[发明专利]具有硫族化物介电涂层的台面状半导体发光器件

说明书

本发明一般涉及台面状半导体发光器件(例如激光器，自发发射光源)，特别是涉及次能带间(ISB)脊形波导(RWG)发光器件。

半导体发光器件的种类包括公知为台面状边缘发光器件一类，接下来包括公知为RWG发光器件的特定设计。RWG器件一般包括有源区和上下包覆区，包覆区与有源区键合并且形成波导。术语脊形波导，其名称取自细长的台面，台面沿光传播轴(例如激光器的谐振腔轴)纵向延伸，并且至少垂直(在剖面)穿过上包覆区，一般还穿过有源区。台面提供横向电流和光学限制。但对有源区施加适当的泵激电流时，从台面一端或者两端发光，这取决于如何覆盖这些端。通过在一对对置电极上施加电压来产生电流，一个电极是在器件底部(例如衬底上)形成的大面积接触，另一个电极是在台面顶部形成的带状接触。后者的示意性限定是通过首先在台面上淀积介电层(例如SiN_x或SiO₂)，对介电层布图暴露台面顶部，然后在介电层和暴露的台面顶部上淀积金属层。在这种构形中，金属层一般沿台面侧壁延伸，并且向下到达有源区的位置。虽然对于器件的基本功能(仅需要在台面顶部的带状接触)，通常不需要沿台面侧壁和底部的金属化，但是实际上经常需要金属，以便提供足够的面积来对顶部接触施加外部布线，并且提供足够的导电性来安全地引导电流至台面顶部上的接触面积。

当然，RWG器件可以用做激光器或自发发射光源(例如LED)。

RWG发光器件的性能是许多参数的函数，特别包括发光波长、工作温度、施加电压、台面宽度、波导的有效折射率、介电层折射率和介电强度、和由顶部金属电极和介电层引起的损耗。

例如，在ISB激光器的情况，特别是量子级联(QC)激光器，其工作在约3-19μm的中红外范围的中心波长。这些激光器一般是相对高的电压器件(例如6-10V)，对于具有较大级联级数或者工作在较短波长的器件需要更高的电压。

在QC激光器中，台面结构提供横向电流限制，但是暴露的台面侧壁一般用介电层(例如CVD淀积的SiN_x或SiO₂)覆盖，如上所述，介电层不仅用来限定带状电极，而且还用于改善从台面的散热(与面对空气或真空的台面相比)。这种构形防止了两个问题：(1)金属电极引入了光学损耗，这就提高了激光器的阈值电流密度，(2)尤其是在高电压/大功率工作条件下，介电层被击穿。在概念上，介电层应制成较厚，以便提高其击穿电压，从而可以在较高电压/功率工作，但是在实际上，较厚的介电层是不可行的，因为CVD淀积的SiN_x或SiO₂的固有的应力/应变。而且，即使较厚的氧化物/氮化物将降低光场对覆盖金属电极的渗透。但是在约8.5-10.5μm的波长范围内仍旧是不可取的，该范围内这些介电层的吸收明显提高。

另外，通过增加ISB激光器的级联级数可以实现更高的功率，但是这种方式增加了施加电压的成本，当然再次出现介电击穿的第一个问题。另一个方式将发挥作为SiN_x或SiO₂的替代物的聚合物的较高介电强度，但是在大多数聚合物(例如聚酰亚胺)的中红外范围内出现强吸收，因此光学损耗增加。

于是，ISB激光器领域需要介电材料在中红外范围具有低的吸收，并且具有高的介电强度，以便可以工作在大功率/高温。

如上所述，金属顶电极在RWG横向引入了光学损耗，已经发现通过自聚焦工艺产生了自锁模(自脉动)。自锁模可能是不利的，特别是如果要求连续波(CW)输出或者要求感应的、可控的脉动。在较大功率工作和在较窄台面RWG构形方面这种问题相当严重。

这样，在ISB激光器领域需要波导涂层，这种涂层不会在波导工艺中引入明显的损耗或者明显的非线性折射率。

为了提高在ISB激光器中能够实现CW操作的最高温度，台面应相当的窄(保证相当大的表面与体积比)，台面涂层应提供通过台面侧壁的足够的横向热导率。但是，如果涂层引入明显光学损耗，或者不能强有力地限制光学模式，或者提供不适当的热传导，则窄脊的优点将消失。

因此，在ISB激光器领域需要低损耗台面介电涂层，提供横向光学限制，而不提高用于激光的阈值电流强度，并且提供通过台面侧壁的有效热传导。