一种用于半导体激光器腔面镀膜的装置和方法.pdf

本发明涉及一种用于半导体激光器腔面镀膜的装置和方法，所述的装置由三个以倾斜角固定在蒸镀平台上的承片台构成，使用时首先将解理出腔面的激光器置于承片台上，腔面贴近承片台边缘；然后利用弹簧片固定激光器，激光器的上表面被弹簧片保护；最后将承片台安装在蒸镀平台上，将安装好的蒸镀平台放入蒸镀腔体中进行蒸镀。在蒸镀过程中，由于激光器上表面被弹簧片覆盖，下表面紧贴承片台，并且激光器腔面与蒸发平面成一定倾斜角，激光器的上下表面都受到保护而不会被蒸镀薄膜，有效避免了蒸镀时引入金属短路或者金属电极被绝缘薄膜覆盖的可能性。本发明提供的夹具结构简单，易于加工，加工成本低，使用寿命长，而且该夹具操作简单，容易推广使用。

1.  一种用于半导体激光器腔面镀膜的装置，包括用于固定激光器芯片的承片台和用于安装承片台并可以固定在电子束蒸发设备中的蒸镀平台，其特征在于：所述的承片台(1)两侧安装用于固定激光器芯片的弹簧片(2)，弹簧片(2)的宽度以将整个芯片覆盖在弹簧片下为准，弹簧片(2)上有调节压片力度的固定螺丝，承片台(1)的一个侧面与水平面成60°～80°角度，承片台(1)的表面进行了抛光处理；所述的蒸镀平台(4)为圆形不锈钢平台，蒸镀平台(4)中间安装承片台(1)，两侧装有高于承片台的基座(6)，圆形蒸镀平台周边有刻槽。

2.  根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器腔面镀膜的装置，其特征在于：所述的承片台(1)为不锈钢材质，宽度为80mm，长度为500mm；所述的蒸镀平台(4)为圆形不锈钢平台，直径为750mm。

3.  一种使用权利要求1所述的用于半导体激光器腔面镀膜的装置的方法，其特征在于：
包括下列步骤：
(1)利用划片机对激光器芯片进行解理，得到光滑的解理腔面；
(2)将解理好的激光器芯片安装到权利要求1所述的承片台上；
(3)将承片台按照60°～80°角度安装到蒸镀平台上；
(4)将蒸镀平台安装到蒸镀设备中，进行激光器腔面镀膜；
(5)取出激光器芯片，进行封装测试。

一种用于半导体激光器腔面镀膜的装置和方法
技术领域
本发明属半导体激光器技术领域，特别是涉及一种用于半导体激光器腔面镀膜的装置和方法。
背景技术
半导体激光器自1962年问世以来，以其体积小、重量轻、功率高、寿命长、使用方便等优点而倍受青睐。通常情况下，半导体激光器由其自身解理面形成激光器的谐振腔面，由于激光器解理面的反射率仅30％左右，散射率接近70％，这就使得激光器产生的激光有近60％因散射而从后腔面浪费掉。为此，人们常采用腔面镀膜的方法，提高后腔面的腔面反射率，使更多的激光器受到后腔面的反射而从前腔面输出，提高了激光器的光输出功率。
激光器腔面镀膜一般可采用在后腔和前腔双腔面或后腔单腔面蒸镀高反射膜，或者分别镀高反射膜和低反射膜。表1为激光器前后腔面为天然解理面和后腔面蒸镀高反射膜两种不同的腔面处理方式，及其对应的镜面损耗αm的理论计算值(设谐振腔长L＝3mm)。从表1可看出，不对腔面采取任何镀膜工艺，镜面损耗相当大，对后腔面蒸镀高反射膜可以大大降低激光器的镜面损耗，从而降低激光器的阈值电流密度和提高激光器的输出光功率。
表1  前后腔面采用不同处理方式的3.0mm腔长激光器的镜面损耗对比

鉴于上述半导体激光器腔面镀膜的重要性，在考虑到半导体激光器的尺寸都比较小，因此在半导体激光器腔面镀膜工艺中需要一种稳定而有效的镀膜方法。由于半导体激光器腔面镀膜所选用的薄膜材料有可能是金属(比如用作高反膜的Au)或者绝缘材料(比如中远红外波段透明的Al₂O₃)，而进行腔面镀膜工艺时薄膜蒸发具有一定的发散性，因此激光器芯片上下表面很容易被蒸镀上镀膜材料。如果激光器上下表面和腔面都被蒸镀上金属，则激光器上下电极短路；如果激光器上下表面都被蒸镀上绝缘材料，则给激光器后续的电极引出工艺带来困难。因此发明一种用于半导体激光器腔面镀膜的有效方法及专用夹具，提高其腔面镀膜的可靠性，对于提高半导体激光器性能，促进半导体激光器的发展具有十分重要的意义。
半导体激光器腔面镀膜工艺通常采用电子束蒸发或者热蒸发等薄膜蒸发工艺，将激光器腔面垂直面向蒸发源，薄膜材料在电子束轰击或加热下运动至激光器腔面，从而形成薄膜。在传统工艺中，由于电子束蒸发或热蒸发工艺中，材料分子的运动并不是完全的垂直向上运动，而是部分分子的运动和垂直面有一定的夹角，因此传统工艺中很容易在激光器的上下表面形成薄膜，进而导致激光器上下电极短路或者电极表面被绝缘材料覆盖。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于半导体激光器腔面镀膜的装置及有效方法，以得到高质量的激光器腔面薄膜，获得低的镜面损耗，实现低阈值电流密度、高连续工作温度的半导体激光器，有效避免蒸镀工艺引入的激光器电极短路或者金属电极被绝缘材料覆盖的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于半导体激光器腔面镀膜的装置，包括用于固定激光器芯片的承片台和用于安装承片台并可以固定在电子束蒸发设备中的蒸镀平台，所述的承片台两侧安装用于固定激光器芯片的弹簧片，弹簧片的宽度以将整个芯片覆盖在弹簧片下为准，弹簧片上有调节压片力度的固定螺丝，承片台的一个侧面与水平面成60°～80°角度，承片台的表面进行了抛光处理；所述的蒸镀平台为圆形不锈钢平台，蒸镀平台中间安装承片台，两侧装有高于承片台的基座，圆形蒸镀平台周边有刻槽。
所述的承片台为不锈钢材质，宽度为80mm，长度为500mm；所述的蒸镀平台为圆形不锈钢平台，直径为750mm。
一种使用权利要求1所述的一种用于半导体激光器腔面镀膜的装置的方法，包括下列步骤：
(1)利用划片机对激光器芯片进行解理，得到光滑的解理腔面；
(2)将解理好的激光器芯片安装到权利要求1所述的承片台上；
(3)将承片台按照60°～80°角度安装到蒸镀平台上；
(4)将蒸镀平台安装到蒸镀设备中，进行激光器腔面镀膜；
(5)取出激光器芯片，进行封装测试。
本发明采用具有一定倾斜角度(60°～80°)的夹具固定激光器，利用该夹具可以有效提高腔面镀膜的可靠性。本发明中所设计的夹具由三个以一定倾斜角度(60°～80°)固定在蒸镀平台上的承片台构成，使用时首先将解理出腔面的激光器置于承片台上，腔面贴近承片台边缘；然后利用弹簧片固定激光器，由于弹簧片具有一定的宽度，因此激光器的上表面被弹簧片保护；最后将承片台安装在蒸镀平台上，将安装好的蒸镀平台放入蒸镀腔体中进行蒸镀。在蒸镀过程中，由于激光器上表面被弹簧片覆盖，下表面紧贴承片台，而且激光器腔面是以一定夹角面向蒸发源，因此激光器的上下表面都受到保护而不会被蒸镀薄膜，有效避免了蒸镀时引入金属短路或者金属电极被绝缘薄膜覆盖的可能性。
有益效果
本发明有效避免了蒸镀时引入金属短路或者金属电极被绝缘薄膜覆盖的可能性，提供的夹具可一次性蒸镀数十个激光器，适合于激光器腔面镀膜的批量生产。另外本发明提供的夹具结构简单，易于加工，加工成本低，使用寿命长，而且该夹具操作简单，容易推广使用。
附图说明
图1本发明工作原理图。
图2本发明承片台正视图(a)和侧视图(b)。
图3本发明承片台和蒸镀平台组装部件的正视图(a)和侧视图(b)。
图4本发明进行半导体激光器腔面镀膜的示意图。
图5本发明采用腔面镀膜和未采用腔面镀膜工艺的DFB-QCL器件的L-I特性曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图3所示，本发明中所设计的夹具由三个以一定倾斜角度(60°～80°)固定在蒸镀平台上的承片台构成，使用时首先将解理出腔面的激光器置于承片台上，腔面贴近承片台边缘；然后利用弹簧片固定激光器，由于弹簧片具有一定的宽度，因此激光器的上表面被弹簧片保护；最后将承片台安装在蒸镀平台上，将安装好的蒸镀平台放入蒸镀腔体中进行蒸镀。在蒸镀过程中，由于激光器上表面被弹簧片覆盖，下表面紧贴承片台，而且激光器腔面是以一定夹角面向蒸发源，因此激光器的上下表面都受到保护而不会被蒸镀薄膜，有效避免了蒸镀时引入金属短路或者金属电极被绝缘薄膜覆盖的可能性。
本发明包括：(1)用于腔面镀膜的装置；(2)利用电子束蒸发制备半导体激光器腔面薄膜的方法。
1、用于腔面镀膜的专用夹具
本发明中自行设计的用于腔面镀膜的专用夹具主要有两部分组成，用于固定激光器芯片的承片台和用于安装承片台并可以固定在电子束蒸发设备中的蒸镀平台。
承片台是夹具的核心组成部分，其主要功能是固定激光器芯片，有效保护激光器的上下电极表面，确保激光器腔面完全暴露在蒸发区域中以保证蒸镀薄膜的质量。承片台为不锈钢材质，宽度为80mm，长度为500mm。承片台表面进行了抛光处理，以确保芯片背面可以与承片台紧密贴合，有效保护芯片下表面电极不会蒸镀。承片台结构正视图见附图2(a)，其中部件1是指承片台，2是弹簧片，3是激光器芯片。从图中可以看到承片台两侧都安装了用于固定激光器芯片的弹簧片。弹簧片具有一定的宽度，在固定激光器芯片时可以将整个芯片覆盖在弹簧片下，避免了腔面镀膜时薄膜材料蒸镀到激光器的上表面。同时由于弹簧片的压片力度可以通过固定螺丝调节，因此不会对激光器上表面造成损伤。安装激光器时将需要镀膜的腔面与承片台边缘对齐，以避免承片台对腔面镀膜的影响。图2(b)是承片台的侧视图，从图中可以看到承片台侧面并不是矩形，承片台的一个侧面与地面成一定夹角(60°～80°)，因此将承片台固定在蒸镀平台时，激光器的腔面与蒸发面形成一定倾斜角。
安装有激光器芯片的承片台需要利用专门设计的蒸镀平台才能方便地固定在薄膜蒸发仪器中，一个蒸镀平台可以安装三个承片台。蒸镀平台为圆形不锈钢平台，直径为750mm，平台中间安装承片台，两侧装有高于承片台的基座。圆形蒸镀平台周边有刻槽，便于安装在电子束蒸发、热蒸发等薄膜制备仪器中。图3(a)和(b)是将承片台和蒸镀平台组装在一起的部件图，其中图3(a)是正视图，图3(b)是侧视图。如图所示，图中的部件4是蒸镀圆形平台，部件5是安装承片台的固定部件，部件6是蒸镀平台的底座，部件1是固定在蒸镀平台上的承片台。
2、利用电子束蒸发制备半导体激光器腔面薄膜的有效方法
为了解决这一问题，本发明设计了一种制备半导体激光器腔面薄膜的有效方法，该方法主要是通过两种措施有效保护了激光器的上下表面。
本发明涉及的制备半导体激光器腔面薄膜的有效方法具体实施过程如下：首先将解离出腔面的激光器芯片安装到专用的夹具上，利用特殊的承片台结构保护激光器的上下电极表面；利用承片台和蒸镀平台的特定角度使激光器芯片腔面与蒸发面有一定的夹角，进一步保护上下电极表面。最后将安装好芯片的夹具放入蒸发设备中进行蒸镀。在蒸发过程中，激光器腔面和蒸发面有一个很小的角度，可以充分保护激光器上下电极不会被蒸镀上薄膜；另一方面由于角度引起的腔面到蒸发源的高度差很小，基本上可以忽略不计，所以不会引起腔面处蒸镀薄膜的不均匀，保证了蒸镀薄膜的质量。图4是利用本发明进行半导体激光器腔面镀膜的示意图，其中1是专用的承片台，4是专用的蒸镀平台，3是激光器芯片，7是指蒸镀薄膜的材料分子。从图中可以看到，利用本发明所涉及的方法及专用夹具，可以获得高质量腔面镀膜的同时有效保护了激光器的上下表面电极，极大提高了腔面镀膜工艺的可靠性。
利用本发明制备7.6μm量子级联激光器的后腔面高反膜，具体实施步骤包括几个方面：(1)利用划片机对激光器芯片进行解理，得到光滑的解理腔面；(2)将解理好的激光器芯片安装到专用的承片台上；(3)将承片台按照一定角度安装到蒸镀平台上；(4)将蒸镀平台安装到蒸镀设备中，进行激光器腔面镀膜；(5)取出激光器芯片，进行封装测试。
1)对7.6μm量子级联激光器进行解理，得到6组腔长3mm的芯片组，每组包括4个激光器芯片。解理芯片时注意选择晶向，以得到高质量的解理面。为了避免腔面的污染，需要在解理后迅速安装到夹具上，放入蒸镀设备的真空环境中。
2)将6组芯片组安装到3个承片台上，安装时注意激光器腔面要紧贴承片台边缘，弹簧片要完全覆盖激光器芯片上表面。
3)将承片台按照设计好的角度安装到蒸镀平台上，安装时要注意观察激光器芯片，要保证芯片的位置没有发生变化。
4)将蒸镀平台放入蒸镀设备中蒸镀腔面薄膜，为保证蒸镀的均匀性，通常对蒸镀平台施加一定速度的旋转。
5)蒸镀结束后，取出蒸镀平台，从承片台上取下激光器芯片组，再利用划片机将芯片组解理成单个激光器，进行封装测试。
图5为采用腔面镀膜和没有采用腔面镀膜的量子级联激光器在不同温度下的L-I特性曲线对比图，两个管芯的几何尺寸相同，腔长L＝3mm，脊宽W＝18μm，测试条件均为脉冲驱动模式，脉宽200ns，占空比1％，采用HgCdTe高速响应探测器进行光功率测量。从图中可以看出，在室温(300K)下，采用了腔面镀膜工艺的器件的阈值电流密度为1.64KA/cm²，前腔面最大出光峰值功率为61.8mW，而未采用腔面镀膜工艺的器件的阈值电流密度为2.04KA/cm²，前腔面最大出光峰值功率仅为43.5mW。与未采用腔面镀膜的器件相比，采用腔面镀膜工艺处理的激光器L-I特性有很大的改善：在相同的测试温度下，阈值电流密度降低了约20％，前腔面的最大出光功率提高了约50％，斜率效率提高了约44％。通过测试也说明，利用本发明所设计的方法以及专用夹具，可以获得高质量的腔面镀膜工艺。