Rappel sur les modes génériques de dégradation des diodes laser

De manière générale, la fiabilité fait, à présent, partie intégrante des travaux de recherche menés sur les diodes Laser. Les résultats publiés à ce jour sont issus de tests de vieillissement régulièrement conduits en stockage actif (en courant et/ou en température) et démontrent traditionnellement une dégradation de la puissance optique émise souvent catastrophique pour un courant fixé, révélant ainsi diverses signatures de défaillance impliquant différents modes de dégradation [1, 2, 3, 4]. Une barrette de diodes laser étant constituée de plusieurs diodes élémentaires, il est opportun de s’appuyer sur ces modes de dégradation pour analyser la fiabilité des barrettes au niveau émetteur individuel. De manière générale, la variation de la puissance optique émise en fonction du temps pour un courant fixe se caractérise par 3 principaux modes génériques de dégradation :

• graduel, • rapide,

• catastrophique.

Dans les paragraphes suivants, nous allons nous attacher à décrire sommairement les principales caractéristiques de chaque mode de dégradation avec des exemples sur les barrettes de DLPs à base du matériau GaAs.

II.1. Mode de dégradation graduel

Le mode de dégradation graduel correspond à une faible dérive (souvent associée à une

baisse) de la puissance optique émise après plusieurs milliers d’heures de fonctionnement. Le principal mécanisme à l’origine de cette dégradation est nommé REDR (Recombination Enhanced Defect Reaction) [5], dû à la formation de défauts ponctuels qui augmentent en fonction de la durée de fonctionnement et pour des conditions (I, T) maintenues constantes. Les niveaux profonds peuvent être observés par la technique de DLTS (Deep Level Transient Spectroscopie) dans des diodes laser à base d'hétérostructure AlGaAs/GaAs, la concentration de ces défauts augmentant en fonction de la durée de fonctionnement.

La dégradation graduelle peut être décrite par le mécanisme suivant : la recombinaison non-radiative des défauts ponctuels existants produisent de nouveaux défauts ponctuels par REDR; ces défauts ponctuels agissent comme des centres de recombinaison non-radiative et diminue l'efficacité

Chapitre IV - Evaluation de la fiabilité opérationnelle et optimisation des composants QCW

et à la condensation des défauts ponctuels en formant des amas ou de petites boucles de dislocations, qui va contribuer à diminuer le rendement quantique de la diode laser. Le taux de la dégradation dépend essentiellement de :

• La concentration de défauts ponctuels intrinsèquement générée par le processus d’épitaxie. • La distribution des contraintes le long du ruban de métallisation utilisé pour améliorer

l’injection du courant.

• La qualité des interfaces métalliques ; la migration de l’Au contenu dans les métallisations peut être une source de défauts dans la structure épitaxiale. Actuellement, la réalisation de contact ohmique Ti/Pt/Au est privilégiée, créant ainsi une barrière à la migration de l’or. • La contrainte mécanique contribue également à accélérer la dégradation graduelle. L’origine

de cette contrainte peut être interne, générée par la désadaptation des couches composant la structure épitaxiée, ou externe, induite par les étapes de report de la barrette sur son embase. Pour le matériau GaAs, O. Ueda a proposé de fixer la valeur limite de la contrainte mécanique à 30MPa pour ne pas accélérer la dégradation graduelle [4].

L’optimisation de ces paramètres permet donc de limiter la dégradation et ainsi d'augmenter la durée de vie de la barrette laser.

II.2. Mode de dégradation rapide

Le mode de dégradation rapide des diodes laser à base de GaAs correspond à la propagation

des dislocations de type DLDs (Dark Line Defects) et DSDs (Dark Spot Defects) dans la couche active et/ou dans les couches de confinement. Ces défauts vont entraîner, par le biais du processus de recombinaison non radiative, une diminution de la puissance optique émise dans la zone de la barrette où de l’émetteur ou se situe le défaut. La propagation de ces défauts aux zones voisines va conduire à une diminution plus importante de la puissance optique de la diode laser. Le déplacement de ces défauts s’effectue dans les plans de plus grande densité d’atomes qui sont les plans (111) dans le cas de structures sur substrat GaAs (100).

M. Fukuda a répertorié deux types de défaut type DLD qui peuvent influencer le mode de dégradation rapide : Les DLDs qui se propagent dans la direction (100) et ceux qui se propagent dans la direction (110). L’origine des DLDs est la présence de dislocations consécutives à une accumulation de défauts ponctuels. La propagation d’une dislocation dans un semi-conducteur peut s'effectuer selon 2 grands mécanismes physiques [6, 10] :

• La "montée" des dislocations, fortement consommatrice de défauts ponctuels, tels que les lacunes ou d’atomes en sites interstitiels pour exister et se propager.

• Le glissement d’un plan par rapport à un autre, qui est accentué sous l’effet des forces de déformation plastique. Plus la contrainte est grande, plus la tendance au procédé de glissement d’une dislocation est importante.

Le mouvement privilégié dépend du type de défaut. Les DLDs de type (100) sont associés au mouvement de "montée" alors que les défauts de type (110) utilisent le mouvement de glissement. Ce mode de dégradation apparaît principalement durant les cents premières heures de fonctionnement [7-8]. Il est caractérisé par une diminution du rendement quantique auquel vient s’ajouter une augmentation du courant de seuil. En effet, la présence et la croissance de défauts de type DLD créent des centres de recombinaisons non-radiatives qui dégradent le gain du laser [6, 9].

II.3. Mode de dégradation catastrophique

Le mode de dégradation catastrophique correspond souvent à la conjonction de ces deux

phénomènes :

• La propagation rapide des défauts de type DLD dans la zone active, qui sous l’effet de recombinaisons non radiatives va dégrader les émetteurs de la barrette. Ce phénomène est dû à une concentration importante de défauts ponctuels dans la couche active, qui le différencie du mode de dégradation rapide susceptible d’apparaitre après un mode de fonctionnement normal de plusieurs centaines d’heures [10].

• Un procédé d’emballement thermique, généré par une succession de recombinaisons non radiatives qui peuvent entraîner un point de fusion sur la face émissive de la barrette, appelé COMD (Catastrophic Optical Mirror Damage) [11].

R.G. Ahrens a étudié le comportement de plusieurs diodes laser de puissance (970nm) à base de GaAs en fonctionnement issues de trois fabricants différents [12]. La dégradation des diodes étudiées a été analysée au moyen de différentes techniques : microscopie optique, microscopie électronique à balayage, électroluminescence et en champ proche. Cette étude met clairement en évidence l'ensemble des modes de dégradation décrits précédemment. Certaines diodes subissent une diminution brutale de la puissance optique après un mode de dégradation graduel, mettant en évidence le processus de dégradation catastrophique. D’autres composants évoluent peu après plus de 1000h de vieillissement, mettent en évidence la dégradation graduelle. Enfin, les dégradations observées sur le dernier groupe de diodes laser révèlent un mode de dégradation rapide associé à un matériau sous contrainte générant et propageant un réseau de dislocations.

Les phénomènes décrits précédemment sont classés comme des dégradations internes car elles sont localisées dans la zone active ou dans les couches adjacentes. D’autres dégradations liées aux couches de métallisation des barrettes ou des embases peuvent intervenir. L’optimisation des procédés de report consiste à assurer un bon contact thermique et électrique, tout en minimisant les phénomènes

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de diffusion et d’électro-migration qui peuvent être une source potentielle de dégradation des diodes laser [6, 13].