автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка покрытий для защиты полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур

2900

На правах рукописи

КОЗЫРЕВ Антон Андреевич

РАЗРАБОТКА ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ АЮаАз/ОаАБ-ГЕТЕРОСТРУКТУР

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Кособудский Игорь Донатович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ушаков Николай Михайлович доктор физико-математических наук, профессор Зимняков Дмитрий Александрович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

«Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН», г. Санкт-Петербург

Защита состоится "22" сентября 2011 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу:

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, ауд. 414/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат размещен на сайте: www.sstu.ru 15 августа 2011 г.

Автореферат разослан «15» августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Димитрюк А. А.

РОПО1^.?:'-" -!

ГОСУД.ЛРС1:~,г: ..

БИо!1И07гх ¿С 11

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время широко востребованы высокомощные надёжные полупроводниковые лазеры для накачки твердотельных и волоконных лазеров. Хорошо известно, что основной причиной, ограничивающей срок службы и предельную мощность полупроводниковых диодных лазеров, является разрушение выходного зеркала под воздействием мощного оптического излучения. Существуют технологии, позволяющие повысить надёжность лазерных диодов и их предельную мощность.

Структура полупроводникового лазера формируется на ОаАв подложке МОСУО методом. После нанесения омических контактов с помощью фотолитографии формируются единичные элементы, которые скалываются на одиночные диоды или линейки диодов. Образовавшиеся естественные сколы формируют резонатор, имеющий две зеркальные поверхности с равными значениями коэффициента отражения. На выходной зеркальной грани резонатора обычно формируется покрытие, увеличивающее пропускание, а на противоположной грани формируется многослойное покрытие, обеспечивающие высокое отражение. В таком резонаторе вся излучаемая мощность выходит через скол с просветляющим покрытием. В последнее время оптическая плотность мощности на выходной грани полупроводниковых лазерных диодов достигает 40 МВт/см2. Хорошо известно, что под воздействием столь мощного оптического излучения, больших протекающих токов и тепловых эффектов, вызванных разогревом структуры, полупроводниковые диодные лазеры деградируют в ходе работы. Одной из главных причин выхода из строя диодных лазеров является диффузия кислорода из кислородсодержащего диэлектрика, покрывающего зеркальный скол резонатора, которая приводит к окислению поверхности полупроводника и последующей катастрофической оптической деградации зеркал (КОДЗ), что значительно снижает выходную мощность. Одним из высокоэффективных способов защиты поверхности от окисления является технология скалывания пластины на кристаллы в сверхвысоком вакууме (СВВ) или в инертной среде с последующей пассивацией, однако это очень дорогие и сложные в реализации процессы. Большое число исследований проведено в области халькогенидной пассивации, однако данные о внедрении этих методов в производство отсутствуют.

Сегодняшний уровень развития нанотехнологий позволяет рассмотреть перспективу использования наноструктурированных материалов в качестве оптических покрытий вместо используемых в настоящее время диэлектрических неорганических материалов. В последние годы интерес к нанокомпозитным материалам постоянно растёт благодаря их уникальным механическим свойствам, устойчивости к

лазерному излучению, а также повышенной тепловой и электрической проводимости. Нанокомпозигные материалы на основе полимеров могут найти применение в производстве как органических светоиэлучаюшмх диодов (ОЫЕ^), так и лазеров с длиной волны, лежащей в видимом диапазоне. Это может не только улучшить параметры этих приборов, но и уменьшить их стоимость и упростить технологию производства. Основным» достоинствами полимеров являются простота изготовления н возможность работы с гибкими подложками. Полимерные покрытия могут быть сформированы с использованием различных методов осаждения из раствора, например метода полиионной сборки и центрифугирования. Устойчивость к лазерному воздействию в большинстве практически важных случаев сводится к обеспечению высокой термической устойчивости полимера. К полимерам, обладающими максимальной термостабильностью (до 560°С) и высокой механической прочностью, относится класс полиимндов. Эти свойства позволяют использовать их в качестве герметизирующих и пассивирующих покрытий.

Ещё одним этапом производства полупроводниковых лазеров, требующим наличия диэлектрической плёнки, является герметизация канавок, сформированных для разделения одиночных лазерных диодов в линейке. Такая защита необходима во избежание короткого замыкания р и п областей полупроводниковой структуры во время пайки. Преимуществом мягкой диэлектрической плёнки перед твёрдой (8Ю2, является её способность не давать трещин при механическом воздействии на кристалл. Так, во время скалывания пластины на кристаллы твёрдый диэлектрик может разрушаться и крошиться, в то время как мягкие плёнки не повреждаются. Плёнки полиамидоимидов (ПАИ) могут осаждаться центрифугированием, что делает способ их получения быстрым и недорогим по сравнению с напылением плёнки диэлектрика в вакууме. Кроме того, этим методом можно получать толстые плёнки, полностью покрывающие канавки в полупроводниковой пластине.

Актуальность. В связи с этим актуальной задачей является поиск новых материалов для защиты выходной грани полупроводниковых лазеров, позволяющих увеличить их рабочую и предельную мощность и продлить их срок службы, а также разработка технологий, позволяющих уменьшить стоимость конечной продукции.

Цель диссертационной работы: создание защитных покрытий на основе полимеров и неорганических материалов, позволяющих увеличить предельную мощность и надёжность полупроводниковых лазеров на основе АЮаАБ/СаАз-гетероструктур.

Задачи исследования:

1. Разработать технологические основы получения полимерного защитного покрытия методом адсорбции из раствора на выходной грани

полупроводниковых лазеров, и оценить увеличение предельной мощности полученных приборов.

2. Создание эффективной диэлектрической зашиты р-п-перехода полупроводниковых лазеров с помощью осаждения толстых (-1 мкм) полиамидоимидных плёнок, полученных методом центрифугирования, и определить процент выхода годных приборов.

3. Исследовать оптические и структурные характеристики плёнок нитрида кремния, селенида цинка и оксида алюминия и проанализировать перспективы их использования для защиты выходного зеркала лазерных диодов.

Научная новизна работы:

1. Показана возможность использования полимерных материалов для пассивации выходной грани полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур, что позволяет увеличить предельную мощность в 1.5 раза.

2. Показана возможность диэлектрической изоляции р-п-пере.чода линеек лазерных диодов полиамидоимидами, что позволяет увеличить выход годных приборов по короткому замыканию р-п-перехода до 100%.

3. Разработаны технологии получения тонких защитных неорганических плёнок.

Научно-практическая значимость работы:

1. Создана технология защиты тонкими полимерными покрытиями на основе полиамидокислот (ПАК) выходных зеркал полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур.

2. Полиамидоимидная герметизация может использоваться при создании полупроводниковых устройств, таких как полупроводниковые лазеры, диоды, транзисторы.

3. Результаты диссертационной работы использованы в ОАО «НПП «Инжект»», г. Саратов, что подтверждается актами внедрения № 5 от 26.04.11.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием в экспериментах стандартной сертифицированной измерительной аппаратуры и подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных с использованием современных физико-химических методов: атомно-силовой микроскопии (АСМ), спектрофотометрии, инфракрасной (ИК) Фурье спектроскопии и др.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Исследуемые ПАК, осаждённые методом адсорбции из раствора на AlGoAs/GaAs-лазерные диоды, повышают предельную мощность в 1.5 раза. Выходная оптическая мощность при этом увеличивается до 6.9 МВт/см2.

2. Полиамидоимидная диэлектрическая защитная плёнка, осаждённая методом центрифугирования, полностью исключает возможность короткого замыкания р-п-перехода в линейках полупроводниковых

5

лазерных кристаллов и может использоваться для их герметизации наравне с традиционными неорганическими покрытиями, такими как оксид алюминия.

3. Защитные покрытия на основе нитрида кремния и оксида алюминия, осаждённые на выходную грань полупроводникового лазера, повышают значение его предельной мощности в 2.6 и 3.4 раза соответственно.

Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре химии Саратовского государственного технического университета. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях:

1. V Всероссийская конференция молодых учёных «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» - Саратов, 2010.

2. V Международная конференция «Стеклопрогресс-ХХ1» - Саратов, 2010.

3. V Международная конференция «Композит-2010» - Саратов, 2010.

4. X Юбилейная международная научная конференция «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» - Ставрополь, 2010.

5. XXI Международная конференция "Лазеры в науке, технике, медицине» - Сочи, 2010.

6. Семинар в рамках совместного российско-германского проекта по повышению квалификации молодых руководящих кадров из малых и средних предприятий по избранным вопросам немецко-русских технологических и иннновационных трансферов в области оптических технологий, Дрезден, 2010.

7. Шестой саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций, Саратов, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в реферируемых научных журналах из списка ВАК, выдано положительное решение о выдаче патента на полезную модель.

Личный вклад диссертанта. Все основные экспериментальные результаты диссертации, связанные с получением тонких плёнок и исследованием их физических свойств, выполнены лично автором. Постановка задач исследования и обсуждение результатов проведены под руководством д.х.н., профессора Кособудского И.Д., д.х.н., доцента Горина Д.А, д.ф.-м.н. Микаеляна Г.Т. При использовании результатов, полученных в соавторстве, даются соответствующие ссылки на источник.

Структура II объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая 52 рисунка и 13 таблиц. В списке использованных источников содержится 104 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, рассмотрена новизна, практическая значимость, сформулирована цель работы, основные задачи исследований, приведены основные положения, выносимые автором на защиту.

Первая глава содержит аналитический обзор по теме диссертации. В ней сформулированы основные принципы защиты поверхности арсенида галлия, такие как сульфидная пассивация, полимерная герметизация и изоляция с помощью полиимидов, защита неорганическими диэлектрическими плёнками. Описаны методики и технологии получения защитных покрытий. Приведён анализ результатов работ по изучению различных методов пассивации поверхности. Рассмотрены основные перспективы применения полимерных материалов в лазерных резонаторах и лазерной оптике. Описаны эффекты, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с защитным покрытием резонатора [1].

Вторая глава посвящена описанию методов исследования и используемых материалов. В качестве полимеров использовались две полиамидокислоты:

Имидсодержащая полиамидокислота с боковыми карбоксильными группами (ПАК №1):

и простейшая полиамидокислота ПАК №2:

СО—(СН2)4—СО-МН NN--

п

а также два полиамидоимида. Простейший полиамидоимид (ПАИ №1):

и полиамидоимид с боковой карбоксильной группой (ПАИ №2): о о

-ос ^ Кг^Ч-

/М-(СНЛ-М Т| Т Т' '

V

соон

Описаны методики осаждения полимерных покрытий на основе полиамидоимидов и полиамидокислот методом адсорбции из раствора и методом центрифугирования. Приведены описания лазерных гетероструктур па основе AlGaAs/GaAs, использовавшихся в работе, а также способ их монтажа на контактной пластине. Описаны основные методы, применявшиеся для исследования полимерных покрытий: метод атомно-силовой микроскопии, метод инфракрасной Фурье спектроскопии, методика измерений порога катастрофы лазеров с полимерными защитными покрытиями, методика измерения напряжений пробоя толстых полиамидоимидных плёнок, метод оптической спектроскопии, методика измерения динамических вольт-амперных характеристик структур металл (золото)/диэлектрик (полимер)/полупроводник (арсенид галлия), метод Оже спектроскопии и метод измерения спектров фотолюминесценции. Представлена методика расчёта спектральных характеристик матричным методом, которая в случае однослойного покрытия при нормальном падении света к плоскости плёнки сводится к формуле

М-^ехрНЭД 1 + Л13Д12ехр(-/2<р)

Здесь RI - суммарное отражение, R/2 и R23 - амплитудные коэффициенты

п "о ~ ",»

отражения на границах двух сред: Rv =-JL-—— - отражение от границы

я„ + тм

воздух/плёнка и /?,, = "'— отражение от границы плёнка/подложка, где и. + «»„,

ns - показатель преломления подложки, п0 - показатель преломления среды, пт - показатель преломления плёнки, а фаза, согласно выражению

(1), запишется в виде <p = — nmd, где d - толщина плёнки, Я - длина волны.

à

Поскольку ns = const, щ = const, спектральная зависимость определяется только показателем преломления плёнки и её толщиной: R, =/(Я,п,„,<г/). Поиск значений пт и с/, при которых зависимость суммарного амплитудного коэффициента отражения от длины волны максимально близко описывает исследуемую спектральную характеристику в инфракрасной области спектра, осуществлялась в программной среде Mathcad 11.0а.

Третья глава посвящена описанию результатов исследования защитной роли паиоразмерпых слоёв па основе полиамидокислот и полиамидоимидов выходной грани лазерного кристалла на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур. Защитные покрытия во всех случаях формировались с помощью метода адсорбции из раствора или методом центрифугирования. Полимеры для защиты поверхности для полупроводниковых лазеров подбирались исходя из следующих соображений: полимер должен обладать высокой температурой плавления,

для того чтобы он не испарялся во время работы лазера, низким коэффициентом сажеобразовапия, чтобы количество продуктов реакции, образующихся в результате пиролиза, было минимальным, высокой оптической однородностью и прозрачностью в области излучения лазера.

Одной из важных характеристик полимеров, использующейся в оптике, является коэффициент сажеобразования, характеризующий образование сажи и смол при лазерном облучении, который рассчитывается по формуле

в='"-0'/4 + *> (2) 1 + 074 + *)

где /, у, к - коэффициенты в брутто формуле полимера С^Ок. В табл. 1 [2] приведены значения коэффициента сажеобразовапия для используемых в работе полимеров, а также параметры их термической стабильности (температура, при достижении которой потеря массы образца в процессе нагрева составляет 1%). Как видно из табл. 1, минимальным значением коэффициента сажеобразовапия 0.3 обладает ПАК №2. Максимальным значением коэффициента сажеобразования 0.5 обладает ПАИ №1 [6], следовательно, ПАК №2 должен иметь более высокую лучевую прочность по сравнению с ПАИ №1. Также из табл.1 следует, что все полимеры имеют достаточно высокую термическую стабильность относительно температуры работы лазера (не более 50 °С), поэтому могут использоваться в качестве защитного покрытия.

__Таблица I

Полимер Брутто формула 0 т, °С

ПАК № 1 CjjIbjOnNj 0.4 398

ПАК №2 C23H22O6N, 0.3 402

ПАИ № 1 C28H,705N4 0.5 258

ПАИ №2 C3iH:40*N4 0.4 333

Для того чтобы подтвердить оптическую однородность полимерных покрытий, а также оцепить толщину плёнок, полученных методом адсорбции из раствора, использовался метод АСМ. Для этого исследуемые полимеры осаждались на пластины из GaAs, при этом было обнаружено, что полимер ПАИ №2 не адсорбируется на пластинах GaAs, поэтому это вещество в дальнейшем не исследовалось. Толщина адсорбированных полимеров на GaAs не превышала 10 им.

Изображение поверхности чистой подложки, полученное методом АСМ в полуконтактном режиме, представлено на рис. 1 (а). Среднее арифметическое значение шероховатости подложки составило 0.3 им. На рис. 1 (б) представлено изображение рельефа поверхности подложки после нанесения слоя ПАК №1. Среднее арифметическое значение шероховатости R„ плёнки составило 1.5 нм, что свидетельствует о высокой

однородности плёнки. Размеры агрегатов на поверхности пластины достигают 350 нм, при этом их высота достигает 10 нм.

Изображение рельефа поверхности подложки после нанесения ПАК №2 представлено на рис. 1 (в). Слой ПАК №2 наносился аналогичным образом. Как видно из рис. 1 (в), распределение агрегатов по поверхности равномерное. Среднее арифметическое значение шероховатости Ra плёнки составило 3.8 нм. Размеры агрегатов не превышают 150 нм, их высота достигает 20 нм. На рис. 1 (г) представлено изображение рельефа поверхности подложки после нанесения слоя ПАИ №1. Среднее арифметическое значение шероховатости Ra плёнки составило 1 нм. Как видно на рис. 1 (г), плёнка ПАИ №1 содержит малое количество агрегатов, размеры которых достигают 400 нм, а высота не превышает 5 нм.

В табл. 2 сведены данные о полимерных плёнках, полученные с помощью АСМ.

7,8 nm

.6,0

.5,0

.4,0

.3,0

.2,0

. 1.0

_0,0

44,7 nm

35,0

.30.0

.25,0

.20,0

_ 15,0

j 10,0

5,0

1 0,0

23,6 пт 20.0

В г

Рис. 1. Атомно-силовые изображения рельефа поверхности а - чистая подложка ОаАй, б - плёнка ПАК №1, в - плёнка ПАК №2, г - плёнка ПАИ №1 [2]

Таблица 2

Материал Ra, нм q>s, мВ d агрегатов, нм

GaAs 0.3 320 -

ПАК №1 1.5 60 350

ПАК №2 3.8 190 150

ПАИ №1 1 240 400

ПАИ №2 Не адсорбируется на GaAs

Для анализа возможности использования полимеров в качестве защитных покрытий необходимо знать их оптические характеристики, чтобы в дальнейшем определить изменение отражение выходного зеркала, добротность и коэффициент потерь резонатора. Для определения показателя преломления полимеров были получены методом центрифугирования на подложке из стекла К8 толстые плёнки ПАК и ПАИ и снимались их спектры пропускания. При этом толстое покрытие на основе ПАК №1 имело множество неоднородностей, в связи с чем определить оптические характеристики этого полимера не удалось. Полученные спектры описывались теоретической зависимостью, полученной с помощью матричного метода. Показатель преломления полимерного покрытия и коэффициент экстинкции определялись из начальных условий, задаваемых при построении теоретической кривой соответствующего спектра на длине волны излучения лазера (808 нм).

На рис. 2 приведён спектр пропускания полимерного покрытия ПАИ №1 на стекле К8. Как видно из рис. 2, спектральная кривая, соответствующая полимеру ПАИ №1, не достигает в максимумах значений пропускания для стекла К8, что свидетельствует о поглощении. Теоретическая кривая, описывающая спектральную характеристику ПАИ №1, получается при значении показателя преломления материала п = 1.62 - 0.0009Í. Наличие поглощения объясняет тот факт, что лазерные диоды с выходным зеркалом, защищенным ПАИ №1, имеют меньшую предельную мощность. В то же время полимеры ПАК №2, ПАИ №2 не поглощают в ИК области спектра. Как видно из рис. 2, поглощение излучения в плёнке ПАИ №2 полностью отсутствует вплоть до 500 нм. Значения показателя преломления полимеров, рассчитанные матричным методом, приведены в табл. 3.

Исходя из полученных значений показателя преломления была проведена оценка добротности резонатора, а также изменения значения коэффициента отражения выходного зеркала. Учитывая, что толщина адсорбированных плёнок не превышала 10 нм, было показано, что отражение от выходной грани уменьшается не более чем на 0.5 %, а добротность резонатора (длиной 350 мкм) составляет Q = 4.69 х 103.

Для оценки защитной степени полимерных покрытий лазерные диоды были смонтированы на контактной пластине в количестве 10 штук и измерены предельные значения излучаемой мощности. По средним значениям были построены ватт-амперные характеристики, представленные на рис. 3. Как видно, среднее значение предельной мощности необработанных лазеров составило 4.11 ± 0.32 Вт, в то время как для лазеров, защищенных полимерным покрытием, оно составило 5.44 ± 0.57 Вт и 5.05 ± 0.34 Вт для ПАК №1 и ПАК №2 соответственно. Среднее значение предельной мощности лазеров, покрытых ПАИ №1, составило 4.69 ±0.16 Вт, что говорит о низкой лучевой прочности данного полимера и делает затруднительным его использование в лазерной оптике. Таким образом полимерное покрытие на основе ПАК повышает предельную

мощность лазеров на 30 - 50 % [2, 7]. Исходя из данных о размерах агрегатов, приведённых в табл. 1, можно сделать вывод, что агрегаты размером менее 350 нм не оказывают воздействия на защитную функцию плёнки, поскольку предельная мощность лазеров, покрытых плёнкой ПАК №1 с размером агрегатов 350 нм, сравнима с таковой для лазеров, покрытых плёнкой ПАК №2 с размером агрегатов 150 нм.

382 482 582 682 782 882 982 1082

X, пш

Рис. 2. Спектры пропускания полимерных покрытий на стекле К8: 1 - стекло К8, 2 -теоретическая зависимость для ПАИ №2, 3 - теоретическая зависимость для ПАИ №1, 4 - практическая зависимость для ПАИ №2, 5 - практическая зависимость для ПАИ №1

Рис. 3. Ватт-амперные характеристики лазерных диодов с различными защитными покрытиями: 1 - без полимерного покрытия, 2 - ПАИ Xsl, 3 - ПАК №1,4- ПАК №2

Также лазеры, покрытые ПАК №2, имеют более высокую предельную мощность, чем лазеры с покрытием из ПАИ №1, что согласуется со значениями их коэффициентов сажеобразования.

Диэлектрическая зашита в полупроводниковой лазерной линейке необходима не только на выходной грани, но и в канавках, разделяющих структуру на отдельные элементы. В связи с этим было проведено исследование возможности диэлектрической герметизации р-п-перехода полиамидоимидами. На рис. 4 показана лазерная структура с нанесённым в канавки диэлектриком [4, 5]. Такая герметизация исключает короткое замыкание р и п областей в результате попадания припоя во время пайки в канавку.

Металлические

Диэлектрик

III III I Ilk I I.

Рис. 4. Схематическое изображение лазерной линейки с канавкой, герметизированной диэлектриком

| ц

ПАИ №1 ПАИ №2

#8 • §Я f! ЩШ Я V'i ' ,ai' ill' . ' Щщ. III ,' ',, „¿7. • IMHhK^^S

ПАК № 1 ПАК №2

Рис. 5. Плёнки ПАИ и ПАК, осаждённые центрифугированием на GaAs подложки, 5х оптическое увеличение

Для оценки однородности плёнок ПАИ и ПАК, осаждённых центрифугированием, были исследованы их увеличенные оптические изображения. Толстые полимерные покрытия на подложке ваАв приобретают окраску, по однородности цвета которой можно судить о качестве плёнки. На рис. 5 можно увидеть, что плёнки ПАИ имеют

поверхность с однородной окраской с малым числом дефектов, в то время как плёнки ПАК имеют множество включений и неровностей, чем объясняется градиент цветов. Поэтому в дальнейшем представлены результаты исследований для полимеров на основе ПАИ.

Для определения толщины плёнок, полученных методом центрифугирования на пластине ОаАв, были получены спектры отражения полимеров на полупроводниковых подложках. Характеристики полимеров, рассчитанные матричным методом, приведены в табл. 3. Как следует из табл. 3, наименьшим показателем преломления обладает полимер ПАК №2, наибольшим - ПАИ №2, при этом ПАИ №1 имеет комплексный показатель преломления.

______Таблица 3

Полимер п (1, нм

ПАК № 1 - -

ПАК №2 1.58 130

ПАИ №1 1.62-0.00091 630

ПАИ №2 1.59 630

Для исследования электрофизических параметров полимеров были произведены измерения вольт-амперных характеристик МДП-структуры металл (золото) / диэлектрик (полимер) / полупроводник (арсенид галлия). Измерения проводились на частоте 100 Гц по трём точкам на пластине. По результатам измерений были построены вольт-амперные характеристики, представленные на рис. 6. Для расчета сопротивления МДП-структуры использовались линейные участки ВАХ. Полученные значения сопротивлений приведены в табл. 4. Как видно из табл. 4, наибольшим значением удельного сопротивления обладает полимер ПАИ №2. Поскольку напряжения, при которых работают лазерные диоды, обычно составляют единицы вольт, исследуемые ПАИ могут быть использованы для диэлектрической изоляции р-п-перехода, при этом их удельное сопротивление сравнимо с таковым для оксида алюминия. Для оценки эффективности изоляции р-п-перехода полиамидоимидами было проведено исследование токов утечки в лазерных линейках, включающих три кристалла, разделённых двумя канавками, р-п-переходы которых были открыты, и герметизированными ПАИ №2. Для измерения токов утечки

Рис. 6. Динамические вольт-амперные характеристики МДП-структур на частоте 100 Гц: 1 - Аи/ПАИ №1ЛЗаЛ5, 2 - ЛшАЬОз/ОаАв, 3 - Аи/ПАИ №2/ОаАя

Таблица 4

Материал R, Ом d, нм р, Ом-см

ПАИ №1 2800 630 4.4 х 105

А1203 2940 200 14.7 х 10"

ПАИ №2 19200 630 30 х 10s

В результате измерений было обнаружено, что две линейки с открытыми р-п-переходами имели высокие токи утечки (50 нА при 2 В), три - средние токи утечки (50 нА при 3.5 В) и пять - низкие (50 нА при 5 В и выше). При этом все 10 герметизированных линеек имели низкие токи утечек, что свидетельствует об успешной изоляции р-п-перехода.

Так, было показано, что исследуемые плёнки ПАК повышают предельную мощность полупроводниковых лазеров в 1.5 раза, обеспечивая выходную оптическую мощность до 6.9 МВт/см", а также на примере ПАИ №2 показано, что толстые плёнки полимеров, полученные методом центрифугирования, не шунтируют р-п-переход [8] и могут быть использованы для герметизации канавок в лазерной линейке кристаллов.

Четвёртая глава посвящена исследованию неорганических диэлектрических материалов для защиты выходной грани лазеров. Для защиты выходного зеркала используются такие материалы как ZnSe, Si, АЬОз и Si3N4. Потребность в высокомощных лазерных диодах делает необходимым получение более надёжных защитных покрытий, что приводит к развитию технологий вакуумного осаждения. Указанные выше материалы наносились электронно-лучевым испарением в вакууме с ионным ассистированием.

Для оценки качества поверхности покрытий были сняты с помощью АСМ рельефы плёнок, нанесённых на подложки GaAs. Шероховатость чистой поверхности составила 0.26 нм. Как видно из рис. 7 (а), поверхность пластины представляет собой плоскость без каких-либо дефектов и включений. Полученные плёнки оксида алюминия имеют низкие значения шероховатости 0.6 нм. На рис. 7 (б) видно, что плёнка состоит из мелких образований с редкими включениями крупных образований и проколов. На рис. 7 (в) приведены АСМ изображения плёнки селенида цинка, из которого видно, что полученные плёнки, несмотря на использование ионного ассистирования, имеют высокую шероховатость 1.58 нм и множество крупных образований и проколов, снижающих оптическую однородность плёнки. АСМ изображение подложки с плёнкой нитрида кремния приведено на рис. 7 (г). Как видно, поверхность нитрида кремния состоит из плотноупакованных образований, в результате чего на поверхности полностью отсутствуют крупные включения и проколы. Шероховатость поверхности составила 0.74 нм.

Для исследования оптических характеристик были измерены спектры пропускания неорганических плёнок на стекле К8. Пропускание на длине волны 800 нм через плёнку селенида цинка толщиной У2 где X = 800 нм

составило 90.5%, а пропускание стекла К8, на которое была осаждена данная плёнка, -91.7 %. Т.е. потери излучения на рассеяние и поглощение составляют для данной толщины 1.2%, что недопустимо для мощных полупроводниковых лазеров. Аналогичные характеристики были получены для плёнок оксида алюминия и нитрида кремния, из которых было определено, что указанные вещества не поглощают на длине волны излучения лазера.

Для оценки защитной роли неорганического покрытия были измерены ватт-амперные характеристики лазерных диодов. Лазеры работали в импульсном режиме с частотой 1 кГц и длительностью импульса т = 150 не. По усреднённым значениям тока и мощности были построены ватт-амперные характеристики лазеров с различными неорганическими покрытиями, приведенные на рис. 8.

Как видно, из рис. 8, предельная мощность необработанных лазеров составила 4.1 Вт, в то время как предельная мощность лазеров с защитным покрытием составила 7.6, 8.6 и 9.9 Вт для селенида цинка, оксида алюминия и нитрида кремния, напылённых с помощью электроннолучевого испарения соответственно. В табл. 5 приведены отношения предельных мощностей лазеров с защитным покрытием (Р) и без него (Р()) для различных материалов.

в г

Рис. 7. АСМ изображения: а - пластины GaAs, /?„ = 0.26 нм; б - плёнки A12Oi, R„ = 0.62 нм; в - плёнки ZnSe, R„ = 1.58 нм; г - плёнки SijNj, R„ = 0.74 нм [3]

Таблица 5

Материал Р/Р0

ZnSe 1,8

S13N4 2,6

AI2O3 + 02 3,4

ПАКХа! 1,5

ПАК №2 1,4

ПАИ № 1 1,1

Как видно из табл. 5 и рис. 8, селенид цинка показывает наименьший защитный эффект при покрытии им зеркальных граней кристаллов лазера из исследуемых неорганических материалов. Связано это, во-первых, с несовершенной структурой плёнки, на которой имеются поры и множество неоднородностей и её высокой шероховатостью (1.58 нм), и, во-вторых, с поглощением излучения. Покрытия из нитрида кремния оказывают существенный защитный эффект, как это видно из табл. 5 и рис. 8.

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00

1, А

Рис. 8. Ватт-амперные характеристики лазерных диодов с различными покрытиями на

выходной грани [3]

Это хорошо согласуется с данными, полученными с помощью ACM, а именно низкой шероховатостью плёнки (0.74 нм) и её хорошей оптической однородностью. Предельная мощность лазеров, покрытых оксидом алюминия, в 2.1 раза превышает предельную мощность незащищённых лазеров [3, 9]. Из табл. 5 также видно, что полимерные покрытия оказывают меньшее защитное воздействие по сравнению с неорганическими покрытиями, однако их осаждение не требует дорогостоящего оборудования и занимает в 6 раз меньше времени.

В заключении приведены основные результаты и сформулированы выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Полимерное защитное покрытие на основе ПАК №2 повышает предельную мощность полупроводниковых лазеров в 1.5 раза. При этом исследуемый полимер имеет низкий коэффициент сажеобразования (0.3). высокую оптическую однородность и прозрачность в инфракрасной области спектра.

2. Полимерное защитное покрытие на основе ПАИ №1 нецелесообразно использовать для зашиты выходного зеркала полупроводниковых лазеров ввиду высокого коэффициента сажеобразования (0.5) и наличия поглощения на длине волны излучения лазера.

3. Толстое (~ I мкм) полимерное покрытие на основе ПАИ №3, полученное методом центрифугирования, не шунтирует р-п-переход и может быть использовано для герметизации канавок в лазерной линейке кристаллов.

4. Плёнки оксида алюминия и нитрида кремния повышают предельную мощность полупроводниковых лазеров в 3.4 и 2.6 раза соответственно.

6. Плёнка оксида алюминия, напылённая с помощью ионного ассистирования, обеспечивает в 2 раза большую предельную мощность, чем аналогичные покрытия, полученные методом электронно-лучевого испарения. Ионное ассистирование с энергиями 30 - 150 эВ позволяет получать плёнки с низкой шероховатостью (0.6 нм), отсутствием поглощения и высокой оптической однородностью.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Козырев А. А. Перспективы использования полимерных и нанокомпознтных материалов в твердотельной электронике / А. А. Козырев, Д. А. Горин, И. Д. Кособудский, Г. Т. Микаелян // Наио- и мпкросистемная техника. -2010. -3. -С. 9-23.

2. Козырев А. А. Наноразмерные слои на основе полиамидокислот и полнампдои.мнлов в качестве защитного и пассивирующего покрытия в лазерных AlGaAs/GaAs гетеросгруктурах / А. А. Козырев, Д. А. Горин, И. Д. Кособудский, Г. Т. Микаелян, И. В. Подешво, J1. И. Субботина, М. Я. Гоихман, А. В. Якиманский // Российские нанотехнологии. -2011. -5-6. -С. 34- 38.

3. Козырев А. А. Исследование материалов для защиты выходных зеркал полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур / А. А. Козырев, Г. Т. Микаелян // Оптический журнал. -2011. -6. -С. 88 - 93.

В других изданиях:

4 Козырев А. А. Наноразмерные покрытия на основе полиамидокислот и полнамндонмидов для диэлектрической изоляции р-п-перехода полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур / А. А. Козырев, И. Д. Кособудский, Д.

А. Горин, Г. Т. Микаелян, М. Я. Гойхман, Л. В. Якиманский // Наноэлектроника, нанофотоиика и нелинейная фишка: тезисы докладов V конференции молодых учёных / ИРЭ РАН. Саратов, 2010. -С. 48-50.

5. Козырев А. А. Наноразмерные покрытия на основе полиамидокислот и полиамидоимидов для пассивации передних граней и для диэлектрической изоляции р-n-перехода полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур / А. А. Козырев, И. Д. Кособудский, Д. А. Горнн, Г. 'Г. Микаелян, М. Я. Гойхман, А. В. Якиманский // Доклады международной конференции «Композит-2010» / СГГУ. -Саратов, 2010. -С. 37-39.

6. Козырев А. А. Наноразмерные покрытия на основе полиамидокислот и полиамидоимидов для пассивации зеркал полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур / А. А. Козырев, И. Д. Кособудский, Д. А. Горин, I". Т. Микаелян, М. Я. Гойхман, А. В. Якиманский // Химия твёрдого тела: наноматериалы. нанотехнологии: сборник докладов юбилейной международной научной конференции / СевКавГТУ. -Ставрополь, 2010. -С. 146-149.

7. Козырев А. А. Наноразмерные пассивирующие покрытия на основе полиамидокислот для граней полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур / А. А. Козырев, Д. А. Горин, И. Д. Кособудский // Стеклопрогресс XXI: сборник докладов V международной конференции. -Саратов, 2010. -С. 203-206.

8. Козырев А. А. Технология нанесения изоляционных и защитных пленок на кристаллы диодных лазеров / А. А. Козырев, Г. Т. Микаелян, И. Д. Кособудский, Д. А. Горин, А. В. Якиманский, М. Я. Гойхман // Сборник докладов шестого саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций. -Саратов, 2011. -С. 112-113.

9. Козырев А. А. Перспективные материалы для пассивации выходных зеркал полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур / А. А. Козырев, Г. Т. Микаелян, Л. И. Шестак // ЛАЗЕРЫ-2010: сборник трудов конференции / МНТОРЭС. - Сочи, 2010. -С. 11-15.

10. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Полупроводниковый лазер / A.A. Козырев, Г.Т. Микаелян, ДА. Горин, И.Д. Кособудский, A.B. Якиманский, И.В. Подешво, М.Я. Гойхман (по заявке на полезную модель 201124389/28(036098) от 16.06.2011). МПК H01S 5/028 (2006.01).

Подписано в печать 15.06.! ! Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл. печ.л. 1,16(1,25) Заказ 203

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

201

00

0737

2010010737