CN108288816A - 一种半导体激光器材料钝化方法 - Google Patents

一种半导体激光器材料钝化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器材料钝化方法。该方法适用于对半导体激光器谐振腔腔面材料进行钝化处理，具体包括用离子束对半导体激光器谐振腔腔面材料进行轰击清洗和采用ALD技术对半导体激光器谐振腔腔面沉积AlN钝化层实现。本发明公开的这种半导体激光器材料钝化方法，在真空环境中用离子束轰击谐振腔表面后有效去除腔面的氧化层、腔面污染、表面态、表面材料位错、表面材料的悬挂键，获得洁净的半导体激光器谐振腔腔面，在等离子体辅助条件下实现ALD装置中低温沉积获得AlN钝化层对谐振腔腔面进行保护。本发明公开的这种方法通过对谐振腔腔面进行工艺处理，提高了半导体激光器的腔面损伤阈值，实现器件的输出功率、寿命和性能稳定性的提高。

Description

一种半导体激光器材料钝化方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种半导体激光器制备工艺，具体涉及半导体激光器谐振腔腔面材料表面钝化工艺，该工艺在半导体激光器谐振腔表面材料钝化过程中结合离子轰击和原子层沉积技术在真空环境中进行，有效降低半导体激光器谐振腔腔面材料的表面态密度和非辐射复合中心，提高半导体激光器器件发光效率、激光输出功率和激光器器件寿命。
背景技术
半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、成本低、易于大量生产等优点，广泛应用于整个光电子学领域，已成为当今光电子科学领域的核心器件。在半导体激光器实际应用中，高亮度大功率的半导体激光器可作为固体激光器和光纤激光器的理想泵浦源，在材料加工、自由空间通讯、医疗等领域广泛应用。随着半导体激光器应用越来越广泛，对半导体激光器器件激光输出的功率、寿命及输出激光稳定性要求越来越严格，并已成为限制半导体激光器应用的重要影响因素。
在半导体激光器器件中，半导体激光器的谐振腔是一个重要组成部分，由自然解理面构成，因此，解理面对于半导体激光器的可靠性有着重要的影响。在进行到解理激光器Bar条工艺获得的Bar条的端面即为半导体激光器谐振腔的腔面，在半导体激光器谐振腔腔面的材料，材料的晶体周期性被破坏从而产生很多悬键，使得晶体表面存在了很多缺陷能级。另外，表面吸附的氧，位错，表面残留物和污染都会在原有的带隙中引入新的缺陷能级，这些都会在端面形成复合中心。同时，当半导体激光器芯片在空气中解理时，新解理出来的腔面很容易与空气中的氧原子或是其他杂质发生反应，进而产生氧化或是其他污染，并且半导体激光器腔面长时间暴露在空气中也极易产生腔面污染，造成表面态的生成。III-V族化合物半导体材料暴露在空气中时，由于其表面复杂的氧化层的形成，和其他污染物的存在，形成大量的表面态，造成半导体激光器腔面非辐射复合中心的形成，影响半导体激光器器件特性。研究表明，清除掉表面吸附的氧，表面残留和污染并进行表面钝化，可以极大降低表面复合中心的存在，从而提高半导体激光器的输出性能与寿命。
在现有半导体激光器器件制备工艺中，通常会存在Bar条解理面存在被氧化、表面残留物和表面污染的问题，造成这个问题的主要原因是在进行解理外延片时所处的真空环境较差，从而造成半导体激光器的腔面损伤阈值低，而半导体激光器的腔面损伤阈值是影响半导体激光器输出功率和寿命的重要影响因素，因此，对半导体激光器谐振腔腔面进行有效的工艺处理可有效提高半导体激光器的激光输出功率，提高半导体激光器的寿命和器件性能的稳定性。
发明内容
本发明提出一种半导体激光器材料钝化方法，这种方法提出一种对半导体激光器谐振腔腔面进行有效处理的装置，这种装置包括离子束轰击清洗处理部分和原子层沉积镀膜部分，并且这两部分均可以提供较好的真空环境，所述本发明所提出方法在将半导体激光器外延片进行解理获得Bar条后，在半导体激光器谐振腔腔面处理装置中对Bar条端面(即半导体激光器谐振腔前面)进行离子轰击达到对端面氧化物、表面残留物和其他污染进行清洗，处理环境处于真空环境，该处理方法降低了半导体激光器谐振腔腔面材料的表面态密度和非辐射复合中心，然后保持在真空环境中采用原子层沉积设备(ALD)对半导体激光器谐振腔腔面沉积1nm～10nm的钝化层，实现半导体激光器谐振腔腔面材料与外界环境隔绝减少氧和碳的污染，达到对半导体激光器谐振腔腔面保护的目的。通过对半导体激光器谐振腔腔面进行工艺处理，可提高半导体激光器的COD水平，进而提高半导体激光器器件的输出功率、器件的寿命和器件性能的稳定性。
本发明提出一种半导体激光器材料钝化方法，该方法包括半导体激光器谐振腔面离子轰击清洗和半导体激光器谐振腔腔面钝化膜制备两部分，该方法步骤为：1.将半导体激光器外延片解理为Bar条；2.将半导体激光器Bar条放进本发明所提出的半导体激光器谐振腔腔面处理装置中，所述装置中可提供优于1×10-4Torr的真空环境，当真空环境优于1×10-4Torr时对半导体激光器谐振腔腔面进行离子轰击，去除腔面的污染和因暴露在大气中形成吸附的气体分子及腔面的氧化层，获得洁净的半导体激光器谐振腔腔面；3.当ALD部分真空环境优于1×10-4Torr后，打开该装置中离子轰击与ALD两部分之间连接的闸板阀，通过机械导轨，将具有洁净腔面的半导体激光器Bar条送至ALD的真空反应腔，关闭闸板阀，在独立的条件下沉积AlN钝化层，用ALD技术沉积AlN钝化膜厚度为1nm～10nm，ALD沉积AlN钝化膜所使用的反应源为三甲基铝和氨气，同时，可以在ALD部分加装等离子体发生装置，等离子体可以提高反应源分子的活性，从而可以使AlN钝化层在较低的温度下沉积完成，避免了高温沉积AlN钝化层时对半导体激光器Bar条造成的损伤。
本发明提出一种半导体激光器材料钝化方法，本发明所提出的方法适用于对半导体激光器谐振腔腔面材料进行钝化处理，该方法首先对半导体激光器谐振腔腔面材料进行离子束轰击清洗，所述离子束为氩(Ar)离子、氮(N)离子这些惰性气体离子，在离子束轰击清洗后，半导体激光器谐振腔腔面材料表面的氧化层、腔面污染、表面态、表面材料位错、表面材料的悬挂键被有效去除，极大地降低了半导体激光器谐振腔腔面的非辐射复合中心，提高了腔面材料的光学性能，然后在真空环境较好的ALD装置中对腔面表面制备一层AlN钝化层，使腔面材料受到保护，在ALD装置上加装有射频等离子体发生器，在进行AlN钝化层制备时等离子体发生器将三甲基铝和氨气反应源活化为离子状态，降低了生产AlN钝化层的生长温度，实现在较低温度下将AlN钝化层沉积在半导体谐振腔腔面上，避免了高温生长时腔面杂质原子及缺陷向谐振腔腔面材料内部的扩散，低温沉积AlN薄膜很好的对腔面表面材料进行保护，并且在沉积钝化层时不会对腔面材料造成损伤。
本发明提出一种半导体激光器材料钝化方法，本发明提出的这种方法对半导体激光器谐振腔腔面材料有效的钝化，降低了腔面的表面态密度和非辐射复合中心，同时能够使谐振腔腔面材料能够长时间保持稳定，本发明提出的这种方法有效提高了半导体激光器的COD水平，半导体激光器的腔面损伤阈值被有效的提高，而半导体激光器腔面损伤阈值的提高可进一步实现半导体激光器输出功率和激光器寿命的提高，本发明提出的这种对半导体激光器谐振腔腔面材料处理的方法有效提高了半导体激光器的输出功率、延长半导体激光器的寿命和提高半导体激光器器件激光输出性能的稳定性。
附图说明
图1为半导体激光器制备工艺流程图。
图2为本发明提出的半导体激光器谐振腔腔面处理工艺流程图。
图3为本发明用于半导体激光器谐振腔腔面处理工艺装置结构示意图。
具体实施方式
下面通过利用附图和具体实施例，对本发明提出的这种半导体激光器材料钝化方法，具体为对半导体激光器谐振腔腔面材料的处理方法这种技术方案做进一步的详细描述。
本发明提出一种半导体激光器材料钝化方法，该方法首先对半导体激光器谐振腔腔面进行离子轰击清洗，然后用ALD技术在清洗洁净的半导体激光器谐振腔腔面沉积钝化层对半导体激光器谐振腔腔面进行保护，该方法的主要包括3个步骤：1.将半导体激光器外延片解理为Bar条；2.将半导体激光器Bar条进本发明所提出的半导体激光器谐振腔腔面处理装置中，所述装置中可提供优于1×10-4Torr的真空环境，当真空环境优于1×10-4Torr时对半导体激光器谐振腔腔面进行离子轰击，去除腔面的污染和因暴露在大气中形成吸附的气体分子及腔面的氧化层，获得洁净的半导体激光器谐振腔腔面；3.当ALD部分真空环境优于1×10-4Torr后，打开该装置中离子轰击与ALD两部分之间连接的闸板阀，通过机械导轨，将具有洁净腔面的半导体激光器Bar条送至ALD的真空反应腔，关闭闸板阀，在独立的条件下沉积AlN钝化层，用ALD技术沉积AlN钝化膜厚度为1nm～10nm，ALD沉积AlN钝化膜所使用的反应源为三甲基铝和氨气，同时，可以在ALD部分加装等离子体发生装置，等离子体可以提高反应源分子的活性，从而可以使AlN钝化层在较低的温度下沉积完成，避免了高温沉积AlN钝化层时对半导体激光器Bar条造成的损伤。半导体激光器谐振腔腔面经过本发明所提出的方法处理后，激光器的输出功率和寿命会有效提高，同时器件输出性能的稳定性也会得到提高。下面结合附图和实施例对本发明所提出的这种方法进行具体的描述。
附图1所示为现有半导体激光器制备工艺流程图，依次包括光刻、SiO2掩膜、Lift-off、P面电极、P面合金、N面减薄、N面电极、N面合金、N面补厚金、解理成Bar条、腔面镀膜、管芯解理、管芯筛选、烧结、P面引金丝、综合测试，通过这些工艺完成半导体激光器器件芯片制备。
附图2所示为本发明提出的半导体激光器谐振腔腔面处理工艺流程图，首先，半导体激光器Bar条(1)的解理面(2)在离子束(3)的轰击下进行谐振腔腔面清洗，清洗完成后在谐振腔腔面沉积一层AlN钝化层(4)，ALD沉积AlN钝化层所用反应源为氨气(5)和三甲基铝(6)，通过上述过程实现半导体激光器谐振腔腔面钝化。
附图3所示本发明用于半导体激光器谐振腔腔面处理工艺装置结构示意图，该装置共包括两部分，这两部分分别为离子束轰击清洗处理装置和原子层沉积镀膜装置，这两部分通过真空闸板阀(9)连接，样品在这两个装置中通过导轨小车(8)传送，在离子束轰击清洗处理装置中，半导体激光器Bar条(1)放置在样品架(14)上，离子束发生器(7)持续产生离子束(3)，离子束对Bar条解理面进行轰击清洗，清洗后打开闸板阀(9)，通过导轨小车(8)将样品传送至ALD镀膜装置中，并放置在ALD装置中的样品架(14)上，ALD沉积AlN钝化层所用反应源通过管路(11)和管路(12)将氨气(5)和三甲基铝(6)输运到ALD反应腔室内，反应过程中射频发生器(10)对氩气起辉持续产生氩等离子体(13)，反应源为氨气和三甲基铝被氩等离子体活化为离化状态，在半导体激光器谐振腔腔面反应生成AlN钝化层(4)沉积在腔面表面上。
实现本实施例中一种半导体激光器材料钝化方法中对半导体激光器谐振腔腔面钝化工艺的具体实施步骤如下：
步骤一：将经过光刻与刻蚀、P面电极、P面合金、N面减薄、N面电极、N面合金、N面补厚金工艺后的半导体激光器外延片解理成Bar条，并将解理得到的Bar条叠加起来用夹具固定，使各个Bar条的解理面紧密接触处于竖直的同一个平面上。
步骤二：将步骤一中夹具固定的Bar条装载进离子束轰击清洗装置并将Bar条解理面面朝上放置。然后对离子束轰击清洗装置抽真空，当装置内真空环境优于1×10-4Torr时，调节离子束发生器，对罗列的Bar条解理面进行离子束轰击清洗，将解理面表面的氧化层、杂质气体等污染物清洗干净。
步骤三：打开闸板阀，将步骤二中清洗后的Bar条通过导轨小车传送至ALD镀膜装置，并对ALD装置抽真空，当装置内真空环境优于1×10-4Torr时，打开沉积AlN钝化层所用的各源开关，并打开射频源电源，设置生长温度为150℃，生长源管路温度为100℃，Ar的起辉流量设置为5sccm，作为载气的Ar的流量设置为15sccm，通入气体后，等待分子泵转速稳定后开始AlN钝化层沉积，沉积过程中射频功率200W，沉积1nm～10nm的AlN钝化层。
步骤四：将夹具旋转180度，使Bar条另一个解理面朝上，然后对Bar条进行步骤一～步骤三的操作。
步骤五：将两个解理面均沉积钝化层的Bar条从ALD装置中取出，对Bar条的两个解理面进行增透膜和高反膜制备，然后将Bar条解理，获得半导体激光器管芯。
通过以上步骤可实现本申请所要求保护的一种半导体激光器材料钝化方法，该方法在将半导体激光器外延片进行解理获得Bar条后，在具有较好真空环境的半导体激光器谐振腔腔面处理装置中对Bar条端面(即半导体激光器谐振腔前面)进行离子轰击达到对端面氧化物、表面残留物和其他污染进行清洗，处理环境处于真空环境，该处理方法降低了半导体激光器谐振腔腔面材料的表面态密度和非辐射复合中心，然后保持在真空环境中采用原子层沉积设备(ALD)对半导体激光器谐振腔腔面沉积1nm～10nm的钝化层，实现半导体激光器谐振腔腔面材料与外界环境隔绝减少氧和碳的污染，达到对半导体激光器谐振腔腔面保护的目的。通过以上步骤对半导体激光器谐振腔腔面进行工艺处理，可提高半导体激光器的COD水平，进而提高半导体激光器器件的输出功率、器件的寿命和器件性能的稳定性，实现本发明所提出的这种对半导体激光器材料钝化的方法。

Claims (9)

1.一种半导体激光器材料钝化方法，其特征在于，该方法适用于对半导体激光器谐振腔腔面材料进行钝化，该方法采用可提供优于1×10-4Torr真空环境的一种装置对半导体激光器谐振腔腔面进行工艺处理，所述装置包括离子束轰击清洗处理部分和原子层沉积AlN钝化层部分，所述离子束轰击清洗处理部分在1×10-4Torr真空环境下用于对半导体激光器谐振腔腔面进行清洗，清洗时将半导体激光器Bar条罗列激光器谐振腔腔面紧密排列在竖直的同一平面上，谐振腔一侧的腔面罗列成一个平面，然后用夹具固定将谐振腔腔面构成的平面朝上放置，在离子束轰击下去除谐振腔表面的氧化层、腔面污染、表面态、表面材料位错、表面材料的悬挂键，有效提高腔面材料辐射复合效率，降低腔面非辐射复合中心和表面态密度，实现洁净的半导体激光器谐振腔腔面，然后清洗激光器另一个腔面，离子束轰击清洗谐振腔腔面后提高了腔面材料的光学性能，该半导体激光器谐振腔腔面即为半导体激光器Bar条的解理面，半导体激光器谐振腔腔面在离子束轰击清洗处理后用导轨小车传送至ALD沉积AlN钝化层装置，所述ALD沉积AlN钝化层装置配有射频源用于产生等离子体，所述等离子体用于将沉积AlN的反应源活化提高反应源的活性，使得生成AlN的反应能够在低温下进行，当ALD装置中真空优于1×10-4Torr时开始在谐振腔腔面进行AlN钝化层制备，制备所述AlN钝化层所用的反应源为三甲基铝和氨气，在谐振腔腔面沉积1nm～10nm的AlN钝化层，AlN生长温度100℃～300℃，半导体激光器谐振腔腔面钝化处理完成后从本发明所述装置中取出进行谐振腔腔面光学膜制备及后续器件制备工艺完成激光器器件制作，本发明提出的这种对半导体激光器谐振腔腔面处理的方法，提高了半导体激光器的腔面损伤阈值，实现器件的输出功率、寿命和性能稳定性的提高。
2.如权利要求1所述的一种半导体激光器材料钝化方法，其特征在于，所述方法首先对半导体激光器谐振腔腔面进行离子束轰击清洗，然后在清洗后的谐振腔腔面沉积AlN钝化层，这两个工艺在进行处理时真空环境都优于1×10-4Torr，样品在两个装置之间通过导轨小车传送。
3.如权利要求1所述的一种半导体激光器材料钝化方法，其特征在于，所述方法通过一种对半导体激光器谐振腔腔面钝化处理的装置完成，所述装置包括离子束轰击清洗处理部分和原子层沉积AlN钝化层部分，所述装置可以提供优于1×10-4Torr的真空环境，所述装置两个部分之间通过闸板阀连接，样品在两个装置之间传送时也可提供较好的真空环境。
4.如权利要求1所述的一种半导体激光器材料钝化方法，其特征在于，所述ALD沉积AlN钝化层装置配有射频源用于产生等离子体活化反应源，使反应源具有较高的活性辅助AlN沉积，使AlN能够在较低的温度下生成，沉积温度为100℃～300℃。
5.如权利要求1所述的一种半导体激光器材料钝化方法，其特征在于，所述谐振腔腔面钝化层为AlN，该AlN钝化层厚度为1nm～10nm，利用三甲基铝和氨气为反应源通过原子层沉积技术制备。
6.如权利要求1所述的一种半导体激光器材料钝化方法，其特征在于，半导体激光器Bar条罗列然后用夹具固定，激光器谐振腔腔面罗列成一个平面，该平面在进行离子束轰击清洗时面向离子束发射过来的方向。
7.如权利要求1所述的一种半导体激光器材料钝化方法，其特征在于，所述腔面制备的AlN钝化层能够有效阻止腔面材料被氧化及被杂质污染，并且可以提高腔面材料光学性能的稳定性。
8.如权利要求1所述的一种半导体激光器材料钝化方法，其特征在于，半导体激光器谐振腔的两个腔面用本发明所提出的处理方法处理，各个环节处理时的参数保证一样。
9.如权利要求1所述的一种半导体激光器材料钝化方法，其特征在于，通过用本发明所提出的处理半导体激光器谐振腔腔面的方法有效去除腔面的氧化层、腔面污染、表面态、表面材料位错、表面材料的悬挂键，降低非辐射复合中心和表面态密度，提高腔面材料的辐射复合效率，有效提高了半导体激光器的COD水平，半导体激光器的腔面损伤阈值被有效的提高，进一步实现半导体激光器输出功率和激光器寿命的提高，最终实现提高半导体激光器的输出功率、延长半导体激光器的寿命和提高半导体激光器器件激光输出性能的稳定性。
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