王勇刚, 马骁宇, 吕卉, 王丽明, 刘媛媛 | |||
（中科院半导体研究所, 北京, 100083） | |||
关键词：半导体可饱和吸收镜；宽带；选择腐蚀 中图分类号：TN248.1 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)07-0074-02 20世纪80年代以来，超短脉冲激光技术得到迅猛的发展，在很多领域，例如分子反应动力学、激光测距、生物学、医学、显示以及新材料领域有广泛应用。半导体可饱和吸收镜(SESAM)技术最初出现于1992年[1]，现已广泛用于固体激光器、光纤激光器被动锁模和被动调Q，以实现短脉冲或超短脉冲。由于反射带宽的限制，在实现飞秒激光被动锁模自启动时，必须使用宽带半导体可饱和吸收镜技术，这就需要研究镀金属膜和介质膜以及选择腐蚀研究。本文利用有关文献对宽带半导体可饱和吸收镜选择腐蚀进行了探讨和分析。 通常SESAM的基本结构就是把反射镜与吸收体结合在一起，下层一般为半导体反射镜，其上生长一层半导体可饱和吸收体薄膜，最上层可能生长一层反射镜或直接利用半导体与空气的界面作为反射镜。这上下两个反射镜就形成了一个法布里-珀罗腔。改变吸收体的厚度以及两反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽。制作半导体可饱和吸收镜的关键是形成对激光具有非线性吸收的吸收层，即对强光吸收少、反射率高，对弱光吸收多、反射率低。通常有三种方法：低温分子束外延法（LT MBE）、常温金属有机汽相淀积(MOCVD)+离子注入+退火、低温金属有机汽相淀积(MOCVD)。制作半导体饱和吸收镜的反射镜有两种方法：半导体布拉格反射镜和宽带反射镜技术。前者制作的反射镜带宽窄,不能支持飞秒级锁模，所以常用后者来制作飞秒激光器用的半导体饱和吸收镜。 利用半导体反射镜难以获得较宽的反射带宽和较高的反射率，所以进行飞秒锁模时一般采用金属介质反射膜的宽带SESAM,通常可以得到200 nm 左右的带宽和98%以上的反射率。图1是用宽带半导体可饱和吸收镜进行飞秒锁模的常用光路。
3 AlGaAs/GaAs 选择腐蚀 波长为800 nm的半导体可饱和吸收镜用来作为掺钛蓝宝石(Ti:Al2O3)和掺铬氟铝酸锶锂(Cr: LiSAF)等飞秒激光器中的自启动元件,一般要做成宽带结构。AlAs/AlGaAs 半导体布拉格反射镜的带宽只有30-40 nm, 所以采用倒生长、镀金属膜和介质膜的方法（图2）。首先在GaAs衬底上生长多层半导体材料，然后将GaAs衬底减薄至约100μm, 接着再腐蚀底层的AlGaAs层。在上层的AlGaAs层上镀Al2O3，再镀Au或Ag层以获得较高的反射率和较宽的带宽。Al2O3层可以通过环氧树脂粘接或
In焊的方法固定在铜或硅片上。最后底层的 AlGaAs层或一部分留下来的GaAs腐蚀阻止层就成为通光口。为了保证尽可能小的色散。整个结构要对入射光形成反谐振腔，这样就要严格控制各层的厚度。为了腐蚀掉衬底而又不过及底层的AlGaAs 层，先后采用了AlGaAs（约几百nm）和GaAs(20-40nm) 两个腐蚀阻止层。第一个GaAs/AlGaAs选择腐蚀目的是去掉GaAs衬底，因为GaAs衬底较厚（减薄后还有约100μm）, 所以相应的AlGaAs腐蚀阻止层也较厚，以便在较短的时间去掉GaAs 衬底，所以选取的选择腐蚀液腐蚀速度要快。第一个AlGaAs/GaAs选择腐蚀目的是去掉AlGaAs腐蚀阻止层，GaAs腐蚀阻止层较薄，即使保留下来也不至于严重影响反谐振腔结构。所以相应的选择腐蚀液腐蚀速度要控制得尽可能慢。 以下介绍几种常用的GaAs/AlGaAs选择腐蚀方法。 ①檬酸系。采用柠檬酸(C6H8O7.H2O)系腐蚀液，腐蚀GaAs/AlxGa1-xAs，在用HCl:H2O=1:5溶液清洗以后进行。x=0.3, 选择比为30；x=1.0,选择比为1000[2]。使用柠檬酸系腐蚀液时使用的镊子只能用Teflone镊子。在室温25℃时，GaAs的腐蚀速率达到1.4-4.1μm/min, AlGaAs的腐蚀速率为0.12-0.15μm/min[2]。 ②氨水。氨水(NH4OH:H2O2)更多地用于GaAs/AlxGa1-xAs选择腐蚀。其中，NH4OH:H2O2（1:25）常用于腐蚀GaAs衬底，再用HF很快地腐蚀掉AlxGa1-xAs腐蚀阻止层，然后用NH4OH:H2O2（1:200）来腐蚀GaAs腐蚀阻止层[3]。 ③刻蚀。刻蚀GaAs的设备有RIE、ICP和ECR。选择Cl2作为腐蚀气体时，GaAs的刻蚀速率为0.4-0.8mm/min，AlxGa1-xAs的刻蚀速率为0.1-0.3 mm/min。单纯的Cl2选择腐蚀比太低，不能实用化，可以加入CHF3或CH2F2，选择腐蚀比可以提高到10以上[2]。 4 InP/InGaAs/InGaAs选择腐蚀 1550nm半导体可饱和吸收镜一般用来作为铒玻璃和Cr4+:YAG等飞秒激光器中的自启动元件,结构与800nm半导体可饱和吸收镜类似（图3），不同的是薄膜是在InP衬底上生长的。相应的吸收区、垒区、腐蚀阻止层也换为InGaAs、InAlAs等。
以下为常用的InP/InGaAs/InAlAs选择腐蚀方法： ①酸系。C6H8O7.H2O:H2O2(1:1)和InGaAs/InAlAs的选择比可达25, 对InGaAs的腐蚀速率为0.1μm/min左右；C6 H8O7.H2O:H2O2(10:1)和InGaAs/InAlAs的选择比为2.5, InGaAs/InP的选择比为480, InAlAs/InP的选择比为187，对InGaAs的腐蚀速率基本不变，仍为0.1μm/min左右[4]。 ②刻蚀。采用ICP设备，用CCl2F2(CHF3+BCl3) | |||
本文摘自《半导体技术》 | |||
