專利名稱：錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體光電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種高功率、近衍射極限光輸出的 光子晶體量子級聯(lián)激光器及其制作方法。
背景技術(shù)：
1994年貝爾實驗室首先發(fā)明工作于中遠紅外波段的量子級聯(lián)激光器，它不同于傳 統(tǒng)的半導體激光器，量子級聯(lián)激光器是僅靠子帶間能級參與電子躍遷的單極性器件，人們 可以通過巧妙的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不改變材料體系的前提下，在一定波段范圍內(nèi)任意調(diào)整 激射的波長，突破了傳統(tǒng)半導體激光器激射波長必須依賴材料禁帶寬度的限制，大大的拓 展了人類可以利用的光譜范圍，因此，量子級聯(lián)激光器是中遠紅外波段理想的光源。量子級 聯(lián)激光器目前已經(jīng)在3. 5 μ m至11. 5 μ m波段范圍內(nèi)實現(xiàn)了室溫連續(xù)工作，具有廣闊的應用 前景，被廣泛用于環(huán)保污染監(jiān)控、工業(yè)煙塵分析、生物醫(yī)學診斷、痕量氣體檢測、分子光譜研 究、抗干擾雷達以及紅外光學無線通訊等領(lǐng)域。為了滿足在以上各種領(lǐng)域的應用，量子級聯(lián)激光器被要求可以室溫連續(xù)波單模工 作，然而迄今為止，目前只有少數(shù)個別波長的量子級聯(lián)激光器實現(xiàn)了室溫連續(xù)波單模工作， 這些量子級聯(lián)激光器均利用了電子束曝光、掩埋光柵、二次MOCVD外延等技術(shù)，不僅成本昂 貴，而且技術(shù)復雜，這使得量子級聯(lián)激光器的研制過程變得非常異常困難，不利于提高器件 可靠性和實現(xiàn)量產(chǎn)化。采用頂部光柵(把光柵均勻分布在激光器頂部)的做法工藝相對簡 單，不需二次外延，但是由于波導損耗太大，輸出功率普遍不高，難以達到實用的要求。在實際通信過程中，為了更好的實現(xiàn)激光器與光纖進行耦合，人們普遍要求激光 器出射光束的遠場發(fā)散角要小，但是由于量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)很薄，僅為2至3μπι，而 激射波長又處于中紅外波段，故此遠場發(fā)散角較一般半導體激光器還要大，大約為50°，大 大影響了量子級聯(lián)激光器在通信中的應用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對上述量子級聯(lián)激光器目前在應用中存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種高功率、 近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器及其制作方法，利用光子晶體結(jié)構(gòu)提 供橫向分布反饋波導，從而獲得單模近衍射極限光束輸出；采用脊型臺面結(jié)合錐形增益放 大區(qū)的波導結(jié)構(gòu)，大大降低了遠場發(fā)散角，在提高輸出功率的同時又避免了同類寬脊型大 功率器件難以避免的散熱問題。( 二 )技術(shù)方案本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，該結(jié)構(gòu)包括一襯底；一下波導層，該下波導層利用分子束外延方法生長在襯底之上；
一量子級聯(lián)有源區(qū)，該有源區(qū)利用分子束外延方法生在下波導層之上；一上波導層，該上波導層利用分子束外延方法生長在有源區(qū)之上；一上包層，該上包層利用分子束外延方法生長在上波導層之上；一上覆蓋層，該上覆蓋層利用分子束外延方法生長在上包層之上；一歐姆接觸層，該歐姆接觸層利用分子束外延方法生長在上覆蓋層之上；一光子晶體波導結(jié)構(gòu)，該光子晶體波導結(jié)構(gòu)制作于上覆蓋層和歐姆接觸層之中；一雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)，通過濕法腐蝕或干法刻蝕工藝歐姆接觸層而形成，該雙溝 脊型波導結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一部分是均勻脊寬的主控振蕩區(qū)，一部分是錐形增益放大 區(qū)；一電絕緣層，該電絕緣層沉積在歐姆接觸層之上，覆蓋整個雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)，在 覆蓋有絕緣層的脊臺中心部位留出電注入窗口；一正面電極，制作于電絕緣層之上；一背面電極，制作于襯底背面；一錐形增益放大區(qū)前腔面蒸鍍的介質(zhì)增透膜；一均勻脊后腔面蒸鍍的金屬高反膜。上述方案中，所述下波導層為低摻雜的InGaAs層，低摻雜的InGaAs下波導層具有 較高的折射率，根據(jù)模式理論，高折射率材料能夠?qū)馄鸬礁叩南拗谱饔茫岣哂性磪^(qū)的 光場限制因子。上述方案中，所述量子級聯(lián)有源區(qū)包括由InGaAs/InAlAs材料組成的多耦合量子 阱重復結(jié)構(gòu)，每個周期都在結(jié)構(gòu)上分為兩部分，一部分是用以提供載流子注入的注入?yún)^(qū)，另 一部分是用于實現(xiàn)載流子子帶間躍遷光輻射的有源區(qū)，兩部分結(jié)合在一起可以實現(xiàn)單極載 流子的注入、子帶間躍遷、輻射光子、激射波長在所設(shè)計的要求范圍內(nèi)。上述方案中，所述上波導層為低摻雜的InGaAs層。上述方案中，所述上包層為低摻雜的InP層。上述方案中，所述上覆蓋層為高摻雜的InP層，用來提供載流子注入。上述方案中，所述歐姆接觸層為高摻雜的InP層，用于與金屬Ti/Au電極形成良好 的歐姆接觸，提供電注入。上述方案中，所述雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一部分是具有均勻脊寬的主 控振蕩區(qū)，脊寬為10 μ m至20 μ m，長度為500 μ m至1000 μ m ；一部分是具有一定發(fā)散角的 錐形增益放大區(qū)，脊型臺面的腐蝕深度到達有源區(qū)之下，為有源區(qū)提供側(cè)壁陡直的橫向波 導結(jié)構(gòu)，深度為7μπι至8μπι，錐形區(qū)域的長度為ΙΟΟΟμπι至1500μπι，錐形發(fā)散角為1°至 4°，雙溝的寬度為50 μ m。上述方案中，所述光子晶體波導結(jié)構(gòu)位于上覆蓋層和歐姆接觸層之中，該光子晶 體波導結(jié)構(gòu)為一維光子晶體，或者為二維光子晶體，一維光子晶體的情況即為光柵，光柵周 期根據(jù)Bragg公式Λ = λ/2nrff來確定，其中，λ為激光器激射波長，nrff為器件有效折射 率；二維光子晶體為圓孔形點陣，圓孔直徑為400至600nm，二維點陣為正方點陣，或者為六 方點陣，光子晶體的深度為450nm至550nm。上述方案中，所述電絕緣層為二氧化硅或者氮化硅薄膜材料，電絕緣層覆蓋整個 雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)表面，在雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)的中間部位留出電注入窗口，窗口寬度根據(jù)脊寬而定，要比脊寬略窄。上述方案中，所述正面電極為Ti/Au電極，該電極覆蓋在電絕緣層之上，但是并不 完全覆蓋脊型臺面中心處電絕緣層留出的電注入窗口，只是部分覆蓋電注入窗口。上述方案中，所述錐形增益放大區(qū)前腔面蒸鍍的介質(zhì)增透膜由ZnO和I^bTe材料交 替形成。上述方案中，所述均勻脊后腔面蒸鍍的金屬高反膜由Al203/Ti/Au/Al203材料形 成。一種近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器的制作方法，該方法包 括以下步驟步驟1 在襯底上利用分子束外延方法依次生長下波導層、有源區(qū)、上波導層，上 包層、上覆蓋層和歐姆接觸層；步驟2 利用全息光刻的方法在在上覆蓋層和歐姆接觸層中制備用以提供均勻分 布反饋的光子晶體波導結(jié)構(gòu)；步驟3 通過光刻、腐蝕工藝，按照事先設(shè)計好的具有主控振蕩放大區(qū)和錐形增益 放大區(qū)的版圖在具有光子晶體波導結(jié)構(gòu)的材料表面制作出雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)；步驟4 在雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)上通過CVD方法淀積二氧化硅絕緣層，或者通過 PECVD方法生長氮化硅絕緣層；步驟5 通過光刻、刻蝕二氧化硅或氮化硅的工藝，在所制作絕緣層的中間處開出 電流注入窗口，注入窗口的寬度要小于主振蕩區(qū)的脊寬；步驟6 在已留出電注入窗口的絕緣層之上通過熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)的方法沉 積正面電極；步驟7 在所沉積的正面電極結(jié)構(gòu)之上通過光刻工藝，去除掉一部分在脊型臺面 中央電注入窗口之中的電極；步驟8 將襯底減薄至100至120 μ m ；步驟9 在減薄后的襯底背面上生長Au/Ge/Ni背電極，再經(jīng)過高溫退火處理；步驟10 將經(jīng)過步驟9加工后的材料中的多個管芯并排解離成一條，然后對均勻 脊型后腔面鍍Al203/Ti/Au/Al203金屬高反膜，錐形增益放大區(qū)前腔面鍍介質(zhì)增透膜；步驟11 將前后腔面都鍍好膜的條狀陣列解離成單個管芯；步驟12 把解離好的管芯燒結(jié)在鍍銦的無氧銅熱沉之上，再利用超聲點焊方法引 出金絲正面電極。上述方案中，所述雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)是利用干法刻蝕或濕法腐蝕方法形成，濕法 腐蝕所采用的腐蝕液為HNO3 HBr H2O= 1 1 10 (體積比)，該配比的腐蝕液對于 InP.InGaAs或InAlAs材料具有各向同性的腐蝕特性，通過嚴格控制腐蝕時間和腐蝕溫度， 可以腐蝕出側(cè)壁陡直的結(jié)構(gòu)，在35攝氏度水浴恒溫的條件下，腐蝕時間90sec至120sec，可 達到7 μ m至8 μ m的腐蝕深度。上述方案中，所述光子晶體波導結(jié)構(gòu)制作過程所采用的是美國Siipley公司的 S1805型正性光刻膠與Thirmer-P按照2 1的體積比進行充分稀釋混合，經(jīng)過離心式甩膠 以4000至4500rpm的轉(zhuǎn)速涂覆在材料表面作為全息光刻的掩膜，掩膜厚度為200至250nm。上述方案中，所述光子晶體制作過程中全息曝光光源采用的是波長為441. 6nm的藍光He-Cd氣體激光器，曝光光路為分波前曝光系統(tǒng)，曝光時間根據(jù)所需光子晶體圖形結(jié) 構(gòu)的變化而不同，對于厚度為200至250nm的掩膜，一維光子晶體的曝光時間為50sec至 60sec，如果制作二維光子晶體則需要曝光兩次甚至三次，所需的曝光時間也要根據(jù)曝光次 數(shù)而減少，曝光兩次的話，每次所需的時間約為20sec至30sec。上述方案中，所述光子晶體制作過程中，顯影液采用的是質(zhì)量分數(shù)為10%的四甲 基氫氧化銨與水按照1 6的體積比進行稀釋，顯影時間為60sec。上述方案中，所述光子晶體制作過程中，腐蝕液采用的是HNO3 HBr H2O = 1:1: 20(體積比)的濕法腐蝕液，腐蝕速度為300nm/min。上述方案中，所述電絕緣層為CVD法生長的二氧化硅或者PECVD方法生長的氮化 硅薄膜，厚度為300至400nm。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，結(jié)構(gòu)新 穎、簡單，不需要昂貴的電子束曝光、二次外延等技術(shù)，整體制作過程具有工藝簡單，儀器設(shè) 備要求低等特點。采用本發(fā)明提供的這種近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，不 僅大大的提高了分布反饋量子級聯(lián)激光器的輸出功率，同時還有效的改善了量子級聯(lián)激光 器的遠場特性，可以獲得單模、近衍射極限輸出的光子晶體量子級聯(lián)激光器。新穎的器件結(jié) 構(gòu)結(jié)合簡單的制作工藝使得本發(fā)明在量子級聯(lián)激光器與光纖耦合，制作便攜式紅外光源等 應用方面有了更為廣闊的前景。


為了進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明，其中圖1是本發(fā)明提供的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器的三 維結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是一維光子晶體(光柵)波導示意圖；圖3是二維正方點陣圓孔光子晶體波導示意圖；圖4是錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器后腔面的截面二維結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是S1805型正性光刻膠與Thirmer-P按照不同比例稀釋之后獲得的膠厚曲 線.一入 ，主要元件符號說明η型摻雜的hP襯底1η型摻雜的InGaAs下波導層235級周期的多量子阱耦合有源區(qū)3η型摻雜的InGaAs上波導層4η型低摻雜的MP上包層5η型高摻雜的InP上覆蓋層6η型高摻雜的歐姆接觸層 7電絕緣層8Ti/Au 電極9
分布反饋光子晶體波導結(jié)構(gòu) 10用于實現(xiàn)側(cè)向注入Ti/Au電極11背面Au/Ge/Ni 電極12均勻脊型主控振蕩區(qū)I錐形光增益放大區(qū)II
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。下面以InP/InGaAs/InAlAs材料體系，錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器為例對本發(fā) 明進行進一步的說明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。本發(fā)明提供了一種高功率，近衍射極限錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，包括η型 摻雜的InP襯底，InGaAs下波導層，35級周期有源區(qū)，InGaAs上波導層，InP上包層，InP上 覆蓋層，高摻雜InP歐姆接觸層，光子晶體波導，雙溝脊型結(jié)構(gòu)和錐形增益放大區(qū)。具體結(jié) 構(gòu)參見圖1所示，為本發(fā)明的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖，包括一襯底1，該襯底為η型摻雜的InP襯底，摻雜濃度為1_3 X 1017cm_3，襯底主要起到 支撐整體結(jié)構(gòu)的作用，另一方面相對于有源區(qū)而言襯底可以認為是半無限的波導結(jié)構(gòu)，可 以提高有源區(qū)的光場限制因子。一低摻雜InGaAs下波導層2，位于InP襯底之上，摻雜濃度為IO16CnT3量級，厚度 為300nm。根據(jù)Drude模型，材料折射率與摻雜濃度有著很強的關(guān)系，通常而言，折射率隨摻 雜濃度的升高而降低，因此，低摻雜的下波導層具有更高的折射率，緊貼有源區(qū)兩側(cè)的高折 射率InGaAs層可以有效的提高光場限制因子。一 35級有源區(qū)3順序生長在下波導層2之上，包括由InGaAs/InAlAs材料組成的 多耦合量子阱重復結(jié)構(gòu)，每個周期都在結(jié)構(gòu)上分為兩部分，一部分是用以提供載流子注入 的注入?yún)^(qū)，另一部分是用于實現(xiàn)子帶躍遷光輻射的有源區(qū)，兩部分結(jié)合在一起可以實現(xiàn)單 極載流子的注入、子帶間躍遷、輻射光子、激射波長在所設(shè)計的要求范圍內(nèi)。一低摻雜InGaAs上波導層4，位于有源區(qū)3之上，摻雜濃度為IO16CnT3量級，厚度 為 300nmo一 η型低摻雜的InP上包層5，位于上波導層4之上。摻雜濃度為IO16CnT3量級， 厚度為 1500nm-2500nmo一 η型高摻雜的InP上覆蓋層6，位于InP上包層5之上，主要作用是用來提供載 流子注入。摻雜濃度為IO18Cm3量級，厚度為500nm-1000nm。接觸層6也是本發(fā)明中分布反 饋光子晶體波導所處的位置。一 η型高摻雜的hP歐姆接觸層7，位于InP上覆蓋層6之上，主要作用是與 金屬Ti/Au電極形成良好的歐姆接觸，提供電注入。摻雜濃度為IO19CnT3量級，厚度為 30nm-100nm。高摻雜歐姆接觸層7也是本發(fā)明中分布反饋光子晶體波導所處的位置。一分布反饋光子晶體波導結(jié)構(gòu)10，該光子晶體波導結(jié)構(gòu)利用全息曝光的方法， 結(jié)合干法刻蝕或者濕法腐蝕制作在上覆蓋層6和歐姆接觸層7中，通過控制光子晶體 的刻蝕或者腐蝕深度，保證其不穿透接觸層6。分布反饋光子晶體波導的刻蝕深度為450nm-550nm，通過計算表明，這樣的刻蝕深度既可以提供足夠的光反饋，又可以最大程度 程度的降低表面金屬與內(nèi)部光場相互作用引起的強烈損耗。其中分布反饋光子晶體波導結(jié)構(gòu)可以為一維光子晶體，即光柵波導，如圖2所示， 也可以為二維光子晶體點陣波導結(jié)構(gòu)，如圖3所示，為圓孔型正方點陣二維光子晶體。一電絕緣層8，通常選用的介質(zhì)為二氧化硅或者氮化硅，厚度在300-400nm之間， 絕緣層覆蓋脊型臺面，在臺面中間部位留空，用以提供電注入窗口，脊臺兩側(cè)保留的絕緣層 寬度在3-6μπι之間?？紤]到二氧化硅和氮化硅兩者的熱導率和量子級聯(lián)激光器的散熱問 題，由于氮化硅的熱導率較高，故此常常采用PECVD濺射生長的氮化硅作為電絕緣層。通過 實驗優(yōu)化厚度為300-400nm。過厚容易在材料內(nèi)部形成較大應力，過薄容易造成電擊穿。一正面Ti/Au電極9，覆蓋在脊型臺面和電絕緣層之上，但并不是完全覆蓋脊型臺 臺面，中心部分留白，兩側(cè)留有部分Ti/Au電極11，這樣做的目的是為了避免金屬完全進入 到分布反饋光子晶體結(jié)構(gòu)的溝槽中，減小激光器管芯核區(qū)與外部金屬的強烈相互作用，有 效降低波導損耗。一在經(jīng)過減薄的hP襯底1背面蒸發(fā)Au/Ge/Ni電極12，經(jīng)過高溫退火處理，與背 面形成良好的接觸。一激光器的結(jié)構(gòu)為脊型臺面，兩側(cè)為雙溝結(jié)構(gòu)，雙溝的寬度為50 μ m。脊型臺面分 為兩部分，其中；I 均勻脊型主控光振蕩區(qū)，該段為均勻脊寬，脊寬度為10μπι-20μπι，長度為 500 μ m-1000 μ m。該段結(jié)構(gòu)的主要目的是提供受激輻射，形成光子在腔內(nèi)自持振蕩，提供激 光的產(chǎn)生。均勻脊的后腔面鍍Al203/Ti/Au/Al203金屬高反膜，反射率> 90%。II:錐形增益放大區(qū)，該段脊具有一定的錐形發(fā)散角，發(fā)散角為Γ -4°，長度為 1000-1500 μ m。利用錐形的發(fā)散面出光，該錐形的發(fā)散面進行腔面鍍介質(zhì)增透膜工藝，反射 率在5% -10%之間.該段錐形區(qū)域II的主要目的是對前端主控光振蕩區(qū)I產(chǎn)生的光進行 放大作用。整個脊型臺面通過干法刻蝕或者濕法腐蝕而成，脊型臺的高度視整體量子級聯(lián)激 光器全器件結(jié)構(gòu)厚度而定，為了獲得良好的散熱和錐形放大效果，臺面的腐蝕深度必須到 達有源區(qū)之下，盡量為有源區(qū)提供側(cè)壁垂直的橫向波導結(jié)構(gòu)，深度為7 μ m- μ m。普通半導體 激光器通常采用錐形區(qū)增益導引，這樣可以避免在高折射率半導體材料和低折射率材料界 面處發(fā)生的強烈反射對遠場造成有害影響。但是由于量子級聯(lián)激光器中上包層5和有源區(qū) 3界面處導電系數(shù)具有很大的不連續(xù)性，并且有源區(qū)35級的多耦合量子阱其導電系數(shù)也具 有各向異性，造成電流擴散，這使得增益導引并不適合量子級聯(lián)激光器。因此本發(fā)明在錐形 的制作過程中采用深刻蝕方法，完全利用折射率導引進行光放大。參閱圖1結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供了一種制作反饋量子級聯(lián)激光器的制作方法，其中包 括步驟1 在η型hP襯底利用分子束外延MBE或者MOCVD技術(shù)生長下η型InGaAs 波導層、35級周期的InGaAs/InAlAs有源區(qū)、η型InGaAs上波導層，η型上包層、η型高摻 雜接觸層、η型高摻歐姆接觸層；其中有源區(qū)的每個周期都在結(jié)構(gòu)上分為兩部分，一部分是 用以提供載流子注入的注入?yún)^(qū)，另一部分是用于實現(xiàn)子帶躍遷光輻射的有源區(qū)，兩部分結(jié) 合在一起可以實現(xiàn)單極載流子的注入、子帶間躍遷，輻射光子，激射波長在所設(shè)計的要求范圍內(nèi)。步驟2 生長完全器件結(jié)構(gòu)的材料經(jīng)過石油醚、三氯乙烯、丙酮、無水乙醇、去離子 水清洗進行清洗處理，然后涂覆一層經(jīng)過特別處理的光刻膠，該光刻膠為美國Shipley公 司的S1805與Thirmer-P稀釋劑按照2 :1的體積比進行稀釋而得。通過測試S1805光刻膠 在各種稀釋比例下經(jīng)過甩膠，前烘之后膠膜的厚度，圖5中給出了 S1805在各種稀釋比例下 的膠厚曲線。對照該曲線，該種稀釋的光刻膠在離心式涂膠機上以4000-4500rpm的轉(zhuǎn)速進 行涂覆時，再經(jīng)過90攝氏度，30min烘箱中前烘，可以獲得膠膜厚度在200-250nm的光刻膠 膠膜。步驟3 把涂有薄膜光刻膠的襯底片放入全息曝光系統(tǒng)中進行曝光，光路采用了 分波前系統(tǒng)。曝光時間為50sec-60sec。對于一維光子晶體50sec-60sec曝光時間足夠曝 透膠膜，但是對于二維光子晶體，由于需要多次曝光，故此單次曝光時間要相應縮短。步驟4:由于全息曝光中，樣品表面各處的光強對比度不為1，即樣品表面各處都 經(jīng)過不同程度的曝光，所以普通的顯影液不能直接用于對全息樣品的顯影之中，本發(fā)明所 選取的是質(zhì)量分數(shù)為10%的四甲基氫氧化銨與水按照1 :6的體積比進行稀釋，顯影時間為 約60sec，在顯影過程中要攪動顯影液，保證充分顯影。步驟5 利用濕法腐蝕或者干法刻蝕對上述獲得的材料片進行刻蝕，以獲得一維 或者二維光子晶體。光子晶體結(jié)構(gòu)見圖2，圖3。步驟6 采用常規(guī)光刻結(jié)合濕法腐蝕工藝，按照設(shè)計好的光刻版版圖對已經(jīng)制好 分布反饋光子晶體波導的材料進行脊型臺面的腐蝕，形成具有主控振蕩區(qū)和錐形增益放大 區(qū)的脊型臺面結(jié)構(gòu)。步驟7 在脊型臺面上利用CVD或者PECVD方法生長300-400nm 二氧化硅或者氮化硅電絕緣層。步驟8 通過常規(guī)光刻，腐蝕工藝在二氧化硅或者氮化硅覆蓋脊型臺的臺表面上 開出一條寬度在10-20μπι的電注入窗口，如圖4所示。步驟9 在電絕緣層之上沉積正面Ti/Au電極，并且再次通過光刻，腐蝕工藝，去除 電絕緣層注入窗口中的一部分電極，從而形成側(cè)向電流注入，目的是為減小波導損耗。見圖 1中11處位置。步驟10 將襯底1進行減薄，并蒸發(fā)背面Au/Ge/Ni，通過合金化，快速熱退火與襯 底形成良好的歐姆接觸。見圖1中12處位置。步驟11 在垂直脊的方向進行解離，按照設(shè)計好的版圖，首先解離多個管芯位于 一排，這樣可以方便前后腔面鍍膜，前腔面鍍介質(zhì)增透膜，后腔面鍍Al203/Ti/Au/Al203高反 膜。步驟12 將前后腔面鍍好膜的管芯再解離成單個管芯，經(jīng)過超聲壓焊引出電極， 最后燒結(jié)在鍍銦的無氧銅熱沉之上，從而完成整個制作過程。其中有源區(qū)的結(jié)構(gòu)按照設(shè)計波長要求采用具有應變補償?shù)腎nGaAs/InAlAs材料 體系，有源區(qū)包含多個重復單元，每個單元的結(jié)構(gòu)用以提供載流子注入和完成設(shè)計激射波 長λ的電子躍遷及光子發(fā)射。其中光子晶體波導結(jié)構(gòu)的制作工藝包括1)清洗，將生長完全器件結(jié)構(gòu)的材料經(jīng)過石油醚、三氯乙烯、丙酮、無水乙醇、去離子水清洗。2)涂膠，在材料表面涂覆一層薄薄的，經(jīng)過稀釋的特殊光刻膠，所選用的光刻膠為 美國Shipley公司生產(chǎn)的S1805型正性光刻膠，該光刻膠與其配套的Thinner-P稀釋劑以 2 1的體積比進行充分混合，在離心式涂膠機上以4000rpm-4500rpm的轉(zhuǎn)速進行涂覆、甩 膠，再進入90攝氏度烘箱進行烘烤30分鐘，經(jīng)過以上步驟的處理，我們可以保證所獲得的 光刻膠膠膜厚度在200-250nm之間，這個厚度是利用全息曝光方法進行干法刻蝕和濕法腐 蝕可以得到450nm-550nm深光子晶體的最佳條件。如果膠膜厚度低于這個厚度，在后續(xù)刻 蝕的時候，較薄的光刻膠不能完全保護本體，高于這個厚度的話，目前我們采用的441. 2nm 波長的藍光He-Cd氣體激光器的曝光功率不能完全曝透膠膜，對于顯影過程也會出現(xiàn)一定 的困難。3)曝光，覆蓋有200-250nm厚角膠膜的材料放進全息曝光室進行曝光，在光刻 膠表面形成一維或者二維光子晶體，所采用的光路為分波前光路系統(tǒng)，光源為441. 2nm波 長的藍光He-Cd氣體激光器，該光路系統(tǒng)具有搭建簡單，實驗操作方便易行的特點。對于 經(jīng)過步驟2)處理的膠厚在200nm-250nm的光刻膠掩膜，完全曝透膠膜所需的曝光時間為 50sec-60seco 一維光子晶體需要曝光時間為50SeC-60SeC，如果制作二維光子晶體則需要 曝光兩次甚至三次，所需的曝光時間也根據(jù)曝光次數(shù)所減少，曝光兩次時每次所需的時間 約為 20sec_30sec。4)顯影，由于全息曝光中，樣品表面各處的明暗光強對比度不為1，即樣品表面各 處都經(jīng)過不同程度的曝光，所以普通的顯影液不能直接用于對全息樣品的顯影之中，我們 選取的是質(zhì)量分數(shù)為10%的四甲基氫氧化銨與水按照1 6的體積比進行稀釋，顯影時間 為 60seco5)刻蝕，我們采用的是HNO3 HBr H2O = 1 1 20(體積比)的濕法腐蝕液， 該配比的腐蝕液對于hP，InGaAs, InAlAs材料具有更向同性的腐蝕特性。腐蝕速度大約為 300nm/min。腐蝕過程中要嚴格控制腐蝕溫度為35攝氏度。腐蝕時間為60sec-90sec。經(jīng)過上述清洗、涂膠、顯影、刻蝕等工藝，可以在η型高摻雜上覆蓋層和η型歐姆接 觸層中形成用以提供均勻分布反饋的光子晶體波導結(jié)構(gòu)。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括一襯底；一下波導層，該下波導層利用分子束外延方法生長在襯底之上； 一量子級聯(lián)有源區(qū)，該有源區(qū)利用分子束外延方法生在下波導層之上； 一上波導層，該上波導層利用分子束外延方法生長在有源區(qū)之上； 一上包層，該上包層利用分子束外延方法生長在上波導層之上； 一上覆蓋層，該上覆蓋層利用分子束外延方法生長在上包層之上； 一歐姆接觸層，該歐姆接觸層利用分子束外延方法生長在上覆蓋層之上； 一光子晶體波導結(jié)構(gòu)，該光子晶體波導結(jié)構(gòu)制作于上覆蓋層和歐姆接觸層之中； 一雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)，通過濕法腐蝕或干法刻蝕工藝歐姆接觸層而形成，該雙溝脊型 波導結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一部分是均勻脊寬的主控振蕩區(qū)，一部分是錐形增益放大區(qū)；一電絕緣層，該電絕緣層沉積在歐姆接觸層之上，覆蓋整個雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)，在覆蓋 有絕緣層的脊臺中心部位留出電注入窗口 ； 一正面電極，制作于電絕緣層之上； 一背面電極，制作于襯底背面； 一錐形增益放大區(qū)前腔面蒸鍍的介質(zhì)增透膜； 一均勻脊后腔面蒸鍍的金屬高反膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其特 征在于，所述下波導層為低摻雜的InGaAs層，低摻雜的InGaAs下波導層具有較高的折射 率，根據(jù)模式理論，高折射率材料能夠?qū)馄鸬礁叩南拗谱饔?，提高有源區(qū)的光場限制因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其 特征在于，所述量子級聯(lián)有源區(qū)包括由InGaAs/InAlAs材料組成的多耦合量子阱重復結(jié) 構(gòu)，每個周期都在結(jié)構(gòu)上分為兩部分，一部分是用以提供載流子注入的注入?yún)^(qū)，另一部分是 用于實現(xiàn)載流子子帶間躍遷光輻射的有源區(qū)，兩部分結(jié)合在一起可以實現(xiàn)單極載流子的注 入、子帶間躍遷、輻射光子、激射波長在所設(shè)計的要求范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其特 征在于，所述上波導層為低摻雜的InGaAs層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其特 征在于，所述上包層為低摻雜的InP層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其特 征在于，所述上覆蓋層為高摻雜的InP層，用來提供載流子注入。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其特 征在于，所述歐姆接觸層為高摻雜的InP層，用于與金屬Ti/Au電極形成良好的歐姆接觸， 提供電注入。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其特 征在于，所述雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一部分是具有均勻脊寬的主控振蕩區(qū)，脊寬 為1(^111至2(^111，長度為500μπι至ΙΟΟΟμπι;—部分是具有一定發(fā)散角的錐形增益放大區(qū)，脊型臺面的腐蝕深度到達有源區(qū)之下，為有源區(qū)提供側(cè)壁陡直的橫向波導結(jié)構(gòu)，深度為 7 μ m至8 μ m，錐形區(qū)域的長度為1000 μ m至1500 μ m，錐形發(fā)散角為1°至4°，雙溝的寬度 為 50 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其特 征在于，所述光子晶體波導結(jié)構(gòu)位于上覆蓋層和歐姆接觸層之中，該光子晶體波導結(jié)構(gòu)為 一維光子晶體，或者為二維光子晶體，一維光子晶體的情況即為光柵，光柵周期根據(jù)Bragg 公式Λ = λ/2η@來確定，其中，λ為激光器激射波長，nrff為器件有效折射率；二維光子 晶體為圓孔形點陣，圓孔直徑為400至600nm，二維點陣為正方點陣，或者為六方點陣，光子 晶體的深度為450nm至550nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其 特征在于，所述電絕緣層為二氧化硅或者氮化硅薄膜材料，電絕緣層覆蓋整個雙溝脊型波 導結(jié)構(gòu)表面，在雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)的中間部位留出電注入窗口，窗口寬度根據(jù)脊寬而定，要 比脊寬略窄。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其 特征在于，所述正面電極為Ti/Au電極，該電極覆蓋在電絕緣層之上，但是并不完全覆蓋脊 型臺面中心處電絕緣層留出的電注入窗口，只是部分覆蓋電注入窗口。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其 特征在于，所述錐形增益放大區(qū)前腔面蒸鍍的介質(zhì)增透膜由ZnO和I^bTe材料交替形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器，其 特征在于，所述均勻脊后腔面蒸鍍的金屬高反膜由Al203/Ti/Au/Al203材料形成。
14.一種近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器的制作方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟步驟1 在襯底上利用分子束外延方法依次生長下波導層、有源區(qū)、上波導層，上包層、 上覆蓋層和歐姆接觸層；步驟2 利用全息光刻的方法在在上覆蓋層和歐姆接觸層中制備用以提供均勻分布反 饋的光子晶體波導結(jié)構(gòu)；步驟3 通過光刻、腐蝕工藝，按照事先設(shè)計好的具有主控振蕩放大區(qū)和錐形增益放大 區(qū)的版圖在具有光子晶體波導結(jié)構(gòu)的材料表面制作出雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)；步驟4 在雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)上通過CVD方法淀積二氧化硅絕緣層，或者通過PECVD方 法生長氮化硅絕緣層；步驟5:通過光刻、刻蝕二氧化硅或氮化硅的工藝，在所制作絕緣層的中間處開出電流 注入窗口，注入窗口的寬度要小于主振蕩區(qū)的脊寬；步驟6 在已留出電注入窗口的絕緣層之上通過熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)的方法沉積正 面電極；步驟7:在所沉積的正面電極結(jié)構(gòu)之上通過光刻工藝，去除掉一部分在脊型臺面中央 電注入窗口之中的電極；步驟8 將襯底減薄至100至120 μ m ；步驟9 在減薄后的襯底背面上生長Au/Ge/Ni背電極，再經(jīng)過高溫退火處理； 步驟10 將經(jīng)過步驟9加工后的材料中的多個管芯并排解離成一條，然后對均勻脊型后腔面鍍Al203/Ti/Au/Al203金屬高反膜，錐形增益放大區(qū)前腔面鍍介質(zhì)增透膜；步驟11 將前后腔面都鍍好膜的條狀陣列解離成單個管芯；步驟12 把解離好的管芯燒結(jié)在鍍銦的無氧銅熱沉之上，再利用超聲點焊方法引出金 絲正面電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器的 制作方法，其特征在于，所述雙溝脊型波導結(jié)構(gòu)是利用干法刻蝕或濕法腐蝕方法形成，濕法 腐蝕所采用的腐蝕液為HNO3 HBr H2O = 1 1 10 (體積比)，該配比的腐蝕液對于 InP.InGaAs或InAlAs材料具有各向同性的腐蝕特性，通過嚴格控制腐蝕時間和腐蝕溫度， 可以腐蝕出側(cè)壁陡直的結(jié)構(gòu)，在35攝氏度水浴恒溫的條件下，腐蝕時間90sec至120sec，可 達到7 μ m至8 μ m的腐蝕深度。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器的 制作方法，其特征在于，所述光子晶體波導結(jié)構(gòu)制作過程所采用的是美國Siipley公司的 S1805型正性光刻膠與Thirmer-P按照2 1的體積比進行充分稀釋混合，經(jīng)過離心式甩膠 以4000至4500rpm的轉(zhuǎn)速涂覆在材料表面作為全息光刻的掩膜，掩膜厚度為200至250nm。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器的 制作方法，其特征在于，所述光子晶體制作過程中全息曝光光源采用的是波長為441. 6nm 的藍光He-Cd氣體激光器，曝光光路為分波前曝光系統(tǒng)，曝光時間根據(jù)所需光子晶體圖形 結(jié)構(gòu)的變化而不同，對于厚度為200至250nm的掩膜，一維光子晶體的曝光時間為50sec至 60sec，如果制作二維光子晶體則需要曝光兩次甚至三次，所需的曝光時間也要根據(jù)曝光次 數(shù)而減少，曝光兩次的話，每次所需的時間約為20seC至30seC。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器的 制作方法，其特征在于，所述光子晶體制作過程中，顯影液采用的是質(zhì)量分數(shù)為10%的四甲 基氫氧化銨與水按照1 6的體積比進行稀釋，顯影時間為60sec。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器的 制作方法，其特征在于，所述光子晶體制作過程中，腐蝕液采用的是HNO3 HBr H2O = 1:1: 20(體積比)的濕法腐蝕液，腐蝕速度為300nm/min。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器的 制作方法，其特征在于，所述電絕緣層為CVD法生長的二氧化硅或者PECVD方法生長的氮化 硅
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近衍射極限光束輸出的錐形光子晶體量子級聯(lián)激光器及其制作方法。該激光器包括襯底，及其在襯底上依次生長的下波導層、有源區(qū)、上波導層、上覆蓋層、上接觸層、歐姆接觸層、電絕緣層、正面電極和襯底背面電極。該激光器采用脊型臺面雙溝波導結(jié)構(gòu)，脊型臺面結(jié)構(gòu)由均勻脊寬的主控振蕩區(qū)和錐形結(jié)構(gòu)的增益放大區(qū)兩部分組成；光子晶體結(jié)構(gòu)用以提供分布反饋波導，制作于上接觸層和歐姆接觸層之中。利用本發(fā)明，能夠獲得單模近衍射極限光束輸出；采用脊型臺面結(jié)合錐形增益放大區(qū)的波導結(jié)構(gòu)，大大降低了遠場發(fā)散角，在提高輸出功率的同時又避免了同類寬脊型大功率器件難以避免的散熱問題。
文檔編號H01S5/06GK102055135SQ20091023709
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者劉俊岐, 劉峰奇, 張偉, 張全德, 李路, 王利軍, 王占國, 陸全勇, 高瑜 申請人:中國科學院半導體研究所