包含量子阱混合(qwi)輸出窗和波導(dǎo)區(qū)域的激光二極管與制造方法
【專利說明】包含量子阱混合(QWI)輸出窗和波導(dǎo)區(qū)域的激光二極管與制造方法
[0001]發(fā)明背景
[0002]本申請(qǐng)請(qǐng)求2010年4月14日申請(qǐng)的第12/760，092號(hào)美國申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開案涉及包括透明輸出窗的半導(dǎo)體激光器，且更具體地，涉及制造所述激光器的方法并涉及所述激光器的可靠性。
【背景技術(shù)】
[0004]本發(fā)明者已認(rèn)識(shí)到:由輸出面處與接近輸出面的災(zāi)變光學(xué)鏡損傷(COMD)引起的故障通常縮短邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器的壽命。COMD機(jī)制涉及發(fā)生在輸出面處和接近輸出面的一些相關(guān)聯(lián)的物理處理，所述處理包括光的吸收、半導(dǎo)體材料的氧化、面表面上的電流和缺陷中心處的自由載體的非輻射重組。理論上，所述物理處理可相互作用并引起快速的溫升，所述溫升轉(zhuǎn)而加速上述物理過程，從而增加激光面熔融、缺陷生長(zhǎng)和激光故障的可能性。
[0005]通常采用面鈍化處理來降低上述COMD故障率。然而，一些鈍化處理技術(shù)可為相對(duì)低產(chǎn)量的處理并通常要求精良的設(shè)備，且通常不適用于批量生產(chǎn)。一個(gè)例子是E-2鈍化處理過程，在所述處理中，激光棒在超高真空中裂開并立即用保護(hù)層處理以防止面處的半導(dǎo)體材料的氧化。替代性鈍化處理(比如具有透明輸出窗的激光棒在空氣中裂開且在裂開的面上不存在原位薄硅涂層的處理)更適于批量生產(chǎn)，但所述替代性鈍化處理不被認(rèn)為等效于比較繁瑣的鈍化處理(比如E-2處理)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]盡管本公開案的方法對(duì)各種半導(dǎo)體激光配置具有適用性，但本發(fā)明者已認(rèn)識(shí)到:在合成530-nm綠色激光器環(huán)境中尤其需要有效透明輸出窗，在所述環(huán)境中，原生IR激光源(例如1060-nm分布式布雷格反射器(DBR)激光器)的輸出頻率由適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置加倍，因?yàn)樵す舛O管需要滿足非常嚴(yán)格的壽命和可靠性的需求。本發(fā)明者已進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到:在COMD范疇中，DBR和其它類型的激光二極管中的大多數(shù)故障位置在輸出面處和接近輸出面。
[0007]量子阱混合(QWI)為已知的可用于修改半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)的特性的帶隙工程的后生長(zhǎng)方法，且所述量子阱混合通常用于形成半導(dǎo)體激光器的各個(gè)部分(例如，波導(dǎo)部分、輸出窗等)。已引進(jìn)各種QWI技術(shù)(包括但不限于快速熱退火、離子注入無序化、無雜質(zhì)空位誘導(dǎo)混合、光吸收誘導(dǎo)混合、雜質(zhì)誘導(dǎo)層混合等)。在QWI輸出窗環(huán)境中，通過檢查可靠激光二極管和不可靠激光二極管的窗口，本發(fā)明者已發(fā)現(xiàn):使用相對(duì)簡(jiǎn)單的、低成本的面形成過程是有可能的，且還能通過參考激光器的透明QWI輸出窗的最小帶隙波長(zhǎng)位移并使用所述信息以達(dá)成量化激光器的可靠性的方法來實(shí)現(xiàn)良好可靠性。
[0008]根據(jù)本公開案的一個(gè)實(shí)施方式，提供一種制造包含增益部分、QWI輸出窗和QWI波導(dǎo)區(qū)域的半導(dǎo)體激光二極管的方法。QWI波導(dǎo)區(qū)域通過使用量子阱混合來制造，且所述QWI波導(dǎo)區(qū)域界定激光二極管的QWI輸出窗中的QWI波導(dǎo)部分。對(duì)激光波長(zhǎng)兌，QWI輸出窗是透明的。QWI輸出窗中的QWI波導(dǎo)部分的特征為大于增益部分的能量帶隙的能量帶隙以使得QWI波導(dǎo)部分和QWI輸出窗中的帶隙波長(zhǎng)Aqwi小于激光波長(zhǎng)λ LO QWI輸出窗的特征為光致發(fā)光波長(zhǎng)λρι；。制造方法包含基于比較激光波長(zhǎng)λ 與QWI輸出窗的光致發(fā)光波長(zhǎng)λ a來判定激光二極管可靠性的λ a篩選協(xié)議。
[0009]根據(jù)本公開案的另一實(shí)施方式，半導(dǎo)體激光二極管的特征為臨界吸收波長(zhǎng)λ y且制造方法包含ApJf選協(xié)議，所述λ PJ!選協(xié)議通過判定QWI輸出窗的光致發(fā)光波長(zhǎng)λ PL是否足夠低以保證Ac= λ 的對(duì)應(yīng)溫度在激光器的操作溫度范圍外來判定激光二極管可靠性。
[0010]根據(jù)本公開案的又一另外實(shí)施方式，提供包含增益部分、QWI輸出窗和QWI波導(dǎo)區(qū)域的半導(dǎo)體激光二極管。QWI波導(dǎo)區(qū)域通過使用量子阱混合來制造，且所述QWI波導(dǎo)區(qū)域界定激光二極管的QWI輸出窗中的QWI波導(dǎo)部分。對(duì)激光波長(zhǎng)λ兌，QWI輸出窗是透明的。QWI輸出窗中的QWI波導(dǎo)部分的特征為大于增益部分的能量帶隙的能量帶隙以使得QWI波導(dǎo)部分和QWI輸出窗中的帶隙波長(zhǎng)Aqwi小于激光波長(zhǎng)λ LO激光波長(zhǎng)Alj約為1060nm且QWI輸出窗的光致發(fā)光波長(zhǎng)λΡ4、于約993nm。在另外實(shí)施方式中，QWI輸出窗的能量帶隙為大于對(duì)應(yīng)所述激光波長(zhǎng)λ ^的能量帶隙的至少79meV。
【附圖說明】
[0011]當(dāng)結(jié)合以下圖式讀取時(shí)，可最佳地了解本公開案的【具體實(shí)施方式】的下列詳細(xì)描述，在所述圖式中，用相同的元件符號(hào)指示相同的結(jié)構(gòu)，且其中:
[0012]圖1為包括適用于本公開案的方法的DBR激光器的頻率轉(zhuǎn)換激光源的示意圖；及
[0013]圖2為激光二極管臨界吸收波長(zhǎng)λ。的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0014]圖1為頻率轉(zhuǎn)換激光源的示意圖，所述頻率轉(zhuǎn)換激光源包含(例如，在1060nm下操作的)DBR激光器10和配置為用于二次諧波產(chǎn)生(SHG)以加倍1060nm信號(hào)的頻率的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置20。DBR激光器10的具體結(jié)構(gòu)在本公開案的范圍外，且所述DBR激光器10的具體結(jié)構(gòu)可從關(guān)于標(biāo)的的各種教義截取。一般來說，DBR激光器10包含四個(gè)部分:波長(zhǎng)選擇部分12、可選相位部分14、增益部分16和QWI輸出窗18。也可稱為激光器10的DBR部分的波長(zhǎng)選擇部分12通常包含定位在激光腔的有源區(qū)外的第一順序布拉格光柵或第二順序布拉格光柵。在光柵作為反射系數(shù)取決于波長(zhǎng)的鏡子時(shí)，所述部分提供波長(zhǎng)選擇。DBR激光器10的增益部分16提供激光器的光學(xué)增益，且可為精密波長(zhǎng)控制提供相位部分14。
[0015]通常提供QWI輸出窗18以提高耐用性和可靠性，且所述QWI輸出窗18不具有控制電極；然而，控制電極11、13、15在波長(zhǎng)選擇部分12、相位部分14和增益部分16中示意性地圖示。反射涂層通常涂覆在QWI輸出窗18和DBR激光器10的相對(duì)端面處。為降低激光器10中的光學(xué)吸收，波長(zhǎng)選擇部分12、相位部分14和QWI輸出窗18包含對(duì)應(yīng)的QWI波導(dǎo)區(qū)域，其中相對(duì)于增益部分16的激光波長(zhǎng)，各自部分的帶隙通過量子阱混合(QWI)過程轉(zhuǎn)移到較短波長(zhǎng)(或較高能量)。在DBR激光器的波長(zhǎng)選擇部分12、相位部分14和QWI輸出窗18中，共同地示意性地圖示所述QWI波導(dǎo)區(qū)域以作為沿DBR激光器10的縱軸延伸的量子阱混合(QWI)波導(dǎo)17。通常，在增益部分10中不存在量子阱混合。
[0016]本發(fā)明者已認(rèn)識(shí)到:包括QWI輸出窗18中的部分的QWI波導(dǎo)17中的低吸收與具有AO面的激光器的可靠性緊密相關(guān)，所述AO面通常包括無原位鈍化處理的空氣裂開輸出窗。進(jìn)一步地，QffI波導(dǎo)17中的所述低吸收在本文中被認(rèn)為是判定激光器的AO面是否可靠的強(qiáng)指示器。根據(jù)本公開案，激光二極管的QWI區(qū)域中的吸收水平可通過測(cè)量以下參數(shù)來估計(jì):i)在晶圓的量子阱混合后的QWI波導(dǎo)光致發(fā)光(PL)波長(zhǎng)；和ii)完整個(gè)別激光器的相位部分光電流。舉例來說，按照以下進(jìn)一步詳細(xì)解釋，在具有AO面的1060nm DBR激光器的情況下，預(yù)計(jì)小于993nm的QWI波導(dǎo)PL波長(zhǎng)(也就是，在與激光波長(zhǎng)λ 比較時(shí)，減少67nm的波長(zhǎng)(或擴(kuò)展至少79meV的能量帶隙))可作為適當(dāng)?shù)目煽啃曰鶞?zhǔn)。也預(yù)計(jì)所述基準(zhǔn)將可適用于在光譜的其它部分中發(fā)射的其它類型的半導(dǎo)體激光器。
[0017]本公開案的方法可在制造可靠的半導(dǎo)體激光二極管10的操作中使用，所述可靠的半導(dǎo)體激光二極管10包含激光二極管10的無源部分12、14和激光二極管10的QWI輸出窗18中的QWI波導(dǎo)部分。方法也可在篩選不可靠半導(dǎo)體激光二極管10的操作中使用。激光二極管10的所述QWI波導(dǎo)部分通過使用量子阱混合來制造，且所述QWI波導(dǎo)部分將具有大于增益部分16的能量帶隙的能量帶隙的特征。如此，無源部分12、14和QWI輸出窗18的QWI波導(dǎo)部分中的帶隙波長(zhǎng)Aqwi將小于激光二極管10的激光波長(zhǎng)λ LO本發(fā)明者已認(rèn)識(shí)到:QWI輸出窗18的帶隙波長(zhǎng)Aqwi與QWI輸出窗18的光致發(fā)光波長(zhǎng)λ a直接相關(guān)，且λ a篩選協(xié)議可用以判定激光二極管可靠性。根據(jù)λ %篩選協(xié)議，將預(yù)期激光波長(zhǎng)λ ^與光致發(fā)光波長(zhǎng)λ %相比較，且使用所述比較來判定可能包括在空氣中開裂的QWI輸出窗18的激光二極管10是否可成功制造或是否將適用于各種預(yù)期用途。
[0018]更具體地，預(yù)計(jì)QWI輸出窗18的光致發(fā)光波長(zhǎng)λ 通過測(cè)量晶圓上的QWI區(qū)域的光致發(fā)光波長(zhǎng)λ a來判定，在量子阱混合后可能最為便利。可使用各種方法來測(cè)量QWI輸出窗18的光致發(fā)光波長(zhǎng)ApJ包括，例如直接測(cè)量熒光光譜)?；蛘?，當(dāng)增益部分16電性泵接以產(chǎn)生激光時(shí)，預(yù)計(jì)QWI輸出窗18的光致發(fā)光波長(zhǎng)λρ^Τ通過使用來自激光器10的一或多個(gè)無源部分12、14的電信號(hào)并參考最終的光電流工^^來判定。因?yàn)闊o源部分12、14與窗18 —樣經(jīng)受相同QWI處理，所以照此，用于判定作業(yè)的所述替代性方法預(yù)計(jì)具有類似的光致發(fā)光波長(zhǎng)和光學(xué)吸收系數(shù)。
[0019]為進(jìn)一步圖示用于判定QWI輸出窗18的光致發(fā)光波長(zhǎng)的上述替代性方法，注意到可根據(jù)以下關(guān)系判定光電流ΙΡΗ_:
[0020]I photo — I phase-(Vgain-Vphase)/R
[0021]其中Iphase為激光二極管10的無源部分處的總電流，Vmn為增益部分16上的電壓降，VphaseS無源部分上的電壓降，且R表示無源部分與增益部分16之間的絕緣電阻。如上所述，無源部分可為三部分DBR激光器10的波長(zhǎng)選擇部分12或相位部分14。在許多情況下，本發(fā)明者已注意到:可靠激光二極管將具有取決于吸熱溫度和增益部分電流的小于2mA的光電流IPH_的特征。
[0022]參考圖2，本發(fā)明者已認(rèn)識(shí)到:半導(dǎo)體激光器可通常具有臨界吸收波長(zhǎng)λ。的特征，在所述波長(zhǎng)處，由于激光二極管內(nèi)的吸收機(jī)制的變化，光電流開始急劇增加。大于臨界吸收波長(zhǎng)λ。的波長(zhǎng)處的光電流通常與深度吸收相關(guān)聯(lián)，而接收器和量子阱吸收在小于臨界吸收波長(zhǎng)λ ^的波長(zhǎng)處首先相關(guān)聯(lián)。因此，預(yù)計(jì)λ PJ!選協(xié)議可經(jīng)修改以通過判定QWI輸出窗的光致發(fā)光波長(zhǎng)是否足夠低以保證λλ 的對(duì)應(yīng)溫度在激光器的操作溫度范圍外來判定激光二極管可靠性。
[0023]舉例來說，在1060nm DBR激光器的情況下，DBR激光器發(fā)射的吸收隨溫度快速地增加。盡管光學(xué)吸收在室溫下較低，但在溫度增加時(shí)光學(xué)吸收快速地增加，因?yàn)?，?duì)DBR激光器來說，相較于激光波長(zhǎng)λ y QWL光致發(fā)光波長(zhǎng)λ P溫度更快速地增加。一旦臨界波長(zhǎng)入。等于激光波長(zhǎng)λ μ則光學(xué)吸收急劇增加。可使用激光器結(jié)構(gòu)的吸熱溫度以作為臨界波長(zhǎng)λ。等于激光波長(zhǎng)λ 的點(diǎn)的指示器。舉例來說，對(duì)于在25°C下具有λ L= 1060nm且979nm的QWI光致發(fā)光波長(zhǎng)λ ^的激光器來說，λ。等于λ l處的吸熱溫度已估計(jì)到146°C。然而，對(duì)于具有993nm的QWI光致發(fā)光波長(zhǎng)λρ^]激光器來說，λ。等于λ 的吸熱溫度已估計(jì)到85°C。換句話說，如果QWI光致發(fā)光波長(zhǎng)λρ^Ε室溫下為993nm，那么用于可靠操作的DBR激光器的最大吸熱溫度為85°C。