有鋁激光器和無鋁激光器特征溫度對比研究

李雅靜1,彭海濤2

(1.咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院,陜西 咸陽712000;2.中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所,河北 石家莊050051)

摘要為了測量兩種有源區(qū)材料半導(dǎo)體激光器的溫度靈敏度,文中對InGaAsP/GaAs無鋁和AlGaInAs/AlGaAs/GaAs有鋁的808 nm大功率半導(dǎo)體激光器,采用閾值電流法衡量兩種有源區(qū)材料激光器的特征溫度。在各種溫度下實驗性地測量激光器的P-I曲線,并采用線性擬合法得到閾值溫度線性關(guān)系,實驗結(jié)果表明有鋁激光器溫度性能明顯優(yōu)于無鋁激光器。

關(guān)鍵詞有鋁激光器;無鋁激光器;特征溫度;閾值電流法

收稿日期:2015-04-08

基金項目:咸陽師范學(xué)院專項科研基金資助項目(12XSYK016)

作者簡介:李雅靜(1983—),女,碩士,助教。研究方向:大功率半導(dǎo)體激光器。E-mail:jawson-78@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.045

中圖分類號TN248.4

Study on Characteristic Temperature of Al-containing andAl-free High Power Semiconductor Laser Diodes

LI Yajing1,PENG Haitao2

(1.School of Physics & Electronic Engineering,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China;

2.The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

AbstractAt present,AlGaInAs and InGaAsP have been mainly used in 808 nm high-power laser diode active layer,and the semiconductor laser is very sensitive to temperature.In order to measure the temperature sensitivity of two active layer material LDs,the threshold current method are used for 808 nm high power Al-free InGaAsP/GaAs lasers and Al-containing AlGaInAs/AlGaAs/GaAs lasers to measure the characteristic temperature.We test the P-I curves at various temperatures and obtain the linear relationship between the threshold current and temperature by linear fitting.Experimental results show that the temperature properties of aluminum laser are better than those of the Al-free laser.

KeywordsAl-containing LD;Al-free LD;characteristic temperature;threshold current method

LD 是高效率的電子—光子轉(zhuǎn)化器件,但由于不可避免的存在各種非輻射復(fù)合損耗、自由載流子吸收等損耗機制,造成注入到器件的相當(dāng)一部分電功率將轉(zhuǎn)換成熱能耗散在LD內(nèi),引起有源區(qū)溫升。在 LD 性能表征測試時,首先必須要求激光器處于發(fā)光狀態(tài)。因此,研究LD的熱特性,分析熱對器件性能的影響,對于準(zhǔn)確把握器件性能的溫度依賴性,以及測試過程熱抑制措施的實施等方面均具有重要意義,且對于LD的器件設(shè)計與優(yōu)化,包括有源區(qū)的結(jié)構(gòu)、器件的封裝方式和散熱等,也具有重要的指導(dǎo)意義[1-3]。

1閾值電流法

半導(dǎo)體激光器工作時的溫升是影響器件壽命及可靠性的重要因素。激光器內(nèi)部產(chǎn)生的熱在激光器直流工作時是一個引人注意的焦點。所謂結(jié)溫,按其標(biāo)準(zhǔn)定義為:基于半導(dǎo)體器件的熱電關(guān)系,通過電測量得到的PN結(jié)溫度。一般半導(dǎo)體激光器的PN結(jié)溫度可通過一些常規(guī)的實驗方法進(jìn)行測量,也可根據(jù)構(gòu)成PN結(jié)不同材料的一些光學(xué)或電學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量,這些溫敏參數(shù)隨溫度而變化,文中可利用此變化間接地反映芯片溫度[4-6]。

半導(dǎo)體激光器結(jié)溫升高,閾值電流也會隨之變化,利用此特性可進(jìn)行結(jié)溫的測量。為了保證測量電流不影響環(huán)境溫度,令激光器在一短脈沖下工作,并維持管芯處于恒定溫度,測量此時的閾值電流值,以此為基準(zhǔn),測量連續(xù)工作狀態(tài)下激光器的閾值電流[7-8]。

特征溫度T0是衡量激光器對溫度靈敏度的一對參數(shù)。較高的T0意味著當(dāng)溫度快速增加時,激光器的閾值電流增大較慢。也可將T0解釋為激光器的熱穩(wěn)定性。測量方法是:在各種溫度下實驗地測量激光器的P-I曲線,芯片溫升由下式?jīng)Q定,由此可計算T0的值[9-10]。

(1)

式中,T0是激光器的特征溫度;Jth是閾值電流密度,單位為A/cm2,Jth(Tr)是不同溫度下的閾值電流密度。

2實驗結(jié)果與分析

實驗中制作的樣品為波長808 nm的無Al 和有Al激光器,是在GaAs襯底上用MOCVD技術(shù)生長的單量子阱大功率半導(dǎo)體激光器,其器件的結(jié)構(gòu)均為氧化物條形分別限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH-SQW)。使用濺射方法在外延片表面沉積一層SiO2,然后用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)在SiO2表面刻蝕出100 μm寬的條形窗口。在外延片的p側(cè)沉積TiPtAu,從襯底一側(cè)減薄到約100 μm后,在n型一側(cè)沉積AuGeNi,400 ℃條件下合金1 min,腔面鍍膜(前后腔面的反射率分別為5%和95%),綜合解理,將篩選出的管芯p面向下固定在蒸In的熱沉上,熱沉固定于TO-3 管殼上并封裝。

選取封裝好的有鋁激光器和無鋁激光器單管分別在10 ℃,20 ℃,25 ℃,30 ℃,35 ℃,40 ℃,45 ℃,50 ℃,55 ℃,60 ℃下進(jìn)行P-I測試,測試結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同溫度下P-I特性曲線圖

因此得到有鋁激光器和無鋁激光器的閾值電流,如表1所示。

表1　有鋁激光器不同溫度下閾值電流測試結(jié)果

表2　無鋁激光器不同溫度下閾值電流測試結(jié)果

采用線性擬和法得到有鋁激光器和無鋁激光器的特征溫度T0,擬和曲線如圖2所示。

圖2　特征溫度擬和曲線

由擬和曲線得到半導(dǎo)體激光器單管的特征溫度T0如下

(2)

(3)

綜上所述,通過對上述激光器單管進(jìn)行了特征溫度測試,數(shù)據(jù)處理后得到激光器單管的特征溫度T0,無鋁激光器溫度特性T0明顯小于有鋁激光器。兩種材料的激光器芯片結(jié)構(gòu)及制作工藝均相同,可見影響其溫度特性差異的主要原因來自有源區(qū)載流子泄漏。有鋁激光器較之無鋁激光器能有效地將載流子限制在有源區(qū)中,GaAsP材料的帶隙差主要落在價帶,導(dǎo)致電子的限制能力變差減少漏電流,從而可大幅提高載流子的躍遷幾率,降低閾值電流。

3結(jié)束語

本文對InGaAsP/GaAs無鋁和AlGaInAs/AlGaAs/GaAs有鋁的808 nm大功率半導(dǎo)體激光器采用閾值電流法測量兩種有源區(qū)材料激光器的特征溫度。分別在10 ℃,20 ℃,25 ℃,30 ℃,35 ℃,40 ℃,45 ℃,50 ℃,55 ℃,60 ℃的溫度下測量激光器的P-I曲線,并采用線性擬合法得到閾值溫度線性關(guān)系,實驗結(jié)果得到有鋁激光器特征溫度為158.73 ℃高于無鋁激光器的135.14 ℃,并從材料禁帶寬度角度分析了造成此結(jié)果的可能原因。

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