CN101867147A - 一种量子级联正多边形微腔激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子级联正多边形微腔激光器，包括：一量子级联外延层的衬底；一下限制层，位于该衬底之上；一有源区/注入区，位于该下限制层之上；一上限制层，在该有源区/注入区之上；一上包层，包含欧姆接触层；该下限制层、有源区/注入区、上限制层和上包层的侧壁由绝缘层包裹，该绝缘层由正面电极层包裹。本发明同时公开了一种量子级联正多边形微腔激光器的制作方法。本发明用SiO₂绝缘层和Ti/Ag/Au电极层包裹量子级联正多边形柱状微腔激光器的刻蚀侧壁，增强了对微腔内光场的限制，提高了微腔内模式的品质因子，而且激光器结构简单，制作工艺方便。

Description

一种量子级联正多边形微腔激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体指一种中远红外波段的量子级联正多边形微腔激光器及其制作方法。

背景技术

中远红外波段的半导体激光器在大气污染监控、痕量气体检测、分子光谱、红外干扰等诸多领域有着广泛的应用。

量子级联激光器采用微光学谐振腔，主要有两方面的优势。一方面，量子级联材料的增益较低，而微腔激光器具有较小的模式体积和很高的模式品质因子，高品质因子有利于量子级联激光器的激射。另一方面，量子级联激光器固有的TM模偏振，阻止了垂直于激光器平面方向的损耗，特别适合回音壁模式微腔激光器；而且量子级联激光器为单极载流子跃迁，非辐射损耗和表面散射损耗被抑制，适于制作各种复杂形状谐振腔的微腔激光器。

谐振腔内全反射形成高品质因子回音壁模式的圆形微腔是最典型的一种微腔结构；目前研究最多的量子级联微腔激光器也是圆形微腔，主要有圆盘形和圆柱形微腔两种类型。1996年Bell实验室J.Faist等人实现了量子级联微盘激光器的低温脉冲激射[J.Faist，et al.“Quantum cascade disk lasers，”Appl.Phys.Lett.，69，pp.2456～2458(1996)]。采用湿法腐蚀工艺，首先腐蚀出有源区/注入区成圆盘形，再腐蚀出起支撑作用的棱形柱；圆盘的上下是空气，形成强光场限制。量子级联圆盘微腔依靠细支柱向衬底传输电流、热量比较困难，而量子级联激光器由于所加偏压大、热效应显著，量子级联圆柱形微腔在电流和热量传输性能方面优于圆盘形微腔，所以量子级联圆柱形微腔得到更多的研究。量子级联圆柱形微腔涵盖了从中红外到太赫兹多个波段，也实现了从低温到室温激射。由于圆柱形微腔具有高对称性，难以定向输出光，输出光的功率很低。采用基于变形圆的柱状微腔激光器来实现在一定程度上光的定向输出。1998年Science报道了Bell 实验室C.Gmachl等人研制的量子级联四极子形柱状微腔激光器，具有蝴蝶结形的谐振模式并能够在四个方向输出光；最近哈佛大学R.Audet等人还制备了量子级联螺旋线形微腔激光器，在螺旋线所形成的缺口处输出光。

和圆形微腔类似，正多边形微腔也有全反射限制的高Q值回音壁模式。在正多边形微腔内模式场分布较弱的区域引出直波导，在保持模式较高Q值的同时，获得微腔激光器的定向输出。另外，在量子级联正多边形微腔激光器边界中点所引入的输出波导，还有一定的选模功能，有利于单模工作。

量子级联圆柱形微腔激光器的刻蚀侧壁由空气包裹，介质和空气界面构成对光场的限制。电极一般在圆柱形微腔的上表面，其制作方法主要有两种：(1)先制作电极的方法。沉积正面电极层，刻蚀得到圆形正电极；再通过掩模层转移图案，进行干法刻蚀。这种方法由于得不到电极的精确位置使得套刻掩模层对准精度低。(2)后制作电极的方法。掩模层转移图案，干法刻蚀；甩胶后套刻出电极窗口；沉积正面电极层，带胶剥离。此法的缺点是带胶剥离的工艺局限性很大，所蒸发金属膜层厚度不宜过大，否则难以剥离；所蒸发的金属电极膜层质量不高。当圆柱直径很小时，引线键合变得困难，用微探针接触进行测试也造成工艺不便。

量子级联正多边形微腔激光器的刻蚀侧壁包裹着绝缘层和正面电极层。绝缘层还能起到光学缓冲层的作用，合理选择正面电极层，也会增强对光的限制。类似于量子级联圆柱形微腔激光器后制作电极的方法，具体制作工艺包括：通过掩模层转移图案，进行干法刻蚀；沉积绝缘层，套刻出电极窗口；沉积正面电极层。这种制作电极的方法克服了带胶剥离的工艺局限性，引线键合也比较容易。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种中远红外波段的量子级联正多边形微腔激光器及其制作方法，即通过光刻、干法刻蚀、沉积绝缘层、刻蚀电极窗口、沉积电极等工艺步骤来制作带输出波导的正多边形柱状微腔激光器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种量子级联正多边形微腔激光器，包括：

一量子级联外延层的衬底；

一下限制层，位于该衬底之上；

一有源区/注入区，位于该下限制层之上；

一上限制层，在该有源区/注入区之上；

一上包层，包含欧姆接触层；

该下限制层、有源区/注入区、上限制层和上包层的侧壁由绝缘层包裹，该绝缘层由正面电极层包裹。

上述方案中，所述量子级联外延层的衬底采用磷化铟基的量子级联材料体系，或者采用砷化镓基的量子级联材料体系。

上述方案中，所述绝缘层采用材料SiO₂材料，进一步起到光学缓冲层的作用，能够减弱金属对光的吸收损耗。

上述方案中，所述SiO₂绝缘层的厚度是0.3～1μm。

上述方案中，所述正面电极层采用Ti/Ag/Au电极层，其中，Ti层起粘附作用，厚度范围为0.01～0.05μm；Ag层用于增强对光场的限制，获得高的模式品质因子，厚度取值范围为0.03～0.4μm；Au层是电极导电层，厚度范围为0.4～1μm。

上述方案中，该正多边形微腔激光器中正多边形为正三角形、正方形或正六边形。

为达到上述目的，本发明还提供了一种量子级联正多边形微腔激光器的制作方法，包括：

选择量子级联外延片；

在选择的量子级联外延片上沉积SiO₂掩模层；

刻蚀SiO₂掩模层，将图案转移到SiO₂掩模层上；

对量子级联外延片进行干法刻蚀、湿法腐蚀，然后去除残余SiO₂掩模层，刻蚀要向下直至刻蚀到量子级联外延片衬底；

在刻蚀后的量子级联外延片上生长SiO₂绝缘层，并在正上方刻出电极窗口；

在生长SiO₂绝缘层的量子级联外延片上沉积正面电极层；以及

减薄、抛光量子级联外延片衬底背面，沉积背面电极。

上述方案中，所述量子级联外延片自下而上依次由衬底、下限制层、有源区/注入区、上限制层和上包层构成。

上述方案中，所述在量子级联外延片上沉积SiO₂掩模层的步骤中，SiO₂掩模层的厚度是0.6μm～1.2μm。

(三)有益效果

本发明用SiO₂绝缘层和Ti/Ag/Au电极层包裹量子级联正多边形柱状微腔激光器的刻蚀侧壁，这样能够增强对微腔内光场的限制，提高微腔内模式的品质因子，而且激光器结构简单，制作工艺方便，具有以下优势：

1、在量子级联材料(欧姆接触层对应的电极窗口除外)和金属电极层之间加入SiO₂绝缘层。SiO₂绝缘层是微腔量子级联外延材料外最近的一层，由于量子级联激光器的波长比普通激光器大，光场会在SiO₂绝缘层中形成辐射场，并到达金属电极层，产生吸收损耗；合适厚度的SiO₂绝缘层能降低金属层对光场的吸收损耗，起到光学缓冲层的作用。

2、Ti/Ag/Au金属电极层在实现导电作用的同时，还在光学方面起到很重要的作用。金属对光场有吸收损耗和光学限制两种作用。金属电极层需要Ti层来增强电极和半导体材料的粘附性，但Ti层有较强的吸收损耗；在Ti层和Au层之间加入Ag层能增强对光场的限制，获得高的模式品质因子。

3、SiO₂绝缘层和金属电极层导热性能优于空气，有利于激光器散热，甚至为了增强散热性能，可以在正面电极上电镀厚金属层；还可以做倒装焊，这对热阻比较高的量子级联激光器很有帮助。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1是量子级联正方形微腔激光器的结构示意图，其中，图1(a)是三维结构示意图(包括波导110)，图1(b)是二维结构示意图。

图2是量子级联正方形微腔激光器的制作工艺流程图；其中，

图2(a)是量子级联外延片的结构示意图；

图2(b)是量子级联外延片上沉积掩模层104的示意图；

图2(c)是刻蚀量子级联外延片上的掩模层104的示意图；

图2(d)是刻蚀量子级联外延层并去除掩模层104的示意图；

图2(e)是生长绝缘层105并刻蚀出电极窗口的示意图；

图2(f)是生长正面电极106，减薄衬底101并生长背面电极107的示意图。

图3是量子级联正方形微腔激光器品质因子和频率随SiO₂绝缘层105厚度的变化；LW指波长λ＝7.8μm，边长a＝10μm，SW指波长λ＝4.8μm，边长a＝6μm，其中，

图3(a)是LW正方形微腔中TM_4，6模品质因子和频率随SiO₂层厚度的变化；

图3(b)是SW正方形微腔中TM_4，6模品质因子和频率随SiO₂层厚度的变化。

图4是量子级联正方形微腔激光器品质因子和频率随正面金属电极层106厚度的变化；其中，

图4(a)是LW正方形微腔中TM_4，6模品质因子和频率随Ti层、Ag层厚度的变化；

图4(b)是SW正方形微腔中TM_4，6模品质因子和频率随Ti层、Ag层厚度的变化。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

以中远红外波段的量子级联正方形微腔激光器为例，结合附图来说明本发明。

图1是量子级联正方形微腔激光器的结构示意图。量子级联外延片，包括衬底101、下限制层111、有源区/注入区102、上限制层112、上包层(含欧姆接触层)103。正方形微腔侧壁包裹着绝缘层105和正面电极层106；从正方形微腔边界的中点引出垂直于此边界的波导110。衬底101可以是n⁺掺杂的InP或GaAs，分别对应InP基或GaAs基材料体系的量子级联材料。

图2是量子级联正方形微腔激光器的工艺流程图。图2(a)是量子级联外延片，包括衬底101、下限制层111、有源区/注入区102、上限制层112、上包层(含欧姆接触层)103。图2(b)是在量子级联外延片上沉积SiO₂掩模层104，掩模层104厚度0.6μm～1.2μm。图2(c)刻蚀掩模层104，将图案转移到掩模层104上。图2(d)对量子级联材料进行干法刻蚀、湿法腐蚀，然后去除残余掩模层104，刻蚀要向下越过有源区/注入区102、下限制层112，并达到衬底101，这样能降低光场在衬底101中的辐射损耗。另外，一般采用干法刻蚀，要求刻蚀侧壁陡直、光滑。干法刻蚀后进行湿法腐蚀，目的在于腐蚀去掉刻蚀残留物和刻蚀损伤层，并增加刻蚀表面的光滑度。图2(e)是生长SiO₂绝缘层105，在正方形上方刻出电极窗口。图2(f)沉积正面电极106，减薄、抛光衬底101，沉积背面电极107。

量子级联正方形微腔激光器的边长很小，为了便于引线键合，在微腔上表面、侧壁和衬底上均沉积正面电极层106，在金属电极层和量子级联材料之间用绝缘层105隔离(欧姆接触层对应的电极窗口除外)。绝缘层105采用SiO₂层，SiO₂层外是0.4μm厚的Au层，波长(边长)分别为λ＝7.8μm(a＝10μm)和4.8μm(a＝6μm)的LW和SW正方形微腔激光器中，TM_4，6模的品质因子和频率随着SiO₂层厚度的变化如图3所示。由图3(a)、(b)知，随着SiO₂层厚度的增大，正方形腔内模式的品质因子近似线性增大。但是不能单纯依靠增大绝缘层厚度来增加品质因子，主要有两方面的原因。一方面，SiO₂绝缘层不会产生光学增益；微腔的品质因子随SiO₂层增厚而增大的原因在于，SiO₂层减弱渗透到金属包层的场强从而降低损耗系数。另一方面，生长很厚的均匀、致密的SiO₂层在工艺上有一定难度；即便是SiO₂层厚度可以大些，也会增加开正面电极窗口时的难度。所以，SiO₂层的厚度并非越大越好，一般情况下其厚度范围是0.3～1μm。

量子级联激光器的正面电极106通常采用Ti/Au非合金层；一般Au层厚度较大，Ti层厚度较小。由计算知，Au层厚度大于0.3～0.4μm时，正方形微腔的品质因子都不会随Au层厚度增大而变化，但是考虑电学导电性、热学散热性，Au层厚度至少有0.3～0.5μm，一般可以厚至1μm；有时为了增强散热，再进一步电镀2～5μm的Au层。假设SiO₂层和Au层厚度均为0.4μm，在Au层和SiO₂层之间分别加入Ti层、Ag层时，TM_4，6模的品质因子和频率的变化如图4中三角形和正方形标记所示。结果表明，随着Ti层厚度增大，量子级联正方形微腔中模式的品质因子降低，相反，随着Ag层厚度增大，微腔中模式的品质因子迅速升高。这表明Ti层对光场的吸收损耗非常强，而Ag层对光场的限制占主体地位，其吸收损耗较小。所以应该采用薄的Ti层、厚的Ag层。对比图4(a)和(b)发现，波长比较大的LW量子级联正方形微腔的品质因子随Ti层厚度增加比较缓慢，原因是波长大，吸收损耗降低。正面金属电极需要Ti层来增强与半导体材料的粘附性；若生长的Ti层太薄，膜层不均匀、不致密，粘附性降低。综合考虑认为，Ti膜厚度以0.01～0.05μm为宜。如果用Ag层夹在Ti层和Au层之间，其中Ti层厚度取0.04μm，如图4(a)、(b)中圆形标记所示，随着Ag层厚度的增大，LW和SW量子级联正方形微腔中TM_4，6模的品质因子仍有较大的增加；而且波长越大，相同厚度的Ag层使品质因子增大越多。这表明了Ag层对光场有较强的限制作用。在Ti粘附层和Au导电层之间加入Ag层来增加对光场的限制，既不影响激光器电极层的导电性能，又不降低激光器电极层的稳定性。另外，由图4知，随着Ag层厚度增大，模式品质因子的增大在0.02～0.03μm处有增长率的拐点，所以Ag层厚度至少大于0.03μm。考虑到实际应用，Ag层厚度范围是0.03～0.4μm。

前面以波长为7.8μm和4.8μm的两种量子级联正多边形微腔激光器为例对本发明进行了说明，但不够成对本发明的限制；本发明适用于中远红外波段内的各种量子级联正多边形微腔激光器。针对不同的波长，SiO₂绝缘层、Ti层、Ag层、Au层的厚度略有变化，但不够成对本发明的限制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种量子级联正多边形微腔激光器，其特征在于，包括：

一量子级联外延层的衬底；

一下限制层，位于该衬底之上；

一有源区/注入区，位于该下限制层之上；

一上限制层，在该有源区/注入区之上；

一上包层，包含欧姆接触层；

该下限制层、有源区/注入区、上限制层和上包层的侧壁由绝缘层包裹，该绝缘层由正面电极层包裹。

2.根据权利要求1所述的量子级联正多边形微腔激光器，其特征在于，所述量子级联外延层的衬底采用磷化铟基的量子级联材料体系，或者采用砷化镓基的量子级联材料体系。

3.根据权利要求1所述的量子级联正多边形微腔激光器，其特征在于，所述绝缘层采用材料SiO₂材料，进一步起到光学缓冲层的作用，能够减弱金属对光的吸收损耗。

4.根据权利要求3所述的量子级联正多边形微腔激光器，其特征在于，所述SiO₂绝缘层的厚度是0.3～1μm。

5.根据权利要求1所述的量子级联正多边形微腔激光器，其特征在于，所述正面电极层采用Ti/Ag/Au电极层，其中，Ti层起粘附作用，厚度范围为0.01～0.05μm；Ag层用于增强对光场的限制，获得高的模式品质因子，厚度取值范围为0.03～0.4μm；Au层是电极导电层，厚度范围为0.4～1μm。

6.根据权利要求1所述的量子级联正多边形微腔激光器，其特征在于，该正多边形微腔激光器中正多边形为正三角形、正方形或正六边形。

7.一种量子级联正多边形微腔激光器的制作方法，其特征在于，包括：

选择量子级联外延片；

在选择的量子级联外延片上沉积SiO₂掩模层；

刻蚀SiO₂掩模层，将图案转移到SiO₂掩模层上；

对量子级联外延片进行干法刻蚀、湿法腐蚀，然后去除残余SiO₂掩模层，刻蚀要向下直至刻蚀到量子级联外延片衬底；

在刻蚀后的量子级联外延片上生长SiO₂绝缘层，并在正上方刻出电极窗口；

在生长SiO₂绝缘层的量子级联外延片上沉积正面电极层；以及

减薄、抛光量子级联外延片衬底背面，沉积背面电极。

8.根据权利要求7所述的量子级联正多边形微腔激光器的制作方法，其特征在于，所述量子级联外延片自下而上依次由衬底、下限制层、有源区/注入区、上限制层和上包层构成。

9.根据权利要求7所述的量子级联正多边形微腔激光器的制作方法，其特征在于，所述在量子级联外延片上沉积SiO₂掩模层的步骤中，SiO₂掩模层的厚度是0.6μm～1.2μm。

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