非对称异质结构1060nm半导体激光器

大功率1060nm半导体激光器在激光加工、激光医疗和国防等领域有重要的应用。然而，现有的1060nm半导体激光器采用的对称限制结构在提供必要的光限制的同时，也造成了导带和价带偏移量的相对固定，这就对器件的限制结构（波导层和包覆层）优化造成了阻碍。本课题拟采用非对称异质波导和包覆层结构，对器件的P面限制结构和N面限制结构分别设计，优化选择材料体系，降低注入载流子势垒。并对影响器件效率的重要因素进行分析，阐明过剩电压降等因素制约器件性能的机制，为设计和制作高功率、高效率的半导体激光器提供了一种新的途径和思路。非对称异质限制结构激光器可以降低半导体激光器的工作电压、大幅度提高器件的转换效率和输出功率，使1060 nm 半导体激光器满足军事和民用需求。此外，该波段异质限制结构激光器的研究也能够为其他GaAs基或InP基激光器的性能改善提供思路上的帮助。

本项目以GaAs基1060nm半导体激光器为研究对象，从外延结构设计出发，以降低器件的电学损耗、提高器件的电光转换效率为目的，采用数值模拟和实验验证相结合的方法，重点研究了一种新的外延结构-非对称异质波导结构-对器件输出特性的影响。项目从理论设计、制作技术和性能测试等几个方面的问题入手，分别开展了器件结构的优化设计、外延材料生长、高功率器件制作以及器件输出特性测试等具体的研究工作。.（1）采用现象学研究方法，对半导体激光器的损耗机制进行了深入研究，从器件输出特性的宏观物理量（如工作电流、工作电压等）的变化，推论出载流子在输运过程中的微观能量损失，指出载流子在各外延层间的电压损耗是器件损耗的重要组分部分，同时对推论结果进行了进一步的数值模拟验证，所得的结论对外延结构的整体设计起到了重要的指导作用。.（2）针对非对称异质结构半导体激光器的外延结构特点，结合光场分布和载流子光吸收理论，分别对波导层和包覆层的折射率、光场横向分布以及各外延层的掺杂浓度进行了优化设计，确定了P型一侧AlGaAs材料体系和N型一侧InGaAsP材料体系的组分和掺杂特征。.（3）根据设计的外延结构，本项目采用金属有机气相沉积系统（MOCVD）进行了材料生长研究，高纯度乙基源的运用以及低压间断生长的方法的运用保障了非对称异质外延结构的有效生长，材料测试结果和后续实验结果也证明了材料生长结果与设计初衷的一致性。.（4）我们对某些关键制作技术进行了研究，并在此基础上首次制作了1060nm非对称异质结构半导体激光器。在对管芯进行封装后，我们测试了不同腔长的器件的输出特性。其中，腔长为4mm的器件最大输出功率达到11.14W；腔长为2.5mm的器件最大电光转换效率达到62.1%，此时的工作电流为4A，输出功率约为4W;另外，我们对工作在2W状态下的器件进行了寿命测试，加速老化试验表明器件的寿命能够达到11876小时。