CN103022894A - 一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法 - Google Patents

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芦鹏
郭仁红
刘学东
赵英杰
许�鹏
李再金
王勇
李特
乔忠良
刘国军
马晓辉
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Abstract

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法。本发明通过制备立方氮化硼(c-BN)薄膜层作为激光器腔面的钝化膜，有效的减小了激光器腔面灾变光学损伤，提高了激光器件可靠性与稳定性。本发明通过对半导体激光器bar条的前后腔面的离子预清洗后，采用磁控溅射方法，在bar条的前后腔面沉积立方氮化硼(c-BN)层，然后再在前后腔面分别镀增透膜以及高反膜。该发明方案可应用于各类半导体激光器。

Description

一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法。
技术背景
半导体激光器是光通信、光泵浦、光储存等领域的核心器件。其腔面由于界面态、杂质沾污或应变的影响，使得光吸收增强，温度剧烈提升，温度的提升使得界面进一步恶化，又增强了光吸收，很容易发生氧化，产生缺陷，使得激光器性能发生衰减和出现光学灾变性损伤，这对大功率激光器显的尤为突出。为了减小这种因素的影响，提高激光器件可靠性，通常会对激光器腔面进行镀膜，一般地，这种镀膜既保护腔面，同时又起到调节阈值电流和斜率效率的作用。最早直接用反射镜起到对腔面的钝化和保护作用，反射镜多用各种氧化物介质膜，但氧化物作为反射镜或钝化保护层，在工作一段时间后，氧化物里的氧原子就会与激光器材料互相扩散，使器件特性变坏。国际上常常采用的做法是在镀腔面膜之前，先镀一层Si作为钝化阻挡层，但是Si适合的光波段较窄，而且光吸收较大，因此对于较短波长的半导体激光器，Si钝化技术的应用具有一定的局限性。而且为使腔面的氧化减到最小程度，通常在超高真空中实施解理，并立即镀上钝化层和腔面膜，这种方法虽然能比较好的提高器件可靠性，但对设备要求高，工艺复杂，设备价格昂贵。另外，在腔面离子清洗后离子束蒸镀ZnSe和ZnS也是一种很好的钝化方法，然而ZnSe和ZnS在潮湿环境下易潮解，不稳定，对激光器的某些方面的应用具有一定的局限性。
发明内容
为了减小腔面灾变光学损伤，提高激光器件可靠性与稳定性，本发明提供一种具有宽禁带，抗辐照，高硬度，良好地热导率等优点的半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法。
其结构如说明书附图所示，图中1为半导体激光器bar条，2为前腔面，3为后腔面，4为c-BN钝化膜，5为增透膜，6为高反膜。
其钝化膜采用立方氮化硼(c-BN)，带隙大约为6.3eV，作为一种宽带隙半导体材料，从可见光到红外光范围内有良好的透光性，其化学性质非常稳定，不易被氧化，c-BN同时具有高的热导率、抗辐射特性、与GaAs、Si相近的热膨胀系数、低介电常数。
其制备方法如下。
半导体激光器在空气中解理成条后，装入镀膜专用夹具，然后放入磁控溅射真空室。
对半导体激光器前腔面进行离子预清洗，即在磁控溅射真空室内，用能量小于100eV的低能大束流离子，无损去除在空气中解理时，腔面上的氧化物、杂质及其形成的表面态和界面态，这些非辐射复合中心；离子预清洗时间30秒到6分钟。
在磁控溅射系统的高真空室内，本底真空3*10-9Torr，沉积气压16～20mTorr，以六方晶氮化硼(h-BN)为靶材，衬底加高频交流电源偏压装置，以控制粒子对衬底的轰击，衬底偏压-10～-120V，射频功率150-250W，衬底由氮化硼电阻加热元件组成，控制衬底温度在800～900℃，，充入工作气体氩气和氮气，流量分别为10sccm和20sccm，在激光器bar条的前腔面镀c-BN钝化膜0.5～3小时。
在沉积c-BN薄膜时，根据制备方案的不同，工艺控制条件也不同，采用的方案可以有多种，本方案采取“两步制备法”：在成核阶段，采用较高的衬底温度和衬底负偏压；在生长阶段采用较低的衬底温度和衬底负偏压。
前腔面在沉积c-BN钝化膜之后，根据现有技术在前腔面镀增透膜。
夹具翻面后，对激光器bar条的后腔面进行工艺处理，从粒子预清洗到c-BN钝化膜的沉积，重复与前腔面相同的工艺工作。
后腔面在沉积c-BN钝化膜之后，根据现有技术在后腔面镀高反膜。
本发明的有益效果：
本发明提供的c-BN钝化膜具有抗辐照、良好的导热性及高硬度等特性，提高了激光器件的稳定性与可靠性。
本发明c-BN钝化膜与GaAs有相近的热膨胀系数、低介电常数、良好的化学和热稳定性，大大降低了不同材料间的应力。
由于c-BN从可见光到红外光范围内有良好的透光性，本发明适合于多种不同波长和结构的激光器。
本发明的工艺制备方法简单。
附图说明
附图为半导体激光器腔面处理结构示意图，图中1为半导体激光器bar条，2为前腔面，3为后腔面，4为c-BN钝化膜，5为增透膜，6为高反膜。
具体实施方式
半导体激光器在空气中解理成bar条1后，装入镀膜专用夹具，然后放入磁控溅射真空室。
离子预清洗，即在磁控溅射真空室内用能量小于100eV的低能大束流离子无损去除在空气中解理的腔面上的氧化物和杂质及其形成的表面态和界面态这些非辐射复合中心；在半导体激光器前腔面2进行所述的离子预清洗30秒到6分钟。
在磁控溅射系统的高真空室内，本底真空3*10-9Torr，沉积气压16～20mTorr，以h-BN为靶材，衬底加高频交流电源偏压装置，以控制粒子对衬底的轰击，衬底偏压-10～-120V；射频功率150-250W；衬底由氮化硼电阻加热元件组成，控制衬底温度在800～900℃，；充入工作气体氩气和氮气，流量分别为10sccm和20sccm，在激光器bar条的前腔面2镀c-BN钝化膜0.5-3小时。
前腔面2在沉积c-BN钝化膜4之后，根据现有技术在前腔面镀增透膜5。
夹具翻面后，对激光器bar条1的后腔面3进行工艺处理，从粒子预清洗到c-BN钝化膜4的沉积，重复与前腔面2相同的工艺工作。
后腔面3在沉积c-BN钝化膜4之后，据现有技术在后腔面镀高反膜6。

Claims (6)

1.一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法，其特征在于，引入立方氮化硼(c-BN)作为腔面钝化膜。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法，其特征在于，该结构包括：1为半导体激光器bar条，2为前腔面，3为后腔面，4为c-BN钝化膜，5为增透膜，6为高反膜。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
1)半导体激光器在空气中解理成条后，装入镀膜专用夹具，然后放入磁控溅射真空室；
2)离子预清洗腔面上的氧化物和杂质；
3)在磁控溅射系统的高真空室内，本底真空4*10-7Pa，沉积气压2～3Pa，以六方晶氮化硼(h-BN)为靶材，衬底加高频交流电源偏压装置，以控制粒子对衬底的轰击，衬底偏压-10～120V，射频功率150～250W，衬底由氮化硼电阻加热元件组成，控制衬底温度在800～900℃，，充入工作气体氩气和氮气，流量分别为10sccm和20sccm，在激光器bar条的前腔面镀c-BN钝化膜0.5～3小时；
4)前腔面在沉积c-BN钝化膜之后，根据现有技术在前腔面镀增透膜；
5)夹具翻面后，对激光器bar条的后腔面进行工艺处理，从粒子预清洗到c-BN钝化膜的沉积，重复与前腔面相同的工艺工作；
6)后腔面在沉积c-BN钝化膜之后，根据现有技术在后腔面镀高反膜。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法，其特征在于，可以采用不同的制备c-BN膜的方法，不局限于磁控溅射法。
6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器腔面钝化膜结构及其制备方法，其特征在于，在进行制备方法的步骤3)中沉积c-BN薄膜时，根据制备方案的不同，选取的工艺控制条件也不同，本方案采用的制备法是“两步制备法”。
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