复合介质层Si-Si3N4诱导680nm AlGaInP / GaInP半导体激光器量子阱混杂的研究

2022-08-26 15:47

大功率半导体激光器具有体积小、易集成等优点，但发生在激光器的腔面处的光学灾变损伤（COD）会严重损害其输出功率提升和可靠性。为抑制COD，要对症下药，目前有外延再生长技术、量子阱混杂技术、腔面钝化等方案。量子阱混杂作为后处理工艺，工艺简洁，无需改变结构，通过杂质扩散、离子注入等结合热处理过程，使量子阱量子垒发生组分互扩散，增大禁带宽度，形成窗口结构，可提高输出功率和COD阈值。较为常用的是使用Si杂质诱导量子阱混杂，选择Si杂质作诱导源的原因是Si常作为AlGaInP／GaInP量子阱半导体激光二极管芯片外延过程中使用的施主杂质，容易获得且不易造成污染；同时，p型GaAs常采用C掺杂，引入Si杂质可部分中和C掺杂，基于载流子复合效应在窗口微区也形成低浓度载流子注入区，有助于减少窗口区载流子非辐射复合产生的热量，进一步抑制COD现象。目前所报道的方法中，使用Si作为扩散源进行量子阱混杂时，若采用离子注入方法，成本较高，另一方面，离子注入时会不可避免地对晶格造成损伤。而且使用高温或长时间热退火处理时，不仅会对外延片表面形貌造成损伤，且同时会造成增益发光区波长蓝移。

为此中国科学院半导体研究所马骁宇课题组重新设计量子阱混杂实验，采用复合介质层Si₃N₄杂质诱导量子阱混杂。采用带胶剥离工艺，保持样片表面清洁，首先对外延片进行光刻分区。再使用溅射设备溅射一层Si，之后再使用PECVD生长一层SiN，探究复合介质层对量子阱混杂的影响。在540－600 ℃／10min条件下，温度梯度设定为20 ℃，对各小块样片进行退火处理，发现Si₃N₄覆盖区域基本无蓝移，而Si－Si₃N₄覆盖区域有不同程度蓝移。在540 ℃下，蓝移量为24nm，而在600 ℃下，蓝移量达到54．8nm。同时发光强度均保持在原样片的75％以上。实现了窗口透明区和增益发光区的蓝移差。在退火过程中，Si₃N₄施加的应力使得杂质Si扩散进入外延片，促使量子阱和量子垒组分的互扩散。而单一介质层Si则在退火过程中由于本身在GaAs中扩散系数较小，在此温度下很难扩散进入外延片，难以引起量子阱混杂。本次实验提出Si－Si₃N₄复合介质层杂质诱导680 nm红光半导体激光器量子阱混杂，在较低退火温度540－600 ℃，退火时间10 min条件下很好地实现窗口透明区和增益发光区大于30nm的蓝移差。为提高680 nm波段半导体激光器COD阈值提供了有效的方案。

该文章以题为“Research on quantum well intermixing of 680 nm AlGaInP／GaInP semiconductor lasers induced by composited Si－Si3N4 dielectric layer”发表在Journal of Semiconductors上。