Laserdiodien ulostulopeilin passivointi ionisädesputteroinnilla

Abstract

Laserdiodeilta vaaditaan eri sovelluksiin yhä suurempaa ulostulotehoa ja parempaa kestävyyttä. Yksi merkittävimpiä näitä ominaisuuksia rajoittavia tekijöitä on laserdiodien päätypeilien laatu. Kun puolijohdekiekko kliivataan laserbaareiksi ja baarien fasetit altistuvat ilmalle, voivat pinnalle jääneet katkenneet sidokset, muut hilavirheet, adsorboituneet epäpuhtaudet ja pinnan oksidikerros muodostaa pintatiloja puolijohdemateriaalin energia-aukon alueelle. Nämä pintatilat toimivat säteilemättömän rekombinaation keskuksina, mikä saa fasetin paikallisen lämpötilan kohoamaan ja voi lopulta johtaa kriittiseen optiseen vaurioon (engl. Catastrophic Optical Damage, COD). Fasettien laatua ja kestävyyttä voidaan parantaa erilaisilla passivointikäsittelyillä. Tyypillisessä passivointikäsittelyssä pinta ensin puhdistetaan epäpuhtauksista ja oksidikerroksesta, jonka jälkeen pinnalle pinnoitetaan passivointikerros sekä varsinainen heijastava pinnoite. Tällainen passivointiprosessi voidaan toteuttaa ionisädesputteroinnilla. Kahden ionilähteen ionisädesputterointilaite mahdollistaa fasettien puhdistuksen ja pinnoituksen samassa laitteessa purkamatta tyhjiötä välissä, jolloin fasetit eivät altistu ilmalle prosessin aikana.

Tässä diplomityössä pyrittiin parantamaan laserdiodien kestävyyttä optimoimalla laserdiodien fasettien passivointi ionisädesputteroinnilla. Passivointiprosessin parantamiseksi tässä työssä toteutettiin 11 erilaista passivointikäsittelyä varioimalla ionisädesputterointilaitteen parametreja, puhdistuksessa käytettäviä kaasuja ja passivointikerroksen materiaalia. Passivointiprosessin onnistumista tutkittiin mittaamalla passivoitujen laserbaarien vuotovirrat ja laserdiodien COD-tasot sekä eliniät. Passivointikäsittelyjen vaikutusta puolijohdemateriaaliin ja pintaan tutkittiin fotoluminesenssinäytteiden ja atomivoimamikroskooppikuvien avulla sekä kuvaamalla fasetit optisella mikroskoopilla. Ionisädesputteroinnilla passivoitujen laserdiodien tuloksia verrattiin passivoimattomien sekä referenssiprosessilla passivoitujen laserdiodien tuloksiin.

Ionisädesputteroinnilla saavutettiin parhaat tulokset, kun fasetit puhdistettiin vedyllä ja argonilla, apuionilähteen 40 V:n positiivisella jännitteellä ja 10 minuutin puhdistusajalla. Passivointikerroksen osalta parhaat tulokset saavutettiin piinitridikerroksella. Typen käyttäminen puhdistuksessa argonin sijaan tai amorfisen piin käyttäminen passivointikerroksena heikensi laserdiodien COD-tasoja ja elinikää. Ionisädesputteroinnilla toteutetuilla passivointikäsittelyillä laserdiodien COD-tasot ja eliniät jäivät kuitenkin matalammiksi kuin referenssiprosessilla passivoitujen laserdiodien, mikä voi kertoa ionisädesputteroinnin huonosta soveltuvuudesta fasettien passivointiin tai epäpuhtauksien pääsemisestä fasetille prosessin aikana.

Fasettien kuvaaminen optisella mikroskoopilla prosessin eri vaiheissa paljasti, että sputteroituun pinnoitteeseen syntyi vaurioita, kun laserdiodeja kuumennettiin juotosprosessin aikana. Sekä kasvatusmenetelmä että kasvatusmateriaali vaikuttivat fasetin kestävyyteen kuumennettaessa, sillä vaurioita ei syntynyt referenssiprosessilla passivoiduille faseteille, ja vaurioalueita syntyi laajemmin piikerroksella passivoiduille kuin piinitridikerroksella passivoiduille faseteille. COD-tasojen perusteella fasettien puhdistus optimoiduilla prosessiparametreilla vaikutti kuitenkin onnistuneen. Lisäksi kaikki testatut passivointikäsittelyt kasvattivat fotoluminesenssinäytteiden fotoluminesenssisignaalin tasoa, joten testatuissa passivointikäsittelyissä ionien energia ei ollut niin suuri, että se olisi merkittävästi vaurioittanut puolijohdemateriaalin kiderakennetta. Jatkossa laserdiodien fasettien laadun parantaminen voisi onnistua optimoimalla prosessiparametreja edelleen tai testaamalla muita menetelmiä kuin ionisädesputterointia.