降低表面復合速度法

在第二章的 2.6.4 節中曾經提過 SRV 值的高低，將會反應在 COD 抵 抗能力的好壞，因此降低 SRV 值而提升 COD 抵抗能力的方法大約有三 種，因此將是本節所探討的重點。

為降低 SRV 值，第一種方法是在真空的環境下劈裂鏡面以將氧化作 用減至最小，再鍍一層很薄的 α-Si 材料(小於 100Å)，最後再鍍上 Al2O₃ 介 電 材 料 調 整 反 射 率 。 以 活 性 層 材 料 為 GaAs 為 例 ， 如 同 形 成 GaAs/α-Si/Al2O3結構。L.W.Tu 及 E.F.Schubert 以如此的作法得到低的 SRV 值(10⁴cm/s 程度)[3.55]。但一般在真空的環境下進行劈 Bar 有點不易，且

必須使用特殊治具來配合完成，於大量生產時會有較大的挑戰。而目前比 較受大眾所採用的方法是一種被稱為 I-3 的方法[3.13][3.56]。所謂的 I-3 法有三個主要步驟，以圖 3-13 為例子說明來。假設活性層材料為 GaAs，

而前鏡面的 AR(anti refection)鍍膜介電材料為 Al2O3，由圖 3-13 可看出 GaAs/α-Si/ Al2O3結構的能帶狀況。由於此結構的形成有效降低 Ga-O 鍵結 的 GaO_x及 As-O 鍵結的 AsO_x等氧化物生成[3.13]，因此可以降低 N_st值，

進而降低 SRV 值而提升 COD 阻抗能力。其製作過程是首先在大氣環境下 完成劈裂雷射 Bar 動作後，再接著實施以下三個步驟[3.13],[3.55],[3.56]: (1) 將 Bar 送進電子束蒸鍍膜機後以很低能量(小於 35ev)的 Ar⁺或 H 離子照射 (ion irradiation)表面，因為如此低能量離子照射可將半導體表面上的雜質 清除，(2)再接著是沉積很薄的α-Si 材料作為內層(interlayer deposition)，(3) 最後再以離子輔助沉積(ion-assisted deposition)的方式將 AlO_x介電材料鍍 上以調整反射率。

此方法亦可利用目前最新穎的 ECR plasma 反應式濺鍍方式沉積來替 代傳統的電子束蒸鍍沉積會有更佳的效果，因為如同 3.3.1 所提過的傳統 電子束蒸鍍法所沉積的薄膜是多孔性及柱狀結構，其結構鬆散，質量不高 等缺點存在因此導致有容易吸潮造成鏡面氧化問題。

圖 3-13 具有 I-3 法處理的雷射在鏡面的能隙能量示意圖

除以 Si 做為保護鏡面材料外，另外一個被開發材料為 ZnSe 沉積，以 ZnSe 作為保護層能夠阻止氧從介電膜進入活性層[3.57],[3.58]。除此之外 ZnSe 的能隙寬度為比 GaAs,Al_xGa_1-xAs,GaAs_xP_1-x等材料的能隙更大，使用 ZnSe 作為保護層即如同一個能障，因此可有效阻止載子往鏡面處擴散而 形成非輻射復合。目前使用 ZnSe 作為保護層應用在 GaAs 或相關化合 物，如應用在 GaAs_xP1-x量子井雷射來提升 COD 阻抗能力案例已有成功的 報導[3.58],[3.59]。

第二種方法是採用硫的鈍化處理，通常是使用(NH₄)2S 或(NH4)2Sx 作 為鈍化鏡面的物質[3.60]-[3.64]。製作過程是將 bar 浸泡在具有鹼性的 (NH4)2S 或(NH4)2Sx 的溶液中約數分鐘後取出，其基本原理是具有鹼性溶 液會溶解自然生成的氧化物，溶液中的 S^-2離子會與 GaAs 表面懸浮的 Ga 和 As 成穩定的化合鍵，經反應形成 Ga 和 As 的硫化物，在鏡面表面形成 一個單一原子層的硫鈍化膜，因此表面不易再有氧化反應，有效抑制鏡面 表面活性，並減少 N_st值[3.14][3.60]。根據第二章方程式 2-11 及 2-12 式，

可知若降低 N_st的值，可間接降低 SRV 值[3.65]。

然而使用(NH₄)2S 或(NH4)2Sx 作為硫鈍化膜的技術卻也有製程不易控 制的問題存在。當浸泡的時間過長時會造成此方法失效，主要的原因是由 於 Ga 和 As 的硫化物易溶於鹼性的(NH₄)₂S 或(NH₄)₂S_x的溶液中，如果 bar 浸泡的時間過長，在鏡面表面生成的硫化物會溶解在鹼性的溶液中，另一 方面鹼性的溶液卻同時對 GaAs 的表面具有著緩慢的腐蝕作用，因此浸泡 的時間太久不但沒有幫助，反而因腐蝕作用造成表面損傷，導致雷射壽命 降低[3.60]。

第三種方法是採用無鋁(Aluminum-free)的材料作為活性層材料。因為 含鋁(Al-containing)成份的活性層材料極易氧化，氧化時生成的氧化物會 造成表面復合中心密度很高，導致 SRV 也隨之變高，導致因非輻射復合 產生高溫。因此若採用無鋁的材料作為活性層將可有效抑制鏡面表面活 性，使氧化速度變慢，因此減少表面復合中心密度，使 SRV 降低，使表 面溫度升溫慢，使 COD 的發生變慢，因此可以承受更高的光功率密度 [3.22],[3.24],[3.66]。

以無鋁材料作為活性層的另外一個好處是無鋁的材料對暗線缺陷的 產生具有較好的阻抗能力[3.66][3.67]。因此目前 920nm~980nm 雷射的活 性層採用無鋁的 InGaAs 材料作為活性層，可以有比 AlGaAs 有更高的 COD 值[3.68],[3.69]。而無鋁材料在 808nm 雷射以 InGaAsP 或 GaAsP 材料作為 活性層最為成熟及普遍且對 COD 阻抗能力效果顯著[3.66]-[3,68],[3.70]。

如同 3-1 節所述，通常高功率雷射的最大功率限制為 COD，因此最大 度，此為固定值且隨材料的不同具有不同的值。P_COD 的值以無鋁(Al-free) 的材料最高，如 InGaAs 材料約為 18~19MW/cm²；InGaAsP 材料約為 18~19MW/cm²； InAlGaAs 材 料 約 為 13~14MW/cm²； GaAs 材 料 約 為 11~12MW/cm²；GaAsP 材料約為 11MW/cm²，然而含鋁的 Al_0.07Ga0.93As 材 料 卻 降 為 8~9MW/cm²， 而 Al_0.13Ga0.87As 材 料 降 更 多 為 5MW/cm² [3.65],[3.68],[3.69],[3,71]。因此當含鋁(Al)量增加時 P_COD的值就相對變低，

然而當含(In)量增加時 PCOD的值就相對變高[3.65]。

無鋁材料的可靠度非常好並且具有非常低的活化能(activation energy) 值。半導體雷射的生命期(lifetime)受包括注入電流，輸出功率，溫度操作 條件所影響。因此半導體雷射的老化測試的生命期是以阿瑞尼士方程式 (Arrhenius equation)來表示[3.12][3.72]：

其中 At是常數，K 為波茲曼常數(Boltzman’s constant)，T 為工作溫度 (Kelvin)，Ea 為活化能(eV)。一般材料的 E_a 值範圍在 0.2ev~0.7eV 之間

[3.72]，因此在相同溫度條件下 Ea值越大則代表材料劣化的速度越快。最 近 K. Häusler 等人以 808nm 雷射的 GaAsP 材料作為活性層，並以 AlGaAs 材 料 作 為 波 導 層 (waveguide layer) ， 可 以 得 到 非 常 低 的 E_a 值 約 為 0.28eV[3.73]，而含鋁材料(如 AlGaAs 及 AlInGaP)的活化能就非常高，Ea

值約為 0.7eV[3.12][3.74]，因此無鋁材料具有非常好的可靠度。

另外，無鋁材料的 980nm InGaAs Qw 雷射及 808nm InGaAsP 或 GaAsP Qw 雷射皆為具有應力的活性層，但是以含鋁材料(如 AlGaAs)作為 活性層時通常皆是無應力(unstrained)的活性層。然而採用這種無應力的活 性層的雷射會得到比較高的臨界電流密度。然而高的臨界電流密度將會造 成 與 載 子 相 關 (carrier-related) 的 劣 化 影 響 ， 因 為 高 的 光 子 能 量 (photon energy)是更有可能自然地創造半導體晶格缺陷或與已存在的缺陷做相互 作用，因此對可靠度具有不良的影響[3.75]。

雖然無鋁材料具有諸多好處但亦非萬能，無鋁材料在雷射結構設 計，磊晶參數控制及磊晶設備將是一大挑戰。由於一般無鋁材料的雷射的 量子井與披覆層間的能帶差異較小，因此載子侷限(carrier confinement)能 力較差。由於量子井與披覆層間能帶差異較小的雷射，在操作時由於元件 的發熱載子得到能量有機會經由量子井往披覆層逃脫掉而造成漏電流 [3.76] ， 因 此 具 有 比 較 高 的 臨 界 電 流 值 及 特 徵 溫 度 (characteristic temperature)[3.77]，但也有選用較寬能隙能量材料作為披覆層來改進此問 題的研究[3.70]。

除上述缺點外，如用 808nm 雷射使用 InGaAsP 或 GaAsP 作為活性 層的材料，在磊晶時較不易控制 As 及 P 的成份，易造成波長分佈較大的 現象，由於 DPSS 的最好的幫浦條件在 805nm~811nm 之間，因此超出此 部分的晶粒將無法使用而造成良率下降，成本增加。另外波導層如果是用 GaInP 材料時會得到有規律排列的晶體結構(ordered structure)，有序材料 的能帶寬度變小，折射率不均勻，導致電流限制不足及光損耗變大等缺 點，因此在磊晶時必須嚴密控制長晶溫度使晶格排列為無序(random)結構 [3.66],[3.78],[3.79]。