CN103490280A - 可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件及其制备方法。所述阵列器件包括：在衬底上依次生长的下波导层、下限制层、有源区、上限制层、上波导层、梯度掺杂盖层和高掺层；阵列器件，其包含多个DFB激光器，每个DFB激光器具有脊型波导结构，且脊型波导的一侧留有引线区；脊上面的高掺层上为取样布拉格光栅结构，阵列中不同DFB激光器脊型波导上面的取样布拉格光栅具有不同的取样周期；二氧化硅层，其覆盖了整个脊型波导结构的表面区域；正面电极层，其生长在二氧化硅层的上面及高掺层取样布拉格光栅的上面；电隔离沟，其位于阵列器件中两个DFB激光器的脊型波导结构之间；背面金属电极层，其生长在衬底的下表面。

Description

可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种中红外波长可调谐量子级联阵列器件的设计与制备方法，更具体而言，是基于取样布拉格光栅技术制备分布反馈量子级联激光器阵列器件的方法。

背景技术

量子级联激光器(QCL)是一种基于共振隧穿及子带跃迁的半导体激光器，波长可以覆盖3～24um的波段，这一波段正好覆盖了诸多如CO₂、SO₂、CO、N₂、NH₃等气体的分子吸收峰，因此QCL在气体探测和环境监测方面有着重要的应用前景。

要进行多种气体的同时探测，则要求QCL具有两方面的特点：其一为单模；其二为波长可调谐；针对上述两方面要求，科学家进行了一些卓有成效的探讨：普通DFB激光器[C.Gmachl，A.Straub，R.Colombelli，F.Capasso，D.L. Sivco，A.M.Sergent，and A.Y.Cho IEEE J.Quantum Electron.38，569(2002)]可以获得单模，但单个器件调谐范围有限，要实现宽调谐需要制备多个DFB器件并且封装在一起，但多个DFB器件的集成和封装不利于器件的小型化；外腔量子级联激光器EC-QCL[R.Maulini，M.Beck，J.Faist，and E.Gini，Appl.Phys.Lett.84,1659(2004)]可以实现室温脉冲宽调谐的目的，在10um中红外区域调谐范围超过1.45um，单模性能超过30dB，是气体探测的理想光源，但是外腔QCL系统复杂、难以搭建，而且需要高质量的减反膜和准直性能极佳的外部光学器件，成本比较高、不利于系统的小型化；DFB阵列器件[Benjamin G.Lee，Mikhail A. Belkin，RossAudet，et.al，Appl.Phys.Lett91,232201(2007)]是一种将多个DFB激光器通过特殊的加工工艺集成在同一芯片上，每个DFB器件由于光栅周期不同具有不同的激射波长，相邻两个DFB器件之间进行电学隔离，可以达到通过分别驱动不同激光器进行调谐的目的。DFB阵列中激光器的光栅周期比较小、精度要求极高，目前只能通过电子束曝光制作光栅，但电子束曝光耗时长、成本高，因此不利于实现大规模化生产。

取样光栅制备，即通过光学曝光的方式在DFB中引入亚微米级周期型采样条纹就可以实现特定波长激射，制备工艺简单、曝光精度要求低，只需要一次全息曝光和普通光学曝光就可以制备出具有不同取样周期的DFB阵列器件。

与普通量子级联激光器DFB阵列器件相比，取样光栅量子级联激光器阵列器件具有激射波长可控性好、边摸抑制比高、制备方法简单、成本低等诸多优点。因此基于取样光栅的可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件在中红外气体检测方面有着重要的应用背景。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述一个或多个问题，本发明提出了一种用于可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件及制备方法。

本发明提供的一种可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件，其包括

一衬底；

一下波导层，其均匀生长在衬底上；

一下限制层，其上依次生长有有源区、上限制层、上波导层和梯度掺杂盖层；

一高掺层，其生长在所述梯度掺杂盖层的上面；

一阵列器件，其包含多个DFB激光器，每个DFB激光器具有脊型波导结构，且脊型波导的一侧留有引线区；脊两侧的双沟刻腐蚀至有源区下表面，脊上面的高掺层上为取样布拉格光栅结构，阵列中不同DFB激光器脊型波导上面的取样布拉格光栅具有不同的取样周期；

一二氧化硅层，其覆盖了整个脊型波导结构的表面区域；

一正面电极层，其生长在二氧化硅层的上面及高掺层取样布拉格光栅的上面；

一电隔离沟，其位于阵列器件中两个DFB激光器的脊型波导结构之间；

一背面金属电极层，其生长在衬底的下表面；

其中，每个阵列器件的后腔面蒸镀有高反膜，形成完整的量子级联激光器阵列。

本发明提供的一种可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1：在衬底上依序生长有下波导层、下限制层、有源区、上限制层、上波导层、梯度掺杂盖层和高掺层；

步骤2：通过双光束全息曝光在高掺层上面制备普通DFB光栅掩模图形；

步骤3：通过光学曝光的方法，使用取样光刻版作为掩模图形对步骤2中的普通DFB光栅掩模图形进行曝光，制备出针对阵列器件中不同DFB激光器具有不同采样周期的取样布拉格光栅掩模图形；

步骤4：通过湿法腐蚀，在高掺层上制备出取样布拉格光栅结构；

步骤5：通过光刻和湿法腐蚀，在衬底上的下限制层、有源区、上限制层、上波导层、梯度掺杂盖层和高掺层上进行腐蚀，形成脊型波导结构，脊型波导结构的双沟一侧留有引线区；

步骤6：在脊型波导结构的上表面及两侧面，采样化学气相沉积的方法，生长一层二氧化硅层；

步骤7：将脊型波导结构上方中心位置的二氧化硅使用湿法腐蚀掉，开出电注入窗口；

步骤8：在二氧化硅层的上表面及电注入窗口位置生长正面金属电极层；

步骤9：在步骤8中生长的正面电极层上进行带胶电镀金加厚，形成正面金属电极层；

步骤10：在两个脊型波导结构之间的脊背上腐蚀正面金属电极层，开出电隔离沟；

步骤11：将衬底进行减薄、抛光；

步骤12：在减薄、抛光后的衬底背面蒸发背面金属电极层。

步骤13：阵列器件的后腔面蒸镀高反膜，形成完整的量子级联激光器阵列。

本发明提出的上述阵列器件及其制备方法，可以简化量子级联激光阵列器件的工艺、降低制备成本、提供器件制备效率，将全息曝光和光学曝光取样技术用于量子级联激光器阵列调谐器件中，实现器件的单模、宽调谐目的。

附图说明

图1是本发明中可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件结构示意图；

图2是本发明中为制备取样布拉格光栅结构所使用的取样光刻版示意图；

图3是本发明中高掺层上取样布拉格光栅结构沿腔长方向的横截面示意图；

图4是本发明中波长在7.5um附近的量子级联激光器阵列器件中6个DFB激光器阵列单元的室温脉冲光谱图；

图5是本发明中量子级联激光器阵列器件中6个DFB激光器阵列单元在室温下的I-P曲线。

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的第一实施例提供了一种在波长为7.5um附近可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件及制备方法。

图1示出了本发明提供的可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件的结构示意图。图1所示为单片集成3阵列单元的示意图，A为垂直于激光器谐振腔的横截面示意图，B为其中一个阵列单元横截面的局部放大视图，C为单片集成3阵列单元器件的等轴测视图。其包括：

一衬底101；

一下波导层102，该下波导层均匀生长在衬底101上；

一下限制层103，该下限制层生长在下波导层102上，下限制层103上依次生长有有源区104、上限制层105、上波导层106和梯度掺杂盖层107：

一高掺层108，其生长在梯度掺杂盖层107的上面；

一脊型波导结构116，该级联激光器阵列器件包含多个DFB激光器单元，每个DFB激光器单元具有脊型波导结构；脊型波导的一侧且留有引线区113；脊两侧的双沟112腐蚀至有源区104的下表面，脊上面的高掺层108上为取样布拉格光栅结构，其形貌如图3所示，阵列中不同DFB激光器单元的脊型波导上面的取样布拉格光栅具有不同的取样周期；

一二氧化硅层109，该二氧化硅层109覆盖了整个脊型波导结构的表面，包括下波导层两侧的上面和下限制层、有源区、上限制层、上波导、梯度掺杂盖层及高掺层两侧和高掺层上面的边缘部分；

一正面电极层110，其生长在二氧化硅层109的上表面及高掺层108上的取样布拉格光栅的上面，正面电极层进行电镀金加厚；

一电隔离沟114，其位于阵列中两个DFB激光器的脊波导结构之间，具体位于两脊波导结构之间的脊背上，其用于相邻DFB激光器单元之间的电隔离；

一背面金属电极层115，生长在衬底的下表面；每个阵列器件的后腔面蒸镀高反膜，提高器件性能。

本发明还提供了一种可调谐分布反馈量子级联激光器的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1：在衬底101上依序生长下波导层102、下限制层103、有源区104、上限制层105、上波导层105、梯度掺杂盖层107和高掺层108；

步骤2：通过双光束全息曝光在高掺层108上面制备普通DFB光栅掩模图形；

步骤3：通过光学曝光的方式，使用取样光刻版作为掩模对步骤2中的DFB掩模图形进行曝光，制备出针对阵列器件中不同DFB激光器具有不同采样周期的取样布拉格光栅掩模图形，周期范围在30～60um之间；

图2示出了本发明实施例中使用的取样光刻版图形示意图。如图2所示，从右到左的取样周期依次为：27.3um、28.7um、30.3um、32um、34um、36.2um，占空比为50％。从而在高掺层108上面制备出不同采样周期的取样布拉格光栅掩模图形。

步骤4：通过湿法腐蚀，在高掺层108上制备出取样布拉格光栅结构；

步骤5：通过光刻和湿法腐蚀，将衬底101上的下波导102、有源区104、上波导105、梯度掺杂盖层107和高掺层108上腐蚀出双沟112，形成脊型波导结构116，脊型波导的一侧留有引线区113；

步骤6：在脊型波导结构的上表面及两侧，采样化学气相沉积的方法，生长一层二氧化硅层109；

步骤7：将脊型波导结构116上方中心位置的二氧化硅使用湿法腐蚀掉，开出电注入窗口117，所述电注入窗口117位于取样布拉格光栅结构上方；

步骤8：在二氧化硅层109的上表面及步骤7中开出的电注入窗口117表面生长正面金属电极层110；

步骤9：在步骤8中生长的正面电极层110上进行带胶电镀金加厚，得到电镀金加厚层111；

步骤10：在两个脊型波导结构中间区域，腐蚀金属电极层110，开出电隔离沟114；

步骤11：将衬底进行减薄、抛光；

步骤12：在减薄、抛光后的衬底背面蒸发背面金属电极层115；

步骤13：在阵列器件的后腔面蒸镀高反膜，完成可调谐量子级联激光器阵列器件的制作。下面根据具体参数描述本发明其它实施例提出的可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件的结构。该实施例中提出了波长为7.5um可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件，其包括：

一n型InP衬底101，其掺杂浓度为1～3×10¹⁷cm^-3，优选为3×10¹⁷cm^-3；

一InP下波导层102，其为n型掺杂，掺杂浓度为4×10¹⁶cm^-3，掺杂厚度为1.34um；

一InGaAs下限制层103，n型掺杂，4×10¹⁶cm^-3，厚度0.3um，下限制层103上依次生长有30级InGaAs/InAlAs有源区104(其注入区的掺杂浓度为1.3×10¹⁷cm^-3，掺杂厚度为1.79um)、InGaAs上限制层105(n型掺杂，4×10¹⁶cm^-3，掺杂厚度0.3um)、InP上波导层106(n型掺杂，掺杂浓度为3×10¹⁶cm^-3，掺杂厚度为2.8um)和InP梯度掺杂盖层107(n型掺杂，1×10¹⁷～3×10¹⁷cm^-3，掺杂厚度为0.15um)；

一InP高掺层108(n型掺杂，4～9×10¹⁸cm^-3，优选为5×10¹⁸cm^-3，掺杂厚度为0.4um).

一脊波导结构116，该器件包含多个DFB激光器单元，每个DFB激光器单元均具有脊型波导结构116，脊型波导116的一侧且留有引线区113，其宽度约为110um；

脊两侧的双沟112刻蚀过有源区，脊上面的高掺层108上制备取样布拉格光栅结构，阵列中每个DFB激光器脊型波导115上面的取样布拉格光栅具有不同的取样周期；

一二氧化硅层109，该二氧化硅层覆盖了整个脊型波导116区域，包括衬底101和下波导102两侧的上面和下限制层103、有源区104、上限制层105、上波导106、梯度掺杂盖层107及高掺层108两侧和高掺层108上面的边缘部分，二氧化硅层厚度为450nm；

一正面电极层110生长在二氧化硅层109的上面及高掺层取样布拉格光栅的上面，正面电极层110进行电镀金加厚，形成电镀金层111(Au，厚度4um)；

一电隔离沟114，位于阵列中两个DFB激光器之间，其宽度为21um；

一背面金属电极层115(AuGeNi：200nm)生长在衬底101的下面；

每个阵列器件的后腔面镀高反膜，形成完整的量子级联激光器阵列，该阵列具有多个DFB激光器，不同DFB激光器具有不同波长；

根据本发明的另一实施例，所述可调谐量子级联激光器阵列器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底101上依序生长有下波导层102、下限制层103、有源区104、上限制层105、上波导层106、梯度掺杂盖层107和高掺层108；

步骤2：通过双光束全息曝光在高掺层108上面制备普通DFB光栅掩模图形；所述的双光束全息曝光法使用S1805稀释胶旋涂在高掺层108上面，对样品进行一次曝光。

步骤3：通过光学曝光对步骤2中的DFB光栅掩模图形进行取样曝光；

步骤4：通过湿法腐蚀，腐蚀液为体积比为HBr∶HCl∶H2O＝1∶1∶10，常温下进行腐蚀，腐蚀深度为240nm，从而在高掺层108上制备出取样布拉格光栅结构；

步骤5：通过光刻和湿法腐蚀，在衬底上的下限制层103、有源区104、上限制层105、上波导层106、梯度掺杂盖层107和高掺层108上进行腐蚀，形成脊型波导结构116，双沟112的一侧留有引线区113，双沟112宽度均为21um，脊型波导一侧留有引线区，引线区的宽度为110um，且引线区未被腐蚀；

步骤6：在脊型波导结构115的上表面及两侧面，采样化学气相沉积的方法，生长一层二氧化硅层109，生长温度为350℃，厚度为450nm；

步骤7：将脊型波导上方中心位置的二氧化硅使用湿法腐蚀掉，开出电注入窗口117；

步骤8：在二氧化层的上表面及步骤7中的窗口位置生长正面金属电极层110，其中光刻胶的位置为脊型两侧双沟之一的外缘，胶厚4um，宽度21um；电镀金的厚度为4um；

步骤9：在步骤8中生长的正面电极层上进行带胶电镀金加厚，形成电镀金层111；

步骤10：在两个脊型波导结构之间的脊背上腐蚀金属层，开出电隔离沟114，电隔离沟宽度为21um；

步骤11：将衬底进行减薄、抛光；

步骤12：在减薄、抛光后的衬底背面蒸发背面金属电极层115，完成器件的制作。

步骤13：器件后腔面镀高反膜，降低阈值电流，减少腔面位置的随机性对DFB器件出光性能的影响；其中，采用电子束蒸发的方法，在阵列器件的后腔面蒸镀高反膜，高反膜为Al2O3/Ti/Au/Al2O3＝200/10/100/200nm，反射率为95％以上。

以下详细说明上述所提供的可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件的设计依据和设计方法：

可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件取样光栅的设计原理与方法。

取样光栅的原理如下面两个公式所述：

λ₀＝2n_effΛ           (1)

Δλ＝λ₊₁-λ₀＝λ₀ ²/(2n_effZ)    (2)

取样光栅的制备分两步，第一步，先使用全息曝光方法制备普通DFB光栅掩模图形；第二步，使用光学曝光的方法，利用如图2所示制备好的取样光刻版在第一步的普通DFB光栅掩模图形的基础上进行采样曝光，就可以获得取样布拉格光栅的掩模图形，然后进行显影、腐蚀就可以在高掺层上获得取样布拉格光栅图形，其横截面示意图如图3所示。

公式(1)中给出了普通DFB光栅制备依据，λ₀对应DFB布拉格光栅，n_eff对应波导区有效折射率，Λ为布拉格光栅周期。

公式(2)给出了取样光栅的设计原理，不同的取样周期Z对应不同的取样布拉格光栅+1st反射峰。本发明提出的上述方案可以将+1st级反射峰的位置放在激光器增益谱的中心位置，而将λ₀放在激光器增益谱的边缘位置，这样既可以抑制λ₀的激射，又可以使λ₊₁激射。阵列器件中的每个DFB光栅上设计不同的取样周期，就可以在一个阵列器件中获得不同的激射波长。

根据上述原理，具体实验中设计了单片集成6个DFB激光器的阵列器件。

图4示出了本发明上述实验中阵列器件中6个DFB激光器单元的激射谱示意图。图5示出了本发明上述实验中阵列器件6个DFB激光器单元的室温脉冲电流功率曲线。上述实验中，普通DFB激射波长设定为λ₀为7.3um。阵列器件中编号为1～6号DFB激光器对应的采样周期一次为：2.73um、2.87um、3.03um、3.20um、3.40um、3.62um。选用外延片折射率n_eff为3.2，由公式(2)计算的λ₊₁为7.605um、7.590um、7.575um、7.560um、7.545um、7.530um。相应的波数依次为：1315cm^-1、1318cm^-1、1320cm^-1、1323cm^-1、1325cm^-1、1328cm^-1。从图4阵列器件中6个DFB激光器的激射谱可以看出，1～6号激射谱波数按照依次递增的规律变化，与设计并非严格匹配但具有与设计相同的规律。

对于波长7.5um左右的量子级联激光器，光场向衬度和上波导层的扩展作用比较强，因此只需在高掺层上刻蚀比较浅的光栅图形就可以提供足够的折射率差。为此本发明使用湿法腐蚀对InP高掺层108进行各向同性刻蚀，刻蚀深度选定为240nm，从而大大提高了效率，降低制备成本。

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，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 (10)

1.一种可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件，其特征在于，包括

一衬底；

一下波导层，其均匀生长在衬底上；

一下限制层，其上依次生长有有源区、上限制层、上波导层和梯度掺杂盖层；

一高掺层，其生长在所述梯度掺杂盖层的上面；

一阵列器件，其包含多个DFB激光器，每个DFB激光器具有脊型波导结构，且脊型波导的一侧留有引线区；脊两侧的双沟腐蚀至有源区下表面，脊上面的高掺层上为取样布拉格光栅结构，阵列中不同DFB激光器脊型波导上面的取样布拉格光栅具有不同的取样周期；

一二氧化硅层，其覆盖了整个脊型波导结构的表面区域；

一正面电极层，其生长在二氧化硅层的上面及高掺层取样布拉格光栅的上面；

一电隔离沟，其位于阵列器件中两个DFB激光器的脊型波导结构之间；

一背面金属电极层，其生长在衬底的下表面；

其中，每个阵列器件的后腔面蒸镀有高反膜，形成完整的量子级联激光器阵列。

2.根据权利要求1所述的可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件，其特征在于，其中所述的高掺层材料为InP，该高掺层掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，掺杂厚度为400nm。

3.根据权利要求1所述的可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件，其特征在于，其中所述的梯度掺杂盖层材料为InP，掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁷～3×10¹⁷cm^-3，掺杂厚度为150nm。

4.一种可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上依序生长有下波导层、下限制层、有源区、上限制层、上波导层、梯度掺杂盖层和高掺层；

步骤2：通过双光束全息曝光在高掺层上面制备普通DFB光栅掩模图形；

步骤3：通过光学曝光的方法，使用取样光刻版作为掩模图形对步骤2中的普通DFB光栅掩模图形进行曝光，制备出针对阵列器件中不同DFB激光器具有不同采样周期的取样布拉格光栅掩模图形；

步骤4：通过湿法腐蚀，在高掺层上制备出取样布拉格光栅结构；

步骤5：通过光刻和湿法腐蚀，在衬底上的下限制层、有源区、上限制层、上波导层、梯度掺杂盖层和高掺层上进行腐蚀，形成脊型波导结构，脊型波导结构的双沟一侧留有引线区；

步骤6：在脊型波导结构的上表面及两侧面，采样化学气相沉积的方法，生长一层二氧化硅层；

步骤7：将脊型波导结构的脊背上方中心位置的二氧化硅使用湿法腐蚀掉，开出电注入窗口，所述电注入窗口位于所述取样布拉格光栅结构上方；

步骤8：在二氧化硅层的上表面及电注入窗口位置生长正面金属电极层；

步骤9：在步骤8中生长的正面电极层上进行带胶电镀金加厚，形成正面金属电极层；

步骤10：在两个脊型波导结构之间的区域腐蚀正面金属电极层，开出电隔离沟；

步骤11：将衬底进行减薄、抛光；

步骤12：在减薄、抛光后的衬底背面蒸发背面金属电极层。

步骤13：阵列器件的后腔面蒸镀高反膜，形成完整的量子级联激光器阵列。

5.根据权利要求4所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的制备方法，其特征在于，其中所述的阵列器件中不同DFB激光器的脊型波导上面的高掺层上制备具有不同取样周期的取样布拉格光栅，周期范围在30～60um之间，使用湿法腐蚀，腐蚀液体积比为HCl∶HBr∶H2O＝1∶1∶10，腐蚀深度为240nm。

6.根据权利要求4所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的制备方法，其特征在于，阵列器件中每个DFB激光器的脊型波导两侧腐蚀形成双沟区，双沟宽度均为21um，脊型波导一侧留有引线区，引线区的宽度为110um，且引线区未被腐蚀。

7.根据权利要求4所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的制备方法，其特征在于，所述的二氧化硅层使用化学气相沉积的方法生长，生长温度为350℃，厚度为450nm。

8.根据权利要求4所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的制备方法，其特征在于，其中所述的正面金属电极层上进行带胶电镀金加厚，光刻胶的位置为脊型两侧双沟之一的外缘，胶厚4um，宽度21um；电镀金的厚度为4um。

9.根据权利要求4所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的制备方法，其特征在于，所述的阵列器件中，同一阵列器件中相邻DFB激光器之间具有电隔离沟，电隔离沟宽度为21um。

10.根据权利要求4所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的制备方法，其特征在于，其中所述的阵列器件后腔面蒸镀高反膜，采用电子束蒸发的方法，在阵列器件的后腔面蒸镀高反膜，高反膜为Al2O3/Ti/Au/Al2O3＝200/10/100/200nm，反射率为95％以上。

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