СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРНОГО ДИОДА Российский патент 2003 года по МПК H01S5/343 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых лазерных диодов.

Известен способ изготовления полупроводниковых лазерных диодов, включающий изготовление полупроводниковой лазерной гетероструктуры, которую помещают в вакуумную камеру, снабженную устройством для раскалывания ее на отдельные полосы. Затем в вакууме на боковые грани полос наносят защитное покрытие в виде аморфного соединения А³В⁵, например GaAs, методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) при комнатной температуре. После этого полосы из вакуумной камеры переносят в установку газовой (хлоридной) эпитаксии, удаляют защитное покрытие в виде аморфного соединения А³В⁵ и выращивают методом хлоридной эпитаксии при температуре до 400^oС тонкий монокристаллический слой соединения А³В⁵. Затем полосы извлекают из установки газовой эпитаксии и наносят на одну боковую грань каждой полосы отражающее покрытие, а на противоположную грань - просветляющее покрытие (см. US 6080598).

Недостатком этого технического решения является разделение полупроводниковой лазерной гетероструктуры на отдельные полосы в вакуумной камере, поскольку это сопряжено с использованием специальных сложных и дорогостоящих манипуляторов; кроме того, работа с помощью манипуляторов крайне непроизводительна. Следует также отметить, что перенос полос из вакуумной камеры в установку для газовой эпитаксии является сложной и трудоемкой операцией.

Известен способ изготовления полупроводникового лазерного диода, включающий изготовление полупроводниковой лазерной гетероструктуры, разделение ее на отдельные полосы на воздухе, очистку боковых граней полос в вакууме с помощью пучков ионов N₂ и Н₂ в установке для ионно-плазменного травления. Затем наносят защитное аморфное покрытие на боковые грани полос в виде тонкого слоя кремния, после чего на одну из боковых граней наносят отражающее покрытие, а на другую - просветляющее покрытие (см. US 5144634).

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Этот способ исключает сложные и дорогостоящие операции, связанные с раскалыванием полупроводниковой гетероструктуры в вакууме. Однако ему свойственны серьезные недостатки. В результате обработки полос ионами, в том числе N₂ и Н₂, происходит образование дефектов приповерхностного слоя, существенно ухудшающих условия для выращивания защитного монокристаллического слоя. Кроме того, эти дефекты являются центрами, стимулирующими последующую деградацию лазерного диода.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи предотвращения образования дефектов приповерхностного слоя полос полупроводниковой лазерной гетероструктуры при ее очистке.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе изготовления полупроводникового лазерного диода, включающем изготовление полупроводниковой лазерной гетероструктуры на основе соединений элементов третьей и пятой групп, разделение ее на отдельные полосы, очистку их боковых граней в вакууме, нанесение на них защитного покрытия с последующим нанесением на одну из боковых граней отражающего покрытия, а на противоположную боковую грань - просветляющего покрытия, для очистки боковых граней полос полупроводниковой лазерной гетероструктуры полосы нагревают до температуры от 580 до 760^oС, затем охлаждают до температуры от 0 до 240^oС, после чего на боковые поверхности полос наносят от 0,1 до 1000 монослоев йода или брома, или хлора и нагревают полосы до температуры от 580 до 760^oС; при нагреве и охлаждении полос полупроводниковой лазерной гетероструктуры на них подают пары элемента пятой группы, входящего в полупроводниковую лазерную гетероструктуру.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Если в способе-прототипе очистка поверхности происходит в результате кинетического воздействия ионов, то в заявленном способе очистка осуществляется вследствие термохимических реакций, не оказывающих разрушающего воздействия. В этом состоит принципиально новое свойство (технический эффект) заявленного способа. Благодаря этому получается чистая, не содержащая дефекты поверхность, создающая благоприятные условия для выращивания монокристаллического защитного слоя соединения А³В⁵. Также предотвращается впоследствии деградация лазерного диода при его эксплуатации.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Изготовляют полупроводниковую лазерную гетероструктуру (ПЛГ), в частности, на основе соединения InAlGaAs любым известным путем, например способом МЛЭ. Затем на воздухе или в инертной среде производят разделение, в частности раскалывание, ПЛГ на отдельные полосы. После этого осуществляют очистку их боковых граней в вакуумной камере. Давление в вакуумной камере не выше 10^-5 мм рт.ст. Для очистки полосы ПЛГ сначала нагревают в вакуумной камере с помощью радиационного терморезистивного нагревателя до температуры в диапазоне от 580 до 760^oС. При этом происходит удаление части окислов, в основном окислов мышьяка. Затем полосы ПЛГ охлаждают до температуры от 0 до 240^oС для обеспечения адсорбции наносимых далее от 0,1 до 1000 монослоев йода или брома, или хлора. Для их нанесения осуществляют испарение одного из указанных элементов в вакуумной камере. При этом йод или бром, или хлор адсорбируются на открытых поверхностях полос ПЛГ и химически связываются с элементами третьей группы, в частности с Ga. При последующем нагреве до температуры от 580 до 760^oС происходит испарение соединений элементов третьей группы с йодом, а также связанного с ними кислорода. Одновременно происходит испарение оставшейся части окислов мышьяка и мышьяка из верхнего атомного слоя. Кроме того, происходит также испарение углерода и других загрязнений, появившихся в результате разделения ПЛГ на полосы в воздухе. Для достижения большой степени чистоты поверхностей цикл очистки в необходимых случаях можно повторить.

При нагреве и охлаждении полос ПЛГ на них могут подаваться пары соответствующего элемента пятой группы, входящего в данную ПЛГ, в рассматриваемом случае - пары мышьяка. Это позволяет повысить надежность результатов реализации способа.

Контакты изготавливаемых полупроводниковых лазерных диодов могут формироваться на основе титана до разделения ПЛГ на полосы или на основе золота, германия и других металлов на завершающей стадии изготовления.

Для реализации способа использовано известное оборудование и распространенные в данной области техники материалы, что обусловливает соответствие изобретения критерию "промышленная применимость".

Ниже приведены конкретные примеры реализации заявленного способа.

Во всех примерах использовалась лазерная гетероструктура на основе AlGaAs/GaAs с активной областью в виде квантовой ямы InAlGaAs толщиной 10 нм, длина волны излучения 808 нм. С использованием стандартной постростовой технологии лазерная гетероструктура была разделена на полосы. Контакты к n- и р-сторонам гетероструктуры выполнялись двумя способами: в первом случае контакты наносились на лазерные полосы с уже сформированным защитным слоем на боковых гранях, во втором случае контакты (с использованием титана) изготавливались до формирования защитного слоя на боковых гранях. В описанных ниже примерах для краткости операции, связанные с изготовлением контактов, опущены. Во всех примерах использовались полосы размером 1•10 мм, которые были помещены в вакуумную камеру установки МЛЭ ЭП1203, стартовый вакуум 10^-7 Ра.

Пример 1.

Осуществлены следующие операции.

Полосы нагревались до 660^oС, затем охлаждались до 50^oС; после этого нанесено 0,3 монослоя йода. Затем осуществлен нагрев до 660^oС. Указанный цикл повторен 20 раз, после этого выращен защитный слой AlGaAs с соотношением Al:Ga=2:3 толщиной 0,3 мкм. Полосы перенесены в вакуумную установку напыления. Электронно-лучевым способом нанесены просветляющее и отражающее покрытия Аl₂O₃/SiO₂. После этого полосы расколоты на отдельные лазерные чипы.

Лазерные диоды, изготовленные на основе этих чипов, имели следующие параметры:
- порог катастрофической оптической деградации зеркал наступил при оптической мощности 11 Вт (длительность импульса 100 нc);
- скорость постепенной деградации при мощности 3,5 Вт в постоянном режиме и комнатной температуре составила менее 10^-5/час.

Пример 2.

Осуществлены следующие операции.

Полосы нагревались до 600^oС, затем охлаждались до 0^oС; после этого нанесено 10 монослоев хлора. Затем осуществлен нагрев до 600^oС. Указанный цикл повторен 10 раз, после этого выращен защитный слой AlGaAs с соотношением Al: Ga= 2:3 толщиной 0,3 мкм. Полосы перенесены в вакуумную установку напыления. Электронно-лучевым способом нанесены просветляющее и отражающее покрытия Аl₂О₃/SiO₂. После этого полосы расколоты на отдельные лазерные чипы.

Лазерные диоды, изготовленные на основе этих чипов, имели следующие параметры:
- порог катастрофической оптической деградации зеркал наступил при оптической мощности 7 Вт (длительность импульса 100 нc);
- скорость постепенной деградации при мощности 3,5 Вт в постоянном режиме и комнатной температуре составила менее 10^-3/час, при 2,5 Вт - 3•10^-5/час.

Пример 3.

Осуществлены следующие операции.

Полосы нагревались до 750^oС, затем охлаждались до 150^oС; после этого нанесено 1000 монослоев брома. Затем осуществлен нагрев до 750^oС. При нагреве и охлаждении полос на них подавались пары мышьяка. Осуществлен один цикл указанных операций. После этого выращен защитный слой AlGaAs с соотношением Al: Ga = 2:3 толщиной 0,3 мкм. Полосы перенесены в вакуумную установку напыления. Электронно-лучевым способом нанесены просветляющее и отражающее покрытия Аl₂O₃/SiO₂. После этого полосы расколоты на отдельные лазерные чипы.

Лазерные диоды, изготовленные на основе этих чипов, имели следующие параметры:
- порог катастрофической оптической деградации зеркал наступил при оптической мощности 8 Вт (длительность импульса 100 нc);
- скорость постепенной деградации при мощности 3,5 Вт в постоянном режиме и комнатной температуре составила менее 10^-4/час.

Использование: в технологии изготовления полупроводниковых лазерных диодов. Сущность изобретения: в способе изготовления полупроводникового лазерного диода, включающем изготовление полупроводниковой лазерной гетероструктуры на основе соединений элементов третьей и пятой групп, разделение ее на отдельные полосы, очистку их боковых граней в вакууме, нанесение на них защитного покрытия с последующим нанесением на одну из боковых граней отражающего покрытия, а на противоположную боковую грань - просветляющего покрытия, для очистки боковых граней полос полупроводниковой лазерной гетероструктуры полосы нагревают до температуры от 580 до 760^oС, затем охлаждают до температуры от 0 до 240^oС, после чего на боковые поверхности полос наносят от 0,1 до 1000 монослоев йода или брома, или хлора и нагревают полосы до температуры от 580 до 760^oС. При нагреве и охлаждении полос полупроводниковой лазерной гетероструктуры на них подают пары элемента пятой группы, входящего в полупроводниковую лазерную гетероструктуру. Техническим результатом изобретения является предотвращение образования дефектов приповерхностного слоя полос полупроводниковой лазерной гетероструктуры при ее очистке и предотвращение деградации лазерного диода при его эксплуатации. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления полупроводникового лазерного диода, включающий изготовление полупроводниковой лазерной гетероструктуры на основе соединений элементов третьей и пятой групп, разделение ее на отдельные полосы, очистку их боковых граней в вакууме, нанесение на них защитного покрытия с последующим нанесением на одну из боковых граней отражающего покрытия, а на противоположную боковую грань - просветляющего покрытия, отличающийся тем, что для очистки боковых граней полос полупроводниковой лазерной гетероструктуры полосы нагревают до температуры от 580 до 760^oС, затем охлаждают до температуры от 0 до 240^oС, после чего на боковые поверхности полос наносят от 0,1 до 1000 монослоев йода или брома, или хлора и нагревают полосы до температуры от 580 до 760^oС. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при нагреве и охлаждении полос полупроводниковой лазерной гетероструктуры на них подают пары элемента пятой группы, входящего в полупроводниковую лазерную гетероструктуру.