用于制造具有可饱和半导体吸收材料的镜体的方法

用于制造具有可饱和半导体吸收材料的镜体的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于制造具有可饱和半导体吸收材料的镜体的方法，其包括：将可饱和半导体吸收材料(205)沉积在生长衬底(200)上，从而形成结构；将至少一个金属层沉积在所述结构上，从而形成第一镜体(211)；和由通过电绝缘掩模(312)进行的电沉积将导热衬底(212)沉积在所述金属层上，以允许选择性沉积所述导热衬底，从而预定义所述具有可饱和半导体吸收材料的镜体的边界。
【专利说明】
用于制造具有可饱和半导体吸收材料的镜体的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于制造具有半导体可饱和吸收体的镜体的方法以及通过所述 方法得到的镜体。
【背景技术】
[0002] 近几年，短脉冲光源（100fs至lps)的产生在很多应用（例如，激光微加工、薄膜的 形成又或激光清洁）中已经成为一种越来越重要的技术。
[0003] 具有半导体可饱和吸收体的镜体(或简称SESAM，半导体可饱和吸收镜）是此技术 的关键要素之一，因为它们允许对脉冲以及激光发射的特性(尤其包括脉冲持续时间、发射 功率和稳定性)进行时域调节。
[0004] SESAM的操作基于半导体材料的吸收饱和的现象。可饱和吸收材料的吸收系数α的 变化取决于从其经过的入射光信号的强度I。图1Α示出可饱和吸收材料的吸收系数作为入 射光信号的强度I的函数。低强度的光信号受到材料的本征吸收并因此被吸收。与此相反， 高强度的光信号致使半导体材料透明，从而将其吸收减少至基本为〇的值并被透射而未被 吸收。这就是吸收饱和现象。大部分材料表现出可饱和的吸收，但经常是在非常高的光强度 (接近光损伤水平)下。半导体材料表现出允许在较低的光强度阈值下的吸收饱和现象的特 殊的能量结构。更确切地说，在足够高的入射光强度的影响下，价带的载流子(电子)在比载 流子至基态的弛豫时间更短的时间内进入更高的能态(导带）。这导致了以基态能级为代价 而填充更高能态以及吸收的饱和。表征半导体可饱和吸收体的参数特别地是吸收波长的范 围、能观察到吸收饱和的光强度阈值和动态响应(换言之，也就是当其不再被照射时，其恢 复不饱和吸收水平的速度）。最后面的参数与载流子在激发态的寿命直接相关。
[0005] SESAM被插入激光器腔中，用于在被动锁模(模式阻挡)状态下产生脉冲激光发射。 在图2Α中示出将具有半导体可饱和吸收体的镜体(SESAM)插入激光设备中的一个示例。在 该示例中，激光设备包括掺杂光纤1作为增益介质。所述光纤由二极管2光栗浦。由二极管产 生的波束借助于复用器6注入到掺杂光纤1中。激光设备的腔是法布里-珀罗腔，其由全反射 镜3、SESAM 4和用于在经过SESAM之前和之后对输出光信号进行取样的耦合器5组成。图2Β 中的图示出激光设备(诸如图2A中示出的）的操作原理。该图示出了激光损失（曲线9-长虚 线）、激光设备的增益（曲线7-短虚线)和激光发射（曲线8-实线）的时间函数，其中该激光损 失主要是来自激光器的腔的损失。在t = 0处，增益介质的光栗浦开始，损失高并且通过在低 入射强度下具有吸收行为的SESAM而保持很高。在该栗浦期间，增益值增加直到其接近损失 值。直到这点起，激光发射仍被人为地放大腔的损失的SESAM阻挡。然后，增益的增加导致腔 中光强度的增加，这引起可饱和吸收材料在激光发射波长处发生白化(whitening)。因此， 损失降低。一旦增益变得比损失高，激光脉冲就诞生了，导致增益迅速下降。因此，得到非常 短的脉冲(持续时间~ps，f s)。
[0006] 为了使SESAM在该环境下有效率(换言之，为了使它们能够与显著的激光功率(通 常大约lmW至几 W级别)相互作用），有必要使它们满足几个条件，特别地包括高吸收系数、可 饱和吸收材料的短寿命激发载流子(通常大约皮秒级别)和良好的散热。
[0007] 已经研发了用于制作SESAM的几种方法。具体地，存在有两种用于SESAM生长的方 法:称作"晶格失配"的生长和称作"晶格匹配"的生长。在称作"晶格失配"的生长中，衬底的 晶格参数与待外延的层的晶格参数不同，这给待外延的材料留下更多的选择。原子根据衬 底的晶体结构沉积在第一级中。因此，被沉积的材料被衬底限制。然而，当外延层的厚度增 加时，原子根据无应力材料的结构沉积，并且晶格参数的调节(accommodation)导致位错的 产生。这具有以下优点：自然地将缺陷引入外延层，这将使得激发载流子的寿命减少。然而， 由于位错的原因，用这种方法得到的设备不是十分稳健。另一方面，称作"晶格匹配"的生长 允许在衬底与待外延的层之间的界面处得到原子间键的连续性。由此制作的设备具有优异 的晶体质量并且更加稳健;然而，该方法取决于所使用的衬底的类型，限制了材料的选择并 因此限制了使用波长范围的选择。具体地，对于大于1. Ιμπι的波长，有必要使用InP(磷化铟） 衬底。然而，包括InP的半导体化合物具有差的热性能并且难以疏散热量;这限制了 SESAM在 激光设备中的使用性能。对于该技术问题的一个有效方案是使用散热器。
[0008] 在专利FR2835065中描述了通过插入散热器在InP衬底上使用半导体可饱和吸收 体制作元件的一种技术。图3A至图3D示出该制作方法。该技术包括在衬底115(例如由InP制 成）上形成包括层的堆叠的第一结构（图3A)，所述层的堆叠特别地包括可饱和吸收材料 109、用于形成镜体的金属层111和旨在形成钎焊接头的第一金属层116。所描述的技术还包 括形成通过在导热衬底113上沉积旨在形成钎焊接头的第二金属层117所得到的第二结构 (图3B)。然后，使第一金属层116和第二金属层117接触并组装，以通过固液间互扩散形成钎 焊接头112 (图3C)。该元件的制作以去除InP衬底115结束（图3D)。然后，导热衬底113在如此 形成的元件内起到散热器的作用。
[0009] 该技术允许制作与使用基于InP的半导体可饱和吸收体的元件相比具有更好的热 性能的具有半导体可饱和吸收体的元件。然而，此技术本身不适合于大量元件的批量制作。 事实上，用于将第一结构转移至第二结构上的技术(诸如在前述段落中描述的）在最大lcm 2 的面积内是可完成的，除非钎焊接头形成在为此需要特别开发的具有大的表面积的压床 (press)中。这导致与外延的价格相关或与开发在大表面积中钎焊相配的压床的研发的价 格相关的高成本。此外，在后者情况下，一旦进行了衬底的去除，就必须锯成单个组件。
[0010] 本发明提供用于制造具有半导体可饱和吸收体的镜体的方法，其特别地允许大量 制造具有优异品质的具有半导体可饱和吸收体的镜体。

【发明内容】

[0011]根据第一方面，本发明涉及一种用于制造具有半导体可饱和吸收体的镜体 (SESAM)的方法，包括:将半导体可饱和吸收材料沉积在用于生长的衬底上，从而形成结构； 将至少一个金属层沉积在所述结构上，从而形成第一镜体；通过电绝缘掩模 (electrically-insulating mask)的电沉积将导热衬底沉积在所述金属层上，使得所述导 热衬底被选择性沉积，所述导热衬底的选择性沉积预定义所述SESAM的边界。
[0012]因此，一方面，可以在控制SESAM的最终厚度的情况下沉积致密且均匀的金属层， 并且另一方面，可以批量的方式以低成本从单个外延晶片开始制作具有相同特性的半导体 可饱和吸收体的大量的SESAM。
[0013] 根据变型例，所述方法包括:将晶体缺陷引入所述半导体可饱和吸收材料中的步 骤，以调整下面的半导体可饱和吸收材料中的载流子的寿命。可饱和吸收材料中晶体缺陷 的存在有利地使得吸收的弛豫过程加速而不会使后者性能退化，所述缺陷起到作为电子-空穴对的有效俘获中心的作用。
[0014] 根据变型例，引入晶体缺陷包括用于在所述可饱和吸收材料中的离子辐射的步 骤。在离子辐射的方法下，可以在两个生长步骤之间的制作中的任何给定时刻引入晶体缺 陷并可以调整被辐射层的深度。
[0015] 根据变型例，所述第一镜体用作所述电沉积的阴极。因此，所述沉积直接在设备上 发生而无需任何中间步骤或中间层。
[0016] 根据变型例，所述电绝缘掩模具有包括绝缘区域和开放区域的结构形成图案，从 而限定了具有半导体可饱和吸收体的镜体的边界。确定待结构化的图案的绝缘结构和开放 区域特别地允许形成用于单个SESAM的切割的优选路径和电沉积金属层的可能应力的驰 豫。
[0017] 根据变型例，所述制作方法还包括：用于将第二镜体沉积在所述可饱和吸收材料 上的步骤，用以形成法布里-珀罗微腔。
[0018] 根据变型例，结构的形成包括：用于将第一相层沉积在所述第一镜体与所述可饱 和吸收材料之间的步骤;和用于将第二相层沉积在所述第二镜体与所述可饱和吸收材料之 间的步骤。特别地，通过调整相层的厚度，可以适当地将有源层置于腔内波的最大强度处。
[0019] 根据本发明的变型例，所述方法还包括:用于将所述镜体分离的步骤，从而从单个 外延晶片开始得到大量SESAM。
[0020] 根据本发明的第二方面，本发明涉及通过诸如根据第一方面以及其变型例所描述 的方法获得的具有半导体可饱和吸收体的镜体，包括:半导体可饱和吸收材料;置于所述可 饱和吸收材料上的包括金属层的第一镜体;和导热衬底，其通过电解沉积形成在所述第一 镜体上。有利地，第一镜体由Au或Cu制成，从而得到高反射率和高热导率。
[0021] 根据变型例，所述材料的载流子在激发态具有小于loops的寿命，从而使得SESAM 的响应时间减少。载流子如此短的寿命允许优化(也就是，减少)具有半导体可饱和吸收体 的镜体的响应时间，并因此增加 SESAM的动态响应(诸如在现有技术中描述的SESAM的关键 参数）。
[0022] 根据变型例，所述可饱和吸收材料包括形成量子阱和势皇的半导体层的堆叠。量 子阱和将量子阱分离的势皇的厚度尺寸允许得到在使用波长处尤其显著的激子吸收。有利 地，可饱和吸收材料包括形成量子阱的InGaAs层的堆叠和形成用于大约1.5μπι的SESAM的操 作的势皇的InP层的堆叠，或允许操作波长达到2μπι或2.5μπι的量子阱的其他组成(例如用于 讲的InGaAsN和用于势皇的InGaAs或InP)。
[0023] 根据本发明的变型例，导热衬底由Cu制成，从而以低成本进行沉积并得到具有高 热导率的SESAM。
【附图说明】
[0024] 当阅读通过附图示出的描述时，本发明的其他优点和特征将变得明显，所述附图 如下：
[0025]图1(已经描述)是示出可饱和吸收材料的吸收系数α作从其穿过的入射光束强度I 的函数的变化图；
[0026]图2A和2B(已经描述)是包括腔和被插入激光腔的使用可饱和吸收材料的镜体的 激光设备图；
[0027]图3A-3D(已经描述)是示出根据现有技术的用于制作具有可饱和吸收材料的元件 的方法的步骤的图；
[0028] 图4A-4H是示出根据本发明的用于制作具有半导体可饱和吸收体的镜体的方法的 第一不例的图；
[0029] 图5是示出根据本发明的用于形成具有半导体可饱和吸收体的镜体的电解沉积原 理的图；
[0030] 图6A至图6J是示出根据本发明的用于制作具有半导体可饱和吸收体的镜体的方 法的第二示例的图；
[0031] 图7是示出在用根据本发明的制作方法的一个示例制作的SESAM上测定的响应时 间的图；
[0032] 图8是示出用根据本发明的制作方法的一个示例制作的SESAM的非线性特性的图。
【具体实施方式】
[0033] 在附图中，相同的元件用相同的附图标记表示。
[0034] 图4A-4H示出根据本发明的用于从单个外延生长晶片开始得到具有半导体可饱和 吸收体的数个镜体的制作方法的示例的各个步骤。
[0035] 第一步（图4A、图4B和图4C)包括在生长衬底200(例如，InP(磷化铟)衬底）上生长 半导体层202。根据一个示例，在衬底上生长的半导体层依次为止挡层201(例如，例如400nm 厚的InGaAs(砷化铟镓)层）、然后是量子阱和将量子阱分隔的势皇的交替堆叠 205,该组装 被设计成在使用波长(例如，1.55μπι)处具有所需的激子吸收性能。
[0036] 例如通过外延M0VPE (金属有机气相外延）或通过分子喷射外延(MJE)进行半导体 层202在衬底上的生长。在MJE的情况下，材料的生长由分子喷射与被加热衬底的表面在超 高真空下的相互作用引起。M0VPE的原理基于气态混合物与衬底的相互作用。M0VPE不是在 超高真空下发生。气相由包含期望被结合到衬底上的金属元素的分子和允许反应器中的压 力保持不变并允许前驱物的流出朝向衬底的矢量气体组成。
[0037]有利地遵守层与衬底的晶体点阵之间的晶格匹配。为此，在InP衬底而不是在例如 硅(Si)衬底上进行层的生长。调整止挡层的组成从而得到处于例如1.41μπι周围的吸收带， 然后调整量子阱和量子阱之间的势皇的厚度从而得到1.55μπι周围的显著的激子吸收。 [0038]优选地，诸如在本发明中描述的SESAM的可饱和吸收材料在使用波长处具有良好 的吸收饱和性能。吸收饱和性能取决于材料的能带(材料状态集合），换言之，例如材料的基 态的能量与激发态的能量之间的差。优选地，吸收材料借助于量子阱(通常厚度为7至12nm) 形成，但更厚的层也是适合的。然后，调整量子阱和分隔量子阱的势皇的组成从而得到在使 用波长处尤其显著的激子吸收。
[0039]根据激光器有源介质的增益值，可以使用单个或数个量子阱。在使用数个量子阱 的情况下，量子阱的数目可以例如等于8,每个量子阱具有9nm的厚度并且在量子阱之间用 于分隔的每个势皇具有7nm的厚度。该低的吸收厚度有利地使得减少热效应并得到与激光 功率兼容的饱和功率。
[0040]根据本申请的方法的实施方式，用于在生长衬底上生长材料的步骤后面可以跟着 用于离子辐射的步骤（图4D)。然而，这一步骤可以在各生长步骤之间的制作中的任何给定 时刻进行。离子(例如，Ni+6离子)被引至第二相层上。然后，它们经过由连续层组成的结构， 结束于生长衬底中。在它们的经过期间，离子在吸收材料内造成晶体缺陷。吸收材料内缺陷 的存在有利地允许吸收的弛豫过程被加速而不会使后者的性能退化。缺陷实际上起到电 子-空穴对的有效俘获中心的作用。调整辐射的能量使得离子经过整个结构并且在生长衬 底中结束它们的行程。接下来，将去除后者从而避免由离子引起的任何残余吸收。
[0041 ]吸收的弛豫时间（SESAM的响应时间）的减少直接与辐射量相关，换言之直接与每 单位面积的离子的数量相关。该技术有利地允许在半导体层的外延生长步骤之后调整 SESAM的响应时间。可以得到小于皮秒的响应时间而不会使激子吸收退化。Ni+6离子的辐射 量可以例如等于2*10 n个离子/cm2,其产生了响应时间基本上等于6ps的SESAM。离子的能量 可以等于llMeV，这引起止挡距离基本等于2μπι。
[0042]根据一个实施方式，可以特别地通过实施低温下的生长或通过进行由等离子体辅 助的生长而在半导体层的生长步骤过程中引入晶体缺陷。
[0043]根据一个实施方式，如图4Ε所示，方法的下一步包括将金属层211沉积在半导体结 构202上的步骤。此金属层在SESAM中起到镜体的作用并且在用于电解沉积的下一步骤期间 将有利地起到电极的作用。金属层211的沉积例如通过真空(压力基本上等于l(T 7mbar)下的 蒸发进行。用于制作镜体的材料是选自具有良好的光学性能和热性能(换言之，为了表现出 高反射率和高热导率)的金属。银(Ag)或金(Au)的沉积充分满足这两个条件。经由非限定性 的示例，通过使用稀释至10%的盐酸(HCL)对第二相层的表面进行化学侵蚀以去氧化之后， 由金制成的300nm厚的镜体可以形成在该第二相层上。镜体211的反射率约等于95%。
[0044] 有利地，镜体211可以具有接近1的反射率。为了得到这样的反射，镜体可以是以下 类型：金属镜体(如前述段落中描述)或混合镜体。混合镜体是金属镜体与Bragg镜体的组 合。Bragg镜体由具有交替高低折射率的、若干周期的电介质或半导体层组成。由于金属层 本来的高反射率，低指数和高指数交替的少量层的添加使得混合镜体获得比金属镜体更好 的反射率。然而，由于电介质和半导体材料具有比金属低得多的热导率，根据配置和应用领 域，可以期望金属镜体单独允许更好的散热。
[0045] 根据一个实施方式，方法包括通过电沉积(潜在地通过绝缘掩模312)将金属导热 衬底212沉积在金属层211上的步骤。此步骤在图4F、图4G和图5中示出。
[0046] 通过电沉积的金属沉积包括将两个电极（阳极和阴极)放在包含溶液中的金属盐 的浴液(电解液）中。这两个电极之间的电流的通过使这些金属粒子迀移并导致金属薄层沉 积在阴极上。因此，电解沉积的方法需要施加外部电势，这需要与其上沉积金属的表面的电 接触。在本发明的情况下，在进行电沉积之前，样品的表面有利地起到涂覆导电层(第一镜 体211)的阴极的作用。
[0047] 有利地，用铜进行电解沉积，铜的导热系数(kCu~400W/(mXK))高并允许以降低 的成本沉积。然而，可以设想其他金属的使用，诸如例如金。
[0048]在图5中示出通过电沉积的沉积步骤的设备的配置的示例。
[0049] 特别地通过控制溶液的组成的稳定性，确保电极表面上电势以及质量传输的均匀 性，利用最小化边缘效应的低电压，电沉积技术允许沉积致密和均匀的材料。
[0050] 为此，使用具有两个电极(连接至电流产生器301的阳极300(正极端子)和阴极302 (负极端子））的槽320。待涂覆的元件306被放在电解槽中。待涂覆的元件306起到其上将沉 积金属离子(正离子)的阴极的作用。根据所期望的沉积来选择填充槽并包含金属离子的电 解液308。当电流流动(其可以是连续或脉冲电流)时，电极吸引相反电荷的离子，流体流动 的动力将粒子引至阴极表面并防止其沉淀。包含铜或金的商购溶液可以用作电解质，例如， 来自ROHM?公司的产品可以用于通常以IOOmi/小时的沉积速率使金属层的厚度和均匀 度最优化。此外，电解溶液的温度是对沉积特性有影响的参数，因此，在整个沉积中通过温 度计310监控所述温度。
[00511电解沉积允许通过改变时间和产生的电流的参数来控制SESAM的最终厚度。因此， 可以根据被沉积的金属的厚度(通常在~Ιμπι至>100μπι之间)得到刚性的或柔性的SESAM。 [0052] 因此，例如，可以使用包括水合硫酸铜(CuS〇4 · 5Η20-0.075)和硫酸(H2S〇4_0.196) 的电解溶液，在60mA. cnf2的电流密度、温度20°C和大约90min下在7 X 7mm2的表面面积上沉 积厚度为100μπι的铜层。可以使用电解溶液(例如，来自METAKEM?公司的Gold-SF溶液） 在3〇11^.〇^ 2的电流密度、温度45°(：和大约751^11下沉积厚度为8(^111的金层。
[0053]根据本发明的变型例，通过先前已经布置在沉积表面上的电绝缘掩模312来实施 电解沉积（图4E)。如图5所示，该掩模可以由通过光学光刻(微电子学的常规方法)形成的光 致抗蚀剂制成。该掩模具有结构形成图案，该结构形成图案包括决定待结构化的图案的绝 缘结构316和开放区域314。在绝缘结构上，电流不流动并且不存在沉积。在开放区域上，电 流流动并且存在金属层的沉积。结构形成图案可以特别地是以矩阵布置的矩形图案，例如 20 X 20的具有2 X 2mm2尺寸的正方形SESAM。绝缘掩模的使用允许从外延晶片中得到大量的 SESAM〇
[0054] 不存在沉积的区域起到两个作用。一方面，其形成用于单个SESAM切割的优选轨 道，另一方面，其允许被电沉积的金属层的可能应力的驰豫。事实上，在大的区域中，这些应 力能够通过"双金属"效应导致SESAM的弯曲，这将对它们的光学效率不利。
[0055] 因此，该方法使得能够根据掩模的几何结构以具有适用于每种特定需求的尺寸的 可饱和吸收材料来形成镜体。
[0056]在电解沉积之后，所沉积的铜被抛光至例如为150μπι的厚度。该抛光显著地使得能 够消除边缘效应并得到平坦的下表面以与下面的载体良好接触。此载体使得更容易操纵设 备并且经由例如热电元件(Pe 11 i er元件)控制设备的温度。
[0057] InP衬底在该抛光步骤之后通常被去除（图4H)。衬底的去除可以通过机械减薄然 后选择性化学蚀刻(干蚀刻或(优选)湿蚀刻)来进行。减薄使得衬底的厚度被减少例如大约 90%，并且化学蚀刻步骤使得剩余的衬底被去除。衬底的去除还可以完全通过选择性化学 蚀刻(干蚀刻或湿蚀刻）来进行。蚀刻工艺的选择性应当很高(通常大于100)从而保护剩余 的结构。止挡层完美地履行该作用。接下来，其也将通过选择性化学蚀刻来去除。
[0058]应注意，金属沉积的厚度可以适于特定的需求。如上文的示例提到的厚度150μηι使 得一旦去除了 InP衬底也能确保SESAM的良好的机械刚度和平整度。然而，在一些情况下，可 以期望形成柔性的SESAM，例如为了将SESAM与非平面表面(诸如光纤连接器的末端)接触。 在这种情况下，金属沉积的厚度可以限制为?ομπι级别的典型值。更普遍地，厚度可以在lorn 与200μπι之间的范围内。
[0059]然后，通过劈开将单个SESAM彼此分离。此分离可以例如在InP的蚀刻之后或第二 镜体的沉积之后进行。
[0060]因此，可以从单个外延晶片开始以批量的方式以低成本制作具有相同特性的半导 体可饱和吸收体的大量的SESAM，通常对于直径为5cm的晶片为300至400个SESAM。
[0061 ]因此，由于在本发明说明书中描述的方法，与现有技术的方法(诸如例如在专利申 请FR2835065中描述的）相比，可以生产多于10倍的元件。
[0062]事实上，该方法更快在于其不需要根据专利申请FR2835065的实施方式的为了分 离元件而切割主衬底(113，图3C)的任何步骤。
[0063]图6A至6J示出用于形成具有半导体可饱和吸收体的镜体的方法的变型例，所述镜 体用于制作形成法布里-珀罗腔的SESAM。步骤6A，6B，6D，6F，6G，6H，6 J分别与前面在图4A， 4B，4D，4E，4F，4G中描述的步骤相似。
[0064]根据该变型例，所述方法包括在去除InP衬底的步骤之后，沉积第二镜体207的步 骤（图6J)。该镜体可以特别地是由电介质材料组成的Bragg镜体。因此，得到形成微法布里-珀罗腔的具有可饱和吸收材料的镜体。
[0065]有利地，根据该变型例，在止挡层201的生长步骤（图6B)与结构的生长步骤（图6D) 之间，第一相层203(例如通常厚度为250nm的InP材料层)被插入止挡层201与由量子阱和量 子阱势皇组成的组件205之间（图6C)。
[0066]然后，在结构的生长步骤（图6D)与止挡层的生长步骤（图6F)之间，第二相层206 (例如通常厚度为75nm的InP材料层)被添加至由量子阱和将量子阱分离的势皇组成的组件 (图 6E)。
[0067]通过调整相层的厚度，可以适当地将有源层置于腔内波的最大强度处。
[0068]这些步骤之后跟着用于通过劈开(诸如以前描述的）将SESAM彼此分离的步骤。
[0069] 图7和图8示出根据诸如在本发明中描述的制作方法的示例得到的SESAM的特性曲 线。这些特性使得根据本发明方法制作的SESAM的性能被证实。用诸如在图4A至41中描述的 方法已经得到了 SESAM。其包括通过晶格匹配外延而在InP的衬底(200，图4A)上沉积:350nm 的InGaAs层(确切组成是与InP的衬底晶格匹配的Ino.53Gao.47As)，用作选择性化学侵蚀的止 挡层；270nm的InP的相层;然后是355nm的InGaAs的可饱和吸收层；最后是187nm的InP的相 层。接下来，通过电沉积来沉积350nm的Au层(第一镜体211)和80μηι的Cu层。为了得到量子讲 中载流子弛豫时间的足够速率，半导体结构已经经受具有400keV能量的铁离子、以1.5*10 14 个离子/cm2的剂量的离子注入，然后经受在700 °C下的快速热退火15秒，旨在使可饱和吸收 材料的特性稳定，并限制不饱和损失的大小。所述注入和退火是在金层的沉积之前进行的， 从而避免金在退火期间扩散至半导体晶体中。
[0070] 图7示出此SESAM的时域特性(换言之，SESAM的响应时间的测定）。该响应时间与从 入射光的反射状态到吸收状态的SESAM的弛豫时间对应。其与材料中自由载流子的寿命相 关。此测定可以借助于栗浦一探测型的具有非常高的时间分辨率的测量站来进行。此技术 包括将高强度的第一脉冲(栗浦脉冲)发送到样品上。此脉冲将被吸收并且在反应中产生一 定密度的自由载流子。然后，所述自由载流子将占据可用状态并因此减少样品的吸收。在栗 浦脉冲之后以已知延迟St发送强度低得多的第二脉冲(探测脉冲）。由于可用状态的数目已 经通过在前的栗浦脉冲而被减少，所以探测脉冲的吸收将被改性并因此将取决于两个脉冲 之间的延迟。对于非常短的延迟，探测的吸收将是弱的，然而，对于与载流子的弛豫时间相 比的足够长的延迟，探测的吸收将是最大量。通过测定作为探测脉冲相对于栗浦脉冲的延 迟Μ的函数的反射信号(其直接与材料的吸收相关），因此可以测定载流子的密度随时间的 变化并因此可以恢复样品的响应时间。
[0071]在图7中，能够观察到当延迟δ?为负（换言之，在栗浦脉冲使可饱和吸收材料的吸 收饱和之前)时，归一化反射信号为0。当延迟变为〇(换言之，当栗浦脉冲与探测脉冲在时域 中重叠时)时，那么归一化反射信号变为最大量，因为载流子的密度并因此吸收的变化为最 大值。然后，如所预期的那样，当St变为正时，归一化反射信号以指数方式降低至0。使用这 些测定，从中可以推断出SESAM的响应时间等于7ps。应注意，补充测定已经示出能够通过改 变离子植入步骤之后的快速热退火的温度（从450°C至750°C)来调整此响应时间（0.5至 15ps的典型值）。
[0072]图8示出先前描述的SESAM的非线性性能的表征。通过测定作为入射在SESAM上的 脉冲的平均功率的函数的反射率(反射功率与入射功率之比）而得到所述表征。使用这些测 定，可以从中推断出与白化SESAM所需的入射功率对应的切换功率I。还可以确定由C = 101og(RmaX/Rmin)定义的对比度，其中Rmin为在低入射功率处的最小反射率(在图8中用附 图标记III表示）以及Rmax为在高入射功率处的最大反射率(在图8中用附图标记II表示）。 在图8中，能够清晰地观察到作为平均入射功率的函数的反射率R明显的非线性变化，同时， 反射率向非常高的入射功率处的最大值收敛，这是吸收饱和的证明。对于该SESAM，从图8中 示出的曲线中，用27%的最小反射率和65 %的最大反射率连同25yW的切换功率，得到3.8dB 的对比度。
[0073]虽然经由一定量的详细的示例性实施方式进行了描述，但对本领域技术人员来 说，包括各种变型例、修改和改进的具有半导体可饱和吸收体的镜体以及其制作方法将是 显而易见的，应理解，这些各种变型例、修改和改进落入诸如由权利要求限定的本发明的范 围内。
【主权项】
1. 一种用于制造具有半导体可饱和吸收体的镜体的方法，包括： -将半导体可饱和吸收材料(205)沉积在用于生长的衬底(200)上，从而形成结构； -将至少一个金属层沉积在所述结构上，从而形成第一镜体(211); -由通过电绝缘掩模(312)进行的电沉积将导热衬底(212)沉积在所述金属层上，以允 许选择性地沉积所述导热衬底，从而预定义所述具有半导体可饱和吸收体的镜体的边界。2. 根据权利要求1中所述的方法，包括：用于将晶体缺陷引入所述半导体可饱和吸收材 料中的步骤，从而将所述半导体可饱和吸收材料中的载流子的寿命限制到l〇〇ps。3. 根据权利要求2中所述的方法，其中，所述用于引入晶体缺陷的步骤包括用于在所述 可饱和吸收材料中进行离子辐射的步骤。4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一镜体(211)用作所述电沉积 的阴极(302)。5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电绝缘掩模(312)具有包括绝缘 区域(316)和开放区域(314)的结构形成图案，从而预定义所述具有半导体可饱和吸收体的 镜体的所述边界。6. 根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，还包括：用于将第二镜体(207)沉积在 所述可饱和吸收材料上的步骤。7. 根据权利要求6中所述的方法，还包括：用于将第一相层(203)沉积在所述第一镜体 与所述可饱和吸收材料之间的步骤，和用于将第二相层(206)沉积在所述第二镜体(207)与 所述可饱和吸收材料(205)之间的步骤。8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括:用于将通过所述掩模(312)预定义 的所述具有半导体可饱和吸收体的镜体分离的步骤。9. 一种具有半导体可饱和吸收体的镜体，包括： -半导体可饱和吸收材料(205); -包括金属层的第一镜体(211 )，设置于所述可饱和吸收材料上； -导热衬底(212)，所述导热衬底通过电解沉积形成在所述第一镜体(211)上。10. 根据权利要求9中所述的具有半导体可饱和吸收体的镜体，其中，所述半导体可饱 和吸收材料(205)由形成量子阱和势皇(barrier)的半导体层的堆叠构成。11. 根据权利要求9或10中所述的具有半导体可饱和吸收体的镜体，其中，所述可饱和 吸收材料包括致使所述半导体可饱和吸收材料中的载流子的寿命小于l〇〇ps的晶体缺陷。12. 根据权利要求9至11中任一项所述的具有半导体可饱和吸收体的镜体，其中，所述 导热衬底(212)具有包括在5与200μπι之间的厚度。13. 根据权利要求9至12中任一项所述的具有半导体可饱和吸收体的镜体，还包括在所 述可饱和吸收材料上的第二镜体(207)。
【文档编号】H01S5/40GK106030935SQ201580009536
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年1月19日
【发明人】J-L·乌达尔, S·布乔勒
【申请人】国家科学研究中心