CN103715607B - 一种可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，包括：衬底；衬底上表面依次生长的下波导层、下限制层、有源区、上限制层、上波导层、盖层以及高掺层；阵列器件，其包含多个DFB激光器单元，每个DFB激光器单元具有脊型波导结构，脊上面的高掺层上具有二级取样布拉格光栅结构，不同布拉格光栅具有不同取样周期；二氧化硅层，覆盖整个脊型波导结构的表面区域；正面电极层，生长在二氧化硅层上面及布拉格光栅上面；电隔离沟，位于阵列器件中两个相邻的DFB激光器的脊型波导结构之间；背面金属电极层，生长在衬底的下表面；出光窗口，位于衬底的下表面，阵列器件中的每个DFB激光器单元的脊型波导均对应一个出光窗口。
Description
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衬底发射量子级联阵列器件，更具体而言，是基于取样布拉格光栅技术制备的二级分布反馈量子级联激光器阵列衬底发射器件。
背景技术
量子级联激光器(QCL)是一种基于电子的共振隧穿及子带跃迁的新型半导体激光器，其波长可以覆盖3～24um的波段，这一波段覆盖了诸如CO2、CO、SO2、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。
要进行环境中多种气体的同时探测，QCL需要满足两方面的特点：其一为单模；其二为波长可调谐；针对以上两方面的需求，科学家给出了很多种解决方案：普通DFB激光器[C.Gmachl，A.Straub，R.Colombelli，F.Cappasso，et.al，IEEEJ.QuantumElectron.38，569(2002)]能够实现单模输出，但调谐范围有限；外腔量子级联激光器[R.Maulini，M.Beck，J.Faist，andE.Gini，Appl.Phys.Lett.84，1659(2004)]可以实现室温脉冲宽调谐的目的，但是外腔QCL系统复杂，对于光学器件、准直光路有很高的要求，成本高，不利系统小型化和产业化；尽管常规边发射DFB-QCL阵列器件[BenjaminG.Lee，MikhailA.Belkin，ROssAudet，et.al，Appl.Phys.Lett91，233301(2007)]可以单片集成多个不同光栅周期的DFB激光器，从而实现单模、宽调谐的目的，但其仍然存在光束质量不高，远场发散角比较大的本征性缺点，从而极大影响了量子级联激光器的实际应用。
面发射QCL阵列器件可以实现单片集成多个面发射分布反馈量子级联激光器单元，其中每个单元的脊波导中具有不同取样光栅周期，从而实现不同波长激光的单模激射，达到宽调谐的目的。面发射量子级联激光器具有远场发散角小和单模工作的优点，十分有利于将激光器耦合进光学系统等实际应用，而且衬底面发射器件能够采用倒焊的方式，加强了激光器散热能力，更有利于实现室温连续工作。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述一个问题或多个问题，本发明提供一种可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，可以实现单片集成多个不同波长的面发射DFB单元，同时采用阵列器件倒焊技术，不仅能够实现QCL单模、可调谐的特点，而且能够提供室温连续工作的低发散角、高质量光束衬底发射QCL光源。
本发明提供一种可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其特征在于，包括，
一衬底，其上依次生长有下波导层、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；
一阵列器件，其包含多个DFB激光器单元，每个DFB激光器单元具有脊型波导结构，脊两侧的双沟腐蚀至有源区的下表面，脊上面的高掺层上刻蚀有二级布拉格取样光栅结构，不同DFB激光器单元脊型波导结构上面的二级布拉格取样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所述二级布拉格取样光栅上面；
一电隔离沟，其位于阵列器件两个相邻的DFB激光器单元的脊型波导之间；
一背面金属电极层，其生长在在衬底的下表面；
一出光窗口，其位于衬底下表面未被背面金属电极层覆盖的位置，每个DFB激光器单元的脊型波导均对应一个出光窗口；
其中，阵列器件前后腔面蒸镀高反膜，形成完整的量子级联激光器阵列器件。
本发明将能够发射不同波长的单模面发射QCL阵列单元集成为一个器件，同时采用倒焊的工艺，不仅能够保证器件的单模、可调谐及高质量的光束特点，而且还可以实现阵列器件的室温连续工作，从而能够为气体探测的应用提供高质量的QCL光源。
本发明提出的上述阵列器件，可以简化阵列器件的制备工艺，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，可以实现器件的单模、宽调谐的目的。同时上述器件设计为衬底面发射，将倒装焊技术引入其中，可以获得室温连续工作的QCL阵列器件。
附图说明
图1为本发明中可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件的示意图；
图2为本发明中为制备二级布拉格取样光栅结构所使用的取样光刻版示意图。
图3为本发明中高掺层上二级布拉格取样光栅结构沿腔长方向的横截面示意图。
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。
图1示出了本发明提供的可调谐衬底发射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侧视图。如图1所示，该激光器阵列器件包括：
一衬底101，其上表面依次生长有下波导层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、高掺层108；
一阵列器件，该阵列器件包含多个DFB激光器单元，每个DFB激光器单元具有一个脊型波导结构115，脊两侧的双沟118腐蚀至有源区104的下表面之下，脊上面的高掺层108上刻蚀有二级布拉格取样光栅结构，阵列器件中不同DFB激光器阵列单元的脊型波导上的二级布拉格取样光栅具有不同的取样周期。
图2示出了本发明实施例中使用的取样光刻版掩模的形貌示意图。如图2所示，从右到左的取样周期依次为：Z1，Z2，Z3，Z4，Z5。
一二氧化硅层109，其覆盖了整个脊型波导结构的表面区域；
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上二级布拉格取样光栅的上面，正面电极层110上进行电镀金加厚，得到电镀金层111；
一电隔离沟114，其位于阵列器件中两个相邻的DFB激光器单元的脊型波导之间，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112，其生长在衬底101的下表面；
一出光窗口113，其位于衬底101的下表面，阵列器件中每个DFB激光器单元的脊型波导均对应一个出光窗口，且出光窗口上没有金属电极层112覆盖，如图1中的C所示。
其中，阵列器件前后腔面蒸镀高反膜，形成完整的量子级联激光器阵列器件。
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。该实施例中提出了中心波长为7.55um可调谐分布反馈量子级联激光器阵列器件，其包括：
一InP衬底101(n型掺杂，掺杂浓度为3×1017cm-3)；
一InP下波导层102(n型掺杂，掺杂浓度为3×1016cm-3，掺杂厚度为1.34um)
一InGaAs下限制层103(n型掺杂，掺杂浓度为4×1016cm-3，掺杂厚度0.3um)，下限制层103上依次生长有30级InGaAs/InAlAs有源区104(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，掺杂浓度为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，掺杂浓度为1×1017～3×1017cm-3，掺杂厚度为0.15um)；其中，上限制层可选为n型In0.52Ga0.48As。
一InP高掺层108(n型掺杂，掺杂浓度5×1018cm-3，厚度为0.4um)生长在梯度掺杂盖层107的上面。
一脊型波导结构115，其发光区宽度为14um，即有源区104上边缘的横向宽度，该阵列器件包含多个DFB激光器单元，每个DFB激光器单元具有脊型波导结构，脊两侧的双沟118腐蚀至有源区104的下表面之下，脊上面的高掺层108上为二级布拉格取样光栅结构，阵列器件中不同DFB激光器阵列单元的脊型波导上的取样布拉格光栅具有不同的取样周期；
一二氧化硅层109，其覆盖了整个脊型波导区域，所述的二氧化硅层厚度为450nm；
一正面电极层110，其生长在二氧化硅层109的上表面及高掺层上二级布拉格取样光栅的上面，电极层为Ti/Au，其厚度分别为：40nm/250nm，所述的正面电极层110进行电镀金加厚，形成电镀Au层111，其厚度4um)；
一电隔离沟114，其位于阵列中两个DFB激光器单元之间，隔离沟宽度为21～50um；
一背面金属电极层112，其生长在衬底101的下面，所述金属电极层为AuGeNi，其厚度为200nm，背面金属电极层112上与每个DFB激光器单元的脊型波导垂直相对应的区域腐蚀出光发射窗口113，光发射窗口为矩形，所述的矩形的长度方向平行于激光器的腔长方向，矩形的宽度为发光区宽度的10倍，即140um，沿腔长方向与脊宽方向尺寸分别为2.5mm×140um，如图1中的C所示。
其中，所述器件的前后腔面分别蒸镀高反膜，所述的高反膜组分为Al2O3/Ti/Au/Al2O3，其厚度分别为：200/10/100/200nm，反射率95％以上。形成完整的量子级联激光器阵列。
可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件高掺层上的二级布拉格取样光栅结构的设计原理与方法。
二级布拉格取样光栅的设计原理如下面两个公式所述：
2neffΛ＝2λ0(1)
Δλ＝λ+1-λ0＝λ0 2/(2neffZ)(2)
λ0由全息曝光得到的光栅决定，λ+1由取样光栅决定，Δλ为其两者之差。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二级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)中给出了普通二级DFB光栅制备依据，λ0对应DFB布拉格光栅，neff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λ+1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。
参照附图2所示，本发明中，对于波长～7.55um的阵列器件，将λ0设计在7.30um，有效折射率取为3.17，从而Λ为2.31um，取样周期依次设计为38.20um、35.75um33.62um、31.72um、30.00um、28.50um，可以实现波长从7.52um～7.60um均匀的波长调谐。
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)
1.一种可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其特征在于，包括，
一衬底，其上依次生长有下波导层、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；
一阵列器件，其包含多个DFB激光器单元，每个DFB激光器单元具有脊型波导结构，脊两侧的双沟腐蚀至有源区的下表面，脊上面的高掺层上刻蚀有二级布拉格取样光栅结构，不同DFB激光器单元脊型波导结构上面的二级布拉格取样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所述二级布拉格取样光栅上面；
一电隔离沟，其位于阵列器件两个相邻的DFB激光器单元的脊型波导之间；
一背面金属电极层，其生长在衬底的下表面；
一出光窗口，其位于衬底下表面未被背面金属电极层覆盖的位置，每个DFB激光器单元的脊型波导均对应一个出光窗口；
其中，阵列器件前后腔面蒸镀高反膜，形成完整的量子级联激光器阵列器件；
其中，所述二级布拉格取样光栅结构如下形成：先制备普通二级DFB光栅掩模图形；第二步，在第一步的普通DFB光栅掩模图形的基础上采用取样光刻板进行采样曝光，获得所述二级布拉格取样光栅结构的掩膜图形；所述二级布拉格取样光栅结构的设计原理遵循如下公式：
2neffΛ＝2λ0(1)
Δλ＝λ+1-λ0＝λ0 2/(2neffZ)(2)
其中，λ0为所述普通二级DFB光栅的波长，neff为波导区有效折射率，Λ为普通二级DFB光栅周期；λ+1为所述取样光栅的波长，Z为取样光栅的取样周期。
2.按权利要求1所述的可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其中所述的衬底为n型InP衬底，掺杂浓度为3×1017cm-3。
3.按权利要求1所述的可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其中所述的上限制层为n型In0.52Ga0.48As，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为300nm。
4.按权利要求1所述的可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，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，该梯度掺杂盖层厚度为150nm。
5.按权利要求1所述的可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其中所述的高掺层材料为n型InP，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为400nm。
6.按权利要求1所述的可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其中所述的电隔离沟，其宽度为21～50um。
7.按权利要求1所述的可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其中所述的出光窗口，其形状为矩形，所述的矩形的长度方向平行于激光器的腔长发向，矩形的宽度为对应脊型波导结构中脊宽的10倍。
8.按权利要求1所述的可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其中所述的阵列器件前后腔面蒸镀高反膜，高反膜为Al2O3/Ti/Au/Al2O3＝200/10/100/200nm，反射率为95％以上。
9.按权利要求8所述的可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其中，所述高反膜是采用电子束蒸发的方法蒸镀在阵列器件的后腔面的。
10.按权利要求1所述的可调谐衬底发射量子级联激光器阵列器件，其中，正面电极层上进行电镀金加厚，得到电镀金层。
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