專利名稱：一種真空解理大功率半導(dǎo)體激光器腔面氮鈍化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種真空解理大功率半導(dǎo)體激光器腔面氮鈍化方法，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體激光器鍍膜。
背景技術(shù)：
大功率半導(dǎo)體激光器具有全固態(tài)，體積小，重量輕，長壽命，高效率，可靠性高，可調(diào)制，可穩(wěn)定低壓運轉(zhuǎn)等特點，主要用于固體激光器的泵浦源，并在激光加工，激光焊接，激光打印的等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器是新一代高新技術(shù)的關(guān)鍵元器件，在未來工業(yè)發(fā)展中占著舉足輕重的作用。半導(dǎo)體激光器在生產(chǎn)和使用中，其光學(xué)元件部分會出現(xiàn)退化現(xiàn)象。退化現(xiàn)象會影響半導(dǎo)體激光器的壽命和使用的穩(wěn)定性。半導(dǎo)體激光器退化主要分為三種漸變退化，迅速退化和光學(xué)災(zāi)變。按照位置分為發(fā)生在晶體外部退化叫做外部退化，發(fā)生在晶體內(nèi)部退化叫做內(nèi)部退化。半導(dǎo)體激光器腔面退化屬于外部退化，產(chǎn)生原因是在外部工作環(huán)境影響下，極易潮解，氧化，在腔面附近，自然氧化物誘導(dǎo)缺陷和雜質(zhì)非輻射復(fù)合。半導(dǎo)體激光器腔面鈍化工藝主要是通過對半導(dǎo)體激光器腔面處理，去除因為解理芯片而帶來的污染和在空氣中氧化帶來的不穩(wěn)定氧化層，通過引入某種原子與工作物質(zhì)表面的懸掛鍵形成較穩(wěn)定的新的化學(xué)鍵，即形成一個鈍化層，成功地降低工作物質(zhì)表面的態(tài)密度，鈍化層形成后可以在激光器前后腔面上分別鍍制某種致密的介質(zhì)膜保護(hù)鈍化層，介質(zhì)膜還能滿足激光器單面輸出對反射率的要求，即設(shè)計合理膜系在激光器前腔面鍍制增透膜，后腔面鍍制高反膜。綜合兩種方法可以有效的降低腔面的非輻射復(fù)合，提高激光器光學(xué)災(zāi)變損傷(COD)閾值，減少激光器輸出損耗。為了降低半導(dǎo)體激光器腔面污染給激光器帶來損傷，人們嘗試多種方法在半導(dǎo)體腔面生成鈍化層，如氧鈍化，硫鈍化，氫鈍化等。但是氧鈍化會產(chǎn)生很多缺陷，氧化反應(yīng)帶來復(fù)雜的表面組分；硫溶液鈍化半導(dǎo)體腔面穩(wěn)定性較差，需要在鈍化后再次鍍制保護(hù)層；氫鈍化的實驗比較難控制，鈍化時間過長會導(dǎo)致半導(dǎo)體表面元素流失，且鈍化易產(chǎn)生不穩(wěn)定的物質(zhì)；而氮鈍化則較好的克服了以上幾種鈍化方法缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大功率半導(dǎo)體激光器腔面保護(hù)工藝方法，最大限度保護(hù)半導(dǎo)體激光器解理后新鮮腔面免受污染，有效解決半導(dǎo)體激光器腔面失效問題，提高半導(dǎo)體激光器可靠性。本發(fā)明提供一種真空解理半導(dǎo)體激光器腔面氮鈍化的方法，其特征在于，包括以下步驟1，半導(dǎo)體激光器放在帶有離子源真空解理機(jī)2中解理臺4上，從離子源1通入高純氮氣，通入流量20至40sCCm，離子源能量60至lOOev，在解理室里形成N+離子，在純氮的環(huán)境下進(jìn)行解理時，解理后半導(dǎo)體激光器新鮮腔面懸掛鍵在N+離子作用下減少，把解理出的半導(dǎo)體激光器Bar條3裝入鍍膜專用夾具，然后迅速放入電子束蒸發(fā)真空鍍膜機(jī)行星
_t ο2，氮離子深度鈍化，把真空鍍膜機(jī)用冷泵抽至高真空，開通氮氣源，通入流量40 至60sCCm，用IOOev到200ev范圍氮離子束轟擊半導(dǎo)體激光器腔面，鈍化溫度100至250°C， 在除去腔面的氧化物和腔面吸附的雜質(zhì)同時，減小表面態(tài)缺陷，形成GaN鈍化層。3，氫離子去雜，關(guān)閉鍍膜機(jī)氮氣源，通入氫氣源，通入流量20至50SCCm，用80至 IOOev范圍H+離子束轟擊半導(dǎo)體激光器腔面，轟擊時間不少于6min，基體加熱溫度200°C以上，去除步驟2反應(yīng)后殘留在腔面上無用As單質(zhì)。4，用電子束蒸發(fā)離子輔助(IAD)沉積方法，在GaN鈍化層6進(jìn)行光學(xué)厚度為半導(dǎo)體激光器激射中心波長四分之一增透膜5鍍制。5，專用夾具翻面后，用電子束蒸發(fā)離子輔助沉積方法，在另一面GaN鈍化層6進(jìn)行低折射率介質(zhì)膜7和高折射率介質(zhì)膜8交替生長高反膜鍍制，低折射率膜7和高折射率介質(zhì)膜8的光學(xué)厚度均為半導(dǎo)體激光器激射中心波長四分之一。本發(fā)明的優(yōu)點在于通過帶有離子源裝置新式真空解理機(jī)中通入保護(hù)氣體的做法， 最大限度避免傳統(tǒng)上在空氣中解理對半導(dǎo)體激光器腔面腐蝕和沾污，在真空解理新鮮腔面時，用氮離子源轟擊腔面，使得解理后腔面的懸掛鍵減少。而用氮離子進(jìn)行腔面深層鈍化處理，有效避免了氧鈍化，硫鈍化，氫鈍化等傳統(tǒng)鈍化方式不足，有效地降低了半導(dǎo)體腔面非輻射復(fù)合，阻止腔面膜里的氧擴(kuò)散到半導(dǎo)體激光器芯片材料里，提高半導(dǎo)體激光器的可靠性。


圖1 本發(fā)明通入離子源氣體真空解理半導(dǎo)體激光器示意圖；圖中1，解理機(jī)上離子源(N2), 2，帶離子源裝置新型真空解理機(jī)，3，解理后半導(dǎo)體激光器Bar條，4，解理臺。圖2 本發(fā)明半導(dǎo)體激光器氮鈍化及其增透膜和高反膜鍍制后示意圖；圖中5，增透膜，6，氮鈍化層(GaN)，7，低折射率高反膜，8，高折射率高反膜，9，半導(dǎo)體激光器前腔面，10，半導(dǎo)體激光器后腔面。
具體實施例方式1，把激射波長為980nm的InGaAs/GaAs/AWaAs/半導(dǎo)體激光器放在帶有離子源裝置新型真空解理機(jī)2中解理臺4上，從離子源1通入高純氮氣，通入流量35sCCm，離子源能量80ev，在解理室里形成N+離子，在純氮的環(huán)境下進(jìn)行解理時，解理后半導(dǎo)體激光器新鮮腔面懸掛鍵在N+離子作用下減少，把解理出的半導(dǎo)體激光器Bar條3裝入鍍膜專用夾具，然后迅速放入電子束蒸發(fā)真空鍍膜機(jī)行星式轉(zhuǎn)盤上。2，氮離子深鍍鈍化，把真空鍍膜機(jī)用抽至高真空，開通氮氣源，通入流量60SCCm， 用IOOev氮離子束轟擊半導(dǎo)體激光器腔面，鈍化溫度250°C，鈍化時間lOmin，在除去腔面的氧化物和腔面吸附的雜質(zhì)同時，減小表面態(tài)缺陷，形成GaN鈍化層，此過程腔面主要進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)式為GaAs+N2 = 2GaN+As
3，氫離子去雜，關(guān)閉鍍膜機(jī)氮氣源，通入氫氣源，通入流量40sCCm，用85ev低能H+ 離子束轟擊半導(dǎo)體激光器腔面，轟擊時間6min，基體溫度200°C，去除步驟(2)反應(yīng)后殘留在腔面上無用As單質(zhì)。2As+3H2 = AsH3 個4，用電子束蒸發(fā)離子輔助(IAD)沉積方法，在GaN鈍化層6進(jìn)行光學(xué)厚度為半導(dǎo)體激光器激射中心波長四分之一增透膜5鍍制。5，專用夾具翻面后，用電子束蒸發(fā)離子輔助沉積方法，在另一面GaN鈍化層6進(jìn)行低折射率介質(zhì)膜7和高折射率介質(zhì)膜8交替生長高反膜鍍制，低折射率膜7和高折射率介質(zhì)膜8的光學(xué)厚度均為半導(dǎo)體激光器激射中心波長四分之一。6，將鍍膜后的半導(dǎo)體激光器放入合金爐進(jìn)行退火處理，10秒由室溫升至600°C， 并保持此溫度2min，然后降到室溫后取出。7，退火后把半導(dǎo)體激光器Bar條，解理成單個管芯，在銅熱沉燒結(jié)封裝后進(jìn)行測試，進(jìn)行真空解理氮鈍化處理的激光器在電流為6A時仍沒有失效，而不進(jìn)行腔面氮鈍化處理直接鍍膜的半導(dǎo)體激光器在5A時就已經(jīng)失效。8，對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行老化實驗，發(fā)現(xiàn)在鍍相同增透膜和相同高反膜條件下，進(jìn)行本文所描述真空解理腔面氮鈍化的半導(dǎo)體激光器平均壽命為1500小時，而未進(jìn)行真空解理腔面氮鈍化的半導(dǎo)體激光器平均壽命只有1000小時。在空氣中直接解理沒有進(jìn)行氮鈍化處理的鍍膜半導(dǎo)體激光器和在真空解理機(jī)中通入離子源保護(hù)氣(N2)并且進(jìn)行深度氮鈍化處理激光器相比較，由于腔面氮鈍化所形成的 GaN薄層在半導(dǎo)體芯片材料和腔面膜之間提供一個足夠高的勢壘，阻止腔面膜里的氧擴(kuò)散到半導(dǎo)體激光器芯片材料里，從而使得進(jìn)行腔面氮鈍化處理半導(dǎo)體激光器工作壽命明顯提高，退化速率明顯降低，有效提高了半導(dǎo)體激光器的可靠性。
權(quán)利要求
1. 一種真空解理大功率半導(dǎo)體激光器腔面氮鈍化方法，其特征在于，包含以下步驟(1)半導(dǎo)體激光器放在帶有離子源真空解理機(jī)中解理臺上，從離子源通入氮氣，通入流量20至40SCCm，離子源能量60至lOOev，在解理室里形成N+離子，在純氮的環(huán)境下進(jìn)行解理時，解理后半導(dǎo)體激光器新鮮腔面懸掛鍵在N+離子作用下減少，把解理出的半導(dǎo)體激光器Bar條裝入鍍膜專用夾具，然后迅速放入電子束蒸發(fā)真空鍍膜機(jī)行星式轉(zhuǎn)盤上；(2)氮離子深度鈍化，把真空鍍膜機(jī)用冷泵抽至高真空，開通氮氣源，通入流量40至 60sccm,用IOOev到200ev范圍氮離子束轟擊半導(dǎo)體激光器腔面，鈍化溫度100至250°C，鈍化時間不小于lOmin，在除去腔面的氧化物和腔面吸附的雜質(zhì)同時，減小表面態(tài)缺陷，形成 GaN鈍化層；(3)氫離子去雜，關(guān)閉鍍膜機(jī)氮氣源，通入氫氣源，通入流量20至50sCCm，用80至 IOOev范圍H+離子束轟擊半導(dǎo)體激光器腔面，轟擊時間不少于6min，基體加熱溫度200°C以上，去除步驟O)反應(yīng)后殘留在腔面上無用As單質(zhì)；(4)用電子束蒸發(fā)離子輔助沉積方法，在GaN鈍化層進(jìn)行光學(xué)厚度為半導(dǎo)體激光器激射中心波長四分之一增透膜鍍制；(5)專用夾具翻面后，用電子束蒸發(fā)離子輔助沉積方法，在另一面GaN鈍化層進(jìn)行低折射率介質(zhì)膜和高折射率介質(zhì)膜交替生長高反膜鍍制，低折射率膜和高折射率介質(zhì)膜的光學(xué)厚度均為半導(dǎo)體激光器激射中心波長四分之一。
全文摘要
一種真空解理大功率半導(dǎo)體激光器腔面氮鈍化方法，屬于半導(dǎo)體光電子器件工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明意義在于在保證半導(dǎo)體激光器輸出功率不變的情況下，提高光學(xué)災(zāi)變閾值，降低激光器退化速率，延長激光器使用壽命。此方法先在真空解理機(jī)中把半導(dǎo)體激光器芯片解理成Ba條，此過程通入高純氮氣作為保護(hù)氣體，使整個解理過程處在高純氮氣的氛圍中，減少解理后新鮮腔面懸掛鍵。解理后，迅速把激光器芯片Bar條放入真空鍍膜機(jī)，用氮離子進(jìn)行腔面深度鈍化，形成GaN鈍化層，再用氫離子去除氮鈍化生成無用雜質(zhì)。在半導(dǎo)體激光器形成GaN鈍化層后在前后腔面分別進(jìn)行增透膜和高反膜鍍制。此技術(shù)方案可應(yīng)用于各類大功率半導(dǎo)體激光器制造。
文檔編號H01S5/028GK102570294SQ20121000927
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者崔碧峰, 計偉, 郭偉玲, 陳京湘 申請人:北京工業(yè)大學(xué)