短波长光栅面发射量子级联激光器结构及制备方法

摘要

一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构，包括：一衬底；一下波导层生长在该衬底上；一有源层生长在该下波导层上；一上波导层生长在该有源层上；一盖层生长在该上波导层上，该盖层的上半部位置形成二级分布反馈光栅；一光栅层位于盖层的上面，并且该光栅层具有与盖层上的光栅相同的光栅周期，在该光栅层上形成有多个窗口，所述窗口的深度到达盖层的表面；其中所述的下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层的两侧为梯形斜面；一二氧化硅层生长在衬底的上面和梯形斜面上，及所述光栅层上面两侧的边缘部分；一正面金属电极层生长在二氧化硅层的上面及光栅层表面未被二氧化硅层覆盖的两侧的边缘部分；一背面金属电极层生长在衬底的下面，形成短波长光栅面发射量子级联激光器结构。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构及制备方法。

背景技术

量子级联激光器是一种利用电子在子带间跃迁发光的新型半导体激光器。其激射波长能覆盖3-5μm中红外波段和8-14μm远红外波段两个重要的大气窗口，在痕量气体监测与医疗诊断等领域中具有十分广阔的应用前景。尽管常规的边发射量子级联激光器已经能够实现室温连续波工作和高功率输出，但是仍然存在光束质量不高、远场发散角大的本征性缺点，从而极大地影响了量子级联激光器的实际应用。面发射量子级联激光器则具有远场发散角小和单模工作的优点，因而十分有利于将激光耦合进光学系统等实际应用。此外，由于光垂直器件表面发射，便于实现二维集成和在线检测，从而极大地降低了生产成本，这对于目前昂贵耗时的量子级联激光器生产过程非常有吸引力。

当前的面发射量子级联激光器主要有光栅面发射量子级联激光器和光子晶体面发射量子级联激光器。其中，光子晶体面发射量子级联激光器具有对称的、面包圈形输出光斑的特点，然而光子晶体图形需要很高的厚宽比和精确的二维图形控制，这对目前的光刻工艺是一个很大的挑战，而且光子晶体面发射激光器的损耗很大，难以实现高温工作。相比之下，光栅面发射量子级联激光器只需要在一维上制备二级分布反馈光栅，工艺相对简单，因此成为了国际上面发射量子级联激光器研究的一个热点，并在过去的十年当中已经得到了深入的研究。

尽管对光栅面发射量子级联激光器的研究已经取得了不错的成果，包括室温脉冲激射和1°以内的远场发散角，但是它们都主要集中在波长较长的8-14μm远红外波段甚至太赫兹波段。这些较长的波段所需光栅尺寸较大，能够利用成熟的工艺如接触光刻来实现。然而在波长较短的3-5μm中红外波段，接触光刻无法达到所需的精度。精细的电子束曝光技术则不仅曝光时间很长，价格昂贵，制备效率极低，不适合大规模应用。由于3-5μm中红外波段是CO、N₂O等有害气体的峰值吸收窗口，该波段的面发射量子级联激光器有较为迫切的应用需求。基于此，本专利发明一种方法，能够大面积制备短波长面发射激光器。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构及制备方法。该方法采用双光束干涉的方式制备二级光栅，既能满足接触光刻无法达到的精度要求，又能避免电子束曝光无法大面积制备的缺点，价格低廉，可靠性好，能实现单模、面发射和小发射角。

本发明提供一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构，包括：

一衬底；

一下波导层，该下波导层生长在该衬底上，该下波导层位于衬底的中间部位；

一有源层，该有源层生长在该下波导层上；

一上波导层，该上波导层生长在该有源层上；

一盖层，该盖层生长在该上波导层上，该盖层的上半部位置形成二级分布反馈光栅；

一光栅层，该光栅层位于盖层的上面，并且该光栅层具有与盖层上的光栅相同的光栅周期，在该光栅层上形成有多个窗口，所述窗口的深度到达盖层的表面；

其中所述的下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层的两侧为梯形斜面；

一二氧化硅层，该二氧化硅层生长在衬底的上面和下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层两侧形成的梯形斜面上，及所述光栅层上面两侧的边缘部分；

一正面金属电极层，该正面金属电极层生长在二氧化硅层的上面及光栅层表面未被二氧化硅层覆盖的两侧的边缘部分；

一背面金属电极层，该背面金属电极层生长在衬底的下面，形成短波长光栅面发射量子级联激光器结构。

其中所述的衬底为InP衬底。

其中所述的下波导层和上波导层的材料均为n型InGaAs，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3-9×10¹⁷cm^-3，层厚为0.1-1.0μm。

其中所述的有源层由10-50个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层的厚度为0.5-2.5μm，该有源层的激射波长为3-5μm。

其中所述的盖层的材料为n型InP，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁶cm^-3，厚度为1-3μm；光栅层的材料为n型InP，掺杂浓度为2.5×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1-1.0μm；盖层和光栅层具有总厚度为0.5-2.0μm的二级分布反馈光栅，光栅峰的占空比为0.5-0.8。

本发明还提供一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依序生长有下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层；

步骤2：通过等离子体增强化学气相沉积法在光栅层的上面生长氮化硅；

步骤3：氮化硅层表面匀胶后，通过双光束全息曝光法制备出二级分布反馈光栅的光刻胶图形；

步骤4：以光刻胶图形为掩模，通过干法刻蚀的方法在氮化硅层中刻蚀出二级分布反馈光栅结构的氮化硅图形；

步骤5：以氮化硅图形为掩模，通过干法刻蚀的方法在光栅层和盖层上刻蚀出二级分布反馈光栅结构；

步骤6：用稀释氢氟酸将干法刻蚀后残余的氮化硅漂去；

步骤7：通过光刻和湿法腐蚀的方法，将衬底上的下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层的两侧腐蚀，形成两侧为梯形斜面的条形结构；

步骤8：在衬底的上面，在两侧为梯形斜面的条形结构的表面，采用化学汽相沉积的方法，生长一层二氧化硅层，并通过光刻和湿法腐蚀的方法将光栅层上中间的二氧化硅层刻蚀掉；

步骤9：采用光刻结合带胶蒸发的方法，在二氧化硅层的表面生长正面金属电极层；

步骤10：将衬底减薄、抛光；

步骤11：在减薄后的衬底的背面蒸发背面金属电极层，完成器件的制作。

其中所述的衬底为InP衬底。

其中所述的下波导层和上波导层的材料均为n型InGaAs，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3-9×10¹⁷cm^-3，层厚为0.1-1.0μm。

其中所述的有源层12由10-50个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层的厚度为0.5-2.5μm，该有源层的激射波长为3-5μm。

其中所述的盖层的材料为n型InP，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁶cm^-3，厚度为1-3μm；光栅层的材料为n型InP，掺杂浓度为2.5×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1-1.0μm；盖层和光栅层具有总厚度为0.5-2.0μm的二级分布反馈光栅，光栅峰的占空比为0.5-0.8。

附图说明

为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明的实施例，其是光栅面发射中红外量子级联激光器的波导和二级光栅结构的截面示意图。

图2损耗与占空比关系图。

图3耦合与占空比关系图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构，包括：

一衬底10，该衬底10为InP衬底；

一下波导层11，该下波导层11生长在该衬底10上，该下波导层11位于衬底10的中间部位；

一有源层12，该有源层12生长在该下波导层11上，所述的有源层12由10-50个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层12的厚度为1.0-5μm，该有源层12的激射波长为3-5μm；

一上波导层13，该上波导层13生长在该有源层12上；

所述的下波导层11和上波导层13的材料均为n型InGaAs，掺杂浓度均为1×10¹⁷cm^-3-9×10¹⁷cm^-3，层厚均为0.1-1.0μm；

一盖层14，该盖层14生长在该上波导层13上，该盖层14的上半部位置形成二级分布反馈光栅，盖层14的材料为n型InP，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3-5×10¹⁶cm^-3，厚度为1-3μm；光栅层15的材料为n型InP，掺杂浓度为2.5×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1-1.0μm；盖层14和光栅层15具有总厚度为0.5-2.0μm的二级分布反馈光栅，光栅峰的占空比为0.5-0.8；

一光栅层15，该光栅层15位于盖层14的上面，并且该光栅层15具有与盖层14上的光栅相同的光栅周期，在该光栅层15上形成有多个窗口151，所述窗口151的深度到达盖层14的表面；

一二氧化硅层16，该二氧化硅层16生长在衬底10的上面和下波导层11、有源层12、上波导层13、盖层14和光栅层15两侧形成的梯形斜面上，及所述光栅层15上面两侧的边缘部分；

一正面金属电极层17，该正面金属电极层17生长在二氧化硅层16的上面及光栅层15表面未被二氧化硅层16覆盖的两侧的边缘部分；

一背面金属电极层18，该背面金属电极层18生长在衬底10的下面，形成短波长光栅面发射量子级联激光器结构。

请再参阅图1所示，本发明提供一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底10上依序生长有下波导层11、有源层12、上波导层13、盖层14和光栅层15；

步骤2：通过等离子体增强化学气相沉积法在光栅层15的上面生长氮化硅；

步骤3：氮化硅层表面匀胶后，通过双光束全息曝光法制备出二级分布反馈光栅的光刻胶图形；

步骤4：以光刻胶图形为掩模，通过干法刻蚀的方法在氮化硅层中刻蚀出二级分布反馈光栅结构的氮化硅图形；

步骤5：以氮化硅图形为掩模，通过干法刻蚀的方法在光栅层15和盖层14上刻蚀出二级分布反馈光栅结构；

步骤6：用稀释氢氟酸将干法刻蚀后残余的氮化硅漂去；

步骤7：通过光刻和湿法腐蚀的方法，将衬底10上的下波导层11、有源层12、上波导层13、盖层14和光栅层15的两侧腐蚀，形成两侧为梯形斜面的条形结构；

步骤8：在衬底10的上面，在两侧为梯形斜面的条形结构的表面，采用化学汽相沉积的方法，生长一层二氧化硅层16，并通过光刻和湿法腐蚀的方法将光栅层15上中间的二氧化硅层16刻蚀掉；

步骤9：采用光刻结合带胶蒸发的方法，在二氧化硅层16的表面生长正面金属电极层17；

步骤10：将衬底10减薄、抛光；

步骤11：在减薄后的衬底10的背面蒸发背面金属电极层18，完成器件的制作。

实施例4.6μm的光栅面发射量子级联激光器及制备方法

图1为波长4.6μm的光栅面发射量子级联激光器的波导和二级光栅结构的截面示意图。在n型InP衬底10(3×10¹⁷cm^-3)上依次为InGaAs下波导层11(n型掺杂，6×10¹⁷cm^-3，厚度0.3μm)、30级InGaAs/InAlAs有源层10(注入区的掺杂浓度为2.5×10¹⁷cm^-3，厚度1.51μm)、InGaAs上波导层13(n型掺杂，6×10¹⁷cm^-3，厚度0.3μm)、InP盖层14(n型掺杂，2.2×10¹⁶cm^-3，厚度2.1μm)和InP高掺杂层15(n型掺杂，2.5×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3，厚度0.5μm)。

该结构的特点在于：(1)盖层14和顶层15采用InP材料，相比早期采用InAlAs作为盖层，InP的导热性更好，有利于器件的高温工作；(2)顶层15是高掺杂层，不仅极大地降低了折射率，能将光场更好地限制在波导层内，而且利于表面电注入。此外，顶层15和盖层14还具有表面等离子增强效应，能进一步加强光限制。

盖层14和高掺层15具有总厚度为1μm的空气/半导体二级光栅，光栅峰在一个光栅周期的占空比为0.5。足够大的光栅深度和占空比能够获得较高的耦合系数和面耦合效率，从而提高光栅面发射激光器的性能。

二级分布反馈光栅周期满足Λ＝λ/n。本实例中，设计波长λ＝4.6μm，有效折射率n为3-3.2，故设计二级光栅周期为1.48-1.5μm。

正面金属电极层17只覆盖在光栅层15表面的两边。该结构的优点在于：既避免了波导中较大的金属吸收损耗，又能够允许侧向电流注入。

为获得上述深刻蚀、大占空比的光栅结构，本实例所述的二级光栅的具体制备步骤是：

(1)用等离子增强化学气相沉积法在高掺层15上生长180nm的氮化硅；

(2)将光刻胶S1805与稀释剂以1∶1的体积比配稀释，旋涂在氮化硅层表面。匀胶机转速为4000转/分，甩胶时间为30秒，可得厚度均匀的200nm薄胶。

(3)全息曝光时间30秒。将四甲基氢氧化铵原溶液和去离子水以1∶5体积配比，制成显影液。显影时间60秒，可获得光栅峰占空比达0.5-0.6的胶图形；

(4)利用光刻胶图形作为为掩模，在CF4气体氛围中干刻将胶图形转移到氮化硅上。

(5)利用氮化硅图形作为掩模，在SiCl4/Ar的气体氛围中干刻将图形转移到高掺层15和盖层14中。刻蚀深度可达1μm。

(6)先后用丙酮和稀氢氟酸洗去样品表面残余的光刻胶和氮化硅，完成所需的深刻蚀、大占空比的二级光栅制备。

以下详细说明上述所提供的短波长面发射量子级联激光器的波导结构和二级光栅结构的设计要点。

二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器利用二级光栅的对光的垂直衍射而获得垂直发射，其光栅的耦合系数直接决定了器件的性能。而耦合系数的大小主要取决于两个因素，即光栅底部和光栅顶部的模式有效折射率之差和光场与光栅的交叠程度。根据无限腔长周期性结构的Floquet-Bloch理论和有限腔长结构的耦合模理论，盖层14和光栅层15中光栅峰的占空比强烈影响二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器的面辐射损耗和耦合系数。如图2所示，当占空比较小(占空比小于0.3)时，由于光栅中半导体的比例较小，导致光场与光栅间的交叠较小，所以面辐射损耗和衬底损耗都比较小，因而垂直耦合效率很小。当占空比过大(占空比大于0.8)时，虽然光栅层中较大的半导体比例保证了较大的光场与光栅间的交叠，但是此时光栅顶部与光栅底部所在波导结构的模式有效折射率差随着光栅周期性变化所形成的微扰强度很小，两者相互抵消导致较小的面辐射损耗。因而占空比取在0.5-0.8之间能取得较大的面辐射损耗，而总的波导损耗增加相对较小，这样使得光的面耦合效率较高。对于二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器的耦合系数，如图3所示，当占空比较小时，耦合系数较小，这源于光栅层中半导体比例较小，使得光栅对光场的布拉格衍射作用较弱。随着光栅占空比增加，耦合系数变大，并在占空比为0.65左右时达到极大，随后又开始减小。综上，为了得到大的面辐射损耗和耦合系数，盖层14和光栅层15中光栅占空比应选择在0.5-0.8之间。

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，所应理解的是，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。