基于腔面非注入技术的大功率半导体激光器

　　0　引　言

　　大功率半导体激光器作为一种新型的激光光源,具有较高的电光转换效率和良好的工作稳定性及紧凑的体积和简单的驱动要求。它在光存储、光通信、国防、工业及医疗等方面有很大的发展前景。在大多数的应用中,器件的可靠性是一个决定性的因素,这也是关系到它们能否商品化的主要因素。半导体激光器的退化主要包括:体内退化,这种退化主要与外延生长材料和衬底有关;腔面退化这种退化方式主要和两个解理面有关;与烧结相关的退化[1]。

　　当前,大功率半导体激光器寿命水平一般在104h以下,主要失效模式为中短期失效[2]。腔面退化和腔面灾变性光学损伤(COD)是影响半导体激光器中短期可靠性和最大输出功率的一个主要因素[2-3],因此研制大功率半导体激光器,必须研究提高腔面COD阈值的方法。一般有以下几种途径提高COD阈值:一是减小腔面处表面态或界面态形成的非辐射复合中心的密度,方法有真空解理镀膜、腔面钝化技术[4-6]等;二是减小腔面处的光吸收,方法有非吸收窗技术[7-9]、量子阱混合技术等;三是减少腔面附近载流子注入,方法有腔面附近电流阻挡技术[10]等。

　　腔面附近电流阻挡结构技术简单、易于实现,可以和其他方法共同使用是本文研究的重点。实现腔面非注入的方法主要包括腔面附近介质钝化[10-11]、离子注入形成高阻区[12]、去除腔面附近的高掺杂层三种。采用腔面附近介质钝化的方法虽然可以限制电流直接流过腔面,但是由于高浓度掺杂的p型帽层的存在,电极窗口处的电流可以侧向扩散到腔面处,电流阻挡效果不好。离子注入会在有源区上方造成晶体损伤,产生缺陷,这可能会影响器件的长期可靠性。本文采用湿法腐蚀去除高掺杂层和介质钝化相结合的方法,在半导体激光器腔面处制备了电流非注入区,并制成单管器件,显著提高了半导体激光器腔面的COD阈值。

　　1　腔面非注入原理

　　腔面烧毁主要是由腔面非辐射复合和腔面光吸收两个因素引起的,如图1所示。为了防止COD的产生或腔面处缺陷的扩散,最重要的是设法减小端面处产生的热量从而减小端面处的温升。一方面须抑制端面处因应变弛豫导致的带隙收缩,减少光的吸收;另一方面应设法减少端面处表面或界面态形成的非辐射复合中心的密度。本文采用电流非注入结构来提高半导体激光器腔面的COD阈值。如图2所示,在激光器腔面附近引入25μm长的电流非注入区,以限制电流在腔面附近注入。这样就大大降低了腔面附近载流子浓度,减少了腔面处非辐射复合的发生,同时载流子感应的带隙收缩程度也会降低,带隙相对增加,光吸收相对减少。因而减小了腔面温升,使腔面COD阈值提高,延缓了腔面的退化。