[发明专利]双层钝化薄膜材料及其制备方法

说明书

本公开提供一种双层钝化薄膜材料，其特征在于，包括：半导体光电子器件基材，包括衬底和腔面；GaN薄膜，制备于所述腔面表面；TiO₂薄膜，制备于所述GaN薄膜表面，与所述GaN薄膜形成双层钝化薄膜。本公开同时还提供一种双层钝化薄膜材料的制备方法，包括：操作S1：对半导体光电子器件基材的腔面进行预处理；操作S2：在所述半导体光电子器件基材的腔面上通过离子辅助技术制备GaN薄膜；以及操作S3：在所述GaN薄膜上制备TiO₂薄膜，完成双层钝化薄膜材料的制备。

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种双层钝化薄膜材料及其制备方法。

背景技术

半导体光电子器件具有体积小、光电转换效率高、使用寿命长和可高速调制等特性，被广泛应用于激光链路通信、精密机械加工、航空航天等领域。相对于固体激光器，半导体光电子器件的输出功率较小，且容易出现可靠性的问题。特别是半导体光电子器件在大电流工作下，由于激光器腔面高表面态密度，造成载流子非辐射增加，加剧了腔面的光吸收从而造成温度升高，引起半导体光电子器件的光学灾变损伤(Catastrophic OpticalDegradation，即COD)。

在半导体光电子器件主流工艺中，在非真空环境中完成芯片从晶圆和Bar条的划片和解离，这就会造成激光器腔面表面被氧化生成几个纳米厚的氧化层，且由于解理过程中机械应力造成腔面存在晶格位错及缺陷，上述这些因素导致了半导体光电子器件腔面处存在大量的表面态。电流注入时，这些表面态会由于其在禁带中央引入杂质能级而成为载流子虏获中心，促使载流子向腔面扩散。在激光器工作过程中，这些载流子会吸收谐振腔内部光辐射诱导非辐射发生，引起腔面区域温度升高。腔面发热一方面降低了器件发光效率，另一方面促使腔面材料带隙收缩引起更大的光吸收，还会引起腔面缺陷向激光器内部扩散。几乎所有的激光器都会因为表面态的问题而产生退化现象，输出功率越高，激光器退化的就越明显。因此需要对腔面进行钝化处理，以降低表面态密度，提高激光器的输出功率和可靠性。

半导体光电子器件常用的衬底有GaAs基和InP基，其中GaAs基是980nm、850nm、740nm等大功率泵浦半导体光电子器件的主要衬底，而InP基是1310nm和1550nm等光通信半导体光电子器件的主要衬底。GaAs基和InP基的半导体光电子器件在空气中解离，会产生不同的氧化物，因此它们的表面态不同，通常需用不同的钝化处理结构。

主流钝化工艺有两种，一种是采用湿法处理即含硫的化学溶液或是干法处理即氮等离子体的本底钝化工艺，其与半导体光电子器件腔面材料反应，在去除反应生成的含氧化合物同时，在腔面上原位生长稳定的化合物，这层化合物附着在腔面上起保护作用。这种本底钝化工艺是被最先被采用的，存在钝化时间长、效果不佳和钝化层不稳定等诸多问题。另一种是在半导体光电子器件腔面沉积单层钝化膜，钝化膜将表面悬挂键饱和，降低表面态密度，在此基础上，充当阻挡层，防止腔面被二次氧化。常用钝化层的材料包括Si、Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、ZnS和ZnSe，Si存在禁带宽度小、热导率差，以及覆盖层元素易迁移等问题；ZnS和ZnSe近些年也被用作钝化材料，但是存在较大的制备难度，且在潮湿的环境下易潮解；Al₂O₃在制备过程中会引入氧气，反而会劣化激光器腔面；AlN材料化学稳定性强，光学特性优异，但是高质量的AlN薄膜对制备工艺的要求很高。由于半导体光电子器件钝化要求高，制备工艺复杂，现有的钝化材料普遍存在钝化效果差、工艺不稳定、可靠性差，亟需开发新型的钝化结构，改变以往依靠镀制单一结构钝化膜的钝化结构。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种双层钝化薄膜材料及其制备方法，以缓解现有技术中光电子器件钝化材料存在钝化效果差、工艺不稳定、可靠性差等技术问题。

(二)技术方案