用于制造具有可饱和半导体吸收材料的镜体的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于制造具有可饱和半导体吸收材料的镜体的方法，其包括：将可饱和半导体吸收材料(205)沉积在生长衬底(200)上，从而形成结构；将至少一个金属层沉积在所述结构上，从而形成第一镜体(211)；和由通过电绝缘掩模(312)进行的电沉积将导热衬底(212)沉积在所述金属层上，以允许选择性沉积所述导热衬底，从而预定义所述具有可饱和半导体吸收材料的镜体的边界。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于制造具有半导体可饱和吸收体的镜体的方法以及通过所述方法得到的镜体。
技术介绍
近几年，短脉冲光源(100fs至1ps)的产生在很多应用(例如，激光微加工、薄膜的形成又或激光清洁)中已经成为一种越来越重要的技术。具有半导体可饱和吸收体的镜体(或简称SESAM，半导体可饱和吸收镜)是此技术的关键要素之一，因为它们允许对脉冲以及激光发射的特性(尤其包括脉冲持续时间、发射功率和稳定性)进行时域调节。SESAM的操作基于半导体材料的吸收饱和的现象。可饱和吸收材料的吸收系数α的变化取决于从其经过的入射光信号的强度I。图1A示出可饱和吸收材料的吸收系数作为入射光信号的强度I的函数。低强度的光信号受到材料的本征吸收并因此被吸收。与此相反，高强度的光信号致使半导体材料透明，从而将其吸收减少至基本为0的值并被透射而未被吸收。这就是吸收饱和现象。大部分材料表现出可饱和的吸收，但经常是在非常高的光强度(接近光损伤水平)下。半导体材料表现出允许在较低的光强度阈值下的吸收饱和现象的特殊的能量结构。更确切地说，在足够高的入射光强度的影响下，价带的载流子(电子)在比载流子至基态的弛豫时间更短的时间内进入更高的能态(导带)。这导致了以基态能级为代价而填充更高能态以及吸收的饱和。表征半导体可饱和吸收体的参数特别地是吸收波长的范围、能观察到吸收饱和的光强度阈值和动态响应(换言之，也就是当其不再被照射时，其恢复不饱和吸收水平的速度)。最后面的参数与载流子在激发态的寿命直接相关。SESAM被插入激光器腔中，用于在被动锁模(模式阻挡)状态下产生脉冲激光发射。在图2A中示出将具有半导体可饱和吸收体的镜体(SESAM)插入激光设备中的一个示例。在该示例中，激光设备包括掺杂光纤1作为增益介质。所述光纤由二极管2光泵浦。由二极管产生的波束借助于复用器6注入到掺杂光纤1中。激光设备的腔是法布里-珀罗腔，其由全反射镜3、SESAM 4和用于在经过SESAM之前和之后对输出光信号进行取样的耦合器5组成。图2B中的图示出激光设备(诸如图2A中示出的)的操作原理。该图示出了激光损失(曲线9-长虚线)、激光设备的增益(曲线7-短虚线)和激光发射(曲线8-实线)的时间函数，其中该激光损失主要是来自激光器的腔的损失。在t＝0处，增益介质的光泵浦开始，损失高并且通过在低入射强度下具有吸收行为的SESAM而保持很高。在该泵浦期间，增益值增加直到其接近损失值。直到这点起，激光发射仍被人为地放大腔的损失的SESAM阻挡。然后，增益的增加导致腔中光强度的增加，这引起可饱和吸收材料在激光发射波长处发生白化(whitening)。因此，损失降低。一旦增益变得比损失高，激光脉冲就诞生了，导致增益迅速下降。因此，得到非常短的脉冲(持续时间～ps，fs)。为了使SESAM在该环境下有效率(换言之，为了使它们能够与显著的激光功率(通常大约1mW至几W级别)相互作用)，有必要使它们满足几个条件，特别地包括高吸收系数、可饱和吸收材料的短寿命激发载流子(通常大约皮秒级别)和良好的散热。已经研发了用于制作SESAM的几种方法。具体地，存在有两种用于SESAM生长的方法：称作“晶格失配”的生长和称作“晶格匹配”的生长。在称作“晶格失配”的生长中，衬底的晶格参数与待外延的层的晶格参数不同，这给待外延的材料留下更多的选择。原子根据衬底的晶体结构沉积在第一级中。因此，被沉积的材料被衬底限制。然而，当外延层的厚度增加时，原子根据无应力材料的结构沉积，并且晶格参数的调节(accommodation)导致位错的产生。这具有以下优点：自然地将缺陷引入外延层，这将使得激发载流子的寿命减少。然而，由于位错的原因，用这种方法得到的设备不是十分稳健。另一方面，称作“晶格匹配”的生长允许在衬底与待外延的层之间的界面处得到原子间键的连续性。由此制作的设备具有优异的晶体质量并且更加稳健；然而，该方法取决于所使用的衬底的类型，限制了材料的选择并因此限制了使用波长范围的选择。具体地，对于大于1.1μm的波长，有必要使用InP(磷化铟)衬底。然而，包括InP的半导体化合物具有差的热性能并且难以疏散热量；这限制了SESAM在激光设备中的使用性能。对于该技术问题的一个有效方案是使用散热器。在专利FR2835065中描述了通过插入散热器在InP衬底上使用半导体可饱和吸收体制作元件的一种技术。图3A至图3D示出该制作方法。该技术包括在衬底115(例如由InP制成)上形成包括层的堆叠的第一结构(图3A)，所述层的堆叠特别地包括可饱和吸收材料109、用于形成镜体的金属层111和旨在形成钎焊接头的第一金属层116。所描述的技术还包括形成通过在导热衬底113上沉积旨在形成钎焊接头的第二金属层117所得到的第二结构(图3B)。然后，使第一金属层116和第二金属层117接触并组装，以通过固液间互扩散形成钎焊接头112(图3C)。该元件的制作以去除InP衬底115结束(图3D)。然后，导热衬底113在如此形成的元件内起到散热器的作用。该技术允许制作与使用基于InP的半导体可饱和吸收体的元件相比具有更好的热性能的具有半导体可饱和吸收体的元件。然而，此技术本身不适合于大量元件的批量制作。事实上，用于将第一结构转移至第二结构上的技术(诸如在前述段落中描述的)在最大1cm2的面积内是可完成的，除非钎焊接头形成在为此需要特别开发的具有大的表面积的压床(press)中。这导致与外延的价格相关或与开发在大表面积中钎焊相配的压床的研发的价格相关的高成本。此外，在后者情况下，一旦进行了衬底的去除，就必须锯成单个组件。本专利技术提供用于制造具有半导体可饱和吸收体的镜体的方法，其特别地允许大量制造具有优异品质的具有半导体可饱和吸收体的镜体。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术涉及一种用于制造具有半导体可饱和吸收体的镜体(SESAM)的方法，包括：将半导体可饱和吸收材料沉积在用于生长的衬底上，从而形成结构；将至少一个金属层沉积在所述结构上，从而形成第一镜体；通过电绝缘掩模(electrically-insulating mask)的电沉积将导热衬底沉积在所述金属层上，使得所述导热衬底被选择性沉积，所述导热衬底的选择性沉积预定义所述SESAM的边界。因此，一方面，可以在控制SESAM的最终厚度的情况下沉积致密且均匀的金属层，并且另一方面，可以批量的方式以低成本从单个外延晶片开始制作具有相同特性的半导体可饱和吸收体的大量的SESAM。根据变型例，所述方法包括：将晶体缺陷引入所述半导体可饱和吸收材料中的步骤，以调整下面的半导体可饱和吸收材料中的载流子的寿命。可饱和吸收材料中晶体缺陷的存在有利地使得吸收的弛豫过程加速而不会使后者性能退化，所述缺陷起到作为电子-空穴对的有效俘获中心的作用。根据变型例，引入晶体缺陷包括用于在所述可饱和吸收材料中的离子辐射的步骤。在离子辐射的方法下，可以在两个生长步骤之间的制作中的任何给定时刻引入晶体缺陷并可以调整被辐射层的深度。根据变型例，所述第一镜体用作所述电沉积的阴极。因此，所述沉积直接在设备上发生而无需任何中间步骤或中间层。根据变型例，所述电绝缘掩模具有包括绝缘区域和开放区域的结构形成图案，从而限定了具有半导体可饱和吸收体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造具有半导体可饱和吸收体的镜体的方法，包括：‑将半导体可饱和吸收材料(205)沉积在用于生长的衬底(200)上，从而形成结构；‑将至少一个金属层沉积在所述结构上，从而形成第一镜体(211)；‑由通过电绝缘掩模(312)进行的电沉积将导热衬底(212)沉积在所述金属层上，以允许选择性地沉积所述导热衬底，从而预定义所述具有半导体可饱和吸收体的镜体的边界。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.20 FR 14504301.一种用于制造具有半导体可饱和吸收体的镜体的方法，包括：-将半导体可饱和吸收材料(205)沉积在用于生长的衬底(200)上，从而形成结构；-将至少一个金属层沉积在所述结构上，从而形成第一镜体(211)；-由通过电绝缘掩模(312)进行的电沉积将导热衬底(212)沉积在所述金属层上，以允许选择性地沉积所述导热衬底，从而预定义所述具有半导体可饱和吸收体的镜体的边界。2.根据权利要求1中所述的方法，包括：用于将晶体缺陷引入所述半导体可饱和吸收材料中的步骤，从而将所述半导体可饱和吸收材料中的载流子的寿命限制到100ps。3.根据权利要求2中所述的方法，其中，所述用于引入晶体缺陷的步骤包括用于在所述可饱和吸收材料中进行离子辐射的步骤。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一镜体(211)用作所述电沉积的阴极(302)。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电绝缘掩模(312)具有包括绝缘区域(316)和开放区域(314)的结构形成图案，从而预定义所述具有半导体可饱和吸收体的镜体的所述边界。6.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，还包括：用于将第二镜体(207)沉积在所述可饱和吸收材料上的步骤。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：JL·乌达尔，S·布乔勒，
申请(专利权)人：国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国;FR