專利名稱：鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種具有良好的載流子限制和光學(xué)限制的GaAs基量子級聯(lián)激光器管芯結(jié)構(gòu)，尤其是單側(cè)腔面的高反鍍膜減少了光的腔面損耗。本發(fā)明還涉及制造GaAs基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的方法及工藝。
背景技術(shù)：
1994年量子級聯(lián)激光器的發(fā)明開創(chuàng)了“能帶工程”設(shè)計與高精度的分子束外延材料生長技術(shù)相結(jié)合的新里程。量子級聯(lián)激光器作為一種基于子帶間電子躍遷的中、遠(yuǎn)紅外單極光源與普通的半導(dǎo)體注入激光器相比具有以下優(yōu)點(1)波長與所用材料的帶隙無直接關(guān)系而是由導(dǎo)帶中的分立子能級的相對位置確定，而這一相對位置可以通過調(diào)整有源區(qū)量子阱的厚度得以實現(xiàn)，理論上量子級聯(lián)激光器的波長可以覆蓋兩個大氣窗口，并可以向遠(yuǎn)紅外方向拓展；(2)單極載流子的躍遷產(chǎn)生的光具有單向偏振(TM波)性，并且這些躍遷態(tài)的聯(lián)合態(tài)密度類似于δ函數(shù)，對應(yīng)的增益譜很窄、對稱和具有較小的溫度敏感系數(shù)，因此可望得到很低的閾值電流和單縱模輸出。(3)子帶間俄歇復(fù)合可以忽略，因而量子級聯(lián)激光器具有較高的特征溫度，有利于器件的室溫工作。正是由于具有這些特點，量子級聯(lián)激光器成為國際上研究的一大熱點，所用材料體系也迅速由InGAs/InAlAs/InP擴(kuò)展到AlGaAs/GaAs。GaAs基量子級聯(lián)激光器的出現(xiàn)，在器件的設(shè)計制作和處理工藝上開辟了有意義的前景。另一方面價格便宜的GaAs襯底以及成熟的材料工藝，也是吸引人們研制GaAs基量子級聯(lián)激光器的一個主要因素。
本發(fā)明基于簡單而成熟的材料生長方法和器件處理工藝來完成復(fù)雜的GaAs基量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種GaAs基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)及其制作方法。其具有工藝簡單、設(shè)備儀器要求低、光的發(fā)射耦合輸出系數(shù)大的優(yōu)點。
本發(fā)明一種鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括一襯底；一下覆蓋層，該下覆蓋層生長在襯底上；一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在下覆蓋層上，該下波導(dǎo)層的兩側(cè)形成有一低于中間部位的臺階，中間為脊形；
一有源層，該有源層生長在下波導(dǎo)層上的中間部位；一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層生長在有源層上；一上覆蓋層，該上覆蓋層生長在上波導(dǎo)層上；一隔離層，該隔離層淀積在上覆蓋層上并覆蓋脊形的兩側(cè)及下波導(dǎo)層兩邊的上面，該隔離層的中間縱向開有一電流注入窗口；一上歐姆接觸層，該上歐姆接觸層熱蒸發(fā)在隔離層上，并覆蓋住電流注入窗口；一下歐姆接觸層，該下歐姆接觸層制作在襯底的背面。
其中有源層包括多個標(biāo)稱上相同的重復(fù)單元，每一重復(fù)單元在功能上能夠完成載流子在結(jié)構(gòu)所提供的上下子能帶間的躍遷而導(dǎo)致波長λ的光子發(fā)射，同時將載流子馳豫到下一重復(fù)單元。
其中所述的重復(fù)單元為AlGaAs和GaAs材料。
其中上、下波導(dǎo)層為低n型摻雜的GaAs層。
其中上、下覆蓋層為高n型摻雜的GaAs層。
其中隔離層為二氧化硅或氮化硅材料。
其中在器件管芯的一端蒸鍍有高反膜。
本發(fā)明一種鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)在襯底上利用分子束外延的方法依次生長下覆蓋層、下波導(dǎo)層有源層、上波導(dǎo)層、上覆蓋層；2)采用光刻腐蝕的方法，在器件中間形成縱向的脊形結(jié)構(gòu)；3)在器件的上表面淀積一層隔離層；4)采用光刻腐蝕的方法，在脊形結(jié)構(gòu)中間的隔離層上形成有一電流注入窗口；5)在器件的上表面生長一上歐姆接觸層；6)將襯底減??；7)在襯底的背面生長一下歐姆接觸層；8)快速熱退火；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。
其中有源層包括多個標(biāo)稱上相同的重復(fù)單元，每一重復(fù)單元在功能上能夠完成載流子在結(jié)構(gòu)所提供的上下子能帶間的躍遷而導(dǎo)致波長λ的光子發(fā)射，同時將載流子馳豫到下一重復(fù)單元。
其中所述的重復(fù)單元為AlGaAs和GaAs材料。
其中上下波導(dǎo)層為低摻雜的GaAs層。
其中上下覆蓋層為高n型摻雜的GaAs層。
其中隔離層為二氧化硅或氮化硅材料。
其中光刻腐蝕是采用濕法刻蝕或干法刻蝕的方法。
其中端面鍍膜采用氧化物、金屬交替層。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，以下結(jié)合幅圖及實施例對本發(fā)明作一詳細(xì)地描述，其中圖1是本發(fā)明的一種示例性GaAs基量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的立體圖；圖2顯示了一種GaAs基量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3顯示了一種GaAs基量子級聯(lián)激光器具體的實施例。
具體實施例方式
請采用圖1及圖2，本發(fā)明一種鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一襯底10；一下覆蓋層11，該下覆蓋層11生長在襯底10上；該下覆蓋層11為高n型摻雜的GaAs層；一下波導(dǎo)層12，該下波導(dǎo)層12生長在下覆蓋層11上，該下波導(dǎo)層12的兩側(cè)形成有一低于中間部位的臺階，中間為脊形；該下波導(dǎo)層12為低n型摻雜的GaAs層；一有源層13，該有源層13生長在下波導(dǎo)層12上的中間部位；該有源層13包括多個標(biāo)上相同的重復(fù)單元，每一重復(fù)單元在功能上能夠完成載流子在結(jié)構(gòu)所提供的上下子能帶間的躍遷而導(dǎo)致波長λ的光子發(fā)射，同時將載流子馳豫到下一重復(fù)單元；該重復(fù)單元為AlGaAs和GaAs材料；一上波導(dǎo)層14，該上波導(dǎo)層14生長在有源層13上；該上波導(dǎo)層14為低n型摻雜的GaAs層；一上覆蓋層15，該上覆蓋層15生長在上波導(dǎo)層14上；該上覆蓋層15為高n型摻雜的GaAs層；一隔離層16，該隔離層16淀積在上覆蓋層15上并覆蓋脊形的兩側(cè)及下波導(dǎo)層12兩邊的上面，該隔離層16的中間縱向開有一電流注入窗口18；該隔離層16為二氧化硅或氮化硅材料；一上歐姆接觸層17，該歐姆接觸層17熱蒸發(fā)在隔離層16上，并覆蓋住電流注入窗口18；一下歐姆接觸層19，該下歐姆接觸層19制作在襯底10的背面；在器件管芯的一端蒸鍍有高反膜。
請再結(jié)合采用圖1及圖2，本發(fā)明一種鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)在襯底10上利用分子束外延的方法依次生長下覆蓋層11、下波導(dǎo)層12有源層13、上波導(dǎo)層14、上覆蓋層15；其中該有源層13包括多個標(biāo)稱上相同的重復(fù)單元，每一重復(fù)單元在功能上能夠完成載流子在結(jié)構(gòu)所提供的上下子能帶間的躍遷而導(dǎo)致波長λ的光子發(fā)射，同時將載流子馳豫到下一重復(fù)單元；該重復(fù)單元為AlGaAs和GaAs材料；該上、下波導(dǎo)層14、12為低摻雜的GaAs層；該上、下覆蓋層15、11為高n型摻雜的GaAs層；2)采用光刻腐蝕的方法，在器件中間形成縱向的脊形結(jié)構(gòu)；3)在器件的上表面淀積一層隔離層16；該隔離層16為二氧化硅或氮化硅材料；4)采用光刻腐蝕的方法，在脊形結(jié)構(gòu)中間的隔離層16上形成有一電流注入窗口18；所述的光刻腐蝕是采用濕法刻蝕或干法刻蝕的方法；5)在器件的上表面生長一上歐姆接觸層17；6)將襯底減??；7)在襯底10的背面生長一下歐姆接觸層19；8)快速熱退火；9)在垂直于脊形的方向解理，在器件的一端采用氧化物、金屬交替蒸度高反膜，完成器件管芯的制作。
再結(jié)合參閱圖1及圖2，圖1顯示了本發(fā)明的示例性立體結(jié)構(gòu)圖，圖2顯示了本發(fā)明的橫向截面結(jié)構(gòu)圖。在示例情況下，管芯結(jié)構(gòu)是由在襯底10上生長有多層結(jié)構(gòu)的器件材料通過進(jìn)行雙溝刻蝕而形成的脊形結(jié)構(gòu)。如圖2所示，襯底10以上的多層結(jié)構(gòu)由下到上依次為下覆蓋層11、下波導(dǎo)層12、有源層13、上波導(dǎo)層14、上覆蓋層15。這個多層結(jié)構(gòu)通過分子束外延方法精確控制生長厚度和摻雜濃度。其中有源層13包括多個標(biāo)稱上相同的重復(fù)單元，每一重復(fù)單元在功能上能夠完成載流子在結(jié)構(gòu)所提供的上下子能帶間的躍遷而導(dǎo)致波長λ的光子發(fā)射，同時將載流子馳豫到下一重復(fù)單元。每個這樣的重復(fù)單元在材料結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為AlGaAs和GaAs交替，從而在導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為勢壘和勢阱的交替，這些耦合在一起的量子勢阱形成不同的子能帶。
圖2中所示結(jié)構(gòu)中上、下波導(dǎo)層14、12和上、下覆蓋層15、11均采用GaAs材料。其中上、下波導(dǎo)層采用較低的Si摻雜，以減小光的載流子散射從而降低波導(dǎo)損耗；上、下覆蓋層15、11采用較高的摻雜以降低折射率從而形成有效的光學(xué)限制，摻雜水平取決于要求該層等離子振蕩頻率接近該器件的光激射頻率。各層的厚度綜合考慮激射波長。
圖1、圖2中所示脊形結(jié)構(gòu)通過光刻和濕法化學(xué)腐蝕或干法等離子刻蝕而形成，脊形高度即兩側(cè)溝的深度h應(yīng)有一定的限制，在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為溝深超過有源層。目的在于提高器件的橫向電學(xué)和光學(xué)限制，以減小器件的電功率消耗和降低器件工作的閾值電流。脊寬WR采用30-50微米。過小的脊寬雖有利于降低功率耗散但卻相對增強(qiáng)脊形兩側(cè)的粗糙度散射效應(yīng)，同時過大則會增強(qiáng)功率耗散。兩種情況都會增加器件閾值電流密度，惡化器件性能。
圖1、圖2中所示隔離層16采用CVD法或PECVD淀積SiO2或Si3N4在已形成脊形結(jié)構(gòu)器件材料上，隔離層16的厚度t要求在300-500納米，并均勻覆蓋整個器件材料上表面尤其是要保證脊形兩側(cè)的溝道被覆蓋。
圖1、圖2中所示電學(xué)注入窗口18采用光刻和濕法化學(xué)腐蝕或干法等離子刻蝕完成，保證窗口區(qū)開在脊形的中央并且清潔。窗口寬度WW對應(yīng)于脊形寬度WR采用10-30微米。
圖1、圖2中所示上、下歐姆接觸17、19采用熱蒸發(fā)法形成。其中上歐姆接觸層17采用Ti-Pt-Au或Ti-Au材料，下歐姆接觸層19采用Au-Ge-Ni并合金化。下歐姆接觸層19采用Au-Ge-Ni材料主要考慮到沉底摻雜水平。合金化采用快速熱退火。
圖1、圖2中所示下歐姆接觸19在制作之前應(yīng)進(jìn)行襯底減薄以利于器件工作中散熱，減薄后的器件材料保證在120-150微米。
圖1、圖2中所示管芯結(jié)構(gòu)在制作過成中是由分布在同一器件材料上眾多相同結(jié)構(gòu)解理而成，最終管芯腔長解理為1-3毫米。解理面作為光學(xué)振蕩腔的腔面。
圖1中所示單側(cè)腔面鍍膜6采用離子束濺射或電子束蒸發(fā)氧化物Al2O3，然后熱蒸發(fā)Ti-Au，最后再淀積一層Al2O3
實施例圖3是展示本發(fā)明封裝前GaAs基量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的實施例。激光器管芯采用外延面朝下焊接在銅熱沉上，這種倒裝方式利于工作中器件有源層中熱量的導(dǎo)出。焊接前熱沉先鍍銦20，然后將激光器管芯倒貼在熱沉上，在真空爐中進(jìn)行燒結(jié)。為保證燒結(jié)過程中溶化的銦不污染出光腔面，管芯安放時適當(dāng)將出光面突出熱沉邊緣。管芯采用多根金絲21引線到旁邊的陶瓷片上，引線金絲數(shù)≥4根以利于該種類器件所需大電流工作。電極線采用單根銅線22從陶片引出。
權(quán)利要求
1.一種鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括一襯底；一下覆蓋層，該下覆蓋層生長在襯底上；一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在下覆蓋層上，該下波導(dǎo)層的兩側(cè)形成有一低于中間部位的臺階，中間為脊形；一有源層，該有源層生長在下波導(dǎo)層上的中間部位；一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層生長在有源層上；一上覆蓋層，該上覆蓋層生長在上波導(dǎo)層上；一隔離層，該隔離層淀積在上覆蓋層上并覆蓋脊形的兩側(cè)及下波導(dǎo)層兩邊的上面，該隔離層的中間縱向開有一電流注入窗口；一上歐姆接觸層，該上歐姆接觸層熱蒸發(fā)在隔離層上，并覆蓋住電流注入窗口；一下歐姆接觸層，該下歐姆接觸層制作在襯底的背面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中有源層包括多個標(biāo)稱上相同的重復(fù)單元，每一重復(fù)單元在功能上能夠完成載流子在結(jié)構(gòu)所提供的上下子能帶間的躍遷而導(dǎo)致波長λ的光子發(fā)射，同時將載流子馳豫到下一重復(fù)單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述的重復(fù)單元為AlGaAs和GaAs材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中上、下波導(dǎo)層為低n型摻雜的GaAs層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中上、下覆蓋層為高n型摻雜的GaAs層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中隔離層為二氧化硅或氮化硅材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中在器件管芯的一端蒸鍍有高反膜。
8.一種鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)在襯底上利用分子束外延的方法依次生長下覆蓋層、下波導(dǎo)層有源層、上波導(dǎo)層、上覆蓋層；2)采用光刻腐蝕的方法，在器件中間形成縱向的脊形結(jié)構(gòu)；3)在器件的上表面淀積一層隔離層；4)采用光刻腐蝕的方法，在脊形結(jié)構(gòu)中間的隔離層上形成有一電流注入窗口；5)在器件的上表面生長一上歐姆接觸層；6)將襯底減??；7)在襯底的背面生長一下歐姆接觸層；8)快速熱退火；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.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，其中有源層包括多個標(biāo)稱上相同的重復(fù)單元，每一重復(fù)單元在功能上能夠完成載流子在結(jié)構(gòu)所提供的上下子能帶間的躍遷而導(dǎo)致波長λ的光子發(fā)射，同時將載流子馳豫到下一重復(fù)單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，其中所述的重復(fù)單元為AlGaAs和GaAs材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，其中上下波導(dǎo)層為低摻雜的GaAs層。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，其中上下覆蓋層為高n型摻雜的GaAs層。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，其中隔離層為二氧化硅或氮化硅材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，其中光刻腐蝕是采用濕法刻蝕或干法刻蝕的方法。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，其中端面鍍膜采用氧化物、金屬交替層。
全文摘要
一種鎵砷基量子級聯(lián)激光器管芯單元結(jié)構(gòu)，包括一襯底；一下覆蓋層，該下覆蓋層生長在襯底上；一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在下覆蓋層上，該下波導(dǎo)層的兩側(cè)形成有一低于中間部位的臺階，中間為脊形；一有源層，該有源層生長在下波導(dǎo)層上的中間部位；一上波導(dǎo)層生長在有源層上；一上覆蓋層生長在上波導(dǎo)層上；一隔離層淀積在上覆蓋層上并覆蓋脊形的兩側(cè)及下波導(dǎo)層兩邊的上面，該隔離層的中間縱向開有一電流注入窗口；一上歐姆接觸層，該上歐姆接觸層熱蒸發(fā)在隔離層上，并覆蓋住電流注入窗口；一下歐姆接觸層，該下歐姆接觸層制作在襯底的背面。
文檔編號H01S5/343GK1960091SQ20051011717
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者劉俊岐, 劉峰奇, 路秀真, 郭瑜, 梁平, 胡穎, 孫虹 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所