提高紅光LD芯片的抗COD(災(zāi)變性光學(xué)鏡面損傷)能力有哪些方法

對于單顆輸出光功率超過500mW的激光器芯片已經(jīng)是大功率激光器芯片了。轉(zhuǎn)換效率根據(jù)材料的不同而不同，像紅光的目前大功率也能達(dá)到50%，剩余的電能就轉(zhuǎn)換成熱能。

對于小功率的LD，比如光通信用的mw級別的，一般也很少考慮腔面災(zāi)變。大功率激光器芯片就容易發(fā)生腔面的災(zāi)變Catastrophic optical damage，COD。光學(xué)災(zāi)變損傷，亦稱災(zāi)變性光學(xué)鏡面損傷（Catastrophic optical mirror damage,COMD），是大功率激光器的一種故障模式。

通常我們會認(rèn)為COD的產(chǎn)生是由于半導(dǎo)體PN結(jié)因超過功率密度而過載，并吸收了太多增益產(chǎn)生的光能，最終導(dǎo)致腔面區(qū)域的熔化、再結(jié)晶，而受影響的區(qū)域?qū)a(chǎn)生大量的晶格缺陷，破壞了器件的性能。當(dāng)影響的區(qū)域足夠大時，我們便將在光學(xué)顯微鏡下觀察到的腔面變黑以及裂縫、溝槽等現(xiàn)象，稱之為“外COD機(jī)制”。

提高紅光芯片的抗COD（災(zāi)變性光學(xué)鏡面損傷）能力可以通過多種方法實現(xiàn)，主要包括材料選擇、非吸收窗口技術(shù)和芯片設(shè)計優(yōu)化等方面。

材料選擇：

使用高質(zhì)量的材料是提高抗COD能力的基礎(chǔ)。例如，AlGaInP材料在紅光譜段表現(xiàn)出較好的性能，可以用于制備高效率的紅光LED。

在Micro LED芯片中，采用銦鎵氮（InGaN）材料，并結(jié)合V形坑技術(shù)，可以有效緩解高In組分的偏析，從而提高芯片的整體性能。

非吸收窗口技術(shù)：

非吸收窗口技術(shù)是一種有效的方法，可以顯著降低激光器芯片的光吸收，從而抑制COD的產(chǎn)生。例如，利用Zn擴(kuò)散形成非吸收窗口的技術(shù)，可以制備大功率660nm半導(dǎo)體激光器，其端面光吸收降低，有助于抑制COD。

芯片設(shè)計優(yōu)化：

在芯片設(shè)計階段，可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)來提高抗COD能力。例如，通過對載流子的局域性控制，可以大幅降低表面非輻射復(fù)合對內(nèi)量子效率的影響，從而提高芯片的整體性能。

在材料外延階段，也可以進(jìn)行優(yōu)化，以確保材料的均勻性和穩(wěn)定性，從而提高芯片的耐COD能力。

其他技術(shù)手段：

提高激光器芯片的轉(zhuǎn)換效率也是一個重要方向。對于單顆輸出光功率超過500mW的激光器芯片，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到50%，剩余的電能轉(zhuǎn)換成熱能，這有助于減少芯片的溫度，從而提高其抗COD能力。

綜上所述，通過綜合運(yùn)用高質(zhì)量材料、非吸收窗口技術(shù)、芯片設(shè)計優(yōu)化以及其他相關(guān)技術(shù)手段，可以有效提高紅光芯片的抗COD能力，從而提升其整體性能和可靠性。

黑色斷點的位置就是發(fā)生COD的位置

COD發(fā)生之后，AR面會有這種小的缺陷或者黑點出現(xiàn)。

一旦發(fā)生COD，芯片就會不可逆轉(zhuǎn)的損耗，一般是光功率下降50%以上，甚至無光。如何提高芯片耐COD的能力呢?？梢栽诓牧贤庋与A段、芯片設(shè)計階段、芯片工藝階段、以及芯片端面腔面處理方面做文章。

提高芯片耐COD的幾種方案：

1應(yīng)變量子阱技術(shù)

量子阱作為半導(dǎo)體激光器最廣泛采用的有源區(qū)，其內(nèi)部表現(xiàn)出量子化的子帶和階梯狀態(tài)密度，將大大提高激光器的閾值電流密度和溫度穩(wěn)定性；通過改變勢阱寬度和勢壘高度，可以改變量子化的能量間隔，實現(xiàn)激光器的可調(diào)諧特性，與傳統(tǒng)的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器相比，可以有效地降低激光器的閾值電流，提高量子效率與微分增益?而在量子阱中引入應(yīng)變則會顯著地改變其本身的能帶結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整價帶中的重?輕空穴帶的位置，從而增加芯片外延結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)和自由度?一般來說，在III-V族三元和四元材料組成的量子阱外延結(jié)構(gòu)中引入壓應(yīng)變，會加劇能帶函數(shù)的變化，從而降低激光器的閾值電流；而引入張應(yīng)變，則會平緩能帶函數(shù)，在一定程度上提高材料在大功率下工作狀態(tài)下的增益?應(yīng)變量子阱的出現(xiàn)使得通過調(diào)節(jié)應(yīng)變獲得所需能帶結(jié)構(gòu)并提高增益成為了可能，使半導(dǎo)體激光器的性能出現(xiàn)了大的飛躍? 1984年，Laidig等最早報道了基于應(yīng)變InGaAs/GaAs量子阱的激光器，在較高的閾值電流密度（1.1kA/cm2）下獲得了波長為1μm的激光，通過完善工藝將閾值電流密度降低到465A/cm2?1991年AT&TBell實驗室利用MBE方法降低了閾值電流———低至45A/cm2，基本達(dá)到理論極限［23］?1993年7月，日本的Hayakawa等利用GaAs/AlGaAs張應(yīng)變量子阱得到了輸出波長在780nm的橫磁（TM）模CW激光器?

2無鋁量子阱技術(shù)

無鋁材料激光器相比有鋁材料激光器具有明顯的優(yōu)勢：

1）無鋁材料比含鋁材料具有更高的COMD功率密度?有源區(qū)中的鋁容易氧化和產(chǎn)生暗線缺陷，致使發(fā)生COMD時的功率密度減小，更容易產(chǎn)生COMD，從而限制了激光器的功率和壽命?

2）同時，相對于含鋁量子阱，無鋁量子阱的電阻更低?熱導(dǎo)率更高，因而表面復(fù)合速率低?表面溫升低?腔面退化速率慢，對暗線缺陷的攀移有抑制作用，且材料內(nèi)部退化速率慢?在1998年，美國的Pendse等最初提出，無鋁量子阱激光器具有更高的可靠性?1999年，美國的Mawsi等對與GaAs晶格匹配的InGaAsP單量子阱激光器的可靠性進(jìn)行了研究，證明了無鋁器件的端面溫升比含鋁的AlGaAs激光器低得多，并在10℃工作溫度下，獲得了3.2W的最大輸出功率?2008年，中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所報道了無鋁1mm腔長的準(zhǔn)連續(xù)陣列輸出功率可達(dá)40W，無鋁1cm長的鍍膜bar條在180A工作電流下，輸出功率大于185W?2013年，山東大學(xué)報道了無鋁有源區(qū)在20A工作電流下，輸出功率達(dá)20.86W的激光器?