CN110752506A - 使用相同材料形成的激光面和钝化装置的移位预处理 - Google Patents

Abstract

具有镜面的边缘发射激光二极管，其包括钝化涂层，所述钝化涂层使用移位工艺处理，以处理用于形成钝化层的绝缘材料。利用外部能量源（激光、闪光灯、电子束）以给定的剂量和足够的时间照射材料，以处理钝化层的整个厚度。这种移位激光处理被应用于覆盖激光二极管的两个端面的层（可能包括钝化层和涂层），以稳定整个端面涂层。重要的是，当装置仍处于条形状态时，可以执行该移位工艺。

Description

使用相同材料形成的激光面和钝化装置的移位预处理

技术领域

本发明涉及激光装置，更具体地说，涉及具有镜面的边缘发射激光二极管，所述镜面通过移位工艺进行处理。

背景技术

高功率半导体激光二极管已成为光通信技术的重要组件，特别是因为此类激光二极管可用于光纤泵浦（光信号的放大）和其他高功率应用。在大多数情况下，通常需要激光二极管具有寿命长、输出可靠稳定、输出功率大、光电效率高、光束质量好等特点。现代高功率激光二极管的长期可靠性的一个关键在于激光器切割面的稳定性，该激光器切割面形成激光腔的相对的两块反射镜。

激光端面的物理退化是一种复杂的反应，可由光、电流和热驱动，进而导致功率退化，并且在严重情况下，会导致镜面本身的灾变性光学损伤（COD）。由IBM开发并被称为“E2钝化”的一种工艺已被用来解决这些问题，并将COD的可能性最小化。如M.Gasser等人发表的名称为“半导体激光二极管的镜面钝化的方法”的IBM的美国专利5,063,173中所描述的，E2工艺涉及在裸露端面（镜面）的表面沉积一层硅（或可能是锗或锑）以作为涂层。涂层的存在起到钝化层的作用，可以防止能够与镜面界面反应的杂质扩散。

当今的激光二极管的工作功率相对较高，这些现有技术中的钝化层为沉积形成，已被发现分解，从而可能导致镜面损坏。因此，为了获得用于红外高功率激光二极管的稳定反射镜，对钝化层进行“处理”已成为目前的一种标准做法。如今操作中，处理是一个非常耗时的过程，需要在很长一段时间（例如，几十至几百小时）以降低的电流水平操作激光二极管，以便在沉积的非晶钝化层内形成晶体结构，从而在钝化层和镜面之间形成稳定的界面。除了此处理过程所需的时间外，其还必须在逐个装置地执行，进一步延长了制造过程的时间和费用。

发明内容

本发明解决了减少激光器端面处理所需时间的需要，涉及激光装置，更具体地说，涉及具有镜面钝化涂层的边缘发射激光二极管，使用“移位”辐照工艺来代替传统的减小电流操作方法对钝化涂层进行处理。

根据本发明的教导和原理，利用外部能量源照射用作端面钝化层的材料。优选的，钝化层是绝缘的（或低导电性的）。特别地，它可以使用诸如硅、锗或锑等材料形成。与现有技术中“老化”处理过程所需的延长时间相比，辐照过程本身只需几秒钟或几分钟。

外部能量源可包括激光器、闪光灯、电子束或其他合适的辐射源。能量源可以以连续波（CW）或脉冲方式操作，其中用足以处理钝化材料层的整个厚度的照射剂量照射钝化层。这种移位处理方法适用于激光二极管的端面，并且优选在器件呈条形（即，在切割之前）时进行。然而，应当理解的是，本发明的移位处理过程也可以应用于切割后的单个器件，对单个未安装的模具或安装的模具（例如，安装在卡、载体或子基板上的器件）执行移位处理。

根据本发明的一个或多个实施例的钝化边缘发射激光二极管的端面的示例性移位方法包括以下步骤：a）在反应室中，在边缘发射激光二极管的裸露面的表面上沉积一层或多层钝化材料以形成预定厚度的端面涂层；b）从反应室中移除激光二极管；和c）用来自能量源的光束照射端面涂层一段时间，该时间足以使光束贯穿该预定厚度以处理端面涂层。在一种替代方法中，在执行辐照步骤之前，可以在钝化层上沉积外部涂层（从而充分处理并提供钝化层和涂层组合的稳定性）。

本发明的另一个实施例采用边缘发射激光二极管的形式，其包括半导体基板，在其上形成有用于在工作波长下产生光的波导结构；形成在波导结构的相对面上的一对切割面；形成预定厚度的钝化层以覆盖一对切割面，其中贯穿该预定厚度的钝化层被充分处理，并且在至少一个钝化层上直接形成反射涂层。

本发明的其他和进一步的实施例和方面将在以下讨论过程中和通过参考附图变得明显。

附图说明

图1是边缘发射半导体激光二极管的示意性平面图；

图2示出了根据本发明的一个或多个实施例的用于执行激光二极管钝化层的移位处理的示例性布置；

图3示出了执行移位处理的一种替代布置，在这种情况下，提供钝化层和覆盖涂层的充分处理或稳定；以及

图4包含一组图，示出了通过使用根据本发明的移位处理来改善COD。

具体实施方式

正如下文将详细描述的，本发明的目的是利用移位工艺来完全处理用作激光二极管的暴露面上的涂层的钝化层。此处所用的“移位”是为了强调根据本发明原理形成的处理（即使用外部能量源提供的处理）与现有技术的“原位”处理之间的区别，所述“原位”处理是通过操作激光二极管装置本身（通常在很长一段时间下以降低的电流水平）来实现的。延长的时间）。为了本发明的目的，短语“ 充分处理”主要是指处理贯穿该层的整个厚度的包含钝化层（例如，硅、锗、锑）的材料。为了本发明的目的，“完全条件”还可以描述为提供整个面覆盖层的移位稳定，包括钝化层和覆盖在钝化层上的标准涂层（以及它们之间的所有界面，例如钝化膜-芯片界面）。

如下面将讨论，本发明的移位方法允许在一条激光二极管（在切割成单个器件之前）上执行，因此相对于现有技术中逐个产品处理的工艺而言，该工艺的效率得到了显著提高。另外，取决于待处理的大小/面积，本发明的移位工艺仅需要以几秒或几分钟的时间进行，而不是传统的设备操作的处理方法所要求的时间。

现在转向图，在图1的平面图中示意性地说明了示例性的激光二极管。激光器形成于具有前端面12和相对的后端面14的半导体光电芯片（或“条”）10中。条10包括垂直结构（未详细显示），该垂直结构通常由外延沉积在GaAs基板上的AlGaAs、GaAs和相关的III-V半导体材料层组成。然而，应该理解的是，在本发明的范围内可能存在其他材料的组合。

在这些装置的商业生产中，在单个砷化镓晶片（GaAs wafer）上同时形成大量这样的条，随后沿着自然解理面切割晶片，以形成大量具有前端面12、后端面14以及垂直排列的侧面16、18的独立的条10，如图1所示。在晶片上执行的半导体处理还形成在前端面12、后端面14之间延伸并垂直于前端面12、后端面14的波导结构20。虽然在大多数情况下，波导结构20是脊形波导，但也可能是其他配置（例如，埋置异质结构波导，其在高功率应用中是优选的）。在许多高功率应用中，波导结构20具有基本大于激光发射波长的宽度，以形成宽域激光器。

作为制造工艺的一部分，切割面12、14采用传统的E2钝化工艺。也就是说，将条10加载到反应室中，并将钝化材料沉积到预定厚度，以在面12和14的镜面上提供涂层。钝化材料需要是绝缘的（或低导电性的），优选包含硅、锗或锑，并且还可以包含这些材料的任何氧化物或氮化物。在图1中，沉积材料显示为钝化层22、24。此时，可使用本发明的移位处理方法。

根据本发明的一个或多个实施例，钝化层22、24的处理由外部系统30提供，如图2所示。外部系统30包括用于产生光束34的能量源32，该光束34通常在可见光范围（例如，532nm）内，但也可以包括UV或IR光束。能量源32可在连续波（CW）或脉冲模式下发射。在图2中所示的具体实施例中，来自能量源32的光束34随后穿过聚焦透镜36，并沿着覆盖在激光二极管条10的有源区域上的钝化层22的部分38进行扫描。激光二极管条10可以安装在传统的子基板夹具40上，并相对于来自能量源32的辐射移动，以便聚焦光束在钝化层22的横向范围内被扫描。能量源32可包括任何能够辐射满足所需的均匀处理所述钝化材料的能量的辐射源。具体而言，能量源32可包括激光源、闪光灯、电子束源或产生足够的能量来处理贯穿钝化层22的整个厚度的光束的任何其他系统。

如图2所示的光谱仪42可用于监测该处理过程。例如，可使用常规方法在光谱仪42内分析钝化层22的散射/重定向辐射，以确定达到完全处理时的时间点。一旦监测信号稳定后，外部能量系统可以被停用。

可以理解的是，相同的移位辐射工艺可用于沿着激光二极管的相对端面充分处理钝化层24。实际上，可以配置同时处理两个端面的系统。研究发现，这种移位辐照工艺提供的处理可达到对钝化层的整个厚度的钝化材料的均匀处理。与激活器件并在降低的功率水平下进行处理的现有技术方法相比，这是一个明显的优势，该现有技术方法有时会导致钝化材料的部分不均匀状态。

如上所述，在钝化层和反射涂层都被涂覆在激光器端面上之后，也可以执行本发明的处理工艺。图3示出一个示例性的激光二极管，其结构类似于图1所示的配置。在这种情况下，进一步处理以在钝化层22上沉积第一涂层26，和在钝化层24上沉积第二涂层28。在大多数情况下，氮化硅用作涂层26、28。其他合适的涂层材料包括但不限于硅、锗、砷化镓、氧化硅、氧化铝、钛氧化物、氮化铝和氧化钽。

与图1的实施例类似，使用能量源30照射涂层26和下面的钝化层22，以充分处理和稳定激光二极管结构。在照射下，涂层和钝化层的结构都会以稳定设备并引起产生所需的高COD水平的方式发生变化。例如，当氮化硅用作涂层材料时，氮化硅在照射期间保持非晶形（与结晶相反），但氮化物材料中的原子构型确实发生变化。同时，该照射使钝化层结晶并在钝化层和芯片之间形成界面。

因此，根据本发明的图3实施例，短语“充分处理”是指在结构上改变涂层，使钝化层结晶，并在激光器芯片和钝化层之间形成界面。因此，本发明的移位处理工艺可以被认为是通过对这些层所做的改变来“稳定”激光二极管本身。

将根据本发明形成的装置的COD电流与使用传统的老化工艺的装置进行了比较。应当指出，“COD电流”是指激光面遭受灾变性光学损伤（COD）的电流。图4示出了这一比较的结果。特别地，图4包含一组图I，其示出了仅受传统E2工艺（无任何后处理）的器件的电流函数的COD功率。图II与使用相同的现有技术E2工艺创建的装置相关，随后是在低电流/功率水平下操作装置的传统的“原位”处理工艺。显然地，这些经过处理的器件的性能超过了第一组的那些器件，其具有更高的 COD水平。图III与根据本发明形成的装置相关；也就是说，使用移位处理工艺提供钝化层的完全处理。特别地，图4中所示的结果出自根据上述实施例结合图3形成的装置，其中形成了移位处理工艺以稳定涂层和钝化层。

可以看到，根据本发明形成的装置的COD水平比现有技术的装置稍高。虽然这显然是本发明的一个目标，但可以在整个激光器条（而不是在单个的装置级别）上执行完全处理的事实也是重要的且是对现有技术的重大改进。此外，相对于低电流水平老化所需的几十到几百小时，本发明的移位处理工艺比标准的老化工艺效率高出若干个数量级，其能够在几秒钟或几分钟内充分处理/稳定结构。

综上所述，已经发现本发明的方法可以均匀且充分地处理标准E2钝化层（以及覆盖涂层，当存在时），消除了现有技术中发现的垂直和横向处理不均匀性。本发明的方法被证实可以在不烧损的情况下最大限度地提高镜面损坏发生的电流水平（即，COD电流/光功率）。这就消除了现有技术中通过芯片操作进行芯片训练的需要。生产批次内的COD电流的分布也有所减少。

此外，如上所述，可以在条水平（即，芯片分离前）对激光器端面进行移位完全处理。这允许在短时间内对大量条进行充分处理，这对于批量生产情况是优选的。事实上，本发明的方法也消除了客户在装置上执行任何处理步骤的需要，正如过去的某些情形的情况一样。

应当理解，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明的原则可以以其他的特定形式实施。所述实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的，而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由上述说明书指示。在权利要求同等含义和范围内的所有变化都包含在其范围内。

Claims (14)

1.一种钝化边缘发射激光二极管的端面的方法，包括：

a）在反应室中，在所述边缘发射激光二极管的裸露面的表面上沉积一层或多层钝化层，以形成预定厚度的端面涂层；

b）从所述反应室中移除所述边缘发射激光二极管；以及

c）用能量源充分照射所述端面涂层，以贯穿所述预定的厚度处理所述端面涂层。

2.如权利要求1所述的方法，其中在执行步骤c）时，使用激光源照射所述端面涂层。

3.如权利要求1所述的方法，其中在执行步骤c）时，使用闪光灯照射所述端面涂层。

4.如请求项1中所述之方法，其中在执行步骤c）时，使用电子束照射所述端面涂层。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述方法应用于激光二极管被切割成单个器件之前。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述一层或多层钝化层由选自硅、锗、锑，以及硅、锗、锑的氧化物、氮化物或其组合的材料组成。

7.如权利要求1所述的方法，其中使用脉冲作为能量源。

8.如权利要求1所述的方法，其中使用连续波作为能量源。

9.如权利要求1所述的方法，其中在执行步骤a）时，且在执行步骤c）的照射前，在每个所述钝化层上沉积一层涂层。

10. 如权利要求9所述的方法，其中所述涂层包含选自硅、锗、砷化镓、氧化硅、氮化硅、氧化铝、钛氧化物、氮化铝、氧化钽或其组合组成的材料。

11.一种边缘发射激光二极管，包括

半导体基板，在其上形成有用于在工作波长下产生光的波导结构；

一对切割面，形成在所述波导结构的相对面上；

预定厚度的钝化层，形成以覆盖所述一对切割面，其中贯穿所述预定厚度的所述钝化层被充分处理；以及

反射涂层，直接形成在至少一个所述钝化层上。

12.如权利要求11所述的边缘发射激光二极管，其中实施反射涂层与所述钝化层共同被充分处理。

13.如权利要求11所述的边缘发射激光二极管，其中所述钝化层包含选自硅、锗、锑及其氧化物、氮化物或其组合组成的激光辐照材料。

14.如权利要求11所述的边缘发射激光二极管，其中所述反射涂层由硅、锗、砷化镓、氧化硅、氮化硅、氧化铝、钛氧化物、氮化铝、氧化钽或其组合的材料形成。

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