GaAs基高功率半导体激光器腔面的氮等离子体清洗方法
阅读说明：本技术 GaAs基高功率半导体激光器腔面的氮等离子体清洗方法 (Nitrogen plasma cleaning method for cavity surface of GaAs-based high-power semiconductor laser ) 是由 郭林炀 马晓辉 王丽霞 陶涛 李丹 郭胜君 陈琳 许晓东 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种GaAs基高功率半导体激光器腔面等离子体清洗方法,采用氮等离子体作为清洗源,对GaAs基高功率半导体激光器腔面进行干法清洗,并原位蒸镀SiO-2薄膜,用以达到降低表面态,改善发光性能的目的,同时,最大程度去除腔面氧化层又不带来新的损伤。(The invention discloses a GaAs-based high-power semiconductor laser cavity surface plasma cleaning method, which adopts nitrogen plasma as a cleaning source to perform dry cleaning on the GaAs-based high-power semiconductor laser cavity surface and in-situ evaporation of SiO 2 The film is used for achieving the purposes of reducing the surface state and improving the light-emitting performance, and meanwhile, the cavity surface oxide layer is removed to the maximum extent without causing new damage.)
技术领域
本发明涉及一种GaAs基高功率半导体激光器腔面的清洗方法，属于高功率半导体激光器腔面钝化技术领域。
背景技术
高功率半导体激光器以其体积小、效率高及调制简单等优点，广泛应用于通信、医疗、高精度加工以及军事等领域。高输出功率和长期稳定的可靠性是高功率半导体激光器得以广泛应用的前提，而灾变性光学镜面损伤（Catastrophic Optical Degradation，即COD）一直限制着半导体激光器最大输出功率和可靠性。由于半导体激光器的发光区域很小，使得因吸收产生的热量聚集于腔面，不能得到有效地转移。半导体激光器通常情况下是在空气中完成解理的，其腔面会在空气的影响下生成厚度为几纳米的氧化层。同时，解理后的半导体激光器腔面还可能产生晶格缺陷。这些都会使得半导体激光器腔面产生大量的表面态，当激光器处于高功率工作状态时，表面态俘获其周围的载流子，形成非辐射符合中心和散射中心，使激光器腔面温度急剧上升。随后，由于高温，腔面附近的带隙减小，造成激光器腔面的光子吸收能力增强，注入电流更多的集中在腔面附近的窄带隙区域，周而复始，最终造成高功率半导体激光器发生灾变性光学镜面损伤（COD），半导体激光器失效。
为改善半导体激光器腔面状况，可采用降低激光器腔面的表面态密度。目前采用的方法主要有：（1）腔面硫化处理技术是把半导体激光器解理的腔面与含硫化合物进行反应，从而去除腔面表面原有的氧化层，生成一种稳定的硫化层，减少表面态密度。该技术虽然能提高激光器性能，但其稳定性较差，有效时间短，同时，存在溶液中易混入杂质，以及存在易挥发的硫化氢等有毒气体的缺陷，影响钝化效果；（2）高真空解理镀膜技术是在高真空环境下解理Bar条，然后镀上钝化薄膜，再在腔面上镀制高透和减反薄膜。该技术可避免氧和其他杂质污染腔面，有利于获得激光器的高输出功率和高可靠性，但其技术设备复杂，工艺难度高，造价昂贵，不利于推广；（3）非吸收窗口技术是在腔面附近通过特殊处理后使得腔面处材料的禁带宽度加宽，对应发射波长的腔面形成透明区，抑制腔面的光吸收，但该技术在二次外延生长工艺上，技术难度大，重复性较差；（4）氩等离子体清洗钝化技术是利用离子束轰击半导体激光器腔面，除去腔面的氧化物和腔面吸附的杂质，然后镀上腔面钝化膜和腔面光学膜，可提高器件的灾变光学损伤阈值和器件的可靠型，该技术最常采用的是Ar离子，但Ar离子能量难以控制去除腔面氧化层的同时，有可能造成腔面的二次损伤。由于上述常用方法存在钝化效率低，加工成本高以及工艺复杂等缺点，导致激光器成品率低，严重的限制了高功率半导体激光器技术的实际应用。
发明内容
为了解决传统半导体激光器存在加工成本高，工艺技术复杂，或重复性差等缺点，本发明的目的在于提供一种GaAs基高功率半导体激光器腔面的氮等离子体清洗方法，本发明采用氮等离子体作为清洗源，对GaAs基高功率半导体激光器腔面进行干法清洗，并原位蒸镀SiO2薄膜，用以达到降低表面态，改善发光性能的目的，同时，最大程度去除腔面氧化层又不带来新的损伤。
实现本发明目的的解决技术方案为：一种GaAs基高功率半导体激光器腔面等离子体清洗方法，包括如下步骤：（1）将解理后的半导体激光器放入丙酮、乙醇混合溶液中进行超声清洗，超声清洗完成后，将半导体激光器放置于磁控溅射系统真空腔内，利用氮气将激光器吹干；
（2）进行等离子体清洗前，对磁控溅射系统真空腔反复多次进行氮气的充气和放气，以磁控溅射系统中辉光放电氮等离子体作为清洗源，在基片一侧施加负偏压，进行等离子体反向溅射；
（3）清洗完成后，立即原位蒸镀厚度为80nm的SiO2薄膜。
较佳的，混合溶液中的丙酮与乙醇的体积比为1:1，超声清洗时间为10min，超声频率为40KHz，功率为0.5W/cm2。
较佳的，等离子体反向溅射时的氮气流量为40sccm，清洗功率为10W，清洗气压为4.7Pa，清洗时间为15±2min。
与现有技术相比，本发明的优点是：
（1）本发明采用氮等离子体清洗及镀制SiO2薄膜对激光器腔面钝化效果明显，可有效去除GaAs表面氧化层的同时，获得更稳定的钝化效果。
（2）为了保护氮等离子体清洗过的高功率半导体激光器腔面不被二次污染，在激光器腔面清洗后，立即原位蒸镀厚度为80nm的SiO2薄膜，其PL强度高于未处理的激光器腔面以及仅蒸镀厚度为80nm的SiO2薄膜的激光器腔面，相比未清洗但镀有相同厚度SiO2薄膜的激光器腔面，PL强度提高了16.6倍，清洗效果非常明显。
（3）同时，相对于传统（NH4）2S+t-C4H10O钝化液，氮等离子体处理过程都是在高真空环境中进行的，避免了腔面受杂质二次污染的可能。
附图说明
图1 为SiO2薄膜增透效果对光荧光谱测试的影响。
图2为清洗功率对激光器腔面PL强度的影响。
图3为工作压强对激光器腔面PL强度的影响。
图4为氮等离子体清洗时间对激光器腔面PL强度的影响。
图5为氩等离子体清洗时间对激光器腔面PL强度的影响。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。
实施例1
步骤一，将解理（由半导体激光器其自身结构的原因，造成腔面沿一定方向裂开成光滑平面的性质，称为解理; 裂开的光滑平面称为解理面）后的半导体激光器放入丙酮、乙醇混合容易进行超声清洗，混合溶液中，丙酮与乙醇的体积配比为1:1，时间为10min；
步骤二，超声清洗完成后，将半导体激光器放置于磁控溅射系统真空腔内，利用氮气将激光器吹干；
步骤三，为了将腔体内残余氧含量将至最低，正式进行等离子体清洗前，需对磁控溅射系统真空腔反复多次进行氮气的充气和放气；
步骤四，以磁控溅射系统中辉光放电氮等离子体作为清洗源，在基片一侧施加负偏压，实现等离子体反向溅射，氮气流量40sccm，清洗功率10W，清洗气压4.7Pa，清洗时间15±2min；
步骤五，清洗完成后，立即原位蒸镀厚度为80nm的SiO2薄膜。
本发明蒸镀SiO2薄膜的目的是：因为经过氮等离子体清洗后的GaAs基高功率半导体激光器腔面活性增加，若不及时镀膜，腔面会吸附空气中大量的水蒸气和碳氧等其他杂质，影响处理效果，同时在GaAs基半导体激光器镀制低折射率SiO2薄膜会对入射光产生一定增透作用，如图1所示。
通过光荧光谱（PL）测试，本发明与未清洗但镀有相同厚度SiO2薄膜的激光器腔面相比，其PL强度提高了16.6倍，清洗效果非常明显；同时，相对于传统（NH4）2S+t-C4H10O钝化液，氮等离子体处理过程都是在高真空环境中进行的，避免了腔面受杂质二次污染的可能。
本发明将清洗功率设置为10W的目的是：因为功率对清洗效果影响很大，如果功率过低，氮气较难起辉，不能产生等离子体；而功率过高，则会对腔面造成损伤，造成缺陷的产生，从而使光荧光谱（PL）强度降低，选择适当的射频功率来控制适度的等离子体能量，使其去除表面氧化物的前提，只引入可接受的损伤缺陷，如图2所示。
本发明将气压设置为4.7Pa的目的是：随着压强的增加，电离气体数增多，清洗效果不断加强，4.7Pa获得最高的光致发光强度，清洗效果最好，但当压强继续增加后，过多的气体含量会导致氮气电离困难以及气体粒子间碰撞几率增大，阻碍清洗作用，如图3所示。
本发明将清洗时间设置为15±2min的目的是：清洗在10min之后，PL强度趋于稳定，代表氧化层基本去除干净，同时由于氮等离子体能量适中，并不会因为时间的延长而对激光器腔面造成明显损伤。虽然氧化层厚度会在10min左右就达到一定的稳定状态，但不同激光器腔面氧化层厚度多少还会存在一定的差异。同时，对于解理后的激光器管芯，腔面氧化层厚度更是会随管芯在空气中搁置时间的不同而不同，而清洗时间与氧化层厚度成正比例关系。而氮等离子体由于清洗效果会随清洗时间达到一稳定水平，即使过清洗，也会导致PL强度明显降低，，因此将清洗时间控制在15±2min。相比较于传统的Ar等离子体清洗，其时间要求标准要灵活很多，如图4和图5所示。
总之，本发明中采用氮等离子体清洗及镀制SiO2薄膜对激光器腔面钝化效果明显，可有效去除GaAs表面氧化层的同使，获得更稳定的钝化效果。
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