大功率红光半导体激光器的制备与研究

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大功率红光半导体激光器具有体积小、效率高、成本低等优点,因此被广泛应用于激光显示技术、光动力理疗器械、泵浦飞秒Cr3+∶LiSAF及Q开关紫翠玉(Alexandrite)固体激光器等方面。  相比于808nm、980nm等长波长半导体激光器,红光半导体激光器制作难度更大。主要的难点包括两个方面:一是由于A1GaInP材料体系的限制,有源区及限制层的带隙差较小,因而对注入载流子的限制能力较差,容易产生泄露电流。这不仅会使半导体激光器的内量子效率降低,功率转换效率下降,还会导致器件的特征温度变低,输出功率对温度的敏感度变高。二是红光半导体激光器波长短,光子能量高,在高功率下工作时,对腔面的抗烧毁能力要求更高。因此,要得到高可靠性、长寿命的红光半导体激光器,器件结构必须精心设计,工艺过程也要精确控制。  针对红光半导体激光器的制备难点,本文主要进行了以下工作:  1.优化了A1GaInP外延层的生长条件,减少半导体激光器的非辐射复合中心。研究了量子阱厚度及应变量对激光器波长及阈值电流的影响,发现使用张应变的单个宽量子阱可以大幅降低半导体激光器的阈值电流密度。  2.利用固态Zn扩散的方法,实现了A1GaInP/GaInP量子阱的原子混杂。通过改变扩Zn温度及时间,研究了Zn扩散程度对量子阱发光波长的影响。量子阱充分混杂后,其发光峰的蓝移量可达40nm(130meV)以上。  3.根据优化后的Zn扩散条件,在管芯腔面处制作非吸收窗口,并使用AuSn硬焊料及A1N陶瓷热沉对管芯进行封装测试。对于100um条宽、1000um腔长的器件,大电流下未出现腔面烧毁现象,只出现功率热饱和现象,热饱和功率约1.5W。基底温度为20℃,输出功率为250mW时,器件可连续工作1000小时以上。  4.研究了红光半导体激光器的电流电压(Ⅳ)特性,并给出了相应的电路模型。分析认为制作过程中的金属工艺、烧结工艺、Zn扩散工艺等都会影响半导体激光器的电流分布及Ⅳ特性。本文还提出了一种利用Ⅳ曲线判断半导体激光器窗口区Zn扩散程度的方法。
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