COD 的發生機制

本節將就 COD 的發生機制作詳細的介紹。當雷射二極體沿 GaAs 的

(110)面劈開後形成一鏡面，此時因晶體之週期性被破壞而產生許多非輻射 復合中心，包含氧化造成的 deep level 在表面區域形成 surface state，如同 在 2.6.4 節中所述的非輻射復合機制中的表面復合情形。這些非輻射復合

由圖 3-2 中可以看出不同半導體材料能隙能量(bandgap energy)對溫度

變化之關係。以 GaAs 材料為例在 0k 時能隙能量為 1.519ev，在室溫 300k 時 GaAs 的能隙能量為 1.424ev，當溫度升到 600k 時其的能隙能量縮減約 為 1.28ev 左右。由於能隙能量與溫度之間存在有很強的存依性質，因此當 溫度(T)越高時會使能隙能量(Eg)變小。

圖 3-2[3.10]不同半導體材料能隙能量對溫度變化之關係

若材料為 AlxGa1-xAs 時則可表示為[3.11]:

x T

E T

E_g( )]_AlGaAs [ _g( )]_GaAs 1.24

[ = + (3.2)

其中 x 表示 Al 的成份含量。

然而在鏡面溫度升高造成鏡面處能隙縮小(band gap shrinkage)的同 時，將使光的吸收因素(asorbtion coefficient)效果也相對變的更強，如圖 3-3 中 的 部 分 。 由 於 光 引 發 (photoinduce) 將 產 生 更 多 的 電 子 - 電 洞 對 (electron-hole pairs)如圖 3-3 中的部分。然而就在產生這些電子-電洞對的 同時，也將伴隨著許多斷鍵(bond-breking)的產生[3.4][3.13]。這些斷鍵就 如同在 2.6.4 節中所述的 dangling bonds。

由於這些 dangling bonds 的存在將與氧原子結合並加速氧化速率，於 850nm AlGaAs 雷射及其它可見光雷射有比較高的氧化速率，而 1300nm 及 1500nm InGaAsP/InP 雷射氧化速率則相對較低[3.4]。就如同前述，GaAs 或 AlGaAs 與 氧 生 成 的 氧 化 物 將 會 在 表 面 區 域 形 成 extrinsic surface state[3.13]，如圖 3-3 的非輻射復合中心部分。由於這些氧化物具有很高的 表面復合中心密度(N_st)[3.14]，因此根據 2-11 及 2-12 式可知這將會導致很 高的 SRV 值。另外，除光再吸收外，造成鏡面發熱的另外一個原因是由 於鏡面處能隙縮小之緣故也將形成一個能勢(potential gradient)而允許載子 漂移到鏡面處以非輻射復合的方式發熱[3.15]。

圖 3-3[3.6][3.7][3.12] COD 發生機制圖

而以上所介紹 COD 機制將以正回授(positive feedback loop)的方式不 斷循環[3.4],[3.8],[3.16]，如此的惡性循環將使鏡面溫度不斷的升高而達到 材料熔點(~1200°C)而最終導致晶體熔化[3.17]。由於晶體熔化之緣故，晶 體由固態瞬間變成液態再經冷卻後重新再結晶變回固態，這時再結晶的固 態晶體將有大量差排環(dislocation loop)及微缺陷(microdefects)存在並由 鏡 面 處 沿 〈 110 〉 往 內 部 共 振 腔 延 伸 ， 而 形 成 暗 線 缺 陷 (DLDs) [3.4],[3.8],[3.9],[3.16]-[3.18]，如圖 3-4 所示。

圖 3-4[3.8],[3.19]-[3.21]差排環由鏡面沿〈110〉往內部共振腔延伸形 成暗線缺陷

上述所介紹的 COD 模型為較廣為大眾所採納，除此之外美國加州柏 克萊大學的 G. Chen 等人將 COD 發生機制提出新模型於 QW 雷射[3.11]。

G. Chen 等人認為 QW 雷射發生 COD 的原因是光的吸收在披覆層接近鏡 面的地方，由於光的吸收作用也因此導致披覆層逐漸變熱，而造成披覆層 的能隙縮小，如此以正回授的方式不斷循環而使鏡面熔化。

在 2.6.4 節中曾介紹當表面復合有高 SRV 值的材料易使鏡面產生高溫 [3.22]-[3.24]，並在參考文獻[3.22]中指出，當 SRV 低於 2×10⁵cm/s 時後鏡 面(rear facet)比前鏡面(front facet)溫度高，而當 SRV 高於 2×10⁵cm/s 時則 前鏡面的溫度會開始變的較高，主要的差異是在光的吸收[3.23],[3.24]。另 外，根據最新的研究結果證明，鏡面溫度的發熱機制與注入電流之間具有 正比之關係。當注入電流增加時會使鏡面溫度不斷升高。而造成鏡面溫度 不斷的升高的原因是分別有兩個不同的機制所貢獻。第一機制為表面復 合，當注入電流在臨界電流之前為表面復合機制所主控，當注入電流超過 臨界電流後表面復合對鏡面溫度之影響將飽和不再增加。第二機制為發射 光的再吸收(reabsorption of the emitted light)，當注入電流在臨界電流之前 再吸收的貢獻不大，但注入電流超過臨界電流後將成為主控機制[3.22]。

圖 3-5 為本論文所採用的 850nm AlGaAs 脊狀波導結構雷射，當注入 電流持續增加一直到發生 COD 為止，前端發射面(front facet)的 SEM 照 片，其中圖(a)的部分為未經鏡面鍍膜處理之 COD 損傷狀況，圖(b)的部分 則為有鏡面鍍膜處理之 COD 損傷狀況。

(a) (b)

圖 3-5 經 COD 損傷後的 SEM 圖(a)無鏡面鍍膜(b)有鏡面鍍膜

圖 3-6 為本論文所採用的 850nm AlGaAs 脊狀波導結構雷射，在未 經 COD 損傷前狀態。其中圖(a)之上圖為此雷射之近場 2D 圖像觀察，下 圖為此雷射之光束 3D 影像顯示。圖(b)為此雷射之 L-I 曲線，其特性表現 即如同圖 3-1(a)之特性一般，其最大輸出功率操作於 100 mW 時未有 COD 發生，可使輸出功率無任何限制發生。

圖 3-7 為 COD 損傷後的狀態。其中圖(a)的上圖為之近場 2D 圖像觀 察，由此可明顯看出雷射經 COD 損傷後，原發光區域之中間部分產生有 一缺陷區域存在，此缺陷區域無法提供發光。圖(a)的下圖為此雷射之光束 3D 影像顯示，圖(b)為此雷射之 L-I 曲線，其特性即如同圖 3-1(d)之特性 一般，當最大輸出功率操作達到 210 mW 時，突然發生 COD 現象而損傷 元件，並導致其輸出功率立即受到限制。

(a) (b)

圖 3-6 正常雷射二極體的近場圖像與 L-I 曲線(a)雷射之光束 2D 及 3D 影像顯示(b)此雷射之 L-I 曲線

(a) (b)

圖 3-7 經 COD 損傷後的雷射二極體的近場圖像與 L-I 曲線；(a)雷射之 光束 2D 及 3D 影像顯示(b)雷射之 L-I 曲線