為0.5 cm-1，遠場特性良好且波長穩定，連續輸出功率超過13 W。2020年Su等[18]設計的DETA摻雜WS2QWDs結構使PL強度提高六倍，QWDs結構有望大幅增加載流子注入效率，或成為下一代高功率高性能激光器的發展方向。

要在提高輸出功率的同時避免COD，一是要抑制腔面應變弛豫，防止帶隙收縮；二是要降低腔面載流子密度。無吸收窗口技術提高COD水平的形式有兩種：量子阱混雜和窗口非注入區工藝[19]。

量子阱混雜技術通過互擴散使帶隙變寬，從而抵消帶隙收縮。1998年Xu等[20]使用無雜質空位誘導技術制備了無吸收窗口，通過SiO2和SrF2薄膜控制量子阱混雜程度，使激光器最大輸出功率提高36%。2013年Zhou等[21]通過無雜質空位誘導，使InGaAs/GaAsP激光器COD水平提高16%。相比無雜質空位誘導，Si雜質誘導效率更高，2020年馬驍宇等使用該技術使波長藍移93 nm[22]，證明雜質誘導可用于提高COD水平，但目前該技術成本較高，需采用摻雜等方式降低成本。窗口非注入是引入電流非注入區，降低腔面載流子密度的技術，包括加入介質阻擋層、離子注入和腐蝕摻雜層。1994年Sagawa和Hiramoto等[23]設計了25 μm介質阻擋層，使激光器最大輸出功率從350 mW提高至466 mW。2003年劉斌等[24]使用質子注入法制備了腔面載流子非注入區，使COD閾值功率和最大輸出功率提高超過50%。2014年張松等[25]通過濕法腐蝕引入側向電流非注入區，在注入電流30 A時，COD功率從18 W提高至22 W。2019年，Arslan等[26]發現非注入窗口區在不影響高功率輸出的條件下可使腔面溫度降低40%，為該技術在高功率激光器中的使用提供了依據。窗口非注入區寬度和腐蝕深度都很小，所以提高刻蝕工藝精度，減小COD水平對非注入區體積的敏感度，是采用窗口非注入工藝提高COD水平的發展方向。

腔面鈍化是指去除腔面解理引入的雜質并形成鈍化層，從而降低腔面載流子密度。腔面鍍膜是指在鈍化后的腔面上鍍不同的薄膜，以保護解理腔面和改變腔面反射率。

腔面鈍化包括干法和濕法兩種方法。1983年Lindstrom和Tihanyi提出了真空離子束干法鈍化的概念[27]，2003年程東明等[28]使用P2S5/NH4OH與(NH4)2Sx溶液化學鈍化，COD功率從600 mW提高至1 500 mW。2019年趙懿昊等[29]設計了真空解理鈍化工藝，器件輸出功率比在空氣中解理后鈍化的激光器提高23%，但成本問題制約著真空解理鈍化技術的推廣。腔面鍍膜由前腔面的減反射膜(增透膜)和后腔面的高反射率膜(高反膜)組成，其中高反膜反射率>90%，是腔面鍍膜的主要部分。2005年舒雄文等[30]采用離子輔助鍍SiO2/TiO2高反膜和Al2O3增透膜，外量子效率提高77%。2013年劉磊[31]設計了Al2O3/TiO2/SiO2高反膜系，器件斜率效率從0.49 W/A提高至0.91 W/A，出光功率從0.70 W提高至1 W。增透膜的作用是消除雜散光，提高器件透光率。2016年許留洋[32]設計了等離子鈍化AlN增透膜，COD閾值功率從3.0 W提高至6.1 W。2020年崔碧峰等[33]發現張應力狀態Al2O3增透膜比常規壓應力狀態斜率效率和熱飽和功率更高，為腔面膜優化提出了新思路。

2.2 光束特性改善

激光器的光束特性用式(1)的M2因子來評價，其中ω為束腰半徑，θ為遠場發散角半角，λ為波長。ω在快軸上受折射率導引和反導引效應共同作用，變化較小，在慢軸上與條寬相關。因此，減小θ是改善光束質量的主要方式[34]，其方法主要包括大光腔波導結構(large optical cavity, LOC)、縱向光子帶波導(longitudinal photonic band crystal, LPBC)和插入模式擴展層等。

(1)

LOC理論是1983年由Tsang和Olsson提出的[35]，這種結構可以減小垂直發射角，但波導層過厚會引起高階激射和載流子泄漏。因為空穴對光吸收損耗更強，所以應減小P層厚度。2010年胡理科等[36]設計了去除P波導層的LOC結構，遠場發散角降至16.1°(θ⊥)×10.2°(θ∥)。去除P波導層會導致模式競爭，因此需適當保留。2013年李建軍等[37]設計了N波導層1.15 μm、P波導層0.85 μm的980 nm激光器，單模工作遠場發散角為24°(θ⊥)×6.6°(θ∥)。2017年Serin等[38]設計了4.8 μm 耦合大光腔結構，遠場垂直發散角為14°，基本接近衍射極限。2018年Zhao等[39]設計了為5.2 μm厚的超大光腔波導層，其中P波導層厚度為700 nm，其遠場發散角為11.5°(θ⊥)×6.8°(θ∥)。

LPBC由折射率不同的介電材料交替生長組成，能有效抑制光波發散，降低器件發散角。2003年Maximov等[40]設計了遠場垂直發散角為6°的LPBC激光器，2008年Novikov等[41]設計的16.5 μm LPBC激光器在1.3 W連續輸出時的遠場垂直發散角小于5°。2013年，汪麗杰[42]設計了如圖3所示的單橫模特性穩定的布拉格反射PBC雙光束激光器，單束激光遠場發散角7.2°×5.4°，連續輸出功率2.6 W。2019年Yoshida等[43]設計的光子晶體表面發射激光器(photonic crystal surface emitting lasers, PCSELs)輸出功率10 W時遠場垂直發散角小于0.3°，充分體現了光子晶體減小發散角、增加輸出功率的優勢。目前國內對于PCSELs的研究較少，LPBC和PCSELs的發展目標在于簡化生長工藝和進一步優化其結構和性能。

LOC結構閾值電流相對較大，LPBC成本相對更高。模式擴展層是指在限制層中加入一段波導層，通過誘導近場光波模式擴展減小限制因子和遠場發散角[44]。1996年Yen和Lee在InGaAs激光器單管中引入了100 nm的模式擴展層[45]，2006年，王曉燕等[46]設計了Al0.5Ga0.5As模式擴展層，輸出功率75 W時遠場垂直發散角為25°。2018年李林等[47]通過在模式擴展層和中心波導之間引入低折射率層，使遠場垂直發散角為18°且閾值電流密度僅為173 A/cm2。

圖2 QWDs結構示意圖[16]Fig.2 Structure diagram of QWDs[16]

圖3 縱向光子帶晶體激光器結構示意圖[42]Fig.3 Schematic diagram of LPBC structure[42]

3 激光器芯片結構設計

寬條形激光器雖然可以通過增大脊波導寬度提高輸出功率，但會面臨高階模激射和COD等問題。為了實現高功率高光束質量輸出，以下四種新型激光器結構逐漸成為研究熱點。

3.1 分布反饋半導體激光器(distributed feedback, DFB)

DFB是一種將Bragg光柵刻在腔內的激光器，其發射波長穩定，遠場發散角小。1997年Jeon等[48]采用一次外延制備了980 nm DFB激光器，遠場發散角11.7°×17.8°，連續輸出功率70 mW。2005年Wenzel等[49]設計了超大光腔波導結構DFB，斜率效率達到1 W/A，輸出功率500 mW。二次外延是在刻蝕好的布拉格光柵上外延生長覆蓋層、上限制層和歐姆接觸層的技術。2011年FBH研究所通過二次外延生長制備了圖4所示的976 nm DFB激光器，其WPE大于60%、10 W連續輸出壽命5 000 h、光譜寬度小于1 nm[50]。二次外延生長時間長，這不僅損害材料質量，也降低了激光器的靈敏度。2017年Decker等[51]設計了直接在外延結構上刻蝕的非均勻光柵結構，2019年邱橙等[52]設計了無須二次外延的增益耦合式DFB結構，這些一次外延DFB光束質量較好，但輸出功率仍低于常規二次外延DFB，提高一次外延DFB的輸出功率和閾值，是DFB的發展方向。

3.2 分布布拉格反射激光器(distributed Bragg reflector, DBR)

DFB和DBR都有內置布拉格光柵，不同點在于DFB的光柵在諧振腔中，而DBR的光柵在諧振腔的一端或兩端且不用二次外延，制造工藝更簡單。Parke和O′Brien于1992年設計了971.9 nm波長的邊發射DBR，連續輸出功率110 mW，斜率效率0.35～0.47 W/A[53]。為了在保證波長穩定的情況下增大輸出功率，人們對DBR的結構進行了改進。2009年Fiebig等[54]設計了全展開角為6°的錐形DBR，工作波長為980 nm，最大輸出功率12 W，遠場垂直發散角小于15°。2011年Reddy設計了增益導帶中心具有兩個DBR刻蝕光柵的雙波長DBR，可同時輸出968 nm和976.8 nm兩種穩定波長，為DBR激光器高功率多波長輸出奠定了基礎[55]。2020年Paoletti等[56]設計了10空間復用多發射極DBR，可在920 nm范圍多波長輸出，功率達100 W且制備工藝簡單，多波長輸出DBR激光器將成為高功率DBR激光器的發展趨勢。

圖4 DFB激光器結構示意圖[50]Fig.4 Schematic diagram of DFB structure[50]

3.3 垂直腔面發射激光器

如圖5所示，VCSEL有頂發射和底發射兩種結構，具有閾值電流低、電光轉換效率高、發散角小的優點。1990年Ceels和Coldren實現了980 nm VCSEL的室溫連續輸出，閾值電流0.7 mA[57]。2001年Miller等[58]制備了由19個單器件組成的VCSEL陣列，室溫連續輸出功率1.08 W，證明了VCSEL陣列高功率穩定輸出的特性。2008年Princeton Optronics公司設計了5 mm VCSEL陣列，其最高WPE 51%，最大輸出功率231 W，為當時世界上最高水平[59]。2018年Warren等[60]使用背面發射VCSEL陣列芯片技術制造的150單元VCSEL陣列，峰值輸出功率400 W，遠場垂直發散角15°。Czyszanowski等2017年提出了半導體-金屬亞波長光柵代替P-DBR的改進方案。亞波長光柵具有光耦合和電注入功能，且其厚度更小，偏振特性和熱電性能更優，但存在閾值較高和自身光吸收大的問題[61]。垂直外腔面發射激光器光束質量更好，2020年張建偉等[62]設計了垂直外腔面發射激光器，遠場發散角為9.2°×9.0°，光斑均勻分布，但輸出功率尚不及VCSEL。目前Philips Photonics等公司已在智能手機、傳感器等領域實現了VCSEL商業化，我國光迅科技做到了VCSEL在光通訊方面的實用化，但在消費電子領域，國內廠商尚未實現量產[63]。

圖5 兩種不同的VCSEL結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of two different VCSEL structures

4 熱沉封裝設計及其對器件性能的影響

高功率輸出不僅需要性能優秀的激光器芯片，也需要對熱沉封裝進行合理的設計。根據Shen等的研究，芯片熱阻只占LD總熱阻的35.7%，約64%的熱阻來自熱沉、焊接和封裝[64]。廢熱影響了器件性能，加速了器件老化，低熱阻、高散熱效率的熱沉封裝結構產熱少，可以為芯片高效散熱，提高激光器的功率和使用壽命。

4.1 熱沉材料設計

熱沉應做到熱導率較大和熱膨脹系數匹配。Cu導熱和加工性能良好，是常用的金屬熱沉材料，但熱膨脹系數與GaAs相差較大。次熱沉的使用減少了Cu和芯片之間的熱膨脹系數不匹配，2013年Zhao等[65]在銅熱沉與芯片之間引入了微通道AlN次熱沉，使熱阻減小80%。AlN雖然能減小熱阻，但制備工藝較合金更復雜，2019年石琳琳等[66]設計了CuW次熱沉和石墨輔助熱沉結構，將過渡熱沉尺寸從2.0 mm減小至0.6 mm的同時，結溫從338.9 K降低至334.9 K。對于功率更高的半導體激光器，陶瓷熱沉散熱效果不佳，合金材料又易腐蝕，因此科研人員引入了熱導率更高且更穩定的金剛石熱沉。1996年Weiss等[67]首次將CVD金剛石膜用作激光器熱沉，器件斜率效率為1 W/A。2003年潘存海等[68]設計了金剛石膜/Ti/Ni/Au金屬化體系熱沉，熱阻為AlN熱沉的40%。2016年Parashchuk[69]發現金剛石熱沉能使激光器斜率效率提高1.5～2倍，工作電流范圍擴大2～3倍。2019年，王魯華[70]設計的Cu/diamond(Ti)復合材料熱導率高達811 W/(m·K)，熱膨脹系數與GaAs極為接近，有望成為新一代熱沉封裝材料。

4.2 熱沉封裝結構設計

封裝包括芯片封裝和保護殼封裝，不僅可以形成閉合電路、保護芯片，也是芯片散熱的重要方式。芯片封裝是將芯片直接焊接在熱沉上，主要包括C-mount和F-mount封裝[71]，結構如圖6所示。C-mount成本低廉、工藝成熟，但體積較大且使用功率較小。F-mount封裝將芯片、次熱沉和銅熱沉垂直組裝，其散熱路徑更短、散熱效率更高。2010年張彥鑫等[72]設計的F-mount結構WPE為55%；2015年Bezotosnyi等[73]將F-mount應用在980 nm激光器上，COD閾值從20 W提高至28 W，15 W連續輸出時的WPE達65%。2020年Wu等[74]設計了由兩層銅板和高熱導率夾層組成的“三明治”熱沉，與常規F-mount相比熱阻降低了27.4%。

保護殼封裝是如微通道熱沉等將芯片焊在熱沉的某一部分上并密封保護的結構。1988年Mundinger等[75]發明了硅微通道熱沉，2005年劉云等[76]改進為五層無氧銅微通道熱沉，熱阻為4.982×10-3K·cm2/W。2015年范嗣強[77]設計了具有微蒸發腔和多通道毛細管層的微通道結構，采用R134a相變制冷，100 W巴條最高溫度僅為305 K。2019年，Shen等[78]設計了微通道和射流狹縫混合熱沉，通過射流沖擊使激光器陣列熱阻降低15%，WPE達到64.2%。噴霧冷卻、液態金屬冷卻等新興散熱方式能夠高效散熱，如2009年美國RNIN公司使用噴霧冷卻和熱存儲技術成功為150 kW級的高能激光散熱；2010年John等[79]使用In-Ga液態合金作為冷卻劑，導熱效率提高了28倍，但均存在技術不成熟、普適性差等問題。

圖6 兩種不同封裝結構示意圖[71]Fig.6 Schematic diagram of two different mount structures[71]

5 結語與展望

本文從980 nm InGaAs高功率量子阱激光器的歷史發展和影響InGaAs激光器性能的問題及改進方法方面進行了綜述。在外延結構方面，應變補償量子阱、無吸收窗口、腔面鈍化和鍍膜解決了有源區晶格不匹配、載流子泄漏嚴重的問題，使激光器輸出功率和電光轉換效率不斷提高；大光腔非對稱波導、光子晶體和模式擴展層的發展提高了光束的對稱性，出光質量得到改善。新型芯片結構提升了激光器的輸出功率和光束特性；熱沉封裝技術的發展增強了激光器的可靠性，推動了高功率激光器的集成和工業化生產。

未來高功率980 nm半導體激光器的發展方向主要有：(1)改進芯片結構和外延生長技術。發展新式激光器結構，降低腔內損耗和閾值電流，提高輸出功率和轉換效率，并簡化制備工藝。(2)發展激光器的熱沉封裝技術。開發熱導率更高的熱沉材料和性能更穩定的封裝結構，避免封裝結構的產熱影響器件可靠性和輸出功率。(3)發展光學矯正技術。實現快慢軸出光質量相同，獲得發散角更小、對稱性更好的光斑和更準直的光束。(4)發展高度集成化技術，使高功率激光器向輕型化發展。