高功率半导体激光器腔面钝化及器件特性研究

发布时间：2017-12-09 00:22

  本文关键词：高功率半导体激光器腔面钝化及器件特性研究

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【摘要】：随着技术的不断进步,高功率半导体激光器材料、工艺、封装水平得到快速提高,已逐步进入激光泵浦、材料处理/加工、医疗及国防应用领域。对半导体激光器应用领域的不断扩展,特别是高功率光纤激光器泵浦、激光切割、3D成型方面的应用,也使得研究人员更加关注高功率、高亮度的半导体激光器芯片技术的发展。对于激光器的高功率的输出,其腔面的工作稳定性已经成为关键性技术因素。高工作电流下,由于激光器内部的非辐射复合,特别是腔面光吸收造成的温度快速升高,引起器件性能出现退化,最终因导致器件腔面烧毁而失效,这些现象通常不可逆转。因此,在制备激光器过程中,需要采取措施进行腔面处理提高器件的腔面工作稳定性。研究发现,半导体激光器腔面的表面态是诱使器件退化的主要原因,适当的腔面钝化处理能够明显降低表面态浓度,起到提高器件性能的效果。本文从腔面COD(catastrophic optical damage)这一问题入手,在系统分析COD产生机理的基础上,分别研究了湿法S、N钝化以及S、N、Ar等离子体对GaAs样品表面的钝化行为。并将N等离子体钝化、S-Ar混合等离子体钝化,S-N混合等离子体钝化分别应用于980nm InGaAs应变QW半导体激光器腔面处理工艺,明显改善了半导体激光器的输出功率和工作稳定性。本论文主要研究内容分为以下方面:1.理论介绍了量子阱激光器的基本输出特性,分析了严重影响器件输出特性的COD发生的机理,以及对半导体激光器稳定性带来的影响,并对造成半导体激光器COD的主要根源—表面态进行了深入分析,并对等离子体技术基础知识,以及等离子体技术在半导体激光器腔面钝化方面的应用进行了介绍。通过半导体激光器腔面膜理论,对前、后腔面膜进行了设计与优化,为获得高功率、高稳定性半导体激光器提供了理论基础。2.开展了GaAs表面湿法S钝化以及湿法N钝化的工艺研究。通过GaAs的湿法S钝化工艺研究,发现湿法S钝化存在严重的表面刻蚀及污染现象,同时钝化效果稳定性较差。主要采用肼溶液进行了湿法N钝化工艺研究,通过对钝化条件的优化,实现了具有良好钝化效果的GaAs表面N钝化工艺,表面光洁、平整,形貌明显优于湿法S钝化。3.开展了GaAs表面等离子体钝化工艺实验研究。分别采用N等离子、S-Ar混合等离子体、S-N混合等离子体对GaAs样品进行钝化处理,实现了不同的GaAs表面钝化效果,并分析了其PL(Photoluminescence)变化的物理机制。通过优化钝化工艺,以及进行样品后续退火实现了对GaAs样品表面离子轰击引起损伤的修复,最终得到性能稳定、PL特性良好的GaAs表面。对等离子体处理样品与湿法钝化处理样品进行了形貌比较分析,表明等离子体处理样品表面光洁、平整,比较适合于激光器芯片的腔面处理工艺。4.开展了980nm InGaAs应变QW半导体激光器的制备工艺与腔面处理工艺研究。分别采用不同的钝化方法对解理后的激光器芯片腔面进行钝化处理,并进行了前腔面AlN增透膜、后腔面三对Si/SiO_2高反膜的磁控溅射工艺制备。溅射制备的AlN薄膜折射率约为2.1,通过不同厚度的AlN单层膜制备即可满足GaAs基半导体激光器前腔面反射率需要,Si/SiO_2高反膜的反射率为96.7%。经不同钝化方法处理后,激光器芯片的COD阈值功率明显提高,其中S、N混合等离子体处理对980nm半导体激光器的COD阈值功率具有更好的改善作用,得到约一倍的提高效果。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248.4

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本文编号：1268419