帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器及制作方法
【專利摘要】一種帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器，包括：一襯底；一下波導(dǎo)層生長在襯底的中間部位；一量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長在下波導(dǎo)層上；一掩埋光柵層生長在量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)上；一低摻層生長在掩埋光柵層上；一高摻層生長在低摻層的中間部位；一多孔結(jié)構(gòu)生長在低摻層上，及高摻層的兩側(cè)；一電注入窗口覆蓋高摻層和高摻層兩側(cè)的部分多孔結(jié)構(gòu)，暴露出多孔結(jié)構(gòu)兩端的部分區(qū)域；一電絕緣層生長在襯底暴露的部分上面，及下波導(dǎo)層、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)、掩埋光柵層、低摻層、多孔結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，并覆蓋多孔結(jié)構(gòu)兩端暴露的上表面，形成基片；一正面電極制作在電絕緣層上，并覆蓋基片的上表面；一背面電極制作在襯底的背面。
【專利說明】帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，尤其是指帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]波長3 μ m-14 μ m中遠(yuǎn)紅外波段是非常重要的大氣窗口，工作在這個波段的激光器和探測器在通信、氣體探測、醫(yī)療、環(huán)保、軍事追蹤的方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。高質(zhì)量的光譜(單模窄線寬)對這些應(yīng)用非常重要。1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出第一只量子級聯(lián)激光器，不同于常規(guī)的半導(dǎo)體激光器，這種量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)的激光器通過選擇材料和調(diào)節(jié)量子阱厚度來改變激射波長。
[0003]在實(shí)際使用領(lǐng)域，普遍要求激光器具單模激射和有較小的出射發(fā)散角，但是由于量子級聯(lián)激光器的普通F-P腔常是多模，而且由于有源區(qū)很薄，僅僅為幾個微米量級，激射波長又處于中紅外波段，故而發(fā)散角一般大于50°，大大影響了量子級聯(lián)激光器的實(shí)際應(yīng)用。
[0004]本發(fā)明提出的帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)的寬脊單模量子級聯(lián)激光器，工藝簡單，技術(shù)可靠，可以發(fā)射單模，窄發(fā)散角的激光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述量子級聯(lián)激光器目前在應(yīng)用方面存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了 一種帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)的寬脊單模量子級聯(lián)激光器及其制作方法，具體制作工藝簡單便捷、可發(fā)射單模，窄發(fā)散角的激光。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)新穎、簡單，整個制作過程具有工藝簡單，儀器設(shè)備低等特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明提供.一種帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器，包括:
[0007]一襯底；
[0008]一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在襯底的中間部位，形成脊型雙溝臺面結(jié)構(gòu)；
[0009]一量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)，該量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長在下波導(dǎo)層上；
[0010]一掩埋光柵層，其生長在量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)上；
[0011]—低摻層,其生長在掩埋光柵層上；
[0012]一高摻層，該高摻層生長在低摻層的中間部位；
[0013]一多孔結(jié)構(gòu)，其生長在低摻層上，及高摻層的兩側(cè)；
[0014]一電注入窗口，其覆蓋高摻層和高摻層兩側(cè)的部分多孔結(jié)構(gòu)，暴露出多孔結(jié)構(gòu)兩端的部分區(qū)域；
[0015]一電絕緣層，其生長在襯底暴露的部分上面，及下波導(dǎo)層、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)、掩埋光柵層、低摻層、多孔結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，并覆蓋多孔結(jié)構(gòu)兩端暴露的上表面，形成基片；
[0016]一正面電極，該正面電極制作在電絕緣層上，并覆蓋基片的上表面；
[0017]一背面電極，該背面電極制作在襯底的背面。[0018]本發(fā)明還提供一種帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器的制造方法，該方法包括以下步驟:
[0019]I)在襯底上利用分子束外延方法依次生長下波導(dǎo)層、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)和上波導(dǎo)層，形成器件結(jié)構(gòu)；
[0020]2)在上波導(dǎo)層上通過全息曝光，腐蝕工藝，形成掩埋光柵層；
[0021]3)利用金屬有機(jī)化合物氣相沉積方法,在器件結(jié)構(gòu)上二次外延,在掩埋光柵層上生長低摻層和高摻層；
[0022]4)采用電化學(xué)腐蝕方法，在高摻層的兩側(cè)腐蝕出多孔結(jié)構(gòu)；
[0023]5)通過光刻、濕法腐蝕工藝，在器件結(jié)構(gòu)兩側(cè)腐蝕掉部分下波導(dǎo)層2、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)、掩埋光柵層、低摻層和多孔結(jié)構(gòu)，形成雙溝脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0024]6)在雙溝脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上沉積電絕緣層；
[0025]7)通過光刻、刻蝕電絕緣層上表面，在電絕緣層的中間開出電注入窗口 ；
[0026]8)在電絕緣層上沉積正面電極；
[0027]9)將襯底減??；
[0028]10)在減薄后的襯底背面上生長背面電極，退火；
[0029]11)解理，完成制作。
[0030]本發(fā)明的有益效果是，制作工藝簡單便捷、可發(fā)射單模，窄發(fā)散角的激光。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)新穎、簡單，整個制作過程具有工藝簡單，儀器設(shè)備低等特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)例及附圖詳細(xì)說明如后，其中:
[0032]圖1帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)的寬脊單模量子級聯(lián)激光器截面示意圖；
[0033]圖2是本發(fā)明的制備流程圖；
[0034]圖3脊寬40 μ m，帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)的寬脊單模量子級聯(lián)激光器光譜特性曲線；
[0035]圖4脊寬40 μ m，帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)的寬脊單模量子級聯(lián)激光器遠(yuǎn)場特性曲線；
[0036]其中:1，襯底、2，下波導(dǎo)層、3，量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)、4，掩埋光柵層、5，低摻層、6，高摻層、7，多孔結(jié)構(gòu)、8，電注入窗口、9，電絕緣層、10，正面電極、11，背面電極
【具體實(shí)施方式】
[0037]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器，包括:
[0038]一襯底1，該襯底I為η型摻雜的InP襯底，摻雜濃度為1_3 X IO17Cm3，襯底I主要起到支撐整體結(jié)構(gòu)的作用，另一方面由于后續(xù)步驟需要用到電化學(xué)腐蝕工藝，易導(dǎo)電的襯底I有利于多孔結(jié)構(gòu)7的形成；
[0039]一下波導(dǎo)層2，該下波導(dǎo)層2生長在襯底I的中間部位，形成脊型雙溝臺面結(jié)構(gòu)，該下波導(dǎo)層2為低慘的InGaAs層，慘雜濃度為10 cm星級，厚度為300nm ；
[0040]一量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)3，該量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)3生長在下波導(dǎo)層2上，該量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)3包括由InGaAs/InAlAs材料組成的多耦合量子阱重復(fù)結(jié)構(gòu)，每個周期都在結(jié)構(gòu)上分為兩個部分，一部分是用來提供載流子注入的注入?yún)^(qū)，另一部分是用于實(shí)現(xiàn)子帶躍遷光輻射的有源區(qū)，兩部分結(jié)合在一起可以實(shí)現(xiàn)單級載流子的注入、子帶間躍遷、輻射光子，激射波長在所設(shè)計(jì)的需要范圍內(nèi)；
[0041]一掩埋光柵層4，其生長在量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)3上，所述的掩埋光柵層4為一級掩埋光柵；
[0042]—低摻層5,其生長在掩埋光柵層4上，摻雜濃度為IO16CnT3量級，厚度為2000nm-2800nm ；
[0043]—高摻層6,該高摻層6生長在低摻層5的中間部位，所不高摻層6的寬度為10 μ m，該高摻層6兩側(cè)的多孔結(jié)構(gòu)7的寬度相同，寬度為15-25 μ m，摻雜濃度為IO18CnT3量級，厚度為 500nm-1000nm ；
[0044]—多孔結(jié)構(gòu)7，其生長在低摻層5上，及高摻層6的兩側(cè)，該多孔結(jié)構(gòu)7為材料生長方向一致的多孔狀結(jié)構(gòu)，多孔結(jié)構(gòu)7的孔徑為40-210nm ；
[0045]一電注入窗口 8，其覆蓋高摻層6和高摻層6兩側(cè)的部分多孔結(jié)構(gòu)7，暴露出多孔結(jié)構(gòu)7兩端的部分區(qū)域；
[0046]—電絕緣層9，其生長在襯底I暴露的部分上面，及下波導(dǎo)層2、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)3、掩埋光柵層4、低摻層5、多孔結(jié)構(gòu)7的兩側(cè)，并覆蓋多孔結(jié)構(gòu)7兩端暴露的上表面，形成基片，該電絕緣層9通常選用的介質(zhì)為二氧化硅，厚度在300nm-400nm之間；
[0047]一正面電極10，該正面電極10制作在電絕緣層9上，并覆蓋基片的上表面；
[0048]一背面電極11，該背面電極11制作在襯底I的背面。
[0049]請參閱圖2并結(jié)合參閱圖1，本發(fā)明提供一種帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器的制造方法，該方法包括以下步驟:
[0050]I)在襯底I上利用分子束外延方法依次生長下波導(dǎo)層2、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)3和上波導(dǎo)層4’，形成器件結(jié)構(gòu)；
[0051]2)在上波導(dǎo)層4’上通過全息曝光，腐蝕工藝，形成掩埋光柵層4，所述掩埋光柵層4的全息曝光時間為70sec90see，腐蝕深度為100nml40nm，腐蝕溶液體積比H3PO4: H2O2: H2O=I: I: 6，該掩埋光柵層4為一級掩埋光柵；
[0052]3)利用金屬有機(jī)化合物氣相沉積方法,在器件結(jié)構(gòu)上二次外延,在掩埋光柵層4上生長低摻層5和高摻層6，該高摻層6的寬度為10 μ m,該高摻層6兩側(cè)的多孔結(jié)構(gòu)7的寬度相同，寬度為1525μπι;
[0053]4)采用電化學(xué)腐蝕方法，在高摻層6的兩側(cè)腐蝕出多孔結(jié)構(gòu)7，所述多孔結(jié)構(gòu)7是通過電化學(xué)腐蝕的恒壓模式產(chǎn)生，電壓恒定為5V,該多孔結(jié)構(gòu)7為材料生長方向一致的多孔狀結(jié)構(gòu)，多孔結(jié)構(gòu)7的孔徑為40-210nm，該多孔結(jié)構(gòu)7的制作，腐蝕溫度低于10°C，腐蝕時間為400ms-500ms，腐蝕溶液體積比HNO3: HCL: H20=9: 50: 550，該多孔結(jié)構(gòu)7的電化學(xué)腐蝕完以后，將完成制作的基片在濕法腐蝕液HNO3: HBr: H2O=I: I: 10中腐蝕處理5s，以去除表面難導(dǎo)電的鈍化層，便于與正面電極10形成有效的歐姆接觸；
[0054]5)通過光刻、濕法腐蝕工藝，在器件結(jié)構(gòu)兩側(cè)腐蝕掉部分下波導(dǎo)層2、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)3、掩埋光柵層4、低摻層5和多孔結(jié)構(gòu)7，形成雙溝脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0055]6)在雙溝脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上沉積電絕緣層9 ；[0056]7)通過光刻、刻蝕電絕緣層9上表面，在電絕緣層9的中間開出電注入窗口 8 ；
[0057]8)在電絕緣層9上沉積正面電極10 ；
[0058]9)將襯底 I 減薄至 90 μ m_110 μ m ；
[0059]10)在減薄后的襯底I背面上生長背面電極11，通過合金化，高溫快速熱退火與襯底I形成良好的歐姆接觸；
[0060]11)解理，把解理好的管芯燒結(jié)在鍍銦的無氧銅熱沉上，完成制作。
[0061]請參閱圖3、圖4。圖3所示為脊寬40 μ m,帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)的寬脊單模量子級聯(lián)激光器光譜特性；圖4所示為脊寬40 μ m，帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)的寬脊單模量子級聯(lián)激光器光譜特性遠(yuǎn)場特性。
[0062]雖然已經(jīng)結(jié)合具體實(shí)例描述了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員按照上面的描述顯然可以進(jìn)行許多替換、修改和變化。據(jù)此，本發(fā)明意在包含所有其他這種落入所附權(quán)利要求的精神范圍內(nèi)的替換、修改和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器，包括: 一襯底； 一下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在襯底的中間部位，形成脊型雙溝臺面結(jié)構(gòu)； 一量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)，該量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)生長在下波導(dǎo)層上； 一掩埋光柵層，其生長在量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)上； 一低摻層，其生長在掩埋光柵層上； 一高摻層，該高摻層生長在低摻層的中間部位； 一多孔結(jié)構(gòu)，其生長在低摻層上，及高摻層的兩側(cè)； 一電注入窗口，其覆蓋高摻層和高摻層兩側(cè)的部分多孔結(jié)構(gòu)，暴露出多孔結(jié)構(gòu)兩端的部分區(qū)域； 一電絕緣層，其生長 在襯底暴露的部分上面，及下波導(dǎo)層、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)、掩埋光柵層、低摻層、多孔結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，并覆蓋多孔結(jié)構(gòu)兩端暴露的上表面，形成基片； 一正面電極，該正面電極制作在電絕緣層上，并覆蓋基片的上表面； 一背面電極，該背面電極制作在襯底的背面。
2.如權(quán)利要求1所述的帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器，其中所述的掩埋光柵層為一級掩埋光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器，其中多孔結(jié)構(gòu)為材料生長方向一致的多孔狀結(jié)構(gòu)，多孔結(jié)構(gòu)的孔徑為40-210nm。
4.如權(quán)利要求1所述的帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器，其中高摻層的寬度為10 μ m，該高摻層兩側(cè)的多孔結(jié)構(gòu)的寬度相同，寬度為1525 μ m。
5.一種帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器的制造方法，該方法包括以下步驟: 1)在襯底上利用分子束外延方法依次生長下波導(dǎo)層、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)和上波導(dǎo)層，形成器件結(jié)構(gòu)； 2)在上波導(dǎo)層上通過全息曝光，腐蝕工藝，形成掩埋光柵層； 3)利用金屬有機(jī)化合物氣相沉積方法，在器件結(jié)構(gòu)上二次外延，在掩埋光柵層上生長低摻層和高摻層； 4)采用電化學(xué)腐蝕方法，在高摻層的兩側(cè)腐蝕出多孔結(jié)構(gòu)； 5)通過光刻、濕法腐蝕工藝，在器件結(jié)構(gòu)兩側(cè)腐蝕掉部分下波導(dǎo)層2、量子級聯(lián)有源區(qū)結(jié)構(gòu)、掩埋光柵層、低摻層和多孔結(jié)構(gòu)，形成雙溝脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 6)在雙溝脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上沉積電絕緣層； 7)通過光刻、刻蝕電絕緣層上表面，在電絕緣層的中間開出電注入窗口； 8)在電絕緣層上沉積正面電極； 9)將襯底減??； 10)在減薄后的襯底背面上生長背面電極，退火； 11)解理，完成制作。
6.如權(quán)利要求5所述的帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器的制造方法，其中所述掩埋光柵層的全息曝光時間為70sec-90sec，腐蝕深度為100nm-140nm，腐蝕溶液體積比H3PO4: H2O2: H2O=I: I: 6，該掩埋光柵層為一級掩埋光柵。
7.如權(quán)利要求5所述的帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器的制造方法，其所述多孔結(jié)構(gòu)是通過電化學(xué)腐蝕的恒壓模式產(chǎn)生，電壓恒定為5V，該多孔結(jié)構(gòu)為材料生長方向一致的多孔狀結(jié)構(gòu)，多孔結(jié)構(gòu)的孔徑為40-210nm。
8.如權(quán)利要求7所述的帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器的制造方法，其中多孔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作，腐蝕溫度低于10°C，腐蝕時間為400ms500ms，腐蝕溶液體積比HNO3: HCL: H20=9: 50: 550。
9.如權(quán)利要求8所述的帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器的制造方法，其中多孔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的電化學(xué)腐蝕完以后，將完成制作的基片在濕法腐蝕液HNO3: HBr: H2O=I: I: 10中腐蝕處理5s，以去除表面難導(dǎo)電的鈍化層，便于與正面電極形成有效的歐姆接觸。
10.如權(quán)利要求5所述的帶有分布反饋光柵和多孔波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器的制造方法，其中高摻層的寬度為10 μ m，該高摻層兩側(cè)的多孔結(jié)構(gòu)的寬度相同，寬度為1525 μ m。
【文檔編號】H01S5/12GK103545712SQ201310520575
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】胡永正, 劉峰奇, 王利軍, 張錦川, 趙立華, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所