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折射率波导
来源: | 作者:LiLi | 发布时间: 2025-01-13 | 109 次浏览 | 分享到:

broad area)边射型雷射时才会采用蚀刻尺寸一百微米或以上的电流局限结构。

采用蚀刻柱状结构虽然同时具备增益波导与折射率波导效果,但是经过蚀刻制程后元件表面原本的平坦状态被破坏,在制作后续元件封装所需的打线电极(bonding pad)时,蚀刻造成的高低落差容易导致金属电极断裂。

除了金属电极制作问题以外,蚀刻后绝大多数原本可以导通电流的材料被移除的同时,也意味着可以传递元件操作注入电流所产生的热量的材料也一并被移除,虽然柱状结构周遭的空气折射率最低,因此可以提供最好的光学局限效果,但是同时空气也是热的不良导体,其热传导系数(在0°C时为 0.024W/m.K)较原本的半导体材料(以砷化镓为例热传导系数为5SW/m.K)低的多,即便是常用来作为蚀刻遮罩或表面绝缘披覆的二氧化矽(SiO2)其导热系数也有1.4W/m.K,因此蚀刻制程后若无其他平坦化制程以填补被移除的半导体材料的话,元件操作过程中累积的热量难以被有效移除,将迅速使元件发光效率劣化,影响面射型雷射高温操作特性与光输出功率。

为了解决上述问题,磊晶再成长技术如图5-1(b)所示就被用来改善蚀刻柱状结构的操作特性。其构想就是将原本被蚀刻制程移除的区域借由磊晶沉积方式再把导热系数较高的材料回填,如此一来除了可以使原本蚀刻造成的高低落差变的较为平坦,易于制作后续的金属电极,同时也有助于将元件操作过程中产生的热传递到发光区周遭填入的高导热系数材料,改善发光区散热效果提升元件高温操作特性,相同的构想在传统边射型雷射二极体制作时就已经被广泛采用,称为埋入异质接面雷射二极体 (buried heterostructure lasers, BHlasers)。

然而实际应用到面射型雷射制程时磊晶再成长技术并不容易达成,首先是最广泛应用的面射型雷射材料还是以砷化镓/砷化铝镓系统为主,其中砷化铝镓在蚀刻后暴露在空气中非常容易与水气反应生成氧化物,而铝的氧化物化学性质稳定很难被移除,因此在完成蚀刻制程后蚀刻表面自然生成的氧化物经常造成后续磊晶再成长的困扰,需要配合特殊且复杂的清洗及额外蚀刻步骤才能继续进行后续的磊晶再成长。而磊晶再成长所采用的设备一般也与面射型雷射结构成长一样,大致有液相磊晶(LPE)、分子束磊晶(MBE)以及有机金属化学气相沉积(MOCVD)三种。采用 LPE 磊晶再成长牵涉到蚀刻表面回熔(melt-back)清洁步骤[2][3],借由提高温度至接近长晶温度对蚀刻表面进行清洁,缺点是制程参数难以精确控制,很可能会将先前蚀刻柱状细微结构破坏。采用分子束磊晶法再成长通常会将干式蚀刻(dry etching)机台与超高真空的 MBE 磊晶腔体串联起来[4],这样就可以避免在蚀刻制程后砷化铝镓材料暴露在空气中,可以直接在真空环境下被传输到MBE系统中继续进行磊晶再成长的材料沉积。但是因为蚀刻完成的柱状结构上方通常还有残余的