単一出力光パワーが 500mW を超えるレーザー チップの場合、それはすでに高出力レーザー チップです。変換効率は材質により異なります。たとえば、現在の赤色光の高出力は 50% に達する可能性があり、残りの電気エネルギーは熱エネルギーに変換されます。
光通信で使用される mW レベルなどの低出力 LD の場合、キャビティ表面の破局は一般にほとんど考慮されません。高出力レーザーチップは、キャビティ表面の壊滅的な損傷、つまり致命的な光学的損傷、COD を起こしやすい。壊滅的な光学ミラー損傷 (COMD) とも呼ばれる光学的壊滅的損傷は、高出力レーザーの故障モードです。
通常、COD は、パワー密度を超え、利得によって生成される光エネルギーを過剰に吸収することによって半導体 PN 接合が過負荷になり、最終的にはキャビティ表面領域の溶融と再結晶化を引き起こし、影響を受けた領域で発生すると考えられます。多数の格子欠陥があり、デバイスの性能が破壊されます。影響範囲が十分に大きい場合、光学顕微鏡で観察されるキャビティ表面の黒化、亀裂、溝などの現象を「外部 COD メカニズム」と呼びます。
赤色光チップの COD (壊滅的な光学ミラー損傷) に対する耐性の向上は、主に材料の選択、非吸収ウィンドウ技術、チップ設計の最適化など、さまざまな方法によって実現できます。
材料の選択:
COD耐性向上の基本は高品質な材料の使用です。たとえば、AlGaInP 材料は赤色スペクトルで優れた性能を示し、高効率赤色 LED の製造に使用できます。
マイクロ LED チップでは、窒化インジウム ガリウム (InGaN) 材料を V 字型ピット技術と組み合わせて使用することで、高 In 成分の偏析を効果的に軽減し、チップの全体的な性能を向上させることができます。
非吸収性ウィンドウ技術:
非吸収窓技術は、レーザーチップの光吸収を大幅に低減し、CODの発生を抑制する有効な手法です。例えば、Zn拡散技術を用いて非吸収窓を形成することで、端面光吸収を低減しCODを抑制する高出力660nm半導体レーザを作製することができる。
チップ設計の最適化:
チップの設計段階で、構造やパラメータを最適化することで COD 耐性を向上させることができます。たとえば、キャリアの局在化を制御することにより、内部量子効率に対する表面非放射再結合の影響を大幅に低減でき、それによってチップの全体的な性能が向上します。
材料のエピタキシー段階では、材料の均一性と安定性を確保するための最適化も実行できるため、チップの COD 耐性が向上します。
その他の技術的手段:
レーザーチップの変換効率の向上も重要な方向性です。出力光パワーが500mWを超える単一レーザーチップの場合、変換効率は50%に達し、残りの電気エネルギーが熱エネルギーに変換されるため、チップの温度が低下し、耐COD性が向上します。
要約すると、高品質の材料、非吸収窓技術、チップ設計の最適化、およびその他の関連技術手段を包括的に使用することにより、赤色光チップの COD 耐性を効果的に向上させることができ、それによって全体的な性能と信頼性が向上します。
COD が発生すると、チップは不可逆的な損傷を受け、通常は光パワーが 50% 以上低下するか、光がまったくなくなることさえあります。チップの COD に対する耐性を向上させるにはどうすればよいですか?材料エピタキシー段階、チップ設計段階、チッププロセス段階、チップ端面キャビティ表面処理まで対応可能です。
チップの COD に対する耐性を向上させるためのいくつかのオプション:
1ひずみ量子井戸技術
半導体レーザーの最も広く使用されている活性領域である量子井戸は、内部に量子化されたサブバンド密度とステップ状態密度を示し、これによりレーザーのしきい値電流密度と温度安定性が大幅に向上します。ポテンシャル井戸幅と障壁高さを変えることで量子化エネルギー間隔を変化させ、レーザーの可変特性を実現します。従来のダブルヘテロ接合半導体レーザーと比較して、レーザーのしきい値電流を効果的に低減し、量子効率と微分利得を向上させることができます。量子井戸に歪みが導入されると、量子井戸自体のエネルギーバンド構造が大きく変化します。価電子帯における重い正孔バンドと軽い正孔バンドの位置を調整することにより、チップのエピタキシャル構造の設計パラメータと自由度が増加します。一般的に言えば、III-V の三元および四元材料で構成される量子井戸エピタキシャル構造に圧縮歪みを導入すると、エネルギーバンド関数の変化が強化され、それによってレーザーのしきい値電流が減少します。引張歪みを導入しながら、エネルギーバンド関数を平坦化します。高出力での加工時の材料のゲインがある程度改善されます。歪量子井戸の出現により、歪を調整することで必要なエネルギーバンド構造を得て利得を高めることが可能となり、半導体レーザーの性能は大きく飛躍します。
2 アルミニウムフリー量子井戸技術
アルミニウムを含まないレーザーには、アルミニウムを含むレーザーに比べて明らかな利点があります。
1) アルミニウムを含まない材料は、アルミニウムを含む材料よりも COMD 出力密度が高くなります。活性領域のアルミニウムは酸化されやすく、暗線欠陥を生成します。これにより、COMD 発生時の出力密度が低下し、COMD が生成されやすくなり、レーザーの出力と寿命が制限されます。
2) 同時に、アルミニウムを含む量子井戸と比較して、アルミニウムを含まない量子井戸は抵抗が低く、熱伝導率が高いため、表面再結合率が低く、表面温度上昇が低く、キャビティ表面の劣化速度が遅い。 、暗線欠陥の上昇が抑制され、材料の内部劣化速度が遅くなります。
3. チップのパッケージング構造と方法: デバイスのパッケージング構造設計の観点から、より良い熱膨張係数と熱伝導率を持つ材料を選択し、領域ごとにヒートシンク材料の熱膨張係数と熱伝導率を設計し、異なるサイズのパッケージング応力を導入し、タイプを使用すると、バンドギャップ幅が増加し、チップの COD 耐性が向上します。
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