作者

毛峰 華東師范大學(xué)通信與電子工程學(xué)院電子工程系極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

我們一般將單模輸出功率超過500 mW的LDs稱之為高功率半導(dǎo)體激光器(High power laser diodes，HPLDs)。對(duì)于電光轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)75%的HPLDs，其剩余電能會(huì)引起器件升溫，導(dǎo)致器件退化甚至引起災(zāi)難性光學(xué)損傷(Catastrophic optical damage，COD)，進(jìn)而影響器件的可靠性，制約器件實(shí)現(xiàn)更高的光學(xué)輸出功率。

光學(xué)災(zāi)變損傷是個(gè)啥？

能夠如何改善？

下文小光帶大家一起了解。

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COD產(chǎn)生的原因和影響

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(huì)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(shí)，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”。

但是，我們通過對(duì)商業(yè)化的GaAs基HPLDs進(jìn)行缺陷發(fā)射和熱動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究時(shí)（見圖1），發(fā)現(xiàn)COD的產(chǎn)生與上述描述的外COD模型存在一定差異，并提出了“內(nèi)COD機(jī)制”，即該類器件的COD主要是由于器件內(nèi)部（光學(xué)活性區(qū)）點(diǎn)缺陷并存在以不同速率沿波導(dǎo)方向向兩個(gè)端面拓展的趨勢(shì)，其光吸收后的非輻射復(fù)合導(dǎo)致溫升效應(yīng)，伴隨著缺陷態(tài)的移動(dòng)向端面演化，最終導(dǎo)致器件退化或者損壞。

圖1 （左）商品化HPLDs外觀示意圖；（右）基于InGaAs/GaAs單阱結(jié)構(gòu)的980 nm激光器在脈沖加速老化條件下，發(fā)生COD前后缺陷態(tài)的短波紅外（SWIR）和中波紅外（MWIR）熱像動(dòng)力學(xué)譜。通過注入脈沖電流（加速老化），并根據(jù)器件發(fā)生COD前后所發(fā)出的SWIR和MWIR信號(hào)，表明研究器件（或結(jié)構(gòu)）的COD并非直接發(fā)生于通常認(rèn)為的腔體端面，而是源自腔體內(nèi)部，即“內(nèi)COD”。

由內(nèi)COD機(jī)制可見，器件產(chǎn)生COD的時(shí)候，首先對(duì)激光器內(nèi)部的材料造成了不可逆的損傷，使得內(nèi)部材料的缺陷態(tài)增多，這嚴(yán)重影響了激光器內(nèi)部的腔結(jié)構(gòu)，縮短了該器件的使用壽命，降低了器件的發(fā)光效率和輸出功率。

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COD的研究進(jìn)展

早在半導(dǎo)體激光器問世的初期，實(shí)驗(yàn)上就已經(jīng)觀察到激光器在高功率持續(xù)輸出的情況下，器件因COD而失效的現(xiàn)象，從而引起了學(xué)者對(duì)COD研究的熱潮。

然而，由于高功率半導(dǎo)體激光器的尺寸小、外延結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其腔內(nèi)局部的瞬間熱效應(yīng)造成的器件損傷是永久性的和破壞性的，因此有關(guān)高功率半導(dǎo)體激光器的缺陷及其熱效應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究一直是國(guó)際上研制更高功率激光器的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前與器件退化和COD相關(guān)的研究工作，主要是基于器件已完成COD的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而對(duì)于器件在退化時(shí)，尤其是在COD前后對(duì)其腔體內(nèi)部的熱動(dòng)力學(xué)研究甚少，以致于有關(guān)器件熱效應(yīng)的來源只能簡(jiǎn)單地歸因于器件中，特別是襯底中的缺陷，而對(duì)缺陷態(tài)產(chǎn)生的物理機(jī)制、演變過程，以及其對(duì)熱貢獻(xiàn)的動(dòng)力學(xué)過程并不清晰。

同時(shí)，基于對(duì)“外COD”模型的共識(shí)，對(duì)于單管器件的穩(wěn)定性優(yōu)化和提升而言，除了對(duì)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化外，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)仍以改進(jìn)腔體端面為主，包括各種腔面鈍化、全反鏡等技術(shù)，以提高器件COD的閾值電流。

我們提出的“內(nèi)COD模型”可為進(jìn)一步深入研究器件COD機(jī)制提供新的見解和思路。實(shí)現(xiàn)該功能的光路見圖2所示。

圖2 多方向、分波段的譜分辨及熱像信息同步探測(cè)的光路示意圖（Delay Gen.-延遲發(fā)生器、BS-光學(xué)分?jǐn)?shù)器、PD-光電探測(cè)器、Cam-相機(jī)）

需要指出的是，相較成熟的GaAs基HPLDs而言，在藍(lán)綠光發(fā)射區(qū)及更短波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在重要應(yīng)用前景的GaN基HPLDs，其GaN基質(zhì)導(dǎo)熱性更好、閾值電流更低，但其單管最大連續(xù)輸出功率存在數(shù)量級(jí)偏低（僅瓦級(jí)），這對(duì)本身利用昂貴的自支撐GaN襯底進(jìn)行制備的藍(lán)色激光器而言，顯然限制了其應(yīng)用范圍。

導(dǎo)致器件效率低的原因一般認(rèn)為是缺少優(yōu)質(zhì)襯底材料，即使已有多種嘗試擬改善GaN襯底“豐富的”缺陷態(tài)，但相較GaAs而言，GaN基質(zhì)（或襯底）的位錯(cuò)密度仍高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，致使其器件輸出功率相較低了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

近期中科院蘇州納米所在InGaN激光器研制方面，通過在成本低且易于電學(xué)集成的硅襯底上采用AlN/AlGaN緩沖層結(jié)構(gòu)獲得了413 nm輸出的室溫InGaN激光器[Nature Photonics， 10: 595 (2016)]，該器件結(jié)構(gòu)有望從本質(zhì)上解決成本高且缺陷態(tài)豐富的GaN襯底帶來的負(fù)面影響，但因器件效率和輸出功率問題，研究中仍然未涉及器件光學(xué)活性層（包括阱層和波導(dǎo)層等）的缺陷態(tài)及其熱效應(yīng)。因此，如何揭示該類器件結(jié)構(gòu)中的缺陷態(tài)起源、空間分布及其引起的熱動(dòng)力學(xué)，對(duì)有效提高該類器件輸出功率仍具有指導(dǎo)意義。

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COD研究的難點(diǎn)

處于工作中的HPLDs，除了發(fā)射特定激光窄波長(zhǎng)外，其輻射信號(hào)還包括：

１）來自具有增益效果的阱層給出的自發(fā)輻射信號(hào)，該信號(hào)覆蓋激光器的激射波長(zhǎng)。

２）來自量子結(jié)構(gòu)中壘層、波導(dǎo)層，甚至熔覆層的自發(fā)輻射信號(hào)。這些本身就比較寬的輻射信號(hào)不僅會(huì)在室溫環(huán)境下被展寬，而且還會(huì)被因重?fù)诫s而形成的簡(jiǎn)并缺陷態(tài)所展寬，同時(shí)器件工作時(shí)的載流子溫升效應(yīng)也會(huì)進(jìn)一步展寬這些輻射信號(hào)。

３）來源于缺陷態(tài)，并能與上述輻射信號(hào)明顯區(qū)分開的短波紅外（SWIR）輻射信號(hào)，位于１-２μm。

４）來源于器件熱效應(yīng)（溫度升高）而產(chǎn)生的中波紅外（MWIR）輻射信號(hào)。

然而，當(dāng)器件在高注入模式下工作時(shí)，其內(nèi)部熱效應(yīng)顯著，最高溫度甚至可達(dá)1600℃。根據(jù)Planck定律（λc(μm)·T(K)=2898），其熱輻射譜中心波長(zhǎng)可至~1.5 μm，這一信號(hào)已與SWIR信號(hào)耦合。

因此，對(duì)于微納尺度的HPLDs而言，如何分離并指認(rèn)這兩信號(hào)的物理及空間起源存在一定難度。

對(duì)于COD的空間分辨，借助近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡技術(shù)，可對(duì)腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行前端、后端、側(cè)面等多方向的輻射信號(hào)進(jìn)行空間分辨掃描探測(cè)；對(duì)于熱效應(yīng)在紅外波段的譜分辨信號(hào)/熱輻射信號(hào)，尤其是在熱效應(yīng)發(fā)生的初期，溫度上升的不是那么快，器件內(nèi)部的熱輻射信號(hào)并不是十分顯著，其輻射的中紅外波段電磁波信號(hào)往往被較強(qiáng)的室溫背景較寬的輻射信號(hào)所淹沒，這需要借助具有一定特色的、特別是能在有效消除強(qiáng)室溫背景干擾信號(hào)的同時(shí)，獲取到器件的本征熱輻射弱信號(hào)的前沿研究手段（比如說通過調(diào)制的方法來消除室溫背景對(duì)熱輻射信號(hào)的影響），在溫度效應(yīng)較明顯時(shí)，需進(jìn)一步借助分波段熱像儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步探測(cè)，光路可參考圖2所示。

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COD的改善方法

獲得高功率輸出、高光束質(zhì)量是研制HPLDs的核心，除樣品制備和器件加工外，了解并掌握器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)中的缺陷分布相關(guān)性是關(guān)鍵因素之一，因?yàn)樵谧非蟾吖β始す廨敵龅耐瑫r(shí)，缺陷因非輻射復(fù)合導(dǎo)致的熱效應(yīng)會(huì)引起器件失效甚至COD，從而影響器件電光效率和壽命。

雖然器件COD無法從根源上去杜絕，但是我們可以從其產(chǎn)生的物理機(jī)制角度來獲得一些啟示，下面展望幾點(diǎn)改善COD的方法：

1）光學(xué)活性區(qū)材料質(zhì)量進(jìn)一步提高是本質(zhì)，這涉及到材料制備工藝技術(shù)和水平。對(duì)于GaN基激光器而言，從材料制備的角度降低其輻射信號(hào)位于短波紅外波段的缺陷態(tài)密度更為關(guān)鍵；

2）通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化光學(xué)活性層、特別是腔體的導(dǎo)熱系數(shù)。封裝采用導(dǎo)熱性好的金屬和激光器使用時(shí)采用水冷都是常見的減少器件內(nèi)部熱積累的方法；

3）繼續(xù)從激光器的腔面入手，通過鍍膜的方法來防止腔表面氧化，或者采用腔面鈍化技術(shù)來降低腔表面的載流子的復(fù)合速率、控制表面態(tài)密度和腔體發(fā)熱及熱積累；

4）降低激光器的閾值電流也是一種有效改善COD的途徑，目的是減少熱的產(chǎn)生。然而，閾值電流的降低跟材料的質(zhì)量息息相關(guān)。對(duì)于GaN基器件而言，獲得高質(zhì)量的GaN襯底和優(yōu)化激光器結(jié)構(gòu)是降低閾值電流的兩種方法；

5）對(duì)器件高注入模式下進(jìn)行熱像信息監(jiān)測(cè)，作為一種防范措施可避免器件出現(xiàn)非可逆性損壞。

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總結(jié)

本文總結(jié)了HPLDs的COD，大致包含其產(chǎn)生原因、影響、研究進(jìn)展及其難點(diǎn)，同時(shí)提出了幾點(diǎn)改善方法。綜上所述，我們對(duì)于COD有了更加全面的了解， COD的產(chǎn)生是器件不可避免的一個(gè)問題，而且它對(duì)于器件的影響是不可逆的。然而，對(duì)于器件內(nèi)部熱的產(chǎn)生及其演化規(guī)律所知甚少，這個(gè)問題也是研究COD的一大難點(diǎn)，還需要進(jìn)一步探索。

☆ END ☆