大功率9××半导体激光器特性优化研究

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1、文图书分类号：TN248.4密级：公开UDC：38学校代码：10005硕士学位论文MASTERDISSERTATION论文题目：大功率9xx半导体激光器特性优化研究论文作者：孔真真学科：电子科学与技术指导教师：崔碧峰副教授论文提交日期：2017年4月UDC：38学校代码：10005中文图书分类号：TN248.4学号：S201402054密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文题目：大功率9××半导体激光器特性优化研究英文题目：STUDYONPERFORMANCEIMPROVEMENTOF9××HIGHPOWERSEMICONDUCTORLASER论文作者：孔真真学科：电子科学与技术

2、研究方向：半导体光电子学申请学位：工学硕士指导教师：崔碧峰副教授所在单位：信息学部微电子学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：孔真真日期：2017年6月3日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有

3、权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：孔真真日期：2017年6月3日导师签名：崔碧峰日期：2017年6月3日摘要摘要大功率半导体激光器是一种应用广泛的光电子器件，具有体积小、寿命长、价格便宜等优点。在机械加工、材料处理、武器制造和激光显示等行业具有广泛的应用。目前电光转换效率是衡量大功率半导体激光器性能好坏的重要标准。较低的阈值电流，较小的内损耗和串联电阻是提高电光转换效率的重要措施。一般试验时不直接测量器件的电光转换效率，而是通过测量激光器的功率-电流（P

4、-I）曲线，通过其斜率（即外微分量子效率或斜率效率）来定性评估半导体激光器的质量。为了追求较大的功率，半导体激光器需要足够的腔长使光子在谐振腔内进行充分的振荡增益，但是器件腔长增加的同时杂质和缺陷也相应的增多，影响外微分量子效率。损耗分为内损耗和腔面损耗，其中内损耗包括有源区内自由载流子吸收损耗和溢出有源区的光子损耗。为保证器件性能，可以设计外延结构和后期工艺来减小器件的内损耗，阈值电流密度和串联电阻。其中减少器件的损耗是提高的外微分量子效率主要方法。为了优化上述限制输出功率的因子，本文提出一种大光腔非对称宽波导组分渐变结构的半导体激光器：（1）大光腔结构可以有效地增加光斑的横向

5、尺寸，减小腔面的光功率密度，减少光子的端面损耗，提高腔面灾变性损伤（COMD）阈值，同时由于增加了波导层厚度后，光场拓展，在有源区与限制层之间的异质结界面处的光场密度变小，减少了光子在界面处的散射、衍射和杂质吸收造成的光子吸收损耗。（2）非对称波导结构可以抑制高阶模激射，改善远场光束质量，同时由于P型载流子光的吸收系数是N型载流子的3~4倍，因此采用非对称波导可以减少光场与重掺杂区的重叠，减少自由载流子光吸收损耗，有效地抑制了器件的热饱和。同时P区波导是串联电阻的主要来源，在总波导厚度不变的情况下，适当减少P型波导厚度，增加N型波导厚度会使总的串联电阻减少。（3）通过优化波导层的

6、非掺杂厚度，减少波导层靠近量子阱处的掺杂厚度，进一步减少重掺杂造成的自由载流子吸收，同时腔面处的自由载流子吸收也有所降低，提高器器件抗COMD的水平。（4）增加组分渐变层可以优化异质结界面态，减少由于能级I北京工业大学工学硕士学位论文的突变带来的电压损耗和散射衍射损耗，同时可以优化异质结界面质量，优化器件性能。在波导层和限制层之间引入17nm的非掺杂组分渐变层，非掺杂可以减少自由载流子吸收，同时可以避免杂质扩散对内部量子效应的影响，同时减少P型限制层内的漏电流。半导体激光器单管的测试结果为：斜率效率为0.64W/A，40A电流下最大输出功率可达到20.08W，光谱线宽0.4nm，

7、内量子效率92.59%，内损耗达到1.14cm-1。在后期工艺中提出侧向深隔离槽结构，通过Comsol软件仿真电流的侧向限制，发现刻蚀深度超过外延层的深隔离槽结构对于提高电流的注入效率作用显著。测试得到4mm腔长半导体激光器单管的阈值电流密度可以达到78.95A/cm2，阈值电流可达到0.3A。30A电流注入时输出功率可以达到16.8W。关键词：半导体激光器；大光腔；低损耗，侧向限制；阈值电流密度；IIAbstractHighpowersemiconductorlaserisak