17、泵浦激光二极管突发故障解析

泵浦激光二极管突发故障解析

1. 研究背景与问题提出

在激光二极管的应用中，980nm SL SQW InGaAs泵浦激光二极管出现突发故障的情况备受关注。这种突发故障在激光二极管正常运行1500小时后，短短几小时内就会使激光关闭，严重影响了设备的可靠性。研究其故障的内在或外在原因，对于提高设备的可预测性以及决定是从设备端还是应用端采取措施至关重要。

通过事后分析发现，故障模式与有源区缺陷的形成有关，这就将问题聚焦到了缺陷的起源和生长上。为解决该问题，需要进行两方面的工作：一是以合适的时间分辨率监测退化情况，二是对缺陷进行结构表征。

2. 实验数据与监测结果

• 激光结构 ：980nm SL SQW InGaAs泵浦激光的相关技术特征如图1所示。横向限制通过脊形电流注入结构实现，垂直限制和波导则由有源InGaAs应变双异质结构完成。有源层是夹在两个渐变AlGaAs层之间的单量子阱层，总厚度约0.4μm。
• 实验监测 ：在恒定电流寿命测试中，监测了光功率和总电压。结果显示，在正常运行1500小时后，“突发故障”在几小时内使激光关闭。图3总结了激光二极管在恒定400mA电流、90°C寿命测试中的初始和最终光学（a）和电学（b）特性。图4则是对光功率（a）和总电压降（b）的实时监测，时间尺度从1500小时开始。当光功率开始下降时，完全退化在几十小时内发生。电压曲线的上升是一个有趣的结果，特别是激光A显示出两步光功率退化，而电压仅在第二步突然增加。

3. EBIC和TEM分析

• EBIC分析 ：顶部视图EBIC研究（图5）显示，至少有一个故障设备的脊部有绝缘黑色区域，这有助于将观察到的特征与镜面损伤区分开来。
• TEM分析 ：通过垂直FIB沿条纹长度切割制备的TEM横截面标本（图6）展示了整个激光结构。在EBIC黑色区域切割时，TEM显示（图7）有源层有绝缘位错，且不是穿通位错。早期FIB减薄阶段的图片（图8）显示位错延伸更广，有源层看起来受损。

4. 简化一维模型与缺陷演化

• 模型建立 ：为了解释故障机制，考虑一个简化的一维结构（图9）来表示正向偏置下的激光二极管。该模型将激光视为理想二极管，直到正向偏置低于V = Vth + RsIth。超过此电压值后，由于受激发射，结电压被钳位在阈值，进一步增加正向电流时，总电压仅因串联电阻而增加。
• 缺陷影响 ：当点缺陷位于中性区域，距耗尽区边界距离为Zo时，会引入与exp(-zo/L)成正比的寄生电流Id。尽管该电流相对于总正向电流可忽略不计，但在缺陷处载流子浓度梯度可能极高，导致大量复合，使缺陷可能传播。在晶格中，缺陷更可能沿低米勒指数的晶格方向演变成直线或直线段序列。
• 缺陷演化过程 ：
  • 缺陷在中性区域向结方向传播时，其各点对过剩电流的贡献会随着缺陷尖端接近耗尽区而指数增加。当过剩电流相对于总电流变得可观时，用于光产生的电流开始减少。
  • 缺陷到达耗尽区边界后，载流子浓度达到最大，传播继续，但电效应仅与穿透耗尽区的段长度成正比，光产生电流以较慢速率减少。
  • 当缺陷到达应变有源层时，失配位错开始释放缺陷和应变晶格的畸变场，有源材料成为增强非辐射复合和光子吸收的位点，受激发射迅速被破坏，结电压上升。

下面是缺陷演化过程的mermaid流程图：

graph LR
    A[点缺陷在中性区域] --> B[向结方向传播]
    B --> C[过剩电流增加]
    C --> D[光产生电流减少]
    D --> E[到达耗尽区边界]
    E --> F[电效应与段长度成正比]
    F --> G[光产生电流缓慢减少]
    G --> H[到达应变有源层]
    H --> I[受激发射破坏，电压上升]

5. 实验分析总结

分析方法	结果
光功率和电压监测	正常运行1500小时后突发故障，光功率下降，电压上升
EBIC分析	至少一个故障设备脊部有绝缘黑色区域
TEM分析	有源层有绝缘位错，早期减薄阶段位错延伸更广，有源层受损

从上述实验和分析可以看出，980nm SL SQW InGaAs泵浦激光二极管的突发故障与有源层缺陷的形成和传播密切相关。这些结果为进一步研究故障机制和提高设备可靠性提供了重要依据。

泵浦激光二极管突发故障解析

6. 复合增强缺陷反应（REDR）机制

1985年，Kimberly等人提出复合增强缺陷反应（REDR）可作为正向偏置的GaAs基二极管中缺陷生长的合适机制。在此，我们假设REDR是观察到的突发故障的起源，起始于“冷”区域的原生缺陷。

在正向偏置下的激光二极管简化一维结构中，当缺陷在中性区域向结方向传播时，其尖端接近耗尽区，过剩电流会指数增加。这是因为缺陷处的高载流子浓度梯度导致大量复合，为缺陷传播提供能量。当缺陷到达应变有源层时，失配位错的形成会加速缺陷网络的生长，破坏受激发射。

REDR机制的优势在于能够解释实验中观察到的多个现象：
- 突然发生的故障 ：故障的突然性与REDR动力学的指数时间依赖性相符。在缺陷传播的大部分时间里，对激光性能的扰动可忽略不计，直到最后阶段才突然显现。
- 缺陷的起始位置 ：EBIC观察表明，在正向偏置下，过剩少数载流子会填充整个脊体积，这为REDR在远离耗尽层1μm或更远的地方激活缺陷提供了条件。

7. 实验结果与REDR机制的关联

实验中的各种测量结果与REDR机制相互印证：
- 光功率和电压变化 ：在恒定电流寿命测试中，光功率和总电压降的详细时间演变表明，缺陷从有源区外部向内部传播。当缺陷接近有源层时，光功率开始下降，而电压上升，这与REDR机制中缺陷传播导致受激发射破坏和结电压上升的预测一致。
- TEM和EBIC结果 ：TEM图像显示有源层存在复杂的缺陷网络，EBIC检测到的异常复合区域引导TEM分析发现了这些缺陷。这些缺陷的形态和分布与REDR机制中缺陷沿晶格方向生长的预测相符。

下面是实验结果与REDR机制关联的表格：
|实验结果|与REDR机制的关联|
| ---- | ---- |
|光功率下降、电压上升|缺陷传播破坏受激发射，结电压上升|
|TEM显示缺陷网络|缺陷沿晶格方向生长形成网络|
|EBIC检测异常区域|为缺陷生长和激活提供证据|

8. 研究方法与逻辑规则应用

本次研究遵循了一系列逻辑规则：
- 调查规则 ：从检测到故障开始，花费大量时间确定监测故障时间演变的合适工具，将测量结果与电气模型关联，根据EBIC结果解读缺陷的形成和演化。
- 异常规则 ：识别出晶格缺陷突然显现这一特殊结果。
- 必然怀疑规则 ：怀疑缺陷从外部以增加的速度进入有源层，这与常见发现相反，但能解释长时间后加速演化的渐进现象。
- 不可能链规则 ：寻找与DLD不同的机制和起始点来解释缺陷的反向传播，最终指向REDR机制。
- 侦探循环规则 ：TEM观察结果支持了REDR假设。
- 证据规则 ：实验发现电压上升步骤与REDR机制的预测相符，完成了整个逻辑循环。

下面是研究方法逻辑规则应用的mermaid流程图：

graph LR
    A[检测故障] --> B[应用调查规则]
    B --> C[识别异常结果（异常规则）]
    C --> D[提出怀疑（必然怀疑规则）]
    D --> E[寻找解释（不可能链规则）]
    E --> F[提出REDR假设]
    F --> G[TEM验证（侦探循环规则）]
    G --> H[发现电压上升证据（证据规则）]

9. 结论与展望

综合以上研究，复合增强缺陷反应（REDR）被认为是980nm SL SQW InGaAs激光二极管突发故障的驱动机制。电气和光学测量以及微观研究结果都支持了这一解释。

这一发现为提高这些设备的可靠性指明了方向。通常被忽视的“冷”区域可能是导致时间延迟灾难性故障的根源，因此在设备设计和制造过程中，应更加关注这些区域的缺陷控制。未来的研究可以进一步对REDR机制进行定量验证，确定相关常数，以更准确地预测和预防激光二极管的突发故障。同时，可以探索如何通过优化工艺和材料来减少原生缺陷的存在，从而提高激光二极管的整体可靠性。