CN102299479A - F-p腔半导体激光器腔面钝化的方法 - Google Patents
F-p腔半导体激光器腔面钝化的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，包括以下步骤：1、解理F-P腔半导体激光器，得到激光器bar条；2、用氮等离子体清洗激光器bar条的前后腔面；3、应用外延生长技术在激光器的前后腔面外延生长一层保护膜；4、在激光器bar条前腔面上蒸镀或沉积增透膜，后腔面蒸镀或沉积高反膜；5、用分割或解理的方法把激光器bar条分成单个激光器芯片或芯片阵列。本发明可以有效地减少激光器腔面处的悬键和表面态，抑制激光器腔面的光吸收；同时外延生长的薄膜为宽禁带材料，对出射光的吸收非常小，可以极大抑制激光器腔面处的光吸收和由此引起的温度上升，提高激光器的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，适合于GaAs基、InP基、GaN基和ZnO基F-P腔半导体激光器。
背景技术
半导体激光器由于体积小，重量轻，波长范围宽等优点，在工业、军事、医学等领域得到了广泛的应用，稳定性和可靠性是使用激光器的前提条件。
在半导体激光器的腔面处，光功率密度较高，缺陷密度较大，位错等缺陷将产生表面光吸收和非辐射复合，光吸收和非辐射复合产生的热量使温度升高，同时导致带隙的局部热收缩，而光吸收和非辐射复合会随着温度的升高而加剧，形成一个正反馈过程，从而导致光学灾变的发生，这对大功率激光器显得尤为突出。
现有技术中，为了保护激光器的腔面，通常会对激光器腔面进行镀膜，把腔面从空气中隔离，同时调节激光器的阈值和斜率效率。而普通的氧化物镀层无法有效减小F-P腔半导体激光器腔面由于解理而出现的悬键和表面态，不利于减小激光器的腔面吸收，很容易导致激光器的腔面由于非辐射复合，温度剧烈升高而损坏。为此，在腔面外延生长一层ZnSe或ZnS宽禁带半导体材料，作为钝化层减少激光器腔面的悬键以及由此引起的光吸收，但由于ZnSe或ZnS宽禁带半导体材料的宽度接近GaN、ZnO等的禁带宽度，只适用于GaAs基半导体激光器，无法适用于GaN基、ZnO基半导体激光器。
发明内容
为了保护激光器的腔面，减小激光器的腔面吸收，增大激光器的输出功率，本发明克服背景技术的不足，提供一种F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法。
本发明提供的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，具体步骤是：
1.解理F-P腔脊型半导体激光器，得到激光器bar条；
2.用氮等离子体清洗激光器bar条的前后腔面；
3.将激光器bar条装上镀膜架，放入外延设备中，应用磁控等离子体溅射、电子回旋共振等离子体溅射、MOCVD、HVPE、MBE、离子束辅助沉积、喷雾或者电子束蒸发的外延生长技术中的一种，在激光器的前后腔面外延生长一层保护膜，生长速率可控制在2nm/min至5nm/min的范围内；其中所述的保护膜为一种耐高温宽禁带材料，耐高温宽禁带材料包括AlON、SiAlON、金刚石、闪锌矿AlN、纤锌矿AlN、闪锌矿BN、纤锌矿BN、Al2O3以及MgO、Ga2O3、TiO2、CrO2、BeO中的一种。
4.应用沉积或电子束蒸发的方法在激光器bar条的前腔面镀一层SiO2增透膜，后腔面镀高反膜；其中高反膜由6对单元依次层叠，每对单元由一层SiO2和一层ZrO2组成，其光学厚度均为1/4的出射光波长，其中蒸镀方法为电子束蒸发。
5.用分割或解理的方法把激光器bar条分成单个激光器芯片或芯片阵列。
本发明的有益效果在于本发明是一种简单易行的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法。在F-P腔半导体激光器腔面外延生长的保护膜可以有效地减少激光器腔面处的悬键和表面态，抑制激光器腔面的光吸收；同时外延生长的薄膜为宽禁带材料，对出射光的吸收非常小，可以极大抑制激光器腔面处的光吸收和由此引起的温度上升，减小激光器的激射阈值电流密度，提高半导体激光器的腔面光学灾变损伤阈值，增大激光器的输出功率，提高激光器的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为脊型GaN基半导体激光器芯片的示意图。
图3为解理后的半导体激光器bar条示意图。
图4为腔面外延生长的宽禁带半导体材料及镀膜后的示意图。
图5为解理后的单个激光器芯片的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，结合实施例对本发明作进一步描述。
如附图1所示，本发明方法主要包括以下步骤：
1、解理F-P腔半导体激光器，得到激光器bar条；
2、用氮等离子体清洗激光器bar条的前后腔面；
3、清洗完毕后，将激光器bar条装上镀膜架，放入外延设备中，在激光器前后腔面外延生长一层保护膜；
4、保护膜生长完后，再将激光器bar条放入镀膜机器中，在激光器bar条前腔面上蒸镀或沉积增透膜，后腔面蒸镀或沉积高反膜；
5、用分割或解理的方法把激光器bar条分成单个激光器芯片或芯片阵列。
基于图1所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法实施流程图，下面结合图2至图5来对本发明F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法进一步详细说明。
实施例1
本实施例采用脊型GaN基激光器。脊型GaN基激光器芯片的示意图如附图2所示，激光器的有源区为InGaN/GaN多量子阱，芯片的上方为脊型1。
本方法主要包括以下步骤：
1、解理F-P腔脊型GaN基半导体激光器，得到激光器bar条，激光器bar条示意图如附图3所示；
2、用氮等离子体清洗激光器bar条的前后腔面；
3、清洗完毕后，将激光器bar条装上镀膜架，放入磁控等离子体溅射系统中，在激光器的前后腔面外延生长一层AlON保护膜2，如附图4所示。外延生长AlON保护膜2时，控制其生长速率为2nm/min，不能太快，使外延AlON保护膜2生长在激光器腔面上，而不是沉积在激光器腔面上；
4、保护膜生长完后，再将激光器bar条放入电子束蒸发系统中，在激光器bar条前腔面上蒸镀一层SiO2增透膜3，后腔面蒸镀高反膜4，如图4所示；其中高反膜4由6对单元依次层叠，每对单元由一层SiO2和一层ZrO2组成，其光学厚度均为1/4的出射光波长。
5、用分割或解理的方法把激光器bar条分成单个激光器芯片，如图5所示。
经过上述步骤所得的激光器芯片，由于腔面外延生长了一层AlON保护膜2，使得腔面悬挂键减少，表面态减少，同时AlON禁带宽度远远大于GaN，因此激光器腔面处的光吸收非常小，光损耗较小，温升减弱，激光器的阈值电流密度减小，输出功率增加，稳定性得到增强。
实施例2
本实施例采用脊型GaN基激光器。脊型GaN基激光器芯片的示意图如附图2所示，激光器的有源区为InGaN/GaN多量子阱，芯片的上方为脊型1。
本方法主要包括以下步骤：
1、解理F-P腔脊型GaN基半导体激光器，得到激光器bar条，激光器bar条示意图如附图3所示；
2、用氮等离子体清洗激光器bar条的前后腔面；
3、清洗完毕后，将激光器bar条装上镀膜架，放入电子回旋共振等离子体溅射系统中，在激光器的前后腔面外延生长一层Al2O3保护膜2，如附图4所示。外延生长Al2O3保护膜2时，控制其生长速率为4nm/min，不能太快，使外延Al2O3保护膜2生长在激光器腔面上，而不是沉积在激光器腔面上；
4、保护膜生长完后，再将激光器bar条放入电子束蒸发系统中，在激光器bar条前腔面上蒸镀一层SiO2增透膜3，后腔面蒸镀高反膜4，如图4所示；其中高反膜4由6对单元依次层叠，每对单元由一层SiO2和一层ZrO2组成，其光学厚度均为1/4的出射光波长。
5、用分割或解理的方法把激光器bar条分成单个激光器芯片，如图5所示。
经过上述步骤所得的激光器芯片，由于腔面外延生长了一层Al2O3保护膜2，使得腔面悬挂键减少，表面态减少，同时Al2O3禁带宽度大于GaN，因此激光器腔面处的光吸收非常小，光损耗较小，温升减弱，激光器的阈值电流密度减小，输出功率增加，稳定性得到增强。
实施例3
本实施例采用脊型GaN基激光器。脊型GaN基激光器芯片的示意图如附图2所示，激光器的有源区为InGaN/GaN多量子阱，芯片的上方为脊型1。
本方法主要包括以下步骤：
1、解理F-P腔脊型GaN基半导体激光器，得到激光器bar条，激光器bar条示意图如附图3所示；
2、用氮等离子体清洗激光器bar条的前后腔面；
3、清洗完毕后，将激光器bar条装上镀膜架，放入MOCVD外延设备中，在激光器的前后腔面外延生长一层SiAlON保护膜2，如附图4所示。外延生长SiAlON保护膜2时，控制其生长速率为5nm/min，不能太快，使外延SiAlON保护膜2生长在激光器腔面上，而不是沉积在激光器腔面上；
4、保护膜生长完后，再将激光器bar条放入电子束蒸发系统中，在激光器bar条前腔面上蒸镀一层SiO2增透膜3，后腔面蒸镀高反膜4，如图4所示；其中高反膜4由6对单元依次层叠，每对单元由一层SiO2和一层ZrO2组成，其光学厚度均为1/4的出射光波长。
5、用分割或解理的方法把激光器bar条分成单个激光器芯片，如图5所示。
经过上述步骤所得的激光器芯片，由于腔面外延生长了一层SiAlON保护膜2，使得腔面悬挂键减少，表面态减少，同时SiAlON禁带宽度远远大于GaN，因此激光器腔面处的光吸收非常小，光损耗较小，温升减弱，激光器的阈值电流密度减小，输出功率增加，稳定性得到增强。
步骤3中，生长保护膜的外延技术除本发明实施例1、本发明实施例2和本发明实施例3中分别所述的磁控等离子体溅射、电子回旋共振等离子体溅射和MOCVD外延方法外，还可以是HVPE、MBE、离子束辅助沉积、喷雾或者电子束蒸发中的一种；生长的保护膜的材料为耐高温宽禁带材料。除本发明实施例1、本发明实施例2和本发明实施例3中分别所述的AlON、Al2O3和SiAlON外，还可以为金刚石、闪锌矿AlN、纤锌矿AlN、闪锌矿BN、纤锌矿BN以及MgO、Ga2O3、TiO2、CrO2、BeO中的一种，所以在此不再增加实施例进行赘述。
Claims (10)
1.一种F-P腔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)解理F-P腔半导体激光器，得到激光器bar条；
(2)用氮等离子体清洗激光器bar条的前后腔面；
(3)应用外延生长技术在激光器的前后腔面外延生长一层保护膜；
(4)在激光器bar条前腔面上蒸镀或沉积增透膜，后腔面蒸镀或沉积高反膜；
(5)用分割或解理的方法把激光器bar条分成单个激光器芯片或芯片阵列。
2.根据权利要求1所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于：F-P腔半导体激光器为脊型半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于：步骤3中所述的外延生长技术是指等离子体溅射、MOCVD、HVPE、MBE、离子束辅助沉积、喷雾或者电子束蒸发中的一种。
4.根据权利要求3所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于：等离子体溅射包括磁控等离子体溅射、电子回旋共振等离子体溅射。
5.根据权利要求1所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于：步骤3中所述的保护膜为一种耐高温宽禁带材料。
6.根据权利要求5所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于：所述的耐高温宽禁带材料包括AlON、SiAlON、金刚石、闪锌矿AlN、纤锌矿AlN、闪锌矿BN、纤锌矿BN、Al2O3以及MgO、Ga2O3、TiO2、CrO2、BeO中的一种。
7.根据权利要求1所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于：步骤3中所述的保护膜的生长速率控制在2nm/min至5nm/min范围内。
8.根据权利要求1所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于：步骤4中所述的蒸镀方法为电子束蒸发。
9.根据权利要求1所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于，步骤4中所述的在激光器bar条前腔面上蒸镀或沉积的增透膜为一层SiO2。
10.根据权利要求1所述的F-P腔半导体激光器腔面钝化的方法，其特征在于：步骤4中所述的在激光器bar条后腔面上蒸镀或沉积的高反膜，由6对单元依次层叠，每对单元由一层SiO2和一层ZrO2组成，其光学厚度均为1/4的出射光波长。
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