高功率半導(dǎo)體激光陣列的高溫特性機(jī)理

李 波 王貞福* 仇伯倉 楊國文 李 特 趙宇亮劉育銜 王 剛 白少博 杜宇琦

(1. 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710119；2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

1 引 言

隨著高功率半導(dǎo)體激光器的快速發(fā)展,其應(yīng)用正在從傳統(tǒng)的激光加工、激光通訊、激光顯示和激光泵浦等領(lǐng)域逐步向智能制造、精密加工、虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧系統(tǒng)等高端制造業(yè)過渡,成為不可替代的光電器件之一[1-3]。 現(xiàn)實(shí)中激光應(yīng)用不可避免地會(huì)觸及高溫工作條件,而在高溫下,激光芯片中的能量損耗機(jī)制尚不明確,隨著工作溫度的升高,激光器性能將會(huì)出現(xiàn)閾值電流升高、波長紅移、光譜展寬、電光轉(zhuǎn)換效率和量子效率下降等現(xiàn)象。據(jù)報(bào)道,2004 年,nLight 公司采用CS 封裝的808 nm 激光陣列在70 ℃下仍可以實(shí)現(xiàn)50%的電光轉(zhuǎn)換效率[4]；2009 年,Jenoptic 公司采用改進(jìn)的CN 封裝940 nm 激光陣列在50 ℃下實(shí)現(xiàn)了輸出功率120 W,峰值效率達(dá)到了53%[5]；2010 年,Itense 公司采用H 型銅塊封裝的高功率準(zhǔn)連續(xù)808 nm 激光陣列在95 ℃下實(shí)現(xiàn)了400 W 的輸出功率[6]；2018 年,FBH 研究中心設(shè)計(jì)的940 nm 單管在75 ℃高溫連續(xù)條件下仍可以達(dá)到59%的轉(zhuǎn)換效率[7]。 國內(nèi)方面,2008 年,中科院半導(dǎo)體所采用銅塊散熱形式的808 nm 激光陣列在室溫準(zhǔn)連續(xù)條件下實(shí)現(xiàn)了52%的轉(zhuǎn)換效率[8]；2014 年,山東大學(xué)團(tuán)隊(duì)等研制的940 nm 激光單管在25 ℃連續(xù)條件下實(shí)現(xiàn)了74%的最大轉(zhuǎn)化效率[9]；2016年,中科院西安光機(jī)所采用微通道封裝的808 nm激光陣列在25 ℃連續(xù)條件下實(shí)現(xiàn)了65.5%的最高轉(zhuǎn)換效率,為當(dāng)年國內(nèi)報(bào)道最高,次年提高到了68%,在15 ℃下更是達(dá)到了71%的轉(zhuǎn)換效率[10-11]。

隨著工作環(huán)境的多樣化,已提出高功率半導(dǎo)體激光器需在高溫工作條件下應(yīng)用的要求。 高溫條件下,高功率半導(dǎo)體激光器的整體性能會(huì)嚴(yán)重下降甚至失效,而在高溫下高功率半導(dǎo)體激光器的研究報(bào)道較少。 本文將以微通道封裝的高功率半導(dǎo)體激光陣列為研究對象,分析高溫條件下產(chǎn)品的各項(xiàng)性能以及內(nèi)部損耗機(jī)制。 微通道封裝的產(chǎn)品通過高溫水冷循環(huán)機(jī)控溫,控溫范圍0 ～95℃,控溫精度為0.01 ℃,可以真實(shí)反映其工作條件溫度。 通過研究高溫條件下高功率半導(dǎo)體激光陣列性能及損耗機(jī)理,可以為其實(shí)際應(yīng)用提供重要的指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)對象和測試系統(tǒng)

本文采用自主研制的高功率準(zhǔn)連續(xù)960 nm半導(dǎo)體激光陣列(Laser diode array,LDA)為研究對象,該產(chǎn)品有38 個(gè)獨(dú)立的發(fā)光點(diǎn),條寬10 mm,腔長2 mm,填充因子75%,有源區(qū)為InGaAs 材料,芯片是p(正極)面朝下被焊接在微通道(Micro-channel cooler,MCC)熱沉上。 器件的工作溫度通過高溫精密控溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)0 ～95 ℃的精確控溫。 高功率半導(dǎo)體激光陣列高溫性能測試系統(tǒng)如圖1 所示,虛線框中的組件放在由計(jì)算機(jī)控制的精密移動(dòng)平臺上。 測試條件：循環(huán)水流量為0.3 L/min,脈沖寬度400 μs,重復(fù)頻率200 Hz,占空比為8%。

按照圖1 的測試流程和測試條件對器件進(jìn)行高溫實(shí)驗(yàn)。 圖2(a)是產(chǎn)品在20 ℃下的功率-電流-電壓(P-I-V)特性。 從圖中可知,加電大小為600 A 時(shí)輸出的峰值功率達(dá)到了670.4 W,電光轉(zhuǎn)化效率為64.5%,中心波長為957.3 nm,并在250 A 下達(dá)到了最大的電光轉(zhuǎn)化效率71.7%,斜率效率(Slope efficiency)和閾值電流分別為1.2 W/A和19.1 A。 圖2(b)是器件在驅(qū)動(dòng)電流20 A 下測試的近場圖像,測試的器件具有38 個(gè)完整發(fā)光點(diǎn)并且沒有發(fā)生光學(xué)災(zāi)變損傷(Catastrophic optical mirror damage,COMD)。

圖1 激光陣列高溫測試表征系統(tǒng)簡圖Fig.1 High temperature measurement system diagram for semiconductor lasers

圖2 高峰值功率半導(dǎo)體激光陣列測試曲線和近場光斑測試圖。 (a)LDA 在20 ℃下的P-I-V 曲線,插圖是600 A 下的光譜；(b)LDA 的近場光斑圖像。Fig.2 Test curve and near field spot of high peak power semiconductor laser array. (a)P-I-V performance of LDA at 20 ℃, the inset is the spectrum at 600 A.(b)Photo of the near field pattern of the LDA.

2.2 輸出功率

器件在10 ～80 ℃范圍內(nèi)的輸出功率如圖3所示,從功率-電流(P-I)曲線可以分別獲得在不同溫度下器件的閾值電流,斜率效率和特征溫度。

圖3 LDA 在10 ～80 ℃范圍內(nèi)的輸出功率Fig.3 Output power of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

激光器的輸出功率表示如下[12]：

其中,ηi為內(nèi)量子效率,h、ν、q、Ith分別為普朗克常數(shù)、出射光頻率、元電荷量、閾值電流,αm、αi分別是內(nèi)損耗和腔面損耗,L是腔長,R1、R2分別是前后腔面反射率。 提高內(nèi)量子效率、降低閾值電流和內(nèi)損耗都可以提高輸出功率。 表1是根據(jù)功率-電流(P-I)(圖3)曲線獲得的相關(guān)參數(shù)。

由表1 可知,溫度升高將會(huì)導(dǎo)致閾值電流升高、斜率效率下降。 在同樣工作電流600 A 下,輸出功率從10 ℃的681.1 W 下降到80 ℃的486.4 W,下降差值達(dá)194.7 W,器件在高溫下性能退化嚴(yán)重。 表1 參數(shù)變化如圖4 所示。

表1 不同溫度下的閾值電流和斜率效率Tab.1 Threshold current and slope efficiency at different temperatures

半導(dǎo)體激光器中的閾值電流、斜率效率與特征溫度的關(guān)系為[7]：

其中,η(T)、η(Tr)、Ith(T)、Ith(Tr)分別是溫度為T和Tr時(shí)的斜率效率和閾值電流,T0和T1是特征溫度,特征溫度反映對溫度變化的敏感性。 經(jīng)過擬合,在10 ～40 ℃范圍內(nèi)的特征溫度T0=200.0 K,在50 ～80 ℃范圍內(nèi)的特征溫度T0=169.9 K,隨溫度升高閾值電流的溫度特性下降；T1=333.3 K,斜率效率的溫度特性較高,隨溫度變化的幅度較小。

圖4 10 ～80 ℃范圍內(nèi)閾值電流和斜率效率的變化對比Fig.4 Threshold current and slope efficiency from 10 ℃to 80 ℃

2.3 工作電壓

器件在10 ～80 ℃范圍內(nèi)的工作電壓如圖5所示。 從電壓-電流(V-I)曲線可以獲得不同溫度下的開啟電壓和串聯(lián)電阻,其結(jié)果如表2 所示。

圖5 10 ～80 ℃范圍內(nèi)的工作電壓對比Fig.5 Working voltage of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

從表2 可知,隨著溫度的升高,開啟電壓和串聯(lián)電阻均呈現(xiàn)下降的趨勢,溫度升高將會(huì)導(dǎo)致量子阱的帶隙寬度變小,準(zhǔn)費(fèi)米能級差值變小,進(jìn)而導(dǎo)致開啟電壓降低。 此外,由于能級的不匹配,界面電壓的存在會(huì)使開啟電壓V0略高于準(zhǔn)費(fèi)米能級差,進(jìn)而產(chǎn)生界面電壓損失。 溫度的升高將會(huì)使載流子的遷移率升高,但也會(huì)加劇其碰撞幾率。陣列的串聯(lián)電阻受到以上兩方面因素影響,呈現(xiàn)出下降的趨勢。

表2 根據(jù)V-I 曲線獲得開啟電壓(V0)和串聯(lián)電阻(Rs)Tab.2 Open voltage(V0) and series resistance(Rs) according to the V-I curve

2.4 電光轉(zhuǎn)換效率

器件的電光轉(zhuǎn)化效率是反映其性能的重要參數(shù)。 圖6 是器件在10 ～80 ℃范圍內(nèi)的電光轉(zhuǎn)化效率,可以看到效率隨著溫度的升高而下降,電光轉(zhuǎn)化效率表達(dá)式如下[12]：

其中,ηc是電光轉(zhuǎn)換效率,ηd是外微分量子效率。 高溫下器件內(nèi)部的載流子越過勢壘泄漏嚴(yán)重導(dǎo)致內(nèi)量子效率下降,這也是使電光轉(zhuǎn)化效率下降的原因之一。 內(nèi)量子效率的變化如圖7 所示,可以看到內(nèi)量子效率從10 ℃的97.3%下降到80 ℃的80.0%。

圖6 10 ～80 ℃范圍內(nèi)電光轉(zhuǎn)化效率的對比Fig.6 Electro-optic conversion efficiency of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

圖7 10 ～80 ℃范圍內(nèi)器件內(nèi)量子效率變化Fig.7 Internal differential quantum efficiency of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

2.5 中心波長和光譜

溫度升高將會(huì)導(dǎo)致器件的波長紅移,通過波長隨溫度漂移的變化可以得出溫漂系數(shù)(波長隨溫度線性變化系數(shù))。 圖8 是600 A 下不同溫度的光譜分布。 從圖中可知,溫度從10 ℃升高到80 ℃,波長從954.3 nm 紅移到975.6 nm,溫漂系數(shù)為0.3 nm/℃。 溫度的升高也會(huì)使光譜展寬,這與有源區(qū)熱積累效應(yīng)及分布不均勻有關(guān),70 ℃之后尤其明顯。

圖8 電流600 A 下,10 ～80 ℃范圍內(nèi)光譜的變化。Fig.8 Spectra of the LDA at 600 A from 10 ℃to 80 ℃

2.6 損耗占比

半導(dǎo)體激光器中最終的能量輸出是決定其性能的重要參數(shù),為了更好地分析限制轉(zhuǎn)化效率的內(nèi)在因素,這里對輸入的能量損耗進(jìn)行分析,進(jìn)而深入地理解能量在傳輸過程中如何分配[13-14]。輸入的能量可以表示如下：

輸入的能量不可避免地會(huì)有串聯(lián)電阻產(chǎn)生的熱損耗,因而在設(shè)計(jì)中降低串聯(lián)電阻可以提高電光轉(zhuǎn)換效率。 其中,開啟電壓V0是由準(zhǔn)費(fèi)米能級差(VF)和能級不匹配帶來的界面電壓(Vhj)兩部分組成,即：

進(jìn)而公式(7)可以寫成：

其中I2Rs是串聯(lián)電阻引起的焦耳熱,IVhj是界面電壓造成的損失,ηiIthVF是自發(fā)輻射損失,IVF(1 -ηi)是載流子泄露損失,ηi(I-Ith)VF是包含吸收、散射損耗和實(shí)際輸出三部分的理論輸出功率。 經(jīng)過以上分析,高溫下器件的各項(xiàng)參數(shù)性能會(huì)發(fā)生變化,因而在工作中能量損耗占比也會(huì)呈現(xiàn)出不同的分布,對其輸入能量損耗路徑進(jìn)行詳細(xì)的分析顯得十分重要[15]。 圖9 是5 種能量損耗機(jī)制量化結(jié)果分布。

圖9 10 ～80 ℃范圍內(nèi)能量損耗分布Fig.9 Energy loss distribution from 10 ℃to 80 ℃

從圖9 可以看出,當(dāng)溫度從10 ℃升到80 ℃后,焦耳熱反而降低,下降趨勢不明顯,不過在損耗中占比最大；界面電壓損失呈減少趨勢,自發(fā)輻射損耗呈增加趨勢,不過兩者變化幅度不大,占比較少；同時(shí)吸收散射損耗占比也明顯增大,這與高溫下腔面光吸收嚴(yán)重造成損耗升高有關(guān)[16]；反觀載流子泄漏隨著溫度升高損耗占比增加最為明顯,從1.93%上升到14.85%,高溫下載流子更容易越過勢壘產(chǎn)生泄漏,是高溫下電光轉(zhuǎn)化效率下降的主要原因。 如果能夠在設(shè)計(jì)中減小串聯(lián)電阻及優(yōu)化量子阱勢壘高度,可以使器件在高溫中實(shí)現(xiàn)高效率輸出。

3 結(jié) 論

本文以微通道封裝的高峰值功率960 nm 半導(dǎo)體激光陣列為研究對象,采用精密控溫設(shè)備研究分析了在10 ～80 ℃范圍內(nèi)器件的輸出功率、電壓、電光轉(zhuǎn)化效率和光譜等各項(xiàng)性能的變化趨勢以及限制電光轉(zhuǎn)換效率的主要因素。 研究顯示,陣列工作溫度升高將使輸出功率降低、工作電壓下降、中心波長紅移、光譜展寬、電光轉(zhuǎn)換效率下降。 損耗占比顯示：溫度從10 ℃上升到80 ℃后,載流子泄漏損耗占比上升最大,是高溫下轉(zhuǎn)化效率下降的主要原因；同時(shí)自發(fā)輻射損耗、界面電壓損耗、吸收和散射損耗上升,焦耳熱下降、這些損耗占比變化幅度不大；損耗中焦耳熱占比最大,因此,進(jìn)一步降低串聯(lián)電阻可以有效地提高轉(zhuǎn)換效率。 高溫下能量損耗占比的分析對高溫、高效率激光芯片的研制具有重要的指導(dǎo)意義。