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红光LD芯片的抗COD(灾变性光学镜面损伤)能力

对于单颗输出光功率超过500mW的激光器芯片已经是大功率激光器芯片了。转换效率根据材料的不同而不同,像红光的目前大功率也能达到50%,剩余的电能就转换成热能。

对于小功率的LD,比如光通信用的mw级别的,一般也很少考虑腔面灾变。大功率激光器芯片就容易发生腔面的灾变Catastrophic optical damage,COD。光学灾变损伤,亦称灾变性光学镜面损伤(Catastrophic optical mirror damage,COMD),是大功率激光器的一种故障模式。

通常我们会认为COD的产生是由于半导体PN结因超过功率密度而过载,并吸收了太多增益产生的光能,最终导致腔面区域的熔化、再结晶,而受影响的区域将产生大量的晶格缺陷,破坏了器件的性能。当影响的区域足够大时,我们便将在光学显微镜下观察到的腔面变黑以及裂缝、沟槽等现象,称之为“外COD机制”。

提高红光芯片的抗COD(灾变性光学镜面损伤)能力可以通过多种方法实现,主要包括材料选择、非吸收窗口技术和芯片设计优化等方面。

材料选择:

使用高质量的材料是提高抗COD能力的基础。例如,AlGaInP材料在红光谱段表现出较好的性能,可以用于制备高效率的红光LED。

在Micro LED芯片中,采用铟镓氮(InGaN)材料,并结合V形坑技术,可以有效缓解高In组分的偏析,从而提高芯片的整体性能。

非吸收窗口技术:

非吸收窗口技术是一种有效的方法,可以显著降低激光器芯片的光吸收,从而抑制COD的产生。例如,利用Zn扩散形成非吸收窗口的技术,可以制备大功率660nm半导体激光器,其端面光吸收降低,有助于抑制COD。

芯片设计优化:

在芯片设计阶段,可以通过优化结构和参数来提高抗COD能力。例如,通过对载流子的局域性控制,可以大幅降低表面非辐射复合对内量子效率的影响,从而提高芯片的整体性能。

在材料外延阶段,也可以进行优化,以确保材料的均匀性和稳定性,从而提高芯片的耐COD能力。

其他技术手段:

提高激光器芯片的转换效率也是一个重要方向。对于单颗输出光功率超过500mW的激光器芯片,转换效率可以达到50%,剩余的电能转换成热能,这有助于减少芯片的温度,从而提高其抗COD能力。

综上所述,通过综合运用高质量材料、非吸收窗口技术、芯片设计优化以及其他相关技术手段,可以有效提高红光芯片的抗COD能力,从而提升其整体性能和可靠性。

黑色断点的位置就是发生COD的位置

COD发生之后,AR面会有这种小的缺陷或者黑点出现。

一旦发生COD,芯片就会不可逆转的损耗,一般是光功率下降50%以上,甚至无光。如何提高芯片耐COD的能力呢。可以在材料外延阶段、芯片设计阶段、芯片工艺阶段、以及芯片端面腔面处理方面做文章。

提高芯片耐COD的几种方案:

1应变量子阱技术

量子阱作为半导体激光器最广泛采用的有源区,其内部表现出量子化的子带和阶梯状态密度,将大大提高激光器的阈值电流密度和温度稳定性;通过改变势阱宽度和势垒高度,可以改变量子化的能量间隔,实现激光器的可调谐特性,与传统的双异质结半导体激光器相比,可以有效地降低激光器的阈值电流,提高量子效率与微分增益?而在量子阱中引入应变则会显著地改变其本身的能带结构,通过调整价带中的重?轻空穴带的位置,从而增加芯片外延结构的设计参数和自由度?一般来说,在III-V族三元和四元材料组成的量子阱外延结构中引入压应变,会加剧能带函数的变化,从而降低激光器的阈值电流;而引入张应变,则会平缓能带函数,在一定程度上提高材料在大功率下工作状态下的增益?应变量子阱的出现使得通过调节应变获得所需能带结构并提高增益成为了可能,使半导体激光器的性能出现了大的飞跃?

1984年,Laidig等最早报道了基于应变InGaAs/GaAs量子阱的激光器,在较高的阈值电流密度(1.1kA/cm2)下获得了波长为1μm的激光,通过完善工艺将阈值电流密度降低到465A/cm2?1991年AT&TBell实验室利用MBE方法降低了阈值电流———低至45A/cm2,基本达到理论极限[23]?1993年7月,日本的Hayakawa等利用GaAs/AlGaAs张应变量子阱得到了输出波长在780nm的横磁(TM)模CW激光器?

2无铝量子阱技术

无铝材料激光器相比有铝材料激光器具有明显的优势:

1)无铝材料比含铝材料具有更高的COMD功率密度?有源区中的铝容易氧化和产生暗线缺陷,致使发生COMD时的功率密度减小,更容易产生COMD,从而限制了激光器的功率和寿命?

2)同时,相对于含铝量子阱,无铝量子阱的电阻更低?热导率更高,因而表面复合速率低?表面温升低?腔面退化速率慢,对暗线缺陷的攀移有抑制作用,且材料内部退化速率慢?在1998年,美国的Pendse等最初提出,无铝量子阱激光器具有更高的可靠性?1999年,美国的Mawsi等对与GaAs晶格匹配的InGaAsP单量子阱激光器的可靠性进行了研究,证明了无铝器件的端面温升比含铝的AlGaAs激光器低得多,并在10℃工作温度下,获得了3.2W的最大输出功率?2008年,中国电子科技集团公司第十三研究所报道了无铝1mm腔长的准连续阵列输出功率可达40W,无铝1cm长的镀膜bar条在180A工作电流下,输出功率大于185W?2013年,山东大学报道了无铝有源区在20A工作电流下,输出功率达20.86W的激光器?

       原文标题 : 红光LD芯片的抗COD(灾变性光学镜面损伤)能力

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