腔面钝化之术

LD激光器，特别是大功率激光器，由于出光面在侧面，有源区的厚度很薄，宽度很窄，因此单位面积的光功率很大。当工作电流超过一个值时，功率可能突然消失，LD也就挂了。激光器的突然失效除了芯片内部缺陷扩展至腔面引起的腔面损伤引起外，主要受到芯片腔面本身的环境气氛的影响，产生的表面界面态引起的腔面光吸收成为光器突然失效的主要诱因，正反馈过程的光吸收导致激光器腔面温度迅速升高，导致腔面损坏。

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）。

砷化镓腔面受热发生热氧化现象，生产Ga2O3和As2O3，由于氧化钾生成热较小，优先生产氧化钾，而生成的氧化砷进一步与砷化镓反应，生产氧化钾和单质砷。而且氧化砷具有挥发性，部分氧化砷会脱离砷化镓表面，导致样品表面出现鎵富集的现象。

110面作为激光器LD的腔面，劈裂出来之后，表面大量悬挂键，很容易被氧化形成一层氧化物。

1） 化学溶液法钝化技术

用含硫的化合物来钝化 GaAs 半导体激光器种类较多，但目前仍然没有统一的硫钝化理论。多数硫钝化研究倾向于 S 与 GaAs 表面形成 Ga－S 以及 As－S 化学键的结论。但硫钝化工艺不同，其成键的种类也不一样。普遍的研究认为，在形成硫化物的 GaAs 样品表面上，起钝化作用的是 Ga－S 化学键。硫钝化形成的表面硫化物中 Ga－S 和 As－S 的热稳定性差别较大，利用退火工艺能够使 As－S 键消失，仅剩下对腔面有利的 Ga－S 钝化保护层。

硫钝化在 GaAs 表面形成含 S 钝化层的结构为：表面每一个 S 原子结合两个 Ga 原子的悬挂键，抑制了 Ga 原子与氧原子结合而形成深能级表面态，降低了表面非辐射复合速率，从而改善 GaAs 的表面特性。

常用的 GaAs 硫钝化工艺方法主要有湿法含硫溶液钝化、硫化物 CVD 沉积法、含硫等离子体钝化法、电化学法、MBE 技术、紫外光致硫化等技术。

大家常用的钝化液包括：Na2S·9H2O、（NH4 ）2S、（NH4 ）2S x （x＝1－3）、（NH4 ）2 S／P2S5 、CH3 CSNH2 ／H＋ 、H2S 水溶液等。这些钝化液都能起到提高 GaAs 材料表面物化性质的作用，但也有各自的缺点。比如 Na2 S·9H 2 O 在溶液中引入的钠离子易污染腔面。（NH4 ）2S、（NH4 ）2 Sx存在反应过程缓慢、钝化工艺可控性差等问题。硫化钝化的不足之处是在空气中不稳定，长时间放置钝化效果容易退化。工艺稳定性差。

一般而言，GaAs 在碱性（NH 4 ） 2 S 溶液中浸泡时，其表面上的自然氧化层首先被溶解在溶液中，进而 Ga 和 As 的硫化物生成与溶解并存，导致了碱性的（NH 4 ） 2 S 溶液对 GaAs 表面的刻蚀。溶液中的 S－2 离子首先与 GaAs 表面上的Ga 和 As 成键，并进一步反应形成了 Ga 和 As 的硫化物，由于 Ga 和 As 的硫化物易溶于碱性的（NH 4 ） 2 S 溶液中，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。

强碱性肼溶液钝化过程较为缓和，操作简单，钝化后形成的氮化物钝化层稳定可靠。因此，在湿法钝化中，肼溶液具有其它湿法硫钝化所缺少的稳定性效果。但是肼溶液又称联氨。无色油状液体。有类似于氨的刺鼻气味，一种强极性化合物。无色、油状液体，能很好地混溶于水、醇等极性溶剂中，与卤素、过氧化氢等强氧化剂作用能自燃，长期暴露在空气中或短时间受高温作用会爆炸分解，具有强烈的吸水性，贮存时用氮气保护并密封。有毒，能强烈侵蚀皮肤，对眼睛、肝脏有损害作用。极毒！！！对眼睛有刺激作用，能引起延迟性发炎，对皮肤和粘膜也有强烈的腐蚀作用。

2）等离子钝化

多数工艺的重点在于减少表面态带来的负面影响。而等离子体处理和腔面薄膜钝化处理的方法由于能够有效的降低解理后的半导体激光器腔面的表面态浓度。

GaAs 表面的等离子体钝化国内外都有报道。GaAs 样品的氮钝化工艺多采用氮等离子体钝化的方式。反应机理与硫钝化类似，采用氮等离子体作用在 GaAs 样品表面，一定条件下在样品表面生成 Ga－N 钝化层，阻挡了含氧气氛与层内侧 GaAs 材料的反应，降低了 GaAs 材料表面的性能退化。

利用ECR等离子技术，NH3 等离子体钝化 GaAs 表面，然后原子层沉积Al2O3 可以起到很好的钝化效果。

来源：光电子技术和芯片知识