大功率半导体激光器线阵列的研究

摘要

半导体激光器具有体积小，重量轻，效率高，寿命长等诸多优点，在国民经济的各方面起着越来越重要的作用。大功率半导体激光器阵列的重要应用是泵浦固体激光器。随着实际工程的发展，要求大功率半导体激光器阵列的输出功率越来越高，延长半导体激光器的使用寿命，提高半导体激光器的可靠性，增大半导体激光器的输出功率一直是科学工作者在半导体研究者中不懈努力和追求的目标。但由于半导体激光器单管的有源区体积小，输出功率受限于腔面毁灭性失效，一般单个的P-N结半导体激光器的输出能量是几，几十或几百毫瓦数量级，目前最好的是1-3W。因此，为了获得高的输出功率，唯一的办法就是采用SLD列阵，即在一个条状的半导体芯片上线状集成多个LD发射单元，即以激光条为基本单元。 在本论文中，首先从基本的物理概念出发，对应变量子阱激光器特性，大功率半导体激光器线阵列中耦合模理论，热损耗机理进行分析，得到了大功率半导体激光器线阵列中的热源和大功率半导体激光器的热特性。为了实现高输出功率，低阈值电流密度，高电光转换效率，主要从两个方面对InGaAs/GaAs应变量子阱激光器进行了优化设计和理论分析，分别为材料设计其包括外延片各层的生长厚度，各层的组分的掺杂浓度，和芯片结构设计其包括激光器线阵列的版图结构，发光单元的间隔单元的尺寸比例即占空比的设计。通过实验摸索出了大功率半导体激光器线阵列制作的工艺步骤及流程，重点介绍了芯片加工工艺主要步骤的实验情况，包括光刻，溅射，ICP刻蚀等工艺步骤。最后，对封装工艺进行简要介绍并利用微通道热沉做了相关的封装实验。 在激光器阵列的工艺实施中，着重研究了隔离槽深度与激光器线阵列的主要参数的相互影响，相互制约关系，通过隔离槽变深度实验找到了相关规律，及相对最佳隔离槽刻蚀深度，这对于激光器线阵列的工艺实施具有较为重要的意义。激光器线阵列的制作工艺过程较为复杂，不同于单管激光器的工艺步骤，通过实验找到了相对最佳的工艺步骤，这对于参数的优化和线阵列性能的提高很有益处。对于大功率半导体激光器线阵列而言，封装技术是十分重要的，我们深入研究了国际上和国内先进适用的最先进的散热技术和散热设备，如微通道热沉，并创造条件进行相应的结构分析和封装实验，这对于进一步优化线阵列的散热技术具有十分重要的现实意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1半导体激光器的发展历史

1.2应变量子阱激光器的发展历程

1.3半导体激光器的应用

1.4大功率半导体激光器阵列的应用及国内外发展现状趋势

1.4.1大功率半导体激光器阵列概述

1.4.2大功率半导体激光器阵列的应用

1.4.3大功率半导体激光器阵列的国内外发展现状

1.4.4大功率半导体激光器阵列的发展趋势

1.5本论文研究的主要内容及意义

第2章大功率半导体激光器阵列理论

2.1应变效应分析

2.1.1晶格失配与应变

2.1.2应变对能带结构的影响

2.1.3临界厚度

2.2 InGaAs应变量子阱激光器特性

2.2.1增益特性

2.2.2阈值电流特性

2.2.3偏振选择性

2.2.4温度特性

2.2.5温度特性

2.3大功率半导体激光器阵列耦合模理论

2.4本章小结

第3章980nm大功率半导体激光器线阵列结构设计

3.1单量子阱结构激光器结构设计及外延生长

3.1.1单量子阱结构组分和势阱宽度的确定

3.2半导体激光器线阵列的结构设计

3.3半导体激光器线阵列的隔离槽深度的设计

3.3.1电流扩展理论分析

3.3.2隔离槽变深度实验

3.4本章小结

第4章大功率半导体激光器线阵列工艺设计

4.1器件制备的工艺流程

4.2材料制备工艺——MOCVD简介

4.3芯片加工工艺——主要工艺介绍

4.3.1光刻

4.3.2溅射

4.3.3 PECVD淀积

4.3.4 ICP干法刻蚀

4.4本章小结

第5章大功率半导体激光器线阵列的封装研究

5.1微通道热沉简介

5.1.1微通道热沉设计原则及分类

5.1.2热沉材料的选择

5.1.3冷却液的选取

5.1.4微通道热沉的优化设计

5.2微通道热沉的相关理论

5.2.1微通道热沉的热模型分析

5.2.2微通道热沉的热阻

5.3半导体激光器线阵列封装实验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢