Geavanceerde atoomlaagdepositietechnologieën voor micro-LED's en VCSEL's

ALD-technologieën voor VCSEL

Er zijn veel voordelen in oxide VCSEL's, zoals een betere modale stabiliteit en lage jitter voor datatransmissietoepassingen, evenals lage kosten in niet-hermetische transceiverpakketten. Vanwege de hoge vermogensdichtheid van de laser vereist de oxide VCSEL echter ook meer beschermende methoden om de mutatie van laserkarakteristieken te voorkomen.

De VCSEL bestaat uit drie delen:de Bragg-reflector met bovenste distributie (p-DBR), holte en onderste n-DBR. De DBR bestaat uit 20-40 paar dunne films. De holte is in het algemeen enkele micron dik. Vergeleken met de versterkingslengte van de zij-emitter, is de versterkingslengte van de actieve laag van de VCSEL erg klein (enkele tientallen nanometers). Om de gestimuleerde emissie van stralingslicht te verkrijgen, moet de DBR een zeer hoge reflectiviteit hebben om gestimuleerde emissie van stralingslicht te laten plaatsvinden. Om de eigenschappen van VCSEL's te verbeteren, is ALD toegepast om de passiveringslaag, DBR, meerdere kwantumputten (MQW's) en zelfs de transparante elektroden van VCSEL's voor te bereiden.

ALD-technologieën voor de passiveringslaag van VCSEL's

ALD is toegepast voor de verbetering van de betrouwbaarheid van kwantumdots en LCD [31, 32, 70, 71], voor de passiveringslaag van VCSEL, de uniforme en dichte coating van de dunne film van ALD kan de betrouwbaarheid ervan vergroten. Het inbrengen van de dichte film als een oxide-passiveringslaag voor VCSEL's is erg belangrijk voor het beschermen van de holte van de VCSEL. Vroeger werden beschermende films meestal geplateerd met PECVD. Meestal is echter een dikke film vereist om de compactheid van de film te behouden, wat overmatige spanning veroorzaakt en de betrouwbaarheid van VCSEL's aantast. ALD-technologie kan Al₂ . deponeren O₃ dunne films met kenmerken die vergelijkbaar zijn met die van de passiveringslaag van VCSEL's, en de uniforme en dichte dunne film met coating kunnen de beschermingschip volledig isoleren. Zo is ALD gebruikt om PECVD te vervangen als het beste coatingproces voor de passiveringslagen van VCSEL's.

De betrouwbaarheid van de oxide-VCSEL's was zeer hoog in de 85/85-test (85 ° C en 85% relatieve vochtigheid, RH) vanwege de oxidatielaag van AlGaAs met een hogere Al-concentratie in vergelijking met de DBR-lagen. Een hogere Al-oxide-opening leidde tot corrosiedelaminatie aan het oxide-halfgeleiderinterface. Xie et al. toonde aan dat dislocatiegroei, grove scheuren en degradatie van het apertuuroppervlak voorkwamen in een significant percentage van oxide-VCSEL's die waren blootgesteld aan vocht [72]. Herrick et al. observeerde ook soortgelijke storingen als gevolg van blootstelling aan vocht in een kamer van 85/85 [73]. In de afgelopen twintig jaar hebben veel onderzoekers en bedrijven geïnvesteerd in onderzoek naar het voorkomen van veroudering in VCSEL-elementen veroorzaakt door het binnendringen van vocht en hebben ze een breed scala aan beschermende passieve film en lay-outontwerpwijzigingen voorgesteld. In 2004 stelde Agilent Technologies bijvoorbeeld voor om gaten in het polymeer te etsen en te vullen om blootstelling aan vocht te voorkomen [74]. In 2006 stelde Debrabander de mesa-passivatiefilm-pinhole-detectiemethode [75] voor, terwijl TrueLight in 2014 de SiON-passiveringsfilm [76] voorstelde. We noemen hier slechts enkele studies als voorbeeld. Deze studie gebruikte voornamelijk Al₂ O₃ films gegroeid door ALD en vormden een complex gestapeld voor vochtbestendige passiveringsfilms met PECVD-gegroeide SiN_x . We hebben het experiment ontworpen en een vergelijkende studie uitgevoerd om de verbetering van de 85/85-testfout met de ALD-laag aan te tonen, en de resistente vochtdiëlektrische lagen van de VCSEL-structuur afgezet door PECVD en ALD werden respectievelijk aangeduid als apparaat A en apparaat B. .

Afbeelding 6 toont de structuur van de VCSEL, inclusief n-type DBR, MQW-lagen, een hoog Al-gehalte (~  0,98) AlGaAs-oxide-apertuurlaag en p-type DBR-lagen. De volgende beschrijving heeft betrekking op de etiketten. De vochtbestendige passiveringslagen werden pas na oxidatie door ALD op de zijwand van apparaat B afgezet.

Schema van de VCSEL [42]

Tabel 1 toont de vergelijking van VCSEL's in dit werk en andere groepen. In dit werk zijn het LIV, S 21, oogdiagram en de WHTOL-levensduur (WHTOL) van VCSEL's met en zonder ALD bestudeerd, en deze resultaten laten zien dat ALD geen invloed had op de foto-elektrische en communicatie-eigenschappen van hoge- snelheid VCSEL's, maar de betrouwbaarheid van snelle VCSEL's verbeteren.

Zoals weergegeven in figuur 7, wordt de 53 Gb/s foutloze transmissie tot 100 m in GI single-mode fiber (SMF) onder pre-nadruk NRZ-OOK-modulatie verkregen met de 6 μm diameter van oxide-opening in de weinige -modus (FM) VCSEL. In dit werk is de techniek van ALD gebruikt om de betrouwbaarheid van FM VCSEL te verbeteren.

Oogdiagrammen van 53 Gb/s foutloze transmissie tot 100 m met de 6 μm diameter van oxide-opening in de VCSEL na ALD

De DC-, AC- en transmissieprestaties van apparaat B worden gedemonstreerd. Afbeelding 8a, b toont de lichtstroomcurve (L-I) en de kleinsignaalmodulatierespons van apparaat B bij 25 °C. Afbeelding 9 toont het pulsamplitudemodulatie-oogdiagram met 4 niveaus (PAM4) bij 56 Gb/s onder een bias van I = 8 mA bij 25 °C. Afbeelding 10a, b toont het aan-uit-toetsdiagram (OOK) met 28 Gb/s onder een bias van I = 8 mA van apparaat B bij 25°C en 75°C.

een Lichtstroomkarakteristieken van een 850 nm VCSEL bij 25 °C en 85 °C, b kleinsignaalmodulatierespons voor apparaat B bij 25 °C

Oogdiagram van PAM4-signaal verzonden door de 850 nm VCSEL met 56 Gb/s onder een bias van I = 8 mA bij 56 Gb/s bij 25 °C

Oogdiagram van OOK-signaal verzonden door de 850 nm VCSEL met 28 Gb/s onder een bias van I = 8 mA bij a 25 °C en b 75 °C

Onderzoek naar de verbetering van de vochtbestendigheid door passivering van de Al₂ O₃ ALD-laag, twee apparaten gecoat met diëlektrische lagen werden gedefinieerd. In apparaat A bedekte de diëlektrische laag alleen SiN_x , terwijl het in apparaat B Al₂ . bedekte O₃ ALD en SiN_x samen. SiN_x , polyimide, SiN_x en metallisatie werden achtereenvolgens voltooid. 1e p-metaal vormde een ohms contact met het GaAs topmateriaal. 2e p-metaal is een bindingspad metaal. De complexe gestapelde passiveringsfilms bedekten het mesa-oppervlak in apparaat B efficiënt. Het pakket met verouderde apparaten werd voorbereid in open-can TO.

De omgevingsomstandigheden voor veroudering waren 85 ° C en 85% RV, met een 6 mA-bias voor een natte levensduur bij hoge temperaturen (WHTOL). De hoeveelheden input voor apparaten A en B waren respectievelijk 18 en 18. De resultaten worden weergegeven in Fig. 11. In apparaat A waren er vijf storingschips en storingen werden willekeurig binnen 500 uur gevonden. In tegenstelling tot apparaat B trad er tot 960 uur geen storing op. De resultaten worden getoond in Fig. 11a, b. Deze resultaten geven aan dat de door ALD gekweekte Al₂ O₃ ALD-film heeft een betere inkapseling op de mesa-zijwand dan alleen de PECVD-gegroeide SiN_x film om het binnendringen van vocht te voorkomen.

WHTOL-prestaties (85 °C/85% vochtigheid) van VCSEL-chips, a apparaat A, alleen SiN_x als passiveringslaag, b apparaat B, Al₂ O₃ /SiN_x als passiveringslagen

ALD-technologieën voor de DBR van VCSEL

De DBR van VCSEL-afzetting door ALD heeft het voordeel van een goede hechting met saffiersubstraat en een goede staat op het grensvlak van verschillende diëlektrische lagen van DBR [80]. Volgens de structuur van de VCSEL wordt de holte in de verticale richting van de laser gevormd door twee groepen spiegels die de actieve laag vastklemmen, en het licht wordt meerdere keren gereflecteerd tussen de p-DBR en n-DBR voordat het zich in de lucht voortplant . De structuur van de DBR bestaat uit twee soorten halfgeleidermaterialen met verschillende brekingsindices, en de periodieke dikte van de DBR moet nauwkeurig worden geregeld op λ/4 (λ geeft de middengolflengte aan). De ontwerp- en groeimethoden vormen de basis voor de fabricage van hoogreflecterende DBR. Voor een hoogwaardige DBR helpt het fase-interferentie-effect bij het versterken van het licht in de holte, terwijl de hoge reflectiviteit van DBR (>  99%) de drempelversterking en kwantumefficiëntie van VCSEL's aanzienlijk kan verbeteren. Om een ​​hoge reflectiviteit, brede stopband en zachte faserespons te bereiken, moeten de perioden van de DBR tussen 20 en 40 liggen, en de materialen die bij de fabricage worden gebruikt, moeten een groot verschil in brekingsindex hebben. In dit geval hebben veel groepen gemeld dat AIA's/GaAs, Al₂ O₃ , HfO₂ , SiO₂ , enz., zijn geschikt voor de groei van DBR.

Er zijn verschillende groeimethoden voor DBR, waaronder moleculaire bundelepitaxie (MBE) en metaal-organische dampafzetting (MOCVD). ALD is echter ook een precieze groeimethode voor DBR. Omdat de door ALD bereide DBR met een lage dikte, hoge reflectiviteit en lage ruwheid de eigenschappen van VCSEL's effectief kan verbeteren, hebben veel onderzoekers technieken onderzocht om de DBR te verbeteren met behulp van ALD-technieken. In 1997 stelde Huffaker [81] bijvoorbeeld voor dat de spanning als gevolg van de lagere DBR kan worden verminderd door Al_x te gebruiken. O_1-x lagen waarvan de dikte kleiner was dan die van een kwartgolf. In 2013 Guo et al. [82] meldde dat het DBR gemaakt door het ALD-proces een betere kwaliteit heeft dan dat gemaakt door EBE, en dat de ALD-procestijd bijna hetzelfde is als het EBE-proces of zelfs minder. Bovendien is het voor het kweken van een DBR die is samengesteld uit ten minste twee of meer soorten materialen, in het algemeen nodig om de temperatuur regelmatig te verhogen en te verlagen in het EBE-proces, terwijl de temperatuur hetzelfde kan worden gehouden in het ALD-proces voor het afzetten van verschillende materialen. In 2017 meldde Liu [83] dat de ALD-methode zou kunnen worden toegepast om hoogwaardige lagen te maken met een scherpe interface en goede uniformiteit. ALD is dus geschikt voor het deponeren van hoogwaardige DBR.

Bijvoorbeeld Sakai et al. stelde de fabricage op de wafel voor van UV-C-laserdiodes (LD's) met geëtste spiegels met een door ALD gedeponeerde DBR, die bijdragen aan het verminderen van de stroomdichtheid van de laserdrempel. In deze studie werden vier perioden van HfO₂ en Al₂ O₃ werden gedeponeerd met behulp van ALD voor de DBR. Al₂ O₃ werd gekozen als materiaal met een lagere brekingsindex omdat de afzettingssnelheid opmerkelijk hoger is dan die van SiO₂ . Afbeelding 12 toont het TEM-beeld van DBR dat is gedeponeerd door ALD, wat de uitstekende dikte en kwaliteit van DBR laat zien.

TEM-beeld van de DBR gedeponeerd bij ALD [84]

De techniek van MOCVD is op grote schaal gebruikt bij de afzetting van DBR voor vele voordelen, zoals nauwkeurige groeicontrole van film en de afzetting van hoogwaardige film. In het eigenlijke productieproces zal de interfaceconditie echter worden beïnvloed op het grensvlak van verschillende diëlektrische lagen van DBR; anders zou de ontwerpmethode van DBR een complexe optimalisatie vereisen, zoals de afzetting van nog een extra bufferlaag op het grensvlak van verschillende diëlektrische lagen. Afbeelding 13a toont de berekening van de transfermatrixmethode (TMM) voor de reflectiviteit van DBR met MOCVD zonder het inbrengen van een bufferlaag. De reflectiviteitsspectra van de HfO₂ /Al₂ O₃ DBR gedeponeerd met ALD komen meer overeen met het berekende TMM-spectrum in Fig. 13b [85]. In dit geval kan de techniek van ALD DBR afzetten met een betere interface tussen verschillende diëlektrische lagen in vergelijking met MOCVD (Fig. 14).

Gemeten en berekende reflectiespectra van de ontworpen DBR gedeponeerd met a MOCVD, b ALD [84, 85]

een Superpositie van genormaliseerde Ga3d-In4d-spectra voor ALD- en PEALD-monsters zonder, met HCl of met NH₄ OH oppervlaktebehandeling, b Ga3d-In4d-verhoudingen voor dezelfde monsters in vergelijking met Al₂ O₃ vrije oppervlakken [86]

ALD-technologieën voor de meerdere kwantumbronnen van VCSEL's

Vanwege de hoge vereiste voor optische versterking in VCSEL's, gebruiken de meeste apparaten MQW's als het actieve gebied. In general, when the MQW period increases to a certain value, the threshold current density of the VCSEL is mainly caused by the following three factors. First, for the width of the quantum well, the active region cannot overlap with the peak position of the waveform. The farther the quantum well from the peak position, the lower is its gain efficiency. Therefore, distant quantum well regions cannot play a significant role in improving the optical gain. Second, there is a direct proportional relationship between the total transmittance current and period of MQWs. The total transmittance current increases with the MQW period because the transmittance current is a part of the threshold current of the device. Therefore, the threshold current of the device will increase with the transmittance current. Third, as the current increases, the slope of the optical gain to current curve will decrease, increasing the threshold current of the device. Hence, thin MQWs with high crystalline quality and optical properties are promising candidates for realizing VCSELs.

For the MQWs of VCSEL, ALD can optimize the interface properties and surface recombination of MQWs [80, 83,84,85]. In the last several decades, methods for optimizing MQWs using ALD have been studied. In 2008, Lo et al. reported the successful growth of high-quality ultraviolet (UV) AlGaN/GaN MQWs structures using ALD [87]. In the same year, Bosund et al. [88] proposed that a thick TiN passivation layer deposited by ALD on top of InGaAs/GaAs can significantly increase the photoluminescence intensity and carrier lifetime of the MQWs, while Li et al. reported that a low dislocation density ultraviolet (UV) AlGaN/GaN MQW structure can be grown using the ALD technique. In 2019, Lee et al. [89] proposed that the emission intensity of the 860 nm GaAs VCSEL with SiN anti-reflection film was significantly increased (compared to the VCSEL without the SiN anti-reflection film) to improve the light extraction efficiency of a VCSEL. Here, we cite a few studies as examples.

A deep understanding of semiconductor–dielectric interface properties will provide guidelines for optimizing efficient passivation solutions for InGaN/GaN-based µ-LEDs. To this end, quantum well (QW) semiconductors are of tremendous interest because many surface recombinations are likely to occur at the edges of the LED active regions and are probably responsible for the low µ-LED efficiencies. Thus, Le Maoult et al. [86] studied the X-ray photoemission (XPS) and wavelength dispersive X-ray fluorescence (WDXRF) characteristics of In_0.1 Ga_0.9 N surfaces after acid, base, or sulfur-based chemical treatments followed by ALD of Al₂ O₃ thin films with TMA/H₂ O or TMA/O₂ plasma (plasma-enhanced ALD) at 250 °C.

The ALD of Al₂ O₃ with H₂ O as a weak oxidizer does not seem to significantly modify the InGaN surface. Indium depletion occurs as the In4d intensity decreases, as observed previously in the case of the HCI or NH₄ OH-treated surfaces only (upper portion of Fig. 15a, b). On the contrary, during the PEALD of A1₂ O₃ (strong oxidizer), the NH₄ OH-treated surfaces changed compared to HCl because the In4d component level is indistinguishable from the PEALD reference (as illustrated by Fig. 15a, bottom, and 15b). Then, if indium is assumed to be the main species sensitive to plasma-induced oxidation, the indium-depleted surfaces after HCI treatment would indeed remain in a stable state of oxidation regardless of the ALD or PEALD process. On the contrary, a higher proportion of indium from the NH₄ OH-treated surfaces is more likely to be oxidized by the plasma species.

een Superposition of normalized Ga3d-In4d spectra for ALD and PEALD samples without, with a 30’ (NH₄ )₂ S or with a NH₄ OH + 30’ (NH₄ )₂ S surface treatment, b proportion of O1s components and total indium contribution using In4d line [86]

If a 30' (NH₄ )₂ S surface treatment with or without prior treatment with NH₄ OH is performed before ALD, the quantitative analysis seems to report (Fig. 15b) results similar to those observed previously without the alumina layer. As an example, a similar decrease in the indium proportion was observed (~ 75%). However, a slight increase in the O–Al-related component from the O1s line was observed for the sample that underwent the double surface treatment, probably owing to the increased surface hydrolysis by the first NH₄ OH treatment. Thus, ALD does not seem to significantly modify the initial state of the (NH)S-treated surfaces. However, these results do not provide quantitative information regarding the proportion of sulfur after the deposition of Al₂ O₃ by ALD. Considering that sulfur was adsorbed on InGaN before deposition, further investigations are required to determine the evolution of sulfur bonds after ALD of Al₂ O₃ , especially if binding state differences with stronger oxidizing processes such as PEALD are evident.

ALD Technologies for the Transparent Electrode of VCSEL

For the transparent electrode of VCSEL, ALD can deposit the electrode with high transparency and good current spreading properties [90]. In terms of the current spreading of the conventional VCSEL, the metal electrode has good current spreading properties, but strongly absorbs the emitted light. Hence, the conventional VCSEL relies on the upper heavily-doped layer for current spreading. However, since the upper heavily-doped layer has poor current spreading performance and absorbs part of the emitted light, the light output power of the device is lowered. Therefore, a transparent conductive oxide (TCO) film deposited by ALD, exhibiting excellent photoelectric performance, can solve the current spreading problem described above.

Figure 16 shows the SEM images of ZnO films deposited on Si with ALD and CVD modes as the transparent conductive materials, which can be applied to new-generation photovoltaic devices. So far, there are few studies and reports on the application of TCO films in VCSEL devices. At present, the indium tin oxide (ITO) films are used in VCSEL devices. In 1997, C. L. Chua et al. [91] first reported the top-emitted VCSEL with a transparent tin oxide electrode. In this study, the peak transmittance of ITO is 96%. In 2002, Jiang et al. [92] studied the P-type ohmic contact of ITO as an 850 nm GaAs-based oxide restricted type VCSEL. In comparison with VCSELs with traditional Ti/Au contact, they found output power of the VCSEL with ITO contact is 1.27 times higher than the VCSEL with T/Au contact. In 2014, Meng et al. [93] found that the output power of the 850 nm GaAs oxide-confined VCSEL with an ITO transparent conductive film is 1.18 times higher than the traditional VCSEL.

SEM images of ZnO films deposited on Si using ALD and CVD [90]

At present, the commonly used techniques for preparing TCO are magnetron sputtering, pulsed laser deposition, CVD, ALD, etc. However, it is difficult to achieve large-scale and large-area film formation using magnetron sputtering, the film deposited by pulsed laser deposition is uniform, and it is difficult to prepare large-area films while the deposition temperature for CVD is high, which renders it unsuitable for some devices that need to be prepared at low temperature. ALD possesses the advantage of highly controllable deposition parameters and the film deposited by it is characterized by good uniformity, absence of pinholes, and excellent shape preservation for film graphics. In this case, the oxide (TCO) film deposited by ALD can improve the properties of VCSELs.