专利名称：具有在掺杂中周期性变化所形成的光栅的量子级联激光器的制作方法
背景技术：
量子级联激光器(Quantum cascade lasersQCL)使用电子子带间跃迁来在半导体超点阵中进行发射激光的动作。由于光被子带间跃迁有力地发射或吸收，所以所述光的电场一般垂直于外延层，并且量子势阱中的子带间跃迁主要吸收或发射横磁(TM)偏振光。
表面等离子体激光(Surface plasmons)是沿着金属和半导体界面传播的TM偏振波。表面等离子体激光的振幅在所述界面的两侧按指数关系下降。表面等离子体激光是相当有损耗的，并且在所述表面等离子体激光模和发射激光模之间的任何耦合都是不希望的，这是因为此耦合对激光器来说带来了附加的损耗机制。
由于不太可能使覆层生长得足够厚以便包含在诸如QCL之类的子带间半导体激光器的较长发射波长时存在的横模的长易消失的尾部，所以对于QCL中的横模限制，已经引入了等离子体激光波导结构。等离子体激光波导结构通过使用高掺杂(doping)来增加折射率对比度以便显著地降低覆层的折射率，从而提供了对光的限制。当掺杂级足够高时，半导体的等离子频率接近QCL发射频率，使得所述半导体的光学特性变得更像金属，其复折射率为n+ik，其中具有较小的实部n以及较大的虚部k。调整等离子体激光波导结构的掺杂和厚度，从而优化了模态损耗和具有量子级联增益的重叠。
对于等离子体激光限制而言，用于在可见和近红外波长中掺杂的要求典型情况下太高而难于实施。然而，在一般与QCL相关联的较长、中和远红外(IR)波长时，数量级大约为1018/cm3左右的掺杂级足以降低覆层对于所述QCL的工作波长的折射率，以便提供横模限制。
发明内容
依照本发明，可以通过引入掺杂级的周期性变化来制作用于QCL和中红外波长VCSEL的掺杂衍射光栅，所述掺杂级的周期性变化会导致周期性折射率变化。典型情况下，通过使用n型掺杂剂来实现掺杂。
将掺杂的衍射光栅置于QCL的波导区域中提供了用于稳定发射波长的分布布喇格反射器(distributed Bragg reflectorDBR)。依照本发明，还可以使用掺杂的衍射光栅来为中红外波长VCSEL提供DBR。
图1示出了在波长为8μm时算得的InP的实数折射率和损耗的掺杂相关性。
图2a示出了对于依照本发明的20、40、60、80和100个镜偶，DBR反射率与掺杂级别的对比。
图2b示出了对于依照本发明的不同半导体散射时间，DBR反射率与掺杂级别的对比。
图3a示出了依照本发明的QCL结构。
图3b示出了示意性横截面。
图3c示出了依照本发明的QCL结构。
图3d示出了依照本发明的VCSEL结构。
图4a示出了依照本发明的用于制作掺杂光栅的方法。
图4b示出了依照本发明的用于制作掺杂光栅的方法。
图5a-c示出了依照本发明的用于制作掺杂光栅的方法。
具体实施例方式
在数量级大约为1018/cm3的重掺杂级足以在InP层导致明显的折射率降低。在图1中，曲线101示出了对于具有InP覆层、以8μm工作的QCL，如果把掺杂级从1-2×1017/cm3增加到5×1018/cm3，那么这对应于实数折射率从大约3.1降低到大约2.6。图1中的曲线102示出了根据掺杂级所增加的损耗。
依照本发明，可以使用掺杂的周期性变化来生成衍射光栅。对于掺杂变化的典型周期L由下式给出L＝λ/2neff，其中neff是有效的折射率并且λ是波长。掺杂周期的典型值的数量级约为1μm。作为选择，可以通过使用λ/2neff的奇数倍——(2m+1)λ/2neff来定义较高数量级的光栅，其中m是正整数。如果将该衍射光栅适当地定位在QC激光器的波导区域中，诸如InP覆层或波导芯，那么衍射光栅可以用作分布布喇格反射器(DBR)来控制所述发射波长。
光栅强度可以由掺杂浓度以及重掺杂区域以及波导芯附近的厚度来控制。在一般与QCL相关联的长波长时掺杂所引起的折射率降低比得上或大于一般由常规的较短波长结构所实现的折射率的降低，所述较短波长结构依赖于合成的变化以便实现折射率的变化。然而，所实现的大折射率步长与大吸收损耗相关联。吸收损耗和折射率步长都随掺杂级增大而增加。因此，在希望的大折射率步长和不希望的大吸收损耗之间存在权衡。
依照本发明，图2a示出了对于具有不同数目镜偶的DBR而言，峰值反射率R/单位为1×1018/cm3的掺杂级Lo。曲线205、210、215、220、225和230分别对应于20、40、60、80和100个镜偶。从图2a中很明显地看出，反射率R一般在宽掺杂级Lo范围内饱和到大约为0.9的峰值反射率。例如，用于表示20个镜偶的曲线205在大约5×1018/cm3的掺杂级Lo时饱和到大约为0.9的峰值反射率，并且用于表示100个镜偶的曲线230在大约1×1018/cm3的掺杂级Lo时饱和到大约为0.9的峰值反射率。由此可见，当较高的掺杂级Lo增加了折射率步长时，也增加了吸收损耗以致限制了峰值反射率。从图2a中很明显地看出，DBR的设计细节对精确的掺杂级和所选择的特定数目的镜偶来说相对并不那么敏感。
然而最终，吸收损耗限制了能够实现的DBR的质量。在图2a中所示出的曲线205、210、215、220、225和230假定了对于用于计算所述曲线的半导体Drude模型来说散射时间为0.1ps。图2b示出了对于具有50个镜偶的DBR而言，依照本发明散射时间的变化怎样影响DBR反射率。曲线235、240、245和250分别对应于散射时间0.05ps、0.1ps、0.15ps和0.2ps。曲线235、240、245和250表明依照本发明，对于DBR来说，较大的散射时间典型情况下会产生较高的峰值反射率。因此，使用具有较大散射时间的材料典型情况下会产生较好的DBR。例如，对于InP材料，典型情况下散射时间在大约1×1018/cm3的掺杂级Lo时大约为0.1ps。
在图2a-b中所示出的结果并没有考虑DBR区域与波导模的重叠。典型情况下，在典型的InP QCL 350中波导的上部覆层中存在10％到20％的波导模限制(参见图3a)。因此，如果在整个上部覆层中形成DBR，那么可以根据在图2a-b中所示出的结果将DBR的强度降低一定数量级。反射率R被定义为R＝tanh2κL(1)其中κ被定义为κ＝2ΓΔn/λ (2)
其中Δn是在DBR的镜偶之间的折射率步长。方程式(2)中DBR 354的横截面与波导模横截面399的重叠Γ(参见图3b)由下式给出 其中积分式是波导沿着传播方向的法线方向的横截面积。
实现在图2a-b中所示出的反射率值R于是要求DBR的镜偶增加一定数量级。例如，如果整个上部覆层用来以5×1018/cm3的掺杂级Lo来创建具有200个镜偶的DBR，那么图2a-b表明可以实现具有大约为0.8到0.9反射率的DBR。与波导模具有较少重叠的DBR可能会要求按比例更长的光栅以便实现0.8到0.9的反射率。
图3a示出了依照本发明的实施例的具有波导模399的QCL 350。包含DBR元件356和355的DBR镜偶357形成位于覆层区域360中的DBR 354的一部分。DBR元件356在掺杂级上不同于DBR元件355。DBR元件355和356之间的掺杂级的差异导致DBR元件356和DBR元件355之间对发射波长的折射率差异。DBR 354用作QCL 350的反向反射镜。区域361用作波导芯。覆层区域360和波导芯361一起形成波导层362。
图3b示出了如上面方程式(4)所定义的在X轴方向上DBR 354的横截面和波导模横截面399之间的重叠Γ。
图3c示出了依照本发明的QCL 351。包含DBR元件347和348的DBR镜偶359形成了位于波导芯361中的DBR 344的一部分。DBR元件347在掺杂级上不同于DBR元件348。DBR元件347和348的掺杂级差异导致DBR元件347和DBR元件348之间对发射波长的折射率差异。DBR用作QCL 351的反向反射镜。
依照本发明，掺杂级变化可以用来创建用于垂直空腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting lasers VCSEL)的DBR。尽管QC激光器中的激光作用跃迁典型情况下是TM偏振的并且不适于VCSEL，然而存在横向电(transverse electric TE)偏振的子带间跃迁。例如，已经在Si/SiGe QC激光器的价带(valence band)中观察到TE跃迁，在所述价带中存在两个带重和轻穴带(hole band)。在所述价带的重和轻穴带之间发生的跃迁允许TE偏振的跃迁，而在相同带内的跃迁不允许TE偏振的跃迁。
图3d示出了具有波导模325的外延VCSEL结构300的依照本发明的实施例。在具有激光腔375和激活区380的外延VCSEL结构300中，将DBR 335的交替层310和315的掺杂级分别调制为约1×1017/cm3和1×1018/cm3之间，使得能够构造具有高折射率对比的均匀DBR 335。层310和315中的每个典型情况下是四方之一波长厚度的奇数倍。图2a-b示出了对于只具有20个镜偶的DBR 335，如果掺杂层315被掺杂到大约5×1018/cm3的级别，那么可以实现大约0.8到0.9的峰值折射率。因为DBR 335并非由不同的带隙(bandgap)材料制成，所以并不存在界面势垒(interfacial potential barrier)，并且在几kA/cm2电流密度的情况下，垂直电流的串联电阻一般也小于几个欧姆。如上所述，因为折射率对比随着掺杂级增加而增加，所以也增加了层吸收率。因而，DBR 335的透明度接近于零。因此，典型情况下诸如DBR 335之类的掺杂DBR只被用作VCSEL 300的反向反射器，而不是用作输出耦合器反射镜。
为了在QCL的波导中实现掺杂光栅结构，可以使用标准的光刻术或电子束光刻术来在半导体表面对光致抗蚀剂构图以便形成线路图案和空间图案，该图案具有大约为1μm或1μm的奇数倍的典型间距。依照本发明，图4a示出了例如在制造QCL 401过程中结合离子注入诸如Si或Zn之类的掺杂剂使用的带图案光致抗蚀掩模420。掺杂级和掺杂分布的深度典型情况下分别由注入剂量和离子注入能量来控制。典型的剂量值的数量级为大约1×1014/cm2到大约1×1015/cm2，并且使用大约为0.5MeV到大约为2MeV的典型离子注入能量来在QCL 401的一部分波导中创建高度掺杂的区域455，所述QCL 401被构图为光栅结构。如果与带图案光致抗蚀掩模420可以提供的注入保护相比，要求更多的注入保护，那么可以使用湿或干蚀刻技术或标准的卸下(lift-off)技术来把所述带图案光致抗蚀掩模420转印到例如金属或电介质制成的硬掩模中。
依照本发明，图4b示出了用于通过把掺杂剂445固体源扩散到半导体晶片402中来创建掺杂光栅的方法。可以使用标准的湿或干蚀刻方法来把光致抗蚀剂图案(未示出)转印到半导体表面上的薄膜掩模446上，例如Si薄膜掩模。然后可以把半导体晶片402放置在具有温度为从大约700℃到900℃范围内的扩散烘箱中，在那里掺杂剂(例如在Si薄膜掩模情况下的Si)将从薄膜掩模446中扩散到半导体晶片402中。图4b示出了对于扩散时间在1到8小时范围内的半导体晶片402中的扩散分布448。
固体源扩散的另一例子具有由例如Ge-Au或相似的n接点金属制成的薄膜掩模446，其中已经使用标准的卸下或者湿或干蚀刻方法从光致抗蚀剂图案(未示出)转印到所述薄膜掩模446上。在氮或其它惰性气体中，将Ge-Au的n接点金属在大约400℃到450℃的温度下进行长达大约10到300秒的标准退火以使Ge进入半导体晶片402中，从而创建扩散分布448。
蒸汽扩散也可以用来创建依照本发明的掺杂光栅并且典型情况下在密闭的石英管安瓿中执行。在使用蒸汽扩散中，薄膜掩模446典型情况下由二氧化硅制成并且不是掺杂剂的源。薄膜掩模446用于阻止诸如Zn之类的汽相掺杂剂扩散到半导体晶片402中。因此，汽相扩散创建了与在图4b中所示的相反的掺杂分布。汽相掺杂剂扩散到薄膜掩模446的开口并且被其它地方的薄膜掩模446阻止进一步扩散。
图5a-c示出了依照本发明使用选择性生长的掺杂区域来定义掺杂光栅。图5a示出了带图案的层510，典型情况下为SiO2或Si3Nx，其一般是通过湿或干蚀刻方法从带图案光致抗蚀剂(未示出)转印来的。当在带图案的层510上(典型情况下为SiO2或Si3Nx)重新生长高度掺杂层511时，高度掺杂层511将只在半导体晶片500的暴露部分509上而不是在带图案的层510上生长，从而产生了带图案的高度掺杂层511。然后使用湿或干蚀刻方法来从半导体晶片500中除去典型情况下为SiO2或Si3Nx的带图案的层510，并且可以如图5c所示用低度掺杂材料来使半导体晶片500重新生长以便将带图案的高度掺杂层511埋在低度掺杂埋层内。这使得能够创建掩埋的掺杂光栅。
作为选择，可以首先在半导体晶片500上生长高度掺杂层511，并且将典型情况下为SiO2或Si3Nx的带图案的层510沉积在高度掺杂层511的上方。然后借助湿或干蚀刻方法来除去高度掺杂层511未受带图案的层510保护的暴露部分。然后借助湿或干蚀刻方法来除去典型情况下为SiO2或Si3Nx的带图案的层510，并且可以用低度掺杂埋层515来使半导体晶片500重新生长。这使得能够创建掩埋掺杂光栅。注意，可以修改图5a-5c中所示出的步骤，以便通过使用在波导芯550生长之前的重新生长来在波导芯550下面创建掩埋掺杂光栅。
虽然已经结合具体实施例描述了本发明，然而本领域技术人员按照上面描述显然可以进行许多替换、修改和变化。据此，本发明意在包含所有其它这种落入所附权利要求的精神和范围内的替换、修改和变化。
权利要求
1.一种边缘发射半导体激光器，包括波导层，包括覆层和波导芯；和位于所述波导层中的分布布喇格反射器，用于控制发射波长，所述分布布喇格反射器包括多个镜偶，其中所述镜偶的第一构件与所述镜偶的第二构件相差较高的掺杂级以便产生折射率差异。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述分布布喇格反射器位于所述波导层的覆层中。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述分布布喇格反射器位于所述波导芯中。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述边缘发射半导体激光器是量子级联激光器。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述发射波长处于中红外范围内。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述较高的掺杂级等于或大于大约1×1018/cm3。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述第一构件与第二构件对所述发射波长的折射率差异大约为0.5。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述多个镜偶处于大约20到大约100的范围内。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述多个镜偶包括InP。
10.一种垂直空腔表面发射激光器，包括激活区；和位于所述激活区一侧的分布布喇格反射器，用于控制发射波长，所述分布布喇格反射器包括多个镜偶，其中所述镜偶的第一构件与所述镜偶的第二构件相差较高的掺杂级以便产生折射率差异。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述发射波长处于中红外范围内。
12.如权利要求10所述的设备，其中所述较高的掺杂级等于或大于大约1×1018/cm3。
13.如权利要求10所述的设备，其中所述第一构件与第二构件之间对所述发射波长的折射率差异大约为0.5。
14.如权利要求10所述的设备，其中所述多个镜偶大约为20个。
15.如权利要求10所述的设备，其中所述多个镜偶包括InP。
16.一种用于边缘发射半导体激光器的方法，包括提供波导层；并且提供位于所述波导层中用于控制发射波长的分布布喇格反射器，所述分布布喇格反射器包括多个镜偶，其中所述镜偶的第一构件与所述镜偶的第二构件相差较高的掺杂级以便产生折射率差异。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述边缘发射半导体激光器是量子级联激光器。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述发射波长处于中红外范围内。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述多个镜偶包括InP。
20.一种用于垂直空腔表面发射激光器的方法，包括提供激活区；并且把分布布喇格反射器放置在所述激活区一侧上，用于控制发射波长，所述分布布喇格反射器包括多个镜偶，其中所述镜偶的第一构件与所述镜偶的第二构件相差较高的掺杂级以便产生折射率差异。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述多个镜偶大约为20个。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述多个镜偶包括InP。
全文摘要
可以通过在掺杂级中引入周期性变化来制作用于量子级联激光器和中红外波长垂直空腔表面发射激光器的掺杂衍射光栅，所述掺杂级导致周期性的折射率变化。典型情况下，通过使用n型掺杂剂来实现掺杂。
文档编号H01S5/187GK1874091SQ20061006767
公开日2006年12月6日 申请日期2006年3月23日 优先权日2005年3月24日
发明者S·W·科尔齐恩, D·P·布尔, G·E·霍夫勒 申请人:阿瓦戈科技光纤Ip(新加坡)股份有限公司