ITMI940859A1 - Metodo per la preparazione e la passivazione degli specchi terminali di laser a semiconduttore ad alta potenza di emissione e relativo dispositivo - Google Patents
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Description
Introduzione:
La presente invenzione si riferisce ad un processo per il trattamento delle faccette di laser a semiconduttore, atto ad impedirne la degradazione durante l'operazione in regime di alta potenza, ed al relativo dispositivo.
In questi anni, i dispositivi laser ad alta potenza di emissione luminosa, hanno guadagnato importanti campi di applicazione.Sono attualmente impiegati, ad esempio, in sistemi di registrazione ottica, in stampanti laser, in sistemi di comunicazione ottica.
Uno dei fattori che limita maggiormente la potenza di emissione dei dispositivi laser a semiconduttore con lunghezza d'onda di emissione minore di circa un micrometro (escludendo con questo gli emettitori basati su fosfuro di Indio, che sembrano immuni da queste problematiche) e' la cosiddetta degradazione catastrofica degli specchi.
Questo fenomeno si presenta come una fusione localizzata degli specchi del laser, praticamente annullando la potenza emessa dal dispositivo.E' un fenomeno che non presenta, su una scala temporale usuale della vita dei dispositivi, fenomeni di degradazione graduale ad esso associabili ma al contrario ha tutte le caratteristiche di un processo autocatalizzante che si consuma su una scala temporale dei microsecondi.
Se il meccanismo intimo e' ancora parzialmente oscuro, la fenomenologia associata e' stata variamente investigata nel corso degli ultimi anni.Ad esempio nell' articolo di A. Moser intitolato "Thermodynamics of facet damage in cleaved AlGaAs lasers" apparso su Applied Physics Letters voi. 59, anno 1991, da pagina 522, viene proposto un formalismo empirico per la previsione della vita media di dispositivi basati su leghe AlGaAs, il cui meccanismo principale di guasto e' la degradazione catastrofica degli specchi.
Il modo di degradazione e' condiviso da dispositivi basati su leghe che non contengono Alluminio, come si evidenzia nell' articolo di D. Sala ed altri, intitolato "Analysis of catastrophic optical damage for AlGaAs/InGaAs and InGaP/InGaAs strained quantum well lasers" presentato alla conferenza ESREF 93, tenutasi a Bordeaux il 4-7 Ottobre 1993.
Questo fenomeno e' predominante in regime di alta potenza di emissione, mentre a bassa potenza la vita media di questi dispositivi può' superare le 10A5 ore, come ben mostrato nell'articolo di M. Okayasu ed altri, intitolato "Estimation of thè reliability of 0.98 um InGaAs/GaAs strained quantum well lasers" apparso sul Journal of Applied Physics voi.72, anno 1992, da pagina 2119.
Meccanismo di degrado:
Ampio consenso si riscontra nella letteratura specializzata a riguardo della catena di eventi che conduce alla degradazione catastrofica degli specchi.il fenomeno si presenta come una fusione localizzata delle faccette del laser, risultante nell'autoassorbimento della radiazione emessa dal dispositivo stesso e promossa da una elevata velocita' di ricombinazione non radiativa.
La alta velocita' di ricombinazione superficiale all' interfaccia del semiconduttore con l'aria porta ad un aumento della temperatura nella regione dello specchio rispetto alle zone interne del dispositivo .Questo riscaldamento localizzato provoca una riduzione locale della banda proibita di energia nella regione dello specchio rispetto alle zone interne del dispositivo; quindi il coefficiente di assorbimento può' aumentare notevolmente, risultando a sua volta nella produzione di piu' calore.E' chiaro come questo meccanismo di retroazione positiva possa rapidamente condurre alla fusione localizzata delle faccette .
Prior art:
Sulla base di questo modello interpretativo la letteratura specializzata riporta varie possibili soluzioni al problema.
Ad esempio nell'articolo di Y. Shima ed altri, intitolato "Effects of facet coatings on thè degradation characteristics of GaAs/GaAlAs lasers", apparso su Applied Physics Letters voi.31, anno 1977, da pagina 625, viene mostrato l'effetto protettivo di rivestimenti dielettrici sulla affidabilita' dei dispositivi .Questo metodo non e' comunque sufficiente ad eliminare completamente il fenomeno di degradazione catastrofica degli specchi, come ben mostrato nell' articolo citato di A.Moser.
Una altra proposta di soluzione e' presentata nell'articolo di T.Shibutani ed altri, intitolato "A novel high power laser structure with current-blocked regions near cavity facete" apparso su IEEE Journal of Quantum Electronics vol. QE-23, anno 1987, da pagina 760, dove viene proposto l'utilizzo di regioni atte ad impedire il flusso di corrente in prossimità' delle faccette del laser e contemporaneamente vengono ridotte le dimensioni dell'attivo nella stessa zona al fine di sopprimere l'aumento di temperatura locale, responsabile della degradazione catastrofica degli specchi.il processo di fabbricazione di questi dispositivi e' particolarmente complicato, richiedendo due crescite epitassiali su substrati non planari, e' effettuabile solamente con tecniche di deposizione epitassiale con grande anisotropia nella velocita' di crescita (quale la deposizione da fase liquida) ed inoltre non vengono mostrati, nell'articolo citato, sufficienti dati di supporto alla affermazione dell' efficacia del metodo.
Scopo dell'invenzione:
Lo scopo dell'invenzione e' quello di proporre un metodo di passivazione delle faccette di laser a semiconduttore che consenta di eliminare la degradazione catastrofica degli specchi del laser, permettendo quindi l'utilizzo ad alte potenze di emissione di questi dispositivi.
Lo scopo viene raggiunto mediante la applicazione del metodo che viene descritto in dettaglio nel paragrafo seguente, e che e' generalizzabile a dispositivi laser formati da materiali diversi da quelli indicati come esempio nel flusso del processo in esame.
Vengono infine riportate le caratteristiche di dispositivi a cui e' stato applicato il processo oggetto dell'invenzione, comparate a dispositivi funzionalmente identici che non hanno subito alcun trattamento .
Descrizione dettagliata:
Il processo di passivazione e' applicato su strutture laser ad eterogiunzione, il cui processo di fabbricazione e' noto e viene sommariamente descritto di seguito.
Una strutura multistrato composta da un substrato, ad esempio di arseniuro di Gallio (GaAs), su cui viene depositata una sequenza di strati epitassiali con tecniche quali la Metal-Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) o la Molecular Beam Epitaxy (MBE). Tale struttura comprende:
i) buffer di tipo n di GaAs
ii) cladding inferiore di AlGaAs di tipo n
iii) guida ottica composta di AlGaAs con contenuto di Alluminio inferiore a quello degli
strati ii) e vi)
iv) strato attivo di InGaAs
v) guida ottica composta di AlGaAs con contenuto di Alluminio inferiore a quello degli
strati ii) e vi)
vi) cladding superiore di AlGaAs di tipo p
vii) strato di GaAs di tipo p per il contatto elettrico della struttura
La lavorazione delle fette epitassiali cosi' ottenute prevede una sequenza di passi tecnologici atti a formare la struttura guidante, a realizzare la contattatura elettrica, per giungere sino allo sfaldamento delle barrette da cui ricavare i dispositivi propriamente detti.
Al fine di realizzare la guida ottica, ad esempio di tipo Ridge Waveguide (RW), sono utilizzabili attacchi non selettivi, che permettono di realizzare la guida in un unico processo di attacco.
Due possibili soluzioni note sono:
a) una soluzione impiegata appartiene alla categoria delle miscele H2S04:H202:H20 ampiamente descritte e caratterizzate in letteratura.
b) una ulteriore possibilità' per realizzare questo tipo di strutture prevede un processo plasma Reactive Ion Etching (RIE).In questo caso la struttura planare, opportunamente mascherata con Ni al fine di ottenere la guida confinata, viene posta sul catodo all'interno di una campana da vuoto.
I gas di processo, ad esempio una combinazione di CH4/H2/Ar, vengono introdotti in successione e si innesca una scarica a 13.56 MHz.
La superficie del semiconduttore e' quindi a contatto con ioni reattivi che la attaccano sia fisicamente (per bombardamento) che chimicamente, mentre la profondità' dell'attacco e' continuamente controllata in-situ tramite un interferometro laser.
Dalla fetta epitassiale vengono infine separate delle barrette laser, ottenute mediante incisione meccanica e sfaldatura per la formazione degli specchi del dispositivo .
Sulle barrette laser cosi' formate si applica il processo di passivazione descritto di seguito.
Le barrette, le cui faccette sfaldate sono state esposte all'aria dall'istante della separazione e presentano quindi un notevole grado di ossidazione, sono introdotte in un reattore rf (13.56 MHz) a piatti paralleli Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) con un vuoto di base P base < 10~(-5) bar ed operante ad una pressione variabile tra 0.1-0.5 bar.
La prima fase del processo consiste nella rimozione degli ossidi degli elementi del gruppo V, presenti sullo specchio del laser, mediante la creazione di un ambiente riducente di plasma idrogeno.
L'ossigeno legato, ad esempio, ad arsenico o fosforo, in presenza di un ambiente fortemente riducente, reagisce con gli elementi del gruppo III formando ossidi piu' stabili quali GaO(x), AlO(x) e InO(x).Contestualmente si formano idruri volatili degli elementi del gruppo V, quali AsH3 e PH3, che vengono allontanati dalla superficie.
L'allontanamento di contaminanti ed ossidi, a questo stadio di processo, e' già' sufficiente a diminuire il degrado dei dispositivi laser a cui venga applicata questa prima parte del trattamento oggetto della presente invenzione.
Durante il processo di allontanamento di ossidi, contaminanti e specie elementari del gruppo V, si verifica una diffusione di idrogeno elementare all'interno del semiconduttore.
E' noto, vedi ad esempio l'articolo di A.Y.Pakhomov ed altri, intitolato "Hydrogen passivaiion: relevance to semi-insulating III-V materiale" presentato alla "6th Conference on Semi-insulating materials, Toronto, Canada, 1990", che l'idrogeno inattiva i livelli elettronici profondi nei materiali III-V.
La passivazione mediante idrogeno si mantiene anche ad alta temperatura, sino a circa 600 C, riducendo quindi stabilmente i processi di ricombinazione non radiativa associata a questi livelli elettronici.
Si ottiene quindi uno strato diffuso tridimensionale con bassa capacita' di generazione di calore.
Sorprendentemente, questo metodo di passivazione non e' mai stato applicato a dispositivi laser a semiconduttore, e questa conoscenza e' rimasta confinata a studi di base di fisica dello stato solido.
In una seconda fase viene prodotto un plasma di ammoniaca nel reattore PECVD, allo scopo di rimuovere i rimanenti ossidi del gruppo III, riportando la faccetta del laser in condizioni di stechiometria composizionale e libera da contaminanti.
Questi processi avvengono in condizioni di temperatura T=250-350 (300) C, ad una pressione P=0.1-0.5 (0.35) bar, ad una potenza rf =5-20 (7) W per un tempo t=10-1000 (500) s, dove le condizioni preferite sono indicate tra parentesi.
La rimozione completa degli ossidi nativi e dei cluster di As o P elementari, porta ad una riduzione dei difetti di antisito associati a As o P con una diminuzione drastica della velocita' di ricombinazione superficiale ed il riscaldamento locale ad esso collegabile viene quindi notevolmente ridotto.
La superficie cosi' preparata mantiene un certo grado di reattività' verso l'ambiente esterno.Si procede quindi alla deposizione di uno strato dielettrico protettivo, quale SiN(x), allo scopo di isolare la superficie dello specchio del laser dall'ambiente esterno.
Tale processo di deposizione avviene in immediata sequenza alle fasi precedentemente descritte, in modo da non interrompere la continuità' del processo e mantenere un ambiente fortemente riducente.
Lo strato incapsulante viene depositato in condizioni di minimo stress rispetto al semiconduttore di supporto, mediante un aggiustamento graduale del suo contenuto di azoto, e variando il contenuto di idrogeno presente nel film.
La fase finale del processo prevede un ciclo termico di stabilizzazione della struttura passivata che viene effettuato in ambiente di H2/N2 ad una temperatura T=300-450 (430) C per un tempo t-5-60 (30) s, dove le condizioni preferite sono indicate tra parentesi.
Questo processo permette un ulteriore assestamento della struttura riducendone ulteriormente lo stress.
Il processo sopra descritto può' essere alternativamente effettuato in un reattore di tipo Electron Cyclotron Resonance (ECR) operante in condizioni di vuoto base piu' spinto ,
P base <10^(-11) bar, con riduzione del danneggiamento associato alla componente fisica del processo, ovvero del bombardamento ionico della superficie .
Può' essere ugualmente applicato a strutture laser a semiconduttore formate da materiali diversi quali, ad esempio, leghe di tipo InGaAsP sia per la sostituzione diretta delle leghe contenenti Alluminio che per la realizzazione di strutture laser emettenti nella regione spettrale del visibile mediante l'impiego di strutture basate su leghe, ad esempio, di tipo InGaAlP.
Lo strato incapsulante può' essere inoltre formato da AlN(x), depositato in condizione di minimo stress, mediante un aggiustamento graduale del suo contenuto di azoto, e variando il contenuto di idrogeno presente nel film.
Sulle barrette laser ottenute a fine processo si effettua la deposizione di strati dielettrici aventi funzioni ottiche di alto/basso riflesso.
Queste deposizioni sono indispensabili sia per proteggere ulteriormente gli specchi del laser dall' ossidazione, sia per utilizzare al meglio la potenza emessa dal dispositivo che, intrinsecamente simmetrico, la irradierebbe in egual misura dalle due faccette terminali.
Per gli strati antiriflesso si depositano generalmente strati singoli a λ/4 di allumina, dove per l'alto riflesso si usa un numero appropriato (2-3) di bi-strati di allumina e silicio.
Evidenze sperimentali:
La presenza di ossidi o contaminanti sugli specchi terminali del laser risulta, come ampiamente descritto in precedenza, in un aumento della velocita' di ricombinazione superficiale.
La tecnica diagnostica di fotoluminescenza (PL) e' in grado di rivelare lo stato della superficie, essendo l'intensità' dei picchi di PL inversamente proporzionale alla velocita' di ricombinazione superficiale .
Questa tecnica permette inoltre di misurare l'evoluzione temporale del segnale di PL, ovvero di seguire gli eventuali fenomeni di degradazione della superficie .In figura l viene riportato l'andamento del segnale di PL nel caso di campioni non trattati (NT) e trattati (T2) secondo il processo oggetto di questa invenzione.
Si può' notare come il segnale di PL proveniente da campioni NT decresca nel tempo, indicando cosi' un degrado progressivo della superficie.Al contrario i campioni T2 non solo non mostrano degrado, ma evidenziano una progressiva stabilizzazione della superficie con conseguente aumento del segnale di PL. Il comportamento dei dispositivi T2 e' comparato in figura 2 a quello di dispositivi NT; i dispositivi non trattati dopo un breve periodo di operazione nella degradazione catastrofica degli specchi.
All'opposto, i dispositivi T2 operano senza mostrare degrado apprezzabile durante il periodo temporale dell'esperimento .
Claims (13)
- Rivendicazioni : 1) Metodo per la preparazione e la passivazione degli specchi terminali di laser a semiconduttore ad eterogiunzione, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di trattare detti specchi laser in ambiente fortemente riducente al fine di eliminare gli ossidi nativi ed i contaminanti superficiali.
- 2) Metodo in accordo alla rivendicazione 1), caratterizzato dal fatto che detto ambiente riducente comprende idrogeno nascente.
- 3) Metodo in accordo alla rivendicazione 2), caratterizzato dal fatto che detto ambiente riducente e' generato da plasma idrogeno.
- 4) Metodo in accordo alla rivendicazione 2), caratterizzato dal fatto che detto ambiente riducente e' atto alla diffusione di idrogeno nella zona attigua ai detti specchi .
- 5) Metodo in accordo alla rivendicazione 1), caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente la fase di trattamento degli specchi laser in plasma di ammoniaca.
- 6) Metodo in accordo alla rivendicazione 2) o 3), caratterizzato dal fatto di utilizzare un reattore del tipo PECVD.
- 7) Metodo in accordo alla rivendicazione 6), caratterizzato dal fatto che detto reattore opera nell'intervallo di temperatura tra 250 e 350 C, nell'intervallo di pressione tra 0.1 e 0.5 bar, nell'intervallo di potenza rf tra 5 e 20 W e per durata tra 10 e 1000 secondi.
- 8) Metodo in accordo alla rivendicazione 1), caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente la fase di rivestire fisicamente detti specchi.
- 9) Metodo in accordo alla rivendicazione 8), caratterizzato dal fatto che detto rivestimento e' costituito da uno strato di SiN(x).
- 10) Metodo in accordo alla rivendicazione 8), caratterizzato dal fatto che detto rivestimento e' costituito da uno strato di AlN(x).
- 11) Metodo in accordo alla rivendicazione 9) o 10) caratterizzato dal fatto che detto rivestimento e' depositato in condizione di minimo stress dei materiali, mediante la creazione di un gradiente composizionale di azoto e mediante la variazione del contenuto di idrogeno di detto strato.
- 12) Dispositivo laser a semiconduttore ad eterogiunzione, caratterizzato dal fatto di non presentare ossidi nativi e contaminanti alla superficie degli specchi terminali.
- 13) Dispositivo laser a semiconduttore ad eterogiunzione in accordo alla rivendicazione 12), caratterizzato dal fatto di presentare nella zona attigua a detti specchi terminali uno strato comprendente idrogeno, 14) Dispositivo laser a semiconduttore ad eterogiunzione in accordo alla rivendicazione 12) o 13), caratterizzato dal fatto di presentare un rivestimento protettivo deposto sugli specchi terminali.
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