CN109066287B - 半导体激光器腔面的钝化方法及半导体激光器 - Google Patents

半导体激光器腔面的钝化方法及半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体激光器腔面的钝化方法及半导体激光器，属于半导体激光器领域。通过氮等离子体轰击并注入半导体激光器的前腔面和后腔面，能使腔面的悬挂键与N原子充分键合，不仅能够起到钝化效果，且因为N原子的键能大，因而形成的Ga‑N键更稳定；通过使用碳等离子体轰击并注入前腔面和后腔面，使得C原子与腔面因氮离子轰击产生的新的断裂键充分结合，补偿了表面损伤的腔面，达到了保证解理腔面的悬挂键的饱和与稳定的效果。因此，本发明不仅简化了腔面钝化的工艺步骤，减少了工艺流程时间，降低了生产成本，且提高了半导体激光器的抗光学灾变水平和在高光功率密度条件下的稳定输出的可靠性，实现了半导体激光器的高功率、长寿命的目的。

Description

半导体激光器腔面的钝化方法及半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种半导体激光器腔面的钝化方法及半导体激光器。
背景技术
半导体激光器具有近红外高重复频率和峰值功率较高的特点，还具有体积小、耗能少和寿命长等优点，因此，被广泛应用于很多领域中。然而，半导体激光器在解理巴条、装巴镀膜的过程中，由于其解理面是非极性面，它是由一个阳离子和一个阴离子组成，即化合物半导体中最近邻的化学键是异性的，不像共用电子对的共价键，它更像离子键，占有电子多的那个原子显阴性。因此，III-V族化合物沿着解理面解理，少量的化学键会遭到破坏，这就不可避免的会增加表面态。当解理过程处于有氧环境时，腔面断键容易与空气中的氧结合，使解理面吸附大量氧原子。由于半导体激光器的腔面上具有很高的表面状态密度，腔表面氧化导致非辐射复合的途径增加，从而会产生大量的热。另外，由于半导体激光器的外延结构材料中含有Al元素，解理后腔面裸露表面易氧化，导致半导体激光器芯片的抗光学灾变的能力下降。因此，为了不影响半导体激光器的性能并保证其可靠性，在使用半导体激光器之前，需要对半导体激光器的腔面进行钝化。
目前在对半导体激光器的腔面进行钝化时，常用的腔面钝化方法是在高真空环境下采用分子束外延蒸镀硅薄膜，通过硅薄膜起到钝化腔面作用。但该方法设备昂贵、成本较高、工艺复杂，并且硅薄膜的致密性也较差。因为硅与砷化镓的晶格失配度虽然仅有4.1%，但热失配度高达59%，在半导体激光器工作过程中会产生大量的热从而会导致缺陷的产生，降低了半导体激光器抗光学灾变的能力。此外，目前的半导体激光器腔面钝化方法还有采用干法和湿法在腔面制备ZnS、ZnSe薄膜的方式，但该方式在制备过程中，对半导体激光器芯片会有一定的腐蚀性，并且因为这两种薄膜都有一定的吸水性，因而要求采取这种钝化方法的半导体激光器在干燥的环境中使用，严重影响了半导体激光器件的光学灾变损伤，并限制了半导体激光器的使用环境。另外，目前进行半导体激光器腔面钝化的方法还有N离子注入技术，即将N离子注入腔面的表面，但是由于N原子的键能比较高，需要高能量的离子枪才能使N离子注入到腔面的表面。同时，高能量的离子会对腔面造成一定的破坏，严重影响半导体激光器的输出功率及寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种半导体激光器腔面的钝化方法及半导体激光器。本发明采用的技术方案是：
一种半导体激光器腔面的钝化方法，所述钝化方法包括如下步骤：
S1，将半导体激光器的外延片在空气中解理成巴条，装入镀膜夹具后放入磁控溅射真空室；
S2，开启磁控溅射真空室内的氢源，并通过100-150W的射频功率溅射氢气产生氢等离子体，使用氢等离子体轰击半导体激光器的前腔面；
S3，关闭磁控溅射真空室内的氢源并开启磁控溅射真空室内的氮源，通过100-150W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使用氮等离子体轰击步骤S2处理后的前腔面；
S4，调整磁控溅射真空室内的温度为200-300℃，通过200-300 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使氮等离子体轰击并注入步骤S3处理后的前腔面，当磁控溅射真空室内的温度在300-500℃时退火7-15min，使N原子与Ga原子键合生成(Al)GaN化合物作为钝化层；
S5，关闭磁控溅射真空室内的氮源并开启磁控溅射真空室内的碳源，通过50-100W的射频功率溅射石墨产生碳等离子体，使用碳等离子体轰击并注入步骤S4处理后的前腔面后，关闭磁控溅射真空室内的碳源；
S6，在步骤S5处理后的前腔面沉积SiO2薄膜，并在SiO2薄膜外蒸镀增透膜；
S7，夹具翻面后，开启磁控溅射真空室内的氢源，并通过100-150W的射频功率溅射氢气产生氢等离子体，使用氢等离子体轰击半导体激光器的后腔面后，关闭磁控溅射真空室内的氢源并开启磁控溅射真空室内的氮源，调整磁控溅射真空室内的温度为200-300℃，通过100-150 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使用氮等离子体继续轰击后腔面后，用200-300 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使氮等离子体轰击并注入后腔面，当反应温度在300-500℃时退火7-15min，使N原子与Ga原子键合生成(Al)GaN化合物作为钝化层；
S8，关闭磁控溅射真空室内的氮源并开启磁控溅射真空室内的碳源，通过50~100W的射频功率溅射石墨产生碳等离子体，使用碳等离子体继续轰击并注入后腔面后，关闭磁控溅射真空室内的碳源，并在后腔面沉积SiO2薄膜及在SiO2薄膜外沉积高反膜。
可选地，所述步骤S2中使用氢等离子体轰击半导体激光器前腔面的时间为50s-10min。
可选地，所述步骤S3中使用氮等离子体轰击步骤S2处理后的前腔面的时间为2min-10min。
可选地，所述增透膜的材料为ZnSe。
可选地，所述步骤S7中使用氢等离子体轰击半导体激光器后腔面的时间为1min-10min，使用氮等离子体继续轰击后腔面的时间为10min-20min。
可选地，所述高反膜的材料为Si/SiO2或Si/Al2O3材料，周期数为2-4个。
一种半导体激光器，所述半导体激光器的腔面采用上述半导体激光器腔面的钝化方法进行钝化。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明通过氮等离子体轰击并注入半导体激光器的前腔面和后腔面，能够使腔面的悬挂键与N原子充分键合，不仅能够起到钝化效果，而且因为N原子的键能大，因而形成的Ga-N键更稳定；通过使用碳等离子体轰击并注入前腔面和后腔面，使得C原子与腔面因氮离子轰击产生的新的断裂键充分结合，补偿了表面损伤的腔面，达到了保证解理腔面的悬挂键的饱和与稳定的效果。因此，通过本发明实施例提供的钝化方法，不仅简化了腔面钝化的工艺步骤，还提高了半导体激光腔面钝化的可靠性，从而减少了工艺流程时间，降低了生产成本，适合于工业化生产，而且能够很好地解决腔面悬挂键的结合及钝化效果，从而不仅解决了半导体激光器制作过程中暴露空气中易被氧化的问题，而且还减少了界面的晶体缺陷密度，提高了半导体激光器的抗光学灾变水平，提高了半导体激光器在高光功率密度条件下的稳定输出的可靠性，实现了半导体激光器的高功率、长寿命的目的。另外，采用本发明提供的钝化方法钝化后的半导体激光器能够适用于任何环境，无需仅应用于干燥的环境中，应用范围广泛。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明提供的半导体激光器腔面的钝化方法的流程图。
图2是通过本发明提供的半导体激光器腔面的钝化方法钝化后的半导体激光器的立体图。
图3是图2的主视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的半导体激光器腔面的钝化方法包括如下步骤S1至S8：
S1，将半导体激光器的外延片在空气中解理成巴条，装入镀膜夹具后放入磁控溅射真空室。
S2，开启磁控溅射真空室内的氢源，并通过100-150W的射频功率溅射氢气产生氢等离子体，使用氢等离子体轰击半导体激光器的前腔面。
其中，使用氢等离子体轰击半导体激光器的前腔面，可以去除前腔面上的氧化物和杂质。同时，可以减少表面态和界面态形成的非辐射复合中心。在轰击过程中，氢离子与前腔面表面的一定尺度内的电负性最大的元素反应生成氢化物，从而把杂质或氧化物从前腔面溢出，最后使前腔面处呈带有正电荷的阳离子特征。
可选地，步骤S2中使用氢等离子体轰击半导体激光器前腔面的时间为50s-10min。
S3，关闭磁控溅射真空室内的氢源并开启磁控溅射真空室内的氮源，通过100-150W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使用氮等离子体轰击步骤S2处理后的前腔面。
使用氮等离子体轰击步骤S2处理后的前腔面，可以使电负性较大的氮离子与前腔面上由氢等离子体轰击导致呈现阳离子特征的材料元素结合，生成由腔内到腔外的一定厚度的含氮层，该含氮层的厚度为1-2埃。
可选地，步骤S3中使用氮等离子体轰击步骤S2处理后的前腔面的时间为2min-10min。
S4，调整磁控溅射真空室内的温度为200-300℃，通过200-300 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使氮等离子体轰击并注入步骤S3处理后的前腔面，当磁控溅射真空室内的温度在300-500℃时退火7-15min，使N原子与Ga原子键合生成(Al)GaN化合物作为钝化层。
随着反应的不断进行，磁控溅射真空室内的温度不断升高，升至300-500℃时进行退火工艺。该步骤使前腔面的悬挂键与N原子充分键合，起到钝化效果，因为N原子的键能大，形成的Ga-N键更稳定。
S5，关闭磁控溅射真空室内的氮源并开启磁控溅射真空室内的碳源，通过50-100W的射频功率溅射石墨产生碳等离子体，使用碳等离子体轰击并注入步骤S4处理后的前腔面后，关闭磁控溅射真空室内的碳源，形成C-N共注入钝化层。
由于氮等离子体的能量较高，因此，步骤S4中氮等离子体轰击并注入步骤S3处理后的前腔面后，对前腔面有一定的损伤，在前腔面出现了新的断键，这时通过该步骤S5中的碳等离子体轰击并注入步骤S4处理后的前腔面，使得C原子与腔面的断键充分结合，而C键与As键的键合能较小，易发生键合，因此稳定性高。C原子能在前腔面均匀扩散，以补偿表面损伤的前腔面，从而达到保证解理腔面的悬挂键的饱和与稳定的效果。
其中，C-N共注入钝化层的化合物中包括C元素、N元素、Al元素及腔面材料中的其它元素，如Ga元素、As元素等。具体包括的其它元素与腔面材料相关。
S6，在步骤S5处理后的前腔面沉积SiO2薄膜，并在SiO2薄膜外蒸镀增透膜。
其中，SiO2薄膜能够防止钝化后的前腔面在空气中被杂质污染或者氧化。
可选地，增透膜的材料为ZnSe。另外，增透膜的材料还可以为Si/ZnSe或Si/SiO2。也就是说，在制备增透膜时，可以先制备一层Si，再在Si外层制备一层ZnSe；或者，先制备一层Si，再在Si外层制备一层SiO2。增透膜的周期数1~2个，透射率为90%~95%。在SiO2薄膜外蒸镀增透膜的方式可以参见相关技术中的蒸镀方式，本实施例对此不作详细阐述。通过设置增透膜，可以尽量减少光子在谐振腔中的光损耗，提高半导体激光器的输出功率。
S7，夹具翻面后，开启磁控溅射真空室内的氢源，并通过100-150W的射频功率溅射氢气产生氢等离子体，使用氢等离子体轰击半导体激光器的后腔面后，关闭磁控溅射真空室内的氢源并开启磁控溅射真空室内的氮源，调整磁控溅射真空室内的温度为200-300℃，通过100-150 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使用氮等离子体继续轰击后腔面后，用200-300 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使氮等离子体轰击并注入后腔面，当反应温度在300-500℃时退火7-15min，使N原子与Ga原子键合生成(Al)GaN化合物作为钝化层。
该步骤S7为对后腔面进行钝化的过程，其原理同上述步骤S2至S4中的原理相同。
可选地，步骤S7中使用氢等离子体轰击半导体激光器后腔面的时间为1min-10min，使用氮等离子体继续轰击后腔面的时间为10min-20min。
S8，关闭磁控溅射真空室内的氮源并开启磁控溅射真空室内的碳源，通过50-100W的射频功率溅射石墨产生碳等离子体，使用碳等离子体继续轰击并注入后腔面后，关闭磁控溅射真空室内的碳源，并在后腔面沉积SiO2薄膜及在SiO2薄膜外沉积高反膜。
该步骤中使用碳等离子体继续轰击并注入后腔面的原理与上述步骤S5中的原理相同。
其中，高反膜的材料可以为Si/SiO2或Si/Al2O3材料。也就是说，在制备高反膜时，可以先制备一层Si，再在Si外层制备一层SiO2；或者，先制备一层Si，再在Si外层制备一层Al2O3。高反膜的周期数为2-4个。高反膜的反射率为94%-98%。通过设置高反膜可以减少光子在谐振腔中的光损耗，提高半导体激光器的输出功率。
本发明实施例还提供一种半导体激光器，该半导体激光器采用上述实施例提供的半导体激光器腔面的钝化方法进行腔面钝化。如图2所示，其为通过本发明实施例提供的半导体激光器腔面的钝化方法钝化后形成的半导体激光器的立体图，图3为图2的主视图。该半导体激光器包括：外延片，外延片由下至上依次包括GaAs衬底、N-GaAs缓冲层、N-AlGaAs限制层、N-AlGaAs波导层、有源区层、P-AlGaAs波导层、P-AlGaAs限制层、P-GaAs顶层和P型高掺杂电极接触层；多个从P-GaAs顶层刻蚀至GaAs衬底上表面的沟道，沟道的两侧及底面镀有SiO2钝化层；设置于p-GaAs顶层上面的SiO2介质膜；制备于P型高掺杂电极接触层和SiO2介质膜上面的P电极层和制备于GaAs衬底背面的N电极层；蒸镀于外延片、P电极层和N电极层左右两侧的C-N共注入钝化层，C-N共注入钝化层为先用氮等离子体轰击并注入外延片、P电极层和N电极层后，再继续用碳等离子体轰击并注入外延片、P电极层和N电极层而形成；蒸镀于C-N共注入钝化层外侧的SiO2薄膜和分别制备于SiO2薄膜两侧的高反膜和增透膜。
其中，N-GaAs缓冲层用于缓冲GaAs衬底与N-AlGaAs限制层之间的晶格失配；N-AlGaAs限制层用于提供电子并限制光场分布；N-AlGaAs波导层与P-AlGaAs波导层用于提供光子的反射传播；有源区层是发光层；P-AlGaAs限制层用于提供空穴，并限制光子进入P-AlGaAs限制层以外的外延层，降低光的损失；P-GaAs顶层用于起到电流扩散的作用；P型高掺杂电极接触层用于与P电极层形成欧姆接触。
由于半导体激光器是一定数量的芯片并列在一起的，因此，沟道用于阻止激光芯片之间电和光的相互影响，以进行光隔离和电隔离。深刻蚀沟道至GaAs衬底上表面的主要目的是把半导体激光器的侧壁全部镀上SiO2钝化层，以避免后续倒装封装后形成漏电通道。SiO2介质膜用于起到保护和限流的作用，通过设置SiO2介质膜可以有效提高激光芯片的特性参数。其中，SiO2薄膜能够防止钝化后的前腔面和后腔面在空气中被杂质污染或者氧化。
可选地，C-N共注入钝化层的厚度为3-6Â。其中，“”与“nm”之间的关系为1nm=10Â。
可选地，P-GaAs顶层的厚度为1000～13000Â。优选地，P-GaAs顶层的厚度为1150Â。
可选地，沟道的深度为55000~60000Â，该深度为从P-GaAs顶层至GaAs衬底上表面的厚度。
可选地，P电极层的厚度为1500 ~3000Â。
可选地，N电极层的厚度为3000~5000Â。将N电极层的厚度设置在这个范围，可以提高压焊的合格率。
可选地，P型高掺杂电极接触层的厚度为1000～13000Â，优选为1150Â。
可选地，P电极层的材料为Ti/Pt/Au，即P电极层的材料包括Ti层、镀在Ti层上的Pt层和镀在Pt层上的Au层。N电极层的材料为Au/Ge/Ni和Au，即n电极层的材料可以包括为Au层、镀在Au层上的Ge层和镀在Ge层上的Ni层，还可以仅包括Au层。
可选地，高反膜的材料为Si/SiO2或Si/Al2O3，即高反膜的材料包括Si层和SiO2层，或者高反膜的材料包括Si层和Al2O3层。高反膜的周期数为2~4个，透射率为为94%~98%。每个周期的高反膜的厚度根据半导体激光器的波长而定。通过设置高反膜，可以尽量减少光子在谐振腔中的光损耗，提高半导体激光器的输出功率。
可选地，增透膜的材料为Si/ZnSe或Si/SiO2，即增透膜的材料包括Si层和ZnSe层，或者增透膜的材料包括Si层和SiO2层。增透膜的周期数1~2个，透射率为90%~95%。通过设置增透膜，可以尽量减少光子在谐振腔中的光损耗，提高半导体激光器的输出功率。
本发明实施例提供的半导体激光器，通过采用上述半导体激光器腔面的钝化方法，提高了半导体激光器的抗光学灾变水平，提高了半导体激光器在高光功率密度条件下的稳定输出的可靠性，实现了半导体激光器的高功率、长寿命的目的。另外，采用本发明提供的钝化方法钝化后的半导体激光器能够适用于任何环境，无需仅应用于干燥的环境中，应用范围广泛。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种半导体激光器腔面的钝化方法，其特征在于，所述钝化方法包括如下步骤：
S1，将半导体激光器的外延片在空气中解理成巴条，装入镀膜夹具后放入磁控溅射真空室；
S2，开启磁控溅射真空室内的氢源，并通过100-150W的射频功率溅射氢气产生氢等离子体，使用氢等离子体轰击半导体激光器的前腔面；
S3，关闭磁控溅射真空室内的氢源并开启磁控溅射真空室内的氮源，通过100-150 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使用氮等离子体轰击步骤S2处理后的前腔面；
S4，调整磁控溅射真空室内的温度为200-300℃，通过200-300 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使氮等离子体轰击并注入步骤S3处理后的前腔面，当磁控溅射真空室内的温度在300-500℃时退火7-15min，使N原子与Ga原子键合生成(Al)GaN化合物作为钝化层；
S5，关闭磁控溅射真空室内的氮源并开启磁控溅射真空室内的碳源，通过50-100 W的射频功率溅射石墨产生碳等离子体，使用碳等离子体轰击并注入步骤S4处理后的前腔面后，关闭磁控溅射真空室内的碳源；
S6，在步骤S5处理后的前腔面沉积SiO2薄膜，并在SiO2薄膜外蒸镀增透膜；
S7，夹具翻面后，开启磁控溅射真空室内的氢源，并通过100-150W的射频功率溅射氢气产生氢等离子体，使用氢等离子体轰击半导体激光器的后腔面后，关闭磁控溅射真空室内的氢源并开启磁控溅射真空室内的氮源，调整磁控溅射真空室内的温度为200-300℃，通过100-150 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使用氮等离子体继续轰击后腔面后，用200-300 W的射频功率溅射氮气产生氮等离子体，使氮等离子体轰击并注入后腔面，当反应温度在300-500℃时退火7-15min，使N原子与Ga原子键合生成(Al)GaN化合物作为钝化层；
S8，关闭磁控溅射真空室内的氮源并开启磁控溅射真空室内的碳源，通过50~100 W的射频功率溅射石墨产生碳等离子体，使用碳等离子体继续轰击并注入后腔面后，关闭磁控溅射真空室内的碳源，并在后腔面沉积SiO2薄膜及在SiO2薄膜外沉积高反膜。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面的钝化方法，其特征在于，所述步骤S2中使用氢等离子体轰击半导体激光器前腔面的时间为50s-10min。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面的钝化方法，其特征在于，所述步骤S3中使用氮等离子体轰击步骤S2处理后的前腔面的时间为2min-10min。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面的钝化方法，其特征在于，所述增透膜的材料为ZnSe。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面的钝化方法，其特征在于，所述步骤S7中使用氢等离子体轰击半导体激光器后腔面的时间为1min-10min，使用氮等离子体继续轰击后腔面的时间为10min-20min。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器腔面的钝化方法，其特征在于，所述高反膜的材料为Si/SiO2或Si/Al2O3材料，周期数为2-4个。
7.一种半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器的腔面采用上述权利要求1至6中任一权利要求所述的半导体激光器腔面的钝化方法进行钝化。
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