低溫808 nm高效率半導(dǎo)體激光器

吳順華， 劉國軍， 王貞福， 李 特*

(1. 長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院， 吉林 長春 130022；2. 長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室， 吉林 長春 130022；3. 海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 海南省激光技術(shù)與光電功能材料重點實驗室， 海南 ?？?571158；4. 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室， 陜西 西安 710119)

1 引 言

半導(dǎo)體激光器與其他激光器相比，具有體積小、效率高、壽命長、穩(wěn)定性好、覆蓋波段范圍廣、驅(qū)動方式簡單、可單片集成等多種優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在激光加工、激光泵浦、先進(jìn)制造、醫(yī)療美容、航空航天、激光通信、數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域[1-4]。由于半導(dǎo)體激光器本身的光束質(zhì)量較差，常用作全固態(tài)激光器和光纖激光器的泵浦源，這種應(yīng)用模式既可以充分發(fā)揮半導(dǎo)體激光器高功率、高效率的優(yōu)勢，又彌補了光束發(fā)散角大、不利于直接應(yīng)用的缺點。另外，半導(dǎo)體激光器壽命長、光譜線寬較窄，可以很好地與固體激光器工作物質(zhì)的光譜吸收帶重合，有利于提高系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率[5-6]。目前，固體激光器系統(tǒng)光光轉(zhuǎn)換效率一般在50%以下，因此系統(tǒng)散熱需求較大，通常需要配備大型冷卻裝置，導(dǎo)致整個系統(tǒng)過于笨重[7]。為了減輕散熱系統(tǒng)的壓力，固體激光系統(tǒng)對半導(dǎo)體激光泵浦源的電光轉(zhuǎn)換效率提出了更高的要求。808 nm半導(dǎo)體激光器主要用于泵浦以Nd為增益介質(zhì)的固體激光器，如Nd∶YAG、Nd∶YVO4、Nd∶YAP、Nd∶YLF等[8]。這一波長的高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展比較成熟，應(yīng)用范圍也較廣。不同于9xx nm半導(dǎo)體激光器，808 nm半導(dǎo)體激光器的單光子能量更高，吸收損耗更大，更難實現(xiàn)高電光轉(zhuǎn)換效率。

常見的提高電光轉(zhuǎn)換效率的方法有降低工作溫度、優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)、改進(jìn)封裝工藝等，國內(nèi)外研究機構(gòu)對此展開了多項研究[9-13]。2005年，Kanskar等對大功率半導(dǎo)體激光器的功率損耗來源進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過設(shè)計寬波導(dǎo)外延結(jié)構(gòu)、優(yōu)化摻雜分布等措施，成功將970 nm半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率由50%提高到73%[14]。2010年，Cao等系統(tǒng)地研究了InGaAsP壓應(yīng)變量子阱和GaAsP張應(yīng)變量子阱，并優(yōu)化了量子阱的應(yīng)變和厚度，制備的808 nm巴條器件在測試溫度為5 ℃時輸出功率超過50 W，電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)67%[15]。2017年，宋云菲等以1.5 mm腔長的傳導(dǎo)冷卻封裝808 nm半導(dǎo)體激光陣列為研究對象，將熱沉溫度從25 ℃降到-40 ℃，電光轉(zhuǎn)換效率從56.7%提高到66.8%，其中載流子泄漏損失從16.6%下降至3.1%，表明低溫下載流子泄漏損耗的顯著降低是導(dǎo)致其電光轉(zhuǎn)換效率增高的主要原因；同時指出低溫下的主要功率損耗來源是焦耳熱和閾值以下自發(fā)輻射，分別占10.3%和8.9%[16]。2016年，F(xiàn)revert等對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行低溫外延結(jié)構(gòu)設(shè)計，認(rèn)為在不明顯增大載流子泄漏的前提下進(jìn)一步降低串聯(lián)電阻是提高電光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。據(jù)此優(yōu)化了波導(dǎo)層AlxGa1-xAs組分，制備的準(zhǔn)連續(xù)940 nm巴條器件在-70 ℃時峰值功率達(dá)到1 kW，電光轉(zhuǎn)換效率為70%[17]。2017年，王貞福等對外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用非對稱寬波導(dǎo)外延結(jié)構(gòu)，推算出內(nèi)損耗僅為0.5 cm-1，內(nèi)量子效率高達(dá)97%，制備出填充因子30%的808 nm陣列，在15 ℃時最大電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到71%[18]。2017年，Gapontsev等通過改進(jìn)器件封裝工藝和結(jié)構(gòu)，降低了歐姆接觸電阻和熱阻，熱阻值僅為2.21 K/W，制備的4 mm腔長、100 μm條寬的976 nm單管器件在室溫連續(xù)條件下，最高電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到73%[19]。上述研究主要從實驗角度證實了溫度和外延結(jié)構(gòu)對半導(dǎo)體激光器輸出特性的影響，但對低溫下電光轉(zhuǎn)換效率的改善機理缺乏理論分析。

本文結(jié)合載流子泄漏抑制和器件串聯(lián)電阻的優(yōu)化需求[20]，從理論上研究影響有源區(qū)載流子限制能力的相關(guān)設(shè)計因素，給出了量子阱物理參數(shù)與載流子限制因子的定量關(guān)系。采用優(yōu)化后的外延結(jié)構(gòu)，制作了半導(dǎo)體激光巴條器件，并通過變溫實驗測試，驗證了該結(jié)構(gòu)的載流子限制能力，最后對理論與實驗結(jié)果作了相關(guān)討論。

2 理 論

2.1 有源區(qū)載流子限制理論

半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與注入電流近似滿足線性關(guān)系[21]：

(1)

其中ηslop表示斜率效率，Ith為閾值電流，ηi為內(nèi)量子效率，αm為鏡面損耗，αi為內(nèi)損耗，h表示普朗克常數(shù)，ν為激光頻率，e為元電荷電量。從公式(1)可以看出，內(nèi)量子效率對輸出功率的影響非常顯著，直接決定著斜率效率ηslop的大小。內(nèi)量子效率定義為激光器有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)與電極區(qū)注入的電子空穴對的比值，由于有源區(qū)存在雜質(zhì)缺陷、異質(zhì)結(jié)界面態(tài)和量子阱載流子泄漏等因素，使得注入有源區(qū)的電子空穴對不能100%產(chǎn)生輻射復(fù)合，即ηi總是小于1。為分析載流子有效利用率下降的原因，可以將內(nèi)量子效率劃分為三部分：

ηi=ηinjηconηrad，

(2)

其中，載流子注入效率ηinj是指從電極區(qū)注入的載流子有效進(jìn)入有源區(qū)的比例，這一部分損失主要由橫向電流擴(kuò)展及異質(zhì)結(jié)勢壘過高導(dǎo)致局部載流子聚集引起。載流子限制效率ηcon表示注入有源區(qū)的載流子被有效限制在量子阱內(nèi)的比例，這一部分損失主要由量子阱勢壘高度不夠以及有源區(qū)溫度過高導(dǎo)致載流子越過勢壘進(jìn)入波導(dǎo)層引起。輻射復(fù)合效率ηrad表示限制在量子阱內(nèi)的載流子進(jìn)行有效輻射復(fù)合產(chǎn)生光子的比例，這一部分損耗主要來源于雜質(zhì)缺陷及異質(zhì)結(jié)界面態(tài)引發(fā)的非輻射復(fù)合如俄歇復(fù)合和Shockley-Hall-Read復(fù)合(簡稱SHR復(fù)合)。

輻射復(fù)合效率的計算公式為[21]：

(3)

其中Rspon、Rstim、RAuger、RSHR分別代表自發(fā)輻射復(fù)合速率、受激輻射復(fù)合速率、俄歇復(fù)合速率和SHR復(fù)合速率，受激輻射復(fù)合速率是光子密度S、增長率vg和增益系數(shù)g(n)的乘積，A、B、C為各復(fù)合類型系數(shù)。對于常見的808 nm InAlGaAs量子阱材料，A=1×107，B=2×10-16，C=2×10-41，且各系數(shù)受溫度影響不大，因此輻射復(fù)合效率主要與量子阱內(nèi)載流子濃度相關(guān)[22]。

下面討論載流子限制效率ηcon，根據(jù)量子阱能帶結(jié)構(gòu)及載流子能級填充理論[21]，可計算出量子阱內(nèi)不同能級間的載流子濃度分布：

(4)

載流子限制效率近似等于限制在勢阱內(nèi)的電子濃度與整個導(dǎo)帶能級內(nèi)的電子濃度之比：

(5)

本文采用常見的壓應(yīng)變InAlGaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)，根據(jù)公式(5)，可以得到不同溫度、不同勢壘Al組分對應(yīng)的載流子限制效率曲線，如圖1所示。可以看出，低溫下較低的勢壘高度就可以實現(xiàn)較好的載流子限制，而隨著溫度升高，為了達(dá)到良好的載流子限制效果，需要適當(dāng)增加勢壘高度。例如，在-50 ℃的低溫條件下，勢壘Al組分為0.25就可以實現(xiàn)高于99%的載流子限制效率，高于0.25對于載流子限制效率的提升不大；但隨著Al組分的增加，AlxGa1-xAs材料體系的電導(dǎo)率下降，器件電阻將相應(yīng)增大[23]。

圖1 載流子限制效率隨溫度、勢壘Al組分變化曲線。

影響電光轉(zhuǎn)換效率的另一個重要因素為器件串聯(lián)電阻，它可以近似為各外延層體電阻之和，采用如下公式計算[16]：

(6)

其中di表示各外延層的厚度，W、L分別是器件的條寬和腔長，ni、pi分別表示各外延層的電子、空穴濃度，μei、μhi分別表示各外延層的電子遷移率和空穴遷移率。公式(6)表明，體電阻與厚度成正比，與載流子濃度、載流子遷移率成反比。串聯(lián)電阻主要由較厚的基底層和摻雜濃度較低的波導(dǎo)層決定(總占比接近80%)，由于基底過薄會導(dǎo)致整個外延片機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，因此對串聯(lián)電阻的優(yōu)化主要體現(xiàn)在波導(dǎo)層。優(yōu)化途徑一般有三種：第一種方法是減小波導(dǎo)層的厚度，這會導(dǎo)致遠(yuǎn)場發(fā)散角增大，并增大腔面負(fù)載，引起光學(xué)腔面損傷(COMD)閾值下降，不利于高功率輸出要求；第二種方法是增大摻雜濃度，由于波導(dǎo)層的光子密度較高，增加摻雜濃度會引起內(nèi)損耗增大，導(dǎo)致外微分量子效率下降；第三種方法是提高載流子遷移率，可以通過降低波導(dǎo)層AlxGa1-xAs材料的Al組分實現(xiàn)[24]，但是Al組分也不能過低，否則會導(dǎo)致載流子限制效率下降。因此對串聯(lián)電阻的優(yōu)化需要綜合考慮COMD閾值、內(nèi)損耗、載流子限制能力、光束質(zhì)量等因素。

2.2 結(jié)構(gòu)仿真與設(shè)計

根據(jù)圖1，勢壘層采用Al0.25Ga0.75As材料，同時為了兼顧COMD閾值、內(nèi)損耗和串聯(lián)電阻，對各外延層的組分、厚度和摻雜濃度進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)構(gòu)如表1所示。緩沖層為0.5 μm N-GaAs材料，摻雜濃度為2×1018cm-3。為了減小P包層的串聯(lián)電阻，采用0.5 μm的漸變折射率(GRIN)AlxGa1-xAs層，Al組分從0.4漸變至0.5，摻雜濃度分兩段分別是2×1018cm-3和4.5×1018cm-3。為了在降低波導(dǎo)層的載流子吸收損耗的同時兼顧波導(dǎo)層的串聯(lián)電阻，將波導(dǎo)層分段摻雜處理，靠近量子阱的一段不主動摻雜，靠近包層的一段漸變低摻雜。同時，為了保證器件能夠滿足高功率輸出要求，采用總厚度為2 μm寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以降低量子阱區(qū)的光限制因子，其中N波導(dǎo)層為1.2 μm，P波導(dǎo)層為0.8 μm。

表1 外延結(jié)構(gòu)參數(shù)

借助Crosslight公司的PICS3D仿真軟件對上述外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，重點研究了非對稱寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中載流子濃度和光場強度在外延方向的分布。如圖2所示，其中電子和空穴濃度均采用對數(shù)坐標(biāo)系，并對基模光場強度進(jìn)行了歸一化。量子阱光限制因子為1.47%，N波導(dǎo)層光限制因子為56.1%，P波導(dǎo)層光限制因子為42.4%。由于光場限制較好，在N側(cè)光場強度為10%最大值處電子濃度僅為4.4×1016cm-3，在P側(cè)光場強度為10%最大值處空穴濃度僅為2.9×1016cm-3。

圖2 外延方向的電子濃度、空穴濃度與光場強度分布(起始位置為N-緩沖層)。

內(nèi)損耗的近似計算公式為[18]：

(7)

其中Γj、nj、pj分別為各外延層的光限制因子、電子濃度和空穴濃度，σn、σp分別是電子和空穴對光子的吸收系數(shù)，αscattering代表散射損耗。對于808 nm GaAs基材料[12,25]，σn≈3×10-18cm2，σp≈10×10-18cm2，αscattering≈0.1cm-1。根據(jù)光場在波導(dǎo)中的具體分布情況和內(nèi)損耗的近似公式，計算出外延結(jié)構(gòu)的內(nèi)損耗αi約為0.57 cm-1。

為進(jìn)一步預(yù)計器件在低溫條件下的光電輸出特性，我們模擬了條寬170 μm、腔長2 mm的單管器件的功率-電流-電壓(L-I-V)特性，圖3為器件在-50 ℃時的輸出特性曲線。由于載流子限制效率接近99%，器件的斜率效率達(dá)到1.28 W/A，最大電光轉(zhuǎn)換效率為68.7%。

圖3 -50 ℃單管仿真L-I-V曲線

為了研究溫度對器件內(nèi)部各損耗因子的影響，我們進(jìn)一步分析了在-60～60 ℃溫度范圍內(nèi)器件的輸出特性，重點研究了量子阱材料增益、載流子濃度、內(nèi)損耗、輻射復(fù)合效率和載流子限制效率隨溫度的變化情況，如圖4所示。可以看出，隨著有源區(qū)溫度升高，量子阱的材料增益能力和載流子限制能力都在變?nèi)?，?dǎo)致在10 A注入電流下量子阱內(nèi)的載流子濃度呈指數(shù)級上升，并引起內(nèi)損耗和輻射復(fù)合效率以指數(shù)級惡化。在-50 ℃時，量子阱內(nèi)的載流子濃度為2.03×1018cm-3；當(dāng)有源區(qū)溫度上升至50 ℃時，載流子濃度為2.78×1018cm-3，增加了37%。伴隨著載流子濃度增大，內(nèi)損耗從-50 ℃時的0.57 cm-1增加到50 ℃時的1.67 cm-1，增加了193%；輻射復(fù)合效率從-50 ℃時的94.9%下降至50 ℃時的92.6%，下降了2.3%；載流子限制效率從-50 ℃時的99.2%下降到50 ℃時的94.3%，下降了4.9%。根據(jù)公式(1)、(2)，斜率效率也將隨溫度呈現(xiàn)指數(shù)級變化趨勢，如圖5所示。當(dāng)溫度從-50 ℃上升到50 ℃時，斜率效率從1.28 W/A降到1.10 W/A，閾值電流從0.27 A增加到0.57 A，串聯(lián)電阻從25.4 mΩ增加到26.9 mΩ，最大電光轉(zhuǎn)換效率從68.7%降到51.3%。綜合來看，隨著溫度升高，有源區(qū)材料增益下降、載流子限制能力變差、非輻射復(fù)合占比增多及內(nèi)損耗增大等因素共同作用，導(dǎo)致閾值電流和斜率效率快速惡化，并最終引起電光轉(zhuǎn)換效率顯著降低。

圖4 (a)量子阱材料增益隨溫度和載流子濃度變化曲線；(b)量子阱載流子濃度、內(nèi)損耗、輻射復(fù)合效率和載流子限制效率隨溫度變化曲線。

圖5 -50～50 ℃仿真L-I-V曲線

3 結(jié)果與討論

3.1 器件制備

使用金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備進(jìn)行外延材料生長。采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體激光芯片制作工藝進(jìn)行了器件制作。通過光刻、腐蝕等工藝制備脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，再利用等離子體增強型化學(xué)氣相沉積(PECVD)生長厚度約為150 nm的SiN介質(zhì)膜作為電絕緣隔離層，在脊型波導(dǎo)上腐蝕出P型電極窗口后再進(jìn)行熱蒸發(fā)Ti/Pt/Au作為P型歐姆接觸電極，將晶片減薄至約150 μm后蒸發(fā)AuGeNi/Au作為N型歐姆接觸電極。在完成芯片解理后，采用標(biāo)準(zhǔn)工藝對腔面進(jìn)行鈍化及鍍膜處理，前腔面鍍增透膜Al2O3，在808 nm處反射率為3%，后腔面鍍高反膜Si/Al2O3，反射率大于95%。巴條芯片長1 cm，腔長2 mm，填充因子為75%，包含44個條寬為170 μm的發(fā)光單元。最后經(jīng)回流焊接等工藝，將激光器管芯P面朝下封裝在銅微通道(MCC)冷卻散熱器上，并進(jìn)行電光參數(shù)測試。

3.2 測試系統(tǒng)和測試結(jié)果

我們自主搭建了一套變溫L-I-V巴條測試系統(tǒng)，如圖6所示。MCC封裝巴條通過夾具固定在散熱底板上，通過接入冷卻循環(huán)液控制工作溫度，利用接觸式探針測量芯片端面電壓，出光腔面一側(cè)放置積分球接收光信號并由光電二極管探測器及光譜儀測量輸出光功率和光譜。在驅(qū)動電流重復(fù)頻率400 Hz、脈寬200 μs，占空比8%條件下，測試-60～60 ℃范圍內(nèi)的巴條電光特性。對于0 ℃以下的低溫測試，采用五氟丙烷為冷卻液。

圖6 半導(dǎo)體激光器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

按照圖6的測試系統(tǒng)測試巴條在不同溫度下的輸出特性。圖7是器件在-50 ℃時的L-I-V特性仿真值與實驗結(jié)果的對比，其中巴條仿真值是通過單管仿真倍數(shù)放大推導(dǎo)而來。從實驗測試結(jié)果可以看出，巴條器件在600 A注入電流下輸出功率達(dá)到799 W，此時電光轉(zhuǎn)換效率為71%；當(dāng)注入電流為400 A，器件達(dá)到最大電光轉(zhuǎn)換效率73.5%。并且仿真值與實驗結(jié)果具有較高的一致性，仿真的最大電光轉(zhuǎn)換效率值為69.3%，實驗值為73.5%，差值為4.2%。說明我們采用的理論模型能對巴條進(jìn)行較為精確的仿真，這對于進(jìn)一步提高巴條器件的電光轉(zhuǎn)換效率非常重要。其中4.2%的差距主要來源于閾值電流、斜率效率和串聯(lián)電阻的計算偏差，貢獻(xiàn)率占比分別為34.9%、48.7%和16.3%。仿真的閾值電流為15.6 A，略低于實驗值23.4 A，推測是有源區(qū)的材料增益計算偏差引起的。仿真的斜率效率為1.28 W/A，略低于實驗值1.34 W/A，推測是巴條結(jié)構(gòu)的橫向電流擴(kuò)展過大導(dǎo)致內(nèi)量子效率計算值偏低引起的。仿真的串聯(lián)電阻值為0.53 mΩ，略高于實驗值0.43 mΩ。在對串聯(lián)電阻的仿真計算中，需要借助仿真數(shù)據(jù)庫中的載流子遷移率模型[24]，該模型利用插值法對AlxGa1-xAs材料體系在不同組分、溫度和摻雜濃度下的遷移率進(jìn)行近似擬合。-50 ℃下AlxGa1-xAs材料屬性并不常見，因此推測低溫下的遷移率計算偏差最終導(dǎo)致了仿真串聯(lián)電阻略高于實驗值。

圖7 巴條L-I-V仿真與實驗結(jié)果對比(T=-50 ℃)

巴條在-60～60 ℃范圍內(nèi)的輸出功率-電流(L-I)曲線如圖8所示，可以看出，巴條在低溫狀態(tài)下(0 ℃以下)的L-I曲線呈現(xiàn)非常明顯的線性關(guān)系。當(dāng)工作溫度升高至0 ℃以上時，功率曲線出現(xiàn)不同程度的熱翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。根據(jù)仿真分析，由于工作溫度升高，材料增益、載流子泄漏、內(nèi)損耗和非輻射復(fù)合速率以指數(shù)級惡化，導(dǎo)致器件內(nèi)部熱損耗增加，熱翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象變得明顯。當(dāng)注入電流為600 A時，輸出功率從-60 ℃的808 W下降到60 ℃的311 W，下降差值達(dá)497 W，器件在高溫下性能退化嚴(yán)重。這也證明了針對不同的工作溫度，需要設(shè)計適合的外延結(jié)構(gòu)的必要性。

圖8 巴條在-60～60 ℃的輸出功率對比

器件在-60～60 ℃范圍內(nèi)的工作電壓如圖9所示。隨著溫度降低，開啟電壓和串聯(lián)電阻均呈現(xiàn)上升的趨勢。根據(jù)InAlGaAs體材料帶隙寬度公式：

圖9 -60～60 ℃范圍內(nèi)的工作電壓對比

Eg(InAlGaAs,T)=Eg(InAlGaAs,T=300 K)-

(8)

溫度降低會導(dǎo)致量子阱的帶隙寬度變大，準(zhǔn)費米能級差變大，進(jìn)而導(dǎo)致開啟電壓增大。此外，由于異質(zhì)結(jié)處能帶的不匹配導(dǎo)致開啟電壓略高于準(zhǔn)費米能級差，從而產(chǎn)生界面電壓損失。根據(jù)文獻(xiàn)[24]，在77～400 K范圍內(nèi)，載流子遷移率會隨著溫度的下降而升高，根據(jù)公式(6)，體電阻將相應(yīng)地變小，因此仿真串聯(lián)電阻隨溫度下降而減小。然而串聯(lián)電阻實驗值與之相反，Crump等對此也進(jìn)行了相關(guān)研究，推測是波導(dǎo)區(qū)與有源區(qū)的界面電阻在低溫下會升高，該效應(yīng)超過了溫度對體電阻的影響，從而引起器件串聯(lián)電阻的仿真值與實驗值不一致[20]。這一現(xiàn)象對于利用低溫提高半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率不利，特別是當(dāng)載流子泄漏損失很小時，繼續(xù)降低溫度反而會導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)換效率下降。

圖10為-60～60 ℃范圍內(nèi)的電光轉(zhuǎn)換效率曲線，可以看出效率隨溫度降低而增大的效應(yīng)存在飽和。當(dāng)工作溫度從60 ℃降到-50 ℃時，最大電光轉(zhuǎn)換效率從35.9%提高到73.5%；在-50 ℃之后再繼續(xù)降低溫度，功率升高的不明顯，而相應(yīng)的電壓值在繼續(xù)增大，導(dǎo)致最大電光轉(zhuǎn)換效率反而降到73.2%。因此，為了提高巴條的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率，溫度并不是越低越好，溫度過低對冷卻液和中央冷機的要求也會提高，因此該器件最佳工作溫度在-50 ℃，與最初的設(shè)計相吻合。

圖10 -60～60 ℃范圍內(nèi)的電光轉(zhuǎn)換效率對比

激光光譜隨溫度變化情況如圖11所示。中心波長隨溫度發(fā)生漂移，溫度越高，禁帶寬度越低，輸出波長越長，在-50 ℃時中心波長為798.4 nm。當(dāng)溫度從-60 ℃升高到60 ℃，峰值波長從796.3 nm紅移到824.8 nm，擬合的峰值波長溫漂系數(shù)為0.248 nm/℃，其線性度在測試的整個溫度范圍內(nèi)保持良好。當(dāng)溫度為60 ℃時，器件在600 A注入電流下L-I曲線接近熱翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，導(dǎo)致中心波長測試出現(xiàn)較大偏差。由于溫度影響了量子阱中的載流子能級分布，光譜半高寬隨溫度升高而增大，從-60 ℃時的2.8 nm提高到60 ℃時的3.78 nm。

圖11 電流600 A時光譜(a)和中心波長(b)隨溫度變化

3.3 載流子限制效率分析

通過公式(1)、(2)，得出斜率效率的理論計算值，并與實驗值比較，結(jié)果如圖12所示。斜率效率隨溫度變化的理論值和實驗值趨勢一致，都隨著溫度增加呈指數(shù)級下降；不同點在于理論計算值變化程度沒有實驗值大，在60 ℃時理論值為1.05 W/A，而實驗值已經(jīng)下降到了0.75 W/A。其差別主要由以下幾方面造成：首先，高溫下的功率曲線其熱效應(yīng)已經(jīng)比較明顯，表現(xiàn)為亞線性關(guān)系，即斜率效率的擬合值受采樣電流區(qū)間的影響較大，這里統(tǒng)一采用100～400 A范圍。因此高溫下的外微分量子效率測量值比真實值偏小。但是閾值電流附近的功率曲線測量波動較大，如果縮小采樣區(qū)間會導(dǎo)致計算誤差變大。其次，理論計算值的溫度是直接針對有源區(qū)的計算，而在實驗過程中的溫度是對冷媒的控制溫度，并不能真實反映有源區(qū)的溫度值。在注入電流增大的過程中，有源區(qū)的溫度還會發(fā)生較為復(fù)雜的變化，同時溫度升高會帶來內(nèi)部缺陷增多、材料增益下降、量子阱注入載流子濃度升高和輻射復(fù)合效率下降等負(fù)面影響，使得器件惡化。這些影響在仿真過程中都進(jìn)行了簡化處理，導(dǎo)致斜率效率理論值比實驗值偏高。最后，在器件運行過程中，載流子限制能力處在一個動態(tài)平衡過程中，隨著溫度升高和注入電流增大，載流子限制能力都會下降，因此理論計算值更像是該動態(tài)過程中的初始值。隨著溫度升高，未轉(zhuǎn)化為光的能量最終都會以熱能的形式堆積在有源區(qū)，如果散熱能力不足，這部分熱量會使有源區(qū)溫度明顯升高;而有源區(qū)的溫度升高會進(jìn)一步降低器件電光轉(zhuǎn)換效率，形成惡性循環(huán)?？梢哉J(rèn)為隨著溫度升高，最終穩(wěn)定態(tài)下的載流子限制效率會比理論值下降明顯得多。這也正是實驗值與理論值在低溫下較為吻合、而在高溫下差別明顯的原因之一。

圖12 斜率效率的仿真值與實驗值對比

4 結(jié) 論

本文以低溫下的高效率808 nm半導(dǎo)體激光器為研究對象，從理論上分析了量子阱載流子泄漏與溫度和勢壘高度的關(guān)系，針對-50 ℃工作溫度優(yōu)化了量子阱結(jié)構(gòu)及其他外延結(jié)構(gòu)，并完成了器件制備，測試了-60～60 ℃范圍內(nèi)器件輸出功率、工作電壓、電光轉(zhuǎn)換效率和光譜等各項參數(shù)的變化趨勢。巴條器件在600 A注入電流下輸出功率達(dá)到799 W，此時的電光轉(zhuǎn)換效率為71%，中心波長為798.4 nm；當(dāng)注入電流為400 A，器件達(dá)到了最大的電光轉(zhuǎn)換效率73.5%。測試結(jié)果表明，Al0.25Ga0.75As材料作為勢壘層能確保半導(dǎo)體激光器在-50 ℃工作條件下載流子的高效率限制。載流子限制效率理論對于不同溫度、不同波長、不同輸出功率的半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計具有實際指導(dǎo)意義。

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