半导体雷射之失效Degradation分析.doc

--半導體雷射的衰減— 班級：物四乙 姓名：陳麒生 學號：8522016 指導教授：郭艷光 教授 目 錄 一、前言(1) 活性區的缺點結構；(2) 在高能密度下的鏡面突然損壞；(3) 局限電流介面的縮減。雷射二極體在高入射電流密度下操作會產生高能量的電子和電洞、熱陡度(thermal gradient)、應變場的差值改變、及在活性區的高非放射復合率。這些因素都可以造成單一缺陷的移動、倍增、及成長成一團的缺陷，且都可以很明顯的造成雷射性能的衰減。 雷射產生突然的衰減是因為鏡面損壞通常發生在脈沖及高能量的操作。這些晶體的表面是有缺陷的晶格，含有許多可以吸收空氣中雜質的懸空鍵。這些從缺陷處所吸收的雜質會造成過度的光學吸收。當雷射平面的光學強度超過必然的臨界值，侷限在鏡面的熱會大到足夠造成鏡面熔化，並因此損壞鏡面。 折射導向隱藏式異質結構雷射(index-guided buried-heterostructure lasers)使用反偏壓連結以局限電流到達活性區。在正常操作的老化過程，缺陷會在局限電流的介面產生，以減少介面局限電流到達活性區的能力。而觀察到的臨界電流增加可能是由於漏電流的增加。 活性區內的缺陷結構 電子和電洞的高密度復合及可能出現的應變和熱陡度都會造成缺陷在雷射的活性區形成。而一般被觀察到的缺陷結構是暗點缺陷(dark spot defect)和暗線缺陷(dark line defect)。這些缺陷結構是在砷化鋁鎵雷射和發光二極體中第一次被發現。 暗線缺陷是指一大大降低發光效能的近似線狀區域。它是在一個老化的質子條紋雙異質結構砷化鋁鎵雷射(AlGaAs proton-strip double-heterostructure laser)的活性區內第一次被發現。在這同時，暗點缺陷也被發現了。暗點缺陷也是一能在活性區降低發光效能的區域，但缺少像暗線缺陷那樣的線性方向。一般而言，暗點缺陷是聯合一缺少久延生長(epitaxial growth)的區域以一定尺寸生長，或是在繁殖磊晶層(epitaxial layers)的基板上的局限缺陷。 觀察缺陷的實驗技術 暗線缺陷和暗點缺陷可以很容易的經由電子發光(electroluminescence)、光激發光(photoluminescence)或陰極發光體(cathodoluminescence)等方法被發現。然而這樣的詳細研究必須使用到TEM的技術，而其中樣本的取得就是一件繁瑣的事情，且經由專門技術取得的樣品所獲得的結果是絕對的。缺陷也是可以由深層的短暫光譜(deep-level transient spectroscopy, DLTS)、電子顯微鏡的掃描(scanning electron microscopy, SEM)、及電子顯微鏡掃描的電子束感應電流模式(electron-beam-induced current(EBIC) mode of SEM)等技術來鑑定。接下來我們就簡略的來描述這些技術和觀察結果。 電子發光 半導體雷射的非發光區或活性區內的低發光效應區的觀察是需要一個特殊雷射結構的建造。圖(一)概要的圖示了一般已知的視窗雷射結構。視窗是在基板的側面利用光蝕刻技術所形成的，典型的寬度是20~25微米。自從磷砷化銦鎵雷射發出一光子能量較磷化銦基板的能帶隙來的小的光線，活性區的自然激發便可由視窗直接觀察。視窗雷射的結構允許連續觀察活性區內的發光效率，同時和在常態下以”P-down”的鍵結結構也是相容的。自此以後，入射電流造成發光的結果便可參照於電子發光。 圖(一) 視窗雷射的結構圖，典型的視窗寬度為20~25微米。 如圖(二)所示，通常經由視窗可觀察的到退化的雷射會在電子發光中以條紋的方式顯示暗區。這些暗區有時會以沒有特別晶軸方向的隨意模式出現。而暗線缺陷和暗點缺陷都會在發光二極體和磷砷化銦鎵雙異質結構材料中被發現。 光激發光 光激發光是在半導體的光激發情形下發光的。光激發光的掃描技術是在磷砷化銦鎵的暗線缺陷觀察報告中第一次被使用。圖(三)概要的圖示出這個研究的裝置。電子電洞對可以在樣品表面下合適的深度以適當的激發波長被製造出來。這個裝置也可以測量臨界電流的突然損失。缺陷可以光線在樣品上的某一點聚焦一段時間內被創造或觀察出來。 衰減前的電子激發光條紋 衰減後的電子激發光條紋 圖(二) 由視窗所觀察到的衰減前後電子激發光條紋 Johnston 在磷砷化銦鎵的單層和雙異質結構中發現暗線缺陷。而其選擇的實驗樣品選擇具有小於千分之一的晶格匹配錯誤。圖(四)顯示出活性層的厚度和衰減所需最小可信任光激發能量密度(強度×曝照時間)關係。觀察得到的活性層厚度最低限制被解釋成多層膜增加的改變伴隨厚度增加的結果。 圖(三) 圖解光