激光器芯片的三个关键问题

激光器芯片最近几年如火如荼，Vcsel的广泛应用，中国vcsel芯片越来越成熟，从封装应用到芯片工艺，再到外延生产。但是大功率的侧发光FP之类的激光器，国内还是不多，即便是芯片制作和封装水平均和国外无法比拟。大功率的外延牵涉设备和工艺太多，国内最近热点参与芯片工艺和封装。设计应用在国内是越来越成熟，大族激光、创鑫激光等等。那么芯片为啥那么难着呢，激光器芯片碰到三个关键问题：

1. 激光器的漏电流 半导体物理学，泊松方程描述了器件内部的电场，对于均匀的半导体材料，内部的电子和空穴流密度 Jn 和 Jp 可以写成载流子浓度和准费米能级的函数。Ileak 则与异质结势垒的载流子泄露和有源区附近的电流扩散有关。随着温度的升高，电子和空穴从价带和导带逃离量子阱的几率也增加进而增加阈值电流，

载流子的泄露直接影响了两个激光器重要参数：微分量子效率和特征温度。电子由于质量比空穴小因而更容易泄露，这就造成了有源区电子和空穴分布不对称。特别是多量子阱半导体激光器中更为明显。采用非对称的P-I-N 结构和相对较窄的波导层可以有效地降低电流泄漏。 外延量子阱设计推荐加拿大Crosslight software公司的LASTIP软件。是一个功能强大的二维半导体激光器综合模拟程序，可应用于FP 激光器， LED, 光泵浦激光器，短波激光器，量子级联激光器和多腔激光器的模拟计算。 Crosslight 公司的 Pics3D 软件 (Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D) 是专门用于激光二极管及其相关的波导光子器件的准三维模拟器。该软件以有限元分析为基础，内部集成了半导体漂移扩散模型、受激发射速率方程、二维波导有效折射率模型、自热和各向异性热传导模型 [50] ，为 VCSEL 器件的特性模拟提供一个方便的平台。

1. 芯片欧姆接触 欧姆接触常用热蒸发电子束蒸发和磁控溅射等镀膜的方法来实现，镀完金属膜后，要在约 400 o C 温度下进行退火合金。合金过程中蒸镀的金属发生扩散过程，部分浸入半导体表面从而形成一个低阻金属－半导体结。用作 p-GaAs 欧姆接触的金属中常用的是 Ti-Pt-Au，其中 Ti 是直接与半导体表面接触的金属，本身又起到粘附剂作用。Pt 是过渡和阻挡层，起着阻挡Au 向透过表面向有源区扩散的作用，有利于提高器件的稳定性和可靠性。由于高纯度的金属成本昂贵，各层金属的厚度一般为刚好能实现欧姆接触为佳，Ti 膜厚度大约 45nm 为，Pt 和 Au 的厚度一般为 70nm、200nm 左右。 对于 n 面金属膜，由于n-GaAs 衬底的掺杂浓度约在 2×1018cm-3 ，需要对 n 面金属膜进行合金化来实现欧姆接触。n 型 GaAs 的欧姆接触金属大多采用 Au-Ge-Ni 体系，其中 Au 是基本金属，作为电接触层的主体，Ge 是掺杂元素，在合金温度达到 300o C 时，Ge 迅速向接触表面扩散并被 Ni 所俘获。高于 400o C 时，被俘获的 Ge 向内扩散，渗入到 GaAs 晶体中。Ni 的作用是增加 Au-Ge 膜和 n-GaAs 之间的浸润性，改善比接触电阻。Au-Ge-Ni 沉积后合金化规律是：在 300o C 以上形成合金，300 o C～400o C 间形成化合的多层结构，450 o C 形成均匀平滑光亮的合金表面。合金时间以分钟为量级，时间过长反而对欧姆接触不利。
2. COD 腔面烧毁是大功率半导体激光器突然失效的主要机制，器件退化过程中腔面的温度升高不能有效控制，导致界面缺陷迅速增加、不可逆地温度升高至腔面材料熔融损坏，造成激光器功率突然下降。腔面烧毁又称为灾变性光学烧毁(COD)。 通常采用两种方法来防止腔面烧毁，一种是通过降低腔面光功率密度或使器件在较低激光功率条件下运行，来提高器件使用寿命；另一种是通过提高腔面的抗烧毁阈值，使器件经久耐用。 降低 COD的方法：

1）在激光器前、后腔面附近采用电绝缘层制备方法分别引入电流非注入区，使腔面电流注入近似为零。这样腔面处的载流子浓度减少，非辐射复合速率降低，限制了腔面温度的升高。电流非注入区制备方法主要有：沉积 Si 3 N 4 、AlN、SiO 2 等薄膜作为电流阻挡层；离子、质子轰击形成高阻区等。

2）真空解理镀膜技术，在高真空(P<10-6 Pa)环境下，将外延片解理成条，接着进行腔面钝化层处理，然后镀腔面膜进行保护 。整个工艺环境均为高真空，避免了氧或者其它杂质对腔面的污染，可以获得可靠性较高的器件。但是，真空解理设备昂贵、操作复杂，工艺可控性差，生产出来的器件成本很高，不太适合量化生产。

3）量子阱混杂技术；

4）真空离子辅助清洗与薄膜钝化技术。

5）腔面化学溶液钝化技术；如果对半导体激光器腔面处理时间过长，激光器腔面上生成的硫化物随即溶解在碱性的(NH 4 ) 2 S 溶液中；另外浸泡时间过长碱性(NH 4 ) 2 S 对 GaAs 表面形貌会有明显的刻蚀破坏作用，造成其可靠性降低、性能严重恶化。