激光端面的量子阱钝化结构制造技术

本发明专利技术公开了一种包含由半导体材料（如硅、锗或锑）的交替薄层和介质势垒层组成的量子阱钝化结构的边缘发射激光二极管。半导体层足够薄以形成量子阱，介电层在相邻量子阱之间起着势垒的作用。与表面相邻的半导体层由晶体材料形成，其余的量子阱由非晶材料形成。该结构和形成该结构的方法使的该结构比使用基体（bulk）（厚的）硅钝化层的器件显示出更高的COD水平。

【技术实现步骤摘要】
激光端面的量子阱钝化结构相关申请的交叉引用本申请要求于2018年7月6日提交的先前申请的美国申请号16/028,573的优先权日，通过引用的方式将其全部内容并入本申请。
本专利技术涉及半导体激光二极管，更具体地说，涉及用于保护激光二极管的镜面的量子阱钝化装置。
技术介绍
高功率的半导体激光二极管已成为光通信技术的重要组件，特别是因为这种激光二极管可用于光纤泵浦（光信号放大）和其它高功率应用。在大多数情况下，通常需要激光二极管具有寿命长（例如超过数万小时）、输出可靠和稳定、输出功率高、光电效率高和光束质量高。由于现代晶体生长反应器能够生产出高质量的半导体材料，高功率激光二极管激光器的长期可靠性很大程度上取决于解理形成激光腔的反射镜的激光端面的稳定性。激光器端面的劣化是一个复杂的物理和化学反应过程，它可以由光、电流和热驱动在老化过程中会导致短期的功率退化，在正常操作过程中会导致长期的功率退化，且在严重情况下会导致镜面本身的灾难性光学损伤（COD），从而导致器件的完全失效。在反射膜层与半导体材料之间的界面上可以形成并捕获复杂的氧化物和点缺陷。当电流施加到器件上时，电荷载流子向端面扩散，因为表面起着载流子阱的作用（由于点缺陷和表面氧化产生的带隙内态的存在）。二极管发出的光可以光激发该表面的电荷载流子（电子和空穴），它可以通过电化学的方式驱动表面上的氧化反应。此外，被吸收的光产生的电子和空穴可以以非辐射的方式重新组合，这将导致过热的产生，并有助于形成晶格缺陷（点缺陷和位错）。半导体材料的加热可以在表面诱发热氧化，将进一步增加在半导体氧化物界面形成的吸收氧化层的厚度。与表面如此接近的过热会影响邻近表面的材料的电子结构。半导体晶体的光学带隙的热诱发的收缩增加了光的吸收。光吸收越多，热量越大，由此引起了热失控过程，从而致使表面和邻近端面的材料的快速劣化，最终导致端面的COD和失效。多年来，由IBM开发的且被称为“E2钝化”的工艺可用于解决上述问题，并将COD的可能性最小化。E2工艺涉及在解理面上沉积非晶硅(a-Si)层作为钝化膜层。E2工艺的本质是通过在裸露的端面上直接形成硅(Si)以采用化学方法稳定芯片表面。尽管硅显然是阻止/消除端面腐蚀的最佳选择，但它的缺点是会吸收激光二极管发出的光。被吸收的光产生电荷载流子，这些电荷载流子以非辐射性地方式重新组合，将产生过多的热量，从而引起缺陷的形成。这些过程加速了端面的劣化，并可能引发导致COD的热失控情况。因此，钝化层不能太厚，因为它会吸收过多的光，产生过多的热量，进而增加COD的可能性（众所周知，随着Si钝化膜厚度的增加，COD水平急剧降低）。厚度的限制取决于波长，当短波吸收越强的情况下，器件的性能况状对短波激光二极管就越重要。然而，虽然在光吸收方面钝化膜应该尽可能薄，但长期寿命试验表明，过薄的膜不能充分保护端面的表面。对于暴露于具有较高能量的离子/原子的表面来说，Si膜的厚度也是一个关键参数，例如，在通过离子束溅射沉积的标准镜面膜层过程中，用于获得所需的镜面反射率。从上述讨论中可以清楚地看出，要克服的一个挑战是减少钝化膜中的光吸收，同时保持钝化膜具有足够的厚度以保护端面，这在硅钝化膜的厚度首选方面显然是一个矛盾的要求。此外，钝化结构的形成方式需要使能够通过扩散到达芯片解理面的电荷载流子（由吸收光产生）的数量最小化。此外，钝化结构不得与端面反应，而应稳定端面的表面，并防止移动原子/杂质迁移和扩散到端面上。此外，钝化结构本身不应成为端面污染的来源。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术中遗留的需求，其涉及半导体激光二极管，更具体地说，涉及用于保护激光二极管的镜面的量子阱钝化装置。根据本专利技术的一个或多个实施例，现有技术的厚膜非晶硅钝化结构被量子阱结构所替代，所述量子阱结构包含交替的硅和氧化硅(SiOx)或氮化物（或其它合适的半导体材料，例如锗或锑及其氧化物或氮化物（或其它合适的势垒材料（barriermaterials）））等薄层。半导体材料可以是其纯形式，也可以是已知的降低缺陷密度的氢化形式。将初始半导体层沉积在裸露的端表面上，通过控制反应过程，形成一个与表现出量子性质相关的薄（例如，约3nm）层（而不是表现出基体材料（bulkmaterials）的常规性质的较厚层）。随后对该器件进行处理以形成一个薄的势垒层（barrierlayer）。在一个示例性实施例中，该器件暴露于氧气中以将半导体层的表面部分转化为其氧化物。然后将半导体的第二（薄）层沉积在该氧化物上，然后将该第二层的一部分氧化转化为其氧化物组分，从而形成量子阱结构。如果许多应用中首选多量子阱（MQW）结构，则需重复半导体沉积和氧化的步骤。本专利技术的量子阱钝化结构的优点是，与厚硅层相比，这些量子阱将具有更大的光学带隙，因此对从激光二极管发射的光的吸收得更少。本专利技术的示例性实施例涉及在边缘发射激光二极管的端面上形成钝化结构的方法，并且至少包括以下步骤：a）在反应室中沉积半导体的薄层以覆盖暴露的激光端面，控制沉积层的厚度以形成量子阱结构；b）氧化半导体层的表面部分以形成氧化物薄层；c）重复步骤a）和b）以形成交替的半导体量子阱和氧化物屏障的量子阱钝化结构。本专利技术的另一示例性实施例采用边缘发射激光二极管的形式，该边缘发射激光二极管包括具有在其上形成的用于在工作波长下产生光的波导结构的半导体基板、在波导结构的相对面上形成的一对解理面、包括多个半导体量子阱和多个氧化材料层交替配置的钝化结构，以及直接在钝化结构上形成的反射膜层。在下面的讨论过程中，通过参考附图，本专利技术的其它和进一步的实施例和方面将变得明显。附图说明现在参考示意图，图1示出了传统的边缘发射激光二极管；图2是根据本专利技术形成的示例性边缘发射激光二极管的平面图，其包括在激光器端面上形成的MQW钝化结构；图3是如图2所示的与本专利技术的MQW钝化结构相关联的量子阱图;图4–10示出了可用于根据本专利技术原理来制造MQW钝化结构的一系列示例性处理步骤；图11示意性地示出了形成以包括本专利技术的MQW钝化结构的示例性完整激光二极管，激光二极管包括沉积在钝化结构顶部的标准反射膜层；图12是包含本专利技术的MQW钝化结构形成的示例性激光二极管的高分辨率STEM图。图13是根据本专利技术形成的示例性激光二极管的另一个高分辨率STEM图，在这种情况下，已使用非原位(ex-situ)调节工艺使初始非晶硅层结晶。图14是本专利技术另一实施例的高分辨率STEM图，在这种情况下，在形成剩余的MQW钝化结构之前，使用原位(in-situ)工艺使初始硅层结晶。具体实施方式图1示出了在具有前端面12和相对的后端面14的半导体光电芯片（或“棒”）10中形成的传统边缘发射激光二极管。棒10包括垂直结构，该垂直结构通常由外延沉积在GaAs基板上的AlGaAs、GaAs、InGaAs和相关的III-V半导体材料层组成。然而，应当理解的是，其它材料组合也可能用于制造光发射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在边缘发射激光二极管的端面上形成钝化结构的方法，包括：/na) 在反应室中沉积一非晶半导体材料的薄层以覆盖暴露的激光器端面的表面，对所述暴露的激光器端面的表面进行解理或解理后进行处理，通过控制沉积的半导体材料的厚度以形成量子阱结构；/nb) 在所述量子阱结构上形成一介电材料的薄层，通过控制所形成的所述介电材料的厚度以为所述量子阱结构创建势垒。/n

【技术特征摘要】
20180706 US US16/028,5731.一种在边缘发射激光二极管的端面上形成钝化结构的方法，包括：
a)在反应室中沉积一非晶半导体材料的薄层以覆盖暴露的激光器端面的表面，对所述暴露的激光器端面的表面进行解理或解理后进行处理，通过控制沉积的半导体材料的厚度以形成量子阱结构；
b)在所述量子阱结构上形成一介电材料的薄层，通过控制所形成的所述介电材料的厚度以为所述量子阱结构创建势垒。


2.如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括步骤：
c)重复步骤a)和b)以形成交替的半导体量子阱和势垒的多重量子阱钝化结构。


3.如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括对步骤a)中沉积的半导体薄层进行处理的步骤。


4.如权利要求1所述的方法，其中在执行步骤a)时，选用由硅、锗和锑组成的群组中的半导体材料来沉积。


5.如权利要求4所述的方法，其中选用纯形式的所述半导体材料。


6.如权利要求4所述的方法，其中选用氢化形式的所述半导体材料。


7.如权利要求1所述的方法，其中步骤a)中沉积的半导体层具有约3nm或更小的厚度。


8.如权利要求2所述的方法，其中每一沉积的半导体层具有约3nm或更小的厚度。


9.如权利要求1所述的方法，其中步骤b)包括氧化在步骤a)中沉积的半导体材料的表面部分的步骤。


10.如权利要求1所述的方法，其中在执行步骤b)时，所述介电材料选自由硅、锗、锑的氧化物；硅、锗、锑的氮化物；氧化铝、氧化钛、氮化铝、氧化钽或其组合组成的群组中的材料。


11.如权利要求1所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚伯兰雅库维奇，
申请(专利权)人：IIVI特拉华有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US