边发射激光器外延结构设计与生长

admin

边发射激光器（Edge-Emitting Laser, EEL）的外延结构设计与生长是实现高性能器件的核心环节，需综合材料选择、能带工程、缺陷控制及工艺优化。以下从关键设计要点到生长工艺进行系统分析：

---

一、外延结构设计原理

• ‌多层能带调控‌
  EEL的核心结构包含：
  
  • ‌有源区‌：通常采用应变量子阱（如InGaAs/AlGaAs），通过调节阱宽和材料组分（如In₀.₁Ga₀.₉As）控制激射波长（例：905nm激光器需7nm阱宽）‌。
  • ‌波导层‌：对称分布于有源区两侧（如GaAs或InP），用于约束光场并降低损耗。设计时需优化厚度（约数百纳米）以平衡光限制因子与载流子注入效率‌。
  • ‌覆层‌：高带隙材料（如AlGaAs），提供载流子限制和光波导折射率差。掺杂浓度需精确控制（n型/P型掺杂剂如SiH₄、Zn）以减少电阻热效应‌。
    
• ‌谐振腔设计‌
  
  • 通过解理面形成法布里-珀罗腔，腔长通常为1000–2000μm，两端镀高反射/增透膜以优化输出功率‌。
  • 分布式反馈（DFB）结构需引入周期性光栅（如离子注入刻蚀形成），实现单模激射‌。
    
• ‌模式控制与散热优化‌
  
  • 添加“横模调制层”抑制高阶模，提升基模稳定性‌。
  • 高热导率衬底（如SiC）及金属电极设计可降低热阻，避免效率衰减‌。
    

---

二、材料选择与量子阱设计实例

‌波长需求‌	‌有源区结构‌	‌关键参数‌
808nm	In₀.₁₄Al₀.₁₁Ga₀.₇₅As/GaAs₀.₈₄P₀.₁₆	阱宽10nm/12nm，双量子阱‌
905nm	In₀.₁Ga₀.₉As双量子阱	阱宽7nm，隧道级联提升内量子效率‌
DFB激光器	InGaAsP/InP	布拉格光栅周期≈λ/2neff‌

---

三、外延生长工艺与关键参数
外延生长主要采用‌金属有机化学气相沉积（MOCVD）‌，流程与技术要点如下：

• ‌衬底预处理‌
  
  • GaAs或InP衬底需高温氢化清洗，去除表面氧化物‌。
    
• ‌外延层生长‌
  
  • ‌温度控制‌：高温区（>800℃）由质量传输主导，生长速率平缓；低温区（700[16][15][1613[173[16[12<℃）由表面反应主导，速率线性上升。
  • ‌气体调控‌：硅源（SiH₄/SiHCl₃）与掺杂剂（PH₃/B₂H₆）流量比例决定载流子浓度，需实时监控]。
  • ‌速率匹配‌：生长速率通常为–μm/h，过快易导致晶格失配缺陷]。
    

. ‌掺杂工艺‌

• n型掺杂：PCl₃、PH₃；p型掺杂：BCl₃、Zn(C₂H₅)₂]。
• 梯度掺杂设计可降低电压阈值]。
  

四、缺陷控制与检测技术

• ‌常见缺陷类型‌
  
  • ‌结晶缺陷‌：衬底位错（如螺位错TSD）向外延层延伸，需控制衬底质量（BPD密度[20][202[20]<10cm⁻²）。
  • ‌表面缺陷‌：掉落颗粒、三角形坑（Carrot缺陷），可通过反应室洁净度及气流优化抑制]。
    

. ‌检测方法‌

• ‌在线监测‌：PL光谱（光致发光）实时反馈晶体质量。
• ‌离线分析‌：
  

  • XRD（X射线衍射）：晶格匹配度与应力；

  • SIMS（二次离子质谱）：杂质分布；

  • AFM（原子力显微镜）：表面粗糙度（要求05[<.nm RMS）]。

    
    

---

五、性能测试与优化方向

• ‌电光特性测试‌

  
  
  • 阈值电流（Ith）、斜率效率、电光转换效率（最高达74%的VCSEL可作参考）‌。
  • 发散角控制：水平方向θ∥≈10°，垂直方向θ⊥≈40°‌。
    

• ‌未来优化方向‌

  
  
  • ‌多结级联结构‌：如15结VCSEL实现74%转换效率，EEL可借鉴隧道结设计‌。
  • ‌硅基异质集成‌：解决Si与III-V族材料热膨胀系数失配问题‌。
    

---

结论

EEL外延设计的核心在于‌量子阱能带调控‌、‌波导光场约束‌及‌缺陷抑制‌。未来需结合新材料（如GaSb长波段）与芯片键合技术，进一步提升功率与可靠性‌。工艺上需强化MOCVD原位监测能力以实现原子级精度生长。