新興離子束技術(shù)有效改善光電器件性能

瑞典一家新創(chuàng)公司Comlase日前發(fā)明了一種獨(dú)特的方法來(lái)保護(hù)半導(dǎo)體和玻璃的表面。這種被稱(chēng)為Nitrel的工藝可以大大增強(qiáng)激光二極管、光電探測(cè)器以及光學(xué)晶體的性能。</P>

這家小型的瑞典公司相信他們已經(jīng)找到了一種裝配半導(dǎo)體激光器的好方法，這種方法可以使激光器工作在更高溫度下，輸出更大的功率，并且沒(méi)有缺陷。如果這家設(shè)立在斯德哥爾摩的公司真地能將該技術(shù)投入實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中的話(huà)，那將對(duì)今后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電信、光纖泵浦以及激光焊接領(lǐng)域產(chǎn)生積極而又深遠(yuǎn)的影響。</P>

特殊處理</STRONG></P>

到今天為止，大功率激光二極管的最大輸出功率和最高工作溫度一直受限于一種名為災(zāi)變光學(xué)鏡損傷(COMD)的失效機(jī)制。簡(jiǎn)單說(shuō)，COMD效應(yīng)是對(duì)激光器芯片刻面（facet）造成的一種不可恢復(fù)的熱損傷，也就是對(duì)鏡面產(chǎn)生影響。這個(gè)問(wèn)題通常是由刻面氧化或制造過(guò)程中的缺陷造成的，這也是很難制造出大功率激光器的主要原因。</P>

今天，邊發(fā)射激光二極管一般是利用一個(gè)半導(dǎo)體晶圓分割成多個(gè)獨(dú)立芯片的工藝制作的，分割的末端接著在被薄膜所覆蓋，一個(gè)末端被一層高反射（HR）膜覆蓋，另一個(gè)末端被防反射(AR)膜覆蓋——從而形成激光器的后反射鏡和前輸出耦合器。</P>

問(wèn)題是在分割完成后暴露的刻面存在很高的化學(xué)反應(yīng)，主要原因是表面的原子鍵被物理撕裂，形成所謂的“懸空鍵（dangling bonds）”。如果這些懸空鍵再與低濃度的濕氣或氧氣進(jìn)行接觸的話(huà)，它們會(huì)被氧化生成一種光吸收“熱點(diǎn)hotspot”，并進(jìn)而導(dǎo)致COMD現(xiàn)象的發(fā)生。</P>

盡管傳統(tǒng)的方法中采用薄膜來(lái)覆蓋到激光器刻面來(lái)提供一些防護(hù)，但終究不是長(zhǎng)久之計(jì)。比如薄膜中常用的氧化鋁會(huì)導(dǎo)致水的滲透，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)引入濕氣。</P>

目前，解決這一問(wèn)題的通常做法是沉淀一層鈍化層，如硅（可參考Bookham的E2工藝），這一鈍化層沉淀在刻面的頂部，用來(lái)保護(hù)先前沉淀的薄膜反射層。然而，這種工藝只對(duì)特定波長(zhǎng)有效。</P>

Comlase的首席執(zhí)行官Alfred Feitisch表示，采用硅材料形成的保護(hù)層對(duì)那些工作在900-980 nm上的激光器非常有效，不過(guò)如果要用在更低波長(zhǎng)激光器上的話(huà)，這種方法就顯得效果不明顯了。而Comlase研制的Nitrel鈍化工藝則可以應(yīng)用到任意半導(dǎo)體材料上——比如從藍(lán)色到紅外的GaN材料。這種工藝能有效整理未加工刻面表面上的所有懸空鍵，使之不能被氧化，也不會(huì)產(chǎn)生COMD。然后再鍍上傳統(tǒng)的高反射膜和防反射膜。</P>

Feitisch表示：“Comlase所做的是給原子加上封條，這樣就避免被氧化或替換成氮原子。我們實(shí)質(zhì)上是與表面懸空鍵形成表面氮化物。結(jié)果就是表面非常穩(wěn)定，很難進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)?！?/P>

這種工藝是在一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的超高真空反應(yīng)室中進(jìn)行的，具有兩個(gè)電子槍和一個(gè)離子槍?zhuān)ㄟ^(guò)發(fā)射氮離子來(lái)轟擊激光器的刻面。氮離子可以使表面變的光滑，移除任何的氧化物，接著再鍍上一層氮化物。接著電子槍再在刻面的前部和后部沉淀高反射膜和防反射膜。</P>

Comlase表示這種工藝可一次性處理50個(gè)激光器。該公司目前正研制一種更新型的高量產(chǎn)反應(yīng)腔室，一次可處理800個(gè)激光器。</P>

性能改善</STRONG></P>

這種工藝給器件帶來(lái)性能上的提升是使用壽命的大大延長(zhǎng)，Comlase表示經(jīng)過(guò)其鈍化工藝處理過(guò)的多模805 nm AlInGaAs l激光器工作壽命在9000小時(shí)（在60-80W的功率電平，90 °C的溫度下）。與此形成鮮明對(duì)比的是，那些沒(méi)有經(jīng)過(guò)這種工藝處理的同類(lèi)激光器在相同的測(cè)試條件下會(huì)快速出現(xiàn)性能降級(jí)，使用壽命在6000小時(shí)。</P>

而對(duì)于那些波長(zhǎng)更長(zhǎng)的980 nm InGaAs激光器而言也表現(xiàn)出類(lèi)似的測(cè)試結(jié)果。Feitisch表示他們對(duì)980 nm InGaAs激光器進(jìn)行了180 mW/μm（發(fā)射器寬度）的壽命測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)數(shù)千小時(shí)考驗(yàn)性能沒(méi)有出現(xiàn)降級(jí)?！昂?jiǎn)單說(shuō)就是如果你擁有一個(gè)100μm寬的單芯片發(fā)射器，將成為一個(gè)可靠的18W激光芯片，這對(duì)高功率光纖激光器的泵浦而言非常重要?！?/P>

這項(xiàng)工藝應(yīng)用范圍非常廣泛，F(xiàn)eitisch表示它非常適合用來(lái)生產(chǎn)那些泵浦固態(tài)激光器的高功率紅外激光器。這種工藝除了改善器件可靠性，延長(zhǎng)使用壽命外，還可以增加輸出功率，提升工作溫度，未來(lái)非常值得我們?nèi)リP(guān)注。</P>