大功率GaAs基半導(dǎo)體激光器腔面膜一次性制備技術(shù)

蘆鵬，李再金，曲軼，馬曉輝

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

半導(dǎo)體激光器退化的主要原因是非輻射復(fù)合，它是晶體缺陷、雜質(zhì)和俄歇效應(yīng)產(chǎn)生的。這些機(jī)制對(duì)半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定性的影響程度主要依賴于材料系統(tǒng)和激光器工作水平。

對(duì)于GaAs/AlGaAs激光器經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，在材料生長(zhǎng)方面已經(jīng)有了很大的提高，有源區(qū)的雜質(zhì)能級(jí)和缺陷也大大的減少，因此目前那種強(qiáng)烈吸收光的暗線缺陷基本不存在了。在GaAs/Al-GaAs激光器大功率工作中，導(dǎo)致器件退化的一個(gè)主要原因是由于腔面接觸空氣而被氧化或附著有灰塵雜質(zhì)，在腔表面自然氧化物誘導(dǎo)缺陷和雜質(zhì)的非輻射復(fù)合所致。

激光器腔面表面態(tài)復(fù)合的加劇可能會(huì)發(fā)生光學(xué)災(zāi)變損傷（COD）。激光器發(fā)生COD的輸出特性曲線如圖1所示，當(dāng)激光器的輸出光功率剛剛超過6W時(shí)突然降下來，即發(fā)生COD的器件在P-I測(cè)試時(shí)候的表現(xiàn)，表示器件壽命的終結(jié)。發(fā)生光學(xué)災(zāi)變損傷的激光器腔面如圖2所示。COD產(chǎn)生的主要原因是由于激光器輸出腔面上具有很高的表面狀態(tài)密度，這些表面狀態(tài)密度為非輻射復(fù)合提供了途徑，而非輻射復(fù)合會(huì)產(chǎn)生大量的熱。熱量會(huì)導(dǎo)致禁帶寬度收縮，增加表面氧化程度，并且產(chǎn)生更多的缺陷，這又反過來為非輻射復(fù)合提供了途徑，又產(chǎn)生了大量的熱。這個(gè)反饋回路將繼續(xù)產(chǎn)生熱量，迅速導(dǎo)致輸出腔面由于高溫熔化而失效（高于1500K）。由于表面狀態(tài)從來不會(huì)被徹底消除，而只能被減少，所以非輻射復(fù)合還會(huì)不斷產(chǎn)生，其多少將直接影響大功率半導(dǎo)體激光器的工作壽命。

圖1 發(fā)生災(zāi)變性損傷的半導(dǎo)體激光器的P-I曲線

圖2 激光器前腔面發(fā)生COD的例圖

半導(dǎo)體激光器腔面COD的產(chǎn)生是導(dǎo)致大功率半導(dǎo)體激光器退化的一個(gè)主要原因，而腔面COD的產(chǎn)生與腔面和大氣的接觸時(shí)間、腔面被氧化和污染的程度有著直接的聯(lián)系，如何減少腔面自然氧化物的誘導(dǎo)缺陷和雜質(zhì)的非輻射復(fù)合中心是解決腔面COD產(chǎn)生的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外采取的解決途徑主要有端面鈍化技術(shù)，真空解理技術(shù)等，主要針對(duì)的是解理過程以及鈍化過程。但在激光器腔面鍍膜方面，由于半導(dǎo)體激光器的兩個(gè)端面需要分別蒸鍍高反膜與增透膜，對(duì)于普通設(shè)備將不可避免的需要將夾具取出后再翻面放置進(jìn)行另外一面的鍍膜，這也是導(dǎo)致腔面污染的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。針對(duì)這一環(huán)節(jié)可以通過設(shè)備升級(jí)改造例如增加真空機(jī)械傳動(dòng)（Load-lock）來解決，但將大大增加設(shè)備投入，目前最為有效的一個(gè)技術(shù)途徑就是鍍膜機(jī)真空室內(nèi)180°自翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的使用，進(jìn)行增透膜、高反膜的一次性制備。

1 工藝優(yōu)化與COD的降低

實(shí)際在大功率半導(dǎo)體激光器工藝制備過程中，蒸鍍激光器的腔面膜時(shí)，一面需要制備增透膜，另一面需要制備高反膜來形成F-P諧振腔。該過程需要在鍍膜機(jī)上通過兩次實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，通常做法是做完一面后取出，將夾具翻面后再裝入鍍膜機(jī)（有些夾具甚至還需要重新裝夾）。這些過程都是在大氣條件下完成的，不可避免的會(huì)接觸空氣而帶來腔面的氧化與雜質(zhì)附著。而且在一些需要加溫蒸鍍腔面膜的工藝中，帶著溫度取出激光器更是增加了COD出現(xiàn)的幾率，如果等待降溫后取出，在制備另外一面的腔面膜重新加溫達(dá)到熱平衡需要花掉大量的時(shí)間。

為了提高COD閾值，必須設(shè)法及時(shí)移除腔面熱量，而本論文使用了新型的鍍膜機(jī)真空室內(nèi)180°自翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大大降低半導(dǎo)體激光器腔面在大氣條件下的暴露時(shí)間。從過程上直接減少自然氧化物和雜質(zhì)產(chǎn)生的幾率，避免COD的產(chǎn)生，提高半導(dǎo)體激光器的使用壽命。

2 真空室內(nèi)自翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.1 真空室內(nèi)180°自翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)介紹

鍍膜機(jī)真空室內(nèi)180°自翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的使用是一項(xiàng)技術(shù)上的革新，無需打開真空室即可進(jìn)行第二面的蒸鍍，同時(shí)可達(dá)到節(jié)約時(shí)間與降低成本的功效。尤其對(duì)于需要加溫的鍍膜工藝，更是直接省卻了加溫及熱平衡的大量工時(shí)，具備相當(dāng)?shù)膶?shí)際意義。

目前實(shí)現(xiàn)真空室內(nèi)180°自翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)備廠商并不多，例如德國(guó)萊寶真空，美國(guó)丹頓真空等，針對(duì)的對(duì)象也主要是小體積，重量輕的基片。設(shè)計(jì)上主要是通過特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)夾具翻轉(zhuǎn)，但通過使用發(fā)現(xiàn)還存在一些瑕疵。對(duì)于德國(guó)萊寶真空AERS710系統(tǒng)配備的自翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，針對(duì)半導(dǎo)體激光器腔面膜工藝，其主要問題在于反轉(zhuǎn)180°時(shí)夾具落下時(shí)過大的震動(dòng)引起的激光器bar條“錯(cuò)位”現(xiàn)象。

圖3 震動(dòng)帶來的bar條錯(cuò)位

如圖3所示，由于震動(dòng)，2號(hào)bar條下沉了一點(diǎn)，從而造成2號(hào)bar條與1、3兩個(gè)bar條同蒸發(fā)源的距離就會(huì)存在差異，使得同一次鍍制出的bar條腔面膜的膜厚不同而影響均勻性。另由于1、3號(hào)bar條高于2號(hào)bar條，在鍍膜過程中2號(hào)bar條靠近1、3兩個(gè)bar條的邊沿就會(huì)被“遮擋”，使2號(hào)bar條兩邊無法獲得正常的薄膜沉積，甚至直接影響bar條的正常發(fā)光，這種“遮擋”在腔面膜工藝中需要極力避免。

2.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的改良

為避免引起“錯(cuò)位”現(xiàn)象的震動(dòng)發(fā)生，我們?cè)谠蟹D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在翻轉(zhuǎn)過程中以M軸為中心線旋轉(zhuǎn)，落下時(shí)是完全依靠自身重力的自由落體。針對(duì)翻轉(zhuǎn)下落過程進(jìn)行了阻尼設(shè)計(jì)，如圖4所示，在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)著陸面上的凸臺(tái)對(duì)應(yīng)的著陸位置A與B處，分別放置了一個(gè)波形彈簧片與兩個(gè)發(fā)條彈簧片。通過調(diào)節(jié)A點(diǎn)波形彈簧片的位置和B點(diǎn)兩個(gè)發(fā)條彈簧片的寬度及厚度，最終使翻轉(zhuǎn)夾具緩慢落下，而且保證回到水平位置。消除bar條“錯(cuò)位”現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上追加的彈簧位置

3 制備工藝需考慮的其他因素

雙面一次性鍍制工藝須在翻轉(zhuǎn)夾具兩面都放置陪片，從而分別得到增透膜與高反膜的數(shù)據(jù)。此時(shí)要考慮陪片與設(shè)備的膜厚控制系統(tǒng)（主要指光控和晶控）之間數(shù)值的從新修正，避免控制上較大誤差的引入，過厚的翻轉(zhuǎn)夾具厚度會(huì)使兩個(gè)面的修正數(shù)值不一樣。

采用了雙面一次性鍍制工藝對(duì)半導(dǎo)體激光器bar條夾具提出了更高的要求。Bar條兩面的接觸面高度要一定不能超過半導(dǎo)體激光器的腔長(zhǎng)，以免翻面后造成遮擋；夾緊力要適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)，減小翻轉(zhuǎn)時(shí)候震動(dòng)影響。

4 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果

其他工藝相同，在德國(guó)萊寶真空系統(tǒng)ARES710上我們進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，針對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了分組實(shí)驗(yàn)：完整的前后腔面雙面一次性鍍膜實(shí)驗(yàn)——A組和B組，同時(shí)按照傳統(tǒng)工藝分兩次鍍制腔面膜——C組和D組，而其中A組和C組為980nm半導(dǎo)體激光器，B組和D組為808nm半導(dǎo)體激光器。

按照不同膜系把經(jīng)過相同前工藝制備后的激光器分為四組（見表1），每組制備3個(gè)半導(dǎo)體激光器bar條，并選取5只管芯。在常溫恒流（3A，約26℃）條件下測(cè)試720小時(shí)，得到5只管芯的平均外推壽命如下表1，結(jié)果證明A，B組的壽命較長(zhǎng)，高出C，D組大約12.56%。

表1 四組壽命試驗(yàn)

最大功率比較：加大電流直到失效為止，實(shí)測(cè)的功率數(shù)值見圖5，從曲線上可見A組的平均功率最高，B組次之，C組中有個(gè)器件損壞，D組最低。

圖5 四組激光器最大輸出功率比較

5 結(jié)論

對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器腔面膜一次性制備實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該技術(shù)的確對(duì)半導(dǎo)體激光器的壽命具有明顯的提高效果，從外推壽命對(duì)比數(shù)據(jù)上看提高了12.56%。由于減少了與空氣接觸的幾率，也就減少了空氣對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器腔面的污染及灰塵的附著，從圖5的比較可以看出，A，B組的曲線位置要明顯分別高于B，D組的曲線，證明還能夠有效的提高器件的最大輸出功率。

事實(shí)證明大功率半導(dǎo)體激光器腔面膜一次性制備技術(shù)是對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器壽命及最大輸出功率提高的有效技術(shù)手段。

［1］高婷，曲軼，徐正文，等.GaSb基激光器腔面膜的材料選取及膜系設(shè)計(jì)［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2014，26（1）：43-46.

［2］韓旭.GaAs半導(dǎo)體激光器腔面膜的制備［J］.硅谷，2012（11）：33.

［3］李再金，李特，蘆鵬，等.980nm半導(dǎo)體激光器腔面膜鈍化新技術(shù)［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2012，33（5）：525-528.

［4］李再金，胡黎明，王燁，等.808nm摻鋁半導(dǎo)體激光高損傷閾值腔面膜制備［J］.紅外與激光工程，2010，39（6）：1034-1037.

［5］朱立巖，付秀華.850nm高亮度半導(dǎo)體激光器腔面膜技術(shù)研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，30（1）：18-20.