CN101841125A - 一种抗辐射半导体激光器 - Google Patents

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曲轶
杨旭
李辉
赵强
张斯钰
赵博
高欣
薄报学
刘国军
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Abstract

半导体激光器作为空间激光通信系统的核心器件，不仅要具有高的电光转换效率，还应有良好的抗辐射性能。因为空间激光通信系统的半导体激光器在空间运行时不可避免地会受到空间环境中质子、中子、γ射线、电子等带电粒子的辐射，导致其性能退化，影响空间激光通信系统的可靠运行和使用寿命。本发明采取合理设置外延层的掺杂浓度与厚度，半导体激光器端面镀膜，复合绝缘介质层，对衬底材料进行辐照老化，阈值电流补偿，增加偏置电流加速退火，增加温度加速退火，在管壳上涂敷抗辐射涂层，pn结隔离技术，真空封装等方法，提高半导体激光器的抗辐照能力。

Description

一种抗辐射半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器工艺技术领域，属于空间用半导体光电子新型器件技术领域。
背景技术
近年来，由于空间技术和半导体技术的发展，半导体激光器以其体积小、效率高、寿命长等一系列优点而被广泛应用到人造卫星和宇宙飞船中，对航空航天以及空间通讯等战略技术的发展起了关键的推动作用。但外太空充满宇宙辐射的特殊环境使得半导体器件的寿命和工作状况受到很大影响，甚至失效。因此空间抗辐射器件的研究显得尤为重要，且意义深远。
需要应用半导体激光器的外太空辐射环境概述如下：
(1)银河宇宙射线主要有质子(85％)、氦离子(14％)和高能重离子(1％)组成；
(2)太阳宇宙射线大部分能量以紫外线和X射线的形式辐射出来，另一部分由于太阳质子事件以质子形式发生辐射，此外还有少量的粒子和重核；
(3)地球辐射带是由于地球磁场俘获了电子，质子以及少量低能重离子而形成的区域，可分为两个同心环的辐射粒子区，即内辐射带和外辐射带。内辐射带中的高能粒子以质子为主，而外辐射带以电子为主。
现已知道，被辐射的半导体激光器将会受到以下几方面的影响：
(1)辐射总剂量效应可使半导体电导率发生变化，漏电流的增加和时间响应的变坏等，从而影响到空间激光通信终端器件的正常工作，其程度取决于材料吸收的电离辐射总能量的多少；
(2)单粒子翻转效应会造成电子器件工作状态的瞬时翻转，使电路系统产生错误甚至暂时性失效。它一般不使器件永久失效，而是产生软故障；
(3)由于非带电重粒子的轰击，半导体材料会发生位移或撞出效应，从而引起载流子的迁移。由于散射机制的影响，载流子迁移率会减小；而由于复合中心的存在，少数载流子的寿命也会发生退化。
于是人们对空间抗辐射问题做了以下有益的探索：
1990年，美国空间电子中心初步发展了Rad-pakTM和Rad-coatTM管壳涂覆技术。2001年欧洲宇航局报告中提到飞行器屏蔽材料的合理排序能产生屏蔽效果，而不当的排序甚至能抵消屏蔽效果。在光电池方面，辐照对p-n结砷化镓太阳能电池来说，主要是基区寿命下降。因此在保证转换效率的同时，结深要适当浅些。NASA Goddard宇航中心探测器实验室对哈勃太空望眼镜(HST)宽视场摄像机中的CCD探测器性能进行了测试。表明辐射使CCD性能明显退化，主要为电荷转移效率(CTE)降低、暗电流增加、亮疵点数增加。从而可引起光探测精度降低、噪声增加等不良后果。
欧洲原子能研究组织(CERN)对用于CMS跟踪器46000条光链路的1310nmInGaAsP/InP激光器进行了一系列抗辐射加固的试验。为确保激光器具有足够的抗辐射加固能力，抗辐射的有效性试验须贯穿生产过程。采用的基于试验子集合的先进有效性试验程序包括了不同辐射源的辐射、退火抗辐射加固、加速老化等一系列加速试验。
发明内容
本发明是一种半导体激光器，具体的说，是针对因空间辐射作用造成器件性能退化甚至失效等问题，作了改进的抗辐射半导体激光器。
本发明利用加速器提供高能粒子束模拟空间环境辐射，对半导体激光器进行照射并进行辐射损伤测试。针对照射后半导体激光器所发生的性能变化，本专利采取合理设置外延层的掺杂浓度与厚度，半导体激光器端面镀膜，复合绝缘介质层，对衬底材料进行辐照老化，阈值电流补偿，增加偏置电流加速退火，增加温度加速退火，在管壳上涂敷抗辐射涂层，p-n结隔离技术，真空封装等方法，提高半导体激光器的抗辐照能力。
具体实施方式
为满足半导体激光器抗辐射加固要求，对照射后激光器采用了如下技术：
(1)提高半导体激光器耐辐射性能，需要在制作激光器的过程中适当设置外延层的掺杂浓度，同时保证各个外延层的质量，提高各外延层的均匀一致性。半导体激光器的关键部分是p-n结，p-n结在辐射过程中受到辐射粒子的伤害越严重，则激光器的转换效率衰降越多。因此在保证转换效率的同时，需设置准确合理的外延层厚度；
(2)辐照对半导体激光器的损伤是多方面的，但主要是对端面的损伤。为了提高半导体激光器的性能，可在激光器的端面蒸镀一层化学性能稳定的Y2O3-ZrO2膜，该膜既可用作减反膜，又能起钝化作用。电子辐照到无Y2O3-ZrO2膜的端面时，直接破坏端面的平整性，而Y2O3-ZrO2的性能使端面的平整性不易受破坏。在注量≤1×1015cm-2下，辐照前后，如不考虑其他特性，单从输出功率考虑，辐照后的样管输出功率能保持在原来的一半以上，即没有失效。可认为Y2O3-ZrO2膜较明显地提高了激光器抗电子辐照性能；
(3)采用抗辐射能力强的绝缘介质层，如Al2O3和Si3N4以及它们与SiO2的多层复合膜，对减少辐射效应有明显作用。Al2O3膜的抗电离辐射能力比SiO2膜高一个数量级以上，其原因是Al2O3膜中含有大量的电子陷阱，辐照产生的电子和空穴之间的复合几率大；二是Al2O3的介电常数约为SiO2的两倍，等量的辐照诱生电荷导致的阈值电压漂移只是SiO2的一半。Si3N4膜中含有大量的电子陷阱，它能俘获辐射诱生的电子/空穴对的电子，Si3N4的抗电离辐射的能力也可达到SiO2的3倍。因此采用复合绝缘介质层作为绝缘介质材料，可以有效地降低氧化物电荷所引起的漂移，从而提高耐辐射的能力。另外，不同的复合绝缘介质层的膜厚配比也会影响抗辐射效果，辐射引起的阈值电压漂移与绝缘介质层的厚度成正比，故减少绝缘介质层厚度对提高加固强度有利；
(4)当辐照剂量达到一定值时，部分材料的损伤会出现饱和。对于空间应用的半导体材料，在地面老化过程中进行辐照老化，或者在器件工艺前对衬底材料进行辐照老化，有利于器件在空间工作的长期稳定性；
(5)采用可编程输出直流(DC)偏置位置，使受辐射损伤的激光器阈值电流得到补偿，提高半导体激光器的抗辐射能力；采用较大的直流(DC)偏置电流还可抑制辐射损伤的长时间积累；
(6)根据半导体的退火现象，通过增加激光器的偏置电流加速退火。损伤恢复效果与退火时间成正比，偏置电流越大，则退火速度越快。在60mA偏置下比未加偏置电流的退火速度提高了近10倍；
(7)通过增加激光器的温度加速退火。高温时的辐照损伤与恢复是同时发生的，高温退火使材料中的缺陷结构重新排列，使部分简单的点缺陷复合。说明在高温下工作的器件器件性能好转，抗辐射性能更好；
(8)将半导体激光器封装在无磁性管壳中。方法是在管壳上镀一层原子序数较高的重金属铅或钽。这样就使半导体激光器的敏感区域的空间辐射屏蔽得到增强，空间辐射总剂量获得一定程度的衰减和降低，从而使半导体激光器在轨期间接受的辐射总剂量下降到自身抗辐射总剂量水平之下，大大提高了器件的抗辐照能力。而且这种涂层，对半导体器件的性能没有影响；
(9)采取p-n结隔离技术，利用反偏置p-n结对电荷传输形成势垒，使器件有源区之间相互隔离。该技术工艺简单，封装密度高，不同类型的元件的设计制作灵活，抗总剂量辐射能力强；
(10)为了避免管壳内气体的辐射电离效应对器件表面的影响，最好采用抽真空封装(真空度一般为1×10-1～1×10-2mmHg)，不采用充惰性气体封装。

Claims (11)

1.针对照射后半导体激光器所发生的性能变化，本专利采取合理设置外延层的掺杂浓度与厚度，半导体激光器端面镀膜，复合绝缘介质层，对衬底材料进行辐照老化，阈值电流补偿，增加偏置电流加速退火，增加温度加速退火，在管壳上涂敷抗辐射涂层，p-n结隔离技术，真空封装等方法，提高半导体激光器的抗辐照能力。
2.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，合理设置外延层的掺杂浓度与厚度。
3.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，在激光器的端面蒸镀一层化学性能稳定的Y2O3-ZrO2膜。
4.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，采用抗辐射能力强的绝缘介质层，如Al2O3和Si3N4以及它们与SiO2的多层复合膜。
5.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，利用辐照饱和性能，对衬底材料进行辐照老化，增强激光器在空间使用中的稳定性。
6.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，采用可编程输出直(DC)流偏置位置，使受辐射损伤的激光器阈值电流得到补偿。
7.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，通过增加激光器的偏置电流加速退火。
8.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，通过增加激光器的温度加速退火。
9.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，在管壳上涂敷抗辐射涂层。
10.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，采取p-n结隔离技术。
11.根据权利要求1所述的抗辐射半导体激光器，其特征在于，采用真空封装。
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