CN1265519C

CN1265519C - 用于半导体激光器后腔面的高反射率膜系的镀膜夹具

Info

Publication number: CN1265519C
Application number: CN 03151154
Authority: CN
Inventors: 吴惠桢; 黄占超; 劳燕锋; 沈勤我; 齐鸣; 封松林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: CN1527450A

Abstract

本发明提供一种半导体激光器后腔面高反射率膜系结构及其腔面镀膜用夹具。其特征在于高反射率膜系由相位匹配的氧化物介质膜(1)、金属膜(2)和氧化物保护膜(3)组成。相位匹配氧化物介质膜和氧化物保护膜为Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂中的一种，相位匹配介质膜的厚度小于四分之一波长，金属膜为铝、金、银中的一种。激光器腔面镀膜所用夹具由三部分组成：叠放激光器解理条的基片为铁质圆片，可移动定位片为磁铁，以及夹持解理条的夹片。其特征在于用磁铁来固定夹片从而夹持解理条，夹片采用厚度与腔长相近的单晶硅解理片。本发明的膜系结构简单，成本低廉，使激光器的功率平均提高70%，阈值电流降低25%左右，镀膜夹具易于操作，适合于进行规模化生产。

Description

用于半导体激光器后腔面的高反射率膜系的镀膜夹具

技术领域

本发明提供一种用于提高用于半导体激光器后腔面的高反射率膜系的镀膜夹具，属于半导体激光器器件和工艺技术领域。

背景技术

自从20世纪60年代半导体激光器问世以来，其在光学存储、显示、通讯、光互联等领域得到了迅速得发展。但是目前研究的两大热点就是降低其阈值电流和提高其输出功率。一种办法是改变有源层和波导层的结构设计；另外一种办法是提高激光器一个腔面的反射率，减少此腔面的出光，使光从另外一个腔面出射，从而来提高输出功率，降低阈值电流。由于半导体激光器因自身解理而形成的谐振腔，其腔面反射率仅为30％左右，近70％左右的光出射，所以有一个腔面就会浪费很大一部分激光。因此在腔面镀上高反射膜就会减少一个腔面的出射损失，提高输出功率。曾经有人采用ZrO2/MgF2多层介质膜系提高腔面反射率，每层介质膜厚度为k/4(杨晓研，“半导体激光器腔面全介质涂层的研究”，光学精密工程，1995，3，3)。根据薄膜光学原理，达到90％以上的反射率，需要介质膜10层以上，但是过多的层数会容易导致介质膜脱落。目前采用在激光器的后腔面镀一层介质薄膜然后镀一层金属膜再镀一层介质保护膜来提高激光器的腔面反射率。这样既可以保护有源层不被氧化，又可以阻止腔面被机械破坏或污染。所采用的氧化物介质膜一般为氧化物薄膜，金属薄膜有银膜(陈娓兮等，“用银膜作反射镜的垂直短腔面发射激光器”，半导体学报，94，15，10)，金膜(杨晓研，“半导体激光器腔面SiO、Au涂层的研究”，半导体技术，1996，4，二)，介质保护膜一般也为氧化物薄膜，由于高反射率金属薄膜的加入，使得此高反膜系反射率达到95％以上，其结构简单，层数少，不容易脱落，逐渐得到了应用。例如发明专利《一种用于半导体激光器腔面反射涂层的结构；(、申请号0二136624.1)就是用SiO：/Ag/SiO2膜系，但是Ag是比较软，易受损伤，且成本世较高，SiO：与III-V半导体材料的接触也不够牢固，在本发明中我们对上述发明做了进一步的改进。

随着镀膜的应用，夹持半导体激光器进行腔面镀膜所使用的夹具越来越受到关注。半导体激光器管芯体积很小(一般为300um×300um×100um)，因此在镀膜时先镀激光器解理条，然后再将镀完膜后的解理条解理得到管芯。镀膜使用的解理条一般长为1～3cm，厚度为100μm，宽度为300μm左右，其强度小，很容易折断。因此人们需要设计出专门的夹具来夹持、固定半导体激光器解理条，对其腔面进行镀膜。目前采用的夹具都是自行设计，结构复杂，难以操作，一般只是用在实验室中作为试验夹具所用，每次只能夹持一条或几条，夹持时力量难以把握，一旦夹持用力太大就会导致激光器断裂，难以实现规模化大批量生产。

发明内容

本发明目的在于提供一种适用于规模生产的半导体激光器后腔面高反率膜系及激光器芯片解理条镀膜所用夹具。

本发明的后腔面高反射膜系结构为(1-/π)×λ/4n厚相位匹配的氧化物介质薄膜/80-150nm厚金属膜(铝、金或银)/50nm厚氧化物介质保护膜(图5)。λ为激光器激射波长，为金属膜的绝对相移，n为氧化物介质薄膜的折射率。整个膜系都采用电子束蒸镀。第一层相位匹配氧化物介质膜的厚度要准确控制，且此膜与激光器应有很好的粘附性。其主要作用是调整激光的相位变化，做到最大增透。同时保护半导体激光器腔面不被氧化、污染及损坏，将金属膜与激光器绝缘。金属膜的厚度在80-150nm左右，其在可见光区及红外区有着较高的反射率，并且易于蒸发，与氧化物介质薄膜的粘附性好。当激光穿透第一层相位匹配氧化物薄膜时得到一次增透，然后在铝膜表面被反射，从而提高了腔面的反射率。最后一层氧化物薄膜只是起到保护作用，其厚度不必严格控制，在此所选择的氧化物保护膜厚为50nm。氧化物介质薄膜和氧化物保护膜分别为Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、ZrO₂等与激光器材料粘附性较强的氧化物薄膜中选择一种。相位匹配介质膜的厚度小于1/4波长；金属膜为铝、金或银中的一种。

本发明的磁性夹具克服了现有夹具结构上不合理因素及操作复杂的缺点。如图1所示，该夹具结构简单，操作方便，适合于大批量生产。该夹具用金属铁片作为底片，厚度为2-3mm左右。底片的一边有一个铝质的固定片，高2-3mm，通过螺丝固定在底片上。铝质的固定片上有两个厚0.5mm，宽4mm的铜压片，此压片主要用来压住硅夹片，防止硅夹片在镀膜过程中脱落。固定片的旁边是两条硅夹片，半导体激光器解理条就夹在两个夹片的缝隙之中。硅夹片的厚度～300um略小于或接近于半导体激光器管芯的腔长，并且夹片侧面要平整。夹片的另外一侧是可移动的磁性定位片，此管芯定位片和底片相互吸引，在移动过程中磁性定位片的侧面和硅夹片相互作用，从而来夹紧半导体激光器解理条。移动定位片的厚度为2-3mm，与硅夹片要有较大的接触面积，且接触面要平整光滑。移动定位片旁边的压片固定在底片上，用来固定硅夹片。

所述的底片，其形状为圆形或方形，表面光滑平整。

由此可见，本发明提供的激光器腔面镀膜所用夹具由三部分组成：叠放激光器解理条的基片为铁质圆片、可移动定位片为磁铁以及夹片条用与腔长相近的单晶硅解理条。综上所述：与现有的半导体激光器后腔面高反射率膜系结构相比，本发明膜系结构的优点为：

第一：膜系结构简单，材料价格低，易于蒸镀，生产成本低，适合于规模化批量生产。

第二：考虑了金属铝、金或银在反射激光时存在的绝对相移，第一层氧化物匹配层厚度由现在的λ/4变为(1-/π)×λ/4，提高了铝膜的反射率。

第三：采用该膜系使半导体激光器功率提高了70％左右，阈值电流降低了25％左右。

与现有的夹具相比，本发明提供的夹具的优点为：

第一：夹具简单，易于制作，操作方便。

第二：采用磁铁作为可移动定位片，可以任意调整所夹持半导体激光器解理条的数量及夹持解理条力量的大小。

第三：不受解理条长短、解理条数量限制，适合于规模化批量生产。

第四：安全可靠，不容易变形，不容易损坏，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明所使用的半导体激光器腔面镀膜夹具。

图2为激光器解理条。

图3为放置一条解理条后的夹具结构示意图。

图4为放置解理条结束后的夹具结构示意图。

图5为高反射率膜系结构。

图6为实施例2所述RWG结构1.3um量子阱半导体激光器后腔面高反膜镀膜前后注入电流与光功率(I-P)特性曲线。图中横坐标为电流，单位mA；纵坐标为输出激光功率，单位mW。图中1-圆形铁底片，2-铝固定片，3-硅单晶夹片，4-可移动磁铁定位片，5-铜压片，6-后腔面，7-出光腔面，8-电极，9-解理条，11-相位匹配的氧化物薄膜层，12-金属膜，13-氧化物保护膜。

具体实施方式

实施例1：腔面镀膜夹具及其使用

如图1所示，底片1采用金属铁片，厚度为3mm左右，其主要目的是和可移动式条形磁铁定位片4相互吸引。底片形状视镀膜设备而定，可以为圆形也可以为方形。放置半导体激光器的面要求平整，并经抛光处理，以减少对激光器出光腔面的机械损坏。固定片2采用金属铝片，这样阻止了可移动磁铁定位片4与固定片2的吸引，铝片厚度为2～3mm。夹片3由硅单晶衬底(厚度～300μm)解理获得，其厚度刚好与半导体激光器解理条的宽度相近，其夹持激光器侧面电极的两个面光滑平整，夹片长度和宽度视加工激光器的数量及规模而定。可移动磁铁定位片4厚度为3mm左右，为长条形，与底片1有一定的吸引力且与底片1接触的面光滑平整，侧面与硅夹片3接触。压片5主要防止夹片3在蒸镀时脱落。

镀膜夹具夹持激光器的操作步骤如下：

1、先用洗涤剂清洗夹具上面的油渍、汗渍、手印等，接着用丙酮清洗，然后用蒸馏水清洗。清洗结束后烘干，接着装激光器解理片。

2、将一条夹片3紧靠固定片2，将整个夹具垂直放置，夹片3与固定片2的接触面与水平面平行。

3、用镊子夹持激光器解理条电极(图2)，将激光器解理条水平放在夹片3向上的侧面上，解理条一边的电极面与夹片接触，另外一边的电极面向上，如图3所示。再将第2条解理条叠放在第1条上，依次类推。

4、放置半导体激光器解理条完毕后将另外一条夹片3沿底片1缓缓放在叠放整齐的激光器解理条上，如图4所示。

5、将整个夹具慢慢水平放置，将磁铁定位片4放置在底片1上，缓慢移动，将其一个侧面与夹片3的一个侧面对齐，从而将半导体激光器解理条夹持在两条夹片之间，这样激光器解理条就被固定在夹具上，压上压片5后放入镀膜设备就可以镀膜。

实施例2：1.3μm量子阱半导体激光器后腔面高反射膜系结构膜系结构：

层数标号	薄膜材料	厚度(nm)
层数标号	薄膜材料	厚度(nm)	111213	Al₂O₃AlAl₂O₃	18015050

从多次试验平均结果可以得出，通过测试镀膜前后的I-P特性，镀膜后激光器功率提高了70％左右，阈值电流减小了25％左右，如图6所示。

Claims

1、一种用于半导体激光器后腔面的高反射膜系镀膜用的夹具，其特征在于所述的夹具是用金属铁片作底片(1)，底片的一边有一个铝质固定片(2)，通过螺丝固定在底片(1)上；铝质固定片上有两个铜压片(5)；铝质固定片的旁边有两条硅夹片(3)，与铝质固定片相对应的另一边是可移动的磁性定位片(4)，定位片(4)和底片(1)互相吸引，夹紧半导体激光器解理条；移动定位片旁边的压片固定在底片(1)上，用来固定硅夹片。

2、按权利要求1所述的高反射膜系镀膜用的夹具，其特征在于底片的厚度为2～3mm，其形状为圆形或方形。

3、按权利要求1所述的高反射膜系镀膜用的夹具，其特征在于采用解理的硅单晶片，其夹持半导体激光器解理条的两个侧面平整，厚度比半导体激光器管芯的腔长稍小或相接近。

4、按权利要求1所述的高反射膜系镀膜用的夹具，其特征在于采用可移动的条形磁铁做定位片，厚度为2～3mm，铝质固定片上的两个铜压片厚度为0.5mm，宽度为4mm。