图2.2 不同材料禁带宽度和晶格常数图
Fig. 2.2 Energy band-gap versus lattice constant for common semiconductors
其次，通过优化材料组分，尽可能降低内损耗。
一般情况组分元素越多，电和热参数越差，并且生长也越难控制。故激光器材料常选用二元和三元化合物。为了限制载流子，盖层禁带宽度要大于波导层禁带宽度，波导层禁带宽度要大于有源区禁带宽度。
为了限制光场，盖层折射率要大于波导层折射率，目前盖层折射率有渐变和突变两种，这主要由组分和掺杂决定，而每种材料不同的组分和掺杂都有特定的电阻（表现为压降），光损耗和热阻。故材料优化还需考虑电阻和光损耗的优化问题。例如，p型盖层中提高掺杂可以降低电阻，但是光损耗会随掺杂增多线性增加（热阻也会有轻微增大），若降低掺杂虽能降低光损耗，但器件的压降必然提高，最终导致器件的效率下降。此外，盖层折射率渐变的实现在工艺上也存在很多难点，工艺实现的问题也需要考虑。
结合相关文献，我们选择低Al组分的AlGaAs材料作为p型和n型盖层的最佳选择
[24]- [26]
，因为它
具有低的电阻、热阻和光损耗。目前采用这种材料设计的100μm条宽单管激光器已经有输出功率19W的报道
[21]
。
第三，除了优化激光器芯片的材料组分外，波导结构的设计也很关键。
为了使激光器获得高的功率输出密度，大光腔结构逐渐被采用，这是由于大光腔结构可以有效拓宽激光器内部光场，从而降低光功率密度分布，提高激光器大功率工作时材料的稳定性，是大功率激光器发展的优化结果。例如，COD阈值同为25MW/cm的材料，对发光尺寸为100μm的单管芯激光器，普通光腔的近场光斑尺寸只有0.25μm，其输出光功率约为5W；如果采用近场光斑尺寸为1.5μm的大光腔材料，输出光功率理论上可以达到30W。
从另一方面考虑，对于同样的工作光功率，大光腔材料的腔面光功率密度更低，热吸收会导致的腔面材料的退化率慢，从而改善激光器腔面烧毁问题，提高激光器大功率工作时的可靠性。
基于上述分析并结合现有经验技术，确定适用于本课题的激光器芯片材料结构如表2.1所示。
7
2
表2.1 量子阱激光器结构 Tab 2.1 The structure of quantum well LD
p+接触层 p型盖层 p型波导层
材料 GaAs Al0.35GaAs Al0.15GaAs GaAs
量子阱
GaInAs GaAs
n型波导层 n型盖层 n型衬底
Al0.15GaAs Al0.35GaAs GaAs
厚度（nm）
250 800 500 5 7.5 5 500 1000
浓度 >2E19（Zn） 5E17（Zn） 不掺杂 不掺杂 不掺杂 不掺杂 不掺杂 1E18（Si）
§2-2 腔面工艺优化
大功率连续激光器腔面的热吸收会导致腔面温升，加速腔面材料的退化，退化同时使热吸收加剧，如此最终导致激光器腔面烧毁（COD烧毁）。通常腔面处理技术包括电流非注入腔面工艺、真空解理工艺和离子铣腔面钝化工艺等以降低腔面的损耗，提高功率转换效率；增加腔面烧毁阈值和腔面稳定性，改善激光器腔面烧毁问题，提高激光器工作点和大功率工作可靠性。
2-2-1 电流非注入腔面工艺
采用局部腐蚀掉P型扩散层和介质钝化的方法在芯片出光端面制作电流阻挡层，如图2.3所示，限制腔面载流子注入。从而减少腔面载流子密度，抑制载流子在腔面附近的非辐射复合，同时降低腔面自由载流子吸收以及非辐射复合，从而改善了腔面的温升问题，使腔面烧毁功率密度升高。
图2.3 电流非注入腔面结构
Fig. 2.3 Current is non-injected into the cavity surface structure
针对976nm高功率单管芯片我们开展了相关实验研究，初步实验数据表明：使用电流非注入腔面工艺，不会对功率产生太大影响，但是能够显著减缓器件的退化速度，如图2.4所示，为非注入腔面对烧
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毁失效形貌与普通腔面的对比情况。
图2.4非注入腔面对烧毁失效形貌的影响
Fig. 2.4 The burnout failure morphology of non-injected cavity surface
2-2-2 真空解理工艺
在大气环境下解理后，芯片解理面将马上氧化，使得腔面含氧过多，导致腔面质量变差，严重影响器件的可靠性。而在高真空条件下进行真空解理，然后加镀一层钝化层，则可有效避免腔面氧化问题，使半导体激光器端面可承受光功率密度提高2个数量级
[33]- [34]
。
针对976nm高功率单管芯片，我们进行了初步的研究，试验表明，真空解理技术能够明显提高老化中COD阈值的稳定性，并对抑制功率退化有一定作用，有利于激光器腔面可靠性的提高。图2.5.1和图2.5.2分别为真空解理和常规解理情况下样品老化情况对比。
图2.5.1 真空裂片样品老化后COD对比图
图2.5.2常规样品老化后COD对比图
图2.5 样品老化情况对比
Fig. 2.5 The comparison of sample aging test
2-2-3离子铣腔面钝化工艺
尽管在高真空解理可以避免腔面被氧化，但操作极为不便，不易提高工效和成品率。人们更关注于
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在大气环境下解理后如何祛除氧化污染，提出了用离子束清洗腔面获得无污染腔面的方法。方法是解理后，用Ar离子或其他离子进行清洗，祛除氧化层等杂质污染。
离子铣技术能够清洁激光二极管腔面，但过大的离子能量会对激光二极管材料造成损伤，在腔面引入缺陷。为了减小损伤，必须对离子铣条件进行优化，包括离子能量、剂量的优化。
经过离子清洗的腔面如果直接蒸镀氧化物薄膜，腔面容易再度污染和氧化，因此离子洗之后需要紧接着蒸镀一层钝化层，一方面保护清洁的腔面，另一方面阻止进一步氧化。可以用作钝化层的材料有Si3N4、Si、Al、ZnSe、ZnS等。这些钝化层要足够薄，以免对增透膜的光学性质有过多的影响，还要防止出现光吸收、腔面漏电等问题。主要技术原理示意图如图2.6。
图2.6 激光二极管腔面钝化镀膜示意图 Fig. 2.6 Laser diode facet passivation coating diagram
初步实验数据表明：使用现有离子铣及腔面钝化技术，虽然没有提高腔面抗烧毁功率阈值，但是能够显著减缓器件的退化速度，器件工作寿命可望获得提高。
§2-3半导体激光器光束特性分析
众所周知，半导体激光器的光场在快慢轴方向很不一致，其空间光场为一个椭圆形，为了能更好的实现高功率单管与光纤的耦合，有必要对半导体激光器的空间光场进行系统的分析，并建立其模型。
通常，半导体激光器输出光场分别用近场和远场特性来描述。近场特性指光强在解理面上的分布，远场特性是指距输出腔面一定距离（d???）的光束在空间的分布，它常与光束发散角的大小相联系
[36]
。
图2.7给出了单管高功率激光器芯片的一些典型尺寸和输出光束特点。快轴（垂直于p-n结）方
向发光区尺寸很小，约1μm，与辐射的波长相比拟。慢轴（平行p-n结）方向，典型的发光尺寸为50μm-200μm。这样腔面就类似于一个狭缝，光束通过如此狭窄的缝隙时发生衍射并发散。
半导体激光器的发散角通常定义为光强下降到最大光强的1/2处所对应的角度，即半高全宽时的全角发散角，可用LD综合测试仪测得，垂直发散角用??表示，水平发散角用?//表示。对于激光器和
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光纤耦合，发散角越小，调整的容忍度越大，越有利于高效耦合。
图2.7脊形波导激光器光束远场图
Fig. 2.7 The beam far field distribution of ridge waveguide LD
2-3-1 半导体激光器光束远场特性
根据半导体激光器的模式理论，光束远场分布可以通过对近场分布做傅立叶变换得到
[37]
：
I(?)?cos(?)?Ey(u)exp(ik0xsin?)du （2-1）
式中，k0为激光在真空中的波数，?为远场发散角，u?x,y分别为激光器出射端面坐标。
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图2.8激光器远场垂直发散角和水平发散角
Fig. 2.8 Laser far field vertical divergence angle and horizontal divergence angle
如图2.8为三层平板介质波导，根据Casey等对垂直发散角??的测量结果与数值计算给出的近似表达式
[39]
[38]
和Dumke
。
220.41?2(n2?n1)d/???? （2-2） 22221?[0.41?(n2?n1)/1.2](d/?)式中，n2为激光器折射率，d为有源层厚度，n1为限制层的折射率，?为激射波长。以有源区为AlxGa1-xAs/GaAs为例，得到垂直发散角??与有源层厚度d的关系如图2.9所示。
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