短波长光栅面发射量子级联激光器结构及制备方法技术

一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构，包括：一衬底；一下波导层生长在该衬底上；一有源层生长在该下波导层上；一上波导层生长在该有源层上；一盖层生长在该上波导层上，该盖层的上半部位置形成二级分布反馈光栅；一光栅层位于盖层的上面，并且该光栅层具有与盖层上的光栅相同的光栅周期，在该光栅层上形成有多个窗口，所述窗口的深度到达盖层的表面；其中所述的下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层的两侧为梯形斜面；一二氧化硅层生长在衬底的上面和梯形斜面上，及所述光栅层上面两侧的边缘部分；一正面金属电极层生长在二氧化硅层的上面及光栅层表面未被二氧化硅层覆盖的两侧的边缘部分；一背面金属电极层生长在衬底的下面，形成短波长光栅面发射量子级联激光器结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电器件
，尤其涉及一种短波长光栅面发射量子级联 激光器结构及制备方法。
技术介绍
量子级联激光器是一种利用电子在子带间跃迁发光的新型半导体激光器。其激射 波长能覆盖3-5 μ m中红外波段和8-14 μ m远红外波段两个重要的大气窗口，在痕量气体监 测与医疗诊断等领域中具有十分广阔的应用前景。尽管常规的边发射量子级联激光器已 经能够实现室温连续波工作和高功率输出，但是仍然存在光束质量不高、远场发散角大的 本征性缺点，从而极大地影响了量子级联激光器的实际应用。面发射量子级联激光器则具 有远场发散角小和单模工作的优点，因而十分有利于将激光耦合进光学系统等实际应用。 此外，由于光垂直器件表面发射，便于实现二维集成和在线检测，从而极大地降低了生产成 本，这对于目前昂贵耗时的量子级联激光器生产过程非常有吸引力。当前的面发射量子级联激光器主要有光栅面发射量子级联激光器和光子晶体面 发射量子级联激光器。其中，光子晶体面发射量子级联激光器具有对称的、面包圈形输出光 斑的特点，然而光子晶体图形需要很高的厚宽比和精确的二维图形控制，这对目前的光刻 工艺是一个很大的挑战，而且光子晶体面发射激光器的损耗很大，难以实现高温工作。相比 之下，光栅面发射量子级联激光器只需要在一维上制备二级分布反馈光栅，工艺相对简单， 因此成为了国际上面发射量子级联激光器研究的一个热点，并在过去的十年当中已经得到 了深入的研究。尽管对光栅面发射量子级联激光器的研究已经取得了不错的成果，包括室温脉冲 激射和1°以内的远场发散角，但是它们都主要集中在波长较长的8-14 μ m远红外波段甚 至太赫兹波段。这些较长的波段所需光栅尺寸较大，能够利用成熟的工艺如接触光刻来实 现。然而在波长较短的3-5 μ m中红外波段，接触光刻无法达到所需的精度。精细的电子束 曝光技术则不仅曝光时间很长，价格昂贵，制备效率极低，不适合大规模应用。由于3-5 μ m 中红外波段是C0、N20等有害气体的峰值吸收窗口，该波段的面发射量子级联激光器有较为 迫切的应用需求。基于此，本专利专利技术一种方法，能够大面积制备短波长面发射激光器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构及制备方 法。该方法采用双光束干涉的方式制备二级光栅，既能满足接触光刻无法达到的精度要求， 又能避免电子束曝光无法大面积制备的缺点，价格低廉，可靠性好，能实现单模、面发射和 小发射角。本专利技术提供一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构，包括一衬底；一下波导层，该下波导层生长在该衬底上，该下波导层位于衬底的中间部位；一有源层，该有源层生长在该下波导层上；一上波导层，该上波导层生长在该有源层上；一盖层，该盖层生长在该上波导层上，该盖层的上半部位置形成二级分布反馈光 栅；一光栅层，该光栅层位于盖层的上面，并且该光栅层具有与盖层上的光栅相同的 光栅周期，在该光栅层上形成有多个窗口，所述窗口的深度到达盖层的表面；其中所述的下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层的两侧为梯形斜面；一二氧化硅层，该二氧化硅层生长在衬底的上面和下波导层、有源层、上波导层、 盖层和光栅层两侧形成的梯形斜面上，及所述光栅层上面两侧的边缘部分；一正面金属电极层，该正面金属电极层生长在二氧化硅层的上面及光栅层表面未 被二氧化硅层覆盖的两侧的边缘部分；一背面金属电极层，该背面金属电极层生长在衬底的下面，形成短波长光栅面发 射量子级联激光器结构。其中所述的衬底为InP衬底。其中所述的下波导层和上波导层的材料均为η型InGaAs，掺杂浓度为 lX1017cnT3-9X1017cnT3，层厚为 0. 1-1. Oym0其中所述的有源层由10-50个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层的厚度为 0. 5-2. 5 μ m,该有源层的激射波长为3-5 μ m。其中所述的盖层的材料为η型InP，掺杂浓度为1 X 1016cm_3-5X 1016cm_3，厚度为 1-3 μ m ；光栅层的材料为η型InP，掺杂浓度为2. 5 X IO18-I X IO1W3,厚度为0. 1-1. Oym； 盖层和光栅层具有总厚度为0. 5-2. Oym的二级分布反馈光栅，光栅峰的占空比为 0. 5-0. 8。本专利技术还提供一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构的制备方法，包括如下 步骤步骤1 在衬底上依序生长有下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层；步骤2 通过等离子体增强化学气相沉积法在光栅层的上面生长氮化硅；步骤3 氮化硅层表面勻胶后，通过双光束全息曝光法制备出二级分布反馈光栅 的光刻胶图形；步骤4:以光刻胶图形为掩模，通过干法刻蚀的方法在氮化硅层中刻蚀出二级分 布反馈光栅结构的氮化硅图形；步骤5 以氮化硅图形为掩模，通过干法刻蚀的方法在光栅层和盖层上刻蚀出二 级分布反馈光栅结构；步骤6 用稀释氢氟酸将干法刻蚀后残余的氮化硅漂去；步骤7 通过光刻和湿法腐蚀的方法，将衬底上的下波导层、有源层、上波导层、盖 层和光栅层的两侧腐蚀，形成两侧为梯形斜面的条形结构；步骤8 在衬底的上面，在两侧为梯形斜面的条形结构的表面，采用化学汽相沉积 的方法，生长一层二氧化硅层，并通过光刻和湿法腐蚀的方法将光栅层上中间的二氧化硅 层刻蚀掉；步骤9 采用光刻结合带胶蒸发的方法，在二氧化硅层的表面生长正面金属电极层；步骤10 将衬底减薄、抛光；步骤11 在减薄后的衬底的背面蒸发背面金属电极层，完成器件的制作。其中所述的衬底为InP衬底。其中所述的下波导层和上波导层的材料均为η型InGaAs，掺杂浓度为 lX1017cnT3-9X1017cnT3，层厚为 0. 1-1. Oym0其中所述的有源层12由10-50个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层的厚度为 0. 5-2. 5 μ m,该有源层的激射波长为3-5 μ m。其中所述的盖层的材料为η型InP，掺杂浓度为1 X 1016cm_3-5X 1016cm_3，厚度为 1-3 μ m ；光栅层的材料为η型InP，掺杂浓度为2. 5 X IO18-I X IO1W3,厚度为0. 1-1. Oym； 盖层和光栅层具有总厚度为0. 5-2. Oym的二级分布反馈光栅，光栅峰的占空比为 0. 5-0. 8。附图说明为了进一步说明本专利技术的特征和效果，下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进 一步的说明，其中图1为本专利技术的实施例，其是光栅面发射中红外量子级联激光器的波导和二级光 栅结构的截面示意图。图2损耗与占空比关系图。图3耦合与占空比关系图。具体实施例方式请参阅图1所示，本专利技术提供一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构，包括一衬底10，该衬底10为InP衬底；一下波导层11，该下波导层11生长在该衬底10上，该下波导层11位于衬底10的 中间部位；—有源层12，该有源层12生长在该下波导层11上，所述的有源层12由10_50个 周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层12的厚度为1. 0_5 μ m，该有源层12的激射波长为 3-5 μ m ；一上波导层13，该上波导层13生长在该有源层12上；所述的下波导层11和上波导层13的材料均为η型InGaAs，掺杂浓度均为 lX101本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种短波长光栅面发射量子级联激光器结构，包括：一衬底；一下波导层，该下波导层生长在该衬底上，该下波导层位于衬底的中间部位；一有源层，该有源层生长在该下波导层上；一上波导层，该上波导层生长在该有源层上；一盖层，该盖层生长在该上波导层上，该盖层的上半部位置形成二级分布反馈光栅；一光栅层，该光栅层位于盖层的上面，并且该光栅层具有与盖层上的光栅相同的光栅周期，在该光栅层上形成有多个窗口，所述窗口的深度到达盖层的表面；其中所述的下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层的两侧为梯形斜面；一二氧化硅层，该二氧化硅层生长在衬底的上面和下波导层、有源层、上波导层、盖层和光栅层两侧形成的梯形斜面上，及所述光栅层上面两侧的边缘部分；一正面金属电极层，该正面金属电极层生长在二氧化硅层的上面及光栅层表面未被二氧化硅层覆盖的两侧的边缘部分；一背面金属电极层，该背面金属电极层生长在衬底的下面，形成短波长光栅面发射量子级联激光器结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江宇超，刘俊岐，陆全勇，张伟，郭万红，李路，刘峰奇，王利军，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]