Способ пассивации лазеров GaAs методом электронно-лучевого испарения с ионным ассистированием Российский патент 2024 года по МПК H01S5/28 

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.

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.

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.