CN103545712A

CN103545712A - 带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器及制作方法

Info

Publication number: CN103545712A
Application number: CN201310520575.1A
Authority: CN
Inventors: 胡永正; 刘峰奇; 王利军; 张锦川; 赵立华; 王占国
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2014-01-29

Abstract

一种带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器，包括：一衬底；一下波导层生长在衬底的中间部位；一量子级联有源区结构生长在下波导层上；一掩埋光栅层生长在量子级联有源区结构上；一低掺层生长在掩埋光栅层上；一高掺层生长在低掺层的中间部位；一多孔结构生长在低掺层上，及高掺层的两侧；一电注入窗口覆盖高掺层和高掺层两侧的部分多孔结构，暴露出多孔结构两端的部分区域；一电绝缘层生长在衬底暴露的部分上面，及下波导层、量子级联有源区结构、掩埋光栅层、低掺层、多孔结构的两侧，并覆盖多孔结构两端暴露的上表面，形成基片；一正面电极制作在电绝缘层上，并覆盖基片的上表面；一背面电极制作在衬底的背面。

Description

带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器及制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，尤其是指带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器及制作方法。

背景技术

波长3μm-14μm中远红外波段是非常重要的大气窗口，工作在这个波段的激光器和探测器在通信、气体探测、医疗、环保、军事追踪的方面都有着十分广阔的应用前景。高质量的光谱(单模窄线宽)对这些应用非常重要。1994年，贝尔实验室成功研制出第一只量子级联激光器，不同于常规的半导体激光器，这种量子级联有源区结构的激光器通过选择材料和调节量子阱厚度来改变激射波长。

在实际使用领域，普遍要求激光器具单模激射和有较小的出射发散角，但是由于量子级联激光器的普通F-P腔常是多模，而且由于有源区很薄，仅仅为几个微米量级，激射波长又处于中红外波段，故而发散角一般大于50°，大大影响了量子级联激光器的实际应用。

本发明提出的带有分布反馈光栅和多孔波导的宽脊单模量子级联激光器，工艺简单，技术可靠，可以发射单模，窄发散角的激光。

发明内容

针对上述量子级联激光器目前在应用方面存在的缺点，本发明提供了一种带有分布反馈光栅和多孔波导的宽脊单模量子级联激光器及其制作方法，具体制作工艺简单便捷、可发射单模，窄发散角的激光。本发明的结构新颖、简单，整个制作过程具有工艺简单，仪器设备低等特点。

本发明提供.一种带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器，包括：

一衬底；

一下波导层，该下波导层生长在衬底的中间部位，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上；

一掩埋光栅层，其生长在量子级联有源区结构上；

一低掺层，其生长在掩埋光栅层上；

一高掺层，该高掺层生长在低掺层的中间部位；

一多孔结构，其生长在低掺层上，及高掺层的两侧；

一电注入窗口，其覆盖高掺层和高掺层两侧的部分多孔结构，暴露出多孔结构两端的部分区域；

一电绝缘层，其生长在衬底暴露的部分上面，及下波导层、量子级联有源区结构、掩埋光栅层、低掺层、多孔结构的两侧，并覆盖多孔结构两端暴露的上表面，形成基片；

一正面电极，该正面电极制作在电绝缘层上，并覆盖基片的上表面；

一背面电极，该背面电极制作在衬底的背面。

本发明还提供一种带有分布反馈光栅和多孔波导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次生长下波导层、量子级联有源区结构和上波导层，形成器件结构；

2)在上波导层上通过全息曝光，腐蚀工艺，形成掩埋光栅层；

3)利用金属有机化合物气相沉积方法，在器件结构上二次外延，在掩埋光栅层上生长低掺层和高掺层；

4)采用电化学腐蚀方法，在高掺层的两侧腐蚀出多孔结构；

5)通过光刻、湿法腐蚀工艺，在器件结构两侧腐蚀掉部分下波导层2、量子级联有源区结构、掩埋光栅层、低掺层和多孔结构，形成双沟脊型波导结构；

6)在双沟脊型波导结构上沉积电绝缘层；

7)通过光刻、刻蚀电绝缘层上表面，在电绝缘层的中间开出电注入窗口；

8)在电绝缘层上沉积正面电极；

9)将衬底减薄；

10)在减薄后的衬底背面上生长背面电极，退火；

11)解理，完成制作。

本发明的有益效果是，制作工艺简单便捷、可发射单模，窄发散角的激光。本发明的结构新颖、简单，整个制作过程具有工艺简单，仪器设备低等特点。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中：

图1带有分布反馈光栅和多孔波导的宽脊单模量子级联激光器截面示意图；

图2是本发明的制备流程图；

图3脊宽40μm，带有分布反馈光栅和多孔波导的宽脊单模量子级联激光器光谱特性曲线；

图4脊宽40μm，带有分布反馈光栅和多孔波导的宽脊单模量子级联激光器远场特性曲线；

其中：1，衬底、2，下波导层、3，量子级联有源区结构、4，掩埋光栅层、5，低掺层、6，高掺层、7，多孔结构、8，电注入窗口、9，电绝缘层、10，正面电极、11，背面电极

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器，包括：

一衬底1，该衬底1为n型掺杂的InP衬底，掺杂浓度为1-3×10¹⁷cm³，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1有利于多孔结构7的形成；

一下波导层2，该下波导层2生长在衬底1的中间部位，形成脊型双沟台面结构，该下波导层2为低掺的InGaAs层，掺杂浓度为10¹⁶cm^-3量级，厚度为300nm；

一量子级联有源区结构3，该量子级联有源区结构3生长在下波导层2上，该量子级联有源区结构3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个部分，一部分是用来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级载流子的注入、子带间跃迁、辐射光子，激射波长在所设计的需要范围内；

一掩埋光栅层4，其生长在量子级联有源区结构3上，所述的掩埋光栅层4为一级掩埋光栅；

一低掺层5，其生长在掩埋光栅层4上，掺杂浓度为10¹⁶cm^-3量级，厚度为2000nm-2800nm；

一高掺层6，该高掺层6生长在低掺层5的中间部位，所示高掺层6的宽度为10μm，该高掺层6两侧的多孔结构7的宽度相同，宽度为15-25μm，掺杂浓度为10¹⁸cm^-3量级，厚度为500nm-1000nm；

一多孔结构7，其生长在低掺层5上，及高掺层6的两侧，该多孔结构7为材料生长方向一致的多孔状结构，多孔结构7的孔径为40-210nm；

一电注入窗口8，其覆盖高掺层6和高掺层6两侧的部分多孔结构7，暴露出多孔结构7两端的部分区域；

一电绝缘层9，其生长在衬底1暴露的部分上面，及下波导层2、量子级联有源区结构3、掩埋光栅层4、低掺层5、多孔结构7的两侧，并覆盖多孔结构7两端暴露的上表面，形成基片，该电绝缘层9通常选用的介质为二氧化硅，厚度在300nm-400nm之间；

一正面电极10，该正面电极10制作在电绝缘层9上，并覆盖基片的上表面；

一背面电极11，该背面电极11制作在衬底1的背面。

请参阅图2并结合参阅图1，本发明提供一种带有分布反馈光栅和多孔波导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1上利用分子束外延方法依次生长下波导层2、量子级联有源区结构3和上波导层4’，形成器件结构；

2)在上波导层4’上通过全息曝光，腐蚀工艺，形成掩埋光栅层4，所述掩埋光栅层4的全息曝光时间为70sec90see，腐蚀深度为100nm140nm，腐蚀溶液体积比H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O=1∶1∶6，该掩埋光栅层4为一级掩埋光栅；

3)利用金属有机化合物气相沉积方法，在器件结构上二次外延，在掩埋光栅层4上生长低掺层5和高掺层6，该高掺层6的宽度为10μm，该高掺层6两侧的多孔结构7的宽度相同，宽度为1525μm；

4)采用电化学腐蚀方法，在高掺层6的两侧腐蚀出多孔结构7，所述多孔结构7是通过电化学腐蚀的恒压模式产生，电压恒定为5V，该多孔结构7为材料生长方向一致的多孔状结构，多孔结构7的孔径为40-210nm，该多孔结构7的制作，腐蚀温度低于10℃，腐蚀时间为400ms-500ms，腐蚀溶液体积比HNO₃∶HCL∶H₂O=9∶50∶550，该多孔结构7的电化学腐蚀完以后，将完成制作的基片在湿法腐蚀液HNO₃∶HBr∶H₂O=1∶1∶10中腐蚀处理5s，以去除表面难导电的钝化层，便于与正面电极10形成有效的欧姆接触；

5)通过光刻、湿法腐蚀工艺，在器件结构两侧腐蚀掉部分下波导层2、量子级联有源区结构3、掩埋光栅层4、低掺层5和多孔结构7，形成双沟脊型波导结构；

6)在双沟脊型波导结构上沉积电绝缘层9；

7)通过光刻、刻蚀电绝缘层9上表面，在电绝缘层9的中间开出电注入窗口8；

8)在电绝缘层9上沉积正面电极10；

9)将衬底1减薄至90μm-110μm；

10)在减薄后的衬底1背面上生长背面电极11，通过合金化，高温快速热退火与衬底1形成良好的欧姆接触；

11)解理，把解理好的管芯烧结在镀铟的无氧铜热沉上，完成制作。

请参阅图3、图4。图3所示为脊宽40μm，带有分布反馈光栅和多孔波导的宽脊单模量子级联激光器光谱特性；图4所示为脊宽40μm，带有分布反馈光栅和多孔波导的宽脊单模量子级联激光器光谱特性远场特性。

虽然已经结合具体实例描述了本发明，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范围内的替换、修改和变化。

Claims

1.一种带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器，包括：

一衬底；

一掩埋光栅层，其生长在量子级联有源区结构上；

一低掺层，其生长在掩埋光栅层上；

一高掺层，该高掺层生长在低掺层的中间部位；

一多孔结构，其生长在低掺层上，及高掺层的两侧；

一背面电极，该背面电极制作在衬底的背面。

2.如权利要求1所述的带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器，其中所述的掩埋光栅层为一级掩埋光栅。

3.如权利要求1所述的带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器，其中多孔结构为材料生长方向一致的多孔状结构，多孔结构的孔径为40-210nm。

4.如权利要求1所述的带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器，其中高掺层的宽度为10μm，该高掺层两侧的多孔结构的宽度相同，宽度为1525μm。

5.一种带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器的制作方法，该方法包括以下步骤：

4)采用电化学腐蚀方法，在高掺层的两侧腐蚀出多孔结构；

6)在双沟脊型波导结构上沉积电绝缘层；

8)在电绝缘层上沉积正面电极；

9)将衬底减薄；

10)在减薄后的衬底背面上生长背面电极，退火；

11)解理，完成制作。

6.如权利要求5所述的带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器的制作方法，其中所述掩埋光栅层的全息曝光时间为70sec-90sec，腐蚀深度为100nm-140nm，腐蚀溶液体积比H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O=1∶1∶6，该掩埋光栅层为一级掩埋光栅。

7.如权利要求5所述的带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器的制作方法，其所述多孔结构是通过电化学腐蚀的恒压模式产生，电压恒定为5V，该多孔结构为材料生长方向一致的多孔状结构，多孔结构的孔径为40-210nm。

8.如权利要求7所述的带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器的制作方法，其中多孔波导结构的制作，腐蚀温度低于10℃，腐蚀时间为400ms500ms，腐蚀溶液体积比HNO₃∶HCL∶H₂O=9∶50∶550。

9.如权利要求8所述的带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器的制作方法，其中多孔波导结构的电化学腐蚀完以后，将完成制作的基片在湿法腐蚀液HNO₃∶HBr∶H₂O=1∶1∶10中腐蚀处理5s，以去除表面难导电的钝化层，便于与正面电极形成有效的欧姆接触。

10.如权利要求5所述的带有分布反馈光栅和多孔波导量子级联激光器的制作方法，其中高掺层的宽度为10μm，该高掺层两侧的多孔结构的宽度相同，宽度为1525μm。