离子布植法介绍

由于蚀刻柱状结构有上述金属电极制作困难且需要额外的蚀刻制程步骤等问题，因此早期业界及学术研究单位最常采用的方法为离子布植法。采用离子布植法作为面射型雷射的电流局限方法主要的原理为利用电场加速带电粒子例如氢离子使其获得相对较高的动能进而轰击面射型雷射磊晶结构。在进行高能量离子布植之前会将元件发光区以光阻覆盖保护使其不受高能离子破坏，其余未受保护的区域经过离子轰击后会因为晶格损伤形成电阻率较高的绝缘区域，因而使绝大多数注入电流仅能从未受离子轰击的受保护区域通过，如图5-4所示。借由控制光阻覆盖范围大小，可以调整电流注入孔径的尺寸，同样达到电流局限及增益波导的目的。由于利用离子布植法制作电流局限孔径不需要额外蚀刻步骤，因此金属电极制作相对容易；但是也因为元件结构没有经过蚀刻，发光区周围的半导体材料经过高能离子轰击后其折射率并未发生显著变化，因此元件仅在雷射共振腔方向由于各层半导体材料折射率差异形成的光学局限效果，但是在水平方向（与磊晶面平行的方向）就无法像蚀刻柱状结构一样因为存在半导体与空气介面的折射率差异而获得折射率波导效果。

由于传统离子布植法通常会控制在磊晶面表层底下约两到三微米深的位置形成电流局限区，比较无法有效限制注入电流在小范围内产生电子电洞对及载子反转分布（population inversion）。主要原因在于如果离子轰击能量较高时，虽然有效穿透深度可以更深，但是如果轰击深度太接近甚至到达活性层，就会造成活性层缺陷密度增加，注入载子将因为非辐射复合转换为热或晶格振动而无法形成光子增益，导致元件发光效率速劣化甚至不发光。由于半导体产业采用离子布植技术已经相当成熟，学术研究单位和相关产业研发机构也已经开发相当准确的模拟软体可以计算不同离子在特定电压加速与剂量的情况下在常见导体材料中的布植深度。图5-5即为利用James F. Ziegler所开发的模拟软体SRIM（Stopping and Range of lons in Matter） 所计算的不同能量的质子（也就是氢离子）在Alo.12Ga0.88As/Alo.92Ga0.08As所组成的DBR结构中的穿透深度，图中所标示35689A为850nm面射型雷射磊晶结构中活性层的深度，由图5-5可以观察到，能量400keV的质子绝大多数都会停留在相当靠近活性层的深度，如果能量提高到450keV，就有很高比例的质子会轰击到活性层。

如同利用蚀刻空气柱状结构作为注入载子局限所面临的抉择，离子布植所形成的电流孔径位置愈接近活性层愈能获得较好的电流局限能力，但是太靠近活性层又会造成缺陷导致非辐射复合（就如同蚀刻深度穿过活性层的柱状结构一样）；反之如果离子布植电流孔径距离活性层稍远，虽然可以减轻非辐射复合问题，却又面临注入电流侧向扩散导致雷射操作所需的阈值电流值上升的缺点（就如同蚀刻深度倘未达到活性层，注入电流扩散甚至溢流到相邻元件形成漏电流）。因此一般利用离子布植法双作面射型雷射电流局限孔径时，会采用多种不同能量组合的离子，以获得较大深度范围的高阻值区域分布，如图5-5所示，采用200keV、250keV、300keV和400keV的质子进行布植就可以获得深度分布较宽广的绝缘区域（从磊晶片表面往下1微米到3微米深），确保绝大多数注入载子确实被局限在未受高能量离子轰击的电流孔径中，如图5-4中所示，同时也可以避免最表层重掺杂的砷化镓受到布植影响导致与金属电极间的欧姆接触电阻增加。

由于高能离子入射磊晶材料中会与形成晶格结构的原子交互作用，因此入射半导体材料后行进方向会随机偏离电场加速方向，稍微往侧向扩散，随着入射能量愈高，穿透深度愈深，侧向偏移的程度也会更显著，因此一般利用离子布植法制作电流局限孔径时，其孔径尺寸不会太小，通常控制在5~30微米左右，太小的话很容易因为离子侧向扩散导致元件电阻太大而无法导通电流，太大的话又无法形成有效的电流局限效果。在离子布植孔径10~15微米左右时通常可以获得较佳元件操作特性，但是如前所述，在较低注入电流情况下注入载子倾向于集中在电流孔径周围，如图5-4所示，这时候会形成所谓电流拥挤效应（current crowding effect），电流拥挤效应造成的结果是注入载子分布不均匀，在低注入的情况下可能由电流局限孔径周围先发出雷射光，但是这些雷射光通常因为上方金属电极孔径较离子布植电流局限孔径还要小，因而被部分屏蔽，等到注入电流较大时，载子开始集中到发光区中央形成雷射增益，这时候所发出的雷射光较少受到上方金属电极的遮蔽，因此雷射输出功率会随着发光模态变化突然显著转变，导致面射型雷射操作的电流对输出功率曲线图呈现不平滑的转折（kink），如图5-6所示即为一个具有6微米离子布植电流局限孔径结合9微米氧化局限孔径的850nm面射型雷射功率一操作电流一电压（L-I-V）特性曲线，图中黑色箭头所指处可以观察到雷射光功率随着电流增加有些波动，如果没有下方的氧化局限孔径的话，其LI特性曲线转折会更加显著，这也是采用离子布植法作为面射型雷射电流局限所制作的元件操作特性之一，如果希望元件能操作在更高调变速度时，这个不连续的光功率一电流（L-I）特性曲线现象应该尽量避免。