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导读: 半导体激光器在光通信、抽运光源、激光显示与医疗、工业加工、照明监控等领域有着广泛的应用。随着下游应用领域的不断拓展,半导体激光器也将面对越来越高的要求。那么,在半导体激光器的研发生产过程中,哪些技术最为关键呢?

半导体激光器在光通信、抽运光源、激光显示与医疗、工业加工、照明监控等领域有着广泛的应用。随着下游应用领域的不断拓展,半导体激光器也将面对越来越高的要求。那么,在半导体激光器的研发生产过程中,哪些技术最为关键呢?

结构设计优化

高功率半导体激光器的发展与其外延与芯片结构的研究设计紧密相关。结构设计是高功率半导体激光器器件的基础。半导体激光器的三个基本原理性问题是:电注入和限制、电光转换、光限制和输出,分别对应电注入设计、量子阱设计、波导结构的光场设计。半导体激光器的结构研究改进就是从这三个方面进行不断优化,发展了非对称宽波导结构,优化了量子阱、量子线、量子点以及光子晶体结构,促进了激光器技术水平的不断提升,使得激光器的输出功率、电光转换效率越来越高,光束质量越来越好,可靠性越来越高。

高质量的外延材料生长技术

半导体激光器外延材料生长技术是半导体激光器研制的核心。高质量的外延材料生长工艺,极低的表面缺陷密度和体内缺陷密度是实现高峰值功率输出的前提和保证。另外杂质在半导体材料中也起着重要的作用,可以说,没有精确的半导体外延掺杂工艺,就没有高性能的量子阱激光器。主要通过对掺杂曲线的优化,减少光场与重掺杂区域的重叠,从而减少自由载流子吸收损耗,提高器件的转换效率。

腔面处理技术

大功率半导体激光器的应用通常要求激光器输出功率很高且有较好的可靠性。而制约半导体激光器输出功率的主要瓶颈就是高功率密度下腔面退化导致的光学灾变损伤(COMD)。

在半导体激光器的腔面区域,由于解理、氧化等原因存在大量的缺陷,这些缺陷成为光吸收中心和非辐射复合中心。光吸收产生的热量使腔面温度升高,温度升高造成带隙减小,因而在腔面区域与激光器内部区域之间形成了一个电势梯度,引导载流子向腔面区域注入,更重要的是带隙减小后带间光吸收增强,两者都会使腔面区域的载流子浓度升高,增强非辐射复合,使腔面温度进一步升高。另一方面,大功率半导体激光器较大的电流注入也增强了腔面非辐射复合。正是光吸收、非辐射复合、温度升高和带隙减小的正反馈过程使腔面的温度快速升高,最终腔面烧毁,即发生COMD。

腔面问题的根源是腔面缺陷的存在,包括腔面的污染、氧化、材料缺陷等,这些腔面缺陷首先影响COMD的一致性,其次会导致器件的退化,影响长期稳定性。一般可以通过各种腔面钝化和镀膜技术,减少或者消除腔面的缺陷和氧化,降低腔面的光吸收,提高腔面的 COMD 值,从而实现高峰值功率输出。

集成封装技术

激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节,而激光器光束整形和激光集成技术是获得千瓦、万瓦级激光的主要途径。由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小,其工作时产生的热量密度很高,这对封装结构和工艺提出了更高要求。高功率半导体激光器封装关键技术研究,就是从热、封装材料、应力方面着手,解决热管理和热应力的封装设计,实现直接半导体激光器向高功率、高亮度、高可靠性发展的技术突破。

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