专利名称：锥形光子晶体量子级联激光器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其是指一种高功率、近衍射极限光输出的 光子晶体量子级联激光器及其制作方法。
背景技术：
1994年贝尔实验室首先发明工作于中远红外波段的量子级联激光器，它不同于传 统的半导体激光器，量子级联激光器是仅靠子带间能级参与电子跃迁的单极性器件，人们 可以通过巧妙的能带结构设计，在不改变材料体系的前提下，在一定波段范围内任意调整 激射的波长，突破了传统半导体激光器激射波长必须依赖材料禁带宽度的限制，大大的拓 展了人类可以利用的光谱范围，因此，量子级联激光器是中远红外波段理想的光源。量子级 联激光器目前已经在3. 5 μ m至11. 5 μ m波段范围内实现了室温连续工作，具有广阔的应用 前景，被广泛用于环保污染监控、工业烟尘分析、生物医学诊断、痕量气体检测、分子光谱研 究、抗干扰雷达以及红外光学无线通讯等领域。为了满足在以上各种领域的应用，量子级联激光器被要求可以室温连续波单模工 作，然而迄今为止，目前只有少数个别波长的量子级联激光器实现了室温连续波单模工作， 这些量子级联激光器均利用了电子束曝光、掩埋光栅、二次MOCVD外延等技术，不仅成本昂 贵，而且技术复杂，这使得量子级联激光器的研制过程变得非常异常困难，不利于提高器件 可靠性和实现量产化。采用顶部光栅(把光栅均勻分布在激光器顶部)的做法工艺相对简 单，不需二次外延，但是由于波导损耗太大，输出功率普遍不高，难以达到实用的要求。在实际通信过程中，为了更好的实现激光器与光纤进行耦合，人们普遍要求激光 器出射光束的远场发散角要小，但是由于量子级联激光器的有源区很薄，仅为2至3μπι，而 激射波长又处于中红外波段，故此远场发散角较一般半导体激光器还要大，大约为50°，大 大影响了量子级联激光器在通信中的应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题针对上述量子级联激光器目前在应用中存在的缺陷，本发明提供了一种高功率、 近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器及其制作方法，利用光子晶体结构提 供横向分布反馈波导，从而获得单模近衍射极限光束输出；采用脊型台面结合锥形增益放 大区的波导结构，大大降低了远场发散角，在提高输出功率的同时又避免了同类宽脊型大 功率器件难以避免的散热问题。( 二 )技术方案本发明采用的技术方案如下一种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，该结构包括一衬底；一下波导层，该下波导层利用分子束外延方法生长在衬底之上；
一量子级联有源区，该有源区利用分子束外延方法生在下波导层之上；一上波导层，该上波导层利用分子束外延方法生长在有源区之上；一上包层，该上包层利用分子束外延方法生长在上波导层之上；一上覆盖层，该上覆盖层利用分子束外延方法生长在上包层之上；一欧姆接触层，该欧姆接触层利用分子束外延方法生长在上覆盖层之上；一光子晶体波导结构，该光子晶体波导结构制作于上覆盖层和欧姆接触层之中；一双沟脊型波导结构，通过湿法腐蚀或干法刻蚀工艺欧姆接触层而形成，该双沟 脊型波导结构由两部分组成，一部分是均勻脊宽的主控振荡区，一部分是锥形增益放大 区；一电绝缘层，该电绝缘层沉积在欧姆接触层之上，覆盖整个双沟脊型波导结构，在 覆盖有绝缘层的脊台中心部位留出电注入窗口；一正面电极，制作于电绝缘层之上；一背面电极，制作于衬底背面；一锥形增益放大区前腔面蒸镀的介质增透膜；一均勻脊后腔面蒸镀的金属高反膜。上述方案中，所述下波导层为低掺杂的InGaAs层，低掺杂的InGaAs下波导层具有 较高的折射率，根据模式理论，高折射率材料能够对光起到更高的限制作用，提高有源区的 光场限制因子。上述方案中，所述量子级联有源区包括由InGaAs/InAlAs材料组成的多耦合量子 阱重复结构，每个周期都在结构上分为两部分，一部分是用以提供载流子注入的注入区，另 一部分是用于实现载流子子带间跃迁光辐射的有源区，两部分结合在一起可以实现单极载 流子的注入、子带间跃迁、辐射光子、激射波长在所设计的要求范围内。上述方案中，所述上波导层为低掺杂的InGaAs层。上述方案中，所述上包层为低掺杂的InP层。上述方案中，所述上覆盖层为高掺杂的InP层，用来提供载流子注入。上述方案中，所述欧姆接触层为高掺杂的InP层，用于与金属Ti/Au电极形成良好 的欧姆接触，提供电注入。上述方案中，所述双沟脊型波导结构由两部分组成，一部分是具有均勻脊宽的主 控振荡区，脊宽为10 μ m至20 μ m，长度为500 μ m至1000 μ m ；一部分是具有一定发散角的 锥形增益放大区，脊型台面的腐蚀深度到达有源区之下，为有源区提供侧壁陡直的横向波 导结构，深度为7μπι至8μπι，锥形区域的长度为ΙΟΟΟμπι至1500μπι，锥形发散角为1°至 4°，双沟的宽度为50 μ m。上述方案中，所述光子晶体波导结构位于上覆盖层和欧姆接触层之中，该光子晶 体波导结构为一维光子晶体，或者为二维光子晶体，一维光子晶体的情况即为光栅，光栅周 期根据Bragg公式Λ = λ/2nrff来确定，其中，λ为激光器激射波长，nrff为器件有效折射 率；二维光子晶体为圆孔形点阵，圆孔直径为400至600nm，二维点阵为正方点阵，或者为六 方点阵，光子晶体的深度为450nm至550nm。上述方案中，所述电绝缘层为二氧化硅或者氮化硅薄膜材料，电绝缘层覆盖整个 双沟脊型波导结构表面，在双沟脊型波导结构的中间部位留出电注入窗口，窗口宽度根据脊宽而定，要比脊宽略窄。上述方案中，所述正面电极为Ti/Au电极，该电极覆盖在电绝缘层之上，但是并不 完全覆盖脊型台面中心处电绝缘层留出的电注入窗口，只是部分覆盖电注入窗口。上述方案中，所述锥形增益放大区前腔面蒸镀的介质增透膜由ZnO和I^bTe材料交 替形成。上述方案中，所述均勻脊后腔面蒸镀的金属高反膜由Al203/Ti/Au/Al203材料形 成。一种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器的制作方法，该方法包 括以下步骤步骤1 在衬底上利用分子束外延方法依次生长下波导层、有源区、上波导层，上 包层、上覆盖层和欧姆接触层；步骤2 利用全息光刻的方法在在上覆盖层和欧姆接触层中制备用以提供均勻分 布反馈的光子晶体波导结构；步骤3 通过光刻、腐蚀工艺，按照事先设计好的具有主控振荡放大区和锥形增益 放大区的版图在具有光子晶体波导结构的材料表面制作出双沟脊型波导结构；步骤4 在双沟脊型波导结构上通过CVD方法淀积二氧化硅绝缘层，或者通过 PECVD方法生长氮化硅绝缘层；步骤5 通过光刻、刻蚀二氧化硅或氮化硅的工艺，在所制作绝缘层的中间处开出 电流注入窗口，注入窗口的宽度要小于主振荡区的脊宽；步骤6 在已留出电注入窗口的绝缘层之上通过热蒸发或者电子束蒸发的方法沉 积正面电极；步骤7 在所沉积的正面电极结构之上通过光刻工艺，去除掉一部分在脊型台面 中央电注入窗口之中的电极；步骤8 将衬底减薄至100至120 μ m ；步骤9 在减薄后的衬底背面上生长Au/Ge/Ni背电极，再经过高温退火处理；步骤10 将经过步骤9加工后的材料中的多个管芯并排解离成一条，然后对均勻 脊型后腔面镀Al203/Ti/Au/Al203金属高反膜，锥形增益放大区前腔面镀介质增透膜；步骤11 将前后腔面都镀好膜的条状阵列解离成单个管芯；步骤12 把解离好的管芯烧结在镀铟的无氧铜热沉之上，再利用超声点焊方法引 出金丝正面电极。上述方案中，所述双沟脊型波导结构是利用干法刻蚀或湿法腐蚀方法形成，湿法 腐蚀所采用的腐蚀液为HNO3 HBr H2O= 1 1 10 (体积比)，该配比的腐蚀液对于 InP.InGaAs或InAlAs材料具有各向同性的腐蚀特性，通过严格控制腐蚀时间和腐蚀温度， 可以腐蚀出侧壁陡直的结构，在35摄氏度水浴恒温的条件下，腐蚀时间90sec至120sec，可 达到7 μ m至8 μ m的腐蚀深度。上述方案中，所述光子晶体波导结构制作过程所采用的是美国Siipley公司的 S1805型正性光刻胶与Thirmer-P按照2 1的体积比进行充分稀释混合，经过离心式甩胶 以4000至4500rpm的转速涂覆在材料表面作为全息光刻的掩膜，掩膜厚度为200至250nm。上述方案中，所述光子晶体制作过程中全息曝光光源采用的是波长为441. 6nm的蓝光He-Cd气体激光器，曝光光路为分波前曝光系统，曝光时间根据所需光子晶体图形结 构的变化而不同，对于厚度为200至250nm的掩膜，一维光子晶体的曝光时间为50sec至 60sec，如果制作二维光子晶体则需要曝光两次甚至三次，所需的曝光时间也要根据曝光次 数而减少，曝光两次的话，每次所需的时间约为20sec至30sec。上述方案中，所述光子晶体制作过程中，显影液采用的是质量分数为10%的四甲 基氢氧化铵与水按照1 6的体积比进行稀释，显影时间为60sec。上述方案中，所述光子晶体制作过程中，腐蚀液采用的是HNO3 HBr H2O = 1:1: 20(体积比)的湿法腐蚀液，腐蚀速度为300nm/min。上述方案中，所述电绝缘层为CVD法生长的二氧化硅或者PECVD方法生长的氮化 硅薄膜，厚度为300至400nm。(三)有益效果本发明提供的这种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，结构新 颖、简单，不需要昂贵的电子束曝光、二次外延等技术，整体制作过程具有工艺简单，仪器设 备要求低等特点。采用本发明提供的这种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，不 仅大大的提高了分布反馈量子级联激光器的输出功率，同时还有效的改善了量子级联激光 器的远场特性，可以获得单模、近衍射极限输出的光子晶体量子级联激光器。新颖的器件结 构结合简单的制作工艺使得本发明在量子级联激光器与光纤耦合，制作便携式红外光源等 应用方面有了更为广阔的前景。
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明，其中图1是本发明提供的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器的三 维结构示意图；图2是一维光子晶体(光栅)波导示意图；图3是二维正方点阵圆孔光子晶体波导示意图；图4是锥形光子晶体量子级联激光器后腔面的截面二维结构示意图；图5是S1805型正性光刻胶与Thirmer-P按照不同比例稀释之后获得的胶厚曲 线.一入 ，主要元件符号说明η型掺杂的hP衬底1η型掺杂的InGaAs下波导层235级周期的多量子阱耦合有源区3η型掺杂的InGaAs上波导层4η型低掺杂的MP上包层5η型高掺杂的InP上覆盖层6η型高掺杂的欧姆接触层 7电绝缘层8Ti/Au 电极9
分布反馈光子晶体波导结构 10用于实现侧向注入Ti/Au电极11背面Au/Ge/Ni 电极12均勻脊型主控振荡区I锥形光增益放大区II
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。下面以InP/InGaAs/InAlAs材料体系，锥形光子晶体量子级联激光器为例对本发 明进行进一步的说明，但不构成对本发明的限制。本发明提供了一种高功率，近衍射极限锥形光子晶体量子级联激光器，包括η型 掺杂的InP衬底，InGaAs下波导层，35级周期有源区，InGaAs上波导层，InP上包层，InP上 覆盖层，高掺杂InP欧姆接触层，光子晶体波导，双沟脊型结构和锥形增益放大区。具体结 构参见图1所示，为本发明的三维立体结构示意图，包括一衬底1，该衬底为η型掺杂的InP衬底，掺杂浓度为1_3 X 1017cm_3，衬底主要起到 支撑整体结构的作用，另一方面相对于有源区而言衬底可以认为是半无限的波导结构，可 以提高有源区的光场限制因子。一低掺杂InGaAs下波导层2，位于InP衬底之上，掺杂浓度为IO16CnT3量级，厚度 为300nm。根据Drude模型，材料折射率与掺杂浓度有着很强的关系，通常而言，折射率随掺 杂浓度的升高而降低，因此，低掺杂的下波导层具有更高的折射率，紧贴有源区两侧的高折 射率InGaAs层可以有效的提高光场限制因子。一 35级有源区3顺序生长在下波导层2之上，包括由InGaAs/InAlAs材料组成的 多耦合量子阱重复结构，每个周期都在结构上分为两部分，一部分是用以提供载流子注入 的注入区，另一部分是用于实现子带跃迁光辐射的有源区，两部分结合在一起可以实现单 极载流子的注入、子带间跃迁、辐射光子、激射波长在所设计的要求范围内。一低掺杂InGaAs上波导层4，位于有源区3之上，掺杂浓度为IO16CnT3量级，厚度 为 300nmo一 η型低掺杂的InP上包层5，位于上波导层4之上。掺杂浓度为IO16CnT3量级， 厚度为 1500nm-2500nmo一 η型高掺杂的InP上覆盖层6，位于InP上包层5之上，主要作用是用来提供载 流子注入。掺杂浓度为IO18Cm3量级，厚度为500nm-1000nm。接触层6也是本发明中分布反 馈光子晶体波导所处的位置。一 η型高掺杂的hP欧姆接触层7，位于InP上覆盖层6之上，主要作用是与 金属Ti/Au电极形成良好的欧姆接触，提供电注入。掺杂浓度为IO19CnT3量级，厚度为 30nm-100nm。高掺杂欧姆接触层7也是本发明中分布反馈光子晶体波导所处的位置。一分布反馈光子晶体波导结构10，该光子晶体波导结构利用全息曝光的方法， 结合干法刻蚀或者湿法腐蚀制作在上覆盖层6和欧姆接触层7中，通过控制光子晶体 的刻蚀或者腐蚀深度，保证其不穿透接触层6。分布反馈光子晶体波导的刻蚀深度为450nm-550nm，通过计算表明，这样的刻蚀深度既可以提供足够的光反馈，又可以最大程度 程度的降低表面金属与内部光场相互作用引起的强烈损耗。其中分布反馈光子晶体波导结构可以为一维光子晶体，即光栅波导，如图2所示， 也可以为二维光子晶体点阵波导结构，如图3所示，为圆孔型正方点阵二维光子晶体。一电绝缘层8，通常选用的介质为二氧化硅或者氮化硅，厚度在300-400nm之间， 绝缘层覆盖脊型台面，在台面中间部位留空，用以提供电注入窗口，脊台两侧保留的绝缘层 宽度在3-6μπι之间。考虑到二氧化硅和氮化硅两者的热导率和量子级联激光器的散热问 题，由于氮化硅的热导率较高，故此常常采用PECVD溅射生长的氮化硅作为电绝缘层。通过 实验优化厚度为300-400nm。过厚容易在材料内部形成较大应力，过薄容易造成电击穿。一正面Ti/Au电极9，覆盖在脊型台面和电绝缘层之上，但并不是完全覆盖脊型台 台面，中心部分留白，两侧留有部分Ti/Au电极11，这样做的目的是为了避免金属完全进入 到分布反馈光子晶体结构的沟槽中，减小激光器管芯核区与外部金属的强烈相互作用，有 效降低波导损耗。一在经过减薄的hP衬底1背面蒸发Au/Ge/Ni电极12，经过高温退火处理，与背 面形成良好的接触。一激光器的结构为脊型台面，两侧为双沟结构，双沟的宽度为50 μ m。脊型台面分 为两部分，其中；I 均勻脊型主控光振荡区，该段为均勻脊宽，脊宽度为10μπι-20μπι，长度为 500 μ m-1000 μ m。该段结构的主要目的是提供受激辐射，形成光子在腔内自持振荡，提供激 光的产生。均勻脊的后腔面镀Al203/Ti/Au/Al203金属高反膜，反射率> 90%。II:锥形增益放大区，该段脊具有一定的锥形发散角，发散角为Γ -4°，长度为 1000-1500 μ m。利用锥形的发散面出光，该锥形的发散面进行腔面镀介质增透膜工艺，反射 率在5% -10%之间.该段锥形区域II的主要目的是对前端主控光振荡区I产生的光进行 放大作用。整个脊型台面通过干法刻蚀或者湿法腐蚀而成，脊型台的高度视整体量子级联激 光器全器件结构厚度而定，为了获得良好的散热和锥形放大效果，台面的腐蚀深度必须到 达有源区之下，尽量为有源区提供侧壁垂直的横向波导结构，深度为7 μ m- μ m。普通半导体 激光器通常采用锥形区增益导引，这样可以避免在高折射率半导体材料和低折射率材料界 面处发生的强烈反射对远场造成有害影响。但是由于量子级联激光器中上包层5和有源区 3界面处导电系数具有很大的不连续性，并且有源区35级的多耦合量子阱其导电系数也具 有各向异性，造成电流扩散，这使得增益导引并不适合量子级联激光器。因此本发明在锥形 的制作过程中采用深刻蚀方法，完全利用折射率导引进行光放大。参阅图1结构，本发明提供了一种制作反馈量子级联激光器的制作方法，其中包 括步骤1 在η型hP衬底利用分子束外延MBE或者MOCVD技术生长下η型InGaAs 波导层、35级周期的InGaAs/InAlAs有源区、η型InGaAs上波导层，η型上包层、η型高掺 杂接触层、η型高掺欧姆接触层；其中有源区的每个周期都在结构上分为两部分，一部分是 用以提供载流子注入的注入区，另一部分是用于实现子带跃迁光辐射的有源区，两部分结 合在一起可以实现单极载流子的注入、子带间跃迁，辐射光子，激射波长在所设计的要求范围内。步骤2 生长完全器件结构的材料经过石油醚、三氯乙烯、丙酮、无水乙醇、去离子 水清洗进行清洗处理，然后涂覆一层经过特别处理的光刻胶，该光刻胶为美国Shipley公 司的S1805与Thirmer-P稀释剂按照2 :1的体积比进行稀释而得。通过测试S1805光刻胶 在各种稀释比例下经过甩胶，前烘之后胶膜的厚度，图5中给出了 S1805在各种稀释比例下 的胶厚曲线。对照该曲线，该种稀释的光刻胶在离心式涂胶机上以4000-4500rpm的转速进 行涂覆时，再经过90摄氏度，30min烘箱中前烘，可以获得胶膜厚度在200-250nm的光刻胶 胶膜。步骤3 把涂有薄膜光刻胶的衬底片放入全息曝光系统中进行曝光，光路采用了 分波前系统。曝光时间为50sec-60sec。对于一维光子晶体50sec-60sec曝光时间足够曝 透胶膜，但是对于二维光子晶体，由于需要多次曝光，故此单次曝光时间要相应缩短。步骤4:由于全息曝光中，样品表面各处的光强对比度不为1，即样品表面各处都 经过不同程度的曝光，所以普通的显影液不能直接用于对全息样品的显影之中，本发明所 选取的是质量分数为10%的四甲基氢氧化铵与水按照1 :6的体积比进行稀释，显影时间为 约60sec，在显影过程中要搅动显影液，保证充分显影。步骤5 利用湿法腐蚀或者干法刻蚀对上述获得的材料片进行刻蚀，以获得一维 或者二维光子晶体。光子晶体结构见图2，图3。步骤6 采用常规光刻结合湿法腐蚀工艺，按照设计好的光刻版版图对已经制好 分布反馈光子晶体波导的材料进行脊型台面的腐蚀，形成具有主控振荡区和锥形增益放大 区的脊型台面结构。步骤7 在脊型台面上利用CVD或者PECVD方法生长300-400nm 二氧化硅或者氮化硅电绝缘层。步骤8 通过常规光刻，腐蚀工艺在二氧化硅或者氮化硅覆盖脊型台的台表面上 开出一条宽度在10-20μπι的电注入窗口，如图4所示。步骤9 在电绝缘层之上沉积正面Ti/Au电极，并且再次通过光刻，腐蚀工艺，去除 电绝缘层注入窗口中的一部分电极，从而形成侧向电流注入，目的是为减小波导损耗。见图 1中11处位置。步骤10 将衬底1进行减薄，并蒸发背面Au/Ge/Ni，通过合金化，快速热退火与衬 底形成良好的欧姆接触。见图1中12处位置。步骤11 在垂直脊的方向进行解离，按照设计好的版图，首先解离多个管芯位于 一排，这样可以方便前后腔面镀膜，前腔面镀介质增透膜，后腔面镀Al203/Ti/Au/Al203高反 膜。步骤12 将前后腔面镀好膜的管芯再解离成单个管芯，经过超声压焊引出电极， 最后烧结在镀铟的无氧铜热沉之上，从而完成整个制作过程。其中有源区的结构按照设计波长要求采用具有应变补偿的InGaAs/InAlAs材料 体系，有源区包含多个重复单元，每个单元的结构用以提供载流子注入和完成设计激射波 长λ的电子跃迁及光子发射。其中光子晶体波导结构的制作工艺包括1)清洗，将生长完全器件结构的材料经过石油醚、三氯乙烯、丙酮、无水乙醇、去离子水清洗。2)涂胶，在材料表面涂覆一层薄薄的，经过稀释的特殊光刻胶，所选用的光刻胶为 美国Shipley公司生产的S1805型正性光刻胶，该光刻胶与其配套的Thinner-P稀释剂以 2 1的体积比进行充分混合，在离心式涂胶机上以4000rpm-4500rpm的转速进行涂覆、甩 胶，再进入90摄氏度烘箱进行烘烤30分钟，经过以上步骤的处理，我们可以保证所获得的 光刻胶胶膜厚度在200-250nm之间，这个厚度是利用全息曝光方法进行干法刻蚀和湿法腐 蚀可以得到450nm-550nm深光子晶体的最佳条件。如果胶膜厚度低于这个厚度，在后续刻 蚀的时候，较薄的光刻胶不能完全保护本体，高于这个厚度的话，目前我们采用的441. 2nm 波长的蓝光He-Cd气体激光器的曝光功率不能完全曝透胶膜，对于显影过程也会出现一定 的困难。3)曝光，覆盖有200-250nm厚角胶膜的材料放进全息曝光室进行曝光，在光刻 胶表面形成一维或者二维光子晶体，所采用的光路为分波前光路系统，光源为441. 2nm波 长的蓝光He-Cd气体激光器，该光路系统具有搭建简单，实验操作方便易行的特点。对于 经过步骤2)处理的胶厚在200nm-250nm的光刻胶掩膜，完全曝透胶膜所需的曝光时间为 50sec-60seco 一维光子晶体需要曝光时间为50SeC-60SeC，如果制作二维光子晶体则需要 曝光两次甚至三次，所需的曝光时间也根据曝光次数所减少，曝光两次时每次所需的时间 约为 20sec_30sec。4)显影，由于全息曝光中，样品表面各处的明暗光强对比度不为1，即样品表面各 处都经过不同程度的曝光，所以普通的显影液不能直接用于对全息样品的显影之中，我们 选取的是质量分数为10%的四甲基氢氧化铵与水按照1 6的体积比进行稀释，显影时间 为 60seco5)刻蚀，我们采用的是HNO3 HBr H2O = 1 1 20(体积比)的湿法腐蚀液， 该配比的腐蚀液对于hP，InGaAs, InAlAs材料具有更向同性的腐蚀特性。腐蚀速度大约为 300nm/min。腐蚀过程中要严格控制腐蚀温度为35摄氏度。腐蚀时间为60sec-90sec。经过上述清洗、涂胶、显影、刻蚀等工艺，可以在η型高掺杂上覆盖层和η型欧姆接 触层中形成用以提供均勻分布反馈的光子晶体波导结构。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，该结构包括一衬底；一下波导层，该下波导层利用分子束外延方法生长在衬底之上； 一量子级联有源区，该有源区利用分子束外延方法生在下波导层之上； 一上波导层，该上波导层利用分子束外延方法生长在有源区之上； 一上包层，该上包层利用分子束外延方法生长在上波导层之上； 一上覆盖层，该上覆盖层利用分子束外延方法生长在上包层之上； 一欧姆接触层，该欧姆接触层利用分子束外延方法生长在上覆盖层之上； 一光子晶体波导结构，该光子晶体波导结构制作于上覆盖层和欧姆接触层之中； 一双沟脊型波导结构，通过湿法腐蚀或干法刻蚀工艺欧姆接触层而形成，该双沟脊型 波导结构由两部分组成，一部分是均勻脊宽的主控振荡区，一部分是锥形增益放大区；一电绝缘层，该电绝缘层沉积在欧姆接触层之上，覆盖整个双沟脊型波导结构，在覆盖 有绝缘层的脊台中心部位留出电注入窗口 ； 一正面电极，制作于电绝缘层之上； 一背面电极，制作于衬底背面； 一锥形增益放大区前腔面蒸镀的介质增透膜； 一均勻脊后腔面蒸镀的金属高反膜。
2.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特 征在于，所述下波导层为低掺杂的InGaAs层，低掺杂的InGaAs下波导层具有较高的折射 率，根据模式理论，高折射率材料能够对光起到更高的限制作用，提高有源区的光场限制因子。
3.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其 特征在于，所述量子级联有源区包括由InGaAs/InAlAs材料组成的多耦合量子阱重复结 构，每个周期都在结构上分为两部分，一部分是用以提供载流子注入的注入区，另一部分是 用于实现载流子子带间跃迁光辐射的有源区，两部分结合在一起可以实现单极载流子的注 入、子带间跃迁、辐射光子、激射波长在所设计的要求范围内。
4.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特 征在于，所述上波导层为低掺杂的InGaAs层。
5.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特 征在于，所述上包层为低掺杂的InP层。
6.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特 征在于，所述上覆盖层为高掺杂的InP层，用来提供载流子注入。
7.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特 征在于，所述欧姆接触层为高掺杂的InP层，用于与金属Ti/Au电极形成良好的欧姆接触， 提供电注入。
8.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特 征在于，所述双沟脊型波导结构由两部分组成，一部分是具有均勻脊宽的主控振荡区，脊宽 为1(^111至2(^111，长度为500μπι至ΙΟΟΟμπι;—部分是具有一定发散角的锥形增益放大区，脊型台面的腐蚀深度到达有源区之下，为有源区提供侧壁陡直的横向波导结构，深度为 7 μ m至8 μ m，锥形区域的长度为1000 μ m至1500 μ m，锥形发散角为1°至4°，双沟的宽度 为 50 μ m。
9.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特 征在于，所述光子晶体波导结构位于上覆盖层和欧姆接触层之中，该光子晶体波导结构为 一维光子晶体，或者为二维光子晶体，一维光子晶体的情况即为光栅，光栅周期根据Bragg 公式Λ = λ/2η@来确定，其中，λ为激光器激射波长，nrff为器件有效折射率；二维光子 晶体为圆孔形点阵，圆孔直径为400至600nm，二维点阵为正方点阵，或者为六方点阵，光子 晶体的深度为450nm至550nm。
10.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其 特征在于，所述电绝缘层为二氧化硅或者氮化硅薄膜材料，电绝缘层覆盖整个双沟脊型波 导结构表面，在双沟脊型波导结构的中间部位留出电注入窗口，窗口宽度根据脊宽而定，要 比脊宽略窄。
11.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其 特征在于，所述正面电极为Ti/Au电极，该电极覆盖在电绝缘层之上，但是并不完全覆盖脊 型台面中心处电绝缘层留出的电注入窗口，只是部分覆盖电注入窗口。
12.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其 特征在于，所述锥形增益放大区前腔面蒸镀的介质增透膜由ZnO和I^bTe材料交替形成。
13.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其 特征在于，所述均勻脊后腔面蒸镀的金属高反膜由Al203/Ti/Au/Al203材料形成。
14.一种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器的制作方法，其特征在 于，该方法包括以下步骤步骤1 在衬底上利用分子束外延方法依次生长下波导层、有源区、上波导层，上包层、 上覆盖层和欧姆接触层；步骤2 利用全息光刻的方法在在上覆盖层和欧姆接触层中制备用以提供均勻分布反 馈的光子晶体波导结构；步骤3 通过光刻、腐蚀工艺，按照事先设计好的具有主控振荡放大区和锥形增益放大 区的版图在具有光子晶体波导结构的材料表面制作出双沟脊型波导结构；步骤4 在双沟脊型波导结构上通过CVD方法淀积二氧化硅绝缘层，或者通过PECVD方 法生长氮化硅绝缘层；步骤5:通过光刻、刻蚀二氧化硅或氮化硅的工艺，在所制作绝缘层的中间处开出电流 注入窗口，注入窗口的宽度要小于主振荡区的脊宽；步骤6 在已留出电注入窗口的绝缘层之上通过热蒸发或者电子束蒸发的方法沉积正 面电极；步骤7:在所沉积的正面电极结构之上通过光刻工艺，去除掉一部分在脊型台面中央 电注入窗口之中的电极；步骤8 将衬底减薄至100至120 μ m ；步骤9 在减薄后的衬底背面上生长Au/Ge/Ni背电极，再经过高温退火处理； 步骤10 将经过步骤9加工后的材料中的多个管芯并排解离成一条，然后对均勻脊型后腔面镀Al203/Ti/Au/Al203金属高反膜，锥形增益放大区前腔面镀介质增透膜；步骤11 将前后腔面都镀好膜的条状阵列解离成单个管芯；步骤12 把解离好的管芯烧结在镀铟的无氧铜热沉之上，再利用超声点焊方法引出金 丝正面电极。
15.根据权利要求14所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器的 制作方法，其特征在于，所述双沟脊型波导结构是利用干法刻蚀或湿法腐蚀方法形成，湿法 腐蚀所采用的腐蚀液为HNO3 HBr H2O = 1 1 10 (体积比)，该配比的腐蚀液对于 InP.InGaAs或InAlAs材料具有各向同性的腐蚀特性，通过严格控制腐蚀时间和腐蚀温度， 可以腐蚀出侧壁陡直的结构，在35摄氏度水浴恒温的条件下，腐蚀时间90sec至120sec，可 达到7 μ m至8 μ m的腐蚀深度。
16.根据权利要求14所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器的 制作方法，其特征在于，所述光子晶体波导结构制作过程所采用的是美国Siipley公司的 S1805型正性光刻胶与Thirmer-P按照2 1的体积比进行充分稀释混合，经过离心式甩胶 以4000至4500rpm的转速涂覆在材料表面作为全息光刻的掩膜，掩膜厚度为200至250nm。
17.根据权利要求16所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器的 制作方法，其特征在于，所述光子晶体制作过程中全息曝光光源采用的是波长为441. 6nm 的蓝光He-Cd气体激光器，曝光光路为分波前曝光系统，曝光时间根据所需光子晶体图形 结构的变化而不同，对于厚度为200至250nm的掩膜，一维光子晶体的曝光时间为50sec至 60sec，如果制作二维光子晶体则需要曝光两次甚至三次，所需的曝光时间也要根据曝光次 数而减少，曝光两次的话，每次所需的时间约为20seC至30seC。
18.根据权利要求16所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器的 制作方法，其特征在于，所述光子晶体制作过程中，显影液采用的是质量分数为10%的四甲 基氢氧化铵与水按照1 6的体积比进行稀释，显影时间为60sec。
19.根据权利要求16所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器的 制作方法，其特征在于，所述光子晶体制作过程中，腐蚀液采用的是HNO3 HBr H2O = 1:1: 20(体积比)的湿法腐蚀液，腐蚀速度为300nm/min。
20.根据权利要求16所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器的 制作方法，其特征在于，所述电绝缘层为CVD法生长的二氧化硅或者PECVD方法生长的氮化 硅
全文摘要
本发明公开了一种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器及其制作方法。该激光器包括衬底，及其在衬底上依次生长的下波导层、有源区、上波导层、上覆盖层、上接触层、欧姆接触层、电绝缘层、正面电极和衬底背面电极。该激光器采用脊型台面双沟波导结构，脊型台面结构由均匀脊宽的主控振荡区和锥形结构的增益放大区两部分组成；光子晶体结构用以提供分布反馈波导，制作于上接触层和欧姆接触层之中。利用本发明，能够获得单模近衍射极限光束输出；采用脊型台面结合锥形增益放大区的波导结构，大大降低了远场发散角，在提高输出功率的同时又避免了同类宽脊型大功率器件难以避免的散热问题。
文档编号H01S5/06GK102055135SQ20091023709
公开日2011年5月11日 申请日期2009年11月4日 优先权日2009年11月4日
发明者刘俊岐, 刘峰奇, 张伟, 张全德, 李路, 王利军, 王占国, 陆全勇, 高瑜 申请人:中国科学院半导体研究所