CN102570294B - 一种真空解理大功率半导体激光器腔面氮钝化方法 - Google Patents

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Abstract

一种真空解理大功率半导体激光器腔面氮钝化方法，属于半导体光电子器件工艺技术领域。本发明意义在于在保证半导体激光器输出功率不变的情况下，提高光学灾变阈值，降低激光器退化速率，延长激光器使用寿命。此方法先在真空解理机中把半导体激光器芯片解理成Ba条，此过程通入高纯氮气作为保护气体，使整个解理过程处在高纯氮气的氛围中，减少解理后新鲜腔面悬挂键。解理后，迅速把激光器芯片Bar条放入真空镀膜机，用氮离子进行腔面深度钝化，形成GaN钝化层，再用氢离子去除氮钝化生成无用杂质。在半导体激光器形成GaN钝化层后在前后腔面分别进行增透膜和高反膜镀制。此技术方案可应用于各类大功率半导体激光器制造。

Description

一种真空解理大功率半导体激光器腔面氮钝化方法
技术领域
一种真空解理大功率半导体激光器腔面氮钝化方法，属于半导体光电子技术领域，涉及半导体激光器镀膜。
背景技术
大功率半导体激光器具有全固态，体积小，重量轻，长寿命，高效率，可靠性高，可调制，可稳定低压运转等特点，主要用于固体激光器的泵浦源，并在激光加工，激光焊接，激光打印的等领域有广泛应用。半导体激光器是新一代高新技术的关键元器件，在未来工业发展中占着举足轻重的作用。
半导体激光器在生产和使用中，其光学元件部分会出现退化现象。退化现象会影响半导体激光器的寿命和使用的稳定性。半导体激光器退化主要分为三种：渐变退化，迅速退化和光学灾变。按照位置分为发生在晶体外部退化叫做外部退化，发生在晶体内部退化叫做内部退化。半导体激光器腔面退化属于外部退化，产生原因是：在外部工作环境影响下，极易潮解，氧化，在腔面附近，自然氧化物诱导缺陷和杂质非辐射复合。
半导体激光器腔面钝化工艺主要是通过对半导体激光器腔面处理，去除因为解理芯片而带来的污染和在空气中氧化带来的不稳定氧化层，通过引入某种原子与工作物质表面的悬挂键形成较稳定的新的化学键，即形成一个钝化层，成功地降低工作物质表面的态密度，钝化层形成后可以在激光器前后腔面上分别镀制某种致密的介质膜保护钝化层，介质膜还能满足激光器单面输出对反射率的要求，即设计合理膜系在激光器前腔面镀制增透膜，后腔面镀制高反膜。综合两种方法可以有效的降低腔面的非辐射复合，提高激光器光学灾变损伤(COD)阈值，减少激光器输出损耗。
为了降低半导体激光器腔面污染给激光器带来损伤，人们尝试多种方法在半导体腔面生成钝化层，如氧钝化，硫钝化，氢钝化等。但是氧钝化会产生很多缺陷，氧化反应带来复杂的表面组分；硫溶液钝化半导体腔面稳定性较差，需要在钝化后再次镀制保护层；氢钝化的实验比较难控制，钝化时间过长会导致半导体表面元素流失，且钝化易产生不稳定的物质；而氮钝化则较好的克服了以上几种钝化方法缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率半导体激光器腔面保护工艺方法，最大限度保护半导体激光器解理后新鲜腔面免受污染，有效解决半导体激光器腔面失效问题，提高半导体激光器可靠性。
本发明提供一种真空解理半导体激光器腔面氮钝化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1，半导体激光器放在带有离子源真空解理机2中解理台4上，从离子源1通入高纯氮气，通入流量20至40sccm，离子源能量60至100ev，在解理室里形成N+离子，在纯氮的环境下进行解理时，解理后半导体激光器新鲜腔面悬挂键在N+离子作用下减少，把解理出的半导体激光器Bar条3装入镀膜专用夹具，然后迅速放入电子束蒸发真空镀膜机行星式转盘上。
2，氮离子深度钝化，把真空镀膜机用冷泵抽至高真空，开通氮气源，通入流量40至60sccm，用100ev到200ev范围氮离子束轰击半导体激光器腔面，钝化温度100至250℃，在除去腔面的氧化物和腔面吸附的杂质同时，减小表面态缺陷，形成GaN钝化层。
3，氢离子去杂，关闭镀膜机氮气源，通入氢气源，通入流量20至50sccm，用80至100ev范围H+离子束轰击半导体激光器腔面，轰击时间不少于6min，基体加热温度200℃以上，去除步骤2反应后残留在腔面上无用As单质。
4，用电子束蒸发离子辅助(IAD)沉积方法，在GaN钝化层6进行光学厚度为半导体激光器激射中心波长四分之一增透膜5镀制。
5，专用夹具翻面后，用电子束蒸发离子辅助沉积方法，在另一面GaN钝化层6进行低折射率介质膜7和高折射率介质膜8交替生长高反膜镀制，低折射率膜7和高折射率介质膜8的光学厚度均为半导体激光器激射中心波长四分之一。
本发明的优点在于通过带有离子源装置新式真空解理机中通入保护气体的做法，最大限度避免传统上在空气中解理对半导体激光器腔面腐蚀和沾污，在真空解理新鲜腔面时，用氮离子源轰击腔面，使得解理后腔面的悬挂键减少。而用氮离子进行腔面深层钝化处理，有效避免了氧钝化，硫钝化，氢钝化等传统钝化方式不足，有效地降低了半导体腔面非辐射复合，阻止腔面膜里的氧扩散到半导体激光器芯片材料里，提高半导体激光器的可靠性。
附图说明
图1：本发明通入离子源气体真空解理半导体激光器示意图；
图中：1，解理机上离子源(N2)，2，带离子源装置新型真空解理机，3，解理后半导体激光器Bar条，4，解理台。
图2：本发明半导体激光器氮钝化及其增透膜和高反膜镀制后示意图；
图中：5，增透膜，6，氮钝化层(GaN)，7，低折射率高反膜，8，高折射率高反膜，9，半导体激光器前腔面，10，半导体激光器后腔面。
具体实施方式
1，把激射波长为980nm的InGaAs/GaAs/AlGaAs/半导体激光器放在带有离子源装置新型真空解理机2中解理台4上，从离子源1通入高纯氮气，通入流量35sccm，离子源能量80ev，在解理室里形成N+离子，在纯氮的环境下进行解理时，解理后半导体激光器新鲜腔面悬挂键在N+离子作用下减少，把解理出的半导体激光器Bar条3装入镀膜专用夹具，然后迅速放入电子束蒸发真空镀膜机行星式转盘上。
2，氮离子深镀钝化，把真空镀膜机用抽至高真空，开通氮气源，通入流量60sccm，用100ev氮离子束轰击半导体激光器腔面，钝化温度250℃，钝化时间10min，在除去腔面的氧化物和腔面吸附的杂质同时，减小表面态缺陷，形成GaN钝化层，此过程腔面主要进行的化学反应式为：
GaAs+N2＝2GaN+As
3，氢离子去杂，关闭镀膜机氮气源，通入氢气源，通入流量40sccm，用85ev低能H+离子束轰击半导体激光器腔面，轰击时间6min，基体温度200℃，去除步骤(2)反应后残留在腔面上无用As单质。
2As+3H2＝AsH3↑
4，用电子束蒸发离子辅助(IAD)沉积方法，在GaN钝化层6进行光学厚度为半导体激光器激射中心波长四分之一增透膜5镀制。
5，专用夹具翻面后，用电子束蒸发离子辅助沉积方法，在另一面GaN钝化层6进行低折射率介质膜7和高折射率介质膜8交替生长高反膜镀制，低折射率膜7和高折射率介质膜8的光学厚度均为半导体激光器激射中心波长四分之一。
6，将镀膜后的半导体激光器放入合金炉进行退火处理，10秒由室温升至600℃，并保持此温度2min，然后降到室温后取出。
7，退火后把半导体激光器Bar条，解理成单个管芯，在铜热沉烧结封装后进行测试，进行真空解理氮钝化处理的激光器在电流为6A时仍没有失效，而不进行腔面氮钝化处理直接镀膜的半导体激光器在5A时就已经失效。
8，对半导体激光器进行老化实验，发现在镀相同增透膜和相同高反膜条件下，进行本文所描述真空解理腔面氮钝化的半导体激光器平均寿命为1500小时，而未进行真空解理腔面氮钝化的半导体激光器平均寿命只有1000小时。
在空气中直接解理没有进行氮钝化处理的镀膜半导体激光器和在真空解理机中通入离子源保护气(N2)并且进行深度氮钝化处理激光器相比较，由于腔面氮钝化所形成的GaN薄层在半导体芯片材料和腔面膜之间提供一个足够高的势垒，阻止腔面膜里的氧扩散到半导体激光器芯片材料里，从而使得进行腔面氮钝化处理半导体激光器工作寿命明显提高，退化速率明显降低，有效提高了半导体激光器的可靠性。

Claims (1)

1.一种大功率半导体激光器腔面氮钝化方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)半导体激光器放在带有离子源真空解理机中解理台上，从离子源通入氮气，通入流量20至40sccm，离子源能量60至100ev，在解理室里形成N+离子，在纯氮的环境下进行解理时，解理后半导体激光器新鲜腔面悬挂键在N+离子作用下减少，把解理出的半导体激光器Bar条装入镀膜专用夹具，然后迅速放入电子束蒸发真空镀膜机行星式转盘上；
(2)氮离子深度钝化，把真空镀膜机用冷泵抽至高真空，开通氮气源，通入流量40至60sccm，用100ev到200ev范围氮离子束轰击半导体激光器腔面，钝化温度100至250℃，钝化时间不小于10min，在除去腔面的氧化物和腔面吸附的杂质同时，减小表面态缺陷 ，形成GaN钝化层；
(3)氢离子去杂，关闭镀膜机氮气源，通入氢气源，通入流量20至50sccm，用80至100ev范围H+离子束轰击半导体激光器腔面，轰击时间不少于6min,基体加热温度200 ℃以上，去除步骤（2）反应后残留在腔面上无用As单质；
(4)用电子束蒸发离子辅助沉积方法，在GaN钝化层进行光学厚度为半导体激光器激射中心波长四分之一增透膜镀制；
(5)专用夹具翻面后，用电子束蒸发离子辅助沉积方法，在另一面GaN钝化层进行低折射率介质膜和高折射率介质膜交替生长高反膜镀制，低折射率膜和高折射率介质膜的光学厚度均为半导体激光器激射中心波长四分之一。
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