GaAs基半導體激光器芯片在空氣中解理后,解理腔面會被空氣氧化形成腔面缺陷,在腔面形成的缺陷嚴重影響了器件的壽命。用GaAs襯底表面模擬半導體激光器的解理腔面,研究了不同的光學薄膜對GaAs表面特性的影響。研究結果表明暴露在大氣中的GaAs表面會形成Ga₂O₃、As₂O₃和As₂O₅缺陷。在表面鍍含氧光學膜的GaAs表面上會形成少量Ga₂O₃缺陷,不形成As₂O₃ 和As₂O₅ 缺陷,在表面鍍ZnSe光學薄膜的GaAs 表面沒有形成Ga₂O₃缺陷, 也沒有形成As2O3和As2O5缺陷。在GaAs表面上蒸鍍ZnSe光學薄膜能有效地抑制GaAs表面缺陷的形成,提高半導體激光器的壽命。

　　大功率半導體激光器具有體積小、重量輕、效率高、壽命長等諸多優點,在國民經濟的許多領域有重要應用。在光存儲、光通訊、國防、工業及醫療等領域的巨大應用前景,促使其向更高功率方向發展。據報道單條激光器最高輸出功率已達到1010W,而最高效率已經超過85%,另外,數千瓦輸出的陣列器件也已經出現。隨著半導體激光器功率的上升,激光器的可靠性會急劇下降,壽命會嚴重縮短,那么如何保證在高功率輸出的同時又具有較長的壽命,如何保證在高功率輸出的同時盡量延長器件壽命成為了許多研究者非常關心的內容。由于磁控濺射離子反濺射能量很小,不能有效地去除GaAs表面的不穩定態和固有氧化物。故采用電子束真空鍍膜設備和離子源裝置來制備樣品。本文用GaAs 襯底表面模擬半導體激光器的解理腔面,首次研究了不同的光學薄膜對GaAs表面特性的影響。研究結果表明在GaAs表面上蒸鍍ZnSe薄膜能有效地抑制GaAs表面缺陷的形成, 提高半導體激光器的壽命。

　　GaAs襯底樣品制備

　　為了研究不同的光學膜對半導體激光器芯片解理腔面的影響, 用GaAs(110)襯底表面來代替半導體激光器芯片的解理腔面。如圖1 所示制備了三個樣品, 準備進行X 射線光電光譜(XPS)儀分析。樣品A是暴露在空氣中的GaAs(110) 襯底, 用來作腔面缺陷分析參考。樣品B 是在GaAs(110)襯底上鍍1/4 波長808nm 氧化物光學薄膜。樣品C是在GaAs(110)襯底上鍍1/4 波長808nm ZnSe光學薄膜。

　　鍍膜主要過程為:將樣品B 固定在鍍膜夾具上放進萊寶ARES710電子束真空鍍膜機, 當真空度達到1.0×10^-4 Pa 時, 用低能離子源清洗GaAs 表面, 保證離子平均能量小于30eV,目的是去除GaAs表面不穩定態和固有氧化物, 選用低能離子源目的是防止高能離子對GaAs表面產生破壞, 形成缺陷。接著蒸鍍1/4波長808nm 氧化物光學薄膜。樣品C 以相同的真空條件進行鍍膜,在GaAs 表面上蒸鍍1/4波長808nmZnSe光學薄膜。為了使樣品測試結果穩定,保證每種樣品在常溫大氣環境下均暴露6個月。

圖1  XPS分析的樣品

　　通過用GaAs襯底表面模擬半導體激光器的解理腔面,在GaAs表面蒸鍍不同的光學薄膜,通過XPS測試分析,測試結果表明在GaAs表面鍍ZnSe光學薄膜的樣品,在表面沒有形成Ga2O3缺陷, 也沒有形成As2O3和As2O5缺陷, 能有效的抑制GaAs表面缺陷的形成,提高半導體激光器的壽命。