Квантовая деформация и видимый спектр III-нитрида

Разработка высокопроизводительных лазерных диодов видимого спектра представляет собой одно из самых значительных достижений в физике твердого тела. Для OEM-интегратора выбор между 520 нм лазерный диод, a 488 нм лазер, или ультрафиолетовый лазерный диод это не просто выбор цвета, это выбор различных эпитаксиальных задач. Полупроводниковая промышленность классифицирует эти устройства в основном по системам материалов - обычно это нитрид индия-галлия (InGaN) для ультрафиолетового и зеленого диапазонов и фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) для красного диапазона.

В самом центре 520 нм Проблема заключается в несоответствии решеток между активными слоями InGaN и подложкой GaN. Чтобы сдвинуть излучение от “естественного” синего цвета GaN к зеленому цвету лазер 520 нм, Мольная доля индия должна быть увеличена примерно до 20% - 25%. Такая высокая концентрация индия создает значительную сжимающую деформацию. Эта деформация в сочетании с нецентросимметричной кристаллической структурой вюртцитного GaN приводит к образованию массивных Поляризационно-индуцированные внутренние поля. Эти поля вызывают пространственное разделение волновых функций электрона и дырки - квантовый ограниченный эффект Штарка (QCSE), - что резко снижает скорость радиационной рекомбинации и увеличивает пороговую плотность тока ($J_{th}$).

Лазер 488 нм: Преодоление разрыва в голубом цвете

The 488 нм лазер служит критически важным мостиком между высокоэффективными синими диодами 450 нм и более сложными зелеными диодами 520 нм. В течение десятилетий 488 нм были исключительной областью аргон-ионных газовых лазеров, которые ценились за качество луча, но были ненавистны за их эффективность 0,01% и огромные требования к охлаждению. Переход на полупроводники 488 нм лазер потребовалось освоить промежуточные концентрации индия, при которых QCSE присутствует, но является управляемым.

Для производителя длина волны 488 нм особенно чувствительна к “колебаниям индия”. При такой концентрации индия сплав склонен к фазовому разделению в процессе металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD). Если атомы индия группируются, они создают локализованные потенциальные ямы, которые расширяют спектр излучения и увеличивают Коэффициенты оже-рекомбинации. Этот механизм нерадиационных потерь, при котором энергия электронно-дырочной рекомбинации передается третьему носителю, а не фотону, является основной причиной того, что мощные циановые диоды требуют превосходного терморегулирования для поддержания стабильного продольного режима.

Ультрафиолетовый лазерный диод: Физика граней и проблемы AlGaN

Переход в ультрафиолетовый режим (УФ), обычно в диапазоне от 375 нм до 405 нм, При этом физика переходит от управления напряжением к управлению энергией фотонов. A ультрафиолетовый лазерный диод работает вблизи фундаментальной полосы пропускания GaN. Основным инженерным препятствием здесь является легирование p-типа. При увеличении содержания алюминия (Al) для достижения более коротких длин волн (переход от 405 нм к 375 нм) энергия активации легирующего элемента магния (Mg) возрастает. Это приводит к низкой концентрации дырок, высокому последовательному сопротивлению и чрезмерному нагреву по Джоулю.

Кроме того, выходная грань ультрафиолетовый лазерный диод подвергается экстремальным условиям. Ультрафиолетовые фотоны обладают достаточной энергией, чтобы способствовать диссоциации водяного пара и углеводородов, что приводит к осаждению углеродистого материала на грани. Эта “оптическая сажа” увеличивает поглощение, что приводит к локальному повышению температуры, еще больше ускоряя окисление полупроводникового кристалла. Для предотвращения катастрофических оптических повреждений (COD) в ультрафиолетовых диодах высокого класса необходимо использовать “сверхвысоковакуумное покрытие фасеток” (UHV) и специализированные диэлектрические прокладки (обычно $Al_2O_3$ или $SiO_2$).

Лазер с длиной волны 650 нм: AlGaInP и утечка носителей

The 650 нм лазер представляет собой вершину системы материалов AlGaInP на подложках GaAs. В отличие от зеленых и ультрафиолетовых лазеров на основе GaN, красные лазеры 650 нм лазер ограничивается “сдерживанием носителей”. Смещение полос между квантовой ямой и плакирующими слоями в AlGaInP относительно невелико. При нагреве устройства электроны могут легко “переполнить” активную область и уйти в p-плакирующий слой.

Именно из-за этой утечки носителей красные диоды имеют гораздо более низкую характеристическую температуру ($T_0$), чем синие или зеленые диоды. Для промышленного покупателя это означает, что 650 нм лазер Модуль должен быть спроектирован с чрезвычайно эффективным тепловым трактом. Даже повышение температуры спая на 5 °C может привести к падению эффективности склона на 15%. Для борьбы с этим производители прецизионных приборов используют структуры “многоквантового барьера” (MQB) - серию тонких слоев, которые создают интерференционный фильтр для электронов, эффективно увеличивая эффективную высоту барьера без изменения состава материала.

Проектирование для доминирования поперечного электрического режима (TE)

Во всех этих диодах видимого спектра достигается высокий уровень Доминирование поперечного электрического (TE) режима очень важна для приложений, связанных с чувствительной к поляризации оптикой, таких как голографические дисплеи или интерферометрия. Из-за сжимающей деформации в квантовых ямах InGaN происходит благоприятный переход между полосой проводимости и валентной полосой “Heavy-Hole”, что естественным образом способствует TE-поляризации.

Однако с увеличением содержания индия для 520 нм лазерный диод, При этом структура валентной полосы становится сложной. Если деформация не идеально сбалансирована, полосы “светлое отверстие” или “разделение кристаллического поля” могут интерферировать, что приводит к ухудшению коэффициента поляризационного рассеяния (PER). A мирового класса Китай лазерный диод завод необходимо провести тщательное картирование поляризации, чтобы обеспечить соотношение TE/TM более 100:1, что гарантирует совместимость компонента с высокоточными оптическими системами.

Техническое сравнение параметров видимого спектра

В таблице ниже приведены рабочие характеристики, которые определяют требования к приводной электронике и охлаждению для диодов с различной длиной волны.

Тематическое исследование: Сверхстабильный многоволновый модуль для секвенирования ДНК

История клиента:

Биотехнологической компании, специализирующейся на секвенировании следующего поколения (NGS), требовался мощный световой двигатель с несколькими длинами волн. Устройство должно было обеспечивать возбуждение лазера на длине волны 488 нм (для красителей FAM) и 520 нм (для красителей HEX/VIC). Важнейшим требованием была “Стабильность мощности на низких частотах” (колебания < 0,1% в течение 1 часа) и идеально циркулированный луч для обеспечения максимальной пропускной способности проточной кюветы.

Технические проблемы:

Основная проблема заключалась в “тепловых перекрестных помехах”. Диод 520 нм, будучи наименее эффективным, выделял значительное количество тепла. Это тепло вызывало сдвиг длины волны в канале 488 нм, который смещал пик возбуждения в сторону от максимума поглощения красителя, что приводило к потере сигнала флуоресценции. Кроме того, диод ультрафиолетового лазера, используемый для периодической “очистки” граней проточной кюветы, вызывал озоновую деградацию внутренних оптических клеев.

Технические параметры и настройки:

• Канал 1: 488 нм (150 мВт CW).
• Второй канал: 520 нм (80 мВт КВт).
• Канал 3: 375 нм (импульсная мощность 50 мВт).
• Колинеарность луча: < 0,5 мрад.
• Среднеквадратичный шум: < 0,2% (от 10 Гц до 10 МГц).

QC и инженерное решение:

Команда инженеров разработала “термоизолированный оптический стенд”. Лазерный диод 520 нм был установлен на специальном термоэлектрическом охладителе (sub-TEC), чтобы отделить его тепловую нагрузку от остальной части коллектора. Для 488-нм лазера мы применили схему “Noise-Eater” - акустооптический модулятор (AOM) с высокоскоростной обратной связью для подавления шума 1/f, присущего мощным InGaN диодам.

Для решения проблемы деградации под воздействием УФ-излучения внутренняя оптика была переведена с монтажа на эпоксидной основе на “пайку золотым припоем” и “лазерную сварку”. Весь модуль был герметично закрыт в атмосфере Ar/N2 для предотвращения “эффекта сажи” на оптике. ультрафиолетовый лазерный диод грань.

Заключение:

Разработанный на заказ модуль позволил в 5 раз повысить точность секвенирования геномных данных с длинными прочтениями. Переместив лазерный источник 520 нм на активно стабилизированную платформу, клиент избавился от необходимости программной “нормализации сигнала”, что значительно сократило накладные расходы на обработку данных. Этот пример демонстрирует, что для медицинских приложений с высокой степенью риска цена лазерного диода не имеет значения по сравнению со стоимостью целостности данных.

Оценка целостности производства в видимом спектре

Для сотрудника, ответственного за закупки, различие между “потребительским” и “промышленным” классом” Китай лазерный диод завод Для этого необходимо рассмотреть характеристику “Интенсивность ближнего поля” (NFI). Высококачественный видимый диод должен иметь гладкий, гауссовый профиль NFI. Любые “филаментации” или темные пятна в NFI указывают на неравномерное распределение индия или локализованные дефекты кристалла. Эти филаменты часто являются местом преждевременного выхода из строя, поскольку они действуют как локальные “перегружатели тока”, которые перегреваются и вызывают плавление граней.

Надежность в видимом спектре также зависит от глубины “выжигания”. Стандартные диоды могут подвергаться 24-часовому выгоранию. Однако для ультрафиолетовый лазерный диод или мощный 520 нм 168-часовое испытание “высокотемпературного срока службы” (HTOL) является золотым стандартом в отрасли. Это позволяет выявить “младенчески смертные” блоки, обладающие скрытыми дислокациями, которые начинают двигаться только под воздействием высокой температуры и высокой плотности фотонов.

Профессиональные вопросы и ответы

Вопрос: Почему пороговый ток ($I_{th}$) лазерного диода с длиной волны 520 нм намного выше, чем у синего диода с длиной волны 450 нм?

О: Это связано в первую очередь с квантовым ограниченным эффектом Штарка (QCSE). При длине волны 520 нм повышенное содержание индия создает более сильные внутренние электрические поля, которые притягивают электроны и дырки к противоположным сторонам квантового колодца. Это физическое разделение уменьшает “интеграл перекрытия”, а значит, для достижения усиления, необходимого для свечения, требуется больший ток.

Вопрос: Можно ли использовать 650-нм лазерный диод без активного охлаждения?

О: Для маломощных (5-10 мВт) стрелочных приборов достаточно пассивного охлаждения. Однако для промышленного зондирования или медицинской терапии, где диод работает на мощности 100 мВт+, необходимо активное охлаждение или очень большой теплоотвод. Большой сдвиг длины волны (0,23 нм/К) означает, что без контроля температуры луч будет быстро выходить за пределы требуемого спектрального окна.

Вопрос: В чем преимущество лазерного диода 488 нм перед DPSS-лазером 473 нм?

О: Диод значительно компактнее, имеет гораздо более высокую скорость модуляции (до нескольких ГГц) и потребляет на 90% меньше энергии. Кроме того, диод 488 нм является “прямым излучателем”, то есть в нем отсутствуют сложные нелинейные кристаллы и чувствительные к юстировке полости DPSS-лазеров, что делает его гораздо более надежным для портативной диагностики.

Вопрос: Одинаково ли пассивирование граней для ультрафиолетовых и красных диодов?

О: Нет. Красные диоды (AlGaInP) в первую очередь требуют защиты от окисления и утечки носителей на поверхности. Для ультрафиолетовых диодов требуются “устойчивые к соляризации” покрытия, способные выдерживать высокую энергию фотонов без потемнения или фотохимических изменений.