CN102025110A

CN102025110A - 斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器及制备方法

Info

Publication number: CN102025110A
Application number: CN2009100928762A
Authority: CN
Inventors: 陆全勇; 张伟; 王利军; 刘俊岐; 李路; 刘峰奇; 王占国
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: CN102025110B

Abstract

一种斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器及制备方法，其中斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，包括：一InP衬底；一InP波导限制层制作在InP衬底上；一InGaAs下波导层制作在InP波导限制层上；一应变补偿有源层制作在InGaAs下波导层上；一InGaAs上波导层制作在应变补偿有源层上；一二维长方光子晶体点阵图形制作在InGaAs上波导层中；一InP盖层制作在InGaAs上波导层上；一接触层制作在盖层上，形成二次外延片；在该二次外延片的表面向下刻蚀有V形双沟道，形成斜形脊状波导，该V形双沟道的深度到达限制层内；一二氧化硅层制作在V形双沟道及接触层的表面，接触层表面的二氧化硅层的中间开有一电流注入窗口；一正面电极制作在刻蚀后的二次外延片的表面；一金属金层制作在正面电极上，且填满两个V形双沟道；一合金电极制作在InP衬底的背面。

Description

斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，主要涉及一种采用双光束全息多次曝光技术制作斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器(two-dimensional photonic crystal distributed feedback quantum cascade lasers，PhC-DFB QCLs)的方法。

背景技术

制作斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器(PhC-DFB QCLs)时有两个基本问题需要考虑：一是要制备大面积高度均匀的二维光子晶体点阵结构；二是要有效的限制正面金属电极在光子晶体量子级联激光器中引起的波导损耗。目前斜腔面二维光子晶体分布反馈半导体激光器的点阵制备主要分为两种情况：一是：表面性二维光子晶体分布反馈结构，即光子晶体点阵深刻蚀于波导的最外层，在孔内填充奔并环丁烯(benzocyclobutene，BCB)或聚酰亚胺(polyimide，PI)等聚合物，以阻止正面金属在沉积的时候落入孔内而引起很大的波导损耗(参考：H.Hofmann，te al，Appl.Phys.Lett.，2007，90，121135-1-3和L.Zhu，et al，Appl.Phys.Lett.，2007，90，261116-1-3)；二是：延埋性二维光子晶体分布反馈结构，即光子晶体点阵刻蚀于分别限制波导层中，如QCL结构中的InGaAs上波导层，再二次外延半导体盖层和接触层(参考：Y.Bai，et al，Appl.Phys.Lett.，2007，91，141123-1-3)。如此设计点阵结构不用再考虑后续工艺正面金属电极所引起的损耗。

关于光子晶体点阵的制备，目前国际上的主流方法是电子束曝光技术。对于二维分布反馈光子晶体激光器，为了弱折射率耦合的情况下提供足够大的分布反馈强度，必须要有足够大的二维光子晶体点阵，一般单个器件尺寸在100×500μm²以上。而电子束曝光作为精密度很高的制备技术，制备如此大面积的光子晶体点阵将花费数个小时，制备成本很高。另外，大面积曝光本身对电子束曝光就是一个挑战，在保证图形中间的均匀有序外，还得保证边缘处图形的正确性。而全息曝光作为一种新兴的光子晶体制备技术-能够制备大面积无缺陷的光子晶体点阵，且具有低成本高效率等优点-正在得到广泛的关注和研究(参考：V.Berger，et al，J.Appl.Phys.1997，82，60-64和N.D.Lai，et al，2005，Opt.Express13，9605-9611)。各种大面积的二维和三维光子晶体点阵已经用这种方法制备出来。然而，目前鲜有关于用全息法来制备二维光子晶体激光器的报道，其原因不外乎一下两点：一是与电子束曝光技术相比，全息法不能任意定义图形的形状，除非结合两步激光扫描技术和二次光刻技术，否则无法制备点缺陷或者线缺陷的二维光子晶体；二是全息法是一种光学曝光，受光学衍射极限限制，其能得到的最小周期为激光波长的一半。对于常用的波长为441.6nm氦氖激光光源，能得到的最小波长为220.8nm，这已经小于或和红外和近红外二维光子晶体激光器的最小周期相当。然而中红外的二维光子晶体分布反馈量子级联激光器而言，光子晶体点阵属于无缺陷类型，最小的点阵周期大于500nm，以上的两点限制对中红外分布反馈激光器不复存在。故而，用全息法制备二维光子晶体将是斜腔面二维分布反馈中红外的量子级联激光器得到广泛应用的关键所在。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双光束全息多次曝光技术制作斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器(PhC-DFB QCLs)的方法，结合二次外延生长技术，将大面积均匀的光子晶体点阵成功的制备在中红外量子级联激光器的分别限制InGaAs波导层内，工艺简单，同时改善器件的性能，得到器件的电注入式、边发射的空间和频域单模工作。

具体的说，本发明提供一种斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，包括：

一InP衬底；

一InP波导限制层，该InP波导限制层制作在InP衬底上；

一InGaAs下波导层，该InGaAs下波导层制作在InP波导限制层上；

一应变补偿有源层，该应变补偿有源层制作在InGaAs下波导层上；

一InGaAs上波导层，该InGaAs上波导层制作在应变补偿有源层上；

一二维长方光子晶体点阵图形由干法刻蚀于InGaAs上波导层中，点阵周期方向与外延片解理边呈15°角度；

一InP盖层，该InP盖层制作在内含二维长方光子晶体点阵图形的InGaAs上波导层上；

一InP接触层，该InP接触层制作在盖层上，形成二次外延片；

在该二次外延片的表面向下刻蚀有V形双沟道，形成斜形脊状波导，该V形双沟道的深度到达InP波导限制层内；

一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在V形双沟道及接触层的表面，接触层表面的二氧化硅层的中间开有一电流注入窗口；

一正面电极，该正面电极制作在刻蚀后的二次外延片的表面；

一金属金层，该金属金层制作在正面电极上，且填满两个V形双沟道；

一合金电极，该合金电极制作在InP衬底的背面。

本发明还提供一种斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其步骤如下：

步骤1：取一InP衬底；

步骤2：在该InP衬底上依次制作InP波导限制层、InGaAs下波导层、应变补偿有源层、InGaAs上波导层、InP帽层和InP电极层，形成外延片；

步骤3：用浓盐酸将该外延片上的InP帽层和InP电极层腐蚀掉；

步骤4：在经腐蚀后的外延片上的InGaAs上波导层上生长充当掩模图形材料的氮化硅介质膜；

步骤5：在氮化硅介质膜上旋涂光刻胶，采用双光束全息多次曝光技术制备出二维长方光子晶体点阵图形；

步骤6：采用感应耦合等离子体刻蚀或者反应离子束刻蚀法将光刻胶中的二维长方光子晶体点阵图形转移刻蚀到氮化硅介质膜中，去除残胶；

步骤7：采用感应耦合等离子体刻蚀或者反应离子刻蚀法将氮化硅介质膜中的二维长方光子晶体点阵图形转移刻蚀到InGaAs上波导层中，去除残留的氮化硅介质膜；

步骤8：采用金属有机化合物化学气象沉积生长技术，在InGaAs上波导层上二次外延生长InP盖层和InP接触层；

步骤9：采用光刻和湿法腐蚀技术，从InP接触层向下刻蚀出V形双沟道，形成斜形脊状波导，以限制电流注入区域；

步骤10：在InP接触层的上面和V形双沟道的表面生长二氧化硅层；

步骤11：对二氧化硅层进行光刻，开出电流注入窗口；

步骤12：采用电子束蒸发技术，在二氧化硅层11上制作正面电极；

步骤13：在正面电极上光刻出解理沟道，在带胶电镀一层金属金层；

步骤14：将InP衬底背面减薄、抛光、热蒸发、退火、制备合金电极；

步骤15：解理，完成激光器的制作。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如下，其中：

图1为全器件结构的量子级联激光器的示意图；

图2为腐蚀掉外延片InP帽层6和电极层7后，制作了氮化硅介质膜8的器件示意图；

图3为外延片旋涂一层光刻胶9后，在全息曝光系统中交叉曝光的示意图；

图4为用感应耦合等离子体刻蚀干法刻蚀技术将光刻胶9上的点阵图形转移到氮化硅介质膜8中的示意图；

图5为用感应耦合等离子体刻蚀干法刻蚀技术将氮化硅介质膜8上的点阵图形转移到InGaAs上波导层5中的示意图；

图6为二次外延生长InP盖层6’和接触层7’后的示意图；

图7为腐蚀双沟道、生长二氧化硅层11、开电流注入窗口111、蒸正面电极13、电镀金14、衬底减薄抛光、蒸镀背面合金电极15后的器件示意图；

图8为斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的俯视示意图；

图9为二维光子晶体分布反馈的耦合系数随纵向占空比变化的示意图；

图10为斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器光谱的示意图；

图11为斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器功率的示意图；

图12为斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器远场的示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图12，本发明提供了一种斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，包括：

一InP衬底1；其中InP衬底1的掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3；

一InP波导限制层2，该InP波导限制层2制作在InP衬底1上，其掺杂浓度为2-6×10¹⁶cm^-3，厚度为0.8-1.3μm；

一InGaAs下波导层3，该InGaAs下波导层3制作在InP波导限制层2上，其掺杂浓度为3-6×10¹⁶cm^-3，厚度为200-400nm；

一应变补偿有源层4是为多层铟镓砷和铟铝砷周期结构，该应变补偿有源层4制作在InGaAs下波导层3上，其总厚度为1.57μm，设计激射波长为4.6μm；

一InGaAs上波导层5，该InGaAs上波导层5制作在应变补偿有源层4上，其掺杂浓度为3-6×10¹⁶cm^-3，厚度为200-400nm；

一二维长方光子晶体点阵图形经干法刻蚀于InGaAs上波导层中，刻蚀深度为200-300nm，点阵周期方向与外延片解理边呈15°角度；

一InP盖层6’，该InP盖层6’制作在InGaAs上波导层5上，其掺杂浓度为2-6×10¹⁶cm^-3，厚度为2.0-2.5μm；

一InP接触层7’，该InP接触层7’制作在InP盖层6’上，其掺杂浓度为2-9×10¹⁸cm^-3，厚度为0.5-1μm；

在该二次外延片的表面向下开有V形双沟道，形成斜形脊状波导12，该V形双沟道的深度到达限制层2内，以达到限制电流横向扩散的作用；

一二氧化硅层11，该二氧化硅层11制作在V形双沟道及InP接触层7’的表面，InP接触层7’表面的二氧化硅层11的中间开有一电流注入窗口111，其宽度略小于斜形脊状波导12；

一Ti/Au正面电极13，该正面电极13制作在刻蚀后的基片的表面，Ti，Au的厚度分别为10nm和200nm；

一金属金层14，该金属金层14制作在正面电极13上，其厚度为5-7μm，且填满两个V形双沟道，以起到散热作用；

一Au/Ge/Ni合金电极15，该合金电极制作在InP衬底1的背面，其总厚度为200nm，由于InP衬底1的掺杂浓度只有3×10¹⁷cm^-3，直接蒸发Ti/Au电极所得到的肖特基势垒和欧姆接触电阻很大，将使注入的电流的功率一部分以热耗散消耗掉；而采用Au/Ge/Ni合金电极，与InP的电势差很小，从而大大降低欧姆接触电阻，提高电流功率的利用率。

沿着第三次出的解理沟道解理外延片制作激光管芯。

请参阅图1至图7，本发明一种斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其具体步骤如下：

步骤1：取一InP衬底1；

步骤2：在该InP衬底1上依次制作InP波导限制层2、InGaAs下波导层3、应变补偿有源层4、InGaAs上波导层5、InP帽层6和InP电极层7(见图1)，形成外延片；所述InP波导限制层2的掺杂浓度为2-6×10¹⁶cm^-3，厚度为0.8-1.3μm；所述应变补偿有源层4是为多层铟镓砷和铟铝砷周期结构，其总厚度为1.57μm；所述InGaAs上波导层5，其掺杂浓度为3-6×10¹⁶cm^-3，厚度为200-400nm；

步骤3：用浓盐酸将该外延片上的InP帽层6和InP电极层7腐蚀掉；

步骤4：在经选择性腐蚀后的外延片上的InGaAs上波导层5上生长充当掩模图形材料的氮化硅介质膜8；

步骤5：在氮化硅介质膜8上旋涂光刻胶9，采用双光束全息多次曝光技术制备出二维长方光子晶体点阵图形10(见图3)，其中光刻胶9的厚度为150nm；通过调整两次曝光时间的权重比，可以得到点阵基元从圆孔到椭圆孔的转变，相对于解理边的倾斜角度与点阵的衍射级数有关，全息曝光的总时间为120-180秒，两次曝光的交叉角度为90°，曝光时间之比为1∶1-1∶4；而刻蚀出的二维长方光子晶体的晶格常数对应于(1，2)级分布反馈耦合级数，点阵与解理边的倾斜角度约为15°。

步骤6：采用感应耦合等离子体刻蚀或者反应离子束刻蚀法将光刻胶9中的二维长方光子晶体点阵图形10转移刻蚀到氮化硅介质膜8中(见图4)，用等离子体去胶机去除残胶；

步骤7：采用感应耦合等离子体刻蚀或者反应离子刻蚀法将氮化硅介质膜8中的二长方光子晶体维点阵图10形转移刻蚀到InGaAs上波导层5中(见图5)，用HF溶液去除残留的氮化硅介质膜8，其中刻蚀深度不能超高InGaAs上波导层5的厚度；

步骤8：采用金属有机化合物化学气象沉积生长技术，在InGaAs上波导层5上二次外延生长InP盖层6’和InP接触层7’(见图6)，其中在生长InP盖层6’的开始阶段，其生长速率要求很低，保证InP能完整的覆盖刻蚀于InGaAs上波导层5中的二维长方光子晶体点阵10；所述InP盖层6’和InP接触层7’，其掺杂浓度分别为3-6×10¹⁶cm^-3和2-9×10¹⁸cm^-3，厚度分别为2.0-2.5μm和0.5-1μm；

步骤9：采用光刻和湿法腐蚀技术，从InP接触层7’向下刻蚀出V形双沟道，形成斜形脊状波导12(见图7)，以限制电流注入区域，其中V形双沟道的深度到达限制层2内，为5-6μm，斜形脊状波导的宽度为50-100μm，且倾斜角度与点阵角度一致，匀为15°；

步骤10：在InP接触层7’的上面和V形双沟道的表面用化学气象沉积法生长二氧化硅层11(见图7)，其厚度为350nm；

步骤11：对二氧化硅层11进行光刻，开出电流注入窗口111，其宽度为30-50μm，该电流注入窗口111在斜形脊状波导12的正上方(见图7)，所述刻蚀出的斜形脊状波导12的宽度为50-100μm，倾斜角度与点阵角度一致；

步骤12：采用电子束蒸发技术，在二氧化硅层11上制作Ti/Au正面电极13(见图7)；

步骤13：在Ti/Au正面电极13上光刻出解理沟道，在带胶电镀一层金属金层14(见图7)，剥离胶上面的金属，形成解理沟道；由于金具有很强的延展性，在电镀之前须刻蚀出解理边，从而定义出解理的条宽和腔长；所述金属金层14的厚度为5-7μm，起到散热作用；

步骤14：将InP衬底1背面减薄、抛光、热蒸发、退火、制备Au/Ge/Ni合金电极15(见图7)；

步骤15：沿解理沟道解理，所述刻蚀出的二维点阵图形10与解理边的倾斜角度为15°，压焊，烧结，引线，完成激光器的制作(见图8)。

本发明的关键点采用双光束全息多次曝光技术替代电子束曝光技术制作斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器(PhC-DFB QCLs)的方法，将点阵的制备时间和实验成本大大降低；通过控制曝光时间的权重比，可以得到点阵基元从椭圆到圆孔之间的变化；通过控制曝光时间和显影时间可以得到不同的点阵基元占空比；而在刻蚀深度一定的情况下，耦合系数又强烈的依赖于占空比的调制(参阅图9)；可以看出，当点阵基元纵向相互连接时，纵向的耦合系数κ₁、κ₃随占空比的变化趋于变缓，稳定在-10至-8cm^-1之间，而横向耦合系数κ2随着占空比的增大而增大，对于斜腔面二维光子晶体分布反馈激光器，为得到空间和频域的单模工作，要求|κ₁|L、|κ₃|L≈1-3之间，|κ₂|＞＞|κ₁|、|κ₃|，故在点阵制备过程中占空比b_y/Λ₂一般取1.4-1.52之间；结合二次外延生长技术，将二维光子晶体点阵掩埋于InGaAs分别限制层中，可以有效避免蒸发正面电极时，金属落入表面光子晶体点阵底部而引起很大的波导损耗。

对制备好的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，我们测试了激光器的光谱特性和光功率与电流之间的关系以及平行于外延方向的远场分布情况，分别如图10、图11和图12所示。图10显示了激光器在80K时的激光光谱，可以发现激光器实现了单模激射并且具有很高的边模抑制比(-20dB)，如此高的边模抑制比证明了我们研制二维分布反馈结构在激光器确实起到调制、选模的作用。图11显示了80K时的光功率和电流之间的关系。峰值功率为320mW，阈值电流密度为2.8kA/cm²。图12显示了平行于外延方向的远场分布情况，光束发散角的半高宽只有2.5°，大大改善了激光器的出光光束质量。

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，任何所属技术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，故本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。

Claims

1.一种斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，包括：

一InP衬底；

一InP波导限制层，该InP波导限制层制作在InP衬底上；

一InGaAs下波导层，该InGaAs下波导层制作在InP波导限制层上；

一InP接触层，该InP接触层制作在盖层上，形成二次外延片；

一合金电极，该合金电极制作在InP衬底的背面。

2.按权利要求1所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，其中InP波导限制层的掺杂浓度为2-6×10¹⁶cm^-3，厚度为0.8-1.3μm。

3.按权利要求1所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，其中应变补偿有源层是为多层铟镓砷和铟铝砷周期结构，其总厚度为1.57μm。

4.按权利要求1所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，其中InGaAs上波导层，其掺杂浓度为3-6×10¹⁶cm^-3，厚度为200-400nm。

5.按权利要求1所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，其中InP盖层和InP接触层的掺杂浓度分别为3-6×10¹⁶cm^-3和2-9×10¹⁸cm^-3，厚度分别为2.0-2.5μm和0.5-1μm。

6.按权利要求1所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，其中金属金层的厚度为5-7μm，起到散热作用。

7.按权利要求1所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，其中刻蚀出的斜形脊状波导宽度为50-100μm。

8.一种斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其步骤如下：

步骤1：取一InP衬底；

步骤3：用浓盐酸将该外延片上的InP帽层和InP电极层腐蚀掉；

步骤11：对二氧化硅层进行光刻，开出电流注入窗口；

步骤15：解理，完成激光器的制作。

9.按权利要求8所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其中刻蚀出的V形双沟道的深度到达InP波导限制层内。

10.按权利要求8所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其中电流注入窗口在斜形脊状波导的正上方。

11.按权利要求8所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其中刻蚀出的二维长方光子晶体点阵图形与解理边的倾斜角度为15°。

12.按权利要求8所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其中刻蚀出的斜形脊状波导的宽度为50-100μm，倾斜角度与点阵角度一致。

13.按权利要求8所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其中InP波导限制层的掺杂浓度为2-6×10¹⁶cm^-3，厚度为0.8-1.3μm。

14.按权利要求8所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其中应变补偿有源层是为多层铟镓砷和铟铝砷周期结构，其总厚度为1.57μm。

15.按权利要求1所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其中InGaAs上波导层的掺杂浓度为3-6×10¹⁶cm^-3，厚度为200-400nm。

16.按权利要求1所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其中InP盖层和InP接触层的掺杂浓度分别为3-6×10¹⁶cm^-3和2-9×10¹⁸cm^-3，厚度分别为2.0-2.5μm和0.5-1μm。

17.按权利要求1所述的斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其中金属金层的厚度为5-7μm，起到散热作用。