提高激光器芯片COD阈值的方法

COD全称灾变性光学镜面损伤，是激光器腔面区域吸收谐振腔内部较高的光输出后，导致腔面区域温度超过其材料的熔点，从而发生腔面熔化的一种灾变性破坏。

提高激光器芯片COD阈值的方法有很多，其中非吸收窗口技术是适合大功率激光器芯片量产的常用方法。非吸收窗口技术是把掺杂离子输送到激光芯片腔面附近区域，提高出光面局部外延材料的禁带宽度，对芯片内部发射出来的激光形成非吸收窗口，降低了出光腔面因光吸收产生的热能，进而提高芯片COD阈值。

COD通常发生在激光器的出光腔面，也就是镀有AR膜的透射面，因为芯片激发出的激光90%以上的激光都会从AR面射出，且AR面在芯片封装时将会凸出热沉边缘约10um，传导散热较差。而在激光芯片的反射腔面镀有高反射HR膜，激光到达此面后反射回去，且此端与热沉完全接触，散热性好，也就不容易发生腔面COD。

通过RTA的热处理的方法，将Zn作为杂质扩散到有源区,Zn扩散加强了 AlGaInP 自然超晶格的无序性,也增加了扩散区量子阱的能带宽度.而有源区以外带隙宽度较小的区域无法吸收振荡的激光,称为窗口区.非吸收窗口的出现大大降低了整个发光区的温度,有效抑制了 COD现象.

1999年,日 本 松 下 公 司 和 大 阪 大 学 的 研 究 团队联合报道了带有窗口结构的大功率红光半导体激光器.该团队首次将 Zn扩散形成窗口结构的方法应用在折射率引导的 AlGaInP 激光器上.在室温下脉冲功率可达150mW,COMD 阈值功率为152mW,斜率效率提升到0.83 W/A.

2013年,日本三菱公司研制出638nm 红光半导体激 光 器,最 大 输 出 功 率 为785mW.2015年,三菱公司又报道了三发射极的激光器.该器件在25 ℃脉冲电流下,激射波长为638.6nm,峰值功率为6W,老化时间达22000h,是当前所报道的 638nm 波段激光器中功率最高的半导体激光器.据相关报道,三菱公司生产的638nm 大功率红光半导体激光器产品均采用非吸收窗口结构.美国nLight公司报道了其最新的639nm 激光器.在２５℃连续电流下,功率可达７５０mW,斜率效率为1.05W/A,预计寿命超过8000h .

除了在激光器腔面制作非吸收窗口外,蒸镀钝化膜、大光腔结构、制作电流非注入窗口 等方式都可以有效抑制COD现象,提高器件的单管输出功率.

半导体激光器阵列也是提高器件输出功率的有效方法.在半导体芯片上集成多个激光单元,形成激光阵列.激光阵列分为一维阵列(bar条)和二维阵列(叠阵),一个激光 bar条的功率可达数十瓦.1995年,美国Skidmore等报道了640nm 激光器阵列,有源区为张应变量子阱结构,bar条长１cm,连续电流下输出功率超过１２W.2013年,德国Dilas公司报道了56W 的红光激光器,该激光器采用二维阵列,由７个激光bar条堆叠而成,激射波长为638nm,输出功率高达５６ W.2017年,日本索尼报道了６４４nm的阵列,最大输出功率达20.1W.激光器阵列虽然输出功率大,但是其光束质量较差,需要调制系统对其光束进行整形加工,限制其应用范围,目前在激光显示的红光光源系统中并不常见.

上图对国内外产品用于激光显示的红光半导体激光器的功率水平进行了总结,其中λ 为激光器的输出波长,P 为激光器的输出功率.从表中可以看出大功率红光半导体激光器普遍采用非吸收窗口结构;此外,我国红光半导体激光器的输出功率与国际水平相当,但是在短波长器件上仍有一定的差距。

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