1060nm隧道级联多有源区高功率半导体激光器工艺设计与制备

论文摘要

目前,1060nm激光器应用十分广泛,如激光测距、激光医疗等,但多采用Nd:YAG等固体激光器,体积一般较大,重量通常在几千克到几十千克不等。近年来,短距离测距与瞄准系统正向大功率、小型化发展,要求1060nm激光器具有高效率、小尺寸和窄发散角等特性。而半导体激光器体积小、转换效率高、成本低,使得研究1060nm半导体激光器来取代固体激光器成为可能。因此,提出并制备高功率高效率的多有源区隧道级联1060nm半导体激光器,并制备迷你巴条,以提高器件的最大输出功率。本文的主要工作内容如下:1、优化隧道级联半导体激光器外延结构。模拟非对称大光腔外延结构的光场和折射率分布,外延结构采用1.4μm非对称大光腔结构,使有效光斑尺寸增大,远场发散角减小,提高COD阈值功率,抑制高阶模,减小内损耗。在隧道结内引入双量子阱,并制备优化前后的隧道结器件,证明优化后器件反偏电阻更低。2、对1060nm隧道级联多有源区半导体激光器进行制备工艺设计。从提高器件功率,解决COD、电热烧毁和电流和载流子侧向扩展入手,根据制定的工艺流程,分别对隔离双沟、脊形台、电极窗口、解理线以及腔面镀膜工艺进行设计,为了保持器件小尺寸,提出制备迷你巴条来进一步提高功率,并设计版图。3、对1060nm隧道级联多有源区半导体激光器进行工艺优化。对清洗、光刻、腐蚀、ICP、溅射、合金退火、烧结封装等工艺进行优化,采用优化工艺进行隔离双沟、脊形台、电极窗口和芯片电极的制备,发光单元条宽为200μm,侧向周期为500μm,解理成腔长为1mm的厘米条后进行腔面镀膜,其中增透膜和高反膜的反射率分别为10.5%和98.5%,之后解理芯片,分别将芯片p面向下烧结在C-mount热沉上,并封装到TO3管座上。4、对1060nm隧道级联多有源区半导体激光器和迷你巴条进行测试。室温下脉冲测试,脉宽20μs,频率20Hz。双有源区激光器在17.5A的电流下功率为16.71W。三有源区激光器在12A的电流下功率为19.26W。侧向宽度为1.5mm迷你巴条器件在28A电流下功率达到47.76W。结果表明,采用横向隧道级联多有源区和侧向迷你巴条结构是提高半导体激光器输出功率并减小体积的有效途径。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 半导体激光器发展

1.2 隧道级联半导体激光器

1.2.1 隧道级联半导体激光器的原理及优点

1.2.2 隧道级联半导体激光器研究进展

1.3 1060nm高功率半导体激光器

1.4 本论文主要工作内容

第2章半导体激光器的基础原理

2.1 半导体激光器的基本工作原理

2.2 半导体激光器激射三要素

2.2.1 粒子数反转

2.2.2 谐振腔

2.2.3 光增益大于光损耗

2.3 半导体激光器的主要特征参数

2.3.1 半导体激光器中的工作效率

2.3.2 半导体激光器的主要电学特性参数

2.3.3 半导体激光器的主要光学特性参数

2.4 本章小结

第3章 1060nm隧道级联多有源区高功率半导体激光器的外延结构

3.1 1060nm隧道级联多有源区半导体激光器外延结构

3.2 模拟外延结构的近场分布

3.3 隧道结外延结构以及测试结果

3.4 本章小结

第4章 1060nm隧道级联多有源区高功率半导体激光器的工艺设计

4.1 总体工艺流程设计

4.2 光学灾变损伤

4.2.1 光学灾变损伤的原理

4.2.2 芯片尺寸设计

4.2.3 电极窗口设计

4.2.4 腔面镀膜

4.3 电热烧毁

4.3.1 电热烧毁的原理

4.3.2 脊形台设计

4.4 电流和载流子侧向扩展

4.4.1 电流和载流子侧向扩展的原理

4.4.2 隔离双沟设计

4.5 增加有源区数目

4.6 版图设计

4.7 本章小结

第5章 1060nm隧道级联多有源区高功率半导体激光器的工艺优化

5.1 多有源区激光器工艺制备难点

5.2 多有源区激光器工艺制备过程

5.2.1 清洗

5.2.2 刻蚀隔离双沟

5.2.3 刻蚀脊形台

5.2.4 刻蚀电极窗口

5.2.5 欧姆接触

5.2.6 解理和腔面镀膜

5.2.7 器件封装

5.3 本章小结

第6章 1060nm隧道级联多有源区高功率半导体激光器的制备

6.1 条宽100μm腔长2mm的未镀膜器件测试结果

6.2 条宽200μm腔长1mm的未镀膜器件测试结果

6.3 条宽200μm腔长1mm的镀膜器件测试结果

6.3.1 小电流测试

6.3.2 大电流测试

6.4 三有源区隧道级联半导体激光器迷你巴条测试结果

6.5 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

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王梦欢

导师: 李建军

关键词: 激光测距,半导体激光器,隧道级联,高功率,小尺寸,迷你巴条

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 北京工业大学

分类号: TN248.4

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000510

总页数: 79

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1060nm隧道级联多有源区高功率半导体激光器工艺设计与制备

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