本文關(guān)鍵詞：高功率半導體激光器腔面鈍化及器件特性研究

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【摘要】：隨著技術(shù)的不斷進步,高功率半導體激光器材料、工藝、封裝水平得到快速提高,已逐步進入激光泵浦、材料處理/加工、醫(yī)療及國防應用領(lǐng)域。對半導體激光器應用領(lǐng)域的不斷擴展,特別是高功率光纖激光器泵浦、激光切割、3D成型方面的應用,也使得研究人員更加關(guān)注高功率、高亮度的半導體激光器芯片技術(shù)的發(fā)展。對于激光器的高功率的輸出,其腔面的工作穩(wěn)定性已經(jīng)成為關(guān)鍵性技術(shù)因素。高工作電流下,由于激光器內(nèi)部的非輻射復合,特別是腔面光吸收造成的溫度快速升高,引起器件性能出現(xiàn)退化,最終因?qū)е缕骷幻鏌龤Ф?這些現(xiàn)象通常不可逆轉(zhuǎn)。因此,在制備激光器過程中,需要采取措施進行腔面處理提高器件的腔面工作穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn),半導體激光器腔面的表面態(tài)是誘使器件退化的主要原因,適當?shù)那幻驸g化處理能夠明顯降低表面態(tài)濃度,起到提高器件性能的效果。本文從腔面COD(catastrophic optical damage)這一問題入手,在系統(tǒng)分析COD產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上,分別研究了濕法S、N鈍化以及S、N、Ar等離子體對GaAs樣品表面的鈍化行為。并將N等離子體鈍化、S-Ar混合等離子體鈍化,S-N混合等離子體鈍化分別應用于980nm InGaAs應變QW半導體激光器腔面處理工藝,明顯改善了半導體激光器的輸出功率和工作穩(wěn)定性。本論文主要研究內(nèi)容分為以下方面:1.理論介紹了量子阱激光器的基本輸出特性,分析了嚴重影響器件輸出特性的COD發(fā)生的機理,以及對半導體激光器穩(wěn)定性帶來的影響,并對造成半導體激光器COD的主要根源—表面態(tài)進行了深入分析,并對等離子體技術(shù)基礎(chǔ)知識,以及等離子體技術(shù)在半導體激光器腔面鈍化方面的應用進行了介紹。通過半導體激光器腔面膜理論,對前、后腔面膜進行了設(shè)計與優(yōu)化,為獲得高功率、高穩(wěn)定性半導體激光器提供了理論基礎(chǔ)。2.開展了GaAs表面濕法S鈍化以及濕法N鈍化的工藝研究。通過GaAs的濕法S鈍化工藝研究,發(fā)現(xiàn)濕法S鈍化存在嚴重的表面刻蝕及污染現(xiàn)象,同時鈍化效果穩(wěn)定性較差。主要采用肼溶液進行了濕法N鈍化工藝研究,通過對鈍化條件的優(yōu)化,實現(xiàn)了具有良好鈍化效果的GaAs表面N鈍化工藝,表面光潔、平整,形貌明顯優(yōu)于濕法S鈍化。3.開展了GaAs表面等離子體鈍化工藝實驗研究。分別采用N等離子、S-Ar混合等離子體、S-N混合等離子體對GaAs樣品進行鈍化處理,實現(xiàn)了不同的GaAs表面鈍化效果,并分析了其PL(Photoluminescence)變化的物理機制。通過優(yōu)化鈍化工藝,以及進行樣品后續(xù)退火實現(xiàn)了對GaAs樣品表面離子轟擊引起損傷的修復,最終得到性能穩(wěn)定、PL特性良好的GaAs表面。對等離子體處理樣品與濕法鈍化處理樣品進行了形貌比較分析,表明等離子體處理樣品表面光潔、平整,比較適合于激光器芯片的腔面處理工藝。4.開展了980nm InGaAs應變QW半導體激光器的制備工藝與腔面處理工藝研究。分別采用不同的鈍化方法對解理后的激光器芯片腔面進行鈍化處理,并進行了前腔面AlN增透膜、后腔面三對Si/SiO_2高反膜的磁控濺射工藝制備。濺射制備的AlN薄膜折射率約為2.1,通過不同厚度的AlN單層膜制備即可滿足GaAs基半導體激光器前腔面反射率需要,Si/SiO_2高反膜的反射率為96.7%。經(jīng)不同鈍化方法處理后,激光器芯片的COD閾值功率明顯提高,其中S、N混合等離子體處理對980nm半導體激光器的COD閾值功率具有更好的改善作用,得到約一倍的提高效果。
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN248.4

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