JP2019515490A - レーザ切子面のパッシベーションおよび当該パッシベーションを実施するためのシステム - Google Patents
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Abstract
Description
半導体レーザは、電気エネルギーを光に変換する光電デバイスであり、たとえば特に光通信システム、レーザプリンタ、ディスクドライブ等の種々の用途において使用されるものである。高出力半導体レーザは特に、レーザ加工用途において有用である。高出力半導体レーザの故障の1つの主な根本的原因は、光学端面損傷(COMD)として知られているものであり、これは典型的には、半導体レーザが高出力で動作する期間が長くなると生じる。高出力パワーでのレーザの動作が長くなると熱が発生し、この熱は、レーザの1つまたは複数の切子面に配置された1つまたは複数のミラーの劣化の原因となる。これにより生じたミラー損傷によってレーザ寿命が短くなり、交換用レーザを入手する必要性によるコストが増大する。
本願開示内容は、半導体レーザ用の高品質のレーザ切子面パッシベーション層の作製と、当該作製を実施するためのシステムとを対象とする。半導体レーザ切子面の準備および当該レーザ切子面上におけるパッシベーション層の形成は全て、統合マルチチャンバUHVシステムを用いて超高真空(UHV)環境下で行われる。切子面洗浄およびパッシベーション作製プロセスを全てUHV環境下で行うことにより、著しく高品質かつ清浄なパッシベーション層界面が達成されて、その結果得られる半導体レーザは優れた性能および信頼性を示し、デバイス故障の根本的原因としてのCOMDの発生が抑えられ、または解消する。さらに、パッシベーション層成長のその場監視を行うことにより、特定の実施態様では、パッシベーション層の化学量論比および厚さの精密な制御が可能になり、デバイス性能がさらに改善する。
図1は、高品質の半導体レーザ切子面パッシベーション層を作製するプロセスの一例100を示している。図2は、プロセス100を実施できる統合マルチチャンバ超高真空(UHV)システム200を示している。図3〜図6は、パッシベーションプロセス100によって向上されたレーザデバイス10の複数の異なる状態を示している。
図8は、複数の異なる作製プロセスに対する2つの別個のレーザアレイの故障パワーを示すグラフである。第1のアレイのレーザは、完全にUHV条件下で形成された単結晶パッシベーション層を備えるように、本願にて開示されているプロセスを用いて準備された。第2のアレイの第2のレーザは、処理中にUHV条件が保たれなかったものではない非晶質のパッシベーション層を用いて準備された。各レーザアレイは8つのレーザダイオードを有し、各アレイの幅は10mmであり、キャビティ長は4mmであった。これらのアレイは、試験中は銅ブロックに取り付けられていた。その試験は、パルスレーザ(パルス持続時間100μs、デューティ比0.1%)を用いて行われた。
本発明の詳細な説明を参照して本発明を説明したが、上記説明は、本発明を詳解するためのものであって、本発明の範囲を限定することを意図したものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定まると解すべきである。他の側面、利点および改良形態も、以下の特許請求の範囲に属する。
Claims (21)
- 多層導波構造体の少なくとも1つの切子面をパッシベーションする方法であって、
マルチチャンバ超高真空(UHV)システムの第1のチャンバ内で前記多層導波構造体の第1の切子面を洗浄するステップと、
洗浄された前記多層導波構造体を前記第1のチャンバから前記マルチチャンバUHVシステムの第2のチャンバへ移動するステップと、
前記第2のチャンバ内で前記第1の切子面に第1の単結晶パッシベーション層を形成するステップと、
前記多層導波構造体を前記第2のチャンバから前記マルチチャンバUHVシステムの第3のチャンバへ移動するステップと、
前記第3のチャンバ内で前記第1の単結晶パッシベーション層上に第1の誘電体コーティングを形成するステップと、
を有し、
前記マルチチャンバUHVシステムのUHV環境下で、前記多層導波構造体を当該UHV環境から取り出すことなく前記方法を実施する、
方法。 - 前記方法はさらに、前記第1の単結晶パッシベーション層の形成中に当該第1の単結晶パッシベーション層の品質を監視することを含む、
請求項1記載の方法。 - 前記第1の単結晶パッシベーション層の品質を監視することは、当該第1の単結晶パッシベーション層から反射高エネルギー電子回折(RHEED)パターンを取得することを含む、
請求項2記載の方法。 - 前記第1のチャンバ内において前記多層導波構造体を前記第1の切子面の洗浄中に第1の向きで配置し、
前記少なくとも1つの切子面のパッシベーションはさらに、
前記第1のチャンバ内で前記多層構造体を前記第1の向きとは異なる第2の向きで配置することと、
前記第1のチャンバ内で前記多層構造体を前記第2の向きに配置した状態で前記多層導波構造体の第2の切子面を洗浄することと、
を含む、
請求項1記載の方法。 - 前記第1のチャンバ内で前記多層構造体を前記第2の向きで配置することは、
前記第1の切子面の洗浄後に前記多層導波構造体を前記第1のチャンバから前記マルチチャンバUHVシステムの第4のチャンバへ移動することと、
前記第4のチャンバ内で前記多層導波構造体を裏返すことと、
裏返した前記多層導波構造体を前記第4のチャンバから前記第1のチャンバへ移動することと、
を含む、
請求項4記載の方法。 - 前記第1の切子面上への前記第1のパッシベーション層の形成中に前記第2のチャンバ内において前記多層導波構造体を前記第1の向きで配置し、
前記少なくとも1つの切子面のパッシベーションはさらに、
前記第2のチャンバ内で前記多層導波構造体を前記第1の向きとは異なる第2の向きで配置することと、
前記第2のチャンバ内で前記多層構造体を前記第2の向きで配置した状態で第2の切子面上に第2の単結晶パッシベーション層を形成することと、
を含む、
請求項1記載の方法。 - 前記第2のチャンバ内で前記多層構造体を前記第2の向きで配置することは、
前記第1のパッシベーション層の形成後に前記多層導波構造体を前記第2のチャンバから前記マルチチャンバUHVシステムの第4のチャンバへ移動することと、
前記第4のチャンバ内で前記多層導波構造体を裏返すことと、
裏返した前記多層導波構造体を前記第4のチャンバから前記第2のチャンバへ移動することと、
を含む、
請求項6記載の方法。 - 前記第1の切子面の洗浄は、前記多層導波構造体の前記第1の切子面に原子水素を当てることによって当該第1の切子面から酸化物を化学的に除去することを含む、
請求項1記載の方法。 - 前記少なくとも1つの切子面のパッシベーションはさらに、前記多層導波構造体を約150℃〜約200℃の間の温度に加熱するために前記多層導波構造体に赤外線を照射することを含む、
請求項1記載の方法。 - 前記第1のパッシベーション層は、前記多層導波構造体の前記第1の切子面に対して格子整合される、
請求項1記載の方法。 - 前記第1のパッシベーション層を約10nm〜約60nmの間の厚さになるまで施す、
請求項1記載の方法。 - 前記第1のパッシベーション層は、II-VI族半導体化合物材料を含む、
請求項1記載の方法。 - 前記方法はさらに、前記マルチチャンバUHVシステムの前記UHV環境下で、固定具に積層された複数の多層導波構造体を前記UHV環境から取り出すことなく、前記複数の各多層導波構造体の少なくとも1つの切子面をパッシベーションすることを含む、
請求項1記載の方法。 - マルチチャンバ超高真空(UHV)システムであって、
移動アームを備えた中央チャンバと、
各対応するゲートバルブによって前記中央チャンバにそれぞれ結合された複数の2次チャンバと、
を備えており、
前記複数の2次チャンバは、気体放出チャンバと、原子水素洗浄チャンバと、分子線エピタキシーチャンバと、イオンビームスパッタ成膜チャンバと、デバイスフリップチャンバとを含み、
前記移動アームは、前記中央チャンバから前記複数の各2次チャンバ内へ伸長するように構成されており、
前記マルチチャンバ超高真空(UHV)システムはさらに、
前記中央チャンバ内および前記複数の2次チャンバ内それぞれにUHV環境を生成するように動作可能なポンプシステムと、
前記移動アーム、前記ゲートバルブおよび前記ポンプシステムに動作可能に結合された制御システムであって、前記移動アームの動きと前記ゲートバルブの開閉とを自動制御するように構成された制御システムと、
を備えている、マルチチャンバ超高真空(UHV)システム。 - 前記気体放出チャンバは、赤外光源を備えている、
請求項14記載のシステム。 - 前記システムはさらに、前記原子水素洗浄チャンバおよび前記制御システムに結合された高周波(RF)発生器および原子水素源を備えており、
前記制御システムはさらに、前記RF発生器によって生成される電力を自動制御し、かつ、前記原子水素源から前記洗浄チャンバへの原子水素の流れを自動制御することにより、前記原子水素洗浄チャンバ内にプラズマを駆動するように構成されている、
請求項14記載のシステム。 - 前記分子線エピタキシーチャンバは、
電子のビームを生成するように動作できる電子銃であって、前記電子のビームを前記分子線エピタキシーチャンバ内のサンプル位置に向かって送るように配置された電子銃と、
前記電子銃によって生成されて前記サンプル位置から回折された電子を検出することによって反射高エネルギー電子回折(RHEED)パターンを生成するように配置された検出器と、
を備えている、
請求項14記載のシステム。 - デバイスであって、
相反対側にある第1の切子面および第2の切子面を少なくとも備えた多層導波構造体と、
前記多層導波構造体の前記第1の切子面に結合された第1の単結晶パッシベーション層と、
前記多層導波構造体の前記第2の切子面に結合された第2の単結晶パッシベーション層と
を備えており、
前記第1のパッシベーション層および第2のパッシベーション層はそれぞれ、前記多層導波構造体に格子整合されたII-VI族半導体化合物材料を含み、
前記デバイスはさらに、
前記第1のパッシベーション層上の第1の反射コーティングと、
前記第2のパッシベーション層上の第2の反射コーティングと、
を備えている、デバイス。 - 前記多層導波構造体は、
N型ドープされたGaAs基板と、
前記GaAs基板上の第1のAlxGa1−xAsクラッド層と、
前記第1のAlxGa1−xAsクラッド層上の第1のAlyGa1−yAsクラッド層と、
前記第1のAlyGa1−yAsクラッド層上のInGaAs活性層と、
前記InGaAs活性層上の第2のAlyGa1−yAsクラッド層と、
前記第2のAlyGa1−yAsクラッド層上の第2のAlxGa1−xAsクラッド層と、
を含み、
前記第2のAlxGa1−xAsクラッド層はP型ドープされており、
ここで、xは0.15〜0.6の間であり、かつ、yは0.24〜0.35の間である、
請求項18記載のデバイス。 - 前記第1のパッシベーション層および前記第2のパッシベーション層は、それぞれZnSeを含む、
請求項19記載のデバイス。 - 前記第1のパッシベーション層および前記第2のパッシベーション層はそれぞれ、約10nm〜約60nmの間の厚さを有する、
請求項20記載のデバイス。
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