CN101820134A - 一种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法 - Google Patents

一种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法 Download PDF

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胡理科
熊聪
祁琼
王冠
马骁宇
刘素平
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Abstract

本发明公开了一种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，包括：将解理好的激光器bar条放入硫化氨溶液中浸泡，对激光器bar条进行钝化处理，并在激光器bar条的前腔面和后腔面上沉积一层硫钝化层；用去离子水冲洗bar条，并用丙酮、异丙醇脱水后再用氮气吹干，然后装上镀膜架，放入MOCVD仪器中；对MOCVD仪器抽真空，开烘烤加热，并通入保护气体；先升高衬底温度，将硫钝化层中的非晶硫层升华，然后通入生长源，在硫饨化层上外延生长一层ZnSe钝化保护薄膜；降温后取出镀膜架，再放入镀膜机中，在激光器bar条的钝化保护薄膜之上镀上增透膜和高反膜。本发明有效去除了腔面氧化层和表面态，减少了对腔面的损伤。

Description

一种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器的腔面钝化技术领域，尤其是一种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，能够有效地提高激光器的输出功率和可靠性。
背景技术
由于半导体激光器具有制作简单，体积小，重量轻，寿命长，波长范围宽，易于调制这些优点，在工业、军事、医学等领域得到了广泛的应用，包括光纤通信、光盘读写、泵浦固体激光器、泵浦光纤激光器、工业加工、激光医疗、军事国防等，而激光器的功率输出和可靠性是这些应用得以实施和推广的重要先决条件。
腔面灾变光学损伤(COD)对于半导体激光器来说，一直是限制光输出功率和可靠性的一个重要因素。COD的产生是由于半导体激光器腔面解理会在腔面处形成缺陷即表面态，如果不是在超高真空下解理，腔面会迅速氧化而使表面态密度进一步增加，这些都是非辐射复合中心。电注入时这些表面态会由于其在带隙之间而成为载流子俘获中心，因此载流子可以向腔面扩散。这些载流子在光增益过程中会吸收光子产生电子空穴对，从而产生非辐射复合，引起腔面处温度升高，腔面升温一方面会使腔面缺陷运动和局部变热，另一方面会使腔面材料带隙收缩，加剧光子吸收，使腔面温度进一步升高。当输出功率达到某一程度时，使这一过程进入恶性循环，最终导致腔面灾变光学损伤这一不可恢复性的破坏。因此，提高大功率半导体激光器的COD产生功率和寿命是大功率半导体激光器生产工艺中极为重要的环节。
目前，国际上通常采用的技术有：(1)真空解理镀膜，(2)采用特殊材料进行腔面钝化，如Ga2O3，Si，ZnSe，(3)离子清洗腔面，再镀上钝化保护膜。真空解理技术比较复杂，仪器成本很高；直接镀上钝化膜，对腔面氧化层这样的表面态的减少没有效果；离子清洗方法比较简单，但对氧化和界面态的去除效果不理想，同时离子轰击形成的表面在粗糙度上也不如湿法腐蚀的好。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，以有效地去除腔面氧化层和表面态，减少对腔面的损伤，并降低操作复杂度。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，该方法包括：
步骤1：将解理好的激光器bar条放入硫化氨溶液中浸泡，对激光器bar条进行钝化处理，并在激光器bar条的前腔面和后腔面上沉积一层硫钝化层；
步骤2：用去离子水冲洗bar条，并用丙酮、异丙醇脱水后再用氮气吹干，然后装上镀膜架，放入MOCVD仪器中；
步骤3：对MOCVD仪器抽真空，开烘烤加热，并通入保护气体；
步骤4：先升高衬底温度，将硫钝化层中的非晶硫层升华，然后通入生长源，在硫钝化层上外延生长一层ZnSe钝化保护薄膜；
步骤5：降温后取出镀膜架，再放入镀膜机中，在激光器bar条的钝化保护薄膜之上镀上增透膜和高反膜。
上述方案中，步骤1中所述将解理好的激光器bar条放入硫化氨溶液中浸泡，对激光器bar条进行钝化处理，是去除前腔面和后腔面上面的氧化膜。
上述方案中，步骤4中所述先升高衬底温度，将硫钝化层中的非晶硫层升华，是先将衬底温度升到300℃，并持续30分钟，将硫钝化层中的非晶硫层升华。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用的溶液先钝化处理再外延生长钝化层，是一种简便易行的提高半导体激光器COD和可靠性的方法，可以有效地去除腔面氧化层和表面态，并且使用MOCVD外延生长钝化薄膜，对腔面没有损伤，不会带来缺陷等表面态或界面态，方法简单，易于操作，效果明显，适用于一切GaAs衬底的边发射半导体激光器。
2、本发明提出的这种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，步骤简单，可以有效地去除激光器腔面氧化，减少腔面的表面态，同时，通过在激光器的前后腔面引入了硫钝化层和ZnSe钝化保护薄膜作为非吸收窗口，减少腔面的非辐射复合和腔面发热，提高器件的腔面灾变光学损伤(COD)阈值，因此可以大大提高器件的输出功率、可靠性和寿命。
附图说明
图1为本发明提供的GaAs基半导体激光器的腔面钝化的方法流程图；
图2为依照本发明实施例解理的激光器bar条的示意图；
图3为依照本发明实施例在(NH4)2S溶液中处理后的激光器bar条的示意图；
图4为依照本发明实施例激光器bar条装入镀膜架后的结构示意图；
图5为依照本发明实施例外延生长ZnSe钝化保护薄膜后的激光器bar条的示意图；
图6为依照本发明实施例镀上高反增透膜后的激光器bar条的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的GaAs基半导体激光器的腔面钝化的方法流程图，该方法包括：
步骤1：将解理好的激光器bar条放入硫化氨溶液中浸泡，对激光器bar条进行钝化处理，并在激光器bar条的前腔面和后腔面上沉积一层硫钝化层；
步骤2：用去离子水冲洗bar条，并用丙酮、异丙醇脱水后再用氮气吹干，然后装上镀膜架，放入MOCVD仪器中；
步骤3：对MOCVD仪器抽真空，开烘烤加热，并通入保护气体；
步骤4：先升高衬底温度，将硫钝化层中的非晶硫层升华，然后通入生长源，在疏钝化层上外延生长一层ZnSe钝化保护薄膜；
步骤5：降温后取出镀膜架，再放入镀膜机中，在激光器bar条的钝化保护薄膜之上镀上增透膜和高反膜。
其中，步骤1中所述将解理好的激光器bar条放入硫化氨溶液中浸泡，对激光器bar条进行钝化处理，是去除前腔面和后腔面上面的氧化膜。步骤4中所述先升高衬底温度，将硫钝化层中的非晶硫层升华，是先将衬底温度升到300℃，并持续30分钟，将硫钝化层中的非晶硫层升华。
基于图1所示的GaAs基半导体激光器的腔面钝化的方法流程图，图2、图3、图4、图5和图6示出了依照本发明实施例提供的GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，其具体实施步骤包括：
步骤1：将解理好的激光器bar条1放入硫化氨溶液中浸泡，进行钝化处理，去除前腔面11和后腔面12上面的氧化膜。由于解理后的前腔面11和后腔面12容易被氧化形成Ga2O3和砷氧化物，将激光器bar条1放入(NH4)2S溶液(含硫量＞8％)中室温钝化处理10分钟，可以有效地去除前腔面11和后腔面12上面的氧化膜，同时，会在前腔面11和后腔面12上面沉积一层薄薄的硫钝化层13，如图2所示。该硫钝化层13由原子硫层和非晶硫层组成，可以防止前腔面11和后腔面12继续被氧化，起到保护腔面的作用。
对于钝化时间和温度做进一步说明：对GaAs材料，室温时，需要十个小时左右的钝化时间，60℃时，钝化时间可缩减到10分钟才能更好的去除腔面氧化膜。但是，由于激光器自然解理的平行腔面在钝化时极易被破环，影响激光振荡。所以激光器bar条1在硫化氨溶液中处理的时间约为室温10分钟。
步骤2：钝化后的bar条1用去离子水冲洗2分钟以上，并用丙酮、异丙醇脱水，脱水时稍微加热，加速蒸发。然后用氮气吹干，立即装上镀膜架2，放入MOCVD仪器中。将bar条1装入镀膜架2时使bar条1的前腔面11朝上，后腔面12朝下，并且bar条1之间紧密排列，不能留有缝隙，便于下一步在bar条1的前腔面11和后腔面12上继续蒸镀薄膜。
步骤3：将MOCVD仪器抽真空，当真空度低于10Pa时，开烘烤加热，并同时通入少量保护气体，如6sccm的H2S或者H2均可。
步骤4：先将衬底温度升到300℃，并持续30分钟，这样bar条1的前腔面11和后腔面12上的硫钝化层13中的非晶硫层会升华掉，只剩下原子硫层。然后再通入生长源，在硫钝化层13上外延生长一层ZnSe钝化保护薄膜14。钝化保护薄膜14的厚度大概为5～10nm左右。
步骤5：降温后取出镀膜架2，再放入镀膜机中，按要求在激光器bar条1的钝化保护薄膜14上镀上高反膜141和增透膜142。
本发明提出的这种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，步骤简单，可以有效地去除激光器腔面氧化，减少腔面的表面态，同时，通过在激光器的前后腔面引入了硫钝化层和ZnSe钝化保护薄膜作为非吸收窗口，减少腔面的非辐射复合和腔面发热，提高器件的腔面灾变光学损伤(COD)阈值，因此可以大大提高器件的输出功率、可靠性和寿命。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步洋细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：将解理好的激光器bar条放入硫化氨溶液中浸泡，对激光器bar条进行钝化处理，并在激光器bar条的前腔面和后腔面上沉积一层硫钝化层；
步骤2：用去离子水冲洗bar条，并用丙酮、异丙醇脱水后再用氮气吹干，然后装上镀膜架，放入MOCVD仪器中；
步骤3：对MOCVD仪器抽真空，开烘烤加热，并通入保护气体；
步骤4：先升高衬底温度，将硫钝化层中的非晶硫层升华，然后通入生长源，在硫钝化层上外延生长一层ZnSe饨化保护薄膜；
步骤5：降温后取出镀膜架，再放入镀膜机中，在激光器bar条的钝化保护薄膜之上镀上增透膜和高反膜。
2.根据权利要求1所述的GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，其特征在于，步骤1中所述将解理好的激光器bar条放入硫化氨溶液中浸泡，对激光器bar条进行钝化处理，是去除前腔面和后腔面上面的氧化膜。
3.根据权利要求1所述的GaAs基半导体激光器的腔面钝化方法，其特征在于，步骤4中所述先升高衬底温度，将硫钝化层中的非晶硫层升华，是先将衬底温度升到300℃，并持续30分钟，将硫钝化层中的非晶硫层升华。
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