Advanced ion beam sputtering coatings for high-power semiconductor diode lasers

Abstract

High-power semiconductor diode lasers are widely used in industrial applications such as material processing and as pump lasers. One challenge in the development of these lasers is that the laser diode suffers sudden failures due to high optical power density at the facets of the laser. These failures occur due to surface states that permit the absorption or non-radiative recombination at the semiconductor-coating interface, in the coating itself or in the semiconductor lattice near the interface. Impurities or lattice defects near the facets often limit the maximum optical output power produced by a laser diode as well as limits the life time of the device. Dielectric coatings are used to tailor the reflectivities of the laser diode facets. Ion beam sputtering is a method of depositing these coatings with the use of ion sources. Deposition parameters of the ion source affect the film quality and properties. Ion beams can also be used to pre-clean the semiconductor surface and to deposit different passivation layers prior to the coating. Appropriate treating of the laser facets, notably the output facet of the laser, can be used to not only increase the tolerance for high intensities but also increase the life time of the laser device. In this thesis an assist source of an ion beam sputter was parametrized to produce different cleaning and passivation treatments. The treated devices were then tested with under pulsed operation to test the effectiveness of the treatments. Figure of merit for testing was the threshold of optical peak power where the devices experience sudden failure. Deposition parameters of aluminum oxide were found to have a significant effect on the damage threshold of the laser later in the thesis. Assist source was parametrized to produce uniform and controlled etching for the cleaning treatments. Assist source was also used to produce silicon nitride passivation layers using ion assisted deposition. Different cleaning treatments and passivation layers were applied to laser diodes. Best devices showed an increase of 9 % on average damage threshold. Overall, the device performance, including devices with no applied treatments, was noticed to be notably weaker than commercially coated samples. After parametrization of primary source deposition parameters for aluminum oxide, the average COD threshold was found to increase by at least 50 %.

Korkean tehon puolijohdediodelasereita käytetään laajalti teollisuuden sovellutuksissa sekä pumppulasereina. Yksi haaste näiden lasereiden kehityksessä on laserien ennenaikainen ja äkillinen hajoaminen laserin peilipinnoilla liian isoista valotehoista johtuen. Tämäntyyppiset hajoamiset voidaan yleensä selittää puolijohderakenteen ja pinnoituksen välissä tai välittömässä läheisyydessä olevilla pintatiloilla, jotka voivat rekombinoitua emittoimatta valoa tai absorboida sitä. Valoa absorboivat epäpuhtaudet tai kidevirheet rajoittavat usein laserin tuottamaa optista maksimitehoa lyhentäen myös laserien elinikää. Dielektriohutkalvopinnoituksia käytetään lasereissa säätämään laserin kaviteetin pintojen heijastuvuuksia. Ionisädesputterointi on ohutkalvopinnoitteiden tekemiseen tarkoitettu laite ja tuotantotapa, jossa pinnoitukseen käytettävä materiaali irroitetaan ionisäteiden avulla. Käytetyt pinnoitusparametrit vaikuttavat merkittävästi tuotettujen ohutkalvojen laatuun ja ominaisuuksiin. Ionisäteitä voidaan myös käyttää puolijohdepintojen esipuhdistukseen sekä erilaisten passivointikerrosten pinnoitukseen. Oikeanlainen esikäsittely etenkin laserin tuottaman valon ulostulopinnalla lisää lasereiden kestämää maksimitehoa sekä pidentää niiden elinikää. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin ionisädesputterointilaitteen apuionilähteellä tuotettuja puhdistus- ja passivointikäsittelyjä. Apuionilähteelle etsittiin puhdistusparametrit, joilla pinnan etsaus oli kontrolloitua ja tasaista. Tämän lisäksi apuionilähteelle etsittiin parametrit passivointiin tarkoitettujen piinitridikerroksien tekemiseen. Käsiteltyjen laserien valotehon kesto mitattiin käyttämällä niitä pulssitetusti nousevalla virralla, kunnes ne hajosivat. Myös pääionilähteen vaikutusta lasereiden tehonkestävyyteen tutkittiin muuttamalla alumiinioksidin pinnoitusparametreja. Paras käsittely lasereille tuotti 9 %:in nousun laserien hajoamistehon keskiarvossa. Käsitellyistä lasereista sekä myös käsittelemättömistä referenssilasereista huomattiin, että niiden tehonkesto on merkittävästi heikompi kuin lasereiden, jotka olivat kaupallisesti pinnoitettuja. Tästä syystä tutkittiin alumiinioksidin kasvatusparametrien vaikutusta laserien valotehon kestoon. Kasvatusparametreja optimoimalla saavutettiin ainakin 50 %:in lisäys käsittelemättömien lasereiden tehonkestoon.