CN103311801A - 一种基于ZnO薄膜钝化半导体激光器腔面的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于ZnO薄膜钝化半导体激光器腔面的方法，属于半导体光电子器件工艺技术领域。该领域已知技术难以大幅度提高输出功率，同时使器件的可靠性保持在较高的水平。本发明之一种基于ZnO薄膜钝化半导体激光器腔面的方法，可有效提高输出功率，提升半导体激光器的可靠性。该钝化方法是在磁控溅射系统中，采用氩、氢混合等离子体去除激光器芯片解理面上的表面态，随后原位溅射一层ZnO薄膜作为钝化阻挡层，形成钝化膜后按照常规工艺镀制腔面增透膜和高反膜。该技术方案可应用于各类GaAs基半导体激光器制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于ZnO薄膜钝化半导体激光器腔面的方法，属于半导体光电子器件工艺技术领域。
背景技术
表面态一直是限制半导体激光器可靠性和寿命的重要因素之一。半导体激光器芯片在空气中解理后，腔面会迅速被氧化，形成很高的表面态密度，电流注入时，这些表面态会由于其在禁带中央引入杂质能级而成为载流子虏获中心，促使载流子向腔面扩散。在激光器工作过程中，这些载流子会吸收谐振腔内部光辐射诱导非辐射复合发生，引起腔面区域温度升高。腔面发热一方面降低了器件发光效率，另一方面促使腔面材料带隙收缩引起更大的光吸收，还会引起腔面缺陷向激光器内部扩散。几乎所有的激光器都会因为表面态的问题而产生退化现象，输出功率越高，激光器退化的就越明显。
为解决这一问题，国内外通常在腔表面沉积一层钝化薄膜，一方面饱和腔表面悬挂键，降低表面态密度，另一方面作为阻挡层，防止腔面进一步受到氧的侵蚀。最常用被用来作为钝化阻挡层的是Si膜，但是该材料有一定局限性，只适合波长较长的激光器；ZnS和ZnSe也是钝化可选的材料，但是它们在潮湿的环境下易潮解，对激光器某些方面的应用也有局限；AlN材料带隙较宽，化学稳定性强，光学特性也很优异，但是高质量的AlN薄膜对制备工艺的要求也很高。所以寻找合适的腔面钝化膜仍需进一步的探索。
2011年，Souvik Kundu等人采用MOCVD在ZrO2/GaAs MOS器件的界面处沉积1.8nm厚的ZnO薄层（见Solid State Communications,2011,151(24):1881-1884），使得MOS器件的滞后电压从0.4V降低到0.13V，漏电流从10-5A/cm2减小到10-7A/cm2。滞后电压和漏电流的共同降低说明了ZnO在抑制MOS器件中存在的高界面态密度方面起到了良好的钝化效果。随后，Souvik Kundu研究组又采用相同的方法在TiO2/GaAs MOS器件中插入ZnO钝化层，XPS测试结果表明，在GaAs表面生长ZnO薄膜能够有效降低Ga和As的氧化物形成，并且还能够抑制低k值界面的再生现象（见Journal of Vacuum Science & Technology B:Microelectronics and Nanometer Structures,2012,30(5):051206）。可见ZnO在处理GaAs表面上，体现出优异的钝化特性。
ZnO薄膜禁带宽度为3.37eV，激子结合能高达60meV，同时还具有优异的光电、压电及介电特性，在可见光区的透射率可达90%以上。ZnO原料廉价易得，且几乎所有物理气相沉积法，如脉冲激光沉积法、分子束外延法、磁控溅射法以及化学气相沉积法，如喷雾热分解法、溶胶凝胶法、金属有机物化合物气相沉积法等，都能制备出较高质量的ZnO薄膜。
发明内容
本发明提出了一种基于ZnO薄膜钝化半导体激光器腔面的方法，可使激光器腔面处表面态密度大大降低，同时工艺难度和成本又控制在较低水平。
本发明是这样实现的，如图1所示，采用氩、氢混合等离子体对解理后的前腔面（1）进行清洗，然后原位溅射ZnO钝化薄层（2），采用常规镀膜手段，如溅射或电子束蒸发，在前腔面ZnO钝化层（2）上沉积常规腔面增透膜（3）。采用氩、氢混合等离子体对后腔面（4）进行清洗，然后原位溅射ZnO钝化薄层（5），采用常规镀膜手段在后腔面ZnO钝化层（5）上沉积常规腔面高反膜。
本发明的效果在于，采用氩、氢混合气体对腔面氧化物等沾污进行等离子体处理，在氩离子的物理刻蚀和氢离子的化学反应双重作用下，腔面态密度得到极大降低。清洗过后，原位蒸镀ZnO钝化阻挡层，既保护清洗效果，又抑制Ga和As的悬挂键进一步与氧反应。钝化后按常规工艺镀制激光器增透膜和高反膜，当增透膜和高反膜中的氧原子有和激光器腔面原子发生互扩散趋势时，氧原子会预先经过ZnO钝化膜，与其中的Zn原子结合成键，从而大大降低生成Ga-O键和As-O键的可能性，进一步提高激光器可靠性。
附图说明
图1为半导体激光器腔面结构示意图。
图中数码的意义：
激光器前腔面（1），激光器前腔面ZnO钝化薄膜（2），激光器前腔面增透膜（3），激光器后腔面（4），激光器后腔面ZnO钝化薄膜（5），激光器后腔面高反膜（6），激光器芯片（7）。
具体实施方法
1、半导体激光器在空气中解理成bar条后，装入芯片专用夹具，然后放入磁控溅射真空室内（本底真空度不低于2.8×10-4Pa）；
2、氩、氢混合等离子体预清洗（氢气含量20%），即在磁控溅射真空室内用功率15瓦的氮氢混合等离子体，对解理面（1）上引起非辐射复合行为的氧化物和其他杂质中心进行清洗，时间为10分钟。由于氩、氢混合等离子体具有物理刻蚀和化学反应双重作用，腔表面态密度会得到极大降低；
3、以ZnO陶瓷靶为溅射对象，纯氩气为溅射气体，在腔面（1）上原位溅射厚度10nm的ZnO宽禁带材料作为钝化阻挡层（2），保护等离子体清洗效果，防止腔面外的碳、氧等物质向腔面内部扩散；
4、在激光器芯片（7）前腔面ZnO钝化层（2）外原位溅射镀制四分之一波长光学厚度的SiO2常规增透膜（3）；
5、夹具翻面后对半导体激光器后腔面（4）进行上述步骤2所述的等离子预清洗10分钟；
6、用磁控溅射的方法在后腔面（4）上溅射厚度10nm的ZnO宽禁带材料作为钝化阻挡层（5）；
7、在激光器芯片（7）后腔面ZnO钝化层（5）上原位溅射镀制3对SiO2/Si常规高反膜（6）。
Claims (3)
1.一种基于ZnO薄膜钝化半导体激光器腔面的方法，该方法包括在磁控溅射系统内采用氩、氢混合等离子体分别对激光器前后腔面进行清洗，清洗后原位溅射ZnO钝化薄层，最后按常规工艺镀制前腔面增透膜和后腔面高反膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZnO薄膜钝化半导体激光器腔面的方法，其特征在于，在磁控溅射系统中，以辉光放电形式引入氩、氢混合等离子体（氢气含量10%～90%），对在空气中解理后的bar条前后腔面分别用低于20W的功率进行等离子体清洗5-15min，用于清除腔面处的表面污染及氧化物，同时起到悬挂键钝化作用。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZnO薄膜钝化半导体激光器腔面的方法，其特征在于，以ZnO陶瓷靶为溅射对象，在等离子体清洗后的腔面上原位溅射厚度不大于20nm的ZnO宽禁带材料作为钝化层，进一步减少表面悬挂键，同时原位保护等离子体清洗效果。
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