半導體激光器腔面鍍膜及可靠性的研究

陳永澤，王振興，熊金華，梁 海，吳志勇

（深圳市恒天偉焱科技股份有限公司，廣東深圳 518000）

1969年后研制成功的單異質結和雙異質結生化激光器，由于結構轉換效率高、體積小、材料輕、穩定性高、溫度控制能力強，以及與其他半導體器件的融合能力強，已成為現代信息科學技術發展的關鍵設備。而隨著工業生產能力的日益提高及其一致性，以及新材料和新結構加工技術的大量出現，半導體激光器的應用范圍已不只是在現代信息科學技術領域，它還將在新材料加工技術、精密測量設備等新應用領域方面表現出強大能力，其正在迅速占領過去以氣體和固態激光器技術所主導的部分應用領域。半導體激光器的相干光泵浦源也將使過去固體激光器技術做出歷史性變革，并產生嶄新的技術革命。而半導體激光器的特殊性能，也將使其廣泛地運用到軍事上的某些領域中，如激光測距、潛通信、導航、光電引信、竊聽等，并作為光電戰爭中新的有生力量。目前激光應用范圍幾乎涉及各個領域，光纖通信、光盤傳送、全色顯示器、激光傳感器、激光打印機等，甚至在激光儀器制造和激光醫療等領域中，半導體激光器也不失其高效率、小額化、可集成化和佼佼者的關鍵地位，并受到了人們充分的重視。

1 半導體激光器及其原理介紹

1.1 半導體收音機激光器

半導體激光器是指采用半導體收音機材料為主要工作物料的一種激光儀器。半導線激光器亦稱為激光二極體，簡寫LD。這是激光源中極其重要的一種激光儀器。利用半導體激光器材料進行光受激輻射的工作，原理與固體和氣體激光器相同。但因為其所采用的光激活材料為半導體收音機材料，它具備穩定性高、質量低、穩定性好、工作壽命長的主要特性，也可以通過一次注入或輸出電流泵送。一般電纜激光器的振動模式與一般開放式光學諧振腔的振動模式完全不同。半導體激光器的光腔一般為介質波導腔，其振動模式為介質波導模式。半導體激光器和發光側二極管（都是半導體線二極管）的結構非常相似。不同之處在于，激光器有一個光學腔，而側面LED 沒有這樣的腔，缺少諧振腔，因而也就不能進行光的傳遞、擴大而形成相干的激光。

半導體激光器的PN 結主要有均勻結、單異質性結和雙異質結。但同時，它的特性也能夠通過條或帶狀構造加以調節。在半導體收音機激光儀中，除由晶格分裂面構成的法布里–珀羅（F-P）諧振器外，還存在分布布拉格反射（DBR）和分布反饋（DFB）結構。此外，量子阱（QW）和多量子阱（№w），應變量子阱激光器和垂直腔表面反射激光儀器（VCSEL）已被深入研究，作為有源層。

半導體激光器的主要特點是：①超小型化，重量輕；②效率高；③發射的激光波長范圍廣；④使用壽命長。

目前，半導體激光器已成為激光器件中最重要的組成部分之一。半導體線激光器是光通信應用中發展最快、最關鍵的光纜通信基礎照明，已廣泛應用于激光視盤、光盤、激光高速打印、全息、圖形記錄、數字顯示、辦公智能、激光準直、防盜激光、醫學激光與激光生物學。目前半導體線激光器已成為光數據處理、光存貯，以及光計算等新興應用領域的主要角色。

1.2 半導體激光器工作原理

半導體激光器也是一個自相干疊加的輻射光源。和其他激光器相同，要讓它產生自相干疊加輻射，就需要符合3個基本要求。

（1）確定起激射媒質（有源區）內少數載流子的反轉分布關系。如處在高能態電導線底的電子數，比處在低能射線態價質帶頂的電子空穴中心數大許多。這是靠向異質結加正向偏壓后，向有源層內加入必需的少數載流子來完成的。

（2）有一種適當的諧振腔使受激輻射在這里經過多種反應而產生激光振蕩。對F-P 腔半導體激光器很容易地就能夠使用晶格的表面作為自然解理表面，來產生F-P 腔。

（3）為產生平穩振動，激光媒質需要能供給適當大的增益設定范圍，激光增益需要小于或超過所有損失之和。而這就需要適當強的額定電流加入，并且需要符合相應的電閨值需求。

為了達到粒子數反轉，原子的能量等級不得低于3級。但由于在光分和物體作用時，受激吸引與自動釋放都是同步出現的。也就是說，低能級的原子在吸收光能后會上升到高能級，但高能級的原子會下降到低能級，因為它們受到光的刺激，而不受外界的刺激。因此，當高能級的原子質量與低能級的原子質量相似時，從低能級到高能級的過程將更加困難。此時，一些分子被加入，一些分子也下降。盡管上升沒有結束，但它處于自動平衡狀態。因此，如果只有兩個能級的能量，就不可能逆轉粒子的數量。

諧振腔（具有一對高反射率的激光反射器的腔）在上述光學分割中，沿腔軸傳輸的光學元件在外部受到保護，返回并隨后在轉移能面中的光學分子之間受到刺激，從而產生激發輻射并產生倍增的光學元件。然后又是反饋。如果這種情況在循環中繼續，可能會出現“雪崩”放大效應，激光束從腔的另一端發射。

2 半導體激光器腔面膜的設計

2.1 增透膜的設計原理

從物理學上來講，當單層膜的總折射率位于入射介質和襯底折射率之間時，單層膜就形成了減反光的效果。坪頂增透層的理想要求是膜表面的光傳感厚度一般為λ/4，其水溶性元素比例等于入射介質與基底折光率乘積的平方根。見式（1）。

文章所研究的大功率半導體激光器前腔表面的減反射膜可能不是完全的減反射膜，相反，它還需要有一定的反射，并具有較好的值，因此選擇一層膜很好。在單層減反射膜中，當光線垂直下落時，其反照率表達式與公式（1）一致，但此處涂層折射率的n值介于n0和ng之間。因此，這里的減反射膜在設計時只需調整膜厚，從而得到所需要的反射率值就可以了。

2.2 薄膜材料的選擇

尋求更適于高威力激光器的低吸收/低功率積累，以及表面態比較低的材料以得到高閾值膜材料，也是當前研發的一項重點,以生產高性能薄膜。

1995年，中國科學院光學與工程研究所利用808反應注入激光器作為薄膜材料，獲得了97%的高反照率。1999年，上海半導體無線電研究所利用電子束真空蒸發在儲氫條件下制備了808 nm 薄膜。在808波長下，吸收系數逐漸降低到可忽略或可忽略的水平，形成了真正的高水溶性非吸附膜。在馬力大激光器上，產生高損傷閾值和低吸收率的光傳感薄膜材料受到了人們的重視。但是實際適用的薄膜材料卻很少，目前最佳的低水中溶解度材料為ThF4，不過由于它的高放射性活度、帶毒，并不適合。因此產生了混合薄膜材料，如在ZrO 中加入MgO 或SiO2能夠減少光散射；在MgF。中加入了CaF?；騔nF 能夠減小薄膜的張應力。但是混合薄膜的技術目前還不是很穩定，關鍵控制技術也還沒有很完善。

3 半導體激光器的可靠性

3.1 影響半導體器件可靠性問題的各種因素

3.1.1 材料內部的晶格缺陷和應力的影響

材料結構退化的主要因素是在有源區域的位錯，或者從其他地方遷移到有源區域上的位錯。內部退化可能包括以下兩類。

（1）整個活動區域的均勻退化；

（2）暗線缺陷和具有強光吸收的暗點缺陷。

一方面，這些缺陷與新基體材料的引入和變化以及加工過程中外展的發展密切相關，另一方面，它們也與未輻照復合中心引起的微觀結構變化密切相關。由于非輻射復合中心產生的能量可以傳遞給其他帶電粒子或聲子，因此會引起復合中心的網絡振動。這些離子與聲子之間的強非線性相互作用可導致缺陷中心周圍的晶體結構發生變化，導致故障中心上升和滑動，并釋放以多聲子形式束縛在缺陷上的電子。此外，由于一些載流子被較高能級的中心捕獲，并且釋放的電子能也以與缺陷相互作用的方式發射電子能，因此p.H.的禁止帶寬越大，活性區域中的材料分解速度越快。此外，真空期產生的原子或高水平的金屬雜質是導致分解的不利因素。這種變化的速率很大程度上與溫度有關，因此降解速率可能取決于溫度。

3.1.2 腔面損傷退化

半導體激光器對二端腔面的損傷主要有兩個：①空洞的破壞性磨損；②空腔表面化學腐蝕損壞。破壞性損傷通常是由電磁波照射的高能密度光熔化和溶解前腔的微機表面引起的。一個重要原因是，表面層附近的光的吸引力和遠處表面層的結合增加了電流密度，并且一些大面積過熱。破壞性損傷的最終力取決于活動區域的寬度。這種災難性的破壞通常是災難性的?？涨槐砻娴墓饣瘜W腐蝕主要是由光化學效應引起的，光化學效應使空腔表面的表層產生氧化物，或在空腔表面產生局部缺陷，進而使空腔表面的光反射系數發生變化，進而破壞激光螺紋部分的穩定性，從而提高輻射的復合率。特別是在含有大多數鉈元素的半導體激光器中，自適應邏輯元件會吸收水蒸氣和氧化物，導致局部末端氧化物缺陷，這直接影響到吸收表面反射光的能力，從而造成局部區域或嚴重內部過熱，從而影響甚至毀壞激光器性能。大型腔表面的金屬氧化物層和碳污染也是直接影響設備性能和可靠性的關鍵因素之一。金屬晶體外延板在空氣中溶解后，腔室的表層吸附了很多氧化物層和碳，甚至產生金屬氧化物層。氧也是一個既深且平的雜質層，具有輻射重組功能，因此可以減少材料的亮度效果。另外，金屬氧化物層還可能形成雜質缺陷，使得缺陷位錯迅速擴大。在激光使用電場和強磁場時，這種缺陷會在其影響下快速擴展，從而提高非活性復合的可能性，也因此降低了亮度效果，同時增加儀器的加熱溫度，從而迅速損傷激光。但是，金屬氧化物含量較大的材料更易于退化為最終激光表面，而且可受到的光學強度也減小了。所以，腔體表面吸附的氧氣會顯著影響部件的可靠性。

3.2 鍍膜對半導體激光器可靠性的影響

半導體激光器擁有尺寸較小、材質輕薄、工作效率較高、運行壽命長等一系列優點。它一經問世即引起人類普遍重視，并極大地促進了科技的發展，同時由于其應用越來越普遍，人類對半導體激光器的性能也提出了更高的要求，在許多地區都需要激光器具有較好的輸入輸出特點、高的輸入輸出工作功率、長的工作壽命等。為達到這些目標，科研工作者在這方面做了大量的科學研究工作，并提出了多種方法、工藝和結構，可以提高激光器的輸入輸出特性和使用壽命。激光腔表面的涂層便是其中一種。雖然普通GaAs 激光器自然解理面的總反射率大約為31%，但這并非一種理想值。而且，由于這種自然解理表面在空氣環境中易于氧化，并引起對環境的污染，極大地制約了激光器，特別是高功能激光器的應用年限。而通過對激光器腔面進行優化鍍膜，也可以在適當程度上提高了激光器的輸出功率特性，進而改善了其輸出功率和工作延壽能力，并已經構成了一種常用的提高半導體激光器特點的手段之一。

4 結束語

高功率的半導體收音機激光器，作為一個全新的激光光源，既有較大的電光變換效率和可靠的工作穩定性，且結構緊湊、驅動簡便，所以有著更廣闊的使用發展前景。詳細地介紹了半導體激光器及其工作原理，并對其可靠性加以探討，期望能給有關技術人員提出借鑒。