[发明专利]激光端面的量子阱钝化结构

说明书

本发明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。

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。