CN100461558C - 一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构，其特征在于，该结构包括：一衬底；一量子级联激光器谐振腔，该量子级联激光器谐振腔制作在衬底上；一一维光子晶体结构，该一维光子晶体结构由深刻蚀形成的空气介质与激光器材料介质交替重复多个周期组成，该一维光子晶体结构位于量子级联激光器谐振腔的后腔面，该一维光子晶体结构制作在衬底上；一下欧姆接触层，该下欧姆接触层蒸镀在衬底背面。

Description

一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构及制造方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，是一种将一维光子晶体结构应用于量子级联激光器的管芯结构，本方法的独特之处在于利用一维光子晶体可以减小光的腔面损耗。本发明是涉及一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构及制造方法。

背景技术

中红外波段3～5μm和远红外波段8～12μm是两个非常重要的大气窗口，工作于该波段的激光器和探测器在大气环境监测以及红外对抗等领域具有十分广阔的应用前景。量子级联激光器波长位于中远红外，能够覆盖这两个大气窗口，是“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型器件。

量子级联激光器作为一种基于子带间电子跃迁的单极性光源与普通的半导体激光器相比具有以下优点：首先其激射波长与有源区材料的禁带宽度无关，主要由有源区的量子阱厚度决定；人们可以选取研究得更加成熟和更加可靠的材料，通过调整量子阱的宽度，可以在很大的波长范围内改变激射波长；其次，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；还有，其激发过程本质上是一种载流子在导带内子带间的跃迁，子带间俄歇复合可以忽略，理论上量子级联激光器具有较高的特征温度。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。

采用应变补偿技术的磷化铟基量子级联激光器，由于InGaAs/InAlAs形成的导带不连续能量差较大，使器件性能提高，是目前研究与应用较为广泛的一种材料结构体系。

本发明是一种新型结构，将一维光子晶体应用于应变补偿的磷化铟基量子级联激光器。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构及制造方法，其利用了一维光子晶体在其折射率周期变化的方向上存在光子带隙，处于光子带隙中光沿着光子晶体折射率周期变化的方向不能传播的原理，将一维光子晶体作为激光器谐振腔的后腔面来增大谐振腔的后腔面反射率，以提高激光器性能。

本发明一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构，其特征在于，该结构包括：

一衬底；

一量子级联激光器谐振腔，该量子级联激光器谐振腔制作在衬底上；

一一维光子晶体结构，该一维光子晶体结构由深刻蚀形成的空气介质与激光器材料介质交替重复多个周期组成，该一维光子晶体结构位于量子级联激光器谐振腔的后腔面，该一维光子晶体结构制作在衬底上；

一下欧姆接触层，该下欧姆接触层蒸镀在衬底背面。

其中衬底为磷化铟材料。

其中管芯结构激光器谐振腔的断面结构包括：

一下覆盖层，该下覆盖层生长在衬底上；

一有源层，该有源层生长在下覆盖层上；

一上覆盖层，该上覆盖层生长在有源层上；

一波导层，该波导层生长在上覆盖层上；

一接触层，该接触层生长在波导层上；

一隔离层，该隔离层淀积在接触层上和衬底上，并且覆盖了下覆盖层、有源层、上覆盖层、波导层、接触层的两侧侧面；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，该上欧姆接触层蒸镀在隔离层上，并覆盖住电流注入窗口。

其中管芯结构一维光子晶体结构的断面结构包括：

一下覆盖层，该下覆盖层生长在衬底上；

一有源层，该有源层生长在下覆盖层上；

一上覆盖层，该上覆盖层生长在有源层上；

一波导层，该波导层生长在上覆盖层上；

一接触层，该接触层生长在波导层上；

一隔离层，该隔离层淀积在接触层上和衬底上，并且覆盖了下覆盖层、有源层、上覆盖层、波导层、接触层的两侧侧面。

本发明一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)在衬底上采用分子束外延的方法依次生长下覆盖层、有源层、上覆盖层、波导层、接触层；

2)采用曝光和干法刻蚀技术，将衬底上生长的材料两侧刻蚀，形成断面为倒T型的脊形结构；同时在衬底上生长的材料所形成的脊形结构的一端纵向刻蚀出空气介质与激光器材料介质的多个重复周期的结构，形成一维光子晶体结构和量子级联激光器谐振腔；

3)在衬底的上表面和衬底上生长的材料表面及两侧淀积一层隔离层；

4)采用光刻和化学腐蚀的方法，在量子级联激光器谐振腔上的隔离层中间形成一电流注入窗口；

5)在管芯结构的上表面生长上欧姆接触层，该上欧姆接触层覆盖电流注入窗口；

6)采用化学方法将一维光子晶体结构的上欧姆接触层腐蚀掉；

7)将衬底减薄；

8)在衬底的背面生长下欧姆接触层；

9)解理，完成管芯的制作。

其中衬底为磷化铟材料。

采用本发明的结构，空气介质2与激光器材料介质3交替重复3个周期就可以使磷化铟基量子级联激光器谐振腔腔面的反射率从理论上28.0％提高到96.1％，使器件有更小的阈值电流和更高的输出功率；同时，本发明是一种独石器件结构，为其广泛应用奠定了基础。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作详细的描述，其中：

图1是本发明一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构的三维示意图；

图2是图1中激光器谐振腔4的横截面图；

图3是图1中一维光子晶体结构1的横截面图；

图4是本发明的一具体实施例。

具体实施方式

请参阅图1、图2及图3所示，本发明一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构，该结构包括：

一衬底6，该衬底6为磷化铟材料；

一量子级联激光器谐振腔4(图1中)，该量子级联激光器谐振腔4制作在衬底6上；

该管芯结构量子级联激光器谐振腔4(图2中)的断面结构包括：

一下覆盖层7，该下覆盖层7生长在衬底6上；

一有源层8，该有源层8生长在下覆盖层7上；

一上覆盖层9，该上覆盖层9生长在有源层8上；

一波导层10，该波导层10生长在上覆盖层9上；

一接触层11，该接触层11生长在波导层10上；

一隔离层12，该隔离层12淀积在接触层11上和衬底6上，并且覆盖了下覆盖层7、有源层8、上覆盖层9、波导层10、接触层11的两侧侧面；该隔离层12的中间纵向开有一电流注入窗口13；

一上欧姆接触层14，该上欧姆接触层14蒸镀在隔离层12上，并覆盖住电流注入窗口13；

一一维光子晶体结构1(图1中)，该一维光子晶体结构1由深刻蚀形成的空气介质2与激光器材料介质3交替重复多个周期组成，该一维光子晶体结构1位于量子级联激光器谐振腔4的后腔面，该一维光子晶体结构1制作在衬底6上；

该管芯结构一维光子晶体结构1(图3中)的断面结构包括：

一下覆盖层7，该下覆盖层7生长在衬底6上；

一有源层8，该有源层8生长在下覆盖层7上；

一上覆盖层9，该上覆盖层9生长在有源层8上；

一波导层10，该波导层10生长在上覆盖层9上；

一接触层11，该接触层11生长在波导层10上；

一隔离层12，该隔离层12淀积在接触层11上和衬底6上，并且覆盖了下覆盖层7、有源层8、上覆盖层9、波导层10、接触层11的两侧侧面；

一下欧姆接触层15，该下欧姆接触层15蒸镀在衬底6背面。

请再参阅图1、图2及图3所示，本发明一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构的制作方法，该方法包括如下步骤：

1)在衬底6上采用分子束外延的方法依次生长下覆盖层7、有源层8、上覆盖层9、波导层10、接触层11；该衬底6为磷化铟材料；

2)采用曝光和干法刻蚀技术，将衬底6上生长的材料两侧刻蚀，形成断面为倒T型的脊形结构；同时在衬底6上生长的材料所形成的脊形结构的一端纵向刻蚀出空气介质2与激光器材料介质3的多个重复周期的结构，形成一维光子晶体结构1和量子级联激光器谐振腔4；

3)在衬底6的上表面和衬底6上生长的材料表面及两侧淀积一层隔离层12；

4)采用光刻和化学腐蚀的方法，在量子级联激光器谐振腔4上的隔离层12中间形成一电流注入窗口13；

5)在管芯结构的上表面生长上欧姆接触层14，该上欧姆接触层14覆盖电流注入窗口13；

6)采用化学方法将一维光子晶体结构1的上欧姆接触层14腐蚀掉；

7)将衬底6减薄；

8)在衬底6的背面生长下欧姆接触层15；

9)解理，完成管芯的制作。

实施例

本发明是一种将一维光子晶体结构应用于量子级联激光器的管芯结构，如图1，该结构包括：衬底6、量子级联激光器谐振腔4和一维光子晶体结构1三个部分。

为了提高半导体激光器的腔面反射率，减小腔面损耗，一般采取腔面镀金属反射膜或者多层光学介质膜的方法。我们采用了一种新的设计，在制作量子级联激光器谐振腔4的同时，在量子级联激光器谐振腔4的后腔面同步制作了一维光子晶体结构1(图1中)，该一维光子晶体结构1由深刻蚀形成的空气介质2与激光器材料介质3交替重复多个周期组成。空气介质2与激光器材料介质3交替重复3个周期就可以使磷化铟基量子级联激光器谐振腔后腔面的反射率从理论上28.0％提高到96.1％，使器件有更小的阈值电流和更高的输出功率。同时，一维光子晶体结构1与量子级联激光器谐振腔4(图1中)同步制作完成，是一种独石器件结构，为其广泛应用奠定了基础。

具体的实施步骤：

(1)量子级联激光器材料的分子束外延生长。我们采用了n型掺杂或者半绝缘的磷化铟材料作为量子级联激光器的衬底；并采用分子束外延技术在衬底6上依次外延生长了下覆盖层7、有源层8、上覆盖层9、波导层10、接触层11。其中下覆盖层7为300纳米的低n型掺杂的InGaAs层，且选择合适组分的InGaAs，使其晶格常数与衬底6匹配，为下一步生长有源层搭建了一个良好的平台。

有源层8包括多个标称上相同的重复单元；每一重复单元由有源区和注入区组成，在功能上有源区能够完成载流子在上下子能带间的跃迁，产生光子发射；注入区将载流子驰豫到下一重复单元重复利用。正是基于子带间电子跃迁，量子级联激光器才与普通的半导体激光器相比具有以下优点：首先其激射波长与有源区材料的禁带宽度无关，主要由有源区的量子阱厚度决定；其次，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；还有，其激发过程本质上是一种载流子在导带内子带间的跃迁，子带间俄歇复合可以忽略，理论上量子级联激光器具有较高的特征温度；有源层8中的重复单元我们采用应变已互为补偿的AlGaAs和InGaAs材料。采用应变补偿技术，使InGaAs/InAlAs形成的导带不连续能量差增大，因而电子隧穿进入连续带的几率变小，使器件特征温度提高，性能变好。

上覆盖层9为350纳米的晶格常数与衬底6匹配的低n型掺杂的InGaAs层，它与下覆盖层7一起包住了整个有源层8，吸收有源层8中可能产生的应力，提高材料的生长质量。

波导层10为n型掺杂浓度从低到高渐变的InGaAs层或InP层，厚度在2～3微米。由于有源层8的折射率大于InGaAs或InP，且波导层10折射率随掺杂浓度从低到高渐变而逐渐变小，使波导层10和衬底6对有源层8产生的光形成了有效的光学限制，理论计算限制因子可达68％。

接触层11为高n型掺杂的InGaAs层，其主要目的是能与上欧姆接触层14形成良好的欧姆接触，减少由于接触电阻带来了热效应。

(2)完成上述了量子级联激光器材料的分子束外延生长后，采用曝光和干法刻蚀技术，将衬底6上生长的材料两侧刻蚀，形成断面为倒T型的脊形结构；在衬底6上生长的材料所形成的脊形结构的一端纵向刻蚀出空气介质2与激光器材料介质3的多个重复周期的结构，形成一维光子晶体结构1和量子级联激光器谐振腔4。

图1显示了本发明的示例性立体结构图，由一维光子晶体结构1和量子级联激光器谐振腔4组成；其中：一维光子晶体结构1位于量子级联激光器谐振腔4后腔面，由深刻蚀形成的空气介质2与激光器材料介质3交替重复多个周期组成；调节空气介质2与激光器材料介质3的厚度，使有源层发射的光频率恰好位于一维光子晶体光子带隙中，使谐振腔后腔面的反射率大大增加，理论上空气介质2与激光器材料介质3交替重复3个周期反射率就到达96.1％。

图1中的脊形高度即刻蚀的深度H在结构上应超过有源层8与下覆盖层7，目的有两个：第一提高了器件的横向电学和光学限制，以减小器件的电功率消耗、降低器件工作的阈值电流；第二，刻蚀形成的空气介质2与激光器材料介质3组成的一维光子晶体1能够调制谐振腔有源层的光发射，起到增大反射率的作用。脊宽W采用20～30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。

(3)淀积隔离层12。该隔离层12淀积在接触层11上和衬底6上，并且覆盖了下覆盖层7、有源层8、上覆盖层9、波导层10、接触层11的两侧侧面。

图2中所示隔离层12采用CVD法淀积Si02或Si3N4在已形成脊形结构上，隔离层12厚度要求大于350纳米，并致密均匀覆盖整个器件材料上表面尤其是要保证脊形两侧被完全覆盖。

(4)采用光刻和化学腐蚀的方法，在量子级联激光器谐振腔4上的隔离层12中间形成一电流注入窗口13。

(5)在管芯结构的上表面生长上欧姆接触层14，该上欧姆接触层14覆盖电流注入窗口13。图2中所示上欧姆接触层14采用蒸镀的方法淀积Ti/Au材料。

(6)采用化学方法将一维光子晶体结构1的上欧姆接触层14腐蚀掉。期间采用光刻胶保护量子级联激光器谐振腔4。这样，在保证量子级联激光器谐振腔4完整性的同时，使一维光子晶体结构1没有电流的注入，减小一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯的热效应。由于隔离层12的存在，使化学方法腐蚀一维光子晶体结构1的上欧姆接触层14时，不会腐蚀到一维光子晶体结构1的激光器材料介质3。

(7)将衬底6减薄。衬底减薄有利于器件在工作中散热，衬底6减薄后的厚度在120～150微米。

(8)在衬底6的背面生长下欧姆接触层15。采用蒸镀的方法淀积Ti/Au材料。

(9)解理，完成管芯的制作。腔长在1～3毫米。

图4为应用本发明的一个具体实施例，其中：

先将铜热沉17先采用电镀方式镀铟，再将本发明的一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯16采用倒装方式用铟焊接在铜热沉17上，这种外延面朝下的工作方式有利于器件有源层的散热；然后在真空炉中进行烧结。

对于倒装方式，铟的厚度和烧结的温度非常重要。太厚的铟和过高的烧结温度，会使铟沿着量子级联激光器管芯16的侧面爬过有源层8，直接导致有源层8的短路而不能激射；铟层很薄会使量子级联激光器管芯16虚焊，使导热性能变差，影响量子级联激光器的性能。我们采用的参数：铟厚度3～5微米；烧结温度190摄氏度。

一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯16利用超声波点焊技术将金丝20引到陶瓷片上，陶瓷片上下面都已镀金，外接电极线采用铜线21从陶瓷片引出。器件的电源接入线正极为铜线21，负极为铜热沉17。这样就完成了一维光子晶体调制的量子级联激光器器件。

Claims (1)

1.一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)在磷化铟衬底上采用分子束外延的方法依次生长下覆盖层、有源层、上覆盖层、波导层、接触层；

2)采用曝光和干法刻蚀技术，将衬底上生长的材料两侧刻蚀，形成断面为倒T型的脊形结构；同时在衬底上生长的材料所形成的脊形结构的一端纵向刻蚀出空气介质与激光器材料介质的多个重复周期的结构，形成一维光子晶体结构和量子级联激光器谐振腔；

3)在衬底的上表面和衬底上生长的材料表面及两侧淀积一层隔离层；

4)采用光刻和化学腐蚀的方法，在量子级联激光器谐振腔上的隔离层中间形成一电流注入窗口；

5)在管芯结构的上表面生长上欧姆接触层，该上欧姆接触层覆盖电流注入窗口；

6)采用化学方法将一维光子晶体结构的上欧姆接触层腐蚀掉；

7)将衬底减薄；

8)在衬底的背面生长下欧姆接触层；

9)解理，完成管芯的制作；

其中量子级联激光器谐振腔的断面结构包括：一下覆盖层，该下覆盖层生长在衬底上；一有源层，该有源层生长在下覆盖层上；一上覆盖层，该上覆盖层生长在有源层上；一波导层，该波导层生长在上覆盖层上；一接触层，该接触层生长在波导层上；一隔离层，该隔离层淀积在接触层上和衬底上，并且覆盖了下覆盖层、有源层、上覆盖层、波导层、接触层的两侧侧面；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，该上欧姆接触层蒸镀在隔离层上，并覆盖住电流注入窗口；

一维光子晶体结构的断面结构包括：一下覆盖层，该下覆盖层生长在衬底上；一有源层，该有源层生长在下覆盖层上；一上覆盖层，该上覆盖层生长在有源层上；一波导层，该波导层生长在上覆盖层上；一接触层，该接触层生长在波导层上；一隔离层，该隔离层淀积在接触层上和衬底上，并且覆盖了下覆盖层、有源层、上覆盖层、波导层、接触层的两侧侧面。

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