高功率半导体激光阵列的高温特性机理

李 波 王贞福* 仇伯仓 杨国文 李 特 赵宇亮刘育衔 王 刚 白少博 杜宇琦

(1. 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119；2. 中国科学院大学, 北京 100049)

1 引 言

随着高功率半导体激光器的快速发展,其应用正在从传统的激光加工、激光通讯、激光显示和激光泵浦等领域逐步向智能制造、精密加工、虚拟现实、智慧系统等高端制造业过渡,成为不可替代的光电器件之一[1-3]。 现实中激光应用不可避免地会触及高温工作条件,而在高温下,激光芯片中的能量损耗机制尚不明确,随着工作温度的升高,激光器性能将会出现阈值电流升高、波长红移、光谱展宽、电光转换效率和量子效率下降等现象。据报道,2004 年,nLight 公司采用CS 封装的808 nm 激光阵列在70 ℃下仍可以实现50%的电光转换效率[4]；2009 年,Jenoptic 公司采用改进的CN 封装940 nm 激光阵列在50 ℃下实现了输出功率120 W,峰值效率达到了53%[5]；2010 年,Itense 公司采用H 型铜块封装的高功率准连续808 nm 激光阵列在95 ℃下实现了400 W 的输出功率[6]；2018 年,FBH 研究中心设计的940 nm 单管在75 ℃高温连续条件下仍可以达到59%的转换效率[7]。 国内方面,2008 年,中科院半导体所采用铜块散热形式的808 nm 激光阵列在室温准连续条件下实现了52%的转换效率[8]；2014 年,山东大学团队等研制的940 nm 激光单管在25 ℃连续条件下实现了74%的最大转化效率[9]；2016年,中科院西安光机所采用微通道封装的808 nm激光阵列在25 ℃连续条件下实现了65.5%的最高转换效率,为当年国内报道最高,次年提高到了68%,在15 ℃下更是达到了71%的转换效率[10-11]。

随着工作环境的多样化,已提出高功率半导体激光器需在高温工作条件下应用的要求。 高温条件下,高功率半导体激光器的整体性能会严重下降甚至失效,而在高温下高功率半导体激光器的研究报道较少。 本文将以微通道封装的高功率半导体激光阵列为研究对象,分析高温条件下产品的各项性能以及内部损耗机制。 微通道封装的产品通过高温水冷循环机控温,控温范围0 ～95℃,控温精度为0.01 ℃,可以真实反映其工作条件温度。 通过研究高温条件下高功率半导体激光阵列性能及损耗机理,可以为其实际应用提供重要的指导意义。

2 实验及结果分析

2.1 实验对象和测试系统

本文采用自主研制的高功率准连续960 nm半导体激光阵列(Laser diode array,LDA)为研究对象,该产品有38 个独立的发光点,条宽10 mm,腔长2 mm,填充因子75%,有源区为InGaAs 材料,芯片是p(正极)面朝下被焊接在微通道(Micro-channel cooler,MCC)热沉上。 器件的工作温度通过高温精密控温系统实现,该设备可以实现0 ～95 ℃的精确控温。 高功率半导体激光阵列高温性能测试系统如图1 所示,虚线框中的组件放在由计算机控制的精密移动平台上。 测试条件：循环水流量为0.3 L/min,脉冲宽度400 μs,重复频率200 Hz,占空比为8%。

按照图1 的测试流程和测试条件对器件进行高温实验。 图2(a)是产品在20 ℃下的功率-电流-电压(P-I-V)特性。 从图中可知,加电大小为600 A 时输出的峰值功率达到了670.4 W,电光转化效率为64.5%,中心波长为957.3 nm,并在250 A 下达到了最大的电光转化效率71.7%,斜率效率(Slope efficiency)和阈值电流分别为1.2 W/A和19.1 A。 图2(b)是器件在驱动电流20 A 下测试的近场图像,测试的器件具有38 个完整发光点并且没有发生光学灾变损伤(Catastrophic optical mirror damage,COMD)。

图1 激光阵列高温测试表征系统简图Fig.1 High temperature measurement system diagram for semiconductor lasers

图2 高峰值功率半导体激光阵列测试曲线和近场光斑测试图。 (a)LDA 在20 ℃下的P-I-V 曲线,插图是600 A 下的光谱；(b)LDA 的近场光斑图像。Fig.2 Test curve and near field spot of high peak power semiconductor laser array. (a)P-I-V performance of LDA at 20 ℃, the inset is the spectrum at 600 A.(b)Photo of the near field pattern of the LDA.

2.2 输出功率

器件在10 ～80 ℃范围内的输出功率如图3所示,从功率-电流(P-I)曲线可以分别获得在不同温度下器件的阈值电流,斜率效率和特征温度。

图3 LDA 在10 ～80 ℃范围内的输出功率Fig.3 Output power of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

激光器的输出功率表示如下[12]：

其中,ηi为内量子效率,h、ν、q、Ith分别为普朗克常数、出射光频率、元电荷量、阈值电流,αm、αi分别是内损耗和腔面损耗,L是腔长,R1、R2分别是前后腔面反射率。 提高内量子效率、降低阈值电流和内损耗都可以提高输出功率。 表1是根据功率-电流(P-I)(图3)曲线获得的相关参数。

由表1 可知,温度升高将会导致阈值电流升高、斜率效率下降。 在同样工作电流600 A 下,输出功率从10 ℃的681.1 W 下降到80 ℃的486.4 W,下降差值达194.7 W,器件在高温下性能退化严重。 表1 参数变化如图4 所示。

表1 不同温度下的阈值电流和斜率效率Tab.1 Threshold current and slope efficiency at different temperatures

半导体激光器中的阈值电流、斜率效率与特征温度的关系为[7]：

其中,η(T)、η(Tr)、Ith(T)、Ith(Tr)分别是温度为T和Tr时的斜率效率和阈值电流,T0和T1是特征温度,特征温度反映对温度变化的敏感性。 经过拟合,在10 ～40 ℃范围内的特征温度T0=200.0 K,在50 ～80 ℃范围内的特征温度T0=169.9 K,随温度升高阈值电流的温度特性下降；T1=333.3 K,斜率效率的温度特性较高,随温度变化的幅度较小。

图4 10 ～80 ℃范围内阈值电流和斜率效率的变化对比Fig.4 Threshold current and slope efficiency from 10 ℃to 80 ℃

2.3 工作电压

器件在10 ～80 ℃范围内的工作电压如图5所示。 从电压-电流(V-I)曲线可以获得不同温度下的开启电压和串联电阻,其结果如表2 所示。

图5 10 ～80 ℃范围内的工作电压对比Fig.5 Working voltage of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

从表2 可知,随着温度的升高,开启电压和串联电阻均呈现下降的趋势,温度升高将会导致量子阱的带隙宽度变小,准费米能级差值变小,进而导致开启电压降低。 此外,由于能级的不匹配,界面电压的存在会使开启电压V0略高于准费米能级差,进而产生界面电压损失。 温度的升高将会使载流子的迁移率升高,但也会加剧其碰撞几率。阵列的串联电阻受到以上两方面因素影响,呈现出下降的趋势。

表2 根据V-I 曲线获得开启电压(V0)和串联电阻(Rs)Tab.2 Open voltage(V0) and series resistance(Rs) according to the V-I curve

2.4 电光转换效率

器件的电光转化效率是反映其性能的重要参数。 图6 是器件在10 ～80 ℃范围内的电光转化效率,可以看到效率随着温度的升高而下降,电光转化效率表达式如下[12]：

其中,ηc是电光转换效率,ηd是外微分量子效率。 高温下器件内部的载流子越过势垒泄漏严重导致内量子效率下降,这也是使电光转化效率下降的原因之一。 内量子效率的变化如图7 所示,可以看到内量子效率从10 ℃的97.3%下降到80 ℃的80.0%。

图6 10 ～80 ℃范围内电光转化效率的对比Fig.6 Electro-optic conversion efficiency of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

图7 10 ～80 ℃范围内器件内量子效率变化Fig.7 Internal differential quantum efficiency of the LDA from 10 ℃to 80 ℃

2.5 中心波长和光谱

温度升高将会导致器件的波长红移,通过波长随温度漂移的变化可以得出温漂系数(波长随温度线性变化系数)。 图8 是600 A 下不同温度的光谱分布。 从图中可知,温度从10 ℃升高到80 ℃,波长从954.3 nm 红移到975.6 nm,温漂系数为0.3 nm/℃。 温度的升高也会使光谱展宽,这与有源区热积累效应及分布不均匀有关,70 ℃之后尤其明显。

图8 电流600 A 下,10 ～80 ℃范围内光谱的变化。Fig.8 Spectra of the LDA at 600 A from 10 ℃to 80 ℃

2.6 损耗占比

半导体激光器中最终的能量输出是决定其性能的重要参数,为了更好地分析限制转化效率的内在因素,这里对输入的能量损耗进行分析,进而深入地理解能量在传输过程中如何分配[13-14]。输入的能量可以表示如下：

输入的能量不可避免地会有串联电阻产生的热损耗,因而在设计中降低串联电阻可以提高电光转换效率。 其中,开启电压V0是由准费米能级差(VF)和能级不匹配带来的界面电压(Vhj)两部分组成,即：

进而公式(7)可以写成：

其中I2Rs是串联电阻引起的焦耳热,IVhj是界面电压造成的损失,ηiIthVF是自发辐射损失,IVF(1 -ηi)是载流子泄露损失,ηi(I-Ith)VF是包含吸收、散射损耗和实际输出三部分的理论输出功率。 经过以上分析,高温下器件的各项参数性能会发生变化,因而在工作中能量损耗占比也会呈现出不同的分布,对其输入能量损耗路径进行详细的分析显得十分重要[15]。 图9 是5 种能量损耗机制量化结果分布。

图9 10 ～80 ℃范围内能量损耗分布Fig.9 Energy loss distribution from 10 ℃to 80 ℃

从图9 可以看出,当温度从10 ℃升到80 ℃后,焦耳热反而降低,下降趋势不明显,不过在损耗中占比最大；界面电压损失呈减少趋势,自发辐射损耗呈增加趋势,不过两者变化幅度不大,占比较少；同时吸收散射损耗占比也明显增大,这与高温下腔面光吸收严重造成损耗升高有关[16]；反观载流子泄漏随着温度升高损耗占比增加最为明显,从1.93%上升到14.85%,高温下载流子更容易越过势垒产生泄漏,是高温下电光转化效率下降的主要原因。 如果能够在设计中减小串联电阻及优化量子阱势垒高度,可以使器件在高温中实现高效率输出。

3 结 论

本文以微通道封装的高峰值功率960 nm 半导体激光阵列为研究对象,采用精密控温设备研究分析了在10 ～80 ℃范围内器件的输出功率、电压、电光转化效率和光谱等各项性能的变化趋势以及限制电光转换效率的主要因素。 研究显示,阵列工作温度升高将使输出功率降低、工作电压下降、中心波长红移、光谱展宽、电光转换效率下降。 损耗占比显示：温度从10 ℃上升到80 ℃后,载流子泄漏损耗占比上升最大,是高温下转化效率下降的主要原因；同时自发辐射损耗、界面电压损耗、吸收和散射损耗上升,焦耳热下降、这些损耗占比变化幅度不大；损耗中焦耳热占比最大,因此,进一步降低串联电阻可以有效地提高转换效率。 高温下能量损耗占比的分析对高温、高效率激光芯片的研制具有重要的指导意义。