蘆鵬，李再金，曲軼，馬曉輝

（長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022）

半導體激光器退化的主要原因是非輻射復合，它是晶體缺陷、雜質和俄歇效應產生的。這些機制對半導體激光器穩(wěn)定性的影響程度主要依賴于材料系統(tǒng)和激光器工作水平。

對于GaAs/AlGaAs激光器經過多年的研究和發(fā)展，在材料生長方面已經有了很大的提高，有源區(qū)的雜質能級和缺陷也大大的減少，因此目前那種強烈吸收光的暗線缺陷基本不存在了。在GaAs/Al-GaAs激光器大功率工作中，導致器件退化的一個主要原因是由于腔面接觸空氣而被氧化或附著有灰塵雜質，在腔表面自然氧化物誘導缺陷和雜質的非輻射復合所致。

激光器腔面表面態(tài)復合的加劇可能會發(fā)生光學災變損傷（COD）。激光器發(fā)生COD的輸出特性曲線如圖1所示，當激光器的輸出光功率剛剛超過6W時突然降下來，即發(fā)生COD的器件在P-I測試時候的表現(xiàn)，表示器件壽命的終結。發(fā)生光學災變損傷的激光器腔面如圖2所示。COD產生的主要原因是由于激光器輸出腔面上具有很高的表面狀態(tài)密度，這些表面狀態(tài)密度為非輻射復合提供了途徑，而非輻射復合會產生大量的熱。熱量會導致禁帶寬度收縮，增加表面氧化程度，并且產生更多的缺陷，這又反過來為非輻射復合提供了途徑，又產生了大量的熱。這個反饋回路將繼續(xù)產生熱量，迅速導致輸出腔面由于高溫熔化而失效（高于1500K）。由于表面狀態(tài)從來不會被徹底消除，而只能被減少，所以非輻射復合還會不斷產生，其多少將直接影響大功率半導體激光器的工作壽命。

圖1 發(fā)生災變性損傷的半導體激光器的P-I曲線

圖2 激光器前腔面發(fā)生COD的例圖

半導體激光器腔面COD的產生是導致大功率半導體激光器退化的一個主要原因，而腔面COD的產生與腔面和大氣的接觸時間、腔面被氧化和污染的程度有著直接的聯(lián)系，如何減少腔面自然氧化物的誘導缺陷和雜質的非輻射復合中心是解決腔面COD產生的關鍵。目前國內外采取的解決途徑主要有端面鈍化技術，真空解理技術等，主要針對的是解理過程以及鈍化過程。但在激光器腔面鍍膜方面，由于半導體激光器的兩個端面需要分別蒸鍍高反膜與增透膜，對于普通設備將不可避免的需要將夾具取出后再翻面放置進行另外一面的鍍膜，這也是導致腔面污染的一個重要環(huán)節(jié)。針對這一環(huán)節(jié)可以通過設備升級改造例如增加真空機械傳動（Load-lock）來解決，但將大大增加設備投入，目前最為有效的一個技術途徑就是鍍膜機真空室內180°自翻轉機構的使用，進行增透膜、高反膜的一次性制備。

1 工藝優(yōu)化與COD的降低

實際在大功率半導體激光器工藝制備過程中，蒸鍍激光器的腔面膜時，一面需要制備增透膜，另一面需要制備高反膜來形成F-P諧振腔。該過程需要在鍍膜機上通過兩次實驗來實現(xiàn)，通常做法是做完一面后取出，將夾具翻面后再裝入鍍膜機（有些夾具甚至還需要重新裝夾）。這些過程都是在大氣條件下完成的，不可避免的會接觸空氣而帶來腔面的氧化與雜質附著。而且在一些需要加溫蒸鍍腔面膜的工藝中，帶著溫度取出激光器更是增加了COD出現(xiàn)的幾率，如果等待降溫后取出，在制備另外一面的腔面膜重新加溫達到熱平衡需要花掉大量的時間。

為了提高COD閾值，必須設法及時移除腔面熱量，而本論文使用了新型的鍍膜機真空室內180°自翻轉機構，大大降低半導體激光器腔面在大氣條件下的暴露時間。從過程上直接減少自然氧化物和雜質產生的幾率，避免COD的產生，提高半導體激光器的使用壽命。

2 真空室內自翻轉機構

2.1 真空室內180°自翻轉機構介紹

鍍膜機真空室內180°自翻轉機構的使用是一項技術上的革新，無需打開真空室即可進行第二面的蒸鍍，同時可達到節(jié)約時間與降低成本的功效。尤其對于需要加溫的鍍膜工藝，更是直接省卻了加溫及熱平衡的大量工時，具備相當?shù)膶嶋H意義。

目前實現(xiàn)真空室內180°自翻轉機構的設備廠商并不多，例如德國萊寶真空，美國丹頓真空等，針對的對象也主要是小體積，重量輕的基片。設計上主要是通過特殊結構的機械設計來實現(xiàn)夾具翻轉，但通過使用發(fā)現(xiàn)還存在一些瑕疵。對于德國萊寶真空AERS710系統(tǒng)配備的自翻轉機構，針對半導體激光器腔面膜工藝，其主要問題在于反轉180°時夾具落下時過大的震動引起的激光器bar條“錯位”現(xiàn)象。

圖3 震動帶來的bar條錯位

如圖3所示，由于震動，2號bar條下沉了一點，從而造成2號bar條與1、3兩個bar條同蒸發(fā)源的距離就會存在差異，使得同一次鍍制出的bar條腔面膜的膜厚不同而影響均勻性。另由于1、3號bar條高于2號bar條，在鍍膜過程中2號bar條靠近1、3兩個bar條的邊沿就會被“遮擋”，使2號bar條兩邊無法獲得正常的薄膜沉積，甚至直接影響bar條的正常發(fā)光，這種“遮擋”在腔面膜工藝中需要極力避免。

2.2 翻轉機構的改良

為避免引起“錯位”現(xiàn)象的震動發(fā)生，我們在原有翻轉機構設計基礎上進行了改良。翻轉機構在翻轉過程中以M軸為中心線旋轉，落下時是完全依靠自身重力的自由落體。針對翻轉下落過程進行了阻尼設計，如圖4所示，在翻轉機構著陸面上的凸臺對應的著陸位置A與B處，分別放置了一個波形彈簧片與兩個發(fā)條彈簧片。通過調節(jié)A點波形彈簧片的位置和B點兩個發(fā)條彈簧片的寬度及厚度，最終使翻轉夾具緩慢落下，而且保證回到水平位置。消除bar條“錯位”現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 在翻轉機構上追加的彈簧位置

3 制備工藝需考慮的其他因素

雙面一次性鍍制工藝須在翻轉夾具兩面都放置陪片，從而分別得到增透膜與高反膜的數(shù)據(jù)。此時要考慮陪片與設備的膜厚控制系統(tǒng)（主要指光控和晶控）之間數(shù)值的從新修正，避免控制上較大誤差的引入，過厚的翻轉夾具厚度會使兩個面的修正數(shù)值不一樣。

采用了雙面一次性鍍制工藝對半導體激光器bar條夾具提出了更高的要求。Bar條兩面的接觸面高度要一定不能超過半導體激光器的腔長，以免翻面后造成遮擋；夾緊力要適當?shù)脑鰪?，減小翻轉時候震動影響。

4 實驗與測試結果

其他工藝相同，在德國萊寶真空系統(tǒng)ARES710上我們進行了對比試驗，針對大功率半導體激光器進行了分組實驗：完整的前后腔面雙面一次性鍍膜實驗——A組和B組，同時按照傳統(tǒng)工藝分兩次鍍制腔面膜——C組和D組，而其中A組和C組為980nm半導體激光器，B組和D組為808nm半導體激光器。

按照不同膜系把經過相同前工藝制備后的激光器分為四組（見表1），每組制備3個半導體激光器bar條，并選取5只管芯。在常溫恒流（3A，約26℃）條件下測試720小時，得到5只管芯的平均外推壽命如下表1，結果證明A，B組的壽命較長，高出C，D組大約12.56%。

表1 四組壽命試驗

最大功率比較：加大電流直到失效為止，實測的功率數(shù)值見圖5，從曲線上可見A組的平均功率最高，B組次之，C組中有個器件損壞，D組最低。

圖5 四組激光器最大輸出功率比較

5 結論

對大功率半導體激光器腔面膜一次性制備實驗的結果表明，該技術的確對半導體激光器的壽命具有明顯的提高效果，從外推壽命對比數(shù)據(jù)上看提高了12.56%。由于減少了與空氣接觸的幾率，也就減少了空氣對大功率半導體激光器腔面的污染及灰塵的附著，從圖5的比較可以看出，A，B組的曲線位置要明顯分別高于B，D組的曲線，證明還能夠有效的提高器件的最大輸出功率。

事實證明大功率半導體激光器腔面膜一次性制備技術是對大功率半導體激光器壽命及最大輸出功率提高的有效技術手段。

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