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1、 第20卷第7期半 导 体 学 报Vol . 20,No. 71999年7月CH I N ESE JOURNAL OF SEM ICONDUCTORSJuly, 1999谭满清 男, 1967年出生,博士后,光学薄膜和光电子器件工艺专业茅冬生 男, 1940年出生,高级工程师,光电子器件工艺专业1998204213收到, 1998207224定稿ECR Plasma CVD法淀积808nm大功率 半导体激光器光学膜工艺研究谭满清 茅冬生(中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心 北京 100083)摘要 本文介绍了电子回旋共振等离子体化学气相沉积(简称ECR Plasma CVD)法淀
2、积808nm大功率半导体激光器两端面光学膜的工艺,给出了工艺条件,探索了膜系监控的方法和优越性,讨论了这种淀积方法的优点和淀积的光学膜的优良特性.PACC:5250, 6855, 8115H, 4255P, 4260, 4278H, 4280, 78651 引言808nm大功率半导体激光器端面高反膜(HR)和增透膜(AR)对器件特性起着重要的作用:膜的光学特性好坏直接影响器件正面量子效率高低;改变AR膜的反射率值可适当调节激光的峰值波长;端面介质光学膜同时也是器件的保护膜,等等.为达到较好的效果,淀积808nm大功率半导体激光器两端面的介质光学膜时除要求淀积膜的质量要好外,还应有膜厚监控.从膜
3、的光学特性说,目前常用的电子束蒸发物理气相沉积(E2B)法淀积的膜呈现“柱状结构”,容易吸潮1,质量不高;另外,不同反射率的AR膜的膜系往往为非规整结构,用通常光学膜厚监控法监控非规整膜系时由于受各种因素的影响,稳定性和精度都受到限制.为了提高器件端面光学膜的质量,本文提出用ECR Plasma CVD法淀积808nm大功率半导体激光器两端面介质光学膜的新工艺. ECR Plasma CVD法淀积介质膜的原理在许多文献中均有报道27,介质膜除了有好的致密性之外,还具有淀积温度低、 器件表面损伤少、容易实现不同的折射率等优点.本文将从工艺条件实验、 膜厚监控方法、 测量结果分析等方面系统探讨EC
4、R Plasma CVD法淀积808nm大功率半导体激光器两端面的HR膜和AR膜技术,并得出一些有价值的结论.2 实验在淀积808nm大功率半导体激光器两端面介质光学膜之前,用加有液氮冷阱的扩散泵将ECR Plasma CVD设备淀积室抽至本底真空度为10- 5Pa数量级的高真空. 根据808nm大功率半导体激光器特性的要求,器件一面需镀反射率大于95%的HR 膜,另一面依据实际情况镀制不同反射率R的AR膜.本实验方案中, HR膜设计反射率为9614% ,使用的膜料为aSi、Si O2,膜系结构为S?LHLHLH0. 2L?A , S表示衬底,等效折射 率为3152,A表示空气, H、L分别表
5、示光学厚度为202nm的aSi、Si O2,系数012为该层Si O2膜的光学厚度倍数; AR膜设计的反射率为1117% ,使用光学厚度为263nm的单层Si O2介质膜. aSi、Si O2的折射率分别为21684、11503.淀积aSi膜的工艺条件是:微波源正向功率300 W ,反向功率138W ,磁场电流128A ,使用的反应气体为SiH4、O2和A r气,其 流量分别为21sccm、2sccm和8sccm ,淀积室气压为0131Pa;淀积Si O2膜的工艺条件是:微 波源正向功率300 W ,反向功率4 W ,磁场电流130A ,使用的反应气体为SiH4、O2和N2气, 其流量分别为1
6、9sccm、11sccm和5sccm ,淀积室气压为0124Pa.淀积过程中衬底的温度大 约为4090.淀积过程中,各种气体流量用质量流量计精确监控,膜系中的aSi、Si O2的厚度用时图1 实测的淀积aSi(实线)和Si O2(虚线)膜的厚度d随时间t变化曲线间监控.依据HR膜和AR膜的膜系结构,通过预 先计算的淀积每层膜的时间依次监控每层膜的厚 度,即可实现满足要求的光学膜.图1为淀积aSi(实线)和Si O2(虚线)的几何厚度随时间t的变化曲线.图1表明: ECR Plasma CVD淀积aSi和Si O2介质膜的过程为恒定淀积速率的过程, aSi和Si O2的淀积速率分别为0122nm
7、?s和0134nm?s,由此计算出淀积光学厚度为202nm的aSi和Si O2的时间分别为5m in 51s和6m in 35s,淀积012L(Si O2)膜层和263nm的Si O2膜层的监控时间分别为1m in 19s和8m in 33s.图2 镀膜前后808nm大功率半导体激光器的量子效率比较3 结果和分析我们藉助半导体器件端面镀光学膜前后量子效率的变化来推算端面光学膜0 入射角 的反射特性.图2为用ECR Plasma CVD法镀制 腔长为600m、 发光区宽度为50m的808nm大 功率半导体激光器HR膜(设计R值为9614% )和AR膜(设计R值为1117% )后测量的量子出光效
8、率.结果表明:正面出光效率为1110W?A ,阈值电 流为0116A ,输出峰值波长为808nm ,反面出光效 率接近零.该激光器未镀端面膜时的出光效率为0158W?A ,阈值电流为0116A ,输出峰值波长为807nm.根据镀膜前后的器件量子效率的变化可 知, ECR Plasma CVD法镀制的端面高反膜的反 射率接近1,根据镀膜前后阈值电流的不变可进一095半 导 体 学 报20卷步推算出前端面增透膜的反射率应在11%左右,与设计值相符合. 另外,我们进行了另一只808nm大功率半导体激光器的端面镀膜实验,该器件的参数: 腔长为600m、 发光区宽度为50m,镀膜前的出光效率为0160W
9、?A ,阈值电流为0109A ,输 出峰值波长为801nm.端面镀膜条件为: HR膜反射率为9614% ,AR膜反射率为18%. HR 膜工艺与前面一样,AR膜工艺中, Si O2膜层厚度增加,监控时间为9m in 33s.镀膜后的出光效率为1107W?A ,阈值电流为0108A ,输出峰值波长为807nm.通过对镀膜前后的出光效率 和阈值电流变化分析, HR膜和AR膜与设计结果一致.从镀膜后器件输出峰值波长增加, 可得出:与前面的镀膜工艺比较,该片号AR膜的反射率增加了,这进一步证实膜厚的时间 监控法是精确的. 实验结果与膜系设计值保持良好的一致性说明了ECR Plasma CVD法镀制光学
10、膜的膜厚时间监控是一种行之有效的方法.实验过程中,在保持微波源功率、 磁场电流稳定的情 况下,用质量流量计精确监控各种气体的流量大小,实现了淀积的介质膜折射率和淀积速率 恒定,淀积膜的厚度随时间线性增加,从而用时间监控光学膜有很高的精度.我们也通过大 量的ECR Plasma CVD法淀积单层介质膜的实验发现:淀积各种膜的折射率差异在0101 以下,如Si O2的折射率为1150301002(630nm);另外, Si O2和a: Si的淀积速率为01340101nm?s和01220101nm?s,由此可见: ECR Plasma CVD法淀积介质膜的重复性也是很 好的. 电子扫描显微镜测量结
11、果显示:用ECR Plasma CVD法淀积的介质光学膜几乎无针 孔,致密性很好.同时,对ECR Plasma CVD法和PECVD法淀积同样厚度的Si OxNy的致密 性,进行对比实验,发现用HF酸缓冲液腐蚀时, PECVD法淀积Si OxNy的腐蚀速率快2倍, 由此说明: ECR Plasma CVD法淀积的膜致密性比PECVD法要好.经端面镀高反膜和增透膜后的808nm大功率半导体激光器老化处理结果表明,合格率几乎达到100%.ECR Plasma CVD法淀积介质光学膜过程是一种低温淀积过程,衬底温度一般在100以下,最高时也不超过140,这充分保证了在高温下容易分解的InP、GaA
12、s等半导 体材料构成的器件在ECR Plasma CVD法淀积介质膜的过程中保持原有的结构和性质不 变.我们这里应用的是Si O2和aSi膜,对于其它介质膜,如Si OxNy、Si Nx膜,可以改变反 应气体成分和流量配比用ECR Plasma CVD法实现,它们的折射率变化范围是11503110.由此可见, ECR Plasma CVD法淀积介质膜的技术克服了E2B法膜料选择的局限性, 为实现各种要求的光学膜提供了大量的可供选择的膜料,减少了某些特殊光学膜的镀制难 度.808nm大功率半导体激光器未镀膜的解理面为A lxGa1-xA s材料,镀膜前在空气中解 理后容易形成较薄的端面氧化层,而
13、且还有碳等的沾污,这些沾污破坏了器件和衬底的表面 结构,严重影响器件的许多特性,诸如降低器件的使用寿命,减少光学膜在器件端面淀积时 的附着力、 淀积在端面的光学膜 “起泡” 等等.解决它们的办法是:在器件端面淀积光学膜之 前,用电子回旋共振H2?He的等离子体对器件端面进行2030m in去碳、 氧等的清洁处理.A uger分析仪的成分检测结果和器件镀膜后的特性显示,这种处理是非常有效的.ECR Plasma CVD法淀积介质膜的技术的不足之处主要表现在:淀积时,设备的膜厚均 匀区面积为几英寸,大面积镀光学膜受到一定限制,然而,对于镀制微电子器件端面光学膜,1957期谭满清等: ECR Pla
14、sma CVD法淀积808nm大功率半导体激光器光学膜工艺研究其生产量还是相当可观的.4 结论ECR Plasma CVD法淀积的808nm大功率半导体激光器端面光学膜有很好的致密性, 膜的质量好.其淀积工艺可控性强,控制方法简单、 实用,控制介质膜的折射率和膜厚的精度 都很高,而且淀积光学膜的衬底温度较低,容易通过改变反应气体的成分和气流大小实现满 足要求的膜料,为此,它是淀积808nm大功率半导体激光器端面光学膜的一种理想方法.参考文献 1 林永昌,卢维强编著,光学薄膜原理,北京:国防工业出版社, 1990, 364366. 2 Steven Dzioba and R. Rousina,
15、J. Vac. Sci . Technol . , 1994, B12(1), 433440. 3 Y. M anabe and T. M itsuyu,J. Appl . Phys. , 1989, 66(4), 24752480. 4 Jinho Ahn. ,Appl . Phys. Lett. , 1994, 64(24), 32493251. 5 Takashi Inukai,Jpn. J. Appl . Phys. , 1994, 33(5A), 25932598. 6 A. R. Shi mkunas,J. Vac. Sci . Technol . , 1991, B9(6), 3
16、2583261. 7 谭满清,等, ECR Plasma CVD法淀积全介质光学膜的研究, 1997年砷化镓及有关化合物会议论文集, 1997年, 310312.Optical Thin Film Deposition by Electron Cyclotron Resonance Plasma Chem ical Vapor Deposition for 808nm High-Power Sem iconductor Laser DevicesTan M anqing, M ao Dongsheng(N ational Eng ineering R esearch Center of Op toelectronic D evices,Institute of S em iconductors,T he Chinese A cademy of S ciences,B eijing 100083)Received 13 April 1998, revised manusc
