激光器芯片的无杂质空位诱导技术

原创 芯片工艺技术 2023-12-27 18:19

为了提高激光器的抗COD能力,常用的一个手段是无杂质空位诱导混合技术,该方法主要是简单。

激光器的原理和结构示意图如下:


要想在出光面有好的抗COD能力,

在芯片的AR面前端做非吸收窗口。

无杂质空位诱导量子阱混合(IFVD – Impurity Free Vacancy Disordering) 是目前出现的量子阱混合技术中最简单的一种。 IFVD多采用在Ⅲ-Ⅴ族化合物晶体表面覆盖一层介质膜然后在 800℃-1000℃的高温下进行快速退火的方法来诱导混合。 最常用的介质膜是SiO2, 而一些其它的介质膜如SrF2、Si3 N4 等则多被用于掩蔽混合。

基于 IFVD 技术的理论研究还比较少, 大多数人认为 IFVD 的机制是 Ga 在一些介质膜如 SiO2 中的扩散速率较高, 在高温退火时, 晶体表面的 Ga 原子向介质膜中扩散, 因而在晶体中留下了 Ga 空位,这些空位向晶体内部扩散并导致了量子阱组分的互扩散。而其它一些介质膜如 SrF 2 等则能够相对抑制Ga 原子向外扩散, 使晶体中的 Ga 空位较少, 因而抑制了混合。

在IFVD中影响混合的因素有介质膜的材料、 厚度、 应力及淀积方法等, 同时一个不能忽略的因素是费米能级效应, 但到目前为止还没有一个综合考虑各种因素的模型。以SiO 2 为例, 我们知道Ga在SiO 2中有较快的扩散速率, 而SiO 2 是一种比较疏松的介质, 因此Ga在这种介质中的固溶度也比较高。 SiO 2的疏松性取决于它的淀积方法, 如果SiO 2 中氧含量较高, 介质膜就较为疏松。另外一个重要的因素是介质与GaAs表面之间的应力。GaAs的热膨胀系数约为SiO 2 的 10 倍左右, 在退火过程中, GaAs表面将受到压应力的作用, 而Ga原子向外扩散则有助于缓解这个应力,  SiO 2 本身就是一种疏松的物质, 在GaAs表面对它施加的巨大张应力作用下, SiO 2 的结构可能被破坏而变得更加疏松, 这进一步促进了Ga原子向外扩散。虽然As原子也会向SiO 2 内部扩散, 但与Ga原子相比, As在SiO 2 中的扩散速率是非常小的。退火方式对Ga的外扩也有一定影响, 在同样的退火温度下, 使用升温速度很快的快速退火时, Ga原子的外扩速率较普通的炉内慢退火要大, 这进一步说明了 应力对Ga外扩速率的影响, 因为快速退火时SiO 2 与GaAs界面会产生更大的应力。另外, 如果SiO 2 厚度较大, 量子阱混合程度也较大,这个现象被归因于Ga在SiO 2 中达到了饱和浓度, 如果Ga饱和, 则不会有更多的Ga原子向外扩散, 量子阱混合程度也不会再增强;而较厚的介质膜则能够容纳更多的Ga原子, 从而产生较多的空位来诱导混合。同时, 较厚的SiO 2 在GaAs表面产生的应力也比较大, 因此有助于Ga原子向外扩散。

与 SiO 2 相比,其它介质如 SrF 2 、 SiN 等, Ga 原子在其中的扩散速率很小, 同时它们的热膨胀系数和GaAs也出不多,因此在退火过程汇总产生的应力就较小。SRF2施加在GaAS表面的应力是张应力,因此也可以作为IFVD的掩蔽材料。

     

常用的SiN和GaAs的热膨胀系数的差别虽然较SiO2和GaAs的差别要小的多, 但SiN是一种较为致密,退火容易起泡炸裂,而且PECVD做的SiN内部含H多,退火过程容易挥发导致SiN鼓泡。可以先在450℃的氮气环境下退火2小时,让H挥发一下。

如何用好SiO2和SiN做IFVD不知道大家有什么好的想法没。

芯片工艺技术 半导体学习研发笔记,为了更好的服务开发小组
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