CN1741329A - 一种磷化铟基量子级联半导体激光器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种磷化铟基量子级联半导体激光器，包括：一N型磷化铟衬底；一N型铟镓砷下波导层，该下波导层制作在N型磷化铟衬底上；一35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源区，该有源区制作在下波导层上；一N型铟镓砷上波导层，该上波导层制作在有源区上；一N型磷化铟上包层，该上包层制作在上波导层上；一N型磷化铟接触层，该接触层制作在上包层上；一N型铟镓砷欧姆接触层，该欧姆接触层制作在N型磷化铟接触层上；经刻蚀在表面形成双沟脊形台面，在该双沟脊形台面制作有绝缘层，该绝缘层之间断开形成电流注入窗口；一正面N型电极，该正面N型电极制作在绝缘层上；一背面N型电极，该背面N型电极制作在N型磷化铟衬底上。
Description
技术领域
本发明涉及一种法布里-珀罗(F-P)腔量子级联半导体激光器的器件结构及制作方法，特别是指一种磷化铟基量子级联半导体激光器及制作方法。
背景技术
由于3-5μm、8-13μm中远红外波段是非常重要的大气窗口，工作于该波段的激光器在大气环境检测、医疗诊断、自由空间无线光通信以及红外电子对抗等领域具有十分重要的应用前景，而常规的带间跃迁半导体激光器的发射波长受限于半导体材料的禁带宽度，要得到中远红外或更长波长的半导体激光器是很困难的。于是科学家们开展了建立于子带间跃迁的中远红外量子级联半导体激光器的研究。1994年Bell实验室的Faist等人研制出了第一个量子级联半导体激光器(quantumcascade laser-QCL)，波长为4.26μm，峰值光功率10K下为8.5mW。此后发展迅速，现已实现单纵模输出和室温连续工作，波长范围已从3.4μm扩展到了24μm，但是还有很多工作要做，如进一步提高器件的输出功率，提高温度稳定性，降低阈值等。
磷化铟基量子级联激光器结构是利用分子束外延技术在磷化铟(InP)衬底上生长晶格匹配的铟镓砷/铟铝砷(InGaAs/InAlAs)异质结材料体系。
因为量子级联激光器的有源区一般为几十级的级联结构，所以器件的驱动电压较高，可达10V以上，驱动电流一般也较大，可达1A以上。器件工作时发热比较严重，难以耗散。
对于InP基脊波导条形量子级联激光器，为了提高输出功率，需要增大条宽，以增大电流注入面积，但同时也使得器件发热更加严重。因为InP材料的热导率明显比铟铝砷(InAlAs)的要大，后来人们开始用InP代替InAlAs作为上包层，以提高器件的散热性。对于没有磷(P)源的固态分子束外延设备(MBE)，需要用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)系统进行InP上包层的二次外延生长。
本发明就是利用InP材料热导率高的优点，并考虑到我们现有设备的限制，在此基础上对器件结构和制作工艺进行了适当改进，采用的这种新型结构的激光器不仅可以有效改善器件的散特性，而且对提高激光器的峰值输出功率也很有意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磷化铟基量子级联半导体激光器及制作方法，其是改善器件制作工艺，提高激光器的散热性能，提高激光器的峰值输出功率。工艺简单，可靠性好。
本发明一种磷化铟基量子级联半导体激光器，其特征在于，其中包括：
一N型磷化铟衬底，作为下包层；
一N型铟镓砷下波导层，该下波导层制作在N型磷化铟衬底上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；
一35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源区，该有源区制作在下波导层上，作为发光区；
一N型铟镓砷上波导层，该上波导层制作在有源区上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；
一N型磷化铟上包层，该上包层制作在上波导层上；
一N型磷化铟接触层，该接触层制作在上包层上；
一N型铟镓砷欧姆接触层，该欧姆接触层制作在N型磷化铟接触层上；
经刻蚀在表面形成双沟脊形台面，在该双沟脊形台面制作有绝缘层，该绝缘层之间断开形成电流注入窗口；
一正面N型电极，该正面N型电极制作在绝缘层上；
一背面N型电极，该背面N型电极制作在N型磷化铟衬底上。
其中所述的N型磷化铟上包层及N型磷化铟接触层，它的热导率比铟铝砷的热导率大，能够改善激光器的散热性能。
其中所述的N型铟镓砷欧姆接触层，它的热阻小，带隙比磷化铟的带隙窄，能够形成良好的欧姆接触。
本发明一种磷化铟基量子级联半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1：采用分子束外延生长技术，在N型磷化铟衬底上生长N型铟镓砷下波导层，接着生长35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源区及N型铟镓砷上波导层；
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，在N型铟镓砷上波导层上二次外延生长N型磷化铟上包层，N型磷化铟接触层和高掺杂N型铟镓砷欧姆接触层；
步骤3：材料生长完后，通过光刻、腐蚀工艺腐蚀出双沟脊形台面，接着淀积SiO2绝缘层；
步骤4：在脊上SiO2绝缘层开电流注入窗口，接着制作N型正电极，减薄外延片制作N型背电极，最后解理管芯完成器件制作。
其中步骤3采用湿法腐蚀N型铟镓砷欧姆接触层、N型磷化铟上包层和N型磷化铟接触层，得到仅腐蚀到N型铟镓砷上波导层就停止的双沟脊形台面，这种浅腐蚀办法能够增大激光面的有效面积，提高峰值输出功率。
其中步骤3所述的腐蚀工艺采用的腐蚀液为H2SO4∶H2O2∶H2O系腐蚀液和HCl∶H2O系腐蚀液。
其中步骤4所述在脊上SiO2层开的窗口是脊台面顶端尺寸的1/3，能够保证光刻对准，脊台面的宽度是8-14μm。
下面结合附图详细说明依据本发明具体实施例新型F-P腔量子级联半导体激光器的的器件结构细节及工艺制作方法。
附图说明
以下通过结合附图对具体实施例进行详细描述，进一步说明本发明的器件结构、工艺特点以及技术上的简单可靠，其中：
图1是本发明提出的磷化铟基量子级联激光器的材料结构截面示意图；
图2是本发明提出的磷化铟基量子级联激光器的器件结构截面示意图。
具体实施方式
图1为量子级联半导体激光器的材料结构示意图。采用分子束外延(MBE)生长技术在N型InP衬底1上先生长一层N型InGaAs下波导层1，接着生长35个周期InGaAs、InAlAs交替的有源区3，然后再生长N型InGaAs上波导层4，因为我们的固源MBE设备没有P源，所以在生长完波导核心后，样品先用浓硫酸清洗，然后被转移到金属有机物化学气相沉积(MOCVD)系统继续生长，先生长一层N型InP上包层5，接着生长N型InP接触层6，最后生长高掺杂的N型InGaAs欧姆接触层7。
本器件为双沟脊波导结构，并通过把器件外延面朝下焊接在铜热沉上，以进一步减小器件发热。材料生长完后，通过光刻、腐蚀工艺使波导脊形仅腐蚀到InGaAs上波导层4就截止，台面形状如图2所示。腐蚀好台面后接着淀积SiO2绝缘层8，然后在脊上绝缘层8光刻开电流注入窗口9腐蚀掉脊上的SiO2，制作正面N型电极10，该正面N型电极10为Ti/Pt/Au，最后减薄外延片，制作背面N型电极11，该背面N型电极11为Ti/Pt/Au。其中与图1对应的部分采用相同的编号标记。
请结合参阅图1及图2本发明一种磷化铟基量子级联半导体激光器，其中包括：
一N型磷化铟衬底1，作为下包层；
一N型铟镓砷下波导层2，该下波导层2制作在N型磷化铟衬底1上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；
一35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源区3，该有源区3制作在下波导层2上，作为发光区；
一N型铟镓砷上波导层4，该上波导层4制作在有源区3上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；
一N型磷化铟上包层5，该上包层5制作在上波导层4上；
一N型磷化铟接触层6，该接触层6制作在上包层5上，该N型磷化铟上包层5及N型磷化铟接触层6，它的热导率比铟铝砷的热导率大，能够改善激光器的散热性能；
一N型铟镓砷欧姆接触层7，该欧姆接触层7制作在N型磷化铟接触层6上，该N型铟镓砷欧姆接触层7，它的热阻小，带隙比磷化铟的带隙窄，能够形成良好的欧姆接触；
经刻蚀在表面形成双沟脊形台面，在该双沟脊形台面制作有绝缘层8，该绝缘层8之间断开形成电流注入窗口9；
一正面N型电极10，该正面N型电极10制作在绝缘层8上；
一背面N型电极11，该背面N型电极11制作在N型磷化铟衬底1上。
本发明一种磷化铟基量子级联半导体激光器的制作方法，包括如下步骤，
步骤1：采用分子束外延生长技术，在N型磷化铟衬底1上生长N型铟镓砷下波导层2，接着生长35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源区3及N型铟镓砷上波导层4；
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，在N型铟镓砷上波导层4上二次外延生长N型磷化铟上包层5，N型磷化铟接触层6和高掺杂N型铟镓砷欧姆接触层7；
步骤3：材料生长完后，通过光刻、腐蚀工艺腐蚀出双沟脊形台面，接着淀积SiO2绝缘层8，该步骤3采用湿法腐蚀N型铟镓砷欧姆接触层7、N型磷化铟上包层5和N型磷化铟接触层6，得到仅腐蚀到N型铟镓砷上波导层4就停止的双沟脊形台面，这种浅腐蚀办法能够增大激光面的有效面积，提高峰值输出功率；步骤3所述的腐蚀工艺采用的腐蚀液为H2SO4∶H2O2∶H2O系腐蚀液和HCl∶H2O系腐蚀液；
步骤4：在脊上SiO2绝缘层开电流注入窗口9，接着制作N型正电极10，减薄外延片制作N型背电极11，最后解理管芯完成器件制作，该步骤4所述在脊上SiO2层开的窗口9是脊台面顶端尺寸的1/3，能够保证光刻对准，脊台面的宽度是8-14μm。
考虑到我们使用的金属有机物化学气相沉积设备生长N型InP最高浓度的限制，为了实现上述目的，本发明仅采用InP作为上包层，利用InGaAs的带隙比InP小，便于形成欧姆接触的特点，最上面用高掺杂的InGaAs作为欧姆接触层。在器件制作工艺上，采用选择性腐蚀办法腐蚀脊波导，仅腐蚀到InGaAs上波导层就停止，采用这种浅腐蚀方法，可以增大激光面的有效面积，提高峰值输出功率。
本发明所涉及的器件制作工艺简单，可靠，并且由于改善了散热特性还可以提升器件的输出性能。
Claims (7)
1、一种磷化铟基量子级联半导体激光器，其特征在于，其中包括：
一N型磷化铟衬底，作为下包层；
一N型铟镓砷下波导层，该下波导层制作在N型磷化铟衬底上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；
一35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源区，该有源区制作在下波导层上，作为发光区；
一N型铟镓砷上波导层，该上波导层制作在有源区上，用来提高波导芯层的折射率，增强光限制；
一N型磷化铟上包层，该上包层制作在上波导层上；
一N型磷化铟接触层，该接触层制作在上包层上；
一N型铟镓砷欧姆接触层，该欧姆接触层制作在N型磷化铟接触层上；
经刻蚀在表面形成双沟脊形台面，在该双沟脊形台面制作有绝缘层，该绝缘层之间断开形成电流注入窗口；
一正面N型电极，该正面N型电极制作在绝缘层上；
一背面N型电极，该背面N型电极制作在N型磷化铟衬底上。
2、根据权利要求1所述的磷化铟基量子级联半导体激光器，其特征在于，其中所述的N型磷化铟上包层及N型磷化铟接触层，它的热导率比铟铝砷的热导率大，能够改善激光器的散热性能。
3、根据权利要求1所述的磷化铟基量子级联半导体激光器，其特征在于，其中所述的N型铟镓砷欧姆接触层，它的热阻小，带隙比磷化铟的带隙窄，能够形成良好的欧姆接触。
4、一种磷化铟基量子级联半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1：采用分子束外延生长技术，在N型磷化铟衬底上生长N型铟镓砷下波导层，接着生长35个周期铟镓砷/铟铝砷交替的有源区及N型铟镓砷上波导层；
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，在N型铟镓砷上波导层上二次外延生长N型磷化铟上包层，N型磷化铟接触层和高掺杂N型铟镓砷欧姆接触层；
步骤3：材料生长完后，通过光刻、腐蚀工艺腐蚀出双沟脊形台面，接着淀积SiO2绝缘层；
步骤4：在脊上SiO2绝缘层开电流注入窗口，接着制作N型正电极，减薄外延片制作N型背电极，最后解理管芯完成器件制作。
5、根据权利要求4所述的磷化铟基量子级联半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中步骤3采用湿法腐蚀N型铟镓砷欧姆接触层、N型磷化铟上包层和N型磷化铟接触层，得到仅腐蚀到N型铟镓砷上波导层就停止的双沟脊形台面，这种浅腐蚀办法能够增大激光面的有效面积，提高峰值输出功率。
6、根据权利要求4所述的磷化铟基量子级联半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中步骤3所述的腐蚀工艺采用的腐蚀液为H2SO4:H2O2:H2O系腐蚀液和HCl:H2O系腐蚀液。
7、根据权利要求4所述的磷化铟基量子级联半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中步骤4所述在脊上SiO2层开的窗口是脊台面顶端尺寸的1/3，能够保证光刻对准，脊台面的宽度是8-14μm。
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