Vcsel激光芯片+图案扩散层的广泛运用，让中国vcsel芯片从封装运用到芯片工艺，再到外延生产各个环节都越来越成熟。但是由于家当发展韶光不长，还没办法积累出有效的设计、验证与量产数据模型，因此在大功率激光器产品方面，在芯片制作和封装水平上，都与国外同行还有较大的差距。
激光器芯片量产过程中牵扯设备和工艺太多，设计和运用环节相对来说是比较随意马虎出产品的环节，但是在激光器芯片量产过程中，一些关键的问题，由于涉及根本材料技能，还有很多的难点须要战胜。
比如激光器的泄电流。从半导体物理学来看，泊松方程描述了器件内部的电场，对付均匀的半导体材料，内部的电子和空穴流密度Jn和Jp可以写成载流子浓度和准费米能级的函数。Ileak则与异质结势垒的载流子透露和有源区附近的电流扩散有关。随着温度的升高，电子和空穴从价带和导带逃离量子阱的几率也增加进而增加阈值电流。
载流子的透露直接影响了两个激光看重要参数：微分量子效率和特色温度。电子由于质量比空穴小因而更随意马虎透露，这就造成了有源区电子和空穴分布不对称。特殊是多量子阱半导体激光器中更为明显。采取非对称的P-I-N构造和相对较窄的波导层可以有效地降落电流泄露。
外延量子阱设计推举加拿大Crosslightsoftware公司的LASTIP软件。是一个功能强大的二维半导体激光器综合仿照程序，可运用于FP激光器，LED,光泵浦激光器，短波激光器，量子级联激光器和多腔激光器的仿照打算。
Crosslight公司的Pics3D软件(PhotonicIntegratedCircuitSimulatorin3D)是专门用于激光二极管及其干系的波导光子器件的准三维仿照器。该软件以有限元剖析为根本，内部集成了半导体漂移扩散模型、受引发射速率方程、二维波导有效折射率模型、自热和各向异性热传导模型，为VCSEL器件的特性仿照供应一个方便的平台。
再例如芯片欧姆打仗，欧姆打仗常用热蒸发电子束蒸发和磁控溅射等镀膜的方法来实现，镀完金属膜后，要在约400度温度下进行退火合金。合金过程中蒸镀的金属发生扩散过程，部分浸入半导体表面从而形成一个低阻金属－半导体结。用作p-GaAs欧姆打仗的金属中常用的是Ti-Pt-Au，个中Ti是直接与半导体表面打仗的金属，本身又起到粘附剂浸染。Pt是过渡和阻挡层，起着阻挡Au向透过表面向有源区扩散的浸染，有利于提高器件的稳定性和可靠性。由于高纯度的金属本钱昂贵，各层金属的厚度一样平常为刚好能实现欧姆打仗为佳，Ti膜厚度大约45nm为，Pt和Au的厚度一样平常为70nm、200nm旁边。
对付n面金属膜，由于n-GaAs衬底的掺杂浓度约在2×1018cm-3，须要对n面金属膜进行合金化来实现欧姆打仗。n型GaAs的欧姆打仗金属大多采取Au-Ge-Ni体系，个中Au是基本金属，作为电打仗层的主体，Ge是掺杂元素，在合金温度达到300度时，Ge迅速向打仗表面扩散并被Ni所俘获。高于400度时，被俘获的Ge向内扩散，渗入到GaAs晶体中。Ni的浸染是增加Au-Ge膜和n-GaAs之间的浸润性，改进比打仗电阻。Au-Ge-Ni沉积后合金化规律是：在300度以上形成合金，300度～400度间形成化合的多层构造，450度形成均匀平滑光亮的合金表面。合金韶光以分钟为量级，韶光过长反而对欧姆打仗不利。
在大部分的激光器件失落效机制中，COD腔面烧毁是大功率半导体激光器溘然失落效的紧张机制，器件退化过程中腔面的温度升高不能有效掌握，导致界面毛病迅速增加、不可逆地温度升高至腔面材料熔融破坏，造成激光器功率溘然低落。腔面烧毁又称为灾变性光学烧毁(COD)。
包括：
灾害性光学损伤(Catastrophicopticaldamage，COD)
灾害性光学腔面损伤(Catastrophicopticalmirrordamage，COMD)
COD、COMD等都是大功率半导体激光器常见失落效。近年来，9XXnm波长高功率、高亮度半导体激光器采取较低的In组分的InGaAs量子阱激光器构造，更换了AlGaA材料，较好办理了含Al激光器波导更易造成激光器COD/COMD的问题，提升了激光器输出功率水平。
腔面发生COD最紧张的直接缘故原由是腔面温度失落控，常分为三个阶段：
第一阶段：半导体激光器达到临界腔面材料熔点时，在永劫光的连续波事情下发生逐渐退化或高强度电流脉冲浸染下，此时激光器腔面温度可达120-160℃；
第二阶段：热量过高导致的腔面损伤产生（包括腔面熔融）；
第三阶段：靠近腔面处的半导体材料损伤扩散造成了继发性危害，终极导致器件COD的产生。
因前腔面输出光处光子密度最高，腔面COD多发生在激光器前腔面。腔面发生COD的紧张缘故原由是腔面存在毛病，而毛病一样平常是由于外延成长时或解理时产生，导致腔面存在非辐射复合（包括俄歇复合和表面复合）。后腔面的??COD，对付半导体激光器后腔面一样平常利用5对λ?4厚的不同折射率的薄膜，一些实验中创造，当贴近腔面的薄膜为吸光系数较大的材料时，较易导致激光器腔面升温，继而发生腔面COD。腔面升温起初是因腔面载流子的扩散，后续紧张缘故原由是腔面的光接管。
半导体激光器在利用一段韶光也会涌现不同程度的退化征象，大功率半导体激光器在各种不同运用处所下,激光器的可靠性是至关主要的考量。对付大功率半导体激光器,在高光功率密度事情时,器件事情稳定性发生退化,最大输出功率受到限定,器件利用寿命将会缩短。量子阱构造激光器来说，量子阱是由带隙较窄的材料被夹在带隙较宽的材料中间形成的。当在导带量子阱中的电子与价带量子阱中的空穴复合时，就会放出一个光子，从而实现了光的产生。这种有源区构造的缺陷是不可避免地造成一定比例的载流子从量子阱泄露出去，然后在量子阱区域外进行非辐射复合，从而降落了半导体激光器的量子效率，阈值电流也会增加。对付外延构造设计开拓者来说，外延构造成长工艺要有针对性的改进。
激光器构造
随着事情韶光的增加,半导体激光器的事情性能将会劣化,最明显的变革是在保持输出功率不变的情形下,事情电流会增加以及斜率效率会低落,有时还会发生溘然失落效的灾变性破坏。对半导体激光器来说,除了事情温度、利用条件等环境成分会影响其事情可靠性和寿命外,其本身的内部的成分也是造成其退化的紧张缘故原由。
腔面损伤退化(COD)中，一样平常引起退化的腔面是指半导体激光器谐振腔面的解理面,它是激光器的主要组成部分，腔面的损伤退化一样平常有灾变性腔面损伤退化和腔面的化学堕落损伤退化。在高功率密度激光特殊是在激光脉冲事情条件下的高峰值功率密度的浸染下,由于近场的不屈均、局部过热、氧化、堕落、介质膜的针孔和杂质等成分使腔面遭受损伤,增加表面态复合或光接管,使注人电流密度增加,局部大量发热,造成解理面局部熔融、分解,而且温度的增加又使接管系数加大,形成恶性循环,终极导致灾变性的损伤,使器件完备失落效。
腔面的化学堕落是由于光化学浸染使腔面表面发生氧化,并在腔面上形成局部毛病,导致腔面局部的反射系数的变革,影响激射光丝位置的稳定性,增加了非辐射复合速率。特殊是含铝的GaAs/AlGaAs材料半导体激光器,铝元素吸附水汽和氧而使端面氧化形成局部毛病,影响表面对光的接管,导致局部大量发热,使激光器性能退化乃至失落效。光学灾变损伤即COD（catastrophicopticaldamage）的发生对付激光器来说是及其危害的。
COD的发生涉及到三个阶段：第一阶段,是激光器达到临界性腔面温度,在永劫连续波事情发生逐渐退化或者高强度电流脉冲浸染下,激光器腔面温度超过设定例模，然后勾引热失落控引起了最紧张的腔面危害的发生,包括腔面培融、氧化和损伤；第三阶段,靠近腔面附近的毛病蔓延扩散造成了继发性危害，终极发生损毁器件失落效。而这一时候的输出功率即为激光器的阈值。它表明了器件的最大输出功率和寿命。
常日采取两种方法来防止腔面烧毁，一种是通过降落腔面光功率密度或使器件在较低激光功率条件下运行，来提高器件利用寿命；另一种是通过提高腔面的抗烧毁阈值，使器件耐久耐用。
降落COD的方法：
1）在激光器前、后腔面附近采取电绝缘层制备方法分别引入电流非注入区，使腔面电流注入近似为零。这样腔面处的载流子浓度减少，非辐射复合速率降落，限定了腔面温度的升高。电流非注入区制备方法紧张有：沉积Si3N4、AlN、SiO2等薄膜作为电流阻挡层；离子、质子轰击形成高阻区等。
2）真空解理镀膜技能，在高真空(P<10-6Pa)环境下，将外延片解理成条，接着进行腔面钝化层处理，然后镀腔面膜进行保护。全体工艺环境均为高真空，避免了氧或者其它杂质对腔面的污染，可以得到可靠性较高的器件。但是，真空解理设备昂贵、操作繁芜，工艺可控性差，生产出来的器件本钱很高，不太适宜量化生产。
3）量子阱殽杂技能；
4）真空离子赞助洗濯与薄膜钝化技能。
5）腔面化学溶液钝化技能；如果对半导体激光器腔面处理韶光过长，激光器腔面上天生的硫化物随即溶解在碱性的(NH4)2S溶液中；其余浸泡韶光过长碱性(NH4)2S对GaAs表面描述会有明显的刻蚀毁坏浸染，造成其可靠性降落、性能严重恶化。
COD效应最初是由于环境气氛对半导体激光器芯片腔面的影响，产生了表面界面态，形成深能级复合中央，从而造成半导体材料的氧化。激光器受激辐射产生电子空穴对后，这些电子空穴对在前腔面深能级复合中央以非辐射办法重新复合，使前腔面产生热量，从而减小了出光面带隙。出光面带隙的减小引起腔面更强的光接管，这就形成了一个正反馈回路。半导体激光器大功率输出时，上述正反馈效应使得腔面升温加快，导致腔面有源区材料熔融并产生COD效应，终极造成器件功能退化或失落效，个中较常见的是腔面失落效（COMDCatastrophicOpticalMirrorDamage）。
工程上评价半导体激光器COD水平有很多种方法，如1.测算材料发生光学灾变损伤（COD）时的最小输出光功率P；2.测算芯片极限电流（可分为脉冲条件、连续条件）等。
降落半导体激光器COMD发生几率，提升光功率输出性能的方法也有很多，紧张包括非接管腔面技能、腔面钝化技能和镀膜技能。
非接管腔面技能：通过增大腔面附近量子阱带隙宽度，使得腔面处对激射波长透明。非接管腔面可减少因非辐射复合和光接管产生的热量及光生载流子的数量。目前，其制作方法紧张包括：二次外延成长技能和量子阱稠浊技能。二次外延成长是通过刻蚀、再成长一种宽带隙半导体材料。该方法技能难度大、工艺繁芜，难以担保结合界面的晶体质量。量子阱稠浊技能是通过在外延片上进行薄膜淀积或杂质注入，再通过高温快速退火，使各组成元素发生互扩散，导致阱、垒组分发生变革，从而增大带隙构造。这种方法操作相对大略，本钱低，效果较为明显，但须要高温条件下进行热退火，可能会对器件造成一定损伤。
腔面钝化技能：半导体激光器的自然解理面极易被潮解和氧化，氧化物和沾污易成为非辐射复合中央，从而加剧腔面结温升高的急剧劣化，终极导致COMD，使得器件失落效。腔面钝化能够有效地去除半导体激光器腔面的沾污和氧化层等杂质，降落腔面的表面态密度，从而有效提高器件的热稳定性、抑制COMD，终极提升输出功率和器件可靠性。
腔面镀膜技能：1.覆盖解理腔面，防止有源区氧化，提高可靠性和稳定性；2.改变腔面膜反射率，使得激光器在保持性能的根本上实现单面出光，提高激光器的输出功率和激光的利用效率。由于激光器的腔面是晶体的自然解理面（110面），其反射率约为30%，在激光器事情时，由于激光器前后腔面反射率大小一样，因而造成两个腔面同时出光。在激光器的前、后腔面分别镀增透膜、高反射膜；高反膜降落了阈值电流，而增透膜提高了器件的量子效率和电－光转换效率。
该技能紧张内容有两方面：一是膜系材料的选择。首先要考虑镀层材料的高纯性、长期稳定性、附着力、镀层材料与自然解理面之间的热匹配和应力匹配、镀层材料之间的晶格匹配等。同时还要易于蒸镀，不会对激光器的自然解理面产生毁坏，能够防止环境气氛扩散进入器件发光区。二是确定高反膜的反射率和增透膜的透射率，基本原则是：通过后腔面发射的光尽可能少，使激光尽可能由前腔面透过，同时又不引起明显的腔面附加接管和附加损耗。对付增透膜，膜系材料可以选择折射率介于波导层有效折射率与空气折射率之间的材料。常日选择AL2O3、SiO2作为低折射率材料，ZrO2、TiO2等作为高折射率材料。高反膜的反射率一样平常采取95%~99.5%，增透膜的反射率一样平常采取1%~5。
阈值电流密度和载流子浓度对激光器腔面加热和COD阈值有紧张影响。根据温度特性，激光器在90℃（或更高）事情时，载流子的非辐射复合随着体积的增加，而且还在激光器腔面附近增加，尤其在热饱和后，器件热状态变差，更随意马虎产生载流子溢出。
COD不一定发生在最大光输出功率时，也可能发生在低光功率输出、热饱和状态下；它可能是由于载流子受热溢出增加了非辐射复合。Si3N4层电流阻挡区域可减少电流的注入，抑制激光器腔面由于热导致的载流子溢出，抑制激光器腔面的电流注入也意味着将减少激光器腔面的光接管，表明电流非注入区使器件在高温下也可提高器件阈值。因此载流子的扩散须要阔别激光器的腔面。
科研领域和工业领域COD检测的部分方案：
1.监测出光腔面温度非常点法：
2010年~2011年德国柏林MartinHempel团队揭橥文章，先容利用红外热像仪监测功率半导体激光器出光腔面的温度非常点来监控早期瞬态COD征象的发生，并相应地归纳总结得出了瞬态COD毛病形成后的扩散传播模式。
下图为实验机理示意图：
被测激光器在实验全程均处于温度恒定的水冷调温器上，器件芯片顶部被开帽处理后，将红外热像仪（Thermocamera）置于其上方。在所施加的单脉冲勉励电流事情周期内，该仪器卖力捕捉出光腔面处的温度分布非常点以及采集记录下相应的热行为数据。在幅值较高的单脉冲电流驱动下，灾变性光学损伤征象在半导体激光器出光腔面处迅速发生，且损伤发生后产生的腔面温度过热点以及过热点处产生的毛病热量连续蔓延至谐振腔内的热行为均被红外热像仪捕捉记录。
上图所示为在被测器件的出光腔面处形成COD毛病之后的连续性测试脉冲电流周期之中，出光腔面处该COD毛病的移动轨迹图。数据图展示了被测器件出光腔面处的COD毛病开始向谐振腔内部进行热扩散的运动轨迹，经建模优化打算得到毛病从被测器件出光腔面向谐振腔内的热扩散移动速率约为13μm/μs。
随着研究深入，创造红外热像仪毫秒到微秒（当前2021）级的韶光分辨率不敷以完成实时捕捉与精确记录常日在纳秒韶光量级内就已经发生的多重瞬态灾变性光学损伤失落效的全部过程。
2.监测半导体激光器光输出功率法：
2010年，M.Ziegler在AppliedPhysicsLetters揭橥论文先容通过光电二极管和红外热像仪同时结合利用监测瞬态COD征象。他们将器件在单脉冲电流驱动下发生COD时，被测半导体激光器前腔面在幅值较高的脉冲电流驱动下的光输出功率涌现急剧低落征象，定义为COD瞬态失落效开启标志。
下图为被测器件的光发射功率与所受到的脉冲勉励随韶光的变革曲线
该团队的研究表明，半导体激光器样品的光输出功率变革与3个成分有关：
a.起初，在勉励电流幅值尚未达到COD损伤发生阈值时，光功率曲线的轻微颠簸是与体效应和器件所受脉冲电流勉励有关；
b.然后是由COD毛病的开始形成导致出光功率急剧低落；
c.随之COD发生之后，由毛病产生带来的热量蔓延引起的相对缓慢的出光功率低落过程。由于器件产生COD毛病的初期，出光功率会展现较为明显的低落趋势。
该实验结论：半导体激光器发生多重瞬态灾变性光学损伤的紧张缘故原由是高幅值勉励电流带来的出光腔面热量积聚导致COD损伤第一阶段的发生，随后该第一阶段产生的毛病向谐振腔内蔓延引发的第二阶段COD损伤失落效。
采取该手段来估测COD开始过程大体可行；但通过半导体激光器光输出功率的低落来监测与追踪多重COD失落效全过程存在精度不敷问题，且该实验尚需红外热像仪赞助以直不雅观反响腔面失落效后的温度分布和损毁描述。
3.监测出光腔面光反射率法：
2016年AlexanderBachman团队在SemiconductorScienceandTechnology揭橥文章，先容基于被测器件前腔面对激射波长450nm测试光束的反射率表征腔面描述特点的事理，结合条纹相机技能（streak-camera）采集记录反射光旗子暗记，对被测器件前腔面发生的瞬态COD过程进行监测。
上图展示了在使器件发生COD失落效的脉冲电流周期内，被测腔面的数据图，从图中可以看出COD失落效发生的韶光即图中玄色条纹带随韶光的变革图，以及相应4个毛病产生的详细位置可以从显微镜下的捕捉到的图片得出，这篇文章创造COD失落效的多重毛病点并非同时产生，而是由于瞬态COD失落效的第一阶段产生的毛病带来的热量蔓延导致沿着腔面依次天生别的毛病。
该实验创造与每个毛病点形成有关的反射率颠簸险些均在30~40ns内涌现，得出：每个瞬态COD毛病点的形成韶光范围为30~40ns，一共4个独立的COD点被创造在300ns内依次形成。
该方案中的条纹相机韶光分辨率达20ns，能监测到COD从开始到结束所用时长，且可同时直接记录多个独立的COD点的形成顺序与详细每个COD毛病点的形成韶光，也便是天生多个灾变性光学损伤毛病的失落效过程被捕捉，根据损伤发生韶光及天生损伤毛病区域的直径等信息可估算出灾变性光学损伤的发生速率——即条纹相机可直不雅观地展现当COD失落效发生时被测器件前腔面的多重毛病天生引起的反射率变革过程，也便是能够直接监测腔面描述变革全过程。该类系统也可借鉴用于特纤在光路中故障（如烧损等）研究。
当半导体激光器在幅值较高的单脉冲电流勉励条件下发生COD失落效时，条纹相机能够捕捉记录下被测器件出光腔面的反射率变革，并将其视为COD失落效开始发生同时引起前腔面描述改变的标志，该实验方案具有韶光分辨率与空间分辨率精度高档特点，但所用条纹相机本钱高昂，对付日常半导体激光器COD失落效监测而言，实验职员需节制条纹相机等大型仪器操作专业技能，方案普适性有待改进使之能较普遍地推广至工业领域。
