CN102882120A - 一种提高半导体激光器寿命方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体光电子学技术领域，涉及一种提高半导体激光器寿命方法，即“等离子体技术-钝化技术-离子辅助和光学膜技术”一体化技术，包括：半导体激光器bar条1，经等离子体技术处理的半导体激光器bar条2，钝化膜3，前腔面膜4，后腔面膜5。将解理好的半导体激光器bar条1整齐的堆叠在专用的bar条夹具上，放入真空镀膜机里，抽取真空。当达到预定真空度时，先采用等离子体技术，进行腔面清洗，清除腔面氧化物和不稳定表面态形成经等离子技术处理的半导体激光器bar条2；再采用钝化技术，在腔面上沉积一层钝化膜3，抑制腔面再被氧化；最后采用离子辅助技术和光学膜技术，制备高激光损伤阈值前腔面膜4和后腔面膜5，提高半导体激光器腔面损伤阈值。本发明能有效地提高半导体激光器的寿命。

Description

一种提高半导体激光器寿命方法

技术领域

本发明属于半导体光电子学技术领域，涉及一种提高半导体激光器寿命方法。

背景技术

高功率半导体激光器因其功率高、重量轻、体积小及易于调制等优点在泵浦固体激光器、光纤通信、光盘读写、激光加工和激光医疗等领域得到广泛的应用。随着半导体激光器的输出功率的不断提高，而制约半导体激光器直接用来做军事应用、材料加工和激光医疗最主要的因素就是半导体激光器寿命。

影响半导体激光器寿命最主要因素就是半导体激光器腔面损伤。半导体激光器腔面损伤包括光学薄膜的激光损伤和半导体激光器材料本身固有性质带来的损伤。光学薄膜的激光损伤机理包括电介质击穿和热吸收两类。电介质击穿是由表面效应引起的，光学介质吸收入射激光能量，使膜层温度升高以至熔融断裂，导致光学介质的永久性破坏。光学薄膜所附着的基底表面缺陷导致薄膜在较低的激光能量时发生损伤，显著降低薄膜损伤阈值的因素包括表面划痕，小孔，杂质等。在镀膜前，腔面必需进行有效的彻底清洗。第二个损伤机理热吸收，其形式可以是元件整体吸收或表面吸收，整体吸收主要由于基底材料杂质所致，表面吸收通常是因为出现薄膜的吸收层，如微小的灰尘，残留的抛光物质等。而对于半导体激光器来说，半导体激光器两端腔面膜的损伤有两种情况：破坏性腔面损伤和腔面的化学腐蚀损伤。前者主要是当辐射电磁波所建立的电场强度超过临界值，其对应的辐射功率密度也超过一定值时，高能量密度的光时腔面微区熔融、分解。原因是近表面的光吸收、表面复合使电流密度增加，局部大量发热，而且温度增加又使吸收系数加大，这是一个恶性循环的过程。破坏性退化的极限功率视有源区而定。这种破坏性损伤都是灾变性的。第二种是腔面的化学腐蚀，这是由于光化学作用使表面氧化，并在腔面上形成点缺陷，这导致腔面局部反射系数的变化，影响激射光谱的稳定性，增加了非辐射复合速率，腔面氧化腐蚀形成吸收层，使腔面损伤。

在研究提高半导体激光器寿命、抑制腔面膜损伤技术过程中，最早出现的是腔面硫化处理技术，腔面硫化处理技术是把解理的半导体激光器腔面与含硫的化学溶液进行反应，去除半导体激光器腔面表面形成的氧化层，生成一种稳定的硫化物层，并且抑制腔面进一步氧化，减少腔面缺陷，降低腔面非辐射复合，进而提高半导体激光器的输出功率和寿命。腔面硫化处理技术对半导体激光器的性能有明显的作用，但具体应用到高功率器件上仍存在一些问题，腔面钝化效果不够稳定。

高真空解理钝化技术是在高真空中将半导体激光器解理成bar条，然后在解理腔面镀上钝化薄膜，最后再镀后腔面高反射膜和前腔面增透膜，整个过程都在高真空中完成，避免了氧和其他杂质对半导体激光器腔面的污染，有利于提高器件输出功率和寿命。高真空解理钝化技术设备复杂、工艺难度高、重复性差、成品率低。

腔面附近引入非注入区技术是在半导体激光器的腔面附近一定距离处分别引入一电流非注入区，限制电流流入腔面，从而减少腔面附近载流子的密度，降低表面复合电流，减少腔面非辐射复合，降低腔面的热量，从而提高器件输出功率和半导体激光器寿命，腔面附近引入非注入区技术对于小功率的器件效果很好，而对于大功率的器件效果不明显。

非吸收窗口技术是在半导体激光器腔面附近通过特殊处理后使得半导体激光器腔面处材料的禁带宽度加宽，对应发射激光波长的腔面形成透明区，抑制腔面光吸收。处理的方法主要是二次外延生长技术。二次外延生长技术是在半导体激光器腔面附近二次外延生长一宽带隙材料，使腔面没有光吸收，同时也没有电流传导，这种技术能有效的提高半导体激光器腔面损伤阈值和器件的寿命。二次外延生长技术，无论在芯片材料的处理上，还是在二次外延生长工艺上，技术难度大，重复性较差。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明提出一种提高半导体激光器寿命方法，即“等离子体技术-钝化技术-离子辅助和光学膜技术”一体化技术，其目的是解决由于半导体激光器腔面存在的氧化物和不稳定表面态产生的腔面光吸收问题，使腔面钝化材料完全占据腔面易氧化状态，消除欲氧化状态，抑制腔面再次被氧化，防止形成腔面缺陷，进而提高半导体激光器寿命。

本发明提供一种提高半导体激光器寿命方法，其特征在于包括：半导体激光器bar条1，经等离子体技术处理的半导体激光器bar条2，钝化膜3，前腔面膜4，后腔面膜5。具体步骤如下：

步骤1：将解理好的半导体激光器bar条1整齐的堆叠在专用的bar条夹具上，放入真空镀膜机里，抽取真空。当达到预定真空度时，采用等离子体技术，进行腔面清洗。

步骤2：采用钝化技术，在解理腔面上沉积一层钝化膜3。

步骤3：采用离子辅助技术和光学膜技术，制备高激光损伤阈值前腔面膜4和后腔面膜5。

上述方案中，步骤1中采用等离子体技术，目的是去除半导体激光器腔面存在的氧化物和不稳定表面态产生的腔面光吸收问题。

上述方案中，步骤2中采用钝化技术，目的是使腔面钝化膜3完全占据腔面易氧化状态，消除欲氧化状态，抑制腔面再次被氧化，防止形成腔面缺陷。

上述方案中，步骤3中采用离子辅助技术和光学膜技术，通过优化前腔面膜4和后腔面膜5的反射率对半导体激光器特性的影响，达到最佳的器件输出特性，制备高激光损伤阈值前腔面膜4和后腔面膜5。

有益效果：本发明是一种简便易行的提高半导体激光器寿命的方法，即“等离子体技术-钝化技术-离子辅助和光学膜技术”一体化技术，重复性好，效率高，采用的等离子体技术可有效的去除半导体激光器腔面存在的氧化物和表面态，采用的钝化技术可使腔面钝化膜完全占据腔面易氧化状态，消除欲氧化状态，防止腔面形成缺陷，再采用离子辅助技术和光学膜技术，制备高激光损伤阈值腔面膜，可大大地提高半导体激光器寿命。本发明方法简单，操作方便，制作成本低，适用于III-V族衬底的半导体激光器。

附图说明

图1是本发明提供的一种提高半导体激光器寿命方法流程图。图1中包括半导体激光器bar条1，经等离子体技术处理的半导体激光器bar条2，钝化膜3，前腔面膜4，后腔面膜5。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于实施例。

首先在空气中将808nm半导体激光器芯片解理成腔长为1000μm的bar条1，将解理好的808nm半导体激光器bar条1整齐的堆叠在专用的半导体激光器bar条夹具上，放入真空镀膜机里，抽取真空。当真空度达到1.0×10^-4Pa时，采用等离子体技术，用低能等离子体清洗腔面，形成经等离子体技术处理的半导体激光器bar条2。用低能等离子体清洗腔面目的是去除腔面氧化物和不稳定的表面态，选用低能离子源目的是防止高能离子对腔面产生破坏，形成腔面缺陷。

用等离子体技术清洗半导体激光器腔面后，采用钝化技术，在去掉腔面氧化物和不稳定表面态腔面上沉积一层钝化膜3，使钝化膜3完全占据腔面易氧化状态，消除欲氧化状态，抑制腔面再次被氧化，防止形成腔面缺陷。

在腔面沉积完钝化膜后，通过优化并确定前腔面膜4和后腔面膜5反射率值，使器件输出特性达到最佳值，再采用离子辅助技术和光学膜技术，实现前腔面膜4和后腔面膜5反射率值。在蒸镀光学薄膜过程中，采用高能离子辅助沉积光学薄膜，增加薄膜的致密度，提高薄膜材料的折射率，蒸镀的光学膜材料选择抗激光损伤阈值高的薄膜材料，最终制备出高激光损伤阈值前腔面膜4和后腔面膜5。

Claims (3)

1.一种提高半导体激光器寿命方法，其特征在于包括：半导体激光器bar条1，经等离子体技术处理的半导体激光器bar条2，钝化膜3，前腔面膜4，后腔面膜5，具体步骤如下：

步骤1：将解理好的半导体激光器bar条整齐的堆叠在专用的bar条夹具上，放入真空镀膜机里，抽取真空。当达到预定真空度时，采用等离子体技术，进行腔面清洗。

步骤2：采用钝化技术，在解理腔面上沉积一层钝化膜3。

步骤3：采用离子辅助技术和光学膜技术，制备高激光损伤阈值前腔面膜4和后腔面膜5。

2.根据权利要求1所述的一种提高半导体激光器寿命方法，其特征在于步骤1中所述的等离子体技术，进行腔面清洗，除去腔面的氧化膜和腔面不稳定表面态。

3.根据权利要求1所述的一种提高半导体激光器寿命方法，其特征在于步骤2中所述的钝化技术，使钝化膜3占据腔面易氧化状态，消除欲氧化状态，抑制腔面再次被氧化，防止形成腔面缺陷。