CN112072471A - 单片集成多波长量子级联激光器阵列结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构及其制作方法，其中，激光器阵列结构包括形成于衬底上，脊型的阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区；阵列直条区，形成呈阵列结构的多个解离腔；分布布拉格反射区，与阵列直条区结合形成呈阵列结构的多个完整谐振腔；光束组合区，用于将呈阵列结构的多个完整谐振腔耦合集成，实现光束多波长连续同轴输出；阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区由下至上依次包括：下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和欧姆接触层；在上限制层对应分布布拉格反射区刻蚀形成二级光栅。本发明一方面实现集成阵列单元单纵模输出；另一方面实现无损耦合，实现室温多波长连续同轴输出。

Description

单片集成多波长量子级联激光器阵列结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构及其制作方法。
背景技术
波长为3-30μm的中红外波段由于其特殊的光谱位置，大量分子的指纹吸收峰位于该波段，使其在光谱和远距离传感等科学技术领域中具有十分广阔的应用前景。例如很多气体分子在室温下的碰撞频率和等离子体振动频率、许多生物大分子的转动和振动能级处于中红外波段，因此可以通过中红外光谱来识别重要的物质信息，对毒品、爆炸物等进行检测，以及研究物质内部的非线性动力学过程；还可以通过生物分子在这个波段独特的响应进行医疗诊断。之前，由于缺乏高性能的室温中红外激光器，分子光谱传感主要使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪，这种检测方式需要预先制备样品，对于危险化学物品的监测和检测是非常不利的。此外，FTIR型光谱仪使用宽带热源，该热源仅能产生连续的黑体辐射，导致每个波长的功率都很低，所以它们在低浓度化学物质探测方面受到极大限制，而采用窄线宽中红外激光器的红外光学技术已被证明能够达到百万分之一(ppb)的精度。目前传统可用的中红外光源，除了量子级联激光器之外，还包括光参量振荡器(OPO)、二氧化碳激光器和带间级联激光器，这些辐射源由于系统较为复杂、电光转化效率低、体积庞大、输出功率较低、工作温度较低、波长覆盖范围较小等因素阻碍了其在光谱传感中的广泛应用。量子级联激光器中InGaAs为阱，InAlAs为垒，交替构成耦合量子阱结构，通过调整有源区阱垒厚度和组分对波长进行自由设计剪裁，可实现激射波长中远红外至太赫兹波段的覆盖。迄今为止，量子级联激光器已经实现3.0-11.5μm的室温连续工作，最高单管连续输出功率达到5.1W，且主要应用于光谱传感的分布式反馈(DFB)QCL，最大连续输出功率超过2.4W。此外通常的高精度检测仅依靠分子的单一特征吸收线，这并不足以完全确定其类型或排除常见的背景干扰，尤其在生物大分子检测领域，仅依靠一种气体分子的特定吸收线很难确保其检测精度，而通过多波长的数据采集来区分具有类似指纹吸收线的气体，可以极大地提高检测可靠性，降低探测失误率。目前用于光谱传感的可调谐量子级联激光器，包括外腔量子级联激光器(EC QCL)、单片多驱量子级联激光器和量子级联激光器阵列。EC QCL系统通过高精度步进电机调控闪耀光栅来提供波长选择性反馈。理想情况下，调谐范围可以覆盖整个材料增益区，但各模式的自由调谐受限于其机械调谐系统，且车载和便携化受限于其较差的抗震性而难有进展。单片多驱量子级联激光器通过调节前后采样光栅(SGDFB)注入电流，改变其反射谱重叠区域，实现波长调谐。在多数情况下，输出功率可达百毫瓦级，边模抑制比超过20dB，但是此装置操作复杂，由于模式竞争和空间烧孔效应，通常观测到的调谐行为与理论预测存在偏差。关于多波长量子级联激光器阵列，其基本理念是将多个不同波长的单模QCL制作到同一个芯片上，通过合理设计波长间隔，以实现大范围连续调谐。多波长阵列所面临的最大挑战在于如何精确控制每个单元的输出模式。目前国际上最成功且最常用的纵向模式选择方式是基于折射率耦合光栅的分布反馈(DFB)，通过严格控制DFB光栅的耦合强度以及合理的腔面设计优化，确保了高低频模式之间的单一模式输出。但是由于多波长量子级联激光器阵列必然存在多个输出端口，输出光束高度分散，通常慢轴上的远场发散角可达60°，仅通过单一聚焦透镜很难实现阵列光束准直优化。2015年MIT采用开环外腔光谱合束系统，可以将阵列光束慢轴发散偏离降低40倍以上。尽管与EC QCLs相比并不涉及移动组件，但是由于系统包括多个分立部件，且体积庞大，整体抗震性依旧很差。由于QCLs是基于半导体材料体系，因此非常适于发展大规模光子集成电路(PICs)，而完全集成的器件必然具有极好的稳定性和便携性。2016年美国西北大学M.Razeghi组采用双段SGDFB，进行8单元多波长阵列片上合束，但是其最大阵列单元脉冲峰值不超过5mW，且大部分阵列单元无法观测到有效激射。通过优化有源区增益，优化激光耦合方案以减小光模式在波导内干涉损耗，并在输出腔面镀宽带减反膜以抑制光束组合器自激，实现了脉冲毫瓦量级激射。不过由于设计不完善，集成阵列单元初始功率较低，电光转化效率低，无法实现连续输出，虽通过在光束组合器部分施加同步电流，增加了输出功率，但其操作方式也极为复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构及其制作方法，以期至少部分的解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括：
作为本发明的一个方面，提供一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，包括形成于衬底上，脊型的阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区；
阵列直条区，形成呈阵列结构的多个解离腔；
分布布拉格反射区，与所述阵列直条区结合形成呈阵列结构的多个完整谐振腔；
光束组合区，用于将所述呈阵列结构的多个完整谐振腔耦合集成，实现光束多波长连续同轴输出；
其中，所述阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区由下至上依次包括：下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和欧姆接触层；
在所述上限制层对应所述分布布拉格反射区刻蚀形成二级光栅。
作为本发明的另一个方面，还提供一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构的制作方法，其中，包括以下步骤：
在衬底上依序生长下波导层、下限制层、有源层、上限制层、预备上波导层和预备欧姆接触层；
腐蚀掉所述预备欧姆接触层和预备上波导层，并在所述上限制层上生长掩膜层；
通过光刻和湿法腐蚀形成图案化的掩膜层，以所述图案化的掩膜层作掩膜，在所述上限制层的裸露区域制作二级光栅；
除去所述图案化的掩膜层，二次外延生长上波导层和欧姆接触层；
通过光刻和湿法腐蚀，制作脊型结构，其中腐蚀深度超过所述有源层；
通过光刻和湿法腐蚀，在所述脊型结构上对应所述二级光栅的两侧制作电隔离沟，其中腐蚀深度超过所述欧姆接触层；形成脊型的阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区，完成制作。
基于上述技术方案，本发明相较于现有技术，至少具有以下优点：
在阵列直条区与光束组合区引入掩埋二级光栅作为分布布拉格反射区(DBR区)，利用DBR区对特定纵模的高反射率特性，同阵列直条区的解离腔面形成特定纵模的完整谐振腔。一方面作为纵模滤波器，实现集成阵列单元单纵模输出，且由于仅存在特定纵模成腔，不存在其他纵模干扰，故其具有极好的单纵模特性；另一方面实现激光器阵列同光束组合区的无损耦合，保证了激光器阵列单元完整的初始功率，提高电光转化效率，使得集成阵列仅存在于弯曲波导的散射损耗和2×1结的耦合损耗，实现多波长连续同轴输出；
采用二级光栅作为DBR，相较于一级光栅，其反射率较低，且随光栅长度变化较为缓慢，易控制，避免了反射率过高所引起的初始功率降低；量子级联激光器比传统的二极管激光器的激射波长更长，二级光栅周期更是达到微米量级，完全可以通过光学光刻方式进行制作，这将大大降低制作成本。
附图说明
图1A为本发明实施例的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构的俯视图；
图1B为本发明实施例的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构的左视图；
图1C为本发明实施例的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构的阵列单元的正视图；
图2为本发明实施例采用400μm二级光栅DBR所对应八单元单片集成多波长量子级联激光器阵列结构的反射谱；
图3为本发明实施例的八单元单片集成多波长量子级联激光器阵列结构各通道功率传输谱，每个突出标记点均为实际选用通道；
图4为本发明实施例采用的二级光栅DBR的反射率同一级光栅DBR的反射率随其长度变化对比图。
以上附图中，附图标记含义如下：
1、阵列直条区；2、DBR区；3、光束组合区；4、电隔离沟；5、衬底；6、下波导层；7、下限制层；8、有源层；9、上限制层；10、上波导层；11、欧姆接触层。
具体实施方式
本发明结构的独特之处在于，通过在阵列直条区与光束组合区之间引入掩埋二级光栅作为DBR区，再将DBR区同二者做电隔离，利用DBR区对特定纵模的高反射率特性，同阵列直条区的解离腔面形成特定纵模的完整谐振腔。一方面作为纵模滤波器，实现集成阵列单元单纵模输出；另一方面，优化集成单元阵列初始功率，提高集成阵列输出功率和电光转化效率，实现室温多波长连续同轴输出。
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。
作为本发明的一个方面，提供一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，包括形成于衬底上，脊型的阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区；
阵列直条区，形成呈阵列结构的多个解离腔；
分布布拉格反射区，与阵列直条区结合形成呈阵列结构的多个完整谐振腔；
光束组合区，用于将呈阵列结构的多个完整谐振腔耦合集成，实现光束多波长连续同轴输出；
其中，阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区由下至上依次包括：下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和欧姆接触层；
在上限制层对应分布布拉格反射区刻蚀形成二级光栅。
在本发明的实施例中，分布布拉格反射区包括多个呈阵列结构的分布布拉格反射单元，各个分布布拉格反射单元的二级光栅的周期不同。
在本发明的实施例中，在欧姆接触层的阵列直条区与分布布拉格反射区之间，以及分布布拉格反射区与光束组合区之间的区域形成电隔离沟，用于各区间的电隔离。
在本发明的实施例中，衬底的材料为InP，掺杂浓度为1×1017～3×1017cm-3；
下波导层的材料为n型掺杂的InP，掺杂浓度为2×1016～4×1016cm-3，厚度为1～3μm；
下限制层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为200nm。
在本发明的实施例中，有源层由20～60个周期的InGaAs/InAlAs叠层依次堆叠构成，有源层对应的光波长为4～12μm。
在本发明的实施例中，上限制层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为300nm。
在本发明的实施例中，上限制层对应分布布拉格反射区的区域，二级光栅刻蚀深度为120～150nm，二级光栅占空比不等于50％，用于防止耦合系数过低，造成光谱模式不稳定。
在本发明的实施例中，上波导层为n型掺杂的InP，上波导层在靠近上限制层的3.4μm厚度的上波导层的掺杂浓度为1～3×1016cm-3，靠近欧姆接触层的0.2μm厚度的上波导层的掺杂浓度线性渐变，整体厚度为3.6μm。
在本发明的实施例中，欧姆接触层为n型掺杂的InP，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为0.5μm。
作为本发明的另一个方面，还提供一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构的制作方法，其中，包括以下步骤：
在衬底上依序生长下波导层、下限制层、有源层、上限制层、预备上波导层和预备欧姆接触层；
腐蚀掉预备欧姆接触层和预备上波导层，并在上限制层上生长掩膜层；
通过光刻和湿法腐蚀形成图案化的掩膜层，以图案化的掩膜层作掩膜，在上限制层的裸露区域制作二级光栅；
除去图案化的掩膜层，二次外延生长上波导层和欧姆接触层；
通过光刻和湿法腐蚀，制作脊型结构，其中腐蚀深度超过有源层；
通过光刻和湿法腐蚀，在脊型结构上对应二级光栅的两侧制作电隔离沟，其中腐蚀深度超过欧姆接触层；形成脊型的阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区，完成制作。
其中，值得一提的是，生长预备上波导层和预备欧姆接触层的目的是，进行器件性能测试，检查在衬底上生长下波导层、下限制层、有源层、上限制层、预备上波导层和预备欧姆接触层后的器件的性能是否完好，以保证其后续的使用。但是并不局限于此，在本发明的其他实施例中，还可以采用省去生长预备上波导层和预备欧姆接触层以及腐蚀掉预备欧姆接触层和预备上波导层的步骤，直接在上限制层上生长掩膜层的方法。另外，掩膜层可以但并不局限于采用二氧化硅材料制备形成。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但需要注意的是，下述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于此。
图1A、图1B和图1C为本发明实施例的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构示意图，如图1A、图1B和图1C所示，该结构具体包括：阵列直条区1，DBR区2，光束组合区3和电隔离沟4，其中DBR区2位于阵列直条区1和光束组合区3之间，DBR区2两侧各有一电隔离沟4，分别用来实现DBR区2与阵列直条区1和光束组合区3的电隔离。各区脊条均包括：
一衬底5，该衬底5为InP衬底，掺杂浓度为1×1017～3×1017cm-3；
一下波导层6，该下波导层6生长在衬底5上，该下波导层6的材料为n型InP，掺杂浓度为2×1016～4×1016cm-3，层厚为1～3μm；
一下限制层7，该下限制层7生长在下波导层6上，该下限制层7的材料为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为200nm；
一有源层8，该有源层8生长在下限制层7上，该有源层8的材料由20～60个周期的InGaAs/InAlAs叠层依次堆叠构成，该有源层8对应的光波长为4～12μm，且形状尺寸与下限制层7对应；
一上限制层9，该上限制层9生长在有源层8上，上限制层9的材料为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为300nm，形状尺寸与有源层8对应，并在DBR区2刻蚀二级光栅，刻蚀深度120～150nm，占空比需避开50％，防止耦合系数过低，造成光谱模式不稳定，且不同阵列单元上二级光栅周期不同；
一上波导层10，该上波导层10生长在刻蚀后的上限制层9上，且形状尺寸与上限制层9对应，二者形成二级光栅结构，二级光栅结构的材料为InGaAs/InP，该光栅结构具有二级分布反馈结构，对应波长满足二级光栅耦合模式理论公式λ＝neffΛ，其中，λ代表自由空间波长，neff代表光栅区整体有效折射率，Λ代表二级光栅周期；上波导层10靠近上限制层9的3.4μm厚度的上波导层10的掺杂浓度为3×1016cm-3，靠近欧姆接触层11的0.2μm厚度的上波导层10的掺杂浓度线性渐变，整体厚度为3.6μm；
一欧姆接触层11，该欧姆接触层11生长在上波导层10上，欧姆接触层11的材料为n型掺杂的InP，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为0.5μm，且形状尺寸与上波导层10对应，且在DBR区2两侧分别刻蚀电隔离沟4，宽度为50nm，刻蚀深度超过欧姆接触层11。
下面结合说明书附图详细说明本实施例的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构的优势。
图1A、图1B和图1C为本发明实施例的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构示意图，如图1A、图1B和图1C所示，在阵列直条区与光束组合区引入掩埋二级光栅作为DBR区；图2为本发明实施例所采用500μm二级光栅DBR区对应的八阵列单元反射谱图，如图2所示，利用DBR区对特定纵模的高反射率特性，同阵列直条区的解离腔面形成特定纵模的完整谐振腔。一方面可作为纵模滤波器，实现集成阵列单元单纵模输出，且由于仅存在特定纵模成腔，不存在其他纵模干扰，故其具有极好的单纵模特性；另一方面实现激光器阵列同光束组合区的无损耦合，保证了集成阵列单元完整的初始功率，使得集成阵列仅存在于弯曲波导的散射损耗和2×1结的耦合损耗；
图3为本发明实施例的八单元单片集成多波长量子级联激光器阵列各通道功率传输谱图，每个突出标记点均为实际选用通道，如图3所示，由于在波导传输过程中，存在基模向高阶模演变，以及部分一阶模向基模演变，进而对原波导内基模造成干涉，这种干涉效应对基模传输的增强或减弱取决于输入波长和波导几何形状，在整体波导长度不超过3mm的前提下，通过对各通道传输波长进行优化，可以实现平均16.4％的出射功率。
图4为本发明实施例采用的二级光栅DBR的反射率同一级光栅DBR的反射率随其长度变化对比图，如图4所示，采用二级光栅作为DBR，相较于一级光栅，其反射率随光栅长度变化较为缓慢，易调控，避免了反射率过高所引起的初始功率降低。量子级联激光器比传统的二极管激光器的激射波长更长，二级光栅周期更是达到微米量级，完全可以通过光学光刻方式进行制作，这将大大降低制作成本。
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)

1.一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，包括形成于衬底上，脊型的阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区；
阵列直条区，形成呈阵列结构的多个解离腔；
分布布拉格反射区，与所述阵列直条区结合形成呈阵列结构的多个完整谐振腔；
光束组合区，用于将所述呈阵列结构的多个完整谐振腔耦合集成，实现光束多波长连续同轴输出；
其中，所述阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区由下至上依次包括：下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和欧姆接触层；
在所述上限制层对应所述分布布拉格反射区刻蚀形成二级光栅。
2.根据权利要求1所述的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，所述分布布拉格反射区包括多个呈阵列结构的分布布拉格反射单元，各个所述分布布拉格反射单元的二级光栅的周期不同。
3.根据权利要求1所述的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，在所述欧姆接触层的阵列直条区与分布布拉格反射区之间，以及分布布拉格反射区与光束组合区之间的区域形成电隔离沟，用于各区间的电隔离。
4.根据权利要求1所述的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，所述衬底的材料为InP，掺杂浓度为1×1017～3×1017cm-3；
所述下波导层的材料为n型掺杂的InP，掺杂浓度为2×1016～4×1016cm-3，厚度为1～3μm；
所述下限制层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为200nm。
5.根据权利要求1所述的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，所述有源层由20～60个周期的InGaAs/InAlAs叠层依次堆叠构成，所述有源层对应的光波长为4～12μm。
6.根据权利要求1所述的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，所述上限制层为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度为2×1016cm-3，厚度为300nm。
7.根据权利要求1所述的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，所述上限制层对应所述分布布拉格反射区的区域，二级光栅刻蚀深度为120～150nm，二级光栅占空比不等于50％。
8.根据权利要求1所述的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，所述上波导层为n型掺杂的InP，所述上波导层在靠近所述上限制层的3.4μm厚度的上波导层的掺杂浓度为1～3×1016cm-3，靠近所述欧姆接触层的0.2μm厚度的上波导层的掺杂浓度线性渐变，整体厚度为3.6μm。
9.根据权利要求1所述的单片集成多波长量子级联激光器阵列结构，其中，所述欧姆接触层为n型掺杂的InP，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为0.5μm。
10.一种单片集成多波长量子级联激光器阵列结构的制作方法，其中，包括以下步骤：
在衬底上依序生长下波导层、下限制层、有源层、上限制层、预备上波导层和预备欧姆接触层；
腐蚀掉所述预备欧姆接触层和预备上波导层，并在所述上限制层上生长掩膜层；
通过光刻和湿法腐蚀形成图案化的掩膜层，以所述图案化的掩膜层作掩膜，在所述上限制层的裸露区域制作二级光栅；
除去所述图案化的掩膜层，二次外延生长上波导层和欧姆接触层；
通过光刻和湿法腐蚀，制作脊型结构，其中腐蚀深度超过所述有源层；
通过光刻和湿法腐蚀，在所述脊型结构上对应所述二级光栅的两侧制作电隔离沟，其中腐蚀深度超过所述欧姆接触层；形成脊型的阵列直条区、分布布拉格反射区和光束组合区，完成制作。
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