CN1960091A - 镓砷基量子级联激光器管芯单元结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，包括：一衬底；一下覆盖层，该下覆盖层生长在衬底上；一下波导层，该下波导层生长在下覆盖层上，该下波导层的两侧形成有一低于中间部位的台阶，中间为脊形；一有源层，该有源层生长在下波导层上的中间部位；一上波导层生长在有源层上；一上覆盖层生长在上波导层上；一隔离层淀积在上覆盖层上并覆盖脊形的两侧及下波导层两边的上面，该隔离层的中间纵向开有一电流注入窗口；一上欧姆接触层，该上欧姆接触层热蒸发在隔离层上，并覆盖住电流注入窗口；一下欧姆接触层，该下欧姆接触层制作在衬底的背面。
Description
技术领域
本发明是一种具有良好的载流子限制和光学限制的GaAs基量子级联激光器管芯结构，尤其是单侧腔面的高反镀膜减少了光的腔面损耗。本发明还涉及制造GaAs基量子级联激光器管芯单元结构的方法及工艺。
背景技术
1994年量子级联激光器的发明开创了“能带工程”设计与高精度的分子束外延材料生长技术相结合的新里程。量子级联激光器作为一种基于子带间电子跃迁的中、远红外单极光源与普通的半导体注入激光器相比具有以下优点：(1)波长与所用材料的带隙无直接关系而是由导带中的分立子能级的相对位置确定，而这一相对位置可以通过调整有源区量子阱的厚度得以实现，理论上量子级联激光器的波长可以覆盖两个大气窗口，并可以向远红外方向拓展；(2)单极载流子的跃迁产生的光具有单向偏振(TM波)性，并且这些跃迁态的联合态密度类似于δ函数，对应的增益谱很窄、对称和具有较小的温度敏感系数，因此可望得到很低的阈值电流和单纵模输出。(3)子带间俄歇复合可以忽略，因而量子级联激光器具有较高的特征温度，有利于器件的室温工作。正是由于具有这些特点，量子级联激光器成为国际上研究的一大热点，所用材料体系也迅速由InGAs/InAlAs/InP扩展到AlGaAs/GaAs。GaAs基量子级联激光器的出现，在器件的设计制作和处理工艺上开辟了有意义的前景。另一方面价格便宜的GaAs衬底以及成熟的材料工艺，也是吸引人们研制GaAs基量子级联激光器的一个主要因素。
本发明基于简单而成熟的材料生长方法和器件处理工艺来完成复杂的GaAs基量子级联激光器结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaAs基量子级联激光器管芯单元结构及其制作方法。其具有工艺简单、设备仪器要求低、光的发射耦合输出系数大的优点。
本发明一种镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，其特征在于，该结构包括：
一衬底；
一下覆盖层，该下覆盖层生长在衬底上；
一下波导层，该下波导层生长在下覆盖层上，该下波导层的两侧形成有一低于中间部位的台阶，中间为脊形；
一有源层，该有源层生长在下波导层上的中间部位；
一上波导层，该上波导层生长在有源层上；
一上覆盖层，该上覆盖层生长在上波导层上；
一隔离层，该隔离层淀积在上覆盖层上并覆盖脊形的两侧及下波导层两边的上面，该隔离层的中间纵向开有一电流注入窗口；
一上欧姆接触层，该上欧姆接触层热蒸发在隔离层上，并覆盖住电流注入窗口；
一下欧姆接触层，该下欧姆接触层制作在衬底的背面。
其中有源层包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。
其中所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料。
其中上、下波导层为低n型掺杂的GaAs层。
其中上、下覆盖层为高n型掺杂的GaAs层。
其中隔离层为二氧化硅或氮化硅材料。
其中在器件管芯的一端蒸镀有高反膜。
本发明一种镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)在衬底上利用分子束外延的方法依次生长下覆盖层、下波导层有源层、上波导层、上覆盖层；
2)采用光刻腐蚀的方法，在器件中间形成纵向的脊形结构；
3)在器件的上表面淀积一层隔离层；
4)采用光刻腐蚀的方法，在脊形结构中间的隔离层上形成有一电流注入窗口；
5)在器件的上表面生长一上欧姆接触层；
6)将衬底减薄；
7)在衬底的背面生长一下欧姆接触层；
8)快速热退火；
9)在垂直于脊形的方向解理，在器件的一端蒸度高反膜，完成器件管芯的制作。
其中有源层包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。
其中所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料。
其中上下波导层为低掺杂的GaAs层。
其中上下覆盖层为高n型掺杂的GaAs层。
其中隔离层为二氧化硅或氮化硅材料。
其中光刻腐蚀是采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方法。
其中端面镀膜采用氧化物、金属交替层。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合幅图及实施例对本发明作一详细地描述，其中：
图1是本发明的一种示例性GaAs基量子级联激光器结构的立体图；
图2显示了一种GaAs基量子级联激光器结构的截面图；
图3显示了一种GaAs基量子级联激光器具体的实施例。
具体实施方式
请采用图1及图2，本发明一种镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，该结构包括：
一衬底10；
一下覆盖层11，该下覆盖层11生长在衬底10上；该下覆盖层11为高n型掺杂的GaAs层；
一下波导层12，该下波导层12生长在下覆盖层11上，该下波导层12的两侧形成有一低于中间部位的台阶，中间为脊形；该下波导层12为低n型掺杂的GaAs层；
一有源层13，该有源层13生长在下波导层12上的中间部位；该有源层13包括多个标上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元；该重复单元为AlGaAs和GaAs材料；
一上波导层14，该上波导层14生长在有源层13上；该上波导层14为低n型掺杂的GaAs层；
一上覆盖层15，该上覆盖层15生长在上波导层14上；该上覆盖层15为高n型掺杂的GaAs层；
一隔离层16，该隔离层16淀积在上覆盖层15上并覆盖脊形的两侧及下波导层12两边的上面，该隔离层16的中间纵向开有一电流注入窗口18；该隔离层16为二氧化硅或氮化硅材料；
一上欧姆接触层17，该欧姆接触层17热蒸发在隔离层16上，并覆盖住电流注入窗口18；
一下欧姆接触层19，该下欧姆接触层19制作在衬底10的背面；
在器件管芯的一端蒸镀有高反膜。
请再结合采用图1及图2，本发明一种镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)在衬底10上利用分子束外延的方法依次生长下覆盖层11、下波导层12有源层13、上波导层14、上覆盖层15；其中该有源层13包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元；该重复单元为AlGaAs和GaAs材料；该上、下波导层14、12为低掺杂的GaAs层；该上、下覆盖层15、11为高n型掺杂的GaAs层；
2)采用光刻腐蚀的方法，在器件中间形成纵向的脊形结构；
3)在器件的上表面淀积一层隔离层16；该隔离层16为二氧化硅或氮化硅材料；
4)采用光刻腐蚀的方法，在脊形结构中间的隔离层16上形成有一电流注入窗口18；所述的光刻腐蚀是采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方法；
5)在器件的上表面生长一上欧姆接触层17；
6)将衬底减薄；
7)在衬底10的背面生长一下欧姆接触层19；
8)快速热退火；
9)在垂直于脊形的方向解理，在器件的一端采用氧化物、金属交替蒸度高反膜，完成器件管芯的制作。
再结合参阅图1及图2，图1显示了本发明的示例性立体结构图，图2显示了本发明的横向截面结构图。在示例情况下，管芯结构是由在衬底10上生长有多层结构的器件材料通过进行双沟刻蚀而形成的脊形结构。如图2所示，衬底10以上的多层结构由下到上依次为：下覆盖层11、下波导层12、有源层13、上波导层14、上覆盖层15。这个多层结构通过分子束外延方法精确控制生长厚度和掺杂浓度。其中有源层13包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。每个这样的重复单元在材料结构上表现为AlGaAs和GaAs交替，从而在导带能带结构上表现为势垒和势阱的交替，这些耦合在一起的量子势阱形成不同的子能带。
图2中所示结构中上、下波导层14、12和上、下覆盖层15、11均采用GaAs材料。其中上、下波导层采用较低的Si掺杂，以减小光的载流子散射从而降低波导损耗；上、下覆盖层15、11采用较高的掺杂以降低折射率从而形成有效的光学限制，掺杂水平取决于要求该层等离子振荡频率接近该器件的光激射频率。各层的厚度综合考虑激射波长。
图1、图2中所示脊形结构通过光刻和湿法化学腐蚀或干法等离子刻蚀而形成，脊形高度即两侧沟的深度h应有一定的限制，在结构上表现为沟深超过有源层。目的在于提高器件的横向电学和光学限制，以减小器件的电功率消耗和降低器件工作的阈值电流。脊宽WR采用30-50微米。过小的脊宽虽有利于降低功率耗散但却相对增强脊形两侧的粗糙度散射效应，同时过大则会增强功率耗散。两种情况都会增加器件阈值电流密度，恶化器件性能。
图1、图2中所示隔离层16采用CVD法或PECVD淀积SiO2或Si3N4在已形成脊形结构器件材料上，隔离层16的厚度t要求在300-500纳米，并均匀覆盖整个器件材料上表面尤其是要保证脊形两侧的沟道被覆盖。
图1、图2中所示电学注入窗口18采用光刻和湿法化学腐蚀或干法等离子刻蚀完成，保证窗口区开在脊形的中央并且清洁。窗口宽度WW对应于脊形宽度WR采用10-30微米。
图1、图2中所示上、下欧姆接触17、19采用热蒸发法形成。其中上欧姆接触层17采用Ti-Pt-Au或Ti-Au材料，下欧姆接触层19采用Au-Ge-Ni并合金化。下欧姆接触层19采用Au-Ge-Ni材料主要考虑到沉底掺杂水平。合金化采用快速热退火。
图1、图2中所示下欧姆接触19在制作之前应进行衬底减薄以利于器件工作中散热，减薄后的器件材料保证在120-150微米。
图1、图2中所示管芯结构在制作过成中是由分布在同一器件材料上众多相同结构解理而成，最终管芯腔长解理为1-3毫米。解理面作为光学振荡腔的腔面。
图1中所示单侧腔面镀膜6采用离子束溅射或电子束蒸发氧化物Al2O3，然后热蒸发Ti-Au，最后再淀积一层Al2O3
实施例
图3是展示本发明封装前GaAs基量子级联激光器结构的实施例。激光器管芯采用外延面朝下焊接在铜热沉上，这种倒装方式利于工作中器件有源层中热量的导出。焊接前热沉先镀铟20，然后将激光器管芯倒贴在热沉上，在真空炉中进行烧结。为保证烧结过程中溶化的铟不污染出光腔面，管芯安放时适当将出光面突出热沉边缘。管芯采用多根金丝21引线到旁边的陶瓷片上，引线金丝数≥4根以利于该种类器件所需大电流工作。电极线采用单根铜线22从陶片引出。
Claims (15)
1、一种镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，其特征在于，该结构包括：
一衬底；
一下覆盖层，该下覆盖层生长在衬底上；
一下波导层，该下波导层生长在下覆盖层上，该下波导层的两侧形成有一低于中间部位的台阶，中间为脊形；
一有源层，该有源层生长在下波导层上的中间部位；
一上波导层，该上波导层生长在有源层上；
一上覆盖层，该上覆盖层生长在上波导层上；
一隔离层，该隔离层淀积在上覆盖层上并覆盖脊形的两侧及下波导层两边的上面，该隔离层的中间纵向开有一电流注入窗口；
一上欧姆接触层，该上欧姆接触层热蒸发在隔离层上，并覆盖住电流注入窗口；
一下欧姆接触层，该下欧姆接触层制作在衬底的背面。
2、根据权利要求1所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，其特征在于，其中有源层包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。
3、根据权利要求2所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，其特征在于，其中所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料。
4、根据权利要求1所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，其特征在于，其中上、下波导层为低n型掺杂的GaAs层。
5、根据权利要求1所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，其特征在于，其中上、下覆盖层为高n型掺杂的GaAs层。
6、根据权利要求1所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，其特征在于，其中隔离层为二氧化硅或氮化硅材料。
7、根据权利要求1所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构，其特征在于，其中在器件管芯的一端蒸镀有高反膜。
8、一种镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)在衬底上利用分子束外延的方法依次生长下覆盖层、下波导层有源层、上波导层、上覆盖层；
2)采用光刻腐蚀的方法，在器件中间形成纵向的脊形结构；
3)在器件的上表面淀积一层隔离层；
4)采用光刻腐蚀的方法，在脊形结构中间的隔离层上形成有一电流注入窗口；
5)在器件的上表面生长一上欧姆接触层；
6)将衬底减薄；
7)在衬底的背面生长一下欧姆接触层；
8)快速热退火；
9)在垂直于脊形的方向解理，在器件的一端蒸度高反膜，完成器件管芯的制作。
9、根据权利要求8所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，其中有源层包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。
10、根据权利要求9所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，其中所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料。
11、根据权利要求8所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，其中上下波导层为低掺杂的GaAs层。
12、根据权利要求8所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，其中上下覆盖层为高n型掺杂的GaAs层。
13、根据权利要求8所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，其中隔离层为二氧化硅或氮化硅材料。
14、根据权利要求8所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，其中光刻腐蚀是采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方法。
15、根据权利要求8所述的镓砷基量子级联激光器管芯单元结构的制造方法，其特征在于，其中端面镀膜采用氧化物、金属交替层。
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