減少鏡面吸收法

首先回顧 3-2 節所述，在鏡面處能隙能量因熱而導致兩個效應：第一 為光吸收效應，第二為因能勢所形成的載子漂移效應，由於這些效應而最 後造成 COD 發生，如圖 3-8(a)所示。

採用非吸收窗(non-absorbing mirrors，NAMs)結構可有效防止 COD 的 發生在兩個方面：第一為減少帶到帶(band-to-band)的光吸收效應，因此通 常會在鏡面處製作成能隙比增益區(gain region)能隙還要更高的結構。第二 為有效阻止載子由內部往鏡面處復合，必須在鏡面處形成絕緣並有一個阻 障能勢能阻止載子到鏡面處復合，如圖 3-8(b)所示若採用 NAMs 將可滿足 上述兩個需求而達到效果[3.15]。

(a) (b)

圖 3-8[3.30]鏡面處因熱造成能隙能量減小的情形(a)傳統雷射(b)具有 NAMs 雷射

為製作 NAMs 結構，必須要使用量子井混合技術 (quantum well intermixing,QWI)來達成。目前 QWI 技術已經非常成熟並有許多成功的例 子 應 用 於 不 同 的 材 料 系 統 上 ， 如 GaAs/AlGaAs[3.31]-[3.34] ， InGaAs/GaAs[3.35]-[3.37]，及 AlInGaP/InGaP[3.38]-[3.45]等系統，其中 QWI 技術又可區分為三大類[3.46],[3.47]:

(1) 雜質引發層不規則化(impurity-induced layer/lattice disordering,IILD)

(2) 離子佈植引發不規則化(ion implantation-induced disordering)

(3) 無雜質空位缺陷不規則化 (impurity-free vacancy disordering,IFVD )

第一種雜質引發層不規則化(IILD)的方法，通常是利用 Zinc 或 Silcon 元素掺雜入磊晶片內，由其穿過量子井後引發不規則化使能隙變大而達到 抑制 COD 的效果，通常經 IILD 後能帶能量可增加數十 mev~數百 mev 之 間[3.30]。實際的 IILD 製作方法由圖 3-9 來說明，以 Zinc 掺雜為例通常是 利用濺鍍方式在鏡面處附近以選擇性沉積方式將 ZnO 濺鍍到磊晶片上，

如圖 3-9[3.45](a)的選擇性掩埋脊狀波導(selectively buried ridge,SBR)紅光 雷射所標示的 Zinc Diffusion Region，再高溫經爐管回火(annealing)製程將 Zinc 擴 散 進 入 並 穿 過 量 子 井 區 域 形 成 所 謂 的 窗 戶 區 域 (window region)[3.38],[3.41]。圖 3-9 (b)為有 Zinc Diffusion 的而形成 NAMs 結構的 SEM 照片。

(a) (b)

圖 3-9[3.45]具有 NAMs 結構的雷射(a)Zn 擴散區域剖面圖(b)經 Zn 擴散 製程後 SEM 圖

以較簡單的 Al_xGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs 量子井結構來說明；由於 Zinc 原 子 的 半 徑 較 小 屬 於 間 隙 型 雜 質 ， 因 此 當 Zinc 擴 散 進 入 AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs 這些材料的晶格內，會加強這些材料間的 III 族 Al 及 Ga 原子的(interdiffusion)交互置換作用，最後導致材料變成不規 則化，而使量子井的 III 族成份因此而受到改變[3.41],[3.49]。Zinc 原子在

整個過程中只作為材料內部的 III 族原子間(Al-Ga)置換的媒介。

圖 3-10 進一步的說明，圖中的活性層材料為 GaAs，而阻障層材料為 AlxGa1-xAs，左圖為未經 IILD 製程的量子井能帶狀況；右圖為經 IILD 製 程後的量子井能帶狀況。由此圖可明顯看經 Zinc 擴散區域的 GaAs 的活性 層變成 Al_xGa1-xAs 的活性層，由於 Zinc 擴散後，Zinc 將阻障層中的 Al 與 活性層中的 Ga 互相置換，因此變成 Al_xGa_1-xAs 的活性層故能帶因此比 GaAs 的活性層大。

圖 3-10[3.50]AlGaAs/GaAs/AlGaAs 量子井雷射傳導帶與價電帶的變 化情形，QWI 前(左圖)與 QWI 後(右圖)

AlGaInP 系列雷射的 COD 值，大約只 有 AlGaAs 雷射的一半，因此若 沒有適當的保護非常容易損傷，尤其是 650nm 雷射的量子井為應變型量 子井在接近鏡面的地方由於有應變釋放(stress release)關係，使能隙能量比 正常時更小，因此使 COD 值更低[3.41][3.51]。目前 IILD 製程技術已經非 常成熟的在應用在提升 AlGaInP 系列雷射的 COD 值。值得一提的是雖然 IILD 法對 COD 的抑制有顯著的效果，但並非是完美的。採用此種方法必 須在元件效率方面有所犧牲，因為有 IILD 法處理的元件是經由大量的 Zinc 原子以擴散方式進入窗戶區域形成 NAMs，因此自由載子吸收(free carrier absorption)在此區域將無可避免及忽略。

由 於 自 由 載 子 吸 收 之 原 因 也 將 造 成 元 件 的 發 光 效 率 受 到 影 響

[3.2][3.35]。在第二章中曾經談到雷射二極體的斜率效率(2.26 式)是適用於 一般的雷射二極體元件，若在有 IILD 製程處理的元件中，因為在窗戶區 域有吸收造成損失的問題，因此方程式 2.26 式中的αi項(內部損失)，必需 再加上窗戶區域的損失，如此應修正為平均內部損失(average internal loss)，如方程式 4.1 式[3.2]所表示:

Without Zn-diffusion With Zn diffusion

圖 3-11 650nm 7mW 雷射二極體的 COD 值比較；有 QWI 處理的雷射 (藍線)與無 QWI 處理的雷射(紅線)

IILD 製程處理的另一項缺點是雜質的擴散時間必需要非常嚴謹控 制，因為磊晶片在製程結束後，會有均勻性問題存在，當有些區域擴散太 快時則會穿過緩衝層(buffer layer)達到基板，因此會有大量的載子經由此 路徑形成漏電流，導致元件失效。如圖 3-9(b)SEM 照片所示，當 Zinc 擴 散過量子井後即停止在 n 型的披覆層是比較好的製程條件。

第二種離子佈植引發不規則化(ion implantation-induced disordering) 的方法與 IILD 類似，其中差異是以離子佈植方式取代擴散方式並且通常 以 Silicon 作為離子佈植的掺雜源。目前 AlGaAs 材料系列的雷射二極體如 780nm 雷射二極體多以此法來增加 COD 的抵制能力[3.32]，另外 InGaAs 的 980nm 雷射二極體也有成功的報導[3.52]。使用離子佈植方式的主要原 因是 Zn 在 AlGaAs 材料內擴散速率比較慢之緣故，因此也將造成製程上 較難以控制[3.53]。但也有公司用 IILD 法應用在 AlGaAs 材料[3.49]。

第三種無雜質空缺陷不規則化(impurity-free vacancy disordering,IFVD) 的方法是所謂的無雜質(沒有經由 Zn 或 Si 原子以擴散或離子佈植)的方式 而達到與前兩種方法相同之目的。

圖 3-12(a)所示為一個典型量子井雷射結構，圖 3-12 (b)為經由 IFVD 法後形成的 NAMs 結構。IFVD 的製作過程是以濺鍍或電漿增強式化學氣 相沉積(PECVD)方式[3.31]沉積介電膜(如 SiO2)在窗戶區域的磊晶片表 面，而增益區域的磊晶片表面可沉積其他材料加以保護，以免 As 在後續 的加溫製程中從表面被分解[3.35]。接著再經過 RTA 的快速高溫回火製程 將 III 族 Ga 原子擴散進入 SiO₂介電膜中而產生許多點缺陷(point defects) 即鎵的空位缺陷(Ga-vacancies)。然而這些空位缺陷在半導體中具有很高的 擴散係數(diffusion coefficient)，因此空位缺陷將依照 Fick 定律由濃度高的 介面區域往濃度低的半導體區域擴散。當這些個別的空位缺陷擴散進入半 導 體 後 是 以 隨 機 漫 步 (random walk) 的 方 式 進 行 混 合 (intermixing) 動 作 [3.47][3.54]。點缺陷即鎵的空位缺陷(Ga-vacancies)的角色是協助 III 族 Al 原子及 III 族 Ga 原子間的相互擴散(interdiffusion)作用[3.34]。

(a) (b)

圖 3-12[3.47]GaAs/AlAs 量子井在 QWI 製程後的變化(a)未實施 QWI 的量 子井(b)同結構經 QWI 的 IFVD 法後的量子井

目前應用 IFVD 法製作成 NAMs 已非常成功，而量子井活性層多以 GaAs、AlGaAs、 InGaAs 等為材料為主，因為如同前述以雜質擴散方式 在這些材料會比較不易控制。另外採取 IFVD 法也比 IILD 法有一個更大 好處是 IFVD 法並不是利用雜質攙雑的方法來達到擴大能隙因此沒有自由 載子吸收的損失及漏電流問題[3.35]，唯一的缺點是 IFVD 法的製程相當 複雜繁瑣及使用高溫製程易損傷晶片。