Герметизирующие и изоляционные покрытия на основе полиамидоимидов для кристаллов диодных лазеров

А.А. Козырев, И.Д. Кособудский, Д.А. Г орин, М.Я. Г ойхман,

А.В. Якиманский, Л.И. Субботина

ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИЕ И ИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДОИМИДОВ ДЛЯ КРИСТАЛЛОВ ДИОДНЫХ ЛАЗЕРОВ

Проведено исследование оптических и электрофизических характеристик полиамидоимидных покрытий. Показана возможность использования исследуемых полимеров в качестве покрытия, герметизирующего p-n-переход полупроводниковых лазеров. Анализ токов утечки в лазерных линейках показал, что исследуемый полиамидоимид обеспечивает изоляцию p-n-переходов не хуже стандартного покрытия на основе оксида алюминия и полностью исключает возможность короткого замыкания.

Полиамидоимид, герметизация, изоляция, лазерные линейки, лазерные диоды

А.А. Kozyrev, I.D. Kosobudsky, D.A. Gorin, M.Ya. Goikhman,

A.V. Yakimansky, L.I. Subbotina

ENCAPSULATED AND ISOLATED COATINGS BASED POLY AMIDE-IMIDE FOR THE CRYSTALS OF DIODE LASERS

A study of optical and electrical-physical characteristics of polyamide-imide coatings has been carried out. The possibility of using the studied polymers as coatings, which encapsulate p-n junction of diode lasers, is demonstrated. The analysis of leakage current in laser bars showed that the investigated polyamide-imide provides isolation of p-n junctions that is not worse than the isolation in the standard coating based on the aluminum oxide and it completely eliminates any possibility of short circuit.

Polyamide-imide, encapsulation, isolation, laser bar, laser diode

Введение. Полиамидоимиды (ПАИ) находят широкое применение в

микроэлектронике, благодаря растворимости в амидных растворителях, высокой термостабильности, хорошим диэлектрическим свойствам и высокой механической прочности [1, 2]. Этот класс полимеров применяется для защиты полупроводниковых приборов как от воздействия окружающей среды, так и в качестве диэлектрической изоляции [3]. В данной работе было проведено исследование возможности использования полиамидоимидов для диэлектрической изоляции р-п-перехода полупроводниковых лазеров. В настоящее время в производстве лазеров в ОАО «НПП «Инжект» успешно применяется изоляция оксидом алюминия, полностью исключая короткое замыкание p-n-перехода в лазерных линейках. Однако процесс нанесения оксида алюминия требует дорогостоящего вакуумного оборудования и длится не менее 6 часов. Плёнки ПАИ могут осаждаться центрифугированием, что делает способ их получения быстрым и недорогим

по сравнению с напылением плёнки диэлектрика в вакууме [4]. Кроме того, данным методом можно получать толстые плёнки, полностью покрывающие канавки в полупроводниковой пластине [5].

Материалы и методы исследования. На рис. 1 показана лазерная структура с нанесённым в канавки диэлектриком. Такая герметизация р-п-перехода необходима во избежание короткого замыкания р и п областей полупроводниковой структуры во время пайки - мелкие капли припоя, попадая в канавку, приводят к короткому замыканию либо высоким токам утечки [6]. Преимуществом мягкой диэлектрической плёнки по сравнению с твёрдой (8і02, А120з) 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 некоторые полимерные плёнки остаются без повреждений [7].

Металлические

Диэлектрик

Рис. 1. Схематическое изображение изолированной мезы.

В работе использовались полиамидоимиды, имеющие следующие структурные формулы, представленные на рис. 2. ПАИ №1 - это простейший полиамидоимид [8], ПАИ №2 - полиамидоимид с боковыми карбоксильными группами и гибкой развязкой, синтезированный по методике, подробно описанной в [9]. В качестве подложек для формирования полимерных покрытий использовали химически очищенные пластины р-

19 3

типа арсенида галлия, легированного цинком (концентрация примеси 2 х10 см ) с ориентацией (100). Обработка подложек проводилась в четырёххлористом углероде при температуре 75 - 80 °С в течение 5 минут. Для получения плёнок использовался метод центрифугирования. Все плёнки наносились из 11% раствора в К-метилпирролидоне со скоростью 4000 об/мин в течении 40 с. После осаждения пластины с плёнками сушились в течение 5 минут при температуре 125 °С. Толщина полученных плёнок ПАИ составляла 600-1000 нм в зависимости от вязкости раствора полимера, которая варьировалась с помощью изменения концентрации растворителя.

б

Рис. 2. Структурные формулы полиамидоимидов: а - ПАИ №1, б - ПАИ №2

Для оценки эффективности изоляции р-п-перехода полиамидоимидами было проведено исследование токов утечки в лазерных линейках, включающих три кристалла, разделённых двумя канавками, фотография которых приведена на рис. 3, р-п-переходы которых были открыты и герметизированными полимером. Для этого лазерная пластина с

нанесёнными контактами и сформированной структурой была разделена на две части. Первая часть пластины была разделена на лазерные линейки по три кристалла, которые в количестве 10 шт. были смонтированы на контактных пластинах. Вторая часть пластины была покрыта полимером ПАИ №2, после чего было проведено аналогичное скалывание на линейки с последующим монтажом. Для измерения токов утечки были измерены обратные ветви ВАХ лазерных линеек с помощью характериографа Л2-56.

Спектральные характеристики диэлектрических плёнок были получены с помощью спектрофотометра іпуІ8Іо_8. Данные со спектрофотометра обрабатывались программным обеспечением БрИБ 2.0. Спектры пропускания снимались в диапазоне длин волн 3821100 нм. Калибровка осуществлялась по стеклу марки К8 с пропусканием в видимом диапазоне 8-10%.

і 0.35мм

Рис. 3. Оптическое изображение лазерной линейки из трёх кристаллов, разделённых канавками

Для определения показателя преломления исследуемых полимеров были исследованы спектры пропускания толстых полимерных плёнок, полученных методом центрифугирования на стеклянной подложке из стекла К8. С помощью матричного метода [10] рассчитывалась теоретическая зависимость, описывающая полученные спектры. Расчёт суммарного отражения И для однослойного покрытия сводится к формуле:

п п *23

к1 = л12 +—23---- ----------- [11]. Здесь к12 и к23 - амплитудные коэффициенты

1 + Я23 Я12 ехр

отражения на границах двух сред: Я12 = ———— отражение от границы воздух/плёнка и

П0 + тт

п — п

Л23 = —!?----------------------------------------------------^-отражение от границы плёнка/подложка, где п8 - показатель преломления

подложки, по - показатель преломления среды, пт - показатель преломления плёнки, 2р

Ь =—птй, где X - длина волны, ё - толщина плёнки. Поскольку п8 = 1.51, п0 = 1, 1

спектральная зависимость определяется только показателем преломления плёнки и её толщиной: Я1 = / (1, пт, й). Поиск значений пт и ё, при которых зависимость суммарного

амплитудного коэффициента отражения от длины волны максимально близко описывает исследуемую спектральную характеристику в инфракрасной области спектра, осуществлялась в программной среде МаЛсаё 11.0а.

Результаты исследований и их обсуждение. 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. 4 приведён спектр пропускания полимерного покрытия ПАИ №1 на стекле К8. Как видно из рис. 4, спектральная кривая, соответствующая полимеру, не достигает в максимумах значений величины пропускания, соответствующих стеклу К8, что свидетельствует о поглощении. Теоретическая кривая, приведённая на рис. 4, получается при значении показателя преломления материала п = 1.62 - 0.00091.

Комплексная часть показателя преломления соответствует суммарному поглощению и рассеянию света в плёнке, т.е. коэффициенту экстинкции. Комплексный показатель преломления свидетельствует о комплексной диэлектрической проницаемости, что означает, что исследуемый полимер обладает проводимостью и, следовательно, его использование в качестве герметизирующего диэлектрика нецелесообразно. Также на рис. 4 приведён спектр пропускания плёнки ПАИ №2 на стекле К8. Как видно из рис. 4, поглощение в плёнке полностью отсутствует вплоть до 500 нм. Теоретическая зависимость, описывающая спектральную характеристику ПАИ №2, была построена при значении показателя преломления материала п = 1.59.

X, пт

Рис. 4. Спектры пропускания полимерных покрытий на стекле К8 (штрихпунктирная линия): сплошная тонкая линия - ПАИ №1, пунктирная тонкая - теоретическая зависимость для ПАИ №1, сплошная толстая - ПАИ №2, пунктирная толстая - теоретическая зависимость для - ПАИ №2

Рис. 5. Обратные ветви вольтамперных характеристик лазерных линеек при обратном смещении: пунктирные линии - без полиамидоимидной герметизации, сплошные линии - с полиамидоимидной герметизацией

Процесс осаждения полиамидоимидной плёнки занимает вместе с сушкой не более 30 минут, что в 10-12 раз быстрее процесса вакуумного напыления диэлектрика. При этом используются центрифуга и сушильный шкаф, стоимость которых в несколько десятков раз меньше стоимости вакуумной установки. Для оценки эффективности изоляции р-п-перехода слоем ПАИ было проведено исследование токов утечки в лазерных линейках,

состоящих из трёх кристаллов, разделённых двумя канавками (рис. 3), р-п-переходы которых были открытыми и герметизированными ПАИ №2. Для измерения токов утечки были исследованы обратные ветви ВАХ лазерных линеек. Как видно на рис. 5, 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 - высокие (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.

Заключение. Таким образом, в работе показано, что пленки ПАИ обеспечивают диэлектрическую изоляцию р-п-переходов, при этом на основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что покрытия, наносимые с использованием разработанной методики, не ухудшают рабочих характеристик полупроводниковых лазеров. Технология осаждения полиамидоимидных покрытий существенно проще и дешевле традиционного вакуумного нанесения диэлектриков. Результаты, представленные в работе, могут быть использованы в технологии создания лазерных диодов и других элементов полупроводниковой электроники, требующих изоляции мягким диэлектриком.

1. Моценят Б.З., Гусинская В.А., Котон М.М. // Пластические массы. 1981. № 6. С. 55.

2. Гусинская В.А., Чурганова С. С., Котон М.М. // Журнал прикладной химии. 1984. № 57. С. 1819 [J. Appl. Chem. USSR, 1984, 57 (Engl. Transl.)].

3. Перспективы использования полимерных и нанокомпозитных материалов в твердотельной электронике / А. А. Козырев, Д. А. Горин, И. Д. Кособудский и др. // Нано- и микросистемная техника. 2010. №3. с. 9-23.

4. Surface passivation of (100) InP byorganic thiols and polyimide as characterized by steady-state photoluminescence / M. Schvartzman, V. Sidorov, D. Ritter et al. // Semicond. Sci. Technol. 2001. Vol. 16. P.68-71.

5. Yeats R., Dessonneck K. V. Polyimide passivation of In0 53Ga047As, InP, and InGaAsP/InP p-n junction structures // Appl. Phys. Lett. 1984. № 44. V. 1. P. 145-147.

6. Наноразмерные покрытия на основе полиамидокислот и полиамидоимидов для диэлектрической изоляции p-n-перехода полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур / А. А. Козырев, И. Д. Кособудский, Д. А. Горин, Г.Т. Микаелян, М.Я. Гойхман, А.В. Якиманский // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: тез. докл. V конф. молодых учёных. Саратов, 2010. С. 48-50.

7. Наноразмерные покрытия на основе полиамидокислот и полиамидоимидов для пассивации передних граней и для диэлектрической изоляции p-n-перехода полупроводниковых лазеров на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктур / А. А. Козырев, И.Д. Кособудский, Д. А. Горин, Г.Т. Микаелян, М.Я. Гойхман, А.В. Якиманский // Композит-2010: докл. Междунар. конф., 30 июня-2 июля 2010 г. Саратов, 2010. С. 37-39.

8. Синтез и исследование полимеров с имидными звеньями в основной цепи для фоточувствительных композиций / М.Я. Гойхман, К.А. Ромашкова, И.В. Гофман, М.В. Михайлова, Г.А. Лебедева, О.В. Павлов, В.В. Кудрявцев // Журнал прикладной химии. 1999. Т. 72. № 3. С. 473-480.

9. Полиамидоимиды с боковыми хромофорными группами / М.Я. Гойхман, Л.И. Субботина, И.В. Гофман и др. // Известия РАН. Сер. Химия. 2005. №6. С. 1438-1445.

10. Борн М., Вольф Э.. Основы оптики. М., 1973. 720 с.

11. Путилин Э.С., Оптические покрытия: учеб. пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2010.

ЛИТЕРАТУРА

227 с.

Козырев Антон Андреевич -

аспирант кафедры химии Саратовского

Kozyrev Anton Andreevich -

Post-graduate student of the Department

государственного технического университета

Горин Дмитрий Александрович -

доктор химических наук, доцент Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского

Кособудский Игорь Донатович -

доктор химических наук, профессор Саратовского государственного технического университета

Якиманский Александр Вадимович -

доктор химических наук, заведующий лабораторией Института высокомолекулярных соединений РАН

Г ойхман Михаил Яковлевич -

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института высокомолекулярных соединений РАН

Субботина Лариса Игоревна -

кандидат химических наук, научный сотрудник Института высокомолекулярных соединений РАН

of chemistry of Saratov State Technical University

Gorin Dmitriy Aleksandrovich -

Doctor of chemical sciences, docent of Saratov State University on name N.G. Chernyshevsky

Kosobudsky Igor Donatovich -

Doctor of chemical sciences, Professor of Saratov State Technical University

Yakimansky Aleksandr Vadimovich -

Doctor of chemical sciences, chief

of a laboratory of Institute of Macromolecular

Compounds of the Russian Academy of Science

Goikhman Mickail Yakovlevich -

Candidate of chemical sciences leading research assistant of Institute of Macromolecular Compounds of the Russian Academy of Science

Subbotina Larisa Igorevna -

Candidate of chemical sciences, research assistant of Institute of Macromolecular Compounds of the Russian Academy of Science

Статья поступила в редакцию 10.05.2011, принята к опубликованию 19.05.2011