【摘 要】
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980 nm的半导体激光器在工业生产、激光通信、激光医疗以及军事国防等方面有着重要的应用价值。随着现在科技发展这些应用对980 nm半导体激光器技术提出了更高的要求。特别是在大电流条件下,为了实现高功率输出,对其光电性能指标提出了越来越高的要求。目前,980 nm半导体激光器还存在电光转换效率和输出功率低、光束质量低、可靠性和稳定性不足的问题。外延结构设计是解决以上问题的关键方法之一。在波导结构设
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980 nm的半导体激光器在工业生产、激光通信、激光医疗以及军事国防等方面有着重要的应用价值。随着现在科技发展这些应用对980 nm半导体激光器技术提出了更高的要求。特别是在大电流条件下,为了实现高功率输出,对其光电性能指标提出了越来越高的要求。目前,980 nm半导体激光器还存在电光转换效率和输出功率低、光束质量低、可靠性和稳定性不足的问题。外延结构设计是解决以上问题的关键方法之一。在波导结构设计方面,目前普遍认为渐变波导具有更好的综合性能。在有源区设计方面,Ga As材料的有源区光学性能较差,In Ga As Sb和Ga As Sb为代表的Sb化物材料发光强度更强,光学性能更好,但在980 nm的较短波长范围研究相对缺乏。因此,通过引入渐变波导和Sb化物有源区的方式,提高输出功率和电光转换效率、改善光束质量,提升器件的光电性能。本论文研究了980 nm半导体激光器波导层和有源区与其光电性能之间的关系,通过设计波导层和有源区提高了980 nm半导体激光器的电学和光学性能。主要研究内容和成果包括:（1）波导结构能够限制载流子泄漏和调节光场,影响内量子效率和光损耗,从而影响器件的光电性能。首先,设计了一种用于980 nm半导体激光器的新的非对称波导结构,该结构采用Al组分正向渐变内波导和Al组分反向渐变外波导组合。研究结果表明:新型非对称双波导结构可以调节有源区势垒高度,由此提高有源区和波导层对载流子和光子的限制,降低有源区载流子浓度,从而使得非辐射复合和泄漏电流分别降低了51.99%和86.33%。新型非对称双波导结构降低了器件的工作电压和阈值电流,器件在注入电流为5 A时的输出功率和电光转换效率分别达到5.36 W和78.06%,输出功率明显增加。（2）虽然新型非对称双波导结构提高了980 nm半导体激光器的电学性能,但较多的高阶模式数和较大的光限制因子对光束质量产生了不利影响。为了提高远场发光强度,改善光学性能,在采用新型非对称双波导结构的基础上,设计了In0.15Ga0.85As/Ga As0.45Sb0.55材料体系的有源区,分析了Ga As0.45Sb0.55对980 nm半导体激光器的影响,并在In0.15Ga0.85As/Ga As0.45Sb0.55阱-垒-阱结构外侧设计了Ga As0.855P0.145应变补偿势垒,以减少有源区压应变,从而降低工作电压。研究结果表明:In0.15Ga0.85As/Ga As0.45Sb0.55量子阱呈Ⅱ型能带排列,其光学性能优于I型能带结构,表现为高阶模式数量减少,远场强度提高28.32%;但由于压应力增加和有源区能带突变增大,Ⅱ型量子阱激光器的输出功率和电光转换效率与In0.15Ga0.85As/Ga As0.855P0.145量子阱有源区结构相比降低。使用阱-垒-阱结构或Ga As0.855P0.145应变补偿势垒可以降低压应变,Ⅱ型量子阱有源区的电光转换效率和输出功率得到明显改善,在5 A的注入电流下最高可分别达到73.79%和5.31 W。（3）在5 A的注入电流下,新型非对称双波导结构和In0.15Ga0.85As/GaAs0.45Sb0.55量子阱有源区分别提升了980 nm半导体激光器的电学性能和光学性能,但综合性能仍需提高,且对于高功率的激光器,大电流注入下的光电性能更为重要。为了获得在大电流下较佳的光电性能的980 nm半导体激光器,针对量子阱结构中辐射复合效率低和光场发散角大的问题,设计了In0.163Ga0.837As0.517Sb0.483/Ga As0.45Sb0.55/In0.163Ga0.837As0.517Sb0.483的阱-垒-阱结构有源区和n型In Ga As P内波导结构,代替了n型Al Ga As内波导层。研究结果表明:In0.163Ga0.837As0.517Sb0.483/Ga As0.45Sb0.55有源区呈现较弱的I型量子阱特性,光场分布呈现“m”型,远场发散角降低至最低27°;采用In0.8-0Ga0.608-1As0.2-1P0.392-0 n型内波导的结构时,在12 A和22 A的大电流下电光转换效率衰减幅度更小,工作电压更低。在290～340 K的温度区间内,温度漂移系数由0.28 nm/K降低至0.25 nm/K,具有更好的光束质量和稳定性。
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