【摘 要】
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3～5μm波段是重要的大气窗口,该波段内的4.6μm半导体激光器广泛应用于痕量气体检测、自由空间光通信和定向红外对抗等领域。随着4.6μm半导体激光器应用领域的不断拓展,对器件的性能要求越来越高。通常从结构设计、外延材料生长、器件工艺（含腔面处理）和集成封装这四个方面,来不断提高半导体激光器的性能。由于半导体激光器芯片是利用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜,组成谐振腔,使光振荡、反
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3～5μm波段是重要的大气窗口,该波段内的4.6μm半导体激光器广泛应用于痕量气体检测、自由空间光通信和定向红外对抗等领域。随着4.6μm半导体激光器应用领域的不断拓展,对器件的性能要求越来越高。通常从结构设计、外延材料生长、器件工艺（含腔面处理）和集成封装这四个方面,来不断提高半导体激光器的性能。由于半导体激光器芯片是利用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜,组成谐振腔,使光振荡、反馈、产生光的辐射放大,输出激光。在器件工艺中的腔面处理技术中,开展腔面镀膜研究,不仅可以有效保护腔面,而且还对提高器件的输出光功率起着关键作用,所以腔面镀膜是半导体激光器研制过程中的重要环节。根据波动光学理论,对于In P基4.6μm半导体激光器:当光线以0°入射到In P-Air界面时,界面对光线的反射率不到30%,因此腔面未镀膜的In P基4.6μm半导体激光器有70%多的激光能量未得到有效利用,极大地制约器件输出光功率的提高。然而,目前关于4.6μm半导体激光器腔面膜的研究还存在不足之处,主要包括:未对器件腔面膜的光学特性进行理论分析;缺少多波长增透膜的设计;未给出镀制腔面金属膜引起的电极短路问题的有效解决方案;未给出采用电子束或电阻热蒸发技术制备腔面膜的具体工艺参数。因此本论文围绕4.6μm半导体激光器腔面膜制备技术,从光学薄膜理论入手,对4.6μm半导体激光器腔面高反膜和增透膜的光学特性进行了理论分析。结合In P衬底的各种性质,选取了Al2O3、Y2O3、Si O2、Ge、Si、Au、Zn S材料进行4.6μm半导体激光器腔面膜的膜系设计。本论文的腔面膜设计要求在波长4.6μm处,高反膜反射率达到95%以上,增透膜反射率低于10%。根据设计参数要求,高反膜设计了In P|MHLHLH|Air和In P|Al2O3/Au/Al2O3|Air两种膜系,增透膜设计了单波长（4.6μm）增透的单层增透膜和双层增透膜两种膜系。另外还设计了双波长（4.6μm和8.5μm）增透的多层增透膜,其膜系为In P|Y2O3/Zn S/Ge/Si O2/Ge|Air。设计的高反膜和增透膜,均达到了4.6μm半导体激光器腔面膜的反射率参数指标。针对腔面镀制金属膜会引起激光器芯片上下表面电极短路的问题,本论文设计了一种中远红外半导体激光器腔面金属膜镀膜夹具,此夹具不仅操作简单,而且能有效避免芯片上下表面电极被镀膜。最后采用电子束热蒸发技术和电阻热蒸发技术在In P衬底上进行薄膜的制备,基于本论文使用的镀膜设备调试出了各膜料的比例因子以及薄膜制备的工艺参数,并用傅里叶变换红外光谱仪对薄膜的反射率进行测试。经过傅里叶变换红外光谱仪测试,制备的高反膜和增透膜的反射率均能满足In P基4.6μm半导体激光器腔面膜的反射率要求。通过扫描电子显微镜对薄膜样品截断面进行拍摄,清晰观测到各膜层厚度分布均匀,膜层之间结合紧密并无明显缺陷。
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