CN103532008A - 一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构及其制作方法。该结构包括：衬底、下波导层、下光限制层，该下光限制层生长在下波导层上、有源区、上光限制层、光栅层、上波导层，该上波导层生长在该光栅层上、多孔区、二氧化硅层、正面金属电极层和背面电极层；其中该多孔区制作于该上波导层上；其中，所述的下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧为梯形斜面；该二氧化硅生长在衬底正面未被下波导层覆盖的部分和下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧形成的梯形斜面上，以及上波导层上面两侧的边缘部分。
Description
技术领域
本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构及制作方法。
背景技术
波长为3～12μm室温连续工作的单模、窄发散角量子级联激光器在大气环境监测、医疗诊断、高分辨率光谱等领域中具有十分广阔的应用前景。然而，为了实现室温连续工作，器件的有源区宽度仅为几个自由空间波长，这使得器件的水平发散角很大，一般为20-40°。为了减小器件的远场发散角，国际上已经采用了多种研究方法，如，锥形结构[P.Rauter，S.Menzel，B.Gokden，A.Goyal，C.A.Wang，A.Sanchez，G.Turner，and F.Capasso，Single-mode tapered quantum cascade lasers，Appl.Phys.Lett.，103，181102，(2013)]，光子晶体晶格结构[Y.Bai，S.R.Darvish，S.Slivken，P.Sung，J.Nguyen，A.Evans，W.Zhang，and M.Razeghi，Electrically pumped photoniccrystal distributed feedback quantum cascade lasers，Appl.Phys.Lett.，91，141123(2007)]，在腔面附近刻蚀亚波长金属光栅结构[N.F.Yu，R.Blanchard，J.Fan，F.Capasso，T.Edamura，M.Yamanishi，and H.Kan，Smalldivergence edge-emitting semiconductor lasers with two-dimensionalplasmonic collimators，Appl.Phys.Lett.，93，181101，(2008)]。锥形结构和光子晶体晶格结构虽然能改善水平波导方向的远场发散角，但是所制作的器件需要较宽的脊才具有调制作用，这大大增加了器件注入的电流强度，使得器件无法室温连续工作。通过在腔面附近刻蚀亚波长金属光栅结构虽然可以在有源区的宽度为波长量级的情况下实现水平远场发散角的改善，但是这种腔面图形的制备十分复杂，且这种结构也没有实现量子级联激光器的室温连续工作。目前为止，低发散角且能够室温连续工作的边发射分布反馈量子级联激光器还没有研制出来，更好的解决方法也还没有找到。针对这种情况，设计一种能够室温连续工作的单模、低发散角分布反馈量子级联激光器结构是亟待解决的问题，而本专利就是为此而发明的。
发明内容
鉴于以上技术问题，本发明提供一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构及制作方法。该方法采用多孔结构对边发射分布反馈量子级联激光器进行光束整形，既减小了波导方向的发散角又没有引入额外的波导损耗。
为此，本发明提供了一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，包括：
一衬底；
一下波导层，该下波导层生长在该衬底正面；
一下光限制层，该下光限制层生长在下波导层上；
一有源区，该有源区生长在下光限制层上；
一上光限制层，该上光限制层生长在该有源区上；
一光栅层，该光栅层制作于上光限制层的上，并且该光栅层具有一级分布反馈结构；
一上波导层，该上波导层生长在该光栅层上；
一多孔区，该多孔层制作于该上波导层上；其中，所述的下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧为梯形斜面；
一二氧化硅层，该二氧化硅生长在衬底正面未被下波导层覆盖的部分和下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧形成的梯形斜面上，以及上波导层上面两侧的边缘部分；
一正面金属电极层，该正面金属电极生长在二氧化硅层的上面、上波导层未被二氧化硅覆盖的部分及多孔区的上面；
一背面电极层，该背电极层生长在衬底的背面。
本发明还提供了一种低发散角分布反馈量子级联激光器制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次生长下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层：
步骤2：上光限制层表面匀胶后，通过双光束全息曝光法制备出一级分布反馈光栅的光刻胶图形；
步骤3：以光刻胶图形为掩膜，通过化学腐蚀制作出一级分布反馈光栅结构；
步骤4：除去用于掩膜的光刻胶图形；
步骤5：利用金属有机化学气相沉积设备在光栅表面二次外延上波导层；
步骤6：通过化学气相沉积法在上波导层上生长二氧化硅；
步骤7：表面匀胶后通过光刻和湿法腐蚀的方法，将衬底上的下波导层、下光限制层、有源层、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧进行腐蚀，形成梯形斜面的条形结构；
步骤8：除去光刻胶后重新匀胶，通过光刻和湿法腐蚀的方法除去待刻蚀的多孔区的二氧化硅；
步骤9：以二氧化硅为掩膜，利用电化学刻蚀的方法刻蚀多孔区，并在多孔区的表面将会形成本征的钝化层；
步骤10：除去用于掩膜的二氧化硅后利用化学气相沉积法重新在衬底正面未被下波导层覆盖的部分和下波导层、下光限制层、有源层、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧形成的梯形斜面上，上波导层上面及多孔区本征的钝化层上面生长二氧化硅，并利用光刻和湿法腐蚀的方法将上波导层上中间的二氧化硅腐蚀掉；
步骤11：在二氧化硅层的上面、上波导层未被二氧化硅覆盖的部分及多孔区的上面生长正面电极；
步骤12：将衬底背面减薄、抛光；
步骤13：在减薄后的衬底背面蒸发背金属电极并进行合金，完成器件的制作。
从上述技术方案可以看出，本发明发散角分布反馈量子级联激光器结构及制作方法具有以下有益效果：多孔的电化学刻蚀工艺简单、廉价、方便。用多孔结构对边发射分布反馈量子级联激光器的进行光束整形，既减小了波导方向的发散角又没有引入额外的波导损耗。多孔区具有极差的导电能力，电子不能在多孔区进行电注入，因此容易实现倒装焊接，有利于器件的散热。
附图说明
图1(a)和图1(b)为本发明实施例中低发散角分布反馈量子级联激光器结构的三维和截面示意图；
图2(a)和图2(b)为本发明实施例中低发散角分布反馈量子级联激光器结构的表面扫描电子显微镜图和截面扫描电子显微镜图。
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。
本发明提供了一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构。图1示出了根据本发明实施例提出的低发散角分布反馈量子级联激光器的结构图，图1(a)为三维结构图，图1(b)为截面图。如图1所示，该结构包括：
一衬底1，该衬底1为InP衬底，掺杂浓度为1×1017-3×1017cm-3；
一下波导层2，该下波导层生长在该衬底1的正面，该波导层2的材料为n型InP，掺杂浓度为2×1016-4×1016cm-3，层厚为1-2μm；
一下光限制层3，该下光限制层生长在下波导层2上，下光限制层3的材料为n型InGaAs，掺杂浓度为2×1016-4×1016，层厚为0.3-0.5μm；
一有源区4，该有源层生长在下光限制层3上，该有源区4由20-60个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层对应的波长为2-12μm；
一上光限制层5，该上光限制层生长在该有源区4上，该上光限制层5的材料为InGaAs，该波导层5为n型掺杂，掺杂浓度为2×1016-4×1016，层厚为0.3-0.5μm；
一光栅层6，该光栅层制作于上光限制层5的上面并且该光栅层材料为InGaAs/InP，具有一级分布反馈结构；
一上波导层7，该上波导层生长在该光栅层6上，该上波导层7的材料为n型掺杂InP，上波导层7是通过先在光栅层6上生长层厚和掺杂浓度为2-3μm、2×1016-4×1016cm-3的低掺杂材料；再生长层厚为0.4-1μmInP、掺杂浓度为5×1018-1×1019cm-3的高掺杂材料；
一多孔区8，该多孔区制作于该上波导层7上表面的一端，即通过刻蚀上波导层7上表面一端形成多孔；该多孔区8由为InP和空气孔组成，多孔区的宽度为100-500μm，多孔区的长度为500-1000μm，该孔结构的直径为0.1-0.5μm，孔结构的深度为0.4-4μm；其中所述的下波导层2、下光限制层3、有源层4、上光限制层5、光栅层6和上波导层7的两侧为梯形斜面；
一二氧化硅层9，该二氧化硅生长在衬底的上表面和下波导层2、下光限制层3、有源层4、上光限制层5、光栅层6和上波导层7的两侧形成的梯形斜面上，及上波导层7上面两侧的边缘部分；
一正面金属电极层10，该正面金属电极生长在二氧化硅层9的上面、上波导层7未被二氧化硅覆盖的部分及多孔区8的上面；
一背面电极层11，该背电极层生长在衬底1的背面，形成低发散角分布反馈量子级联激光器结构。
请在参阅图1，本发明还提供了一种低发散角分布反馈量子级联激光器制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1上依次生长下波导层2、下光限制层3、有源区4、上光限制层5；
步骤2：上光限制层5表面匀胶后，通过双光束全息曝光法制备出一级分布反馈光栅的光刻胶图形；
步骤3：以光刻胶图形为掩膜，通过化学腐蚀制作出一级分布反馈光栅结构6；
步骤4：用丙酮、酒精和去离子水除去用于掩膜的光刻胶图形；
步骤5：利用金属有机化学气相沉积设备在光栅6表面二次外延上波导层7；
步骤6：通过化学气相沉积法在上波导层7上生长二氧化硅9；
步骤7：表面匀胶后通过光刻和湿法腐蚀的方法，将衬底上的下波导层2、下光限制层3、有源区4、上光限制层5、光栅层6和上波导层7的两侧腐蚀，形成梯形斜面的条形结构，待刻蚀的多孔区由于二氧化硅和光刻胶的保护并未腐蚀；
步骤8：用丙酮、酒精和去离子水除去光刻胶后重新匀胶，通过光刻和湿法腐蚀的方法除去上波导层7上表面一端待刻蚀的多孔区的二氧化硅；
步骤9：以二氧化硅为掩膜，利用电化学刻蚀的方法刻蚀多孔区8，此时在多孔区的表面将会形成本征的钝化层；
步骤10：除去用于掩膜的二氧化硅后利用化学气相沉积法重新在衬底的1上面和下波导层2、下光限制层3、有源区4、上光限制层5、光栅层6和上波导层7的两侧形成的梯形斜面上，上波导层7上面及多孔区8本征的钝化层上面生长二氧化硅，并利用光刻和湿法腐蚀的方法将上波导层7上中间区域的二氧化硅腐蚀掉；
步骤11：在二氧化硅层9的上面、上波导层未被二氧化硅覆盖的部分及多孔区8的上面生长正面电极10；
步骤12：将衬底背面减薄、抛光；
步骤13：在减薄后的衬底背面蒸发背金属电极11并进行合金，完成器件的制作。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明低发散角分布反馈量子级联激光器有了清楚的认识。
此外，上述对各元件、方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方法，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：
(1)用电子束曝光代替全息曝光进行一级分布反馈光栅的制作；
(2)用氮化硅代替二氧化硅作为电化学刻蚀工艺的掩膜材料；
以下详细说明上述所提供的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构的设计依据。
电化学刻蚀形成的多孔InP/空气区域具有高阻特征，不能进行有效的电注入，因此多孔区域的有源区并不发光，而只承担了光束的调制角色。分布反馈量子级联激光器发出的单模光束经过多孔区后因受到强烈的散射作用而使光束的传播方向发生了改变。通常，为了实现器件的室温连续工作，有源区的平均脊宽必须在波长量级，那么由衍射极限所决定的水平波导方向的远场发散角将会比较大，一般为20-40°。在激光器的腔面附近制作具有一定尺寸的多孔结构后，光束在传播过程中一定会受到多孔区的调制作用。电化学刻蚀制作的多孔的深度可以达到几十微米的量级，而多孔的直径仅为百纳米的量级，如图2(a)和(b)所示。光束在多孔区会受到强烈的散射作用，部分光束的传播方向将要改变。光在中红外波段的散射距离有数百微米，因此器件的有效发光面积得到了扩展，光束的波前得到了整形，远场发散角将会得到改善。此外，半导体的电化学刻蚀过程基本不会引入额外的波导损耗，也就不会影响器件的连续波工作。
综上所述，本发明提供了一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构及制作方法。该方法采用多孔结构对边发射分布反馈量子级联激光器的进行光束整形，既减小了波导方向的发散角又没有引入额外的波导损耗。
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 (18)
1.一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，包括：
一衬底；
一下波导层，该下波导层生长在该衬底正面；
一下光限制层，该下光限制层生长在下波导层上；
一有源区，该有源区生长在下光限制层上；
一上光限制层，该上光限制层生长在该有源区上；
一光栅层，该光栅层制作于上光限制层的上；
一上波导层，该上波导层生长在该光栅层上；
一多孔区，该多孔区制作于该上波导层上；其中，所述的下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧为梯形斜面；
一二氧化硅层，该二氧化硅生长在衬底正面未被下波导层覆盖的部分和下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧形成的梯形斜面上，以及上波导层上面两侧的边缘部分；
一正面金属电极层，该正面金属电极生长在二氧化硅层的上面、上波导层未被二氧化硅覆盖的部分及多孔区的上面；
一背面电极层，该背电极层生长在衬底的背面。
2.如权利要求1所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的衬底为InP衬底，掺杂浓度为1×1017-3×1017cm-3。
3.如权利要求1所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的下波导层的材料为InP，该波导层为n型掺杂，掺杂浓度为2×1016-4×1016cm-3，层厚为1-2μm。
4.如权利要求1所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的下光限制层的材料为InGaAs，该下光限制层为n型掺杂，掺杂浓度为2×1016-4×1016，层厚为0.3-0.5μm。
5.如权利要求1所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的有源区由20-60个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源区对应的波长为2-12μm。
6.如权利要求1所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的上光限制层的材料为InGaAs，该上光限制为n型掺杂，掺杂浓度为2×1016-4×1016，层厚为0.3-0.5μm。
7.如权利要求1所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的光栅层的材料为InGaAs/InP。
8.如权利要求1所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的上波导层的材料为InP，该波导层为n型掺杂，且为先生长低掺杂材料，层厚为2-3μm，浓度为2×1016-4×1016cm-3，再生长高掺杂材料，且层厚为0.4-1μm，浓度为5×1018-1×1019cm-3。
9.如权利要求1所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的多孔区由为InP/空气组成，多孔区的宽度为100-500μm，长度为500-1000μm，孔结构的直径为0.1-0.5μm，深度为0.4-4μm。
10.一种低发散角分布反馈量子级联激光器制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上依次生长下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层；
步骤2：上光限制层表面匀胶后，通过双光束全息曝光法制备出一级分布反馈光栅的光刻胶图形；
步骤3：以光刻胶图形为掩膜，通过化学腐蚀制作出一级分布反馈光栅结构；
步骤4：除去用于掩膜的光刻胶图形；
步骤5：利用金属有机化学气相沉积设备在光栅表面二次外延上波导层；
步骤6：通过化学气相沉积法在上波导层上生长二氧化硅；
步骤7：表面匀胶后通过光刻和湿法腐蚀的方法，将衬底上的下波导层、下光限制层、有源层、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧进行腐蚀，形成梯形斜面的条形结构；
步骤8：除去光刻胶后重新匀胶，通过光刻和湿法腐蚀的方法除去待刻蚀的多孔区的二氧化硅；
步骤9：以二氧化硅为掩膜，利用电化学刻蚀的方法刻蚀多孔区，并在多孔区的表面将会形成本征的钝化层；
步骤10：除去用于掩膜的二氧化硅后利用化学气相沉积法重新在衬底正面未被下波导层覆盖的部分和下波导层、下光限制层、有源层、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧形成的梯形斜面上，上波导层上面及多孔区本征的钝化层上面生长二氧化硅，并利用光刻和湿法腐蚀的方法将上波导层上中间的二氧化硅腐蚀掉；
步骤11：在二氧化硅层的上面、上波导层未被二氧化硅覆盖的部分及多孔区的上面生长正面电极；
步骤12：将衬底背面减薄、抛光；
步骤13：在减薄后的衬底背面蒸发背金属电极并进行合金，完成器件的制作。
11.如权利要求10所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的衬底为InP衬底，掺杂浓度为1×1017-3×1017cm-3。
12.如权利要求10所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的下波导层的材料为InP，该波导层为n型掺杂，掺杂浓度为2×1016-4×1016cm-3，层厚为1-2μm。
13.如权利要求10所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的下光限制层的材料为InGaAs，该下光限制层为n型掺杂，掺杂浓度为2×1016-4×1016，层厚为0.3-0.5μm。
14.如权利要求10所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的有源区由20-60个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源区对应的波长为2-12μm。
15.如权利要求10所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的上光限制层的材料为InGaAs，该上光限制层为n型掺杂，掺杂浓度为2×1016-4×1016，层厚为0.3-0.5μm。
16.按权利要求10所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的光栅层的材料为InGaAs/InP，该光栅层制作于上光限制层的上面并且具有一级分布反馈结构。
17.如权利要求10所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的上波导层的材料为InP，该波导层为n型掺杂，层厚和掺杂浓度按生长顺序依次为2-3μm低掺InP，浓度2×1016-4×1016cm-3；0.4-1μm高掺InP，浓度为5×1018-1×1019cm-3。
18.如权利要求10所述的一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，其中所述的多孔区由为InP/空气组成，多孔区的宽度为100-500μm，长度为500-1000μm，孔结构的直径为0.1-0.5μm，深度为0.4-4μm。
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