一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1994年貝爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了量子級(jí)聯(lián)激光器的激射，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器不同的是，量子級(jí)聯(lián)激光器是依靠電子在子能帶躍迀發(fā)光的單極型器件，該激光器的激射波長不依賴于材料的禁帶寬度，可以在不改變材料體系的情況下，對(duì)能帶進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹安眉簟币垣@取不同的激射波長，對(duì)于激光器的設(shè)計(jì)有著很大的自由度。
[0003]由于量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)的產(chǎn)熱很高，即便目前常用的濕法腐蝕雙溝道脊型波導(dǎo)較干法刻蝕雙溝道脊型波導(dǎo)在器件散熱方面作出優(yōu)化，但造成了波導(dǎo)對(duì)注入電流的限制能力下降；另外，濕法腐蝕雙溝道脊型波導(dǎo)量子級(jí)聯(lián)激光器，其激射的TM模式激光在電絕緣層與電極金屬界面處耦合出表面等離子激元，增大了激光器的波導(dǎo)損耗，使閾值電流密度增加，而干法刻蝕雙溝道脊型波導(dǎo)器件無此現(xiàn)象發(fā)生(參考:Xue Huang, et al，OpticsExpress, Vol.20，Issue 3, pp.2539-2547 (2012))。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，為保證量子級(jí)聯(lián)激光器在各領(lǐng)域高性能穩(wěn)定工作，均要對(duì)激光器進(jìn)行控溫制冷，其中不乏如水冷機(jī)這樣體積龐大、移動(dòng)不便的控溫設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，與傳統(tǒng)的濕法刻蝕工藝相比，該方法可以對(duì)注入電流進(jìn)行更好的限制，同時(shí)使激光器具有良好的散熱性。
[0005]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自下而上包括:襯底面電極、N型襯底、N型下包層、N型下波導(dǎo)層、有源區(qū)、N型上波導(dǎo)層、N型上包層、N型蓋層和外延面電極；有源區(qū)為脊型結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為階梯結(jié)構(gòu)；N型上波導(dǎo)層、N型上包層和N型蓋層的寬度與有源區(qū)的脊型上表面相等；N型襯底、N型下包層、N型下波導(dǎo)層、有源區(qū)、N型上波導(dǎo)層、N型上包層和N型蓋層的外表面生長電絕緣層；電絕緣層上表面開一個(gè)電注入窗口 ；在電絕緣層的外表面生長外延電極。
[0007]一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0008]步驟一:在N型上依次生長N型下包層、N型下波導(dǎo)層、有源區(qū)、N型上波導(dǎo)層、N型上包層和N型蓋層；
[0009]步驟二:刻蝕出雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，刻蝕深度至少至N型襯底為止；
[0010]步驟三:在有源區(qū)制作階梯型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0011]步驟四:在N型蓋層、雙溝道及階梯型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面生長電絕緣層；
[0012]步驟五:在電絕緣層上表面的中間開一個(gè)電注入窗口 ；
[0013]步驟六:在電絕緣層表面生長外延面電極；
[0014]步驟七:將N型襯底背面減薄、拋光，生長襯底面電極，并進(jìn)行退火合金；
[0015]步驟八:芯片解理，腔面鍍膜，封裝測(cè)試。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其有源區(qū)側(cè)向面積更大，使有源區(qū)側(cè)向輔助散熱的效果提升；有源區(qū)電流限制能力更強(qiáng)，可以減少注入電流泄漏，有提高激光器電光轉(zhuǎn)換效率，以及減少有源區(qū)熱量產(chǎn)生的作用。本發(fā)明制備方法與半導(dǎo)體工藝兼容，制備工藝成熟，重復(fù)性好，適用于各種材料體系及各個(gè)波段的量子級(jí)聯(lián)激光器。
【附圖說明】
[0017]圖1本發(fā)明一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2本發(fā)明一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的制備方法流程圖。
[0019]圖3為本發(fā)明與傳統(tǒng)濕法刻蝕雙溝道脊型波導(dǎo)量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)在連續(xù)波工作穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度與熱流分布模擬圖。
[0020]圖4為本發(fā)明與傳統(tǒng)濕法刻蝕雙溝道脊型波導(dǎo)量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)在連續(xù)波工作穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流密度分布模擬圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面以InGaAs/InAlAs/InP為材料體系、氮化硅為絕緣層的量子級(jí)聯(lián)激光器為例，結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)從下至上依次為:Au/Ge/Ni襯底面電極1、N型InP襯底2、N型InP下包層3、N型InGaAs下波導(dǎo)層4、N型InGaAs/InAlAs有源區(qū)5、N型InGaAs上波導(dǎo)層6、N型InP上包層7、N型InP蓋層8、Si3N4電絕緣層10和Ti/Pt/Au外延面電極11。其中階梯型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)9的階梯數(shù)量大于等于一階，本實(shí)施例中，階梯數(shù)量為三階。階梯結(jié)構(gòu)高度和寬度為300nm-500nm。有源區(qū)5的脊型臺(tái)面寬度為10 μ m-20 μ m。N型InGaAs上波導(dǎo)層6、N型InP上包層7、N型InP蓋層8的寬度與有源區(qū)5的脊型臺(tái)面相等；N型InP襯底2、N型InP下包層3、N型InGaAs下波導(dǎo)層4、N型InGaAs/InAlAs有源區(qū)5、N型InGaAs上波導(dǎo)層6、N型InP上包層7和N型InP蓋層8的外表面生長Si3N4電絕緣層10 ；Si 3N4電絕緣層10上表面開一個(gè)電注入窗口 ；在Si 3N4電絕緣層10的外表面生長Ti/Pt/Au外延面電極11。
[0023]如圖2所示為本發(fā)明一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器的制備工藝流程圖。本發(fā)明所提供的該結(jié)構(gòu)的制備方法如下:
[0024]步驟一:在N型InP襯底上2，采用分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)依次生長N型InP下包層3、InGaAs下波導(dǎo)N型層4、N型InGaAs/InAlAs有源區(qū)5、N型InGaAs上波導(dǎo)層6、N型InP上包層7和N型InP蓋層8，所得為所用外延片;
[0025]步驟二:采用光刻和干法刻蝕工藝，從N型InP蓋層8向下至N型InP襯底2刻蝕出雙溝道，形成脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中溝道寬度為20 μπι-40 μπι，脊形臺(tái)面寬度為10 μπι-20 μπι ；
[0026]步驟三:采用電子束曝光和干法刻蝕工藝，沿著步驟二中所得雙溝道脊型波導(dǎo)外側(cè)制作出寬度為300nm-500nm的條形結(jié)構(gòu)，并刻蝕至InGaAs下波導(dǎo)層4，多重復(fù)該步驟幾次，并逐步減少300nm-500nm條形結(jié)構(gòu)的刻蝕深度，直至刻蝕深度減至InGaAs上波導(dǎo)層6為止，以形成階梯型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)9，在此實(shí)例中我們將階梯暫定為三階；
[0027]步驟四:在N型InP蓋層8、雙溝道及階梯型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)9表面生長Si3N4電絕緣層10 ；
[0028]步驟五:使用光刻和刻蝕的工藝，在脊型部分中心，N型InP蓋層8表面的Si3N4電絕緣層10中打開一個(gè)電注入窗口，其寬度略小于脊型部分寬度；
[0029]步驟六:采用磁控濺射的方法，在Si3N4電絕緣層10表面生長Ti/Pt/Au外延面電極11 ;
[0030]步驟七:將N型InP襯底2背面減薄、拋光，采用磁控濺射的方法生長Au/Ge/Ni襯底面電極I并進(jìn)行退火合金；
[0031]步驟八:芯片解理，腔面鍍膜，封裝測(cè)試。
[0032]如圖3所示為本發(fā)明一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)濕法刻蝕雙溝道脊型臺(tái)面波導(dǎo)量子級(jí)聯(lián)激光器在連續(xù)波工作穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度與熱流分布模擬圖。圖中可以看出，本發(fā)明激光器在連續(xù)波工作穩(wěn)態(tài)時(shí)，有源區(qū)內(nèi)部最高溫度為328K，顯著低于使用傳濕法刻蝕工藝所制備器件(335K)，有源區(qū)橫向溫度分布也更加均勻；并且，脊型臺(tái)面?zhèn)让娴臒崃鞣植济芏纫裁黠@增加。
[0033]如圖4所示為本發(fā)明一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)濕法刻蝕雙溝道脊型臺(tái)面波導(dǎo)量子級(jí)聯(lián)激光器在連續(xù)波工作穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流密度分布模擬圖。圖中可以看出，本發(fā)明激光器在連續(xù)波工作穩(wěn)態(tài)時(shí)，脊型臺(tái)面邊緣電流密度明顯低于使用傳統(tǒng)濕法刻蝕工藝所制備器件，減小了電流泄漏，使得注入電流在脊型臺(tái)面內(nèi)部空間得到更好的利用。
[0034]綜上，本發(fā)明提出的一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其制備方法，兼顧了傳統(tǒng)濕法刻蝕雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中脊型側(cè)壁輔助有源區(qū)散熱，和傳統(tǒng)干法刻蝕雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中脊型內(nèi)部很強(qiáng)的電流限制的優(yōu)點(diǎn)，使得階梯型雙溝道脊型臺(tái)面結(jié)構(gòu)在更利于散熱的同時(shí)減小了電流泄漏，提升了激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，減少了發(fā)熱量，使激光器在工作時(shí)更加穩(wěn)定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)自下而上包括:襯底面電極、N型襯底、N型下包層、N型下波導(dǎo)層、有源區(qū)、N型上波導(dǎo)層、N型上包層、N型蓋層和外延面電極；有源區(qū)為脊型結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為階梯結(jié)構(gòu)；N型上波導(dǎo)層、N型上包層和N型蓋層的寬度與有源區(qū)的脊型上表面相等；N型襯底、N型下包層、N型下波導(dǎo)層、有源區(qū)、N型上波導(dǎo)層、N型上包層和N型蓋層的外表面生長電絕緣層；電絕緣層上表面開一個(gè)電注入窗口 ；在電絕緣層的外表面生長外延電極。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述有源區(qū)的階梯型結(jié)構(gòu)，階梯數(shù)量大于等于一階。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述有源區(qū)的脊型臺(tái)面寬度為10μπι-20μπι。
4.如權(quán)利要求1所述的一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述有源區(qū)的階梯結(jié)構(gòu)高度和寬度為300nm-500nm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟一:在N型襯底上依次生長N型下包層、N型下波導(dǎo)層、有源區(qū)、N型上波導(dǎo)層、N型上包層和N型蓋層； 步驟二:刻蝕出雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，刻蝕深度至少至N型襯底為止； 步驟三:在有源區(qū)制作階梯型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 步驟四:在N型蓋層、雙溝道及階梯型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面生長電絕緣層； 步驟五:在電絕緣層上表面的中間開一個(gè)電注入窗口 ； 步驟六:在電絕緣層表面生長外延面電極； 步驟七:將N型襯底背面減薄、拋光，生長襯底面電極，并進(jìn)行退火合金； 步驟八:芯片解理，腔面鍍膜，封裝測(cè)試。
6.如權(quán)利要求5所述的一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟二中刻蝕溝道寬度為20 μπι-40 μπι。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高效側(cè)向?qū)岬牧孔蛹?jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其制備方法。該激光器采用階梯型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即在激光器工作時(shí)產(chǎn)熱嚴(yán)重的有源區(qū)部分刻蝕成階梯型臺(tái)面的方法，使得產(chǎn)熱區(qū)域熱交換面積增大，能夠有效的降低有源區(qū)溫度，并可改善傳統(tǒng)濕法刻蝕雙溝道脊型波導(dǎo)帶來的電流限制差的缺點(diǎn)，減少電流泄漏，提高激光器電光轉(zhuǎn)換效率。利用本發(fā)明，可以提高激光器的輸出功率、工作穩(wěn)定性及使用壽命，減小控溫設(shè)備壓力，適用于高功率量子級(jí)聯(lián)激光器單管及陣列的制作。
【IPC分類】H01S5-024, H01S5-40
【公開號(hào)】CN104577706
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410821162
【發(fā)明人】佟存柱, 盧澤豐, 舒世立, 吳昊, 田思聰, 汪麗杰, 寧永強(qiáng), 王立軍
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日