书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：硅上具有 n 型脊的氮化铟镓激光器
编号：JFKJ-21-1151
作者：华林科纳

铟镓氮化物(InGaN)紫外发射激光二极管，具有n型脊形波导(nRWs)的硅上的LDs，其表现出比pRW-LDs更低的电阻和改进的热性能。正常情况下，过程基于InGaN的激光二极管中的RW在器件的p侧。出现热和电的问题是因为p-氮化镓比n-氮化镓电阻大得多。认为nRW-LD器件可以与大规模硅完全兼容。

基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的主流电子器件，可以在单片集成硅光子学中用作,用于高速数据通信和计算的高效片上光源。镁是ⅲ-氮化物结构中常用的p型掺杂剂。这在产生p型导电性所需的生长和活化退火中施加了许多限制。首先，镁倾向于在反应室中徘徊。这种“记忆效应”意味着，无论是否需要，后续层都会有一定程度的镁结合。因此，存储效应倾向于导致生长工艺被设计成最后生长p型层。

激光二极管结构由夹在波导层之间的五个铟镓氮量子阱组成。这n侧波导和包层最近的50纳米未掺杂，避免了脊波导结构中的电流扩散。激光二极管结构被p面向下键合到精确的Si(100)晶片上p型欧姆接触电极表面。用湿法腐蚀去除硅(111)生长衬底。进一步的干法等离子体刻蚀去除了氮化铝/氮化铝镓生长缓冲结构。倒置的RW-LD结构允许包层的n型面比通常薄得多，约0.5m In非倒置结构n包层位于厚氮化镓模板的顶部，具有“反引导”效果。倒置RW-LD包层的p侧较厚，为1.2 m。

降低低热导率的n型AlGaN包层的厚度可以大大降低热阻和AlGaN和GaN模板之间晶格失配产生的拉伸应力，从而提高器件性能和制造成品率。”结合的材料最终被制成10兆×800兆读写头器件(图2)。有效的p电极的面积估计为300m×800m。在–5V反向偏置下，反向漏电流约为10–7A。开启电压约为3.0V,超过这个范围的偏差增加会更大,与硅(111)上的正常pRW-LD相比，反向RW-LD中的电流注入。这反映了在更宽的p型区域上更低的串联电阻。

与正常pRW器件的2.3相比，注入反向nRW-LD的350毫安时的微分电阻为1.2。这将工作电压从1.41伏降低到4.15伏。较低的电压意味着减少焦耳加热，延缓激光性能的热退化。反向器件热阻估计为18.2K/W，而正常p脊激光二极管的热阻为26.5K/W。

图2 Si(111)上基于InGaN的(a) pRW-LD的示意性结构 (b)硅(100)上的氮钨化合物

图3
图3电注入下nRW-LD的电致发光。室温下脉冲电流(0.4%占空比，10kHz重复率)下的光谱。峰值波长和FWHM 室温(c，d)下光谱与脉冲注入电流的关系远场模式观察到0.8x和1.2x阈值电流。室温下光输出功率与脉冲和连续波注入电流的关系。

在350毫安的连续波操作下，结温分别为48.5℃和73.5℃。结温降低25℃是因为焦耳热降低，散热路径长度缩短。还有改进的余地，因为在晶片键合过程中使用了镍锡焊料，这种焊料的热导率相对较低。铜基替代品可能是获得更好散热性能的一种途径。注入100毫安时，该结构在半峰(FWHM)谱线处具有12纳米的全宽(图3)。在320mA时，线宽变窄至0.8纳米，在阈值时激光模式波长为418.3纳米。4.37kA/cm2的阈值电流密度相对于连续波操作下最先进的InGaN激光二极管来说被认为是高的。

观察到“输出功率急剧下降”之前，寿命也只有5分钟。将此归咎于高的6×108/cm2穿透位错密度和未优化的有源区。螺纹位错提供了非辐射复合中心和漏电流路径，降低了效率和可靠性。一些研究表明，通过将穿透位错减少到106个/cm2，激光二极管的寿命可以增加到10000小时。