引言

        高功率半导体激光器可用来泵浦固体/光纤激光器，也可直接用于材料处理如焊接，切割，表面处理等。半导体泵浦的固体/光纤激光器广泛应用于工业、军事、医疗等。随着半导体激光器输出功率、转换效率、可靠性和制造工艺的提高以及成本的降低，许多新的应用成为可能。在实际应用中，半导体激光器的可靠性是一个决定性的因素。随着半导体激光器功率的提高，可靠性会逐渐降低，如何保证在高功率输出的同时兼备高可靠性已成为当前业界最关心的问题。提高高功率半导体激光器可靠性的技术目前成为激光器产业化和拓展应用市场的瓶颈。本文介绍了影响高功率半导体激光器可靠性的因素，对各种因素进行了分析和讨论，并提出了提高可靠性的策略和方法。

       1. 结点温度

        随着半导体激光器向高功率不断发展，器件有源区温度（简称结温）也不断提高，成为限制半导体激光器性能稳定性的重要因素。结温升高将使阈值电流增大、斜坡效率减小、输出功率下降和寿命缩短。为提高器件的可靠性，必须解决结温的影响，其中计算结温的公式为：

 

        由（1）式可见，器件结温主要由热阻和热沉温度共同决定，其中热沉温度由使用条件决定，而热阻就成为影响结温的关键因素。半导体激光器的输出功率与热阻的关系和器件使用寿命与热阻的关系分别为（2）和（3）式：

 

        由式（2）和式（3）可见器件的热阻将直接影响器件的功率和寿命，器件热阻越低输出功率越高，可靠性越高。正是因为热阻对器件功率和寿命影响的原因，对于808nm传导制冷的单阵列半导体激光器热阻一般约为0.6W/K，输出功率仅为60W；同样808nm微通道液体制冷型单巴条半导体激光器热阻约为0.3W/K，输出功率就可达到100W。

        市场上常见单发射腔半导体激光器C-mount 结构热阻约为5W/K，热阻较大。炬光科技公司推出了一种具有较低热阻的新型单发射腔半导体激光器（称为F-mount）。该产品已申请国际PCT 专利（登记号：PIY095310PGC）。如图 1（b）所示，该器件较传统的C-mount 结构具有更好的散热效果，提高光电转换效率。

 

        由模拟和实验结果得出，新型F-mount 激光器的热阻较传统C-mount 的要低大约30%。我们对同一wafer 的相邻芯片分别封装成C-mount 结构和F-mount 结构激光器，在相同CW 条件下测试比较了两种封装形式的最大输出功率。从图 2 可以看出，F-mount 结构激光器输出功率最大达到13.3W，而C-mount 结构半导体激光器输出功率仅达到10.8W。一般来说，业界的规则是可靠功率Prel=(0.3-0.5)Pmax，炬光科技定标该种激光器为5W 产品，保质1.5 万小时。由此可见F-mount 结构较C-mount 结构具有更高效的散热能力，可以获得更高的输出功率。

 

        由以上分析可见，降低激光器的热阻可有效降低激光器的结温，从而大大提高激光器的可靠性。要降低热阻可从两个方面考虑，一是设计高效散热的封装结构，如F-mount 结构；另一个是从工艺上降低热阻，尽量做到无空洞贴片。

        2. 灾难性腔面损伤（COMD）

        半导体激光器中的灾变腔面损伤（Catastrophically Optical Mirror Damage 即COMD）是影响半导体激光器的最大输出功率和器件寿命的一个重要因素。灾变腔面损伤发生在半导体激光器的出光面-即腔面上，主要是由载流子的非辐射复合和光吸收产生的热量引起的。图 3 是半导体激光器发生灾变腔面损伤时腔面的照片。

 

         为防止COMD 的发生，必须提高激光器芯片的COMD 阈值。对于激光器芯片，一般采用以下几种方法: (1) 对半导体激光器腔面进行钝化，降低腔面表面态密度，从而降低了表面非辐射复合速率，提高了COMD 阈值。(2) 采用大光腔结构。这种结构减少了近表面有源层的光吸收。(3) 增加输出光的透明窗口，减少光的吸收。(4) 端面附近引入非注入区，减少端面处的非辐射复合的发生。另外，对于封装工艺，要严格控制焊接工艺，降低overhang或underhang，提高COMD 阈值。炬光科技采用高性能的芯片和F-mount 结构使得COMD阈值远远高于额定功率。如图4 所示，定标为5W 产品COMD阈值达到30W。

 

        3. 铟电迁移和电热迁移

        铟焊料是大功率半导体激光器封装中最常用的焊料之一。由于铟焊料在高电流下易产生电迁移和电热迁移的问题，影响半导体激光器的可靠性。研究发现铟焊料封装的激光器寿命远远短于金锡焊料封装的器件。由图 5 可见采用AuSn 焊料封装的激光器寿命远远高于铟焊料封装的激光器。铟焊料封装的激光器在使用时可以观察到器件功率突然退化的现象。而从图 6 可以看出，铟焊料层受到大电流密度形成的“电子风”的驱动，在焊料层内形成空洞，并且空洞将随着铟焊料的电迁移和电热迁移逐渐扩大，这导致发射腔表面附近的产生局部温度升高现象，降低了器件的可靠性。

 

 

        采用无铟化封装技术可克服铟焊料的电迁移和电热迁移。目前国际上已有数家厂商开始生产无铟化激光器产品。炬光科技公司拥有无铟化技术，并生产出了数款合格化的激光器产品。如图 7所示，CW 条件下额定功率为5W 的F-mount 激光器的寿命测试时间已经超过5000 小时，还在继续进行。日前公司研制的10W F-mount 激光器将于近期推入市场；50W 无铟化CS 激光器及其他多款无铟化产品也已批量生产。

 

        4. 制冷器腐蚀

目前，商业百瓦以上半导体激光器的制冷器主要是微通道液体制冷器（Micro Channel Cooler，MCC），它必须使用去离子水。即使使用了去离子水，也会发生电化学腐蚀和氧化腐蚀，堵塞微通道管，严重影响器件的稳定性和可靠性。

        为了解决冷却水的腐蚀和电离导通的问题，炬光科技公司发明了宏通道冷却器（Macro ChannelCooler, MaCC）。MaCC 具有制造、使用和维护简单、密封要求低，以及使无铟化产品成为可能的优点。图 8 给出了一种MaCC 的结构示意图。炬光科技公司已采用此新型冷却器生产出了5%占空比输出功率超过250W 的准连续半导体激光器，其功率-电流关系和光谱分布如图 9所示。利用QCW250W 的MaCC 封装结构，炬光科技公司已制备出10KW 无铟化准连续2x20 叠阵激光器，如图10 所示。

 

 

 

        由于MaCC 具有抗腐蚀、易维护和使无铟化产品成为可能的优点，它将成为目前微通道液体制冷器最强有力的竞争者。

        5. 铟氧化

 

        在半导体激光器的封装工艺中，一般采用In 金属作为焊接材料。然而铟在高温和低温潮湿的环境很容易氧化。铟氧化后易导致器件热阻增加，结温升高，从而降低器件的可靠性。与铟焊料相比，无铟化工艺具有储存时间长、耐高温、性能稳定等优点，极大地提高了器件的可靠性。对于需要长储存时间的器件来说，必须采用全无铟化的封装技术。为彻底克服铟焊料氧化存在的隐患，炬光科技公司已提出了全无铟化封装技术，生产了多款全无铟化激光器产品。炬光科技已经对其全无铟化技术产品进行了高温85℃2000 小时存储、-40℃ 150 小时存储和85℃—-40℃50 个循环环境实验，并且正在进行高温85℃高湿85%RH 500 小时测试。从图 11 可以看出，经过高温85℃2000 小时存储后，铟焊料封装的器件波长发生红移，开始恶化；而炬光科技公司全无铟化激光器的光谱基本保持不变。

         总结

        文章介绍了影响高功率半导体激光器可靠性的因素，包含五个方面：结温、COMD、铟焊料的失效、腐蚀和铟氧化，并提出了提高高功率半导体激光器可靠性的方法和策略。