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离子布植法
来源: | 作者:LiLi | 发布时间: 2025-01-13 | 99 次浏览 | 分享到:

由于蚀刻柱状结构有上述金属电极制作困难且需要额外的蚀刻制程步骤等问题,因此早期业界及学术研究单位最常采用的方法为离子布植法。采用离子布植法作为面射型雷射的电流局限方法主要的原理为利用电场加速带电粒子例如氢离子使其获得相对较高的动能进而轰击面射型雷射磊晶结构。在进行高能量离子布植之前会将元件发光区以光阻覆盖保护使其不受高能离子破坏,其余未受保护的区域经过离子轰击后会因为晶格损伤形成电阻率较高的绝缘区域,因而使绝大多数注入电流仅能从未受离子轰击的受保护区域通过,如图5-4所示。借由控制光阻覆盖范围大小,可以调整电流注入孔径的尺寸,同样达到电流局限及增益波导的目的。由于利用离子布植法制作电流局限孔径不需要额外蚀刻步骤,因此金属电极制作相对容易;但是也因为元件结构没有经过蚀刻,发光区周围的半导体材料经过高能离子轰击后其折射率并未发生显著变化,因此元件仅在雷射共振腔方向由于各层半导体材料折射率差异形成的光学局限效果,但是在水平方向(与磊晶面平行的方向)就无法像蚀刻柱状结构一样因为存在半导体与空气介面的折射率差异而获得折射率波导效果。

由于传统离子布植法通常会控制在磊晶面表层底下约两到三微米深的位置形成电流局限区,比较无法有效限制注入电流在小范围内产生电子电洞对及载子反转分布(population inversion)。主要原因在于如果离子轰击能量较高时,虽然有效穿透深度可以更深,但是如果轰击深度太接近甚至到达活性层,就会造成活性层缺陷密度增加,注入载子将因为非辐射复合转换为热或晶格振动而无法形成光子增益,导致元件发光效率速劣化甚至不发光。由于半导体产业采用离子布植技术已经相当成熟,学术研究单位和相关产业研发机构也已经开发相当准确的模拟软体可以计算不同离子在特定电压加速与剂量的情况下在常见导体材料中的布植深度。图5-5即为利用 James F. Ziegler 所开发的模拟软体SRIM(Stopping and Range of lons in Matter) 所计算的不同能量的质子(也就是氢离子)在 Alo.12Ga0.88As/Alo.92Ga0.08As所组成的DBR结构中的穿透深度,图中所标示 35689A 为850nm 面射型雷射磊晶结构中活性层的深度,由图 5-5可以观察到,能量400keV 的质子绝大多数都会停留在相当靠近活性层的深度,如果能量提高到450keV,就有很高比例的质子会轰击到活性层。