một số tính chất đặc biệt của laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn

Đến đầu năm 1963 thì các loại laserbán dẫn đã được cải tiến hơn bằng cách sử dụng một lớp bán dẫn kẹp giữa hai lớp bándẫn vỏ, gọi là bán dẫn cấu trúc dị thể, lớp bán dẫn ở giữa có độ rộn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 3

1.1 KHÁI NIỆM LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 1.2 MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 4

1.2.1 LASER MA TRẬN (MATRIX) 4

1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC 5

1.2.3 LASER DIODE DẠNG MẢNG (THANH) 6

1.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG 7

1.3.1 SỬ LÝ CỬA SỔ TIẾP XÚC 7

1.3.2 CẤY GHÉP ION 8

1.3.3 SỬ LÝ LỚP CÁCH ĐIỆN 9

1.3.4 SỬ LÝ CẤU TRÚC MESA 11

1.3.5 PHỦ KIM LOẠI 12

1.3.6 TỔ HỢP LASER MẢNG CÔNG SUẤT CAO 13

1.3.7 KỸ THUẬT PHỦ MẶT GƯƠNG 14

1.3.7.1 NGUYÊN TẮC 1.3.7.2 THỤ ĐỘNG HOÁ MẶT TÁCH CHIP LASER 1.4 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG CHÙM TIA 15

1.4.1 THÔNG SỐ KHUẾCH ĐẠI HẠT TẢI CẢM ỨNG VÀ CHIẾT SUẤT KHÚC XẠ 15

1.4.2 MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT BÃO HOÀ 16

1.4.3 ĐỘ SÁNG, TỶ SỐ STREHL VÀ THÔNG SỐ M2 17

1.4.3.1 ĐỘ SÁNG 17

1.4.3.2 TỶ SỐ STREHL 18

1.4.3.3 THÔNG SỐ M2

18 1.5 MỘT SỐ TÍNH CHẤT ĐẶC BIỆT CỦA LASER DIODE 19

CÔNG SUẤT CAO 1.5.1 ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT PHỤ THUỘC VÀO DÒNG BƠM 19

1.5.2 SỰ PHỤ THUỘC DÒNG NGƯỠNG VÀO NHIỆT ĐỘ 20

1.5.3 SỰ UỐN CONG ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG (P-I) DO NHIỆT 20

1.5.4 HOẠT ĐỘNG ĐA MỐT 21

1.5.5 SỰ PHÁ HUỶ PHẨM CHẤT QUANG HỌC 22

1.5.6 TUỔI THỌ CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO 22

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

2.1 CHẾ TẠO NGUỒN PHÁT XUNG NGẮN, DÒNG CAO ĐỂ NUÔI CHO LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO

2.2 CÁC CHIP LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG TRONG

NGHIÊN CỨU

2.3 ĐẦU THU PHOTODIODE.

2.4 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN ĐẶC TRƯNG CÔNG SUẤT P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO Ở CHẾ ĐỘ XUNG.

2.5 HỆ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ UỐN CONG ĐẶC TRỪN CÔNG SUẤT GÂY RA DO NHIỆT

2.6 HỆ THÍ NGHIỆM ĐO P-I CỦA LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO SỬ DỤNG MÁY PHÁT XUNG DÒNG CAO, ĐỘ RỘNG XUNG NGẮN

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Lasers được viết tắt từ những chữ cái đầu trong tiếng Anh (Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation), đó là sự khuếch đại bức xạ cưỡng bức ánh sáng

để tạo ra chùm tia có cường độ lớn, có tính định hướng cao Lasers là một trong nhữngphát minh mang tính đột phá của thế kỷ 20, phát minh kỳ diệu này không những làmnức lòng các nhà khoa học mà còn kích thích sự quan tâm tìm hiểu của nhiều ngườitrong kỷ nguyên công nghệ cao Kể từ khi ra đời lần đầu tiên (Laser rubi) năm 1960 doMaiman phát minh, đến nay rất nhiều loại laser đã được nghiên cứu, phát triển và đưavào ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khoa học, đời sống như y học, thông tinquang sợi, điều khiển và đo xa laser, đo cắt chính xác công nghiệp v.v

Cùng với sự ra đời nhiều loại laser khác, laser diode bán dẫn được Robert Hallcông bố lần đầu tiên năm 1962 Nó sử dụng liên kết p-n trong bán dẫn GaAs, phát ở

lần tần số radio và gấp 105 lần tần số của vi sóng Đến đầu năm 1963 thì các loại laserbán dẫn đã được cải tiến hơn bằng cách sử dụng một lớp bán dẫn kẹp giữa hai lớp bándẫn vỏ, gọi là bán dẫn cấu trúc dị thể, lớp bán dẫn ở giữa có độ rộng vùng cấm khácvới độ rộng vùng cấm của hai lớp vỏ Loại laser này được chia làm hai loại: chuyểntiếp dị thể đơn và chuyển tiếp dị thể kép, tuỳ thuộc vào miền tích cực được bao quanhbởi một hay hai loại lớp vỏ Với cấu trúc dị thể, hằng số mạng của lớp tích cực và lớp

vỏ phải bằng nhau hoặc khác nhau không đáng kể (có cấu trúc tương tự nhau)

Trên cơ sở vật liệu bán dẫn GaAs cấu trúc dị thể, đến những năm 1969 thìCharles Kao và Geoger Hockhan chế tạo được laser bán dẫn có hoạt động trong chế độ

dị thể kép Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm giữa lớp tích cực và các lớp vỏ giúp choviệc giam giữ tốt hơn các mốt quang học, hoạt động như một dẫn sóng điện môi.Nhưng chính sự giam giữ này làm giảm đáng kể hao tổn nội, gây ra sự mở rộng mốttrong các vùng lân cận

Một trong những mục tiêu quan trọng của laser diode đó là nâng cao công suấtlaser ra đồng thời giảm độ rộng xung nhỏ nhất có thể nhằm nâng cao chất lượng chùmtia và ứng dụng sâu hơn trong cuộc sống cũng như khoa học Mục tiêu này luôn luônđược duy trì và mở rộng phát triển kể từ khi nó ra đời

Vậy tại sao chúng ta cần phải chế tạo laser diode công suất cao?

Đầu những năm 1990 đánh dấu bước đột phá trong công nghệ laser bán dẫn khi

suất trên 20W, thời gian sống cỡ 10.000 giờ, mở ra khả năng ứng dụng to lớn trongkhoa học ứng dụng Quá trình tiếp theo chủ yếu tập chung vào việc cải tiến laser bándẫn trên cơ sở nền GaAs, tạo ra nền có mật độ phản xạ thấp bằng các quá trình epitaxycủa các lớp AlGaInAs và GaInAsP trên nền GaAs Các lợi thế của laser bán dẫn côngsuất cao: So với với đèn bơm hoặc khí tích điện cho việc tạo ra ánh sáng kết hợp, nhưkích thức nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi điện quang cao hơn, nguồn cấp và làm lạnhđơn giản, độ tin cậy cao hơn Kích thước nhỏ gọn nên chiếm ưu thế hơn so với laserrắn và laser khí do sự cồng kềnh và bất tiện Dòng bơm ngưỡng thấp (chỉ cỡ vài trăm

mA), dải sóng ứng dụng rộng, dễ điều chế, hoạt động từ chế độ xung tần số thấp đếncao, cả chế độ xung và chế độ liên tục Nó là thiết bị không thể thiếu trong thông tincáp quang, cho phép truyền thông tin đi khoảng cách rất lớn với tốc độ siêu cao Mặtkhác, laser diode đóng vai trò như chiếc chìa khoá mở ra rất nhiều ứng dụng, từ nhữngsản phẩm thông thường phục vụ cho mục đích dân sự đến những ứng dụng cho mụcđích quân sự Đối với một số ứng dụng thông thường của laser diode như: máy scan,máy in, bút chỉ laser, đầu đọc đĩa compact và trong thông tin cáp quang thì công suấtchỉ cỡ vài mW Nhưng đối với một loạt ứng dụng khác thì công suất cần tới cỡ từ vàiWatts tới hàng ngàn Watts tuỳ theo ứng dụng như: đo xa laser phát hiện khoảng cáchmục tiêu, nguồn chiếu sáng trong ống nhòm nhìn đêm, trong y tế (châm cứu, cắt khối

u, thẩm mỹ, trị ung thư…), xác định xon khí, lỏng trong khí quyển.v.v

Trong luận văn này chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu một số tính chất đặt biệtcủa laser diode công suất cao với cấu trúc mảng ở chế độ xung ngắn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO

Đã hơn 40 năm kể từ khi laser bán dẫn phun ra đời, rất nhiều nghiên cứu đãđược thực hiện nhằm nâng cao công suất và mở rộng vùng bước sóng phát Với lợi thếnhỏ gọn, hiệu suất cao và thời gian sống lớn, laser diode có khả năng thay thế phần lớncác laser khác trong ứng dụng khoa học và trở thành cầu nối giữa các hệ điện tử vàthông tin liên lạc Phần lớn các ứng dụng đều nhằm duy trì công suất ra và chất lượngchùm tia theo thời gian Trong chương này chúng ta sẽ xem xét một số cấu trúc laserdiode công suất cao và công nghệ sử dụng cho việc chế tạo laser diode công suất caolaser dạng mảng (thanh) Sau đó là nghiên cứu một số thông số đặc trưng cho chấtlượng chùm tia laser ra và những thông số ảnh hưởng đến công suất phát

Trong thực tế không có qui định rõ ràng giữa laser diode thường và laser diodecông suất cao, nó phụ thuộc vào loại laser và ứng dụng cho mục đích gì mà nó đượcthiết kế cho phù hợp Nói chung, đối với các loại laser tần số đơn, laser đơn mốt liêntục có công suất 50mW trở lên và các laser đa mốt dải rộng, mảng laser có tần số50mW trở lên thì được gọi là laser diode công suất cao Mặc dù các laser diode có thểphát ra công suất đỉnh lên tới vài kW ở chế độ xung, nhưng năng lượng xung bị giớihạn nhỏ hơn rất nhiều so với các loại laser rắn khác do thời gian sống của hạt tải diodengắn (cỡ vài ns) Để hiểu được sự cần thiết phải chế tạo laser diode công suất caochúng ta hãy đưa ra những lợi ích mà laser bán dẫn công suất cao mang lại khi sử dụngchúng trong ứng dụng thực tiễn [17]:

mang lại tiêu chuẩn đầu tiên cho laser diode công suất cao Trong khi hiện naynếu sử sụng laser diode thì hiệu hiệu suất lên đến trên 60% [2]

của laser diode công suất cao hơn 10.000 giờ

tới cỡ vài kW Để thực hiện một công suất tương tự với các laser diode thìchúng ta chỉ cần sử dụng khoảng 100 thanh diode công suất cao

hiệu suất rất cao vì bước sóng bơm của laser diode có thể phù hợp chính xác vớibước sóng hấp thụ của tinh thể được kích thích Còn nếu sử dụng các loại đènbơm thì do phụ thuộc vào các dịch chuyển điện tử của các nguyên tử kích thíchnên các bước sóng này chỉ phụ thuộc bản chất, các giá trị cố định khí bơm vào,

vì thế các dịch chuyển có thể tốt hoặc không tốt, mang lại hiệu suất kém hơn rấtnhiều

phát laser Đối với các hệ laser diode công suất cao thì vấn đề này chủ yếu đượcxác định bới giá của các laser diode thành phần (laser diode thông thường) Vìthế, các nỗ lực chủ yếu được tập chung vào công nghệ bán dẫn tái chế, chính vìvậy laser diode công suất cao được xem như là công nghệ đơn giản nhất, dẫnđến giá cả cạnh tranh hơn so với các loại laser khác

1.2 MỘT SỐ CẤU TRÚC LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO

1.2.1 LASER MA TRẬN (MATRIX)

Khái niệm

Laser ma trận là một trong những cấu trúc được sử dụng hiệu quả trong việcnâng cao công suất của laser diode Cấu trúc của laser ma trận được bố trí bao gồmnhiều lớp tích cực nằm sát nhau, mỗi lớp tích cực này bức xạ riêng rẽ và tạo thành mốiquan hệ về pha giữa chúng Cụ thể là hợp pha hoặc ngược pha, nếu hợp pha thì côngsuất ra tổng hợp được tăng cường và kết hợp, còn nếu ngược pha thì công suất ra bịtriệt tiêu Kết quả tạo thành chùm bức xạ hẹp, có tính kết hợp cao Cấu trúc laser matrận được nghiên cứu nhiều hiện nay sử dụng hệ vật liệu InGaAsP

Cấu trúc laser ma trận được chia thành hai nhóm: laser ma trận chỉ số khuếchđại và laser chỉ số chiết suất yếu (cấu trúc dẫn sóng), sự khác nhau của hai loại là domode công tua dọc theo mặt phẳng chuyển tiếp được xác định bằng chỉ số khuếch đại

và chỉ số chiết suất yếu Hình 1.1 minh hoạ hai cấu trúc laser ma trận trên:

lớp điện môi

 ~1.3m (InGaAsP)

 ~1.3m (InGaAsP)(lớp tích cực)

đế

a/

 ~1.3m (InGaAsP) (lớp tích cực)

 ~1.03m (InGaAsP)

b/

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc laser ma trận trên cơ sở vật liệu InGaAsP

a/ Cấu trúc laser diode ma trận chỉ số khuếch đại.

b/ Cấu trúc laser diode ma trận chỉ số chiết suất yếu.

Trong đó laser ma trận chỉ số khuếch đại là một laser dải điện môi, các khe điện môi

động từ các bức xạ lân cận Laser ma trận chỉ số chiết suất yếu có thể sử dụng cấu trúcdẫn sóng ở đỉnh Các hướng không gian giữa các bức xạ được khuếch đại lọc lựathông qua sự chồng chập của các mốt dao động Sự chồng chập này chứng tỏ sự liên

n-InP p-InP p-InP

n-InP p-InP

kết cần thiết cho chặn pha Đối với laser ma trận InGaAsP phát trong vùng 1.3m hoạtđộng ở chế độ xung có thể cho công suất ra tới 800mW.

1.2.2 LASER BUỒNG CỘNG HƯỞNG RỘNG LOC

(LARGE OPTICAL CAVITY)

Khái niệm

Hiểu một cách đơn giản nhất, để có được công suất cao hơn, ta có thể tăng thể tíchcủa buồng cộng hưởng hay tăng chiều dài vùng hoạt chất (tức là tăng chiều dài khuếchđại), dẫn đến tăng mật độ photon đi ra, tức là công suất bức xạ tăng Laser buồng cộnghưởng rộng dựa trên cấu trúc dị thể kép gồm ba lớp “chuẩn” p-p-n (hình 1.2), có haikiểu cấu trúc là cấu trúc đối xứng và cấu trúc phản xứng, trong đó cấu trúc phản xứng

dễ tạo được laser đơn mốt dọc hơn là cấu trúc đối xứng Laser LOC bao gồm cấu trúc

dị thể vùi và cấu trúc dị thể kép, trong đó cấu trúc dị thể kép cho công suất quang racao hơn (cỡ 100mW ở chế độ liên tục)

p

p (lớp tích cực)n

Hình 1.2: Cấu trúc dị thể kép 3 lớp “chuẩn”

Trong cấu trúc này, ở vùng lân cận của lớp tích cực thì sự tái hợp và cộnghưởng xảy ra độc lập, các mốt ngang lan truyền qua lớp bán dẫn loại n sẽ ít mất máthơn Đối với loại buồng cộng hưởng này, nếu chế tạo buồng cộng hưởng lớn hơn vùngtái hợp thì kích thước vết sáng đầu ra lớn hơn, đồng thời công suất lối ra cũng giảm.Laser LOC có hai đặc điểm lưu ý là: nồng độ hạt tải dò giữa lớp tích cực và ống dẫn(vỏ) lớn hơn so với cấu trúc dị thể chuẩn và có sự suy giảm chiết suất trong vùng táihợp do mật độ tập chung hạt tải cao gây mất ổn định kích thước vết sáng ra

Cấu trúc đầu tiên [3] áp dụng khái niệm buồng cộng hưởng rộng (LOC) với dẫnsóng mở rộng cho bước sóng 808nm, cấu trúc này sử dụng lõi ống dẫn sóng có bề dày

1.3) Một cấu trúc dẫn sóng tối ưu cho laser diode công suất cao LOC cần thoả mãnyêu cầu sau [17]:

- Khả năng giam hãm cao để giảm dòng ngưỡng

- Bề rộng trường gần phải đủ lớn để giảm tải trọng bề mặt

- Bề rộng trường gần phải đủ nhỏ để giảm bề dày tổng cộng của các lớp ghép, tức

là trở nhiệt và trở hệ thống

- Bề rộng trường gần phải đủ lớn để độ phân kỳ theo chiều dọc nhỏ

- Mất mát tán xạ thấp

- Mất mát do hấp thụ hạt tải tự do nhỏ

- Mức pha tạp cao để giảm trở hệ thống

- Hàng dào chắn hạt tải đủ cao để giam hãm điện tử tốt hơn

- Hàng dào giữa các lớp khác nhau đủ nhỏ để đạt thế qua diode thấp

GaAs (lớp tiếp giáp)

Hình 1.4: Cấu trúc của laser diode mảng công suất cao

Trong laser thanh, để hạn chế số mốt người ta đưa ra giải pháp bằng cách sửdụng mô hình cặp thanh hình chữ Y như hình 1.5

Nguyên lý hoạt động của cấu trúc được mô tả trên hình vẽ 1.5b Các mốt từ hainhánh có chung một gốc hình chữ Y sẽ cộng pha với nhau theo mối quan hệ như sau:hai thành phần cùng pha sẽ được tăng cường, đồng thời tạo ra mốt công suất cao hơnnhư hình b1, còn hai thành phần ngược pha sẽ bị triệt tiêu và công suất mất đi nhưhình b2 Công suất nhận được từ laser diode dạng thanh là rất lớn, công suất ra có thểlên tới trên 70W, tuy nhiên lúc đó thời gian sống sẽ ngắn hơn khi laser hoạt động ởcông suất thấp

b/Mô hình cho nguyên lý hoạt động của laser dạngthanh.

1.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LASER DIODE DẠNG MẢNG

Có ba vấn đề cần giải quyết liên quan đến công nghệ chế tạo laser diode công suất caodạng mảng [17]:

Thứ nhất đó là thiết kế buồng cộng hưởng quang học cho dẫn sóng Đối với

dẫn sóng dọc được tạo bởi cấu trúc expitaxial, còn dẫn sóng bên đạt được bằng kỹthuật khắc mòn mesa (kỹ thuật khắc dốc) trong trường hợp dẫn sóng chiết suất, hoặcbằng phương pháp hình học tiếp xúc trong trường hợp laser diode dẫn sóng khuếchđại

Thứ hai là các gương phải được tạo ra để buồng cộng hưởng được xác định.

Đối với các laser diode công suất cao thì nó được chế tạo chủ yếu bằng cách tách cácmặt tinh thể và phủ lớp chống phản xạ cho một mặt gương (mặt không phát laser) Quátrình gia công tương tự như công nghệ chế tạo thiết bị bán dẫn và cũng là yếu tố thenchốt cho các laser diode phát bề mặt

Thứ ba là quá trình sử lý phải thực sự bảo đảm: tiếp xúc điện của nguồn cấp, số

chíp laser diode điều khiển lớn, đồng thời tiêu tán nhiệt độ phải nhanh Cấu trúc và quátrình phủ kim loại tiếp xúc sao cho năng lượng điện bơm vào phải đạt hiệu suất laser ratối đa nhất, loại bỏ một cách hiệu quả nhiệt lượng hao phí do chip laser diode là cácthiết bị rất nhỏ nên ảnh hưởng nhiệt của chúng là rất lớn

1.3.1 SỬ LÝ CỬA SỔ TIẾP XÚC

Cấu trúc laser diode ống dẫn khuếch đại đơn giản nhất dựa trên việc phun dòngđiện bị giới hạn bên Điều này được thực hiện thông qua cửa sổ tiếp xúc trên bề mặtbán dẫn bằng các lớp expitaxial, cửa sổ tiếp xúc này có tác dụng ngăn cản dòng điệnlan tỏa trên bề mặt tiếp xúc Dựa vào cửa sổ tiếp xúc này, dòng điện được phun vàobên trong vùng hoạt chất Ngoài vùng cửa sổ tiếp xúc này thì bề mặt bán dẫn phảiđược cách điện hoàn toàn

Cách điện được giải quyết bằng cách giảm mạnh tính dẫn điện của lớp tiếp xúcbán dẫn pha tạp mạnh gây ra do sự ghép nối hoặc ta có thể cách điện lớp chất điện môi

ở giữa lớp tiếp xúc bán dẫn và lớp phủ kim loại [4,5]

1.3.2 CẤY GHÉP ION

Hiệu quả cách điện của việc cấy ion phụ thuộc vào việc tạo ra các lỗ trống trongbán dẫn Các lỗ trống này bắt giữ các hạt tải tự do trong các lớp bán dẫn, điều này làmgiảm tính dẫn điện và tăng điện trở của các lớp

Để chế tạo các cấu trúc laser diode đa mốt thì cần có sự cách điện của các lớp bándẫn pha tạp mạnh (lớp tiếp xúc và lớp vỏ gần lớp tiếp xúc) Vùng này có thể đượccách điện bằng cách cấy ion nông với năng lượng thấp Độ sâu trung bình và độ dàycủa lớp cách điện được xác định bằng loại ion và năng lượng được cấy, lượng cấy nàyxác định số lỗ trống và độ cách điện

Sự phá huỷ rất dễ xảy ra nếu đặt lớp được cấy trong vùng cường độ trường quanghọc mạnh, nó tạo nên những điểm ban đầu gây gia tăng sai hỏng, dẫn đến suy biến cácđặc tính của laser diode và cuối cùng làm hỏng thiết bị Chính vì vậy, tránh sắp đặtđường cấy thẳng hàng với hướng chính của tinh thể (góc phải lớn hơn 7 độ) Điều nàygây ra do hiệu ứng lập kênh, khi đó các ion được cấy sẽ đi vào giữa các dãy nguyên tửtrong mạng tinh thể, lúc đó độ đâm xuyên gấp 10 lần so với trường hợp khi không xảy

ra hiệu ứng lập kênh Công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại với sự giúp

đỡ của phương pháp cấy ion được minh hoạ trên hình 1.6

bước 4

Hình 1.6 Qui trình công nghệ chế tạo laser diode dẫn khuếch đại phẳng Dẫn khuếch đại được tạo ra bằng cách cách cấy ion cách điện (bước 3) để giam giữ dòng điện Phủ mặt nạ để cấu trúc kim loại mỏng là phương pháp mặt nạ phóng nhằm ngăn cản

sự đảo chiều trở suất Để ngăn cản miền tiếp xúc trên lớp GaAs khỏi bị phá huỷ do cấy ghép ion cần độ dày lớp phủ hiệu dụng cỡ 70nm.

Để cách điện ta chỉ chọn vùng bán dẫn bên ngoài cửa sổ tiếp xúc (cửa sổ tiếpxúc ngoài) đồng thời sử dụng phương pháp mặt nạ thích hợp để cấy ghép ion Cấyghép thường được sử lý ở nhiệt độ thấp, có thể sử dụng nhiều loại chất liệu mặt nạkhác nhau

1.3.3 SỬ LÝ LỚP CÁCH ĐIỆN

Công nghệ chế tạo laser diode dẫn sóng khuếch đại với lớp bên cách điện bằngmột lớp điện môi được mô tả trong hình 1.7 Các lớp điện môi thông thường được sử

kỹ thuật kết tủa (kết tủa hơi hoá học, bức xạ hoặc bay hơi chùm điện tử)

Cấy ion cách điện

Phủ kim loại

Cấu trúc cuối cùng

1.3.4 SỬ LÝ CẤU TRÚC MESA

Một cấu trúc cùng loại khác cũng được sử dụng cho việc giam giữ điện-quang đó

là cấu trúc dẫn sóng chiết suất Trong cấu trúc này, một phần bên ngoài lớp bán dẫnđược giam giữ bằng vật liệu khác có chiết suất thấp hơn Trường hợp đơn giản nhất làlớp tiếp xúc và lớp vỏ được khắc mòn Cấu trúc mesa được làm rất nhỏ cỡ 3-5 m saocho ống dẫn sóng ngoài chỉ có mốt ngoài đơn được tạo ra dễ ràng Vì thế, cấu trúc nàythường được sử dụng cho laser diode mốt cơ bản Đối với cấu trúc phức tạp hơn, thìmiền khắc mòn bên ngoài vùng giam giữ được lấp đầy bằng bán dẫn khác loại do lầncấy ghép thứ hai

Laser diode với cấu trúc mesa cho công suất cao được chỉ ra trên hình 1.9, làmột trường hợp đặc biệt của ống dẫn sóng đỉnh, bề rộng mặt ngoài cỡ 60-200 m.Tính chính xác của kỹ thuật khắc mòn được sử dụng để nghiên cứu điểm dừng tại độsâu chính xác bị giảm đi khi so sánh với laser ống dẫn sóng đỉnh Ưu điểm chính củacấu trúc mesa là khả năng giam giữ và xác định dòng điện cực tốt, ngoài ra còn có khảnăng giam giữ quang học tốt hơn một chút laser ống dẫn sóng đỉnh Kết quả mật độdòng ngưỡng giảm, bề rộng các đỉnh nhỏ dưới 100 m

bước 1

bước 2

bước 3

bước 4

Hình 1.9 Sơ đồ qui trình công nghệ mesa cho việc chế tạo laser diode cấu trúc dẫn sóng “gần” chiết suất Mặt nạ trở suất được sử dụng như là mặt nạ khắc mòn bao gồm trở suất dương(khắc mòn hoá học ướt) hoặc trở suất âm (cho quá trình khắc mòn khô) Sau đó mặt nạ có thể được sử dụng cho cấu trúc cách điện

Công nghệ chế tạo laser diode cấu trúc mesa được minh hoạ theo các bước trênhình 1.9 Có thể sử dụng khắc mòn khô hoặc ướt, phương pháp này đã được áp dụng

sử lý với dung sai tương đối lớn Quá trình khắc mòn còn tạo ra các các tường bên, dễràng cho việc phủ kim loại

1.3.5 PHỦ KIM LOẠI

Mục đích của việc phủ các lớp p và n của laser diode là tạo ra tiếp xúc ohmic chophép dòng điện chạy qua diode Tiếp xúc có đặc tính tuyến tính I-V ổn định theo thờigian và nhiệt độ Phân bố trở liên kết của diode càng nhỏ càng tốt, nói cách khác sựphủ kim loại là cở sở cho lượng nhiệt tản ra từ chíp laser

Hình 1.10: Ảnh quét hiển vi điện tử của laser diode công suất cao với cấu trúc mesa được sử dụng cho việc giam giữ quang-điện Tấm vàng được phủ lên giúp truyền nhiệt tốt từ chíp tới môi trường.

Đối với laser diode công suất cao dựa trên nền GaAs cho bước sóng phát trong vùng

từ 650nm tới 1100nm thường sử dụng lớp tiếp xúc chứa GaAs Nếu lớp tiếp xúc phatạp đủ mạnh, thì hầu hết kim loại được đặt tiếp xúc ngay sát với bề mặt sẽ cho kết quả

Để tạo tiếp xúc ohmic trên các đế này, chúng ta phải phủ lớp mỏng kim loại sau đópha trộn một cách thích hợp với GaAs Trong suốt quá trình pha trộn tại nhiệt độ đượcgiữ thấp và làm lạnh liên tiếp Trong tất cả các hệ đã được sử dụng, thì hệ dựa trên Au(vàng)-Ge (Giec ma ni) là hiệu quả nhất, Au-Ge được pha trộn theo tỷ lệ hoá học nhấtđịnh (chẳng hạn 88%Au, 12%Ge theo trọng lượng) [6] Hốn hợp pha tạp này được kếttủa trên đế GaAs bằng cách bốc bay chùm điện tử

1.3.6 TỔ HỢP LASER MẢNG CÔNG SUẤT CAO

Một trong những phương pháp phổ biến nhất để tạo công suất ra lớn từ laserdiode đó là tăng bề rộng của vùng phát Tuy nhiên, nếu bề rộng của phát đơn mốt tăngthì sẽ gây gia tăng rất mạnh tính không ổn định mốt ngoài Điều này có nghĩa rằngcông suất quang học sẽ không phân bố đồng nhất dọc theo mặt phát, hay còn gọi là cáckhe nóng, gây giảm độ phẩm chất của laser diode Thực tế, công suất phát của các đỉnhmốt đơn không thể tăng với các bề rộng đỉnh vượt qua 200m Hiện nay, các laserdiode phát đỉnh đơn có bề rộng phát dưới 300m

Phương pháp thực tế để tăng công suất ra là tổ hợp khối nhiều nguồn phát(khoảng 20-70 nguồn) vào bên trong một thanh laser diode Các nguồn phát này đượccách ly với nhau cả về mặt quang và mặt điện Mỗi nguồn phát thành phần này sẽđược điều chỉnh ra với một công suất vừa phải, sao cho chúng không dẫn đến suy giảm

độ phẩm chất của mặt phát Cộng tất cả công suất của những nguồn phát thành phần,công suất ra có thể lên tới 100W [7], thời gian sống khoảng 10000 giờ, chiều dàibuồng cộng hưởng là 600m -1000m, chiều dài của thanh laser là 10mm, khoảngcách nguồn phát thành phần khoảng 50m -200m Trên hình 1.11 minh hoạ cho lasermảng

Hình 1.11: Sơ đồ một phần của laser mảng, bao gồm các nguồn phát đơn riêng lẻ quang-điện Mỗi nguồn phát có một cấu trúc mesa, chiều dài của thanh khoảng

Do công nghệ sử lý các nguồn phát đơn mốt thành phần và laser mảng là giốngnhau, nên việc chế tạo laser thanh chỉ cần thay đổi cách bố trí lớp mặt nạ Tuy nhiên,đòi hỏi nhiều yêu cầu đặc biệt trong việc sử lý công nghệ laser thanh gây ra do sự tíchhợp số lượng lớn các nguồn phát thành phần trong thanh diode Mỗi bước sử lý phải

đưa ra một mức tin cậy rất cao do khuyết điểm của một nguồn phát (ảnh hưởng nhiệthoặc dòng điện) thành phần cũng có thể là nguyên nhân gây ra lỗi của toàn bộ thanhdiode.

Một vấn đề khác có thể phát sinh từ việc tổ hợp của quá nhiều các nguồn phátthành phần mở rộng dẫn đến các lớp dẫn sóng giống nhau gây xuất hiện các giả mốt.Các mốt này có hướng truyền vuông góc với các mốt cộng hưởng thông thường, gâygiảm hiệu suất toàn phần của mảng Có hai cách để khử giả mốt:

Cách thứ nhất là khắc mòn tạo thành các khe song song với các buồng cộng

hưởng bên trong các nguồn phát thành phần

Cách thứ hai là sử dụng cấu trúc mesa, cách này không cần kỹ thuật đi kèm

cho việc triệt tiêu giả mốt

1.3.7 KỸ THUẬT PHỦ MẶT GƯƠNG

Một trong những khía cạnh cốt yếu của công nghệ bán dẫn công suất cao là tạo rađược các gương ra bền tại các mặt tách của tinh thể Năng lượng nhiệt sinh ra được tập

tại lối ra, giá trị này gần với ngưỡng phá huỷ của mặt tách Các gương được tạo ra theo

ba bước:

Quá trình này phải thoả mãn ba điều kiện chính như sau:

Thứ nhất, hệ số phản xạ của gương mặt sau phải lớn hơn 90%, mặt gương trước

từ 3-20%

Thứ hai, bề mặt phản xạ phải có độ bền cao để có thể thoả mãn thời gian sống

của thiết bị hàng nghìn giờ

Thứ ba là công nghệ phải phù hợp cho sản xuất khối lượng lớn, giá thành rẻ.

1.3.7.2 THỤ ĐỘNG HOÁ MẶT TÁCH CHIP LASER

Trên hình 1.12 chỉ ra chu trình phản hồi tại các mặt tách của laser diode dẫn đến pháhuỷ bề mặt, kết quả là hỏng linh kiện

Nguyên nhân hấp thụ ban đầu tại các mặt tách là do các tâm sâu (trạng thái bề mặt)được nhân lên do sự ôxi hoá của vật liệu bán dẫn tại giao diện bán dẫn-tấm cách điện

Sự hấp thụ của bức xạ cưỡng bức tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống tái hợp không bức xạtại vùng mặt tách Hiện tượng tái hợp bề mặt không bức xạ gây nóng mặt tách làm cho

độ rộng vùng cấm giảm Sự giảm độ rộng vùng cấm này làm gia tăng hấp thụ tại cácmặt tách của chíp, hiệu ứng này sẽ được tăng cường bởi mật độ dòng tại mặt tách do

độ rộng vùng cấm giảm [8] Nếu như năng lượng hấp thụ đủ lớn, thì quá trình tự chống

đỡ xảy ra dẫn đến phá hỏng do nhiệt của mặt tách Sau đây là một vài phương pháptiếp cận thường sử dụng nhằm hạn chế sự phá hỏng mặt tách do nhiệt: