RU2421856C1

RU2421856C1 - Способ пассивации и защиты граней резонатора полупроводниковых лазеров

Info

Publication number: RU2421856C1
Application number: RU2009136861/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Олегович Слипченко (RU); Сергей Олегович Слипченко; Илья Сергеевич Тарасов (RU); Илья Сергеевич Тарасов; Никита Александрович Пихтин (RU); Никита Александрович Пихтин; Татьяна Андреевна Налет (RU); Татьяна Андреевна Налет
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Эльфолюм"
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-06-20
Also published as: RU2009136861A

Abstract

При реализации способа лазерную гетероструктуру расщепляют на линейки или кристаллы лазерных диодов во внешней атмосфере, обеспечивая сколотые грани резонатора. Затем линейку или кристалл лазерного диода помещают в вакуумную камеру с остаточным давлением по кислороду не более 10^-10торр, где с целью удаления образовавшихся окислов грани резонатора обрабатывают ионами плазмы аргона при отрицательном потенциале на образцах (-5) - (-10) В. Создают пассивирующий нитридный поверхностный слой на гранях резонатора с использованием плазмы, содержащей азот, при отрицательном потенциале на образцах (-20) - (-30) В. Напыляют, по меньшей мере, один слой блокирующего кислород и взаимную диффузию покрытия Si₃N₄ толщиной 20-30 нм на каждую обрабатываемую грань резонатора при отрицательном потенциале на образцах (-10) - (-15) В. После обработки ионами плазмы азота проводят локальный прогрев обрабатываемых граней резонатора ускоренными электронами плазмы ионов аргона при положительном потенциале на образцах 20-30 В. Технический результат заключается в увеличении оптической прочности выходных зеркал и выходной оптической мощности полупроводниковых лазеров, увеличении долговременной надежности полупроводниковых лазеров, в упрощении процесса изготовления надежных полупроводниковых лазеров. 1 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к способу защиты зеркал резонатора полупроводниковых Фабри-Перо лазерных диодов с использованием плазменного травления, прогрева и осаждения пассивирующих и блокирующих кислород покрытий.

Предпосылки изобретения

Мощные полупроводниковые лазеры находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например, используются в качестве источника оптического излучения для накачки нелинейных кристаллов, волоконных усилителей, волоконных и твердотельных лазеров. Это требует высоких выходных мощностей излучения. Известно, что фактором, ограничивающим использование мощных непрерывных и импульсных полупроводниковых лазеров, является снижение надежности при повышении выходной оптической мощности. В работах [1-4] показано, что низкая надежность обусловлена катастрофической оптической деградацией зеркал лазерных диодов (КОДЗ). КОДЗ является результатом быстрого деградационного процесса, инициированного локальным разогревом поверхности зеркала вследствие безызлучательной рекомбинации. Решение задачи повышения оптической прочности зеркал полупроводниковых лазеров позволит повысить максимальную выходную мощность излучения прибора и надежность его работы. Именно максимальная рабочая выходная мощность определяет эффективность использования излучателя в практических приложениях. Поэтому задача повышения оптической прочности покрытий выходных граней резонатора лазерного диода является актуальной.

Обработка поверхности полупроводниковых кристаллов, в частности граней резонатора Фабри-Перо полупроводниковых лазеров, подвергающихся воздействию высокоинтенсивного оптического излучения, является критическим фактором, определяющим надежность работы приборов, в частности полупроводниковых лазеров. Известно, что присутствие оксидных пленок, неоднородность и шероховатость на необработанных поверхностях полупроводниках образует центры безызлучательной рекомбинации, что приводит к перегреву и деградации приборов за счет поглощения оптического излучения. Поэтому для повышения оптической прочности выходных зеркал Фабри-Перо лазерных диодов следует минимизировать концентрацию центров безызлучательной рекомбинации на поверхности. Обработка поверхности сколотых граней с целью их очистки от загрязнений и дальнейшей защиты от воздействия окружающей кислородсодержащей атмосферы является одним из способов повышения оптической прочности выходных зеркал Фабри-Перо лазерных диодов.

Уровень техники

В патенте США 0287693 описан способ пассивации поверхности зеркал полупроводниковых оптических излучателей, таких как лазерные диоды, суперлюминесцентные диоды для улучшения надежности. Предложенный способ включает два этапа. На первом этапе полупроводниковый элемент, поверхности зеркал которого получены путем скалывания граней на воздухе, помещается в камеру с высоким вакуумом (остаточное давление 10^-7-10^-8 мБар), нагревается до температуры менее 420°С и очищается посредством обработки в газовой, химически активной среде с энергией частиц 1-2 эВ. В качестве газовой среды предпочтительной является плазма атомарного водорода. На втором этапе, в той же камере, на поверхности зеркал наносится защитный слой с низкой проводимостью. Защитный слой состоит из материала, химически инертного по отношению к материалу поверхности зеркал и оптически прозрачного по отношению к генерируемому излучению. Защитный слой также исполняет роль барьера, препятствующего диффузии примесей из окружающей среды к поверхности зеркал. В качестве наиболее предпочтительного материала предлагается ZnSe. Авторы заявляют, что предлагаемый способ пассивации не обеспечивает полного удаления оксидов с поверхности зеркал. Показано, что при использовании описанного способа пассивации для полупроводниковых лазеров мезаполосковой конструкции на основе AlGaAs/GaAs гетероструктуры, излучающих на длине волны 980 нм, величина излучаемой мощности 300 мВт сохранялась в течение 1000 часов непрерывной работы при температуре 40°С. Скорость деградации для полупроводниковых лазеров с пассивированными гранями составила 5*10^-6 час^-1, что на порядок меньше, чем для аналогичных лазеров без пассивированных граней.

В патенте США 5144634 рассмотрен метод пассивации зеркал полупроводниковых лазеров, приводящий к улучшению надежности. Основные шаги предлагаемого метода заключаются в достижении свободной от загрязнений поверхности зеркал и обеспечении нанесения на чистые поверхности зеркал изолирующего пассивирующего слоя, служащего диффузионным барьером для примесей, взаимодействующих с поверхностью зеркала. Заявленный эффект достигается при выполнении следующей последовательности технологических операций. На первом этапе необходимо обеспечение скалывания граней в атмосфере, свободной от загрязнений, что возможно при скалывании в камере с уровнем вакуума 5*10^-8 Па. Сколотые грани без промежуточного контакта с внешней атмосферой обрабатываются путем распыления смесью ионов азот/водород при напряжении 800 В и давлении 0,4 Па. Далее, без промежуточного контакта с внешней атмосферой происходит нанесение пассивирующего слоя толщиной 10-100 нм. Материал защитного слоя должен быть диффузионным барьером для примесей, при этом сам не должен включать химически активные элементы, такие как кислород. В качестве оптимальных материалов предложены Si, Ge и Sb. Возможно напыление второго пассивирующего слоя. Второй пассивирующий слой должен быть на основе другого материала, например Si₃N₄. В этом случае толщина первого слоя 0,5-5 нм, толщина второго слоя по меньшей мере 100 нм. Предложенный метод применим для повышения надежности AlGaAs/GaAs лазерных диодов мезаполосковой конструкции со сколотыми или травлеными гранями Фабри-Перо резонатора. Использование предложенного способа пассивации зеркал позволило увеличить выходную оптическую мощность долговременной работы (300 часов) полупроводникового лазера со 150 до 300 мВт. При выходной оптической мощности 50 мВт использование предложенного способа пассивации зеркал позволило достичь скорости деградации 8,4*10^-7 час^-1. Недостатком данного изобретения является необходимость расщепления лазерной гетероструктуры на кристаллы в условиях высокого вакуума. Это существенно усложняет процесс серийного производства лазерных диодов за счет необходимости создания дополнительных манипуляторов, расположенных и работающих в условиях высокого вакуума.

В патенте США 5177031 рассматривается способ пассивации травленых граней полупроводниковых лазеров с целью улучшения надежности. На первом этапе осуществляется мокрое травление граней кристалла для снятия верхних слоев с механическими повреждениями, полученными при ионной бомбардировке. Обработка осуществляется в растворе H₂SO₄/H₂P₂/H₂O, приготовленном в пропорции 1:8:1000. Далее осуществляется предварительная пассивация за счет формирования сульфидной пленки субмонослойной толщины. Данный этап обработки позволяет удалить с поверхности остаточные оксиды и обеспечивает долговременную химическую стабильность поверхности, а также снижает безызлучательную поверхностную рекомбинацию. Обработка происходит в водном растворе Na₂S / H₂O в течение 10-20 минут при температуре 100-250°С. Далее на поверхность наносится пассивирующий слой Al₂O₃ или Si₃N₄, предотвращающий диффузию элементов, способных взаимодействовать с поверхностью зеркала. Эффективность предложенного способа пассивации проверялась на полупроводниковых лазерах, изготовленных на основе AlGaAs/GaAs гетероструктуры раздельного ограничения с градиентным волноводом (GRINSCH). В результате проведения полного цикла обработки граней скорость наростания тока накачки при выходной оптической мощности 40 мВт была снижена до 10^-6-10^-5 час^-1 по сравнению с необработанными гранями, характеризующимися скоростью деградации 10^-4-10^-3 час^-1. Химическая обработка поверхности в жидких травителях не позволяет достичь такой степени очистки, как при обработке поверхности в условиях высокого вакуума. В патенте США 6590920 представлен способ достижения повышенной стабильности, выходной оптической мощности и долговременной надежности полупроводниковых лазеров, в частности выполненных на основе AlGaAs/GaAs гетероструктуры, излучающих на длине волны 980 нм. Заявленный способ реализуется посредством эпитаксиального выращивания достаточно толстого монокристаллического слоя на сколотых гранях резонатора Фабри-Перо. Толщина должна быть порядка λ/4n (где λ - длина волны генерации в вакууме, n - показатель преломления наращиваемого эпитаксиального слоя). Выращенный слой должен закрывать все слои лазерной гетероструктуры, включая активную область, волновод и эмиттеры. Показатель преломления материала такого слоя должен существенно отличаться от показателя преломления слоев лазерной гетероструктуры для обеспечения необходимых коэффициентов отражения. Ширина запрещенной зоны материала выращиваемого эпитаксиального слоя должна превышать по меньшей мере на 0,3 эВ энергию фотонов лазерного излучения. Наиболее предпочтительным материалом для эпитаксиального заращивания сколотых граней является ZnSe. В предлагаемом способе отмечается, что напыление должно происходить на сколотые грани, очищенные от загрязнений и поверхностных оксидов. Для достижения требуемой величины коэффициентов отражения выходных зеркал лазерных диодов на защищенные таким образом грани поверх выращенного защитного эпитаксиального слоя наносятся пленки Si/SiO₂ требуемой толщины. При использовании описанного способа защиты выходных зеркал резонатора полупроводниковых лазеров, выполненных на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, излучающих на длине волны 980 нм, максимальная мощность достигала 450 мВт и ограничивалась температурным насыщением, а не катастрофической оптической деградацией. Эпитаксиальное заращивание сколотых поверхностей является более сложным и дорогостоящим по сравнению с нанесением диэлектрических пленок методом триодного магнетронного распыления.

В российском патенте RU 2303317 описан способ получения поверхностей, лишенных загрязнений из материалов, выбранных из группы, содержащей GaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaAsP на гранях резонатора полупроводниковых лазеров на основе GaAs. Технический результат изобретения: обеспечение способа пассивации граней резонатора, который отличается простотой, экономичностью и в то же время дает высокий выход за счет повышенной воспроизводимости, обеспечении такой подготовки граней резонатора, которая удовлетворяет требованиям минимизации поглощения света и поверхностной рекомбинации. Сущность изобретения: грани резонатора получают путем скалывания лазерной гетероструктуры во внешней атмосфере, содержащей воздух. Оксиды и другие загрязнения, полученные в ходе воздействия внешней атмосферы на сколотые грани резонатора, удаляют сухим травлением в вакууме. Травление производится газом, содержащим нейтральные атомы азота или ионы азота в молекулярной и/или атомарной форме, а также плазмы инертных и/или химически активных газов, например водорода, аргона и хлорсодержащих газов или их смесей. Если при ионном травлении была использована аргоновая плазма, то лазерное зеркало пассивируют, поэтапно добавляя в аргоновую плазму газообразный азот и постепенно удаляя аргон, пока не обеспечат полностью азотную плазму. Таким образом, поверхности скола, образующие сколотые грани резонатора лазера, нитридируются естественным путем в ходе травления ионами азота. Затем дополнительно осаждают на месте или отдельно тонкую нитридную пленку с использованием химически активной плазмы в сочетании с азотом и, по меньшей мере, одним элементом групп 2b, 3а, 4а и 5а периодической таблицы, например, С, Si, Ga, Zn и Al. В предложенном изобретении не указываются достигаемые уровни надежности и выходной оптической мощности полупроводниковых лазеров с поверхностями сколотых граней, обработанных в соответствии с заявленным в изобретении способом. За прототип взят способ получения лазерных зеркал, лишенных загрязнений, и их пассивации, представленный в патенте RU 2303317.

Задачей изобретения является способ подготовки поверхностей полупроводниковых лазеров, в частности граней, образующих зеркала Фабри-Перо резонатора, обеспечивающий увеличение оптической прочности выходных зеркал и выходной оптической мощности полупроводниковых лазеров. Также задачей изобретения является увеличение долговременной надежности полупроводниковых лазеров. Также задачей изобретения является упрощение процесса изготовления надежных полупроводниковых лазеров.

Краткое описание чертежей

На Фиг 1. показан одиночный кристалл полупроводникового лазера с пассивирующими и блокирующими кислород слоями, включающий: подложку 1, эмиттерный слой n-типа электропроводности 2, первую часть волноводного слоя р- или n-типа электропроводности 3, активную область 4, вторую часть волноводного слоя р- или n-типа электропроводности 5, эмиттреный слой р-типа электропроводности 6, контактный слой р-типа электропроводности 7, омические контакты, сформированные на поверхности контактного слоя р-типа электропроводности 8 и поверхности подложки n-типа электропроводности 9; слой, сформированный на поверхности сколотых граней в результату бомбардировки низкоэнергетичными ионами плазмы азота 10; слои, сформированные на поверхности сколотых граней в результату бомбардировки низкоэнергетичными ионами плазмы азота 10; слои Si₃O₄, сформированные на поверхности, получившейся в результате нитридизации 11; просветляющее интерференционное покрытие 12; отражающее интерференционное покрытие 13.

Раскрытие изобретения

Любым из известных способов эпитаксиального роста твердых растворов соединений А3В5 (молекулярно пучковая эпитаксия, газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений, жидкофазная эпитаксия) на подложке 1 выращивается лазерная гетероструктура, показанная на фиг.1, включающая, по меньшей мере, один эмиттерный слой n-типа электропроводности 2, одну первую часть волноводного слоя р- или n-типа электропроводности 3, одну активную область 4, одну вторую часть волноводного слоя р-или n-типа электропроводности 5, один эмиттреный слой р-типа электропроводности 6, один контактный слой р-типа электропроводности 7. Активная область может содержать несколько слоев с меньшей шириной запрещенной зоны, разделенными между собой барьерными слоями с большей шириной запрещенной зоны. Активная область, волноводные и эмиттерные слои могут быть выполнены на основе систем твердых растворов AlGaAs, InGaAs, InGaAsP, AlInGaAs. Выбор составов, толщин и уровней легирования эпитаксиальных слоев определяется условиями работы полупроводникового лазера, а также возможностью достижения максимальной излучательной эффективности и известей из уровня техники. На выращенной лазерной гетероструктуре на поверхности контактного слоя р-типа электропроводности и поверхности подложки n-типа формируются омические контакты 8 и 9 соответственно с размерами, необходимыми для решения поставленных задач. Затем гетероструктуру расщепляют на линейки, Расщепление на линейки может происходить в кислородсодержащей атмосфере. Геометрические размеры линейки: ширина задает количество излучателей, а длина - длину Фабри-Перо резонатора полупроводниковых лазеров. При расщеплении лазерной гетероструктуры на линейки в кислородсодержащей атмосфере на сколотых гранях, в том числе формирующих зеркала Фабри-Перо резонаторов полупроводниковых лазеров, образуются естественные окислы элементов, входящих в состав твердых растворов эпитаксиальных слоев. С целью удаления образовавшихся окислов поверхности сколотых граней обрабатываются ионами аргона. Процесс обработки проходит в вакуумной камере с остаточным давлением по кислороду не более 10^-10торр. Обработка осуществляется положительными низкоэнергетическими ионами плазмы аргона. Важно отметить, что плазма содержит только ионы аргона, таким образом достигается эффект механического травления поверхности сколов без компонент химического взаимодействия и образования дополнительных загрязнений в виде остатков продуктов химического взаимодействия. Обработка поверхности сколотых граней Фабри-Перо резонатора ионами плазмы аргона происходит при отрицательном значении потенциала обрабатываемых образцов. Величина потенциала лежит в диапазоне (-5) - (-10) В. Это позволяет снизить разрушения поверхности, получающиеся при ионной бомбардировке. В результате обработки сколотых граней происходит полное удаление естественных окислов. В работе [5] показано, что режим обработки низкоэнергетичными ионами плазмы аргона с отрицательным потенциалом на обрабатываемых образцах позволяет сохранить топологию обрабатываемой поверхности.

Далее очищенная поверхности без промежуточного контакта с кислородсодержащей атмосферой подвергается обработке ионами плазмы азота. В результате данной операции формируется поверхностный нитридный слой, способствующий уменьшению плотности поверхностных состояний, участвующих в процессе безызлучательной рекомбинации. Кроме этого нитридный слой стабилизирует состояние поверхности, достигнутое в результате очистки ионами плазмы аргона. Обработка поверхностей ионами плазмы азота происходит при отрицательном потенциале на образцах. От величины потенциала будет зависеть как процесс формирования нитридных соединений на поверхности, так и процесс дефектообразования за счет воздействия высокоэнергетичных ионов азота. Оптимальное значение потенциала, при котором будут минимальные разрушения поверхности и при этом будет сформирован защитный слой нитридных соединений, составляют (-20) - (-30) В. Однако, как показано в работе [6], результатом нитридизации является появление на поверхности слоя сегрегированного мышьяка, вытесненного в результате химического взаимодействия азота с атомами металла, входящими в состав твердых растворов эпитаксиальных слоев лазерной гетероструктуры. Данный факт не принимался во внимание при разработке способов защиты поверхностей полупроводниковых материалов. Присутствие сегрегированного мышьяка ухудшает адсорбцию последующих слоев, наносимых поверх нитридного подслоя, полученного при обработке поверхности ионами плазмы азота. Кроме этого сегрегированный мышьяк может привести к появлению на поверхности уровней ловушек захвата, что увеличит скорость безызлучательной рекомбинации и, как следствие, снижает уровень выходной оптической мощности, при которой происходит разрушение зеркал резонатора. Для удаления атомов сегрегированного мышьяка в данном изобретении предлагается производить локальный прогрев обрабатываемой поверхности ускоренными электронами плазмы ионов аргона. Прогрев осуществляется при положительном потенциале на обрабатываемых образцах. Оптимальная величина потенциала, при которой достигается заявленный в изобретении результат, составляет 20-30 В. Предлагаемый тип прогрева позволяет локализовать область повышенных температур (увеличение температуры поверхности обрабатываемых сколотых граней до 400°С) в поверхностной части структуры (часть структуры, ближайшая к сколотым граням на 15-20 мкм) и не перегревать области омических контактов. Увеличение температуры омических контактов ведет к ухудшению оптических характеристик (увеличение порога, внутренних оптических потерь) полупроводниковых лазеров.

После прогрева без предварительного контакта свежеобработанного скола с внешней, кислородсодержащей атмосферой проводится напыление слоя Si₃N₄. Слой Si₃N₄наностится с целью подавления взаимной диффузии атомов, в частности кислорода. Напыленный слой Si₃N₄ является стоп слоем между поверхностью кристалла и просветляющим покрытием, в случае, если покрытие кислородсодержащее, например SiO₂, а также кислородсодержащей внешней атмосферой. Напыление слоя Si₃N₄происходит в вакуумной камере в атмосфере плазмы ионов азота при остаточном давлении по кислороду не более 10^-10 торр. Оптимальные условия таковы, что процесс напыления происходит при отрицательном потенциале на обрабатываемых образцах. Величина потенциала находится в диапазоне (-10) - (-15) В. Соблюдение указанных условий позволяет снизить дефектообразование на обрабатываемой поверхности за счет бомбардировки высокоэнергетичными ионами плазмы азота. Оптимальное значение толщины напыляемого покрытия Si₃N₄ составляет 20-30 нм. Указанные толщины позволяют достичь заявленного в предлагаемом патенте эффекта.

В результате реализации заявленного в изобретении способа подготовки поверхностей полупроводниковых лазеров, в частности граней, образующих зеркала Фабри-Перо резонатора, получаем линейки или кристаллы лазерных диодов с гранями, образующими зеркала Фабри-Перо резонатора, очищенными от загрязнений, оксидов и сформированными пассивирующими покрытиями, полученными при нитридизации сколотых граней ионами плазмы азота, и покрытиями, блокирующими взаимную диффузию атомов и кислорода, на основе слоя Si₃N₄. Подготовленные в соответствии с заявленным в изобретении способом поверхности полупроводниковых лазеров, в частности грани, образующие зеркала Фабри-Перо резонатора, могут находиться в контакте с кислородсодержащей атмосферой, без снижения надежности и оптической прочности. При этом на подготовленные в соответствии с заявленным в изобретении способом поверхности могут наноситься кислородсодержащие интерференционные диэлектрические покрытия, например SiO₂.

Реализация заявленного в изобретении способа подготовки поверхности позволяет увеличить оптическую прочность выходных зеркал и выходную оптическую мощность полупроводниковых лазеров, а также долговременную надежность за счет:

обработки поверхности положительными низкоэнергетическими ионами плазмы аргона при отрицательном потенциале (-5) - (-10) В на обрабатываемых образцах, обеспечивающей очистку обрабатываемой поверхности от загрязнений и естественных окислов;

последующей обработки поверхности в плазме ионов азота при отрицательном потенциале (-20) - (-30) В на обрабатываемых образцах без промежуточного контакта с кислородсодержащей атмосферой, обеспечивающей формирование нитридного слоя и снижение плотности поверхностных состояний;

последующего локального прогрева обрабатываемой поверхности ускоренными электронами плазмы ионов аргона без промежуточного контакта с кислородсодержащей атмосферой, обеспечивающего удаление с обрабатываемой поверхности атомов сегрегированного мышьяка и увеличение адсорбции последующих слоев, а также сохранение температуры омических контактов, обработка электронами происходит при положительном потенциале на образцах 20-30 В;

последующего напыления слоя Si₃O₄ при отрицательном потенциале (-10) - (-15) В на обрабатываемых образцах, без предварительного контакта свежеобработанного скола с кислородсодержащей атмосферой, обеспечивающего отсутствие дефектообразования на обрабатываемой поверхности за счет бомбардировки высокоэнергетичными ионами плазмы азота, а также подавление взаимной диффузии атомов, в частности кислорода. Реализация заявленного в изобретении способа подготовки поверхности позволяет упростить процесс изготовления надежных полупроводниковых лазеров с повышенной выходной оптической мощностью за счет возможности тестирования кристаллов и линеек лазерных диодов с целью их отбраковки до обработки и напыления просветляющих и отражающих покрытий на сколотые поверхности, а также возможности раскалывания и монтажа кристаллов и линеек лазерных диодов в условиях кислородсодержащей атмосферы, что существенно упрощает и удешевляет используемую аппаратуру. Важно отметить, что достижение заявленных в изобретении результатов возможно при непрерывном выполнении описанных операций без промежуточного контакта с кислородсодержащей атмосферой.

Пример осуществления изобретения

Методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложке (1) GaAs n-типа электропроводности была выращена лазерная гетероструктура, показанная на фиг.1, включающая один эмиттерный слой Al_0,5Ga_0,5As n-типа электропроводности (2) с концентрацией электронов n=8·10¹⁷ см^-3 толщиной 1,5 мкм, одну первую часть волноводного слоя Al_0,5Ga_0,5As (3) с концентрацией электронов n=10¹⁵ см^-3 толщиной 0,87 мкм, одну активную область InGaAs (4) толщиной 11 нм, одну вторую часть волноводного слоя Al_0,5Ga_0,5As n-типа электропроводности (5) толщиной 0,47 мкм, один эмиттреный слой (6) Al_0,5Ga_0,5As р-типа электропроводности с концентрацией дырок р=8·10¹⁷ см^-3 толщиной 1,6 мкм, один контактный слой GaAs р-типа электропроводности (7) толщиной 0,5 мкм с концентрацией дырок р=7·10¹⁹ см^-3. На выращенной лазерной гетероструктуре на поверхности контактного слоя р-типа электропроводности формировался омический полосковый контакт шириной 100 мкм (8), на поверхности подложки n-типа формировался сплошной омический контакт (9). Затем в кислородсодержащей атмосфере гетероструктура расщеплялась на линейки. Геометрические размеры линейки: ширина 1 см давала 25 полосковых контактов, а длина 2 мм задавала длину Фабри-Перо резонатора полупроводниковых лазеров. При расщеплении лазерной гетероструктуры на линейки в кислородсодержащей атмосфере на сколотых гранях, в том числе формирующих зеркала Фабри-Перо резонаторов полупроводниковых лазеров, образовались естественные окислы элементов, входящих в состав твердых растворов эпитаксиальных слоев. При измерении ватт-амперных характеристик полупроводниковых лазеров с напыленными на грани резонатора просветляющими SiO₂ (12) и отражающими Si/SiO₂ (13) диэлектрическими покрытиями максимальная выходная оптическая мощность в непрерывном и импульсном режимах возбуждения достигала 6 Вт и 67 Вт соответственно. При этом испытания на долговременную надежность показали, что время наработки на отказ составляет 200 часов при работе на 2 Вт выходной оптической мощности.

Для других образцов лазерных диодов из той же гетероструктуры был использован заявленный в изобретении способ защиты граней резонатора, включающий следующие этапы:

обработка поверхностей граней резонатора положительными низкоэнергетическими ионами плазмы аргона при отрицательном потенциале (-7) В на обрабатываемых образцах;

последующая обработка поверхностей граней резонатора в плазме ионов азота при отрицательном потенциале (-20) В на обрабатываемых образцах без промежуточного контакта с кислородсодержащей атмосферой;

последующий локальный прогрев обрабатываемых поверхностей граней резонатора ускоренными электронами плазмы ионов аргона без промежуточного контакта с кислородсодержащей атмосферой при положительном потенциале на образцах 20 В;

последующее напыление слоев Si₃O₄ толщиной 30 нм на обрабатываемые грани резонатора при отрицательном потенциале (-10) В на обрабатываемых образцах, без предварительного контакта свежеобработанного скола с кислородсодержащей атмосферой.

Далее на обработанные грани резонатора напылялись просветляющее SiO₂ (12) и отражающие Si/SiO₂ (13) покрытия, после чего происходило измерение ватт-амперных характеристик. Максимальная выходная оптическая мощность в непрерывном и импульсном режимах возбуждения достигала 9 Вт и 120 Вт соответственно. Исследование долговременной надежности показало, что после 1000 часов испытаний на 4 Вт выходной оптической мощности отсутствовали какие-либо ухудшения мощностных характеристик.

Источники информации

[1] D.A.Vinokurov, A.L.Stankevich, N.A.Pikhtin, D.N.Nikolaev, V.V.Shamakhov, S.A.Zorina, V.A.Kapitonov, S.O.Slipchenko, A.D.Bondarev, A.V.Lyutetskiy and I.S.Tarasov, 780 nm laser diodes with In_XGa_1-XAs_YP_1-Y quantum well active region grown by MOVPE, Proceedings of 11^th Intern. Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St.Petersburg, Russia, June, 2003.

[2] В.В.Безотосный, В.В.Васильева, Д.А.Винокуров, В.А.Капитонов, О.Н.Крохин, А.Ю.Лешко, А.В.Лютецкий, А.В.Мурашова, Т.А.Налет, Д.Н.Николаев, Н.А.Пихтин, Ю.М.Попов, С.О.Слипченко, А.Л.Станкевич, Н.В.Фетисова, В.В.Шамахов, И.С.Тарасов, Мощные лазерные диоды с длиной волны излучения 808 нм на основе различных типов асимметричных гетероструктур со сверхшироким волноводом, ФТП, 2008, том 42, выпуск 3.

[3] А.В.Мурашова, Д.А.Винокуров, Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, В.В.Шамахов, В.В.Васильева, В.А.Капитонов, А.Ю.Лешко, А.В.Лютецкий, Т.А.Налет, Д.Н.Николаев, А.Л.Станкевич, Н.В.Фетисова, И.С.Тарасов, Y.S.Kim, D.H.Kang, C.Y.Lee, Мощные лазерные диоды с длиной волны излучения 835 нм на основе различных типов лазерных гетероструктур, ФТП, 2008, том 42, выпуск 7.

[4] J.K.Wade, L.J.Mawst, D, Botez and J.A. Morris, 8.8W CW power from broad-waveguide Al free active-region (l=805 nm) diode lasers, ELECTRONICS LETTERS, 28th May 1998, Vol. 34, № 11

[5] Ю.С.Гордеев, В.В.Брызгалов, Б.Н.Макаренко, В.М.Микушкин, С.Г.Конников, П.Н.Брунков, В.М. Устинов, А.Е. Жуков, Модификация GaAs ионами N2 средних энергий, ЖТФ, 2003, том 73, выпуск 7, стр 88.

[6] А.Н.Петрунов, А.А.Подоскин, И.С.Шашкин, С.О.Слипченко, Н.А.Пихтин, Т.А.Налет, Н.В.Фетисова, Л.С. Вавилова, А.В.Лютецкий, П.А.Алексеев, А.Н.Титков, И.С.Тарасов, Импульсные полупроводниковые лазеры с повышенной оптической прочностью выходных зеркал резонатора, ФТП, 2010, в печати.

Claims

Способ пассивации и защиты граней резонатора полупроводниковых лазеров, содержащий этапы обработки, на которых расщепляют лазерную гетероструктуру на линейки или кристаллы лазерных диодов во внешней атмосфере, обеспечивая сколотые грани резонатора, помещают, по меньшей мере, одну линейку или кристалл лазерного диода в вакуумную камеру с остаточным давлением по кислороду не более 10^-10 торр, где, с целью удаления образовавшихся окислов, грани резонатора обрабатывают ионами плазмы аргона при отрицательном потенциале на образцах (-5)÷(-10)В, создают пассивирующий нитридный поверхностный слой на гранях резонатора с использованием плазмы, содержащей азот, при отрицательном потенциале на образцах (-20)÷(-30)В, напыляют по меньшей мере один слой блокирующего кислород и взаимную диффузию покрытия Si₃N₄ толщиной 20÷30 нм на каждую обрабатываемую грань резонатора при отрицательном потенциале на образцах (-10)÷(-15)В, при этом после обработки ионами плазмы азота проводят локальный прогрев обрабатываемых граней резонатора ускоренными электронами плазмы ионов аргона при положительном потенциале на образцах 20÷30В.