第29卷 第5期 激光与红外V o l.29,N o.5 1999年10月 LA SER & I N FRA R ED O ctober,1999
The D evelop m en t of Se m iconductor La sers
王 莉3 张以谟 吴荣汉 余金中
(中国科学院半导体研究所，北京100083 3天津大学精密仪器系)
摘 要 文中概述了近年来国际上半导体激光器的发展趋势及各种不同的半导体激光器的具体技术指标。
关键词 激光技术，半导体激光器，分布反馈，量子阱，垂直腔面发射。 Abstract In the paper,the autho r described the developm ent trends of sem iconducto r lasers,som e i m po rtant data are p resented.
Keywords laser techno logy,sem iconducto r laser, D FB,QW,V CSE.
1 - 族氮化物材料激光器
由于短波长蓝光发光器件在光存贮、全光显示等领域的巨大潜力和市场应用前景，引起人们的极大兴趣。这使GaN系材料及器件的研究蓬勃开展，成为半导体领域的最大热点之一[1,2]。 1998年日本日亚化学工业公司的N aka2 m u ra报告了经过技术改造后的新型激光器[1,3]。他采用双流、低压M OV PE的外延层生长(ELO G)工艺将GaN层生长在蓝宝石衬底上，待芯片生长结束后再将蓝宝石衬底去除，这样便于形成解理面并降低器件热阻，因而极大地改善了器件寿命。该ELO G技术可以将GaN层的缺陷水平降低几个量级达到108～1010c m-2。其器件结构采用调制掺杂双量子阱脊形波导超晶格结构。它由多于720个M OV PE层的GaN、A lGaN、InGaN外延层组成。详见表1
表1 - 族氮化物激光器
厂商产品
类型
波长
(nm)方式
工作
电压
工作
电流
输出
功率
阈值
电流
阈值电
流密度
阈值
电压
寿命工艺
完成
时间
日亚
装载机称重系统GaN
lGaN
InGaN
408CW420mW1.2kA c m2250h 50℃ELO G1998年6月
2mW6000h 20℃
日亚GaN4005V50mA5mW40mA1000h1995年12月Fujitsu InGaN408.2脉冲84mA5.6A c m212V
CW115mA10.5V1m in
2 分布反馈(D FB)激光器及InP基激光器美国SDL公司的H eon su Jeon等人研制了与垂直模式扩束器相集成的1.55Λm D FB-LD。其特点是在有源区及无源脊形波导区之间生长垂直锥形区，形成具有窄发散束剖面的激光器。美国O rtel公司的T.R. Chen等人研制的适于长距离传输的高功率1.55ΛmD FB-LD。
日本N EC光电研究室的K.Kobayash i 等人研制出同一芯片上的多波长D FB2LD。其光栅采用精密计算机控制的电子束(EB)刻蚀，最小刻蚀精度为0.0012nm。获得了从1519.6nm至1563nm的非常宽范围
3王 莉 (1943)女，汉，高级工程师,1968年毕业于哈尔滨工业大学精密仪器系。多次获得国家级和中国科学院奖励。一直从事国家“八六三”计划信息领域光电子主题的信息研究工作，并担任《光电子简报》副主编。
本刊于1998年5月收到
(43.4nm)的激射，信道间隔1.72nm。
美国SDL公司的M eh rdod ziari等人研
制了高功率窄线宽1.3ΛmD FB2LD。见表2
表2 D FB激光器
厂商产品类型波长远场发散角输出功率耦合
损耗
线宽
相关强度
噪声(R I N)
阈值
电流
阈值电
电梯广告框
流密度
SDL D FB2LD1.55Λm1.9°⊥×13°∥80mW(单模)2.2dB
SDL D FB2LD1.3Λm 220mW芯片
110mW耦合
>100kH z
-158.6dB H z
(2.5GH2时)
O rtel D FB2LD1.55Λm(CN)108mW耦合
Ferdinda 2B raun DBR可调
激光器
1.06Λm80mW104mA53A c m2
30mW
0.85M H z～
300GH z
德国T echno logiezen trum的S.Jochum 等人[9]首次采取了以N2代替H2作为载气，在M OV PE生长中极大改善了组份均匀性。该技术被应用到横向反应器低压M OV PE生长的InP上应变补偿InGaA sP M QW结构中，其中，波长为1.55Λm10QW激光器，在50mm直径片上大于40mm直径范围内的典型波长偏差(Κ)从6.5nm(H2载气)下降至0.55nm(N2载气)，降为原来的1 10，层厚均匀性∃d d<1%。这是迄今所报导的最均匀值之一。该技术相应的非镀膜掩埋折射率耦合1.55Λm D FB单模激光器中获得了18℃下23mA的非常低的阈值电流，该值相当于67A c m2 阱的阈电流密度(L=230Λm、b= 1.5Λm)和T o=80K的高特征温度。单面镀A R膜的D FB2LD在200mA注入电流下实现了大于40mW(C W)和60mW(脉冲)的输出功率。
3 红可见光激光器
众所周知，发射波长越短的激光器越有利于高密度信息存储。日本三洋(SAN YO)公司微电子研究中心的R.H iroyam a等人制出了同时实现大功率输出和高温工作的630nm A lGa InP激光器。器件采用应变补偿单量子阱(SC2SQW)有源区，能够有效降低阈值电流。其Ga InP量子阱为张应变,A l2 Ga InP垒层为压应变。器件具有稳定的基横模输出。此外日本、美国、德国一些单位也取得了很大进展。详见表3
表3 红可见光激光器
厂商产品发散角波长阈值
电流
斜率
效率
工作
寿命
最大输出
光功率(COD时)
工作
电流
环境温度
sanyo A lGa InP630nm38mA1.0W A>1000h72mW,30mW(75℃时)
N EC30°⊥×7.8°∥635nm>1500h5mW50mA60℃
松下650nm132和87mW
SDL640～650nm>500h30mW(CW)50℃
东芝33°⊥×8.5°∥650nm75mA(CN)>5000h5mW85mA-10℃～60℃Xerox QW670nm13mA>30%CW33mW15°～50℃SDL D FB660nm0.5W脉冲,200mW(CW)
Stnltgart D FB2
M O PA
670nm10.5mA66%
(在673nm处)300mW(一
菜罩般只有几十毫瓦)
4 垂直腔面发射激光器(V CSEL)
美国Sandia国立实验室的H.Q.Hou 等人研制的氧化物限制V CSEL，由于采用了
3200型转盘式反应室，优化了M OV PE技术，生长出高均匀性的V CSEL材料。其厚度和组份控制精度优于0.5%,770和840nm波长的V CSEL run2 2的重复率误差为±0.3%。采用
862激光与红外 第29卷
GaA s作QW和DBR反射镜层的全A l2 GaA s705nm V CSEL在R T、C W、3×3Λm2窗口面积时的I th=1.3mA、V th=2.1V,4mA 工作电流下输出功率为0.45mW。采用In2 GaA s GaA sP应变补偿量子阱的1.06Λm V CSEL在R T、C W、2.5×2.5Λm2窗口条件下的I th=190ΛA、V th=1.225V。其8×8V CSEL列阵的阈值电流和输出功率的变化率约为±1%。美国南Califo rn ia大学的Chao2Kun L in等人研制的850nm A l A s氧化物限制V CSEL。以A l x O y分别制成3.5×3. 5Λm2、9×9Λm2和14×14Λm2的电流窗口。以N H3OH:H2O2(5 1)和HCL H2O(1 1)溶液分别用于腐蚀作为反射镜的A l0.22Ga0.78A s 和A l0.93Ga0.07A s。采用上述技术后器件有极高的外量子效率，如去除6对顶部DBR反射镜则外量子效率达50%，但阈值电流也提高了200ΛA，在5mA驱动电流下输出功率由1. 1mW升至2.9mW；如腐蚀掉7对顶部DBR，则外量子效率上升至74%，但阈值电流也有2mA的损失。
表5 封装后的V CSEL特性，器件编号I A444
参 量典型值
工作温度范围0～+70℃
峰值波长840nm
波长2温度系数0.06nm ℃
光谱线宽0.5nm
光束发散角15°
正向偏压1.8V
阈值电流3.5mA 0270℃的阈值电流变化率±0.6mA
输出光功率1.5mW
0270℃的光功率变化率±0.7dB
5 高功率无铝激光器
以无铝取代含铝的高功率激光器是一大趋势。也是研究的热点。无铝激光器的优点是：已证实以Ga InP替代GaA l A s作复盖层具有良好的热学和电学传导性；其非辐射表面复合速度相对低；非钝化端面不易被氧化等。因此，退化速度极慢，问世不久即在寿命及功率方面显现出强大的生命力。
美国W iscon sin2M adison大学的J.K.
W ade等人的0.805Λm有源区无铝激光器，其芯长1mm、宽100Λm；镀膜端面(A R HR)反射率为10% 90%，在热沉温度10℃时输出功率为6.1W。在灾变光学镜损伤(COM D)处的功率密度P COMD约为15MW c m2，这个值比相应的A lGaA s基器件的～8MW c m2提高近一倍。器件有T o=135K(直至80℃)的极好的特征温度，和65%的极好的微分效率。德国Ferdinand2B rau研究所的G.E rbert等人采用在A lGaA s波导中嵌入无应变或压应变无A l的InGaA sP SQW的办法制出了发射波长800nm的低阈值电流密度(J th<200A c m2)、高输出功率(Pm=4.7W)、高效率(斜率效率=1.2W A、Γd≈25%)激光器。该器件腔长1500Λm，所有器件的垂直发散角均小于25°。
日本的Fu rukaw a电器公司的S.
A rakaw a等人首次研制出具有应变层Ga InA sP2M QW的980nm激光器。以Ga InA sP SL2QW代替Ga InA s QW拓宽了器件的自由度。器件阈值电流为24mA，其相应的阈电流密度为600A c m2；输出光功率超过100mW没出现灾变损伤(COD)，其内量子效率和内部损耗分别为0.98和6.8c m-1。
6 中红外半导体激光器和量子级联激光器美国麻省理工学院林肯实验室的H.K. Cho i等人研制了波长在2～5Λm的锑化物基中红外激光器。其中2Λm的Ga InA sSb A l2 GaA sSb应变QW激光器连续输出功率大于1W；激射波长3.2～3.55Λm的低温激光器，其应变QW由InA sSb阱和InA l A sSb垒组成，衬底材料为InA s。其单面连续波输出功率为215mW(80K)、阈值电流密度(脉冲)为30A c m2(80K)、特征温度T o=30～40K、最高工作温度为225K；波长为3.9Λm的器件的QW材料同上，但衬底材料为GaSb，其单面连续输出功率为30mW(80K);4Λm波长激光器的准连续波输出功率为2.7W、连续波输出功率为266mW，器件以0.98Λm激光器泵浦。
962
第5期 激光与红外
美国波音防护和空间组等单位研制了3～5Λm室温低阈值 型QW激光器，器件有源区由与A lSb复盖层晶格匹配的50个周期的非掺杂 型InA s In0.35Ga0.65Sb InA s A lSb2M QW组成，腔长1～2.5mm。用2. 016Λm的T h YA G激光器泵浦。器件T o值达61.6K(直至300K)、阈泵浦功率为32mW (49K)。当吸收的泵浦功率为62mW时单面连续波输出功率为42mW，即微分量子效率为54%，对于波长大于3.3Λm的M I R激光器而言，这是最好的纪录。
最近，激射波长为5～11.6Λm的高功率室温脉冲工作Q C激光器的峰值输出功率达200至50mW。美国l
ucen t B ell实验室的J. Faist和A lessandro T redicucci等人研制的高功率连续工作中红外Q C2LD[17,18]，器件为3mm×11.7Λm条形。可在110K下C W工作；激射波长5.1Λm;20K下器件的最高输出功率为0.7W(单面)、液N2下的输出功率大于200mW()、其斜率效率为582mW A、阈电流密度J th约1.3KA c m2，相应的微分量子效率Γd=4.78。经证实超过阈值后每个注入电子对光场贡献出等于结构中周期数的光子。光谱研究表明某些器件在低温下的单模发射功率超过300mW。
7 结 语
还有其它多种激光器和发光器件，如半导体聚合物发光器件(L ED)，通过改变聚合物结构可获得红、黄、绿、蓝等各种彩的发光。目前，这类器件已在发光总效率和器件寿命等方面获得长足进展。如已在大面积上制成均匀发光器件。在低电压驱动下显示出高亮度，电压2.5V时亮度可达100cd m2，在6～7V之间亮度可达10000cd m2。它们将用于液晶显示、信号显示等方面，不久的将来有望制成激光器件。
低维(量子线和量子点)激光器的研究亦是热点之一，进展也很迅速。日本O kayam a 的Ga InA sP InP长波长量子线(QW i)激光器已做到90K C W工作条件下I th=6mA、J th =37A c m2并有很高的量子效率。众多科研单位正在研制自组装量子点(QD)激光器，目前该QDLD已具有了高密度、高均匀性和高发射功率。日本Fu jitsu L ab.的自组装In (Ga)A s QD激光器已被证实其QD的分立的态密度和密垒层QD结构LD具有窄的光谱线宽(FW HM=25m eV)并在1.3Λm波段激射。
参 考 文 献
[1] 2 s R eview.1998;11(6):42～44
液化气燃烧器[2] P roceedings of Internati onalM eeting on 2
N itrideM aterials and D evices(ITM NM D’98).
[3] A lan M ills, 2 s R eview.1998;11(6):36～
40.
[4] 日经产业新闻1999年1月12日.
[5] A k ito Kuram ata et al.Jpn.J.A pp l.Phys.
1998;37:13732L1375.
[6] F.Bugge et al.Journal of C rystal Grow th电动美容仪
1998;195:6762680.
yig滤波器[7] Tomoak i Koui,Yasutaka Sakata,Journal of
C rystal Grow th1998;195:5032509.
[8] N.O hnok i,K.Iga et al Journal of C rystal
Grow th1998;195:6032608.
[9] S.Jochum et al.Journal of C rystal Grow th
1998;195:6372643.
[10] 鸟养政博电子材料1996年6月P28～32.
[11] 松浦初美等电子材料1996年6月P33～36.
[12] 庄野昌幸，茨木 晃应用物理1998;67(9):
103521040.
[13] W eng W.Chow et al.IEEE Journal of Q uan2
tum E lectronics1997;33(10):P181021823 [14] Compound Sem iconducto r W inter 1998;
18～29
[15] H ideak i Saito et al.IEEE Pho tonics T echno l2
ogy L etters1996;8(9):1118
[16] L.J.M aw st et al.Journal of C rystal Grow th
1998;195:609～616
[17] Jerom e Faist et al.A pp l.Phys.L ett.,1996;
68(26):
[18] J.Faist et al.IEEE J.of Q uantum E lectronics
1998;34:3362343.
[19] R.M.B iefed et al.Journal of C rystal Grystal
1998;195:3562362
072激光与红外 第29卷
