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)特的方法來保護(hù)半導(dǎo)體和玻璃的表面。這種被稱為Nitrel的工藝可以大大增強(qiáng)激光二極管、光電探測器以及光學(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，那將對今后的數(shù)據(jù)存儲、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。簡單說，COMD效應(yīng)是對激光器芯片刻面（facet）造成的一種不可恢復(fù)的熱損傷，也就是對鏡面產(chǎn)生影響。這個問題通常是由刻面氧化或制造過程中的缺陷造成的，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半導(dǎo)體晶圓分割成多個獨(dú)立芯片的工藝制作的，分割的末端接著在被薄膜所覆蓋，一個末端被一層高反射（HR）膜覆蓋，另一個末端被防反射(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，它們會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覆蓋到激光器刻面來提供一些防護(hù)，但終究不是長久之計(jì)。比如薄膜中常用的氧化鋁會導(dǎo)致水的滲透，長時間會引入濕氣。</P>

目前，解決這一問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，用來保護(hù)先前沉淀的薄膜反射層。然而，這種工藝只對特定波長有效。</P>

Comlase的首席執(zhí)行官Alfred Feitisch表示，采用硅材料形成的保護(hù)層對那些工作在900-980 nm上的激光器非常有效，不過如果要用在更低波長激光器上的話，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>

這種工藝是在一個特殊設(shè)計(jì)的超高真空反應(yīng)室中進(jìn)行的，具有兩個電子槍和一個離子槍，通過發(fā)射氮離子來轟擊激光器的刻面。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個激光器。</P>

性能改善</STRONG></P>

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

而對于那些波長更長的980 nm InGaAs激光器而言也表現(xiàn)出類似的測試結(jié)果。Feitisch表示他們對980 nm InGaAs激光器進(jìn)行了180 mW/μm（發(fā)射器寬度）的壽命測試發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過數(shù)千小時考驗(yàn)性能沒有出現(xiàn)降級。“簡單說就是如果你擁有一個100μm寬的單芯片發(fā)射器，將成為一個可靠的18W激光芯片，這對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，延長使用壽命外，還可以增加輸出功率，提升工作溫度，未來非常值得我們?nèi)リP(guān)注。</P>