帶有非吸收窗口的高性能InGaAs/AlGaAs量子阱激光二極管

劉翠翠， 林 楠， 馬驍宇， 井紅旗， 劉素平

(1． 中國原子能科學(xué)研究院 核物理所， 北京 102413; 2． 國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心， 北京 102413;3． 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 光電子器件國家工程中心， 北京 100083; 4． 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

1 引 言

GaAs基高功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、散熱好、光功率密度高等優(yōu)點，可作為直接光源或固體激光器、光纖激光器的泵浦源使用，在醫(yī)療、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景[1-2]。但這些應(yīng)用場景都對GaAs基高功率半導(dǎo)體二極管的輸出功率有更高的需求。然而，半導(dǎo)體激光二極管輸出功率的提升普遍受到光學(xué)災(zāi)變損傷(Catastrophic optical damage，COD)限制。對于InGaAs/AlGaAs量子阱半導(dǎo)體激光二極管，沿其諧振腔方向其光場強度在前腔面處達到峰值。而在實際情況下，因腔面氧化、界面態(tài)等因素會導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加，因而在激光二極管腔面，尤其是前腔面處，更容易發(fā)生光學(xué)災(zāi)變損傷[3-4]，因此也被稱為腔面光學(xué)災(zāi)變損傷，即COMD。

針對COMD的誘發(fā)機制，可通過降低腔面光吸收、抑制腔面非輻射復(fù)合、減少腔面處光子密度等手段來緩解COMD問題[5-6]。其中，量子阱混雜是一種降低腔面光吸收的途徑，可通過快速熱退火誘導(dǎo)無序化(RTA)[7]、雜質(zhì)誘導(dǎo)無序化(Impurity induced disordering，IID)[8]、無雜質(zhì)空位誘導(dǎo)無序化(Impurity-free vacancy disordering，IFVD)[9-10]等方法實現(xiàn)。其中，IID相比其他方法操作更簡單、成本更低、誘導(dǎo)效果更顯著，因而受到廣泛關(guān)注。

從20世紀60年代開始，出現(xiàn)了針對COMD及其解決方法的研究并持續(xù)至今。COMD現(xiàn)象在1966年首次被Cooper在GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光二極管上觀測到[11]。1977年，Chinone基于AlGaAs/GaAs雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光二極管，利用掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)觀測，認定導(dǎo)致COMD的關(guān)鍵因素是腔面處更高的功率密度和腔表面氧化所產(chǎn)生的強烈的非輻射復(fù)合[12-13]。1986年，Deppe[14]基于AlGaAs/GaAs量子阱激光二極管，利用280 nm SiO2薄膜和90 nm Si3N4薄膜的IFVD作用，結(jié)合875 ℃/10 h熱處理實現(xiàn)了約90 meV帶隙展寬。1987年，Mei研究發(fā)現(xiàn)，Al元素的擴散系數(shù)會隨Si雜質(zhì)濃度的增加而上升，并得出Si雜質(zhì)能有效促進AlAs/GaAs超晶格結(jié)構(gòu)量子阱混雜的結(jié)論[15]。2013年，Morita采用IFVD技術(shù)在915 nm寬條形半導(dǎo)體激光二極管上制備了非吸收窗口，提升了該器件在20 ℃恒溫測試下的輸出功率以及長時間工作的穩(wěn)定性[16]。2019年，Mengya[17]在Si基InAs/GaAs量子點激光二極管選區(qū)波長調(diào)整方案研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)相同條件的熱處理，被SiO2介質(zhì)膜覆蓋的區(qū)域波長藍移達40 nm，被TiO2介質(zhì)膜覆蓋的區(qū)域波長藍移僅3.4 nm。證明了SiO2介質(zhì)膜能促進該結(jié)構(gòu)的量子阱混雜，而TiO2介質(zhì)膜則有抑制量子阱混雜的作用。

本文選用Si雜質(zhì)作為量子阱混雜技術(shù)的誘導(dǎo)源，設(shè)計并制備了帶有非吸收窗口的新型InGaAs/AlGaAs量子阱半導(dǎo)體激光二極管，并對其光電性能進行測試分析。選擇Si雜質(zhì)作誘導(dǎo)源的原因是Si常作為InGaAs/AlGaAs量子阱半導(dǎo)體激光二極管芯片外延過程中使用的施主雜質(zhì)，容易獲得且不易造成污染；同時，p型GaAs常采用C摻雜，引入Si雜質(zhì)可部分中和C摻雜，基于載流子復(fù)合效應(yīng)在窗口微區(qū)也形成低濃度載流子注入?yún)^(qū)，有助于減少窗口區(qū)載流子非輻射復(fù)合產(chǎn)生的熱量，進一步抑制COMD現(xiàn)象。但是，由于IID會引入雜質(zhì)誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生，再進行長時間熱處理可能會引起材料內(nèi)部應(yīng)力釋放，進而影響材料表面及內(nèi)部的晶體質(zhì)量。與之相比，RTA技術(shù)熱處理時間較短，對于材料內(nèi)部晶體質(zhì)量影響較小，因此本文選擇RTA技術(shù)來激活雜質(zhì)并促進其擴散。

2 實 驗

2.1 樣品制備

采用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積(Metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)設(shè)備制備了InGaAs/AlGaAs量子阱半導(dǎo)體激光二極管的初級外延片。外延生長時的載氣為氫氣(H2)；Ⅲ族源為三甲基銦(TMIn)、三甲基鎵(TMGa)和三甲基鋁(TMAl)；V族源為砷烷(AsH3)；P型和N型摻雜劑分別源于四氯化碳(CCl4)和硅烷(SiH4)。設(shè)備反應(yīng)室內(nèi)溫度為550～700 ℃，壓力為5 000 Pa，襯底選用(100)偏[111]A15°的n-GaAs，包含外延片信息的器件結(jié)構(gòu)示意圖及初級外延片的光致發(fā)光譜如圖1所示。

2.2 仿真計算

因為GaAs表面的壓應(yīng)力有助于更多Ga空位缺陷的產(chǎn)生[18]，同時促進Si向結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴散，進而產(chǎn)生更強烈的量子阱混雜效果。因此，首先研究了不同介質(zhì)層對GaAs界面產(chǎn)生的應(yīng)力作用。實際初級外延片的GaAs襯底層厚度為450 μm，外延層總厚度約4.5 μm，且每層均含高比例的Ga及As元素。為了避免相對誤差過大引起的計算錯誤，在模擬中以厚度為25 μm、長度為100 μm的GaAs代替激光二極管外延片。模擬中所使用的物理參數(shù)如表1所示，模擬結(jié)果如圖2所示。

表1 相關(guān)材料的楊氏模量、泊松比、密度及熱膨脹系數(shù)

圖2 COMSOL模擬的帶有Si/SiO2(a)、Si/TiO2(b)介質(zhì)層的外延片退火后的形變。

為了更明顯地展示形變趨勢，圖2中展示的是放大20倍后的形變量。同時，在模擬中將介質(zhì)層的厚度相比于實際情況放大了100倍，圖2(a)中樣品的介質(zhì)層為5 μm Si/10 μm SiO2，圖2(b)中樣品的介質(zhì)層為5 μm Si/10 μm TiO2。假設(shè)樣品升溫至875 ℃后產(chǎn)生穩(wěn)定形變，由圖2可見，GaAs表面因受Si/SiO2組合介質(zhì)層帶來的壓應(yīng)力而產(chǎn)生明顯彎曲，這種形變會導(dǎo)致在表面GaAs層內(nèi)形成更多的Ga空位缺陷。又因為在該類量子阱體系內(nèi)，Si元素及Al元素的擴散程度與Ga空位濃度正相關(guān)[15]，可知Si/SiO2組合介質(zhì)層有利于促進量子阱混雜的進行。而在TiO2層拉伸應(yīng)力作用下，Si形變帶來的壓應(yīng)力被減弱，GaAs表面Ga空位缺陷的產(chǎn)生較少，進而減緩了量子阱區(qū)域的元素互擴散，因此Si/TiO2組合介質(zhì)層對量子阱混雜有抑制作用。

(1)

假設(shè)量子阱、壘中Al元素濃度分別為C1、C2，如下所示:

(2)

聯(lián)合公式(1)、(2)可推導(dǎo)出該結(jié)構(gòu)中各位點Al元素的濃度:

(3)

同時，In1-x-yAlyGaxAs四元化合物半導(dǎo)體的禁帶寬度可通過公式(4)計算[19]:

Eg(In1-x-yAlyGaxAs)=0.36+0.629x+2.093y+0.436x2+0.577y2+1.013xy-2xy(1-x-y),

(4)

本文所用的In0.267Ga0.733As/Al0.255Ga0.745As量子阱外延片，Al元素將不斷從濃度較高的區(qū)域向中心量子阱區(qū)擴散。假設(shè)Al元素從勢壘區(qū)向阱區(qū)的擴散長度Ld分別為0，1，2，3 nm，聯(lián)合公式(1)～(4)可計算出Al元素在量子阱中的分布和對應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)，如圖3所示。隨著Al元素的擴散，量子阱區(qū)域內(nèi)Al元素不斷增加，使其從原始的三元化合物InGaAs逐漸變成四元化合物InAlGaAs，量子阱區(qū)域禁帶寬度隨之變化。結(jié)合公式(5)所示波長和禁帶寬度之間的關(guān)系：

(5)

其中，λ是波長，h是普朗克常數(shù)，c是光速，Eg是量子阱禁帶寬度。公式(5)結(jié)合圖3(b)可見，隨量子阱帶隙變大，激光器發(fā)光波長變短，即發(fā)生藍移。

圖3 Al擴散不同距離后,InGaAs/AlGaAs量子阱內(nèi)Al元素的濃度(a)和量子阱的帶隙結(jié)構(gòu)(b)。

2.3 樣品表征

將同一片激光二極管初級外延片表面劃分為4個區(qū)域，一區(qū)域生長50 nm Si/100 nm SiO2組合介質(zhì)層，二區(qū)域生長50 nm Si/100 nm TiO2組合介質(zhì)層，三區(qū)域生長50 nm Si單介質(zhì)層，四區(qū)域生長100 nm TiO2單介質(zhì)層。經(jīng)875 ℃/90 s RTA處理，測試這4個區(qū)域的光致發(fā)光譜，并與原始初級外延片的光致發(fā)光譜對比。

如圖4所示，帶有Si單介質(zhì)層及帶有Si/SiO2組合介質(zhì)層的區(qū)域都產(chǎn)生了較大的波長藍移。其中，帶有Si/SiO2組合介質(zhì)層區(qū)域的中心波長移至約935 nm，與原始外延片中心波長的藍移差約67 nm。而帶有TiO2單介質(zhì)層及帶有Si/TiO2組合介質(zhì)層區(qū)域的波長藍移都受到明顯抑制，與帶有Si/SiO2介質(zhì)層區(qū)域的波長藍移差約60 nm。

圖4 激光二極管外延片不同區(qū)域覆蓋的介質(zhì)層(a)及對應(yīng)區(qū)域的光致發(fā)光譜(b)

至此，應(yīng)力應(yīng)變的軟件模擬結(jié)果、雜質(zhì)擴散的數(shù)學(xué)計算結(jié)果，以及實驗測試結(jié)果趨于一致，都顯示出Si/TiO2組合介質(zhì)層與單獨TiO2層均可起到較好的抑制波長藍移效果，而Si/SiO2組合介質(zhì)層也和單獨Si層一樣可起到較好的促進波長藍移效果。同時，與生長單層介質(zhì)層相比，生長Si/TiO2或Si/SiO2組合介質(zhì)層有利于減少光刻步驟、降低流片難度，也能在RTA過程中更好地保護外延片表層。綜合考慮后，分別用Si/SiO2組合介質(zhì)層、Si/TiO2組合介質(zhì)層來實現(xiàn)促進、抑制量子阱混雜的目標。

前面我們講到在現(xiàn)代新生活方式下，茶具也變得多樣化，個性化，所謂茶具是生活方式的縮影，未來的茶具繼續(xù)圍繞著新式生活方式來設(shè)計研發(fā)。新式生活不單單是單方面的生活新，而是疊帶使的新。比如旅行便攜茶具，一改匆忙急切的出行，快樂、精致，出行中也具有儀式感。自己的隨身物品，家里的陳設(shè)物，居家用具等等，這些東西的優(yōu)劣，會直接關(guān)聯(lián)到自己的心情、心靜、情緒，這些因素影響的就太多了。

優(yōu)化后的流片工藝如圖5所示：(a)在樣品表面利用MOCVD外延生長一層50 nm厚的Si層；(b)在樣品表面利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(Plasma enhanced chemical vapor deposition， PECVD)設(shè)備外延生長一層100 nm厚SiO2層，然后按照芯片出光面的條寬刻蝕出100 μm的條形區(qū)域；(c)刻蝕掉非窗口區(qū)的SiO2層；(d)在樣品表面利用Ebeam淀積一層100 nm厚TiO2；(e)刻蝕掉窗口區(qū)域上方的TiO2；(f)在帶有介質(zhì)層的外延片上面覆蓋GaAs蓋片，下面墊Si片，并進行875 ℃/90 s快速熱處理；(g)去除所有介質(zhì)層；(h)將外延片解理、鍍膜，并封裝成器件。同時，在激光二極管前腔面鍍透過率高于95%的增透膜，后腔面鍍反射率高于95%的高反膜，以實現(xiàn)高效率的前腔面激光輸出。該激光器的光發(fā)射區(qū)寬度為100 μm，諧振腔腔長為4 500 μm，量子阱寬度為7.4 nm。該非吸收窗口區(qū)域在激光二極管諧振腔前后腔面處，長度均為50 μm。

圖5 帶有非吸收窗口的激光二極管流片流程

3 結(jié)果與討論

基于Si雜質(zhì)誘導(dǎo)量子阱混雜技術(shù)，成功制備了4只帶有非吸收窗口的新型半導(dǎo)體激光二極管(以下簡稱新型二極管)。同時，也在相同流片工藝下制備了4只不帶非吸收窗口的常規(guī)半導(dǎo)體激光二極管(以下簡稱常規(guī)二極管)，這兩種二極管除去非吸收窗口其他規(guī)格完全一樣。不帶非吸收窗口的常規(guī)二極管編號為：Normal-1、Normal-2、Normal-3、Normal-4，帶有非吸收窗口的新型二極管編號為：New-1、New-2、New-3、New-4。分別測試了兩種二極管的功率-電流-電壓(P-I-V)曲線、激光光譜和電致發(fā)光圖像特性。

3.1 功率-電流-電壓輸出曲線

圖6分別展示了兩種二極管的P-I-V測試曲線。對比圖6(a)、(b)可知，4只常規(guī)二極管的平均峰值電流為12.3 A，4只新型二極管的平均峰值電流為18.5 A，比常規(guī)二極管提高了50.4%；4只常規(guī)二極管的平均峰值輸出功率為10.5 W，4只新型二極管的平均峰值輸出功率為14.1 W，比常規(guī)二極管提高了33.6%左右，可見新型二極管的電學(xué)性能顯著提高。

圖6 常規(guī)二極管(a)和新型二極管(b)的P-I-V特性

然而，新型二極管的偏置電壓在大于1.8 V時出現(xiàn)了突變性升高。分析這個現(xiàn)象的原因是Si擴散進入GaAs層上表面后改變了其摻雜特性，當工作電壓達到一定值后的COMD瞬間，電流增大、產(chǎn)熱也驟增，故引發(fā)了電壓的瞬間抖動。并且4只新型二極管P-I-V曲線的統(tǒng)一性劣于4只常規(guī)二極管，因此未來需要對該工藝下新型二極管的穩(wěn)定性和可靠性進行更深入全面的研究。

3.2 激光光譜

圖7為兩種二極管的實測激光光譜，對比光譜的高度可以看出，新型二極管的峰值光強顯著提高，這是因為非吸收窗口結(jié)構(gòu)改善了二極管腔面處的界面態(tài)，降低了腔面處光吸收，也減少了熱生成導(dǎo)致的半導(dǎo)體材料帶隙變窄所引起的光吸收；同時，Si雜質(zhì)在GaAs中具有n型摻雜特性，再結(jié)合熱處理工藝，可復(fù)合GaAs中的部分p型載流子，降低二極管腔面處的載流子注入濃度。因此，利用Si雜質(zhì)誘導(dǎo)量子阱混雜技術(shù)制備的非吸收窗口可以在降低腔表面光吸收產(chǎn)熱的同時，降低載流子的非輻射復(fù)合，故可進一步提高二極管的光輸出功率。

圖7 常規(guī)二極管(a)和新型二極管(b)的激光光譜

同時，常規(guī)二極管光譜的對稱性較差，雜峰數(shù)量也更多，甚至出現(xiàn)了比中心波長更強的雜峰；而新型二極管的光譜對稱性較好，且大都只有一個較強的主峰。這說明制備非吸收窗口的過程中也消除了部分陷阱能級，降低了由陷阱能級所激發(fā)的其他波長雜峰。然而，新型二極管光譜主峰左側(cè)大都會有一個較弱的雜峰，這可能是由非吸收窗口區(qū)域量子阱混雜導(dǎo)致的帶隙展寬和波長藍移所致。不過，這也體現(xiàn)出利用該技術(shù)可以很方便地可控實現(xiàn)單一芯片上的光子集成。

3.3 電致發(fā)光圖像

進行電致發(fā)光圖像測試時，是利用探針對樣品進行加電，電流約為200～300 mA，大小在器件的閾值電流以下，并記錄電致發(fā)光圖像。經(jīng)過篩選、磨拋、測試等過程，最終得到4只常規(guī)二極管及4只新型二極管的電致發(fā)光圖像結(jié)果，如圖8所示。該圖像經(jīng)顯微鏡放大50倍，完整展示了激光器前腔面附近的電致發(fā)光圖像。圖中，紅色區(qū)域展示的是加電之后發(fā)光的區(qū)域，紅色區(qū)域內(nèi)部的黑色區(qū)域則是由于發(fā)生COD而不能電致發(fā)光的區(qū)域。

由圖8(a)可見，4只常規(guī)二極管全部在前腔面處發(fā)生了COMD，并最終導(dǎo)致了器件失效；而由圖8(b)可見，4只新型二極管中只有2只在前腔面處發(fā)生了COMD，1只在諧振腔內(nèi)其他地方發(fā)生了COD，還有1只未檢測到COD現(xiàn)象。由此可見，在新型二極管腔面處，尤其是前腔面處，COMD發(fā)生概率明顯降低；并且COMD也僅破壞了新型二極管諧振腔內(nèi)小塊區(qū)域，從發(fā)生COMD損傷的源頭向諧振腔內(nèi)部的延伸受到了明顯抑制，這表明非吸收窗口能顯著減少COMD的破壞程度。

圖8 常規(guī)二極管(a)和新型二極管(b)的電致發(fā)光圖像(50 Px)

4 結(jié) 論

為了進一步提高InGaAs/AlGaAs高功率量子阱半導(dǎo)體激光二極管峰值功率，針對COMD這一限制其輸出功率提升的關(guān)鍵問題，本文設(shè)計了一種利用Si雜質(zhì)誘導(dǎo)量子阱混雜方法制備非吸收窗口的技術(shù)方案，并在相同的工藝條件下同時制備了不帶有非吸收窗口的常規(guī)二極管以及帶有非吸收窗口的新型二極管。兩者的電學(xué)和光學(xué)輸出特性顯示，新型二極管的COMD峰值輸出功率和峰值輸出電流相比常規(guī)二極管分別增加了33.6%和50.4%；電致發(fā)光圖像測試結(jié)果顯示，新型二極管COMD發(fā)生概率和損傷程度均明顯降低。綜合多種測試結(jié)果可知，通過Si雜質(zhì)誘導(dǎo)量子阱混雜制備非吸收窗口，可顯著改善InGaAs/AlGaAs高功率量子阱半導(dǎo)體激光二極管COMD問題。但是，新型二極管的穩(wěn)定性仍存疑問，其長期應(yīng)用的可靠性還需要進一步研究。同時，該研究也證明量子阱混雜技術(shù)可應(yīng)用于光子集成，未來在光子集成領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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