CN101630812A - 集成肋片式红外半导体激光器结构 - Google Patents

Abstract

一种集成肋片式红外半导体激光器结构，其特征在于，该结构包括：一脊形区；一集成肋片式结构，该集成肋片式结构制作在脊形区上面的中间位置；两包覆散热区，该两包覆散热区制作在脊形区上面、集成肋片式结构的两侧；上、下欧姆接触层，该上欧姆接触层制作在集成肋片式结构和两包覆散热区的上表面；该下欧姆接触层制作在脊形区的下表面。

Description

集成肋片式红外半导体激光器结构

技术领域

本发明属于半导体技术，特别是一种具有良好散热功能的集成肋片式红外半导体激光器结构。

背景技术

1994年红外量子级联激光器的发明开创了“能带工程”设计与高精度的分子束外延材料生长技术相结合的新里程。由于红外技术在军事以及国民经济各领域广泛的潜在应用背景，自从诞生以来，量子级联激光器的研究突飞猛进，工作性能指标不断取得突破。截至2008年，3.8-11.5微米波长的量子级联激光器实现室温连续波工作(S.Slivken，et al，Proc.ofSPIE，6900，6900B-1)。然而，量子级联激光器大的电功率密度(10-50kW/cm²)，高的热阻率以及脊形波导结构对横向热扩散的限制，制约了量子级联激光器室温工作的性能(V.Spagnolo，J.Appl.Phys.，103，043103-1)，如，室温功率以及室温转化效率。目前，人们用于改善量子级联激光器室温性能的主要途径包括：改善封装结构、掩埋波导结构以及电镀厚金层等。这些途径都在不同程度上对量子级联激光器室温性能的改善起到的重要作用。然而，量子级联激光器有源区一般由几十个级联结构周期堆叠在一起组成，500-1000个半导体材料层界面是造成高热阻率的主要原因，因此，只有从改善有源区结构入手才能从本质上改变器件有源区的热积累状况，从而提高器件工作性能。

本发明着眼于一种全新的器件结构设计来改善普通量子级联激光器工作过程中的散热问题。在材料生长过程中将耦合量子阱有源区与较厚的散热层肋片交替集成在一起，并通过在脊形区两边二次外延包覆散热材料来提高有源区中的横向热扩散。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效进行横向热扩散的红外半导体激光器结构。其具有单片集成、散热效率高等特点。

本发明提供一种集成肋片式红外半导体激光器结构，其特征在于，该结构包括：

一脊形区；

一集成肋片式结构，该集成肋片式结构制作在脊形区上面的中间位置；

两包覆散热区，该两包覆散热区制作在脊形区上面、集成肋片式结构的两侧；

上、下欧姆接触层，该上欧姆接触层制作在集成肋片式结构和两包覆散热区的上表面；该下欧姆接触层制作在脊形区的下表面。

其中集成肋片式结构由耦合量子阱有源区与散热层肋片多周期交替组成。

其中耦合量子阱有源区由不超过10个周期的量子级联结构组成。

其中散热层肋片的厚度大于300nm。

其中散热层肋片的材料为InP或GaAs。

其中耦合量子阱有源区与散热层肋片交替周期数为6-10。

其中包覆散热区的材料与散热层肋片的材料相同。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细地描述，其中：

图1是本发明的集成肋片式红外半导体激光器的立体示意图；

图2是本发明的集成肋片式结构截面示意图；

图3是本发明的1周期量子级联结构材料组成示意图；

图4是本发明的工作状态下1.5周期量子级联结构能带示意图；

图5是本发明的完整材料结构制作顺序示意图；

图6是本发明的器件工艺过程示意图。

具体实施方式

器件结构请参阅图1，本发明是一种集成肋片式红外半导体激光器结构，该结构包括：

一脊形区101；一集成肋片式结构102，该集成肋片式结构102制作在脊形区101上面的中间部位；两包覆散热区103，该两包覆散热区103制作在脊形区101的上面、集成肋片式结构102的两侧；一上欧姆接触层105，该上欧姆接触层105制作在集成肋片式结构102和集成肋片式结构102两侧的两包覆散热区103的上面；

其中，包覆散热区103对于GaAs/AlGaAs型器件采用半绝缘GaAs材料，InGaAs/InAlAs/InP型器件采用半绝缘InP材料(Fe掺杂)；上欧姆接触层105，下欧姆接触层104视情况可采用Ti/Au或Ge/Au/Ni/Au或AuGeNi/Au。

脊形区的集成肋片式结构102详细内部结构请参阅图2，该集成肋片式结构102包括：耦合量子阱有源区201；散热层肋片202。其中，散热层肋片202对于GaAs/AlGaAs型器件采用GaAs材料，对InGaAs/InAlAs/InP型器件采用InP或InGaAs材料。散热层肋片厚度大于300nm，远远大于III-V族材料体系的声子平均自由程，因此声子输运散热效果明显。

耦合量子阱有源区201由不超过10个周期的量子级联结构组成，1个周期的量子级联材料结构示例图可参阅图3。1个周期的量子级联材料结构包括：一个收集/注入区301；一个激光辐射区302。其中，量子级联结构周期数小于10可有效减小有源区内热耗散。

量子级联结构材料的导带结构示例图可参阅图4，图4为1.5个周期量子级联结构材料的导带结构示例图。其中，导带结构结构驰豫/注入区401对应图3中收集/注入区301；导带结构结构激光跃迁区402对应图3中激光辐射区302。整个器件工作波长决定于图4所示的量子级联结构中的受激光发射能量，其中，势垒材料411对于InGaAs/InAlAs/InP型器件选择InAlAs，对于GaAs/AlGaAs型器件选择AlGaAs；势阱材料412对于InGaAs/InAlAs/InP型器件选择InGaAs，对于GaAs/AlGaAs型器件选择GaAs。

实施例：

具体工艺步骤请参照图5、图6：

材料制备：

参照图5，在衬底501上采用分子束外延(MBE)设备从下到上依次生长集成肋片式结构层502、低掺杂波导层503和高掺杂接触层504。其它材料体系结构所用波导结构可能有所差异，材料的制备过程可参照图5。

器件制备：

参照图6，按顺序依次完成。其中601示例了在准备好的材料外延面涂光刻胶；602示例为采用标准的光刻工艺曝光、显影；603示例为器件脊形结构的腐蚀工艺；604为腐蚀后除胶；605示例了在除胶后在表面生长SiO₂并采用标准光刻、腐蚀工艺选择性刻蚀SiO₂，使SiO₂只覆盖在脊表面上；606示例了采用金属-氧化物气相淀积(MOCVD)技术选取生长散热包覆层(对于图5所示例的材料结构选取生长材料可选择掺Fe的InP材料)；607为选区生长结束后除去SiO₂层；608为重新在表面采用等离子体增强的化学汽相淀积(PECVD)或普通化学汽相淀积(CVD)技术生长SiO₂；609为光刻、腐蚀SiO₂，在原脊形的中央开出电注入窗口；610采用电子束蒸发或热蒸发技术在开好电注入窗口的表面制作欧姆接触层(可视图5所示例的高掺杂接触层半导体材料情况选择GeAuNi或Ti/Au)；611为衬底从背面的减薄抛光；612为背面欧姆接触层的制作(工艺同图6中示例的610)；613示例了器件的倒装焊封装工艺，器件采用In或AuSn等焊剂焊接到无氧铜热沉上并采用金丝与陶瓷片上的引出电极相连。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定的为准。

Claims (7)

1、一种集成肋片式红外半导体激光器结构，其特征在于，该结构包括：

一脊形区；

一集成肋片式结构，该集成肋片式结构制作在脊形区上面的中间位置；

两包覆散热区，该两包覆散热区制作在脊形区上面、集成肋片式结构的两侧；

上、下欧姆接触层，该上欧姆接触层制作在集成肋片式结构和两包覆散热区的上表面；该下欧姆接触层制作在脊形区的下表面。

2、根据权利要求1所述的集成肋片式红外半导体激光器结构，其特征在于，其中集成肋片式结构由耦合量子阱有源区与散热层肋片多周期交替组成。

3、根据权利要求2所述的集成肋片式红外半导体激光器结构，其特征在于，其中耦合量子阱有源区由不超过10个周期的量子级联结构组成。

4、根据权利要求2所述的集成肋片式红外半导体激光器结构，其特征在于，其中散热层肋片的厚度大于300nm。

5、根据权利要求2所述的集成肋片式红外半导体激光器结构，其特征在于，其中散热层肋片的材料为InP或GaAs。

6、根据权利要求2所述的集成肋片式红外半导体激光器结构，其特征在于，其中耦合量子阱有源区与散热层肋片交替周期数为6-10。

7、根据权利要求1所述的集成肋片式红外半导体激光器结构，其特征在于，其中包覆散热区的材料与散热层肋片的材料相同。

Images