RU2814419C1 - Способ пассивации лазеров GaAs методом электронно-лучевого испарения с ионным ассистированием - Google Patents
Способ пассивации лазеров GaAs методом электронно-лучевого испарения с ионным ассистированием Download PDFInfo
- Publication number
- RU2814419C1 RU2814419C1 RU2022127830A RU2022127830A RU2814419C1 RU 2814419 C1 RU2814419 C1 RU 2814419C1 RU 2022127830 A RU2022127830 A RU 2022127830A RU 2022127830 A RU2022127830 A RU 2022127830A RU 2814419 C1 RU2814419 C1 RU 2814419C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thickness
- layer
- resonator
- beam evaporation
- electron
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 8
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 7
- -1 nitrogen ions Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 11
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 claims 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 7
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 32
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 20
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 14
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к способу защиты зеркал резонатора лазерных диодов с помощью пассивирующих покрытий. Способ пассивации лазеров GaAs методом электронно-лучевого испарения с ионным ассистированием содержащий этапы, на которых лазерную гетероструктуру на основе GaAs разделяют на линейки или кристаллы лазерных диодов во внешней атмосфере, обеспечивая сколотые грани резонатора, затем на внешнюю грань резонатора напыляют методом электронно-лучевого испарения слой кремния толщиной от 2 до 3 нм, затем нитридизируют поверхность ионами азота, обеспечивая слой кремния толщиной от 1,2 нм до 1,5 нм и слой Si3N4 также толщиной от 1,2 нм до 1,5 нм, затем напыляют просветляющее покрытие из Al2O3. Технический результат - увеличение оптической прочности выходных зеркал и срока службы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к способу защиты зеркал резонатора лазерных диодов с помощью пассивирующих покрытий.
Мощные полупроводниковые лазеры в настоящее время находят применение во многих различных областях науки и техники. Но срок службы лазерного диода может быть ограничен из-за такого эффекта, как спонтанная катастрофическая оптическая деградация (разрушение) выходного зеркала резонатора. Это связано с оптическим поглощением на зеркалах, что приводит к образованию электронно-дырочных пар, которые безызлучательно рекомбинируют в области грани, вызывая ее нагрев. Поэтому работы по повышению оптической прочности зеркал лазерных диодов являются актуальными.
Порог катастрофической оптической деградации может быть повышен путем применения методики скалывании грани в сверхвысоком вакууме и нанесении защитного покрытия, а также специальных процедур пассивации граней и т.д. Все методики в большинстве случаев направлены на уменьшение скорости поверхностной рекомбинации и оптического поглощения на передней грани, что в конечном итоге приводит к увеличению срока службы полупроводниковых лазерных диодов.
Известен способ пассивации и защиты граней резонатора полупроводниковых лазеров RU 2421856, который способствует увеличению оптической прочности выходных зеркал и выходной оптической мощности полупроводниковых лазеров, а также увеличению долговременной надежности полупроводниковых лазеров. При реализации способа 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 10-10 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. После обработки ионами плазмы азота проводят локальный прогрев обрабатываемых граней резонатора ускоренными электронами плазмы ионов аргона при положительном потенциале на образцах 20-30 В.
Наиболее близким технически решением к предлагаемому является метод пассивации зеркал полупроводниковых лазерных диодов (US 5144634). Ключевыми этапами метода являются: (1) обеспечение свободной от загрязнений поверхности зеркала с последующим (2) нанесением сплошного изолирующего (или слабопроводящего) пассивирующего слоя. Этот слой образован материалом, который действует как диффузионный барьер для примесей, способных вступать в реакцию с полупроводником, но не вступающих в реакцию с поверхностью зеркала. Чистая зеркальная поверхность получается скалыванием в чистой среде или скалыванием на воздухе с последующим травлением зеркала и последующей очисткой поверхности зеркала. Пассивирующий слой состоит из Si, Ge или Sb. Заявлен также второй слой Si, содержащий Si3N4.
К недостаткам указанных патентов можно отнести тот факт, что после разделения на линейки или кристаллы лазерных диодов во внешней атмосфере происходит очистка поверхности граней с помощью бомбардировки ионами. Обычно после такого процесса остается приповерхностный поврежденный ионами слой, содержащий радиационные дефекты. Этот слой может приводить к безызлучательной рекомбинации на радиационных дефектах, вызывая нагрев, приводящий к катастрофической оптической деградации.
Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления полупроводниковых лазеров, обеспечивающего увеличение оптической прочности выходных зеркал и увеличение срока службы. Поставленная задача решается тем, что способ создания полупроводниковых лазеров содержит этапы, на которых разделяют гетероструктуру на линейки или кристаллы полупроводниковых лазеров во внешней атмосфере, затем наносят тонкий слой кремния, толщиной от 2 до 3 нм электронно-лучевым испарением. После чего ионами азота нитридизируют осажденный слой кремния, что обеспечивает слой кремния толщиной от 1,2 нм до 1,5 нм и слой Si3N4 также толщиной от 1,2 нм до 1,5 нм. Затем наносят просветляющее покрытие из Al2O3 толщиной 150 нм также электронно-лучевым испарением с ионным ассистированием кислородом. Толщины пассивирующего нитридного слоя Si3N4 достаточно, чтобы решить задачу диффузии кислорода из последующих кислородсодержащих слоев. Кроме этого, наличие системы слоев Si/Si3N4 обеспечивает защиту от ионов при ионном ассистировании ионам кислорода при напылении слоя оксида алюминия.
Отличием от аналога в настоящем способе является проведение процессов напыления без первичной очистки поверхности граней с помощью бомбардировки ионами, напылением покрытия из Al2O3, поверх пассивирующего слоя, выступающего в качестве толстого защитного слоя, а также наличия слоя Si3N4, выступающего в роли слоя для защиты от ионов при ионном ассистировании ионам кислорода при напылении слоя Al2O3.
Настоящий способ создания полупроводниковых лазеров поясняется чертежом (фиг. 1).
На фиг. 1 схематично изображен вариант способа пассивации зеркал резонатора лазерных диодов.
На фиг. 1 введены следующие обозначения:
1 - слой Al2O3;
2 - тонкий слой Si3N4;
3 - тонкий слой Si;
4 - гетероструктура на основе GaAs.
На фиг. 2 показано, как снижается мощность лазера со временем работы устройства для лазера, в котором используется вышеупомянутый процесс (кривая 1) и для лазера, в котором не проводилась пассивация граней резонатора (кривая 2).
Предлагаемый способ осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций. На подложке GaAs выращивают лазерную гетероструктуру. После чего на выращенной гетероструктуре формируют омические контакты с размерами, необходимыми для решения поставленных задач. Лазерную гетероструктуру разделяют на линейки полупроводниковых лазеров. Скалывание на линейки может происходить в кислородсодержащей атмосфере. Геометрические размеры линеек: ширина задает количество одиночных полупроводниковых лазеров, а длина - длину резонатора полупроводниковых лазеров. После чего линейки загружают в камеру, для дальнейших процессов напыления. На следующем этапе проводят напыление тонкого слоя кремния, толщиной от 2 до 3 нм электронно-лучевым испарением. После чего ионами азота нитридизируют осажденный слой кремния, что обеспечивает слой кремния толщиной от 1,2 нм до 1,5 нм и слой Si3N4 также толщиной от 1,2 нм до 1,5 нм. Наличие системы слоев Si/Si3N4 указанной толщины обеспечивает условия, когда атмосферный кислород или кислород из кислородсодержащих пленок не оказывает воздействие на поверхность граней резонатора. Напыление пассивирующего нитридного слоя с большей толщиной приводит к падению мощности и уменьшению времени жизни полупроводниковых лазеров. Последующее просветляющее покрытие Al2O3 напыляют электронно-лучевым испарением с ионным ассистированием кислородом, толщиной около 150 нм.
В результате реализации заявленного способа пассивации лазеров GaAs получают линейки полупроводниковых лазеров на внешней грани резонатора которого сформированы пассивирующее и просветляющее покрытие.
Заявляемый способ пассивации позволяет увеличить срок службы полупроводниковых лазеров. Достигнуто это за счет использования системы слоев Si/Si3N4, суммарной толщиной от 2 до 4 нм. Заявленной толщины достаточно, чтобы решить задачу диффузии кислорода из последующих кислородсодержащих слоев и при этом не повлиять на падение мощности полупроводникового лазера.
Пример
Для реализации способа была выращена гетероструктура, содержащая алюминий в волноводе и эмиттере, которая обеспечивает лазерную генерацию на длине волны 975 нм. Гетероструктуру расщепляли на линейки в кислородсодержащей атмосфере. Затем проводили напыление первого слоя Si производилось методом электронно-лучевого испарения без использования источника ионного ассистирования. Процесс проводился при остаточном давлении внутри камеры 10-4 и температуре подложек 200°С. Контроль толщины покрытия осуществлялся косвенно с помощью системы спектрального оптического контроля посредством измерения спектра пропускания свидетеля из стекла К8. При значении коэффициента пропускания, равном 65% на длине волны 380 нм, толщина кремния составила 2,8 нм. После осаждения слоя производилась его нитридизация с помощью ионного источника Холловского типа с подачей газа N2 непосредственно в анодное пространство источника. После процесса нитридизации, коэффициент пропускания свидетеля на выбранной длине волны составил 85%, что соответствует толщине кремния 1,5 нм и толщине нитрида кремния 1,3 нм. Во время процесса нитридизации использовались следующие параметры источника асситирования: ускоряющее напряжение - 120 В; ток анода 3,6 А; ток спирали - 17 А. После проведения процесса нитридизации, осаждалось просветляющее защитное покрытие из оксида алюминия с толщиной 150 нм. Геометрические размеры кристаллов: тело свечения 90×500 нм, а длина 4 мм задает длину резонатора полупроводниковых лазеров. На фиг. 2 показано, как снижается мощность лазера со временем работы устройства для лазера, в котором используется вышеупомянутый процесс (кривая 1) и для лазера, в котором не проводилась пассивация граней резонатора (кривая 2). Испытания на долговременную надежность показали, что время наработки на отказ составляет не менее 800 часов при работе на 10 Вт выходной оптической мощности, в то время как у полупроводниковых лазеров без пассивирующего слоя время наработки на отказ составляет не больше 170 часов при работе на 10 Вт выходной оптической мощности.
Claims (2)
1. Способ пассивации лазеров GaAs методом электронно-лучевого испарения с ионным ассистированием, содержащий этапы, на которых лазерную гетероструктуру на основе GaAs разделяют на линейки или кристаллы лазерных диодов во внешней атмосфере, обеспечивая сколотые грани резонатора, затем на внешнюю грань резонатора напыляют методом электронно-лучевого испарения слой кремния толщиной от 2 до 3 нм, затем нитридизируют поверхность ионами азота, обеспечивая слой кремния толщиной от 1,2 нм до 1,5 нм и слой Si3N4 также толщиной от 1,2 нм до 1,5 нм, затем напыляют просветляющее покрытие из Al2O3.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что напыляют просветляющее покрытие из Al2O3, поверх пассивирующего слоя, толщиной 150 нм.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2814419C1 true RU2814419C1 (ru) | 2024-02-28 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5144634A (en) * | 1989-09-07 | 1992-09-01 | International Business Machines Corporation | Method for mirror passivation of semiconductor laser diodes |
| RU2421856C1 (ru) * | 2009-10-07 | 2011-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Эльфолюм" | Способ пассивации и защиты граней резонатора полупроводниковых лазеров |
| RU2646529C1 (ru) * | 2016-12-21 | 2018-03-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики к ионизирующим излучениям |
| US11196231B2 (en) * | 2017-04-20 | 2021-12-07 | Osram Oled Gmbh | Semiconductor laser diode and method for manufacturing a semiconductor laser diode |
| RU208280U1 (ru) * | 2020-05-07 | 2021-12-13 | Акционерное общество "ВЗПП-Микрон" | Защитное покрытие полупроводникового прибора |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5144634A (en) * | 1989-09-07 | 1992-09-01 | International Business Machines Corporation | Method for mirror passivation of semiconductor laser diodes |
| RU2421856C1 (ru) * | 2009-10-07 | 2011-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Эльфолюм" | Способ пассивации и защиты граней резонатора полупроводниковых лазеров |
| RU2646529C1 (ru) * | 2016-12-21 | 2018-03-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Гетероструктурный полевой транзистор на основе нитрида галлия с улучшенной стабильностью вольт-амперной характеристики к ионизирующим излучениям |
| US11196231B2 (en) * | 2017-04-20 | 2021-12-07 | Osram Oled Gmbh | Semiconductor laser diode and method for manufacturing a semiconductor laser diode |
| RU208280U1 (ru) * | 2020-05-07 | 2021-12-13 | Акционерное общество "ВЗПП-Микрон" | Защитное покрытие полупроводникового прибора |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6618409B1 (en) | Passivation of semiconductor laser facets | |
| US7442628B2 (en) | Semiconductor laser manufacturing method | |
| US7687291B2 (en) | Laser facet passivation | |
| CN101394062B (zh) | 一种半导体激光器腔面钝化方法 | |
| US5668049A (en) | Method of making a GaAs-based laser comprising a facet coating with gas phase sulphur | |
| JP2004538652A (ja) | 無汚染レーザーミラーおよびそれらの不動態化を得る方法 | |
| US9450375B2 (en) | High-power diode laser and method for producing a high-power diode laser | |
| CN111106528A (zh) | 一种半导体激光器的镀膜方法及半导体激光器 | |
| EP1251608B1 (en) | Method for manufacturing semiconductor laser device | |
| KR100500908B1 (ko) | 건식 산화물 에칭용 자외선/할로겐 처리 | |
| JPH0856057A (ja) | 高出力半導体レーザのエンド・ミラーを準備しパッシベーションする方法および関連するレーザ・デバイス | |
| RU2814419C1 (ru) | Способ пассивации лазеров GaAs методом электронно-лучевого испарения с ионным ассистированием | |
| US7338821B2 (en) | Method for the passivation of the mirror-faces surfaces of optical semi-conductor elements | |
| US20090162962A1 (en) | Method of manufacturing nitride semiconductor laser | |
| US6744796B1 (en) | Passivated optical device and method of forming the same | |
| JP2007059732A (ja) | 窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法 | |
| RU2676230C1 (ru) | Способ изготовления полупроводниковых лазеров | |
| RU2421856C1 (ru) | Способ пассивации и защиты граней резонатора полупроводниковых лазеров | |
| JP2001223427A (ja) | 半導体レーザ素子の製造方法 | |
| GB2309582A (en) | Method and apparatus for manufacturing a semiconductor device with a nitride layer | |
| JP2000150504A (ja) | 薄膜形成方法および薄膜形成装置 | |
| JPS6057634A (ja) | 表面保護膜形成方法 | |
| CN118198853A (zh) | 钝化切割后的半导体结构的方法 | |
| WO2024017553A1 (en) | Method for manufacturing an edge emitting semiconductor laser diode | |
| JPH0856053A (ja) | 光学薄膜の形成方法及びその形成装置 |