CN101859983B - 带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器，包括：一衬底；一下波导层生长在衬底之上，且中间有一凸台，凸台的两侧形成脊型双沟台面结构；一量子级联有源区结构生长在下波导层的凸台之上；一上波导层生长在量子级联有源区结构之上；一上包层生长在上波导层之上；一上覆盖层生长在上包层之上；一高掺杂欧姆接触层生长在上覆盖层之上；一准光子晶体波导阵列制作在上覆盖层和高掺杂欧姆接触层的两侧，中间的宽度为2μm-10μm，两侧的准光子晶体波导阵列的宽度相同，分别为5-24μm；一电绝缘层沉积在欧姆接触层之上，覆盖整个脊型台面上表面和侧壁，在覆盖有绝缘层的脊型台面中心部位留出电注入窗口；一正面电极制作在绝缘层之上；一背面电极生长在衬底的背面。

Description

带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，尤其是指一种带有弱无序的准光子晶体波导阵列的量子级联激光器及其制作方法。

背景技术

波长3-14μm的中远红外波段是非常重要的大器窗口，工作于该波段的激光器和探测器在军事、医疗、环保、气体探测、化学光谱学、自由空间通信等方面都有十分广阔的应用前景。1994年，贝尔实验室成功通过分子束外延技术制作出第一只量子级联激光器，不同于常规半导体激光器，此种激光器件的激射波长与量子级联有源区材料的禁带宽度无关，主要由量子级联有源区结构，即量子阱厚度决定，因而可以通过选择材料和调整量子阱宽度，在很大波长范围内改变激射波长。

在实际使用领域，为了使激光器与光纤有效耦合，普遍要求激光器具有较小的出射光束远场发散角，但是由于量子级联激光器的有源区很薄，仅为2-3μm，而激射波长又处于中红外波段，故此远场发散角一般大于50°，大大影响了量子级联激光器在通信中的应用。

本发明提出的带有弱无序准光子晶体结构波导的量子级联激光器，工艺简单，技术可靠，可以有效的抑制高阶模激发，减小激光器的远场发散角。

发明内容

针对上述量子级联激光器目前在应用中存在的缺陷，本发明提供了一种带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器及其制作方法，具有制作工艺简单便捷、可抑制高阶模激发，采用脊型台面结合脊两侧弱无序多孔区域的波导结构，减小了远场发散角，同时降低了阈值电压和阈值电流。本发明的结构新颖、简单，不需要昂贵的电子束曝光、二次外延等技术，整体制作过程具有工艺简单，仪器设备要求低等特点。

本发明提供一种带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器，该结构包括：

一衬底；

一下波导层，该下波导层生长在衬底之上，且中间有一凸台，凸台的两侧形成脊型双沟台面结构；

一量子级联有源区结构，该量子级联有源区结构生长在下波导层的凸台之上；

一上波导层，该上波导层生长在量子级联有源区结构之上；

一上包层，该上包层生长在上波导层之上；

一上覆盖层，该上覆盖层生长在上包层之上；

一高掺杂欧姆接触层，该高掺杂欧姆接触层生长在上覆盖层之上；

一准光子晶体波导阵列，该准光子晶体波导阵列制作在上覆盖层和高掺杂欧姆接触层的两侧，中间的宽度为2μm-10μm，两侧的准光子晶体波导阵列的宽度相同，分别为5-24μm；

一电绝缘层，该电绝缘层沉积在欧姆接触层之上，覆盖整个脊型台面上表面和侧壁，在覆盖有绝缘层的脊型台面中心部位留出电注入窗口；

一正面电极，该正面电极制作在绝缘层之上；

一背面电极，该背面电极生长在衬底的背面；

其中所述的准光子晶体层为延伸方向与材料表面相垂直的弱无序的准光子晶体波导阵列的孔径由上覆盖层和欧姆接触层的掺杂浓度决定，孔径在50-200nm之间。

本发明还提供一种带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器的制作方法，该方法包括以下步骤：

1)在衬底上利用分子束外延方法依序生长下波导层、量子级联有源区结构、上波导层、上包层、高掺杂上覆盖层和高掺欧姆接触层，形成器件结构；

2)利用CVD方法在器件结构表面沉积二氧化硅薄膜，通过光刻、腐蚀工艺，在器件表面的二氧化硅掩模的表面形成光刻图案；

3)将形成有光刻图案的器件结构装入器件结构装置，加入电化学腐蚀液，通电反应，制作出延伸方向垂直于样品表面的弱无序的准光子晶体波导阵列；

4)将器件结构通过光刻、湿法腐蚀工艺，在器件结构的两侧制作出双沟脊型波导结构；

5)在双沟脊型波导结构上通过CVD方法淀积二氧化硅绝缘层；

6)通过光刻、刻蚀二氧化硅或氮化硅的工艺，在绝缘层的中间处开出电流注入窗口，注入窗口的宽度要小于主振荡区的脊宽，保证光刻对准；

7)在绝缘层之上通过热蒸发或者电子束蒸发的方法沉积正面电极；

8)将衬底减薄至100-120μm；

9)在减薄后的衬底背面上生长Au/Ge/Ni背电极，再经过高温退火处理；

10)解理成单个管芯，把解理好的管芯烧结在镀铟的无氧铜热沉之上，再利用超声点焊方法引出金丝正面电极，完成器件的制作。

其中所述湿法腐蚀工艺所采用的腐蚀液为HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10，腐蚀温度为35℃，腐蚀时间为90sec-120sec，腐蚀深度为7μm-8μm。

其中所述的弱无序的准光子晶体波导阵列通过电化学腐蚀的恒压模式产生，阳极电压恒定5V。

其中制作弱无序的准光子晶体波导阵列所采用的腐蚀液是浓盐酸与浓硝酸的混合溶液，HNO₃∶HCl∶H₂O＝1∶5∶55。

其中所述的弱无序的准光子晶体波导阵列制作过程中，腐蚀液的温度低于15℃，腐蚀时间为0.5-10s。

其中所述的弱无序的准光子晶体波导阵列制作过程中，电化学腐蚀完成后，需将激光器材料在湿法腐蚀液即HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10中腐蚀处理5s，以去除表面难导电的钝化层，便于与正面Ti/Au电极形成有效的欧姆接触。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明，其中：

图1带有弱无序光子晶体波导结构的量子级联激光器截面示意图；

图2带有弱无序光子晶体波导结构的量子级联激光器截面实际形貌；

图3分布于脊形波导两侧高阶模吸收区的表面实际形貌；

图4脊宽48μm普通F-P腔量子级联激光器远场特性曲线；

图5脊宽48μm，主控震荡区宽4μm，带有弱无序光子晶体波导结构的量子级联激光器远场特性曲线。

其中：

1，n型掺杂的InP衬底2，n型掺杂的InGaAs下波导层3，量子级联有源区结构4，n型掺杂的InGaAs上波导层5，n型低掺杂的InP上包层6，n型高掺杂的InP上覆盖层7，n型高掺杂的欧姆接触层8，电绝缘层9，Ti/Au电极10，准光子晶体波导阵列11，背面Au/Ge/Ni电极

具体实施方式

下面以InP/InGaAs/InAlAs材料体系，带有弱无序准光子晶体波导阵列的量子级联激光器为例对本发明进行进一步的说明，但不构成对本发明的限制。

本发明提供了一种带有弱无序准光子晶体波导阵列的量子级联激光器结构，包括n型掺杂的InP衬底，InGaAs下波导层，35级周期量子级联有源区结构，InGaAs上波导层，InP上包层，InP上覆盖层，高掺杂InP欧姆接触层，准光子晶体波导阵列，双沟脊型结构。具体结构参见图1所示，为本发明的截面结构示意图，包括：

一衬底1；该衬底为n型掺杂的InP衬底，掺杂浓度为1-3×10¹⁷cm^-3，衬底1主要起到支撑整体结构的作用，另一方面由于后续步骤需要用到电化学腐蚀工艺，易导电的衬底结构有利于上覆盖层和欧姆接触层中孔阵列的形成。

一下波导层2，该下波导层2生长在衬底2之上，为低掺杂的InGaAs层，掺杂浓度为10¹⁶cm^-3量级，厚度为300nm。且中间有一凸台，凸台的两侧形成脊型双沟台面结构；根据Drude模型，材料折射率与掺杂浓度有着很强的关系，通常而言，折射率随掺杂浓度的升高而降低，因此，低掺杂的下波导层具有更高的折射率，紧贴量子级联有源区结构两侧的高折射率InGaAs层可以有效的提高光场限制因子，增强光限制；

一量子级联有源区结构3，该有源区3生长在下波导层2的凸台之上；包括由InGaAs/InAlAs材料组成的多耦合量子阱重复结构，每个周期都在结构上分为两部分，一部分是用以提供载流子注入的注入区，另一部分是用于实现子带跃迁光辐射的有源区，两部分结合在一起可以实现单极载流子的注入、子带间跃迁、辐射光子，激射波长在所设计的要求范围内。

-上波导层4，该上波导层4生长在量子级联有源区结构3之上，掺杂浓度为10¹⁶cm^-3量级，厚度为300nm。

-上包层5，该上包层5生长在上波导层4之上，掺杂浓度为10¹⁶cm^-3量级，厚度为1500nm-2500nm。

一上覆盖层6，该上覆盖层6生长在上包层5之上，主要作用是提供载流子注入。掺杂浓度为10¹⁸cm³量级，厚度为500nm-1000nm。接触层6也是本发明中弱无序准光子晶体波导所处的位置。

一高掺杂欧姆接触层7，该高掺杂欧姆接触层7生长在上覆盖层6之上，主要作用是与金属Ti/Au电极形成良好的欧姆接触，提供电注入。掺杂浓度为10¹⁹cm^-3量级，厚度为30nm-100nm。高掺杂欧姆接触层7也是本发明中弱无序准光子晶体波导所处的位置。

一准光子晶体波导阵列10，该准光子晶体波导阵列10制作在上覆盖层6和高掺杂欧姆接触层7的两侧，中间的宽度为2μm-10μm，两侧的准光子晶体波导阵列10的宽度相同，分别为5-24μm。该准光子晶体波导阵列利用电化学腐蚀的方法，结合湿法腐蚀制作在上覆盖层6和欧姆接触层7中，通过控制电化学腐蚀的反应条件，保证其不穿透上覆盖层6，弱无序的准光子晶体波导阵列的刻蚀深度为450nm-900nm。

一电绝缘层8，该电绝缘层8沉积在欧姆接触层7之上。通常选用的介质为二氧化硅，厚度在300-400nm之间，绝缘层覆盖整个材料的上表面及双沟脊形结构的侧壁，在台面中间部位留空，用以提供电注入窗口，脊台两侧保留的绝缘层宽度在3-6μm之间，能够保证光刻对准。

一正面电极9，该正面电极9制作在绝缘层8之上，并覆盖电流注入窗口。

一背面电极11，该背面电极11生长在衬底1的背面，经过高温退火处理，与背面形成良好的接触。

参阅图1结构，本发明提供了一种带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器的制作方法，其中包括：

1、在n型InP衬底1上利用分子束外延MBE技术依序生长下n型InGaAs波导层2、35级周期的InGaAs/InAlAs量子级联有源区结构3、n型InGaAs上波导层4，n型上包层5、n型高掺杂接触层6、n型高掺欧姆接触层7，形成器件结构。其中有源区的每个周期都在结构上分为两部分，一部分是用以提供载流子注入的注入区，另一部分是用于实现子带跃迁光辐射的有源区，两部分结合在一起可以实现单极载流子的注入、子带间跃迁、辐射光子，激射波长在所设计的要求范围内。

2、生长完全器件结构的材料经过石油醚、三氯乙烯、丙酮、无水乙醇、去离子水清洗进行清洗处理，在材料表面利用CVD方法生长300-400nm二氧化硅薄膜。

3、在二氧化硅层表面采用常规光刻、湿法腐蚀工艺，按照设计好的光刻版版图在器件表面制作出光刻图案。

4、将形成有光刻图案的器件材料放入电化学腐蚀装置。保持恒压模式，阳极电压5V，通电时间根据欧姆接触层和高掺杂InP上覆盖层厚度确定，控制在0.5-10s范围内。腐蚀液为盐酸和浓硝酸的混合溶液，HNO₃∶HCl∶H₂O＝1∶5∶55。整个装置使用冰水混合物冷却，通电反应过程中腐蚀液温度不大于15℃，制作出延伸方向垂直于样品表面的弱无序多孔的准光子晶体波导阵列10，腐蚀区域断面及表面实际形貌如图2和图3所示。

5、取出装置中的激光器材料，在普通InP湿法腐蚀液(HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10)中腐蚀5s，以去除电化学反应中形成的不易导电的的表面钝化层，便于与正面Ti/Au电极形成有效的欧姆接触。去离子水清洗，氮气吹干。

6、采用常规光刻结合湿法腐蚀工艺，按照设计好的光刻版版图对已经制好弱无序光子晶体的材料进行腐蚀，在器件结构的两侧制作出双沟脊型波导结构。腐蚀液为HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10，腐蚀温度为35℃，腐蚀时间为90sec-120sec，腐蚀深度为7μm-8μm。

7、在双沟脊型波导结构上利用CVD或者PECVD方法生长300-400nm二氧化硅电绝缘层8。

8、通过常规光刻，腐蚀工艺在二氧化硅覆盖脊型台的台表面上开出一条宽度在10-20μm的电注入窗口，注入窗口的宽度要小于主振荡区的脊宽，保证光刻对准。

9、在绝缘层8之上通过热蒸发或者电子束蒸发的方法沉积正面Ti/Au电极9。

10、将衬底1进行减薄至100-120μm；，并减薄后的衬底1背面上蒸发Au/Ge/Ni背面电极11，通过合金化，高温快速热退火与衬底形成良好的欧姆接触。

11、将减薄好的材料解理成单个管芯，把解理好的管芯烧结在镀铟的无氧铜热沉之上，再利用超声点焊方法引出金丝正面电极，完成器件的制作。

以此工艺制作出的带有准光子晶体波导的量子级联激光器件，比相同脊宽的普通F-P腔激光器光强更为集中，具有更小的远场发散角。脊宽同为48μm的F-P腔激光器和带准光子晶体波导阵列的量子级联激光器件(主控震荡区宽4μm)的远场特性曲线，如图4、图5所示。

虽然已经结合具体实施例描述了本发明，然而本领域技术人员按照上面的描述显然可以进行许多替换、修改和变化。据此，本发明意在包含所有其他这种落入所附权利要求的精神和范围内的替换、修改和变化。

Claims (8)

1.一种带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器，该结构包括：

一衬底；

一下波导层，该下波导层生长在衬底之上，且中间有一凸台，凸台的两侧形成脊型双沟台面结构；

一量子级联有源区结构，该量子级联有源区结构生长在下波导层的凸台之上；

一上波导层，该上波导层生长在量子级联有源区结构之上；

一上包层，该上包层生长在上波导层之上；

一上覆盖层，该上覆盖层生长在上包层之上；

一高掺杂欧姆接触层，该高掺杂欧姆接触层生长在上覆盖层之上；

一准光子晶体波导阵列，该准光子晶体波导阵列制作在上覆盖层和高掺杂欧姆接触层的两侧，中间的宽度为2μm-10μm，两侧的准光子晶体波导阵列的宽度相同，分别为5-24μm；

一电绝缘层，该电绝缘层沉积在欧姆接触层之上，覆盖整个脊型台面上表面和侧壁，在覆盖有绝缘层的脊型台面中心部位留出电注入窗口；

一正面电极，该正面电极制作在绝缘层之上；

一背面电极，该背面电极生长在衬底的背面；

2.如权利要求1所述的带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器，其中所述的准光子晶体波导阵列为延伸方向与材料表面相垂直的弱无序孔阵列，孔径由上覆盖层和欧姆接触层的掺杂浓度决定，孔径在50-200nm之间。

3.一种带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器的制作方法，该方法包括以下步骤：

1)在衬底上利用分子束外延方法依序生长下波导层、量子级联有源区结构、上波导层、上包层、高掺杂上覆盖层和高掺欧姆接触层，形成器件结构；

2)利用CVD方法在器件结构表面沉积二氧化硅薄膜，通过光刻、腐蚀工艺，在器件表面的二氧化硅掩模的表面形成光刻图案；

3)将形成有光刻图案的器件结构装入器件结构装置，加入电化学腐蚀液，通电反应，制作出延伸方向垂直于样品表面的弱无序多孔的准光子晶体波导阵列；

4)将器件结构通过光刻、湿法腐蚀工艺，在器件结构的两侧制作出双沟脊型波导结构；

5)在双沟脊型波导结构上通过CVD方法淀积二氧化硅绝缘层；

6)通过光刻、刻蚀二氧化硅或氮化硅的工艺，在绝缘层的中间处开出电流注入窗口，注入窗口的宽度要小于主振荡区的脊宽，保证光刻对准；

7)在绝缘层之上通过热蒸发或者电子束蒸发的方法沉积正面电极；

8)将衬底减薄至100-120μm；

9)在减薄后的衬底背面上生长Au/Ge/Ni背电极，再经过高温退火处理；

10)解理成单个管芯，把解理好的管芯烧结在镀铟的无氧铜热沉之上，再利用超声点焊方法引出金丝正面电极，完成器件的制作。

4.如权利要求3所述的带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器的制作方法，其中所述湿法腐蚀工艺所采用的腐蚀液为HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10，腐蚀温度为35℃，腐蚀时间为90sec-120sec，腐蚀深度为7μm-8μm。

5.如权利要求3所述的带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器的制作方法，其中所述的弱无序的准光子晶体波导阵列通过电化学腐蚀的恒压模式产生，阳极电压恒定5V。

6.如权利要求3所述的带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器的制作方法，其中制作弱无序的准光子晶体波导阵列所采用的腐蚀液是浓盐酸与浓硝酸的混合溶液，HNO₃∶HCl∶H₂O＝1∶5∶55。

7.如权利要求3所述的带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器的制作方法，其中所述的弱无序的准光子晶体波导阵列制作过程中，腐蚀液的温度低于15℃，腐蚀时间为0.5-10s。

8.如权利要求3所述的带有准光子晶体波导阵列的量子级联激光器的制作方法，其中所述的弱无序的准光子晶体波导阵列制作过程中，电化学腐蚀完成后，需将激光器材料在湿法腐蚀液即HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10中腐蚀处理5s，以去除表面难导电的钝化层，便于与正面Ti/Au电极形成有效的欧姆接触。

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