基于真空解离技术的半导体激光器腔面钝化膜研制

一、引言

半导体激光器凭借其高效率、小型化等优点，在光通信、激光加工等领域有着非常广泛应用。然而，在高功率工作状态下，激光器腔面容易受到氧气、水汽等腐蚀介质的侵蚀，同时高功率密度光场会引发腔面材料的退化，导致激光器性能下降甚至失效，这一定程度上制约了半导体激光器的发展。

腔面钝化膜是解决这一问题的关键手段，它能在腔面形成一层保护膜，阻挡腐蚀介质侵入，减少光损伤。传统的钝化膜制备方法如电子束蒸发、溅射等，在制备过程中易引入杂质，且膜层与腔面的结合力有待提高。

真空解离技术作为一种新兴的真空材料制备技术，近年来在光学薄膜领域逐渐崭露头角。该技术通过在高真空环境下对材料进行解离和沉积，能够有效避免外界杂质的干扰，精确控制膜层的生长过程，从而有望制备出性能优异的非金属高反膜。本文旨在深入研究基于真空解离技术的半导体激光器腔面钝化膜的研制过程，探索该技术对钝化膜性能的影响规律，为钝化膜的优化设计和制备提供新的思路和方法。

二、真空解离技术原理

2.1 技术概述

真空解离技术是在超高真空环境（通常真空度低于 10^-5Pa ）下进行材料处理的一种方法。在该环境中，材料分子或原子间的相互作用以及与外界杂质的接触被极大程度地减少，为精确控制材料的解离和沉积过程创造了理想条件。其基本过程包括将待处理材料放置于真空设备中，通过特定的能量输入方式（如加热、电子束轰击等）使材料解离成原子或分子态，然后这些解离后的粒子在真空环境中自由运动，并在基底表面沉积形成薄膜。

2.2 钝化膜的钝化机制

基于真空解离技术制备的 SiO₂/TiO₂ 复合钝化膜主要通过以下几种机制实现对半导体激光器腔面的保护：

1. 物理屏障作用：致密的 SiO₂/TiO₂ 复合膜层能够有效阻挡氧气、水汽、氯离子等腐蚀介质到达腔面，避免腔面材料被腐蚀。其致密度高，孔隙率低，大大降低了腐蚀介质的渗透速率。

2. 化学稳定作用： SiO₂ 和 TiO₂ 均为化学稳定性良好的材料，在恶劣环境下不易发生化学反应，能长期保持膜层的完整性和稳定性，从而持续发挥保护作用。

3. 界面修饰作用：真空解离技术制备的钝化膜与腔面之间形成良好的化学键合，减少了界面缺陷，降低了界面态密度。这有助于减少载流子在界面的非辐射复合，提高激光器的量子效率。

三、实验部分

3.1 实验材料与设备

1. 基底材料：选用960nmGaAs 基半导体激光器外延片，其结构为：n-GaAs 衬底（ 480μm ） /n -AlGaAs 下限制层 / 多量子阱有源区 /p-AlGaAs上限制层 /p-GaAs 接触层。

2. 钝 化 材 料： 高 纯 度 SiO₂ （ 纯 度 99.999% ） 和 TiO₂ （ 纯 度99.999% ），作为制备复合钝化膜的原材料。

3. 实验设备：实验采用先进的韩国真空镀膜设备，该设备配备有超高真空系统，能够实现低于 10-6Pa 的真空度，为真空解离技术的实施提供了可靠的环境保障。同时，该系统由真空室、电子束解离装置、加热装置、膜厚监测仪、真空获得系统等组成。其中，真空获得系统能使真空室的真空度达到 5×10^-7Pa ；电子束解离装置可提供 0-5kW 的功率，用于解离材料；膜厚监测仪的精度为 ±0.1nm ，可实时监测膜层厚度。

3.2 实验过程​

1. 腔面预处理：将半导体激光器外延片切割成适当大小的芯片，用去离子水、丙酮、乙醇依次进行超声波清洗，去除表面的油污和杂质。清洗后，将芯片放入真空室，抽真空至 1×10^-6Pa ，然后对芯片进行加热烘烤，温度为 200% ，时间30分钟，进一步去除表面吸附的水汽和气体。

2. 真空解离镀膜：首先沉积 TiO2 膜层，将 TiO2 材料放入电子束解离装置的坩埚中，设定电子束功率为 2kW，使 TiO2 解离成原子态。调节腔面与坩埚的距离为 30cm ，沉积速率为 0.2nm/s

接着，在 TiO2 膜层上沉积 SiO₂ 膜层，将 SiO₂ 材料放入另一坩埚中，电子束功率设定为1.5kW，沉积速率为 0.3nm/s 。整个沉积过程中，真空室的真空度保持在 5×10^-7Pa ，通过膜厚监测仪实时控制膜层厚度。最终形成的复合多膜层钝化膜结构为：腔面 /TiO2/SiO₂/ 空气。

四、结果与讨论

4.1 膜层微观结构分析

SEM 观察显示，制备的 SiO₂/TiO2 复合钝化膜表面平整光滑，无明显的孔洞、裂纹和颗粒团聚现象，表面粗糙度（Ra）为 0.35nm 。TEM 截面图像表明，膜层与腔面之间结合紧密，无明显的界面间隙，TiO2 层和 SiO₂ 层的厚度均匀，与设计值一致。这表明通过真空解离技术能够制备出结构致密、均匀的钝化膜。

XPS 分析结果显示，钝化膜中主要含有 Si、O、Ti 元素，且各元素的化学状态正常，未检测到明显的杂质元素。这说明超高真空环境有效避免了杂质的混入，保证了膜层的高纯度。

4.2 界面特性分析

DLTS 测试结果表明，钝化膜与腔面的界面态密度为 3×10¹⁰cm^-2 ，远低于传统电子束蒸发方法制备的钝化膜（界面态密度约为 2×10¹²cm^- ²）。低界面态密度主要得益于真空解离技术减少了界面缺陷，且膜层与腔面形成了良好的化学键合。低界面态密度有助于减少载流子在界面的非辐射复合，提高激光器的发光效率和稳定性。

4.3 抗腐蚀性能分析

盐雾试验结果显示，经过 800 小时的盐雾腐蚀后，采用真空解离技术制备的钝化膜表面仍保持完整，无明显的腐蚀痕迹；而传统方法制备的钝化膜表面出现了较多的腐蚀点和剥落现象。这表明基于真空解离技术的钝化膜具有优异的抗腐蚀性能，能有效保护腔面免受腐蚀介质的侵蚀。

抗腐蚀性能优异的原因主要在于：一是真空解离技术制备的膜层致密度高，孔隙率低，减少了腐蚀介质的渗透通道；二是 SiO₂ 和 TiO2材料本身具有良好的化学稳定性，不易与腐蚀介质发生反应。

4.4 抗光损伤性能分析

激光损伤测试结果显示，该钝化膜的抗光损伤阈值为 18MW/cm²，高于传统钝化膜的 10MW/cm²。这是因为：一方面，致密的膜层结构能更好地承受高功率密度激光的照射，减少因膜层缺陷导致的局部能量集中；另一方面，低界面态密度减少了非辐射复合产生的热量，降低了腔面的温度，从而提高了抗光损伤能力。

参考文献：

[1] 大功率半导体激光器腔面氮钝化的研究 [J]. 何新 ; 崔碧峰 ;刘梦涵 ; 李莎 ; 孔真真 ; 黄欣竹 . 激光与红外 ，2016（07）

[2] GaAs 半导体激光器腔面膜的制备 [J]. 韩旭 . 硅谷 ，2012（11）

[3] 980nm 半导体激光器腔面膜研究 [D]. 刘磊 . 长春理工大学 ，2013基金项目：2023 年度吉林省教育厅科学研究产业化培育规划项目“基于真空解理技术半导体激光器腔面镀膜工艺研究解决方案”（JJKH20231011CY）

作者简介：刘凯，男，硕士，副教授，研究方向：真空镀膜技术。