CN106451074B - 一种波导优化的掩埋异质结量子级联激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波导优化的掩埋异质结量子级联激光器结构。所述器件结构包括：一衬底(01)；一下波导包层(02)；一下限制层(03)；一级联结构有源区(04)；一上限制层(05)；一上波导包层(06)；一接触层(07)；一横向分别限制层(08)；一半绝缘InP层(09)；一SiO2钝化层(10)；一正面电极(11)；一背面电极(12)。其中横向分别限制层(08)由掺Fe的半绝缘InGaAs构成，其厚度因激光器脊宽和激射波长的不同而不同。从接触层(07)到下波导包层(02)刻蚀出双沟窄脊台面，在双沟中填入半绝缘InP，为有源区提供横向散热通道；正面电极(11)与接触层(07)形成欧姆接触用于电注入，背面电极(12)与衬底(01)形成欧姆接触用于另一电注入。

Description

一种波导优化的掩埋异质结量子级联激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种超低功耗的低阈值电流的掩埋异质结量子级联激光器结构及其设计思想。
背景技术
量子级联激光器(QCL)是目前唯一能够实现室温连续波工作的红外半导体激光器光源，由于独特的子带间跃迁机制，激射波长范围可覆盖中、远红外至太赫兹波段。器件具有大功率、小型化等优点，在自由空间通信、远距离化学检测、军事反制导乃至深空探测等方面具有重要应用前景。利用掩埋异质结的量子级联激光器结构，能够大大改善QCL的散热性能，同时能够减小由钝化层造成的光学波导损耗，提高激射效率。
目前的量子级联激光器波导结构设计多通过增加上下限制层，降低光模式在纵向波导结构的损耗，极少分析并增强横向光场的限制，从而导致了较小的光场限制因子，尤其是在低功耗窄脊器件中，这将大大增加激光器阈值电流，降低激光器电光转化效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对量子级联激光器光场限制因子小、阈值电流高的问题，本发明提出了一种波导优化的掩埋异质结量子级联激光器。在腐蚀出双沟的量子级联激光器结构中，先生长一层由掺Fe半绝缘InGaAs构成的横向分别限制层，利用其与半绝缘InP层之间的高折射率差，增强横向光场的限制，并利用有限元方法计算分析了不同InGaAs层厚度对横向光场限制因子的影响。脊宽越小时，插入InGaAs层对光场限制因子的改善越明显。这一结果对超低功耗窄脊量子级联激光器的制备具有重要意义。
(二)技术方案
本发明提出了一种波导优化的掩埋异质结量子级联激光器，包括：衬底，衬底之上依次为下波导包层、下限制层、级联结构有源区、上限制层、上波导包层及接触层，在接触层与下波导包层之间存在双沟窄脊台面，双沟中填入半绝缘InP层，为有源区提供散热通道；在其特征在于，还包括
横向分别限制层，位于双沟的底部，半绝缘InP层的下方，用于增强横向光模式限制。
其中，所述的波导优化的掩埋异质结量子级联激光器，还包括SiO2钝化层，置于包覆整个台面，起电绝缘作用，留有电注入窗口；一正面电极，均匀制备在SiO2钝化层之上，窗口区域与接触层接触；一背面电极，均匀制备在衬底背面。
其中，所述的横向分别限制层内填充材料为高折射率半绝缘材料，该高折射率半绝缘材料包括但不限于掺Fe的半绝缘InGaAs，其厚度因激光器脊宽和激射波长的不同而不同，并且有效折射率高于有源区。
其中，所述横向分别限制层内填充的材料为掺Fe的半绝缘InGaAs时，该掺Fe的半绝缘InGaAs的厚度可为0～120nm。
其中，该掺Fe的半绝缘InGaAs的厚度可为50nm。
其中，所述的上限制层及下限制层为折射率高于有源区的材料，增大了与波导包层的折射率差，提高了光场限制因子，上限制层及下限制层厚度在一个真空波长范围内且厚度一致。
其中，预留的电注入窗口为3μm电极窗口，在所述的电极窗口制备N型正面电极，在衬底的背面制备N型背面电极，解离管芯，倒装焊在热沉上，从而制作成量子级联激光器。
其中，所述的波导优化掩埋异质结量子级联激光器，可在各波段各种类型的半导体量子级联激光器中应用。
(三)有益效果
本发明亮点在于首次提出横向分别限制层，并将其应用于量子级联激光器波导优化结构中，增大掩埋异质结量子级联激光器的光场限制因子，在不影响横向热导率的情况下，降低激光器的阈值电流，为制备窄脊超低功耗量子级联激光器提供新的方法与思路。
附图说明
图1是波导优化的掩埋异质结量子级联激光器平行于出光腔面的截面示意图；
图2横向分别限制层对基横模腔面光场分布影响对比图；
图3(a)不同脊宽下插入InGaAs层对横向光场限制因子影响，(b)脊宽为2.5μm时，插入不同厚度InGaAs层的横向光场限制因子的模拟图。
附图1标记说明：
01衬底，能够导电，一般为N型InP衬底；
02下波导包层，通过折射率差对光场进行有效的限制；
03下限制层，提高有源区有效折射率，增大与波导包层的折射率差，用于增强光模式限制；
04级联结构有源区，器件发光区域，可以是各种半导体带间、子带间发光的级联有源区结构；
05上限制层，作用同下限制层，用于增强光模式限制；
06上波导包层，作用同下波导包层，限制光场；
07接触层，高掺杂材料，易与上电极形成欧姆接触，用于电注入；
08横向分别限制层，由掺Fe的InGaAs构成，其厚度因激光器脊宽和激射波长的不同而不同。有效折射率高于有源区，用于增强横向光模式限制；
09半绝缘InP层，一方面起电绝缘作用，另一方面用于横向热传导，增强器件有源区散热；
10SiO2钝化层，包覆整个台面，起电绝缘作用，留有电注入窗口；
11正面电极，均匀制备在SiO2钝化层之上，窗口区域与接触层接触；
12背面电极，均匀制备在衬底背面，用于另一电极注入；。
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。
本发明为一种波导优化的掩埋异质结量子级联激光器，包括：衬底，衬底之上依次为下波导包层、下限制层、级联结构有源区、上限制层、上波导包层、接触层，在接触层与下波导包层之间存在双沟窄脊台面，双沟中填入半绝缘InP层，为有源区提供散热通道，还包括横向分别限制层，位于双沟的底部，半绝缘InP层的下方，用于增强横向光模式限制。
图1中给出了本发明波导优化的掩埋异质结量子级联激光器平行于出光腔面的截面示意图。如图1所示，该器件包括：
一衬底01，能够导电，一般为N型InP衬底；
一下波导包层02，通过折射率差对光场进行有效的限制；
一下限制层03，提高有源区有效折射率，增大与波导包层的折射率差，用于增强光模式限制；
一级联结构有源区04，器件发光区域，可以是各种半导体带间、子带间发光的级联有源区结构；
一上限制层05，作用同下限制层，用于增强光模式限制；
一上波导包层06，作用同下波导包层，限制光场；
一接触层07，高掺杂材料，易与上电极形成欧姆接触，用于电注入；
一横向分别限制层08，由掺Fe的InGaAs构成，其厚度因激光器脊宽和激射波长的不同而不同。有效折射率高于有源区，用于增强横向光模式限制；
一半绝缘InP层09，一方面起电绝缘作用，另一方面用于横向热传导，增强器件有源区散热；
一SiO2钝化层10，包覆整个台面，起电绝缘作用，留有电注入窗口；
一正面电极11，均匀制备在SiO2钝化层之上，窗口区域与接触层接触；
一背面电极12，均匀制备在衬底01背面。
图2中给出了横向分别限制层对基横模腔面光场分布影响。对于不同的波段以及不同的脊宽，选择不同厚度的InGaAs横向分别限制层，能够实现对光模式的强限制作用。光模式限制强度大小取决于横向分别限制层与有源区的有效折射率差值以及横向分别限制层的厚度。此外，过厚的InGaAs横向限制层会降低激光器横向热导率，影响有源区的散热性能，增大激光器的阈值电流。故横向限制层的厚度需要综合考虑激射波长、模式限制、热导率影响以及技术可行性。
下面描述一个简单实例的实施过程，使本发明的实施过程更为清晰明了。实例为一个波长4.5μm，波导优化的掩埋异质结量子级联激光器的具体结构参数及其设计思想。
一n型InP衬底，衬底掺杂浓度3E17cm-3，厚度200μm；
一n型低掺杂InP下波导，Si掺杂，掺杂浓度2.5E16cm-3，厚度2μm；
一匹配InGaAs下限制层，Si掺杂，掺杂浓度6E16cm-3，厚度300nm；
一匹配InGaAs/InAlAs多量子阱有源区结构，基于耦合的子带间跃迁，发光中心波长4.5μm，总厚度约1.5μm；
一匹配InGaAs上限制层，Si掺杂，掺杂浓度6E16cm-3，厚度300nm；
一n型低掺杂InP上波导，Si掺杂，掺杂浓度2.5E16cm-3，厚度2μm；
一n型高掺杂InP接触层，Si掺杂，掺杂浓度大于6E18cm-3，厚度500nm；
从上往下刻蚀出宽3μm双沟窄脊台面，台面高度6.5μm；
一横向分别限制层，MOCVD选区外延生长掺Fe的InGaAs，载流子浓度小于2E10cm-3，厚度50nm；
一半绝缘InP层，Fe掺杂，载流子浓度小于1.5E10cm-3，均匀填满双沟；
一SiO2钝化层，PECVD生长，包覆整个台面，起电绝缘作用，留有宽3μm的电注入窗口；
一正面电极，电子束蒸发400nm Ti/Au电极，加电镀5μm Au，窗口区域与接触层接触；
一背面电极，热蒸发300nm AuGeNi/Au，热退火与衬底形成欧姆接触，均匀制备在衬底背面；
利用有限元分析方法(COMSOL)分析了不同InGaAs层厚度对横向光场限制因子的影响。如图3(a)所示，计算结果表明：脊宽越小，插入InGaAs层对光场限制因子的改善越明显；如图3(b)所示，当脊宽为2.5μm时，50nm的InGaAs层厚度能够获得最大的光场限制因子。由此可以大大降低超低功耗量子级联激光器的制备难度。
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 (7)

1.一种波导优化的掩埋异质结量子级联激光器，包括：衬底，衬底之上依次为下波导包层、下限制层、级联结构有源区、上限制层、上波导包层及接触层，在接触层与下波导包层之间存在双沟窄脊台面，双沟中填入半绝缘InP层，为有源区提供横向散热通道；在其特征在于，还包括:
横向分别限制层，位于双沟的底部，半绝缘InP层的下方，用于增强横向光模式限制，其中，
所述的横向分别限制层内填充材料为高折射率半绝缘材料，该高折射率半绝缘材料包括掺Fe的半绝缘InGaAs，其厚度因激光器脊宽和激射波长的不同而不同，并且有效折射率高于有源区。
2.如权利要求1所述的波导优化的掩埋异质结量子级联激光器，其特征在于，还包括SiO2钝化层，置于包覆整个台面，起电绝缘作用，留有电注入窗口；一正面电极，均匀制备在SiO2钝化层之上，窗口区域与接触层接触；一背面电极，均匀制备在衬底背面。
3.如权利要求1所述的波导优化掩埋异质结量子级联激光器，其特征在于，所述横向分别限制层内填充的材料为掺Fe的半绝缘InGaAs时，该掺Fe的半绝缘InGaAs的厚度为0～120nm。
4.如权利要求3所述的波导优化掩埋异质结量子级联激光器，其特征在于，该掺Fe的半绝缘InGaAs的厚度为50nm。
5.如权利要求1所述的波导优化掩埋异质结量子级联激光器，其特征在于，所述的上限制层及下限制层为折射率高于有源区的材料，增大了与波导包层的折射率差，提高了光场限制因子，上限制层及下限制层厚度在一个真空波长范围内且厚度一致。
6.如权利要求2所述的波导优化掩埋异质结量子级联激光器，其特征在于，预留的所述电注入窗口为3μm电极窗口，在所述的电极窗口制备N型正面电极，在衬底的背面制备N型背面电极，解离管芯，倒装焊在热沉上，从而制作成量子级联激光器。
7.如权利要求1所述的波导优化掩埋异质结量子级联激光器，可在各波段各种类型的半导体量子级联激光器中应用。
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