CN101394062B - 一种半导体激光器腔面钝化方法 - Google Patents

一种半导体激光器腔面钝化方法 Download PDF

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Abstract

一种半导体激光器腔面钝化方法，属于半导体光电子器件工艺技术领域。该领域已知技术难度是大幅度提高输出功率，同时使器件的可靠性保持在较高的水平。本发明之一种半导体激光器腔面钝化方法，有效提高输出功率，提升半导体激光器的可靠性。该钝化方法先后采用氢离子和氮离子的反应离子清洗技术，在激光器解理腔面生成含有氮化物过渡层的无吸收区，之后在过渡层外加镀钝化阻挡层AlN膜，形成钝化膜后进行正常工艺镀膜。该技术方案可应用于各类半导体激光光源的制造。

Description

一种半导体激光器腔面钝化方法
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器腔面钝化的方法，适合于多种波长的窄条、宽条型半导体激光器。
背景技术
半导体激光器是光通信、光泵浦、光存储等领域的核心器件。其腔面由于界面态、杂质污染或应变的影响，使得光吸收增强，温度剧增，反过来又增强了光的吸收，很容易发生氧化，产生缺陷，使得激光器能发生衰退和出现光学灾变性损伤，这对大功率器光器的制作显得尤为重要。为减小这些因素的影响，提高激光器可靠性，通常会对激光器腔面进行镀膜。一般地，这种镀膜既保护腔面，同时又起到调节阈值电流和斜率效率的作用。较早镀氧化物介质膜来保护腔面并对腔面进行钝化，但氧化物作为钝化层与腔面直接接触，激光器长期工作时，氧化物中的氧原子会与半导体激光器的腔面材料相互扩散，使得激光器的性能受到严重影响，半导体激光器的器件性能恶化。为解决这一问题，国际上常用的方法是在镀反射镜之前先镀一薄层Si作为钝化阻挡层，但是Si适合的光波段较窄，而且光吸收较大，因此对于较短波长的半导体激光器，Si钝化技术的应用具有一定的局限性。为使腔面的氧化减小到最小程度、通常在高真空设备中实施解理，并立即镀上钝化层和腔面膜。这种方法虽然能比较好的提高器件可靠性，但对设备要求高，工艺复杂，设备价格昂贵。另外，在腔面离子清洗后离子束蒸镀ZnSe和ZnS也是一种很好的钝化方法，然而ZnSe和ZnS在潮湿环境下易潮解，不稳定，对激光器的某些方面的应用具有一定的局限性。故我们选择另外一种方法进行半导体激光器腔面钝化。
发明内容
本发明的目的就是提出一种简单易行的半导体激光器腔面钝化的工艺方法，既使激光器可靠性得到很大的提高，同时又降低成本和操作难度。
本发明提供的一种半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于，包括以下布骤：
1.半导体激光器在空气中解理成条后，装入镀膜专用夹具，然后放入磁控溅射真空室或离子束蒸发真空室；
2.氢离子预清洗，即在电子束蒸发真空室内或磁控溅射真空室内分别用不小于105ev或不小于50瓦的氢等离子体轰击解理的腔面，除去解理腔面上的氧化物和杂质及其形成的表面态和界面态这些非辐射复合中心的同时，氢离子会与解理腔面的表面一定尺度内的电负性最大的元素反应，生成电负性大元素的氢化物，氢化物从解理的腔面溢出，导致腔面处呈现带有正电荷的阳离子特征；在半导体激光器前腔面4进行所述的氢离子清洗为50秒到10分钟；
3.氮离子反应清洗，即在上述电子束蒸发真空室内或磁控溅射真空室内关闭氢源，开通氮源，分别用不小于105ev或不小于50瓦的氮等离子体轰击解理腔面，使电负性较大的氮离子与激光器的解理腔面由氢离子轰击导致呈现阳离子特征的材料元素结合，生成一定薄层由腔内到腔外一定尺度含氮量渐变的含氮层。氮离子反应清洗时间为2分钟到20分钟(视所需含氮渐变层厚度而定)。
4.用电子束蒸发的方式或磁控溅射的方式在前腔面4蒸镀AlN宽禁带低吸收材料作为钝化阻挡层3，防止解理腔面外氧等物质向腔面内的扩散；
5.根据现有技术在前腔面4镀增透膜1；
6.夹具翻面后对腔面5进行工艺处理，，在半导体激光器后腔面5进行上述步骤2)和3)所述的氢、氮离子对解理腔面的离子反应清洗分别50秒到10分钟和2分钟到20分钟(视含氮渐变层厚度而定)。
7.用磁控溅射或电子束蒸发的方式在后腔面磁控溅射或氮气氛围下蒸镀AlN宽禁带低吸收材料作为钝化阻挡层3；
8.根据现有技术在后腔面5镀高反膜2。
AlN材料的带隙(6.2ev)比GaAs、非晶Si等大数倍，能极大减少并限制电子和空穴在表面的复合。氢离子、氮离子先后对解理腔面的适当条件下适当能量的反应清洗，使得在激光器解理腔面形成一薄层缓变的过渡层，即在腔面处氮离子在一定深度内逐步取代激光器材料中的负性原子形成晶格过渡区，最终实现晶格失配符合失配度要求，同时形成的宽禁带材料区形成无吸收窗口，极大降低了光的吸收，减弱了热量的产生；AlN的热膨胀系数为4.5×10-6K-1，与GaAs的膨胀系数5.9×10-6K-1相差很小，从而保证了薄膜与基底附着的牢固度。
上述发明的工艺方法具有以下优点：
1.在空气中解理，大大降低了操作的难度和生产的成本，工艺方法简单，便于实际生产；
2.氢离子、氮离子反应清洗在解理腔面形成晶格渐变宽带隙材料，外加高禁带材料的钝化阻挡层AlN，在解理腔面处形成光无吸收区，使得钝化效果更加突出。
3.这种工艺方法比在空气中解理后直接镀膜的工艺及硅钝化工艺更好的提高了半导体激光器的可靠性；
4.这种方法适合于多种不同波长和结构的激光器，特别适合短波长的半导体激光器。
附图说明
所附图为半导体激光器腔面处理结构示意图，图中(1)增透膜，(2)高反膜，(3)钝化阻挡层，(4)前腔面，(5)后腔面。
具体实施方式
1.半导体激光器在空气中解理成条后，装入镀膜专用夹具，然后放入磁控溅射真空室或离子束蒸发真空室；
2.氢离子预清洗，即在电子束蒸发真空室内或磁控溅射真空室内分别用不小于105ev或不小于50瓦的氢等离子体轰击解理的腔面，除去解理腔面上的氧化物和杂质及其形成的表面态和界面态这些非辐射复合中心的同时，氢离子会与解理腔面的表面一定尺度内的电负性最大的元素反应，生成电负性大元素的氢化物，氢化物从解理的腔面溢出，导致腔面处呈现带有正电荷的阳离子特征；在半导体激光器前腔面4进行所述的氢离子清洗为50秒到10分钟；
3.氮离子反应清洗，即在上述电子束蒸发真空室内或磁控溅射真空室内关闭氢源，开通氮源，分别用不小于105ev或不小于50瓦的氮等离子体轰击解理腔面，使电负性较大的氮离子与激光器的解理腔面由氢离子轰击导致呈现阳离子特征的材料元素结合，生成一定薄层由腔内到腔外一定尺度含氮量渐变的含氮层。氮离子反应清洗时间为2分钟到20分钟(视所需含氮渐变层厚度而定)。
4.用电子束蒸发的方式或磁控溅射的方式在前腔面4蒸镀AlN宽禁带低吸收材料作为钝化阻挡层3，防止解理腔面外氧等物质向腔面内的扩散；
5.根据现有技术在前腔面4镀增透膜1；
6.夹具翻面后对腔面5进行工艺处理，，在半导体激光器后腔面5进行上述步骤2)和3)所述的氢、氮离子对解理腔面的离子反应清洗分别50秒到10分钟和2分钟到20分钟(视含氮渐变层厚度而定)。
7.用磁控溅射或电子束蒸发的方式在后腔面磁控溅射或氮气氛围下蒸镀AlN宽禁带低吸收材料作为钝化阻挡层3；
8.根据现有技术在后腔面5镀高反膜2。
钝化镀膜后，解理成单个管芯，烧结封装。
在同样老化试验条件下，根据对比试验，硅钝化的半导体激光器与使用二次离子反应清洗的蒸镀或溅射AlN处理的激光器相比，前者的退化速率是是后者3-5倍，后者的工作寿命显著提高，证明了此工艺能有效地提高了半导体激光器的可靠性。

Claims (1)

1.一种半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)半导体激光器在空气中解理成条后，装入镀膜专用夹具，然后放入电子束蒸发真空室或磁控溅射真空室；
(2)氢离子预清洗，即在电子束蒸发真空室内或磁控溅射真空室内分别用不小于105ev或不小于50瓦的氢等离子体轰击解理的腔面，除去解理腔面上的氧化物和杂质及其形成的表面态和界面态这些非辐射复合中心的同时，氢离子会与解理腔面的表面一定尺度内的电负性最大的元素反应，生成电负性大的元素的氢化物，氢化物从解理的腔面溢出，导致腔面处呈现带有正电荷的阳离子特征；在半导体激光器前腔面(4)进行所述的氢离子预清洗时间为50秒到10分钟；
(3)氮离子反应清洗，即在上述电子束蒸发真空室内或磁控溅射真空室内关闭氢源，开通氮源，分别用不小于105ev或不小于50瓦的氮等离子体轰击解理腔面，使电负性较大的氮离子与激光器的解理腔面由氢离子轰击导致呈现阳离子特征的材料元素结合，生成一定薄层由腔内到腔外一定尺度含氮量渐变的含氮层，氮离子反应清洗时间为2分钟到20分钟，所述反应清洗时间视所需含氮渐变层厚度而定；
(4)在前腔面(4)用电子束蒸发的方式蒸镀或磁控溅射的方式溅射AlN宽禁带低吸收材料作为钝化阻挡层(3)，防止解理腔面外氧等物质向腔面内的扩散；
(5)在前腔面(4)镀增透膜(1)；
(6)夹具翻面后对后腔面(5)进行工艺处理，即在所述后腔面(5)进行上述步骤(2)和(3)；
(7)氮气氛围下，在后腔面(5)用电子束蒸发的方式蒸镀或磁控溅射的方式溅射AlN宽禁带低吸收材料作为钝化阻挡层(3)；
(8)在后腔面(5)镀高反膜(2)。
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