半导体激光器加速寿命测试系统研制

44瓦超高功率808 nm半导体激光器设计与制作仇伯仓，胡海，何晋国深圳清华大学研究院深圳瑞波光电子有限公司1. 引言半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。

与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上[1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右；2）体积小。

一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。

半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。

正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。

随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808 nm 以及9xx nm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。

高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。

器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。

本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。

2.高功率激光结构设计图1. 半导体激光外延结构示意图图2. 外延结构以及与之对应的光场分布图3. 量子阱限制因子与SCH层厚度之间的关系图4. 光束发散角与SCH层厚度之间的关系图1给出了一个典型的基于AlGaAs材料的808 nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区量子阱、AlGaAs波导以及AlGaAs包层材料组成，在材料选取上包层材料的Al 组分要高于波导层材料的Al组分，以保证在材料生长方向形成波导结构，即材料对其中的光场有限制作用（见图2）。

半导体激光器实验报告摘要：本文旨在通过对半导体激光器的实验研究，探索其基本原理、结构和性能，并分析实验结果。

通过实验，我们了解了激光器的工作原理、调制和控制技术以及其应用领域。

在实验过程中，我们测量了激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等参数，并对实验结果进行了分析和讨论。

1.引言半导体激光器是一种利用半导体材料作为活性介质来产生激光的器件。

由于其小尺寸、高效率和低成本等优点，半导体激光器被广泛应用于通信、光存储、医学和科学研究等领域。

本实验旨在研究不同结构和参数的半导体激光器的性能差异，并通过实验数据验证理论模型。

2.实验原理2.1 半导体激光器的基本结构半导体激光器由活性层、波导结构和光学耦合结构组成。

活性层是激光器的关键部分，其中通过注入电流来激发电子和空穴复合形成激光。

波导结构用于限制光的传播方向，并提供反射面以形成光腔。

光学耦合结构用于引导激光光束从激光器中输出。

2.2 半导体激光器的工作原理半导体激光器利用注入电流激发活性层中的电子和空穴，使其发生复合并产生激光。

通过适当选择材料和结构参数，使波导结构中的光在垂直方向形成反射，从而形成光腔。

当光经过活性层时，激发的电子和空穴产生辐射跃迁，并在激光器中形成激光。

随着光的多次反射和放大，激光逐渐增强，最终从光学耦合结构中输出。

3.实验步骤3.1 实验器材本实验使用的主要器材有半导体激光器装置、电源、光功率计、多道光谱仪等。

3.2 实验过程首先，将半导体激光器装置与电源连接，并通过电源控制激光器的注入电流。

然后，使用光功率计测量激光器的输出功率，并记录相关数据。

接下来，使用多道光谱仪测量激光器的光谱特性，并记录各个波长的输出光功率。

最后，调节激光器的注入电流，并测量波长调制特性。

完成实验后，对实验数据进行分析和讨论。

4.实验结果与分析通过实验测量，我们得到了半导体激光器的输出功率、光谱特性和波长调制特性等数据，并对其进行了分析。

实验结果显示，随着注入电流的增加，激光器的输出功率呈现出递增趋势，但当电流达到一定值后，增长速度逐渐减慢。

附件：首批广东省创新产品清单一、科研仪器设备序号产品名称产品型号/规格申报单位名称1 智滤池--无沉淀池式高效深层精密直滤水处理设备HJ1604ZL1-1 东莞市鸿捷环保科技有限公司2 全自动移液工作站Autopet 佛山市德淙科学仪器有限公司3 一键式快速测量仪BL-65 BL100 佛山市勾股动力信息技术有限公司4 移动式图像速测仪BL-200 佛山市勾股动力信息技术有限公司5 全不锈钢台式水平纵横搅拌真空挤出机TL-CXJ-SIISY11-11 佛山市泰纳机械设备有限公司6 半导体激光器可靠性寿命测试系统LD-1000-60 工业和信息化部电子第五研究所7 高功率汽车内饰/安全气囊激光切割机CMA2425C-GF-A/CMA2125C-FT广东大族粤铭激光集团股份有限公司8 超静音超声波清洗机GT SONIC-L30 广东固特超声股份有限公司9 HKM全自动菌落计数器SmartCounter-500/1000/1600 广东环凯微生物科技有限公司10 空气浮游微生物采样器HKM-II、HKM-II A、HKM-II B广东环凯微生物科技有限公司11 十八参数食品安全快速检测仪SAJ-R08/SAJ-R16 广东环凯微生物科技有限公司12 J-TECH氨法烟气脱硫超低排放装置JT-P-007 广东佳德环保科技有限公司13 基于脉冲电源的新型高效湿式电除尘器JT-P-006 广东佳德环保科技有限公司14 机械臂自动跟踪装置Q/JBB—JXB01—2017广东金贝贝智能机器人研究院有限公司15 3D打印机4060 广东丽格科技股份有限公司16 气体绝缘试验变压器HJQ-220 广东四会互感器厂有限公司17 近红外饲料成分快速分析仪星辰F3010 广东星创众谱仪器有限公司18 管腔道OCT影像诊断医疗设备奥思添光学断层成像系统OCTIS-10001、奥思添光学断层成像系统2.5mm探头OCTIS-100002A、奥思添光学断层成像系统1.7mm探头OCTIS-100002B广东永士达医疗科技有限公司19 建设工程安全监测平台（简称：监测平台）V1.0无广东质安建设工程技术有限公司20 珠宝检测仪GEM-3000 广州标旗电子科技有限公司21 恒温扩增荧光检测仪Deaou-308C 广州迪澳生物科技有限公司22 汽车部件热老化试验红外灯局部加热系统TG-1000-36 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基于双系统开源软硬件平台（卡片电脑）的研发与应用Firefly-Rk3288\Rk3288Reload 中山市天启智能科技有限公司191 安全型多功能激光打印机M6500/M6600/M6550/M6500NW/M6500N 珠海奔图电子有限公司192 智慧校园睿云桌面系统 1.2 珠海国芯云科技有限公司193 汽车发动机系统诊断仪6688D 珠海市吉大华普仪器有限公司194 万用表的智能背光电路的技术开发770A 珠海市吉大华普仪器有限公司195 一种新型智能万用表39B 珠海市吉大华普仪器有限公司196 尿流量监测仪WR8000 珠海威瑞医疗科技有限公司三、刑侦检测设备197 汇通人脸抓拍高清网络摄像机HT-IPC1500-FC 广东汇通信息科技股份有限公司198 天波智能信息采集终端TPS510/TPS550 广东天波信息技术股份有限公司199 物证安全保管箱（智能物证流转箱）BGX-ZY-01、BGX-ZY-02、BGX-ZY-03广东智源信息技术有限公司200 车载LTE手机测向系统CX-300CZ 广州慧睿思通信息科技有限公司201 车载多制式手机测向系统CX-210CZ 广州慧睿思通信息科技有限公司202 单兵LTE手机测向系统CX-300DB 广州慧睿思通信息科技有限公司203 单兵多制式手机测向系统CX-210DB 广州慧睿思通信息科技有限公司204 基于无人机犯罪现场三维重建分析系统SSE-2000 广州嘉崎智能科技有限公司205 多功能手印显现柜JAG-Ⅱ型/900升广州竞安电子科技有限公司206 无线指纹采集拍照系统DV6 广州明剑电子科技有限公司207 全天候警用热像仪P8 广州飒特红外股份有限公司208 海鑫现勘信息快速录入系统海鑫现勘信息快速录入软件V1.5广州市高奈特网络科技有限公司209 海鑫移动式多生物特征信息采集识别应用系统HX-B8197LP 、HX-B8197LR广州市高奈特网络科技有限公司210 手持式个体多生物特征信息采集综合识别终端HX-I6150CT 广州市高奈特网络科技有限公司211 通讯设备全数据采集（分析）仪M108A/108A/108B/108C/108D 广州市高奈特网络科技有限公司212 无线基站采集终端 1.5S、2.0、4.0 广州市高奈特网络科技有限公司213 360度无限制拍摄航拍无人机Voyager 3型广州市华科尔科技有限公司214 GPS/GIONASS双模航拍无人机Runner250型广州市华科尔科技有限公司215 TALIH500型GPS六轴航拍无人机TALIH500型广州市华科尔科技有限公司216 超远距离控制航拍无人机QR X350PRO 广州市华科尔科技有限公司217 智能化航拍无人机SCOUT X4 广州市华科尔科技有限公司218 开放式指静脉识别设备WDH-1100DS 广州微盾生物科技有限公司219 居民身份证自助办证机ZHY-S-20 广州卓腾科技有限公司220 卓视流动布控系统ZT-FS-6001 广州卓腾科技有限公司221 新型掌纹仪PM-100 MV1088 河源思比电子有限公司222 移动警务终端X3 深圳市海邻科信息技术有限公司223 信息安全矩阵网络管理平台CCT-9300 V1.0 深圳市华讯方舟软件信息有限公司224 智能视频研判预警机XS-CA2100 、XS-CA2110深圳市信义科技有限公司225 移动警务一体机EMP2901 深圳市雄帝科技股份有限公司226 CPC高性能计算机CPC-3813/CPC-3815/CPC-3816B 研祥智能科技股份有限公司227 IPC工业控制计算机IPC-810、IPC-820、IPC-860、IPC-620研祥智能科技股份有限公司228 轨道交通行业整机ERC-1004、ERC-1005研祥智能科技股份有限公司229 无风扇高性能嵌入式整机MEC-5071、MEC-5031-M研祥智能科技股份有限公司230 单反无线取景控制器F101/F102/CF101/CF102 珠海卡菲信息技术有限公司231 视频门禁系统FV9XX 珠海全视通信息技术有限公司四、反恐防爆设备232 宝龙牌防暴运兵车TBL5049XYB 广东宝龙汽车有限公司233 宝龙牌防弹运钞车TBL5035XYCF5、TBL5042XYCF5、TBL5040XYCF5、TBL5048XYCF4、TBL5045XYCF5广东宝龙汽车有限公司234 广宇科技智能枪弹柜系统QDGXY-GY02 广东广宇科技发展有限公司235 智能型弹药专用保险柜DG/Z-I-GYG2型、DG/Z-II-GYG2型广东广宇科技发展有限公司236 智能型枪弹一体专用保险柜QDG/Z-I-GYG2型、QDG/Z-II-GYG2型广东广宇科技发展有限公司237 智能型枪支专用保险柜QG/Z-I-GYG2型、QG/Z-II-GYG2型广东广宇科技发展有限公司238 加强型防暴盾牌FBP-JFJQ-A1型；FBP-TL-JFJQ-A2型;FBP-TS-JFJQ-Y1型广东军丰特种装备科技发展有限公司239 轮式折叠防弹墙FDQ-6R-YA001 广东邑安实业有限公司240 全防护防弹战术背心QFH-YA01 广东邑安实业有限公司241 一招擒敌——脉冲抓捕手套WTS-GL200 广州市卫通安全智能电子有限责任公司242 危险品图形识别检测预警V1.0 广州市新芯信息科技股份有限公司243 实时直播式执勤/监察眼镜摄像机S68 广州市耀中电子有限公司244 防护服WF-FHF01型广州卫富科技开发有限公司245 特种防暴盾牌FBP-TL- WF01型广州卫富科技开发有限公司246 像素人脸识别监控软件V2.0 广州像素数据技术股份有限公司247 “苍擒”系列无人机防控系统HHEE/DY-CQ01、HHEE/DY-CQ02海华电子企业（中国）有限公司、广州市东亚有限公司248 亚太赫兹人体安检仪TAI-30 华讯方舟科技有限公司249 科立讯DSJ-F9单警执法视音频记录仪DSJ-F9 科立讯通信股份有限公司250 非接触式情绪检测仪PD801 深圳科思创动实业有限公司251 排爆机器人追踪者三代、MR-5 深圳市安泽智能工程有限公司252 金特安环保不爆轮胎K28*10YC1808QH特警车、K20*6YC1206QH巡逻车深圳市金特安科技有限公司253 高精度高性能无线识别定位系统RA-UJZ2/PS001 深圳市润安科技发展有限公司254 防爆安全金融支付终端VPOS3352 深圳视融达科技有限公司255 沃捷（Volger）警用电子控制器（沃捷电子激发器）PRX-6沃尔吉国际科技发展（深圳）有限公司256 高精度无线自动语音报靶系统TWBX-1 中山市神剑警用器材科技有限公司五、消防设备257 逃生缓降器TH-30 东莞市红火安全科技有限公司258 应急照明集中电源（消防应急灯具专用应急电源）BK-D-30KVA、BK-D-10KVA 、BK-D-3.3KVA 、BK-D-3KVA、BK-D-2KVA佛山市柏克新能科技股份有限公司259 注氮控氧防火装置ZD6.4/20 广东锐捷安全技术股份有限公司260 多用途智能升降器TNL-2200 广东天浩科技有限公司261 电气火灾监控系统YDHM-A、YDH20D、YDH20P、YDH10P-T、YDH10N-1600R广东雅达电子股份有限公司262 化学洗消消防车RY5192TXFHX20 广东永强奥林宝国际消防汽车有限公司263 消防救援无人机x4-1050 广东中科瑞泰智能科技有限公司264 消防员电梯G.Wiz-F 广州广日电梯工业有限公司265 小型化消防用红外热像仪（HRYXJ-A）HRYXJ-A 广州飒特红外股份有限公司266 供泡沫液消防泵组XBC 15.8/150 P-SY 广州三业科技有限公司267 移动式消防用远程补水装置YBC3.0/444QFH、YBC4.5/250、YBC5.0/305FZHN、YBC6.0/333.3、YBC12.0/36广州三业科技有限公司268 智能化航拍无人机Voyager 4 广州市华科尔科技股份有限公司269 防火门监控器JK-100-YC、JK-300-YC广州市禹成消防科技有限公司270 自动跟踪定位射流灭火装置ZDMP0.25-5S-YC7、ZDMP0.65SYC30、ZDMP0.820SYC50、ZDMS0.840SEx-YC、ZDMS0.950SEx-YC广州市禹成消防科技有限公司271 消防应急标志灯具M-BLZD-2LROE I5WCAE、M-BLZD-1LROE I5WCAA、M-BLZD-1LROE I5WCAB、M-BLZD-1LROE I5WCAC、M-BLZD-1LROE I5WCAD江门市敏华电器有限公司272 多功能消防灭火机器人RXR-MC32D-1000 深圳市贝特尔机器人有限公司273 光电感烟火灾探测报警器JTY-GD-H369、JTY-GD-H366、JTY-GD-H365、JTY-GD-930、JTY-GD-S833深圳市泛海三江电子有限公司274 火灾报警控制器JB-QGL-9016、JB-QTL-9116、JB-QGL-9108、JB-QBL-FD220、JB-QBL-MN210深圳市泛海三江电子有限公司275 空心电抗器保护测控装置WDK100K 珠海蓝瑞盟电气有限公司276 组合式电气火灾监控探测器SPM53M 珠海派诺科技股份有限公司277 XIMO8000智能消防应急照明疏散指示系统XIMO8000 珠海西默电气股份有限公司278 消防独立式智能采集设备V1.0 珠海智城信息技术有限公司279 消防主机系统数据采集设备V1.0 珠海智城信息技术有限公司280 智城通用物联网关系统V1.0 珠海智城信息技术有限公司281 智城消防安全预警物联网系统V1.0 珠海智城信息技术有限公司282 智能监控终端（数字压力计）ZC1000/(0～1.6)MPa 珠海智城信息技术有限公司。

第50卷第4期2021年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.50㊀No.4April,2021高可靠性无铝有源层808nm 半导体激光器泵浦源刘㊀鹏1,2,3,朱㊀振2,陈㊀康2,王荣堃1,夏㊀伟2,3,徐现刚1,2(1.山东大学,新一代半导体材料研究院,晶体材料国家重点实验室,济南㊀250100;2.山东华光光电子股份有限公司,济南㊀250101;3.济南大学物理科学与技术学院,济南㊀250022)摘要:针对高功率808nm 激光器泵浦源的应用需求,设计并制备了InGaAsP /GaInP 材料体系的无铝有源区半导体激光器㊂使用双非对称的限制层及波导层结构,降低了P 侧材料的热阻及光吸收㊂优化了金属有机化学气相沉积(MOCVD)中As 和P 混合材料的生长条件,制备出界面陡峭的四元InGaAsP 单晶外延薄膜㊂制作的激光器室温测试阈值电流为1.5A,斜率效率为1.26W /A,10A 下的功率达到10.5W,功率转换效率为58%㊂连续电流测试最大功率为23W@24.5A,准连续电流测试最大功率为54W@50A,没有产生灾变性光学损伤(COD)㊂在15A 电流加速老化下,激光器工作4200h 未出现功率衰减及COD 现象,说明制备的无铝有源区808nm 激光器具有高可靠性的输出性能㊂关键词:无铝材料;高可靠性;InGaAsP;808nm;非对称;泵浦源;半导体激光器中图分类号:TN248.4㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2021)04-0757-05High Reliable Al-Free 808nm Semiconductor Laser Diode Pump SourceLIU Peng 1,2,3,ZHU Zhen 2,CHEN Kang 2,WANG Rongkun 1,XIA Wei 2,3,XU Xiangang 1,2(1.Institute of Novel Semiconductors,State Key Laboratory of Crystal Material,Shandong University,Jinan 250100,China;2.Shandong Huaguang Optoelectronics Co.,Ltd.,Jinan 250101,China;3.School of Physics and Technology,University of Jinan,Jinan 250022,China)Abstract :For 808nm high power laser used as pump source,Al-free active-region laser diode was designed and fabricated,consisting of InGaAsP /GaInP.In this work,a double asymmetric structure of cladding and waveguide layers to reduce the thermal resistance and optical loss of P-side layers were proposed.By optimizing the MOCVD growth of As and P hybrid material,InGaAsP single-crystal epitaxial film with steep interface was fabricated.The threshold current is 1.5A at room temperature and the slope efficiency is 1.26W /A.The output power is 10.5W at 10A and the power efficiency is 58%.Under continuous wave (CW)operation,the maximum output power is 23W@24.5A,while it can reach 54W@50A under quasi continuous wave (QCW)mode without catastrophic optical damage (COD).No power degradation or COD occurred for accelerated aging over 4200h at 15A,showing high long-term reliability of Al-free active-region 808nm laser diode.Key words :Al-free material;high reliabile;InGaAsP;808nm;asymmetric;pump source;semiconductor laser diode㊀㊀收稿日期:2021-03-01㊀㊀基金项目:山东省激光装备创新创业共同体项目㊀㊀作者简介:刘㊀鹏(1994 ),男,山东省人,硕士研究生㊂E-mail:seekersliupeng@㊀㊀通信作者:朱㊀振,博士,高工㊂E-mail:zhuzhen@ 徐现刚,博士,教授㊂E-mail:xxu@ 0㊀引㊀㊀言半导体激光器具有体积小㊁质量轻㊁效率高及易于集成等优点,在工业加工㊁智能传感㊁医养健康及固体和光纤激光器泵浦源等方面有着重要应用㊂其中808nm 半导体激光器是Nd 掺杂YAG 固体激光器的理想泵浦源,被广泛用于精细加工㊁雷达测距等领域[1-2]㊂除了激光器的功率和效率,可靠性是实际应用中最为关注的性能㊂随着激光器输出功率越来越高,灾变性光学损伤(COD)成为影响半导体激光器可靠性及寿命的关键因素㊂这和激光器的材料生长和腔面处理有直接关系㊂由于AlGaAs 材料生长工艺比较成熟,目前758㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷808nm激光器大部分使用AlGaInAs/AlGaAs作为有源层㊂但是含铝材料不稳定,极易氧化形成缺陷并在材料内部延伸造成器件失效㊂国际上,大功率808nm激光器一般都在腔面做特殊处理来控制缺陷的产生或延伸,如美国II VI公司的E2工艺[3],德国FBH研究所的H离子清洗工艺[4]㊂但特殊处理会带来复杂的工艺问题,降低良率,给808nm激光器的批量化生产增加难度㊂本文通过量产型金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长了InGaAsP/GaInP结构的808nm半导体激光器㊂由于有源区不含活泼性的铝元素,材料生长及腔面处理的工艺窗口较大,激光器的性能更加稳定和可靠㊂在15A电流加速老化下,激光器工作4200h未出现功率衰减及COD现象,10W工作寿命推测在40000h以上㊂本文是继承和发扬了蒋民华院士 为晶体提供泵源 的指导思想,不忘初心,通过各单位多年持久的产学研紧密结合,坚持创新,在山东华光光电子股份有限公司实现了规模化量产,满足了市场需求㊂同时开发了630~1100nm波段的多种半导体激光器泵浦源,其中808nm激光器由于具有优异的性能,是产业化较为成功的泵源之一㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀激光器结构如上所述,无铝结构的激光器在抑制体材料缺陷及提高腔面光学损伤方面有很多优势,但和传统的AlGaAs材料相比,InGaAsP/GaInP材料也有一些短板㊂根据JDSU的研究[5],GaInP材料的热导率是0.08W/(cm㊃K),为Al0.25Ga0.75As材料的一半,而其相同掺杂浓度下的电导率也要低于AlGaAs材料,这会影响激光器的高功率和高转换效率输出㊂在激光器外延结构设计上采用双非对称结构,如表1所示,P侧GaInP波导层的厚度要小于N侧GaInP波导层的厚度,P型AlGaInP限制层的Al组分要高于N型AlGaInP 限制层的Al组分㊂这不仅使光场偏向N区,降低空穴对光子的吸收,同时还能缩减P侧的外延层厚度,降低P区外延层的热阻及电阻㊂GaInP波导层中间为一层8nm厚度的InGaAsP单量子阱㊂InGaAsP材料可以通过调节III族及V族原子的组分实现量子阱的压缩和伸张应变,进而得到不同的激光偏振模式㊂为获得更低的阈值电流密度,可以使用压应变的InGaAsP量子阱㊂表1㊀808nm激光器的外延结构Table1㊀Epitaxial structure of808nm laser diodeLayer Material Thickness/nm Doping/cm-3Contact GaAs200>1ˑ1019P-cladding Al x Ga0.5-x In0.5P9001ˑ1018P-waveguide Ga0.5In0.5P400Quantum well InGaAsP8N-waveguide Ga0.5In0.5P800N-cladding Al y Ga0.5-y In0.5P15001ˑ1010Buffer GaAs2002ˑ1018为满足激光器耦合进入400μm芯径的光纤的需求,激光器发光区的宽度设计为390μm,周期为750μm,腔长为2mm㊂1.2㊀激光器制备外延材料生长使用量产型MOCVD系统㊂衬底为偏向<111>A方向15ʎ的GaAs(100)晶面,可以有效抑制GaInP材料的有序结构,增加材料生长窗口㊂III族有机源采用三甲基镓(TMGa)㊁三甲基铝(TMAl)和三甲基铟(TMIn),V族源材料为砷烷(AsH3)和磷烷(PH3),N型掺杂为Si,P型掺杂为Mg㊂外延层生长过程的温度控制在600~700ħ,反应室压力为104Pa㊂量子阱是整个激光器结构的核心,其生长质量决定了激光器的性能㊂InGaAsP为四元材料,且AsH3和PH3在不同生长条件下的分配系数差别较大,需要对量子阱的生长方式进行特殊设计㊂如图1所示,通过优化量子阱及两侧界面的生长温度及气流切换方式,得到界面陡峭的InGaAsP量子阱㊂外延层的结晶质量和表面状态也会影响激光器的性能参数㊂图2是经过优化后㊀第4期刘㊀鹏等:高可靠性无铝有源层808nm半导体激光器泵浦源759㊀的单层GaInP的原子力显微镜(AFM)照片,可以看到外延层的表面非常平整,粗糙度Ra仅为0.13nm,很接近外延生长前的GaAs衬底表面㊂图1㊀GaInP/InGaAsP量子阱的TEM照片Fig.1㊀TEM image of GaInP/InGaAsP quantum well图2㊀GaInP外延层的AFM照片Fig.2㊀AFM image of GaInP epitaxial layer 外延片生长完成以后进行芯片工艺的制作㊂使用湿法腐蚀工艺形成390μm的宽条,并在宽条两侧覆盖SiO2绝缘膜,形成电流注入区㊂P面金属电极为Ti/Pt/Au,N面金属电极为Ge/Ni/Au㊂解理成2mm腔长的巴条,使用电子束蒸发设备在前后腔面分别蒸镀5%的增透膜及98%的高反膜㊂解离成管芯,P面朝下烧结于AlN陶瓷材料的AuSn热沉上㊂2㊀结果与讨论为验证设计的外延结构及生长的材料质量,测试并计算了芯片的内量子效率和腔内损耗㊂将工艺晶片分别解理成1.0mm㊁1.5mm㊁2.0mm㊁2.5mm四种腔长的巴条,在未镀膜的条件下,利用脉冲电流分别测试它们的斜率效率和阈值电流,然后通过数值拟合,得到图3和4的曲线㊂通过计算得到芯片的内量子效率ηi 为97%,光吸收损耗系数αi为1.1cm-1,透明电流密度J tr为96A㊃cm-2,模式增益系数ΓG0为15cm-1㊂这个结果同德国Jenoptik公司及FBH研究所报道的808nm激光器结果是接近的[6-7]㊂图3㊀外微分量子效率和腔长的拟合曲线Fig.3㊀Curve of external differential efficiency and cavity length图4㊀阈值电流密度和腔长的拟合曲线Fig.4㊀Curve of threshold current density and cavity length图5为封装后的808nm激光器在25ħ条件下的功率-电流-电压曲线㊂从图中可以看出,激光器的阈值电流为1.5A,对应的阈值电流密度为192A㊃cm-2㊂激光器的斜率效率为1.26W/A,对应的外量子效率为82%㊂在10A电流下,激光器的输出功率达到了10.5W,电压1.82V,转换效率为58%㊂图6为热沉温度分别是25ħ㊁35ħ㊁45ħ及55ħ下的功率及电压曲线㊂随着温度增加,激光器的载流子溢出变得严重,阈值电流会增加,斜率效率会下降㊂由于P型限制层使用了高带隙的AlGaInP材料,高温下可以很好地将载流子限制在有源区内,激光器在55ħ及10A电流下的输出功率仍达到了9.3W,具有较好的温度特性㊂图7是激光器在10A电流下测试的光谱曲线㊂其峰值波长为807.9nm,光谱的半高宽(FWHM)为1.7nm㊂图8是激光器的远场特性测试㊂激光器工作时的水平发散角为9ʎ,垂直发散角为31ʎ㊂760㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷图5㊀808nm LD的功率-电流-电压曲线Fig.5㊀Power-current-voltage curves of808nm LD图6㊀不同温度下的808nm LD功率曲线Fig.6㊀Power curves of808nm LD at different temperatures图7㊀808nm LD的光谱曲线Fig.7㊀Optical spectrum of808nm LD图8㊀808nm LD的远场发散角Fig.8㊀Far field angle of808nm LD图9㊀CW及QCW大电流测试下的功率曲线Fig.9㊀Power curves at high current CW and QCW testing图10㊀激光器加速老化曲线Fig.10㊀Accelerated aging curves of the laser 808nm的大功率激光器一般在工业及特种行业中作为泵浦源使用,需要具有高的可靠性㊂由于大功率激光器的主要失效模式为COD造成的突然失效,其COD功率是影响激光器可靠性的重要因素㊂在实验中,可以通过大电流测试考评激光器的COD水平㊂图9为连续电流(CW)及准连续电流(QCW,脉宽1ms,周期100ms)模式测试下的激光器功率曲线图㊂受限于测试电源的最大电流,激光器在CW24.5A下功率达到了23W,在QCW50A下的功率达到了54W,并且两种测试方式均没有COD产生,说明制作的808nm激光器的腔面COD功率在54W以上,具有高的抗腔面光学损伤特性㊂激光器的寿命和稳定性可以通过提高电流或温度的加速老化方式进行快速考评㊂由于808nm激光器的主要失效原因是腔面COD,提高电流(功率)的加速方式更能反映808nm激光器的可靠性水平㊂国内外同行大部分使用12A以内的加速电流进行老化[6,8-9],鉴于无铝结构激光器在抗腔面光学损伤方面的优势,使用更高的15A加速电流㊂图10是10只㊀第4期刘㊀鹏等:高可靠性无铝有源层808nm半导体激光器泵浦源761㊀808nm激光器在15A电流㊁水冷温度25ħ下的在线监控老化曲线㊂经过4200h的老化,激光器没有出现功率衰减及突然失效现象㊂通过文献所用的加速因子计算方法[10],推算808nm激光器在10W下的寿命为40000h以上,12W下的寿命也在20000h以上㊂3㊀结㊀㊀论本文使用MOCVD方法生长了高质量的InGaAsP/GaInP材料体系的激光器外延片,并制作了390μm条宽及2mm腔长的器件㊂室温测试阈值电流为1.5A,斜率效率1.26W/A,10A下的功率达到10.5W,转换效率为58%㊂CW电流测试最大功率为23W@24.5A,QCW电流测试最大功率为54W@50A㊂在15A电流加速老化下,激光器工作4200h未出现功率衰减及COD现象,推算808nm激光器在10W下的寿命为40000h以上,12W下的寿命在20000h以上㊂参考文献[1]㊀陈良惠,杨国文,刘育衔.半导体激光器研究进展[J].中国激光,2020,47(5):13-31.CHEN L H,YANG G W,LIU Y X.Development of semiconductor lasers[J].Chinese Journal of Lasers,2020,47(5):13-31(in Chinese).[2]㊀宁永强,陈泳屹,张㊀俊,等.大功率半导体激光器发展及相关技术概述[J].光学学报,2021,41(1):0114001.NING Y Q,CHEN Y Y,ZHANG J,et al.Brief review of development and techniques for high power semiconductor lasers[J].Acta Optica Sinica,2021,41(1):0114001(in Chinese).[3]㊀EPPERLEIN P W.Semiconductor laser engineering,reliability and diagnostics[M].John Wiley&Sons Ltd:Wiley,2013.[4]㊀CRUMP P,WENZEL H,ERBERT G,et al.Passively cooled TM polarized808nm laser bars with70%power conversion at80W and55Wpeak power per100μm stripe width[J].IEEE Photonics Technology Letters,2008,20(16):1378-1380.[5]㊀PETERS M,ROSSIN V,ACKLIN B.High-efficiency high-reliability laser diodes at JDS Uniphase[C]//Lasers and Applications in Science andEngineering.Proc SPIE5711,High-Power Diode Laser Technology and Applications III,San Jose,California,USA.2005,5711:142-151.[6]㊀PIETRZAK A,HüLSEWEDE R,ZORN M,et al.High-power single emitters and low fill factor bars 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大功率半导体激光器的寿命与可靠性研究随着科技的不断发展，大功率半导体激光器在许多领域中被广泛应用，如通信、激光加工、医疗等。

然而，无论在任何应用领域中，激光器的寿命和可靠性都是一个非常重要的研究方向。

本文将从大功率半导体激光器的寿命和可靠性两方面进行探讨。

一、大功率半导体激光器的寿命研究1.温度：温度是影响激光器寿命的重要因素之一、过高的温度会导致激光器内部的电流密度过大，使得半导体材料产生过多的载流子，从而增加激光器的老化速度。

2.电流：电流是激光器工作的重要参数，合理的驱动电流可以保证激光器的稳定性和寿命。

过大的电流会导致激光器产生过多的热量，从而影响激光器的寿命。

3.封装方式：封装方式是影响激光器寿命的重要因素之一、合理的封装方式可以有效降低激光器的工作温度和电流密度，从而延长激光器的寿命。

4.波长：不同的波长对激光器的寿命影响也是不同的。

一般来说，对于同一类型的激光器，较长波长的激光器寿命较长。

为了研究大功率半导体激光器的寿命，可以采用以下方法：1.寿命测试：通过长时间的连续工作来测试激光器的寿命。

在测试过程中，可以记录不同时间段的激光输出功率，通过对比分析来评估激光器的寿命情况。

2.温度测试：通过改变激光器的工作温度，来研究温度对激光器寿命的影响。

可以通过调整激光器的驱动电流来改变激光器的工作温度，进而分析激光器的寿命变化。

二、大功率半导体激光器的可靠性研究1.应力：激光器工作过程中产生的应力是影响激光器可靠性的重要因素之一、应力会导致激光器内部材料的变形和疲劳，从而影响激光器的性能和寿命。

2.防护措施：合理的防护措施可以有效保护激光器免受外界环境的干扰，从而提高激光器的可靠性。

例如，通过加装冷却装置来降低激光器的工作温度，或者对激光器进行防尘、防湿等处理。

3.设计结构：合理的激光器设计结构可以降低应力集中的情况，从而提高激光器的可靠性。

例如，采用微梁结构可以减少应力集中，提高激光器的可靠性。

基于阿雷尼乌斯模型开展的加速寿命试验激活能研究吴兆希;韩晓东;朱恒静;白璐【摘要】目前\"长寿命\"已成为航空航天产品的通用要求,而整个系统的长寿命很大程度上取决于电子产品的寿命,Arrhenius模型是使用最为广泛的用于预计电子产品寿命的加速寿命试验方法之一.而在使用Arrhenius模型时,激活能一般都参照美军标中的参考值取0.5～0.7eV,该数值表征产品的失效机理.本文基于国内90年代建成的某模拟集成电路生产线生产的一款运算放大器,通过多组试验数据,拟合计算其激活能Ea,并用相同试验方法拟合出基于同一生产线的AD转换器、驱动器的激活能Ea,通过对比得出激活能Ea与哪些因素相关.【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】4页(P30-33)【关键词】模拟集成电路;阿雷尼乌斯模型;激活能【作者】吴兆希;韩晓东;朱恒静;白璐【作者单位】中国电子科技集团公司第二十四研究所重庆 400060;航天五院物资部北京 100086;航天五院物资部北京 100086;中国电子科技集团公司第二十四研究所重庆 400060【正文语种】中文【中图分类】TB114.3引言由于目前航空航天系统都面临长寿命、高可靠的要求，因此对使用的原材料也提出了相应要求，电子元器件作为航空航天产品的重要组成部分，目前也有长寿命、高可靠的相应要求。

但是如何预测电子产品，特别是电子元器件的寿命是否满足长寿命要求？加速寿命试验是最为常用的方法，Arrhenius模型是其中使用最为广泛的用于预计电子产品寿命的加速寿命试验方法之一，在使用Arrhenius模型进行寿命预计时，激活能Ea的取值极为关键，它表征了产品的失效机理，一般情况下参照美军标中给出的参考值取0.5～0.7 eV，而对于不同生产线水平生产的不同种类、不同功能的产品，Ea参照美军标取0.5～0.7 eV可能并不符合产品的真实情况，从而出现寿命预计结果并不准确的情况。

大功率半导体激光器加速寿命测试方法说实话大功率半导体激光器加速寿命测试方法这事儿，我一开始也是瞎摸索。

我试过好几种方法呢。

最开始我就想着简单点，提高它的工作温度和工作电流，想着这样不就能加速它的老化过程，测试出寿命了嘛。

结果可惨了，好多激光器直接就坏掉了，根本不是正常的衰老过程。

后来我才明白，这就好比人跑步，你不能一下子让他从慢跑变成冲刺，得有个过渡。

那我就调整了策略。

我先慢慢地提高工作温度，一点一点来，一小步一小步的。

这就像给它的工作环境慢慢升温，从春天到夏天那样。

然后观察它的一些性能参数，像输出功率、波长这些。

我发现不同的激光器在这个缓慢升温过程里反应还不太一样。

这时候我犯了个错，我没有好好记录每一个阶段每个激光器的单独参数，后来分析的时候就特别乱。

后来我就学聪明了。

我给每个激光器都做了个小档案，就像每个人有个小病历本一样。

每次调整温度或者电流，就把它的表现写在上面。

在增加电流的时候也是小心翼翼的，先增加一点点，稳定一会儿再继续增加，就像给气球慢慢打气一样，太急了气球就爆了。

另外，我还考虑到环境因素。

之前我忽略了湿度对它的影响。

我有一种激光器放在一个湿度有点高的地方测试，结果它的寿命比放在干燥地方的同类激光器要短很多。

所以我后来就特别注意控制测试环境的湿度，把湿度保持在一个稳定的值。

还有一个小技巧我发现的。

就是在测试过程中，偶尔让激光器休息一下，就像人工作也需要休息一样。

这样它可能更能真实地反映出正常使用下的寿命情况。

不过这一点我还不是很确定，我觉得可能还需要更多的测试来验证。

我还试过改变激光器的散热条件来加速测试。

不过这个我得提醒一下，要是散热一下子变得很差，激光器特别容易坏。

就好像人在很热的环境里没有空调一样，身体很容易出问题。

我得试着找到一个合适的散热条件改变范围，既能加速寿命测试，又不会让激光器莫名其妙地坏掉。

我现在还在不断摸索，希望这些经验能给你们一点启发。