半導(dǎo)體激光器研發(fā)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)

半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管(LD)，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。半導(dǎo)體激光器在光通信、抽運光源、激光顯示與醫(yī)療、工業(yè)加工、照明監(jiān)控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，半導(dǎo)體激光器也將面對越來越高的要求。

那么，在半導(dǎo)體激光器的研發(fā)生產(chǎn)過程中，哪些技術(shù)最為關(guān)鍵呢?

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展與其外延與芯片結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計緊密相關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計是高功率半導(dǎo)體激光器器件的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體激光器的三個基本原理性問題是：電注入和限制、電光轉(zhuǎn)換、光限制和輸出，分別對應(yīng)電注入設(shè)計、量子阱設(shè)計、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光場設(shè)計。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)研究改進(jìn)就是從這三個方面進(jìn)行不斷優(yōu)化，發(fā)展了非對稱寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了量子阱、量子線、量子點以及光子晶體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了激光器技術(shù)水平的不斷提升，使得激光器的輸出功率、電光轉(zhuǎn)換效率越來越高，光束質(zhì)量越來越好，可靠性越來越高。

二、高質(zhì)量的外延材料生長技術(shù)

半導(dǎo)體激光器外延材料生長技術(shù)是半導(dǎo)體激光器研制的核心。高質(zhì)量的外延材料生長工藝，極低的表面缺陷密度和體內(nèi)缺陷密度是實現(xiàn)高峰值功率輸出的前提和保證。另外雜質(zhì)在半導(dǎo)體材料中也起著重要的作用，可以說，沒有精確的半導(dǎo)體外延摻雜工藝，就沒有高性能的量子阱激光器。主要通過對摻雜曲線的優(yōu)化，減少光場與重?fù)诫s區(qū)域的重疊，從而減少自由載流子吸收損耗，提高器件的轉(zhuǎn)換效率。

三、腔面處理技術(shù)

大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用通常要求激光器輸出功率很高且有較好的可靠性。而制約半導(dǎo)體激光器輸出功率的主要瓶頸就是高功率密度下腔面退化導(dǎo)致的光學(xué)災(zāi)變損傷(COMD)。

在半導(dǎo)體激光器的腔面區(qū)域，由于解理、氧化等原因存在大量的缺陷，這些缺陷成為光吸收中心和非輻射復(fù)合中心。光吸收產(chǎn)生的熱量使腔面溫度升高，溫度升高造成帶隙減小，因而在腔面區(qū)域與激光器內(nèi)部區(qū)域之間形成了一個電勢梯度，引導(dǎo)載流子向腔面區(qū)域注入，更重要的是帶隙減小后帶間光吸收增強，兩者都會使腔面區(qū)域的載流子濃度升高，增強非輻射復(fù)合，使腔面溫度進(jìn)一步升高。另一方面，大功率半導(dǎo)體激光器較大的電流注入也增強了腔面非輻射復(fù)合。正是光吸收、非輻射復(fù)合、溫度升高和帶隙減小的正反饋過程使腔面的溫度快速升高，最終腔面燒毀，即發(fā)生COMD。

腔面問題的根源是腔面缺陷的存在，包括腔面的污染、氧化、材料缺陷等，這些腔面缺陷首先影響COMD的一致性，其次會導(dǎo)致器件的退化，影響長期穩(wěn)定性。一般可以通過各種腔面鈍化和鍍膜技術(shù)，減少或者消除腔面的缺陷和氧化，降低腔面的光吸收，提高腔面的COMD值，從而實現(xiàn)高峰值功率輸出。

四、集成封裝技術(shù)

激光芯片的冷卻和封裝是制造大功率半導(dǎo)體激光器的重要環(huán)節(jié)，而激光器光束整形和激光集成技術(shù)是獲得千瓦、萬瓦級激光的主要途徑。由于大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率高、發(fā)光面積小，其工作時產(chǎn)生的熱量密度很高，這對封裝結(jié)構(gòu)和工藝提出了更高要求。高功率半導(dǎo)體激光器封裝關(guān)鍵技術(shù)研究，就是從熱、封裝材料、應(yīng)力方面著手，解決熱管理和熱應(yīng)力的封裝設(shè)計，實現(xiàn)直接半導(dǎo)體激光器向高功率、高亮度、高可靠性發(fā)展的技術(shù)突破。

半導(dǎo)體激光器是最實用最重要的一類激光器，它制造簡單、易量產(chǎn)、成本低、波長覆蓋范圍廣、體積小、壽命長、能耗低、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，并可以采用簡單的注入電流的方式來泵浦，在CD激光唱片機、光纖通信、光存儲器、激光打印機等獲得廣泛應(yīng)用，逐漸覆蓋了各個光電子學(xué)領(lǐng)域的實用市場。