基于ZnSe薄膜的半导体激光器腔面技术研究

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随着半导体激光器应用领域的不断拓展,对器件输出功率和可靠性的要求也越来越高。而激光器腔面的工作稳定性是制约器件高功率输出和使用寿命的重要因素,腔面的灾变性光学损伤(Catastrophic optical damage,COD)问题会直接导致器件失效。对此问题目前已经发展出多种腔面处理技术,其中腔面钝化技术可以有效地提升器件的抗损伤能力。ZnSe作为一种优异的腔面钝化薄膜材料,在抑制腔面退化和提升器件稳定性方面效果显著。在光学薄膜制备技术中,电子束蒸发是一种设备工艺要求相对较低、成膜质量较好的技术,被广泛应用于半导体激光器腔面光学薄膜的制备,然而目前报道的ZnSe薄膜制备多采用化学成膜法,关于电子束蒸发沉积ZnSe薄膜及相关腔面处理技术的研究报道相对匮乏。本文以提升激光器腔面的抗灾变损伤能力为目的,围绕基于电子束蒸发沉积ZnSe钝化薄膜的腔面处理技术开展了研究,具体研究内容如下:1.探讨了半导体激光器腔面灾变光学损伤的产生机理,介绍了抑制COD问题的典型腔面处理技术。分析了COD问题的主要诱因-表面态的来源及其对激光器性能的影响。讨论了减反膜和高反膜的设计理论及光学特性,为激光器腔面光学薄膜的设计及制备提供了依据。2.开展了ZnSe薄膜的电子束蒸发技术研究。通过对薄膜微观晶体结构变化规律的分析,探讨了衬底温度和沉积速率对ZnSe成膜过程的影响,掌握了电子束蒸发技术中关键工艺参数与ZnSe薄膜微观结构、光学性质、表面形貌之间的关系。实验结果表明,衬底温度的升高有利于改善薄膜的结晶质量,增大薄膜的光学带隙。沉积速率的优化,在改善薄膜结晶特性的同时,还可以增加膜层的致密性。上述薄膜质量的改善可以提升ZnSe薄膜的抗激光损伤能力。3.开展了氩等离子体清洗技术研究,设计并制备了1064nm半导体激光器的腔面光学薄膜。借助电子束蒸发镀膜设备,进行了Ga As衬底表面的氩等离子体清洗技术研究,分析了氩等离子体清洗处理对Ga As表面态的影响。基于激光器腔面光学薄膜的光学特性及激光损伤特性,分别设计并制备了反射率为2.2%的Al2O3减反膜和反射率为99%的HfO2/TiO2/SiO2高反膜。4.开展了基于ZnSe薄膜的半导体激光器腔面技术研究。借助电子束蒸发镀膜设备,分别对1064nm半导体激光器的前、后腔面进行氩等离子体清洗处理、ZnSe钝化膜的原位沉积以及光学薄膜的原位镀制。器件测试表明,采用该腔面处理技术后的器件COD阈值功率提高了29%,证明了此技术具有的优良腔面钝化效果。
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