大功率半导体激光器高效率设计

河北工业大学硕士学位论文大功率半导体激光器高效率设计姓名：杜伟华申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：陈国鹰;杨红伟20081101河北工业大学硕士学位论文i大功率半导体激光器高效率设计摘要由于具有较高的输出功率和功率转换效率，大功率半导体激光器被广泛应用于泵浦固体激光器、激光加工、打印、光存储、光通讯及激光医疗等领域。功率、效率和可靠性是衡量半导体激光器性能的三个关键性指标。提高激光器的功率转换效率可以使激光器输入相同电流时输出更大的光功率，同时对于降低散热系统能耗、提高激光器光电特性、延长激光器寿命、提高可靠性以及节约运转费用有着非常重要的意义。效率的提高依赖于材料结构及其质量、芯片设计与器件制作工艺。本课题基于器件的设计及其工艺的优化提高808nm大功率半导体激光器的功率转换效率。本文首先从理论上详细分析影响808nm大功率激光器效率的各个因素，然后以理论分析和计算机模拟为基础进行材料选择，波导层和包层使用AlGaAs材料，并且波导层采用大光腔结构，量子阱层使用AlGaInAs材料；在芯片制作方面，通过进行激光器的腔面反射率的设计，得出了昀大的功率转换效率与腔长、腔面反射率的关系，选用了合适的腔面反射率进行腔面镀膜；在封装方面，鉴于微通道载体是目前解决连续工作大功率半导体激光器阵列散热问题的主要手段，因而采用微通道载体解决散热问题，通过计算机模拟，进行了微通道载体设计，同时对烧结工艺进行了优化。通过对808nm大功率激光器进行深入研究，昀终研制的808nm大功率半导体激光器微通道阵列，连续工作状态下，昀高功率超过100W，功率转换效率达到56.7%，实现了项目指标。关键词：功率转换效率，大光腔，应变量子阱，腔面反射率，烧结，微通道载体大功率半导体激光器高效率设计iiDESIGNOFHIGHEFFICIENCYHIGHPOWERSEMICONDUCTORDIODELASERABSTRACTDuetohigheroutputpowerandpowerconversionefficiency,semiconductorlaserdiodeshavebeenwidelyusedinpumpingsolidstatelasers,laserprocessing,printing,opticalstorage,opticalcommunicationandlasermedicaltreatmentandsoon.Outputpower,powerconversionefficiencyandreliabilityarethreekeyfactorsscalingthesemiconductorlaserdiodesperformance.Improvingtheefficiencycanoutputhigherlightpowerforthesamecurrent.Furthermore,itmeansgreatsenseforreducingsystemenergycost,improvinglaserdiodesphotoelectriccharacterandreliability,prolonginglaserdiodeslifespanandsavingrunningexpense.Theimprovementofefficiencydependsonmaterialstructuredesignandquality,chipdesignandmanufacturingtechnics.Inthispaperwepayourattentiontoimprovingpowerconversionefficiencythroughlaserdiodedesignandtechnicaloptimization.Firstly,weanalyzethefactorstheoreticallythatinfluencepowerconversionefficiencyof808nmsemiconductorlaserdiodesindetail.ThenthematerialwithAlGaAsbroadwaveguidelayer,AlGaAscladdinglayerandAlGaInAsstrainquantumwelllayerisgrown,basingonourtheoreticalanalysisandcomputerstimulation.Throughcavityfacetreflectivitydesign,wehaveobtainedtherelationshipbetweenthemaximumpowerconversionefficiencyandcavityfacetreflectivity.Inordertoobtainthehighestpowerconversionefficiency,wechoosepropercavityfacetreflectivitytomakemirrorcoating.Thelastbutnottheleast,consideringthatusingmicrochannelheatsinkisamainwaytosolvetheproblemofheatdispersing,wedesignmicrochannelheatsinkthroughcomputerstimulation,andimprovedie-bondingtechnics.Throughourresearchon808nmhighpowerlaserdiodearray,powerhasreachedabove100Wandpowerconversionefficiencyhasreachedupto56.7%atcontinuouswaveoperation.Ourprojectobjecthasbeenachieved.KEYWORDS：powerconversionefficiency,largeopticalcavity,strainquantumwell,cavityfacetreflectivity,die-bonding,microchannelheatsink河北工业大学硕士学位论文v符号说明A——有效传热面积，单位cm2。d——激光器条宽，单位μm。E——电场强度，单位V/m。f——脉冲重复频率，单位Hz。gth——阈值增益，单位cm-1。G0——材料增益系数，单位cm-1。I——工作电流，单位A。Istin——受激发射电流，单位A。Ispon——自发发射电流，单位A。Inr——非辐射复合电流，单位A。Ileak——漏电流，单位A。Ith——阈值电流，单位A。J——线电流密度，单位A/cm。Jth——阈值电流密度，单位A/cm2。Jtr——透明电流密度，单位A/cm2。K——热导率，单位W/mK。L——激光器腔长，单位cm。Lz——量子阱宽度，单位nm。n,p——电子，空穴浓度，单位cm-3。nB——波导层折射率。Bnw——有源区折射率。nR——材料折射率。ntr——透明载流子浓度，单位cm-3。Pex——激光器辐射的光功率，单位W。Pt——激光器在阈值电流时的输出光功率，单位W。PT——热耗散功率，单位W。q——电子电量，单位C。Rb,Rf——激光器谐振腔前、后腔面的光功率反射率。Rth——激光器热阻，单位℃/W。Rb，Rd，Rh——阵列条自身的热阻、焊料层热阻和热沉热阻，单位℃/W。Rs——串联电阻，单位Ω。Rsp——自发辐射速率。T——热力学温度，单位K。△T——pn结温升，单位K。T0,T1——阈值电流密度，斜率效率的特征温度，单位K。V——工作电压，单位V。V0——激光器开启电压，单位V。大功率半导体激光器高效率设计viW——热沉厚度，单位mm。X——激光器背面出光功率占总光功率的比例系数。αend——端面损耗，单位cm-1。αi——内部损耗，单位cm-1。αqw，αwg，αc——有源层自由电子吸收，波导层中自由载流子吸收，包层中渗入吸收，单位cm-1。Г——光场限制因子。ГG0——模式增益，单位cm-1。Γsp——量子阱中载流子的自发发射寿命。τ——脉冲宽度，单位ns。μn,μp——电子，空穴的迁移率，单位cm2/V·s。η——外量子效率。ηi——内量子效率。ηd——外微分量子效率，亦称斜率效率，单位W/A。ηp——功率转换效率，亦称电光转换效率，插头效率。λ——介质中波长，单位nm。ρ——激光器面电阻率，单位Ω·cm2。河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1半导体激光器的发展史早在1953年9月，美国的冯·纽曼（JohnVonNeumann）在他一篇未发表的论文手稿中第一个预言了半导体中产生受激发射的可能性，认为可以通过向PN结注入少量载流子来实现受激发射，并计算了两个布里渊区之间的辐射跃迁速率[1]。1960年美国贝尔实验室的布莱（Boyle）和汤姆逊提出了用半导体的平行解理面作为产生光反馈的谐振腔，1961年伯纳德（Bernard）与杜拉夫格（Duraffourg）给出了半导体中受激发射的必要条件——对应于非平衡电子、空穴浓度的准费米能级差必须大于受激发射能量。1962年后期美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功了GaAs同质结半导体激光器，将垂直于结平面的两个平行端面抛光形成谐振腔，获得了在低温下脉冲工作的同质结型激光器，这就是“第一代”半导体激光器[2]。此类激光器的致命弱点是受激发射阈值电流密度特别高，达104~105kA/cm2量级，因此只能在液氮温度和脉冲状态（脉宽≤1μs，占空比0.1%）下工作。由于这种激光器不能在室温下工作，人们对这种同质结半导体激光器的前途产生了怀疑，当时贝尔实验室固体研究室主任高尔特科学预见到，室温连续工作的半导体激光器将在未来的光通信上发挥重要作用。半导体激光器发展的第二阶段是单异质结构半导体激光器。1963年，美国的克罗默（H.Kroemer）和前苏联科学院的阿尔费洛夫（Zh.Alferov）提出了异质结构激光器的设想[3]，即把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙的半导体之间形成异质结构，在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。1967年美国贝尔实验室的潘尼希（Panish）等人研制成功AlGaAs/GaAs单异质结激光器，从而实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。单异质结激光器是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP-N结的P区之内，以此来降低阈值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。1969年，阿尔费洛夫（Zh.Alferov）等人研制成功了以GaAs为光增益介质的AlGaAs/GaAs双异质结激光器[2]。1970年初，美国贝尔实验室的研究工作者又制成了双异质结半导体激光器，使半导体激光器能在室温下连续工作，使得比单异质结激光器的阈值电流密度又降低了一个数量级，标志着半导体激光器进入了第三发展阶段—―双异质结注入型激光器[4]。双异质结激光器结构的特点是在P型和N型材料之间生长了极薄不掺杂的、具有较窄能隙材料的一个薄层，因此注入的载流子被限制在有源区内，因而注入较少的电流就可以实现载流子数的反转。此后，在双异质结构的基础上，制作了各式各样的AlGaAs/GaAs双异质结构条形激光器，标志着半导体激光器开始走向成熟。随着异质结激光器的研究发展，人们自然想到如果半导体层作为激光器的有源层薄到能够产生量子效应，结果会是怎么样。于是，随着MBE、MOCVD外延生长设备制作技术的开发，使得超薄层（20nm）外延生长成为可能，“量子尺寸效应”及“人工微结构－超晶格”的概念与超精细薄层材料结构生长技术的结合，在1978年出现了世界上第一只室温连续激射的半导体量子阱激光器（QWLD）[2]，它大幅大功率半导体激光器高效率设计2度地提高了半导体激光器的各种性能。后来，又由于MOCVD、MBE生长技术的成熟，能生长出高质量超精细薄层材料之后，便成功