大功率780nm半导体激光器的设计与制备

设计并制备了一款780 nm半导体激光器,并进行了外腔反馈锁模研究。利用金属有机化学气相沉积技术制备了激光器外延层,采用GaAsP/GaInP作为量子阱/波导层有源区,限制层采用低折射率AlGaInP材料。采用超高真空解理钝化技术,在激光器腔面蒸镀无定形ZnSe钝化层。未钝化器件在输出功率2.5 W时发生腔面灾变损伤(COD),钝化后器件未发生COD现象,电流在10 A时输出功率10.1 W,电光转换效率54%。体布拉格光栅(VBG)外腔锁定前后,器件的光谱半峰全宽分别为2.6 nm和0.06 nm,VBG变温调控波长范围约230 pm。

大功率780nm单管连续输出16W和巴条连续输出180W半导体激光器

设计并制备了780 nm大功率半导体激光器的单管和巴条。采用金属有机化学气相沉积技术制备的外延结构,分别使用GaAsP和GaInP作为量子阱和波导层,限制层是具有高带隙的AlGaInP材料。量子阱与波导层带隙0.15 eV,波导层与限制层带隙0.28 eV,抑制了载流子泄露。1.55μm厚非对称大光学腔波导结构抑制快轴高阶模,同时缓解腔面损伤问题。为进一步提高腔面损伤阈值,利用超高真空解理和钝化技术,在腔面上沉积了非晶ZnSe钝化层。条宽150μm、腔长4 mm的单管器件,在电流为15 A时,输出连续功率16.3 W未出现COD现象,斜率效率达到1.27 W/A,电光转换效率为58%,慢轴发散角9.9°,光谱半高宽为1.81 nm。填充因子为40%的厘米巴条,在192 A下实现连续输出功率180 W,电光转换效率为50.7%,光谱宽度仅为2.2 nm。

带有非吸收窗口的高性能InGaAs/AlGaAs量子阱激光二极管

为了解决限制近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管失效阈值功率提升的腔面光学灾变损伤问题,研制了一种带有Si杂质诱导量子阱混杂非吸收窗口的新型激光二极管,并对其性能进行了测试分析。首先,对于带有非吸收窗口的二极管,在其谐振腔上方前后腔面附近的窗口区域覆盖50 nm Si/100 nm SiO_(2)组合介质层,在远离腔面的增益区域覆盖50 nm Si/100 nm TiO_(2)组合介质层,并采用875℃/90 s快速热处理工艺促进Si杂质扩散诱导量子阱混杂并去除非辐射复合中心。然后,基于相同外延结构、相同流片工艺制备了无非吸收窗口的激光二极管作对照组。测试结果显示,带有非吸收窗口的新型激光二极管平均峰值输出功率提升约33.6%,平均峰值输出电流提升约50.4%,腔面光学灾变损伤的发生概率和破坏程度均明显降低,且其阈值电流、斜率效率及半高全宽等特性也无任何退化。该研究证明,采用Si杂质诱导量子阱混杂技术制备的非吸收窗口,对近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管腔面光学灾变损伤有明显的抑制效果。

基于循环退火的Si诱导量子阱混杂研究(特邀)

腔面光学灾变损伤是制约半导体激光器输出功率以及可靠性的主要因素之一。为制备高功率和高可靠性半导体器件,初步探索了Si杂质诱导量子阱混杂技术,并将其应用于975 nm半导体激光器件的非吸收窗口制备工艺。采用循环退火方式,研究了不同条件下Si杂质诱导量子阱混杂的效果,当退火温度为830℃,退火时间为10 min,循环次数为3次时,达到最大波长蓝移量59 nm。分别在800℃5次10 min和830℃3次10 min退火条件下制备了非吸收窗口。与普通器件相比,制备非吸收窗口的器件阈值电流增大,斜率效率下降,工作电流大于10 A后器件斜率效率降低,电流-工作电流曲线呈现饱和趋势。相较之下,800℃5次10 min条件下对应的器件性能相对较好。工作电流达到15 A后普通器件失效,而制备了非吸收窗口的器件则在电流大于20 A后仍可正常工作,腔面光学灾变损伤阈值提高了33.0%以上。

Si杂质扩散诱导InGaAs/GaAs(P)量子阱混杂研究

腔面光学灾变损伤是制约半导体激光器输出功率以及可靠性的主要因素之一,量子阱混杂技术是最常用的解决腔面灾变性光学损伤的方法。为了制备高功率、高可靠性半导体激光器单管器件,对Si杂质诱导量子阱混杂工艺进行了探索。本文使用Si介质层作为扩散源,采用管式炉高温退火的方法进行Si杂质扩散诱导量子阱混杂研究。实验并分析了介质膜厚度、退火条件、量子垒材料、牺牲层材料等因素对InGaAs/GaAs(P)量子阱蓝移量的影响。实验发现,量子阱和量子垒的混杂效果随着扩散时间以及退火温度增加而增大,且对温度尤其敏感。当退火条件为780℃、10 h时,InGaAs/GaAsP结构的波长蓝移量达到70.5 nm,量子垒为GaAsP时比GaAs有更好的促进蓝移效果。相同外延结构下,InGaP牺牲层结构相比AlGaAs牺牲层有更大的波长蓝移。

基于循环退火技术的InGaAs/AlGaAs量子阱混杂

为了解决由于激光器腔面处的光吸收引起的腔面光学灾变损伤(COD),采用无杂质空位扩散(IFVD)法,研究了由SiO2电介质层诱导的InGaAs/AlGaAs量子阱结构的带隙蓝移。使用等离子化学气相沉积(PECVD)在InGaAs/AlGaAs量子阱的表面生长SiO2电介质层;然后采用IFVD在N2环境下进行高温退火实验,从而实现量子阱混杂(QWI)。实验结果表明:蓝移量的大小随退火时间和电介质层厚度的变化而变化,样品覆盖的电介质层越厚,在相同的退火温度下承受的退火时间越长,得到的蓝移量也越大。然而,在高温退火中的时间相对较长时,退火对量子阱造成的损坏相当大。高温短时循环退火,能够在保护量子阱晶体质量的同时实现QWI。通过在850℃退火6min下循环退火5次,得到了46nm的PL蓝移,且PL峰值保持在原样品的80%以上。