专利名称：GaAs基单模面发射量子级联激光器结构及其制造方法
技术领域：
本发明是一种带有二级分布反馈布拉格光栅的GaAs基量子级联激光器结构，尤其是腔面的高反镀膜增加了光从垂直面的耦合输出。本发明还涉及制造GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的方法及工艺。
背景技术：
1994年量子级联激光器的发明开创了“能带工程”设计与高精度的分子束外延(MBE)材料生长技术相结合的新里程。量子级联激光器作为一种基于子带间电子跃迁的中、远红外单极光源与普通的半导体注入激光器相比具有以下优点(1)波长与所用材料的带隙无直接关系而是由导带中的分立子能级的相对位置确定，而这一相对位置可以通过调整有源区量子阱的厚度得以实现，理论上量子级联激光器的波长可以覆盖两个大气窗口，并可以向远红外方向拓展；(2)单极载流子的跃迁产生的光具有单向偏振(TM波)性，并且这些跃迁态的联合态密度类似于δ函数，对应的增益谱很窄、对称和具有较小的温度敏感系数，因此可望得到很低的阈值电流和单纵模输出。(3)子带间俄歇复合可以忽略，因而量子级联激光器具有较高的特征温度，有利于器件的室温工作。正是由于具有这些特点，量子级联激光器成为国际上研究的一大热点，所用材料体系也迅速由InGAs/InAlAs/InP扩展到AlGaAs/GaAs。GaAs基量子级联激光器的出现，在器件的设计制作和处理工艺上开辟了有意义的前景。另一方面面发射器件在封装和应用上较之边发射激光器具有更大的方便性，也是人们在半导体激光器制作中追求的一个主要方向；同时在化学气体探测及大气污染监测等应用中需要一种可连续调谐的单模激光光源。目前在激光器件的制作工艺主要存在两种途径实现半导体激光光源的面发射，一种是采用垂直腔面发射结构，另一种就是采用表面二级分布反馈巴拉格光栅结构。由于量子级联激光器产生的光的单向偏振(TM波)特性，光辐射电场只具有垂直于半导体量子阱层方向的电场分量，使得量子级联激光器不能实现直接的垂直腔面发射。因此在脊型量子级联激光器脊的表面刻蚀平行于F-P腔腔面二级分布反馈布拉格光栅成为目前实现量子级联激光器单模面发射的唯一途径。
目前实现表面二级布拉格光栅主要采取全曝光与湿法刻蚀相结合的方法，这种方法工艺复杂、效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaAs基单模面发射量子级联激光器结构及其制作方法。其具有工艺简单、设备仪器要求低、光的面发射耦合输出系数大的优点。
本发明为一种GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，该结构包括一衬底，该衬底为高n型掺杂衬底；一背欧姆接触电极，该背欧姆接触电极热蒸发在已减薄的衬底的背面；一下覆盖层，该下覆盖层利用分子束外延生长在衬底的正面；一下覆盖层，该下覆盖层利用分子束外延生长在下覆盖层上；一下波导层，该下覆盖层利用分子束外延生长在下覆盖层上，该下覆盖层的中间部分高于两侧部分；一有源层，该有源层利用分子束外延生长在下波导层上的中间部位；一上波导层，该上波导层利用分子束外延生长在有源层上；一上覆盖层，该上覆盖层利用分子束外延生长在上波导层上；一隔离层，该隔离层淀积在上覆盖层上及下波导层的两侧的上面和有源层、上波导层、上覆盖层的侧面，该隔离层的中间纵向开有一电流注入窗口；一上欧姆接触电极，该上欧姆接触电极淀积在隔离层上并覆盖电流注入窗口除去中间宽W的裸露光栅区；一表面二级分布反馈光栅，该二级分布反馈光栅制作在上覆盖层上，深度接近上覆盖层；一电极引线，该电极引线制作在表面二级分布反馈光栅两侧台阶上的上欧姆接触电极上。
其中有源层包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。
其中所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料。
其中下覆盖层为高n型掺杂的GaAs层。
其中下覆盖层为低n型掺杂的高铝组分AlGaAs层。
其中下波导层为低n型掺杂的GaAs层。
其中上波导层为低n型掺杂的GaAs层。
其中上覆盖层为高n型掺杂的GaAs层。
其中包括两侧腔面的高反镀膜。
本发明一种GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤1)在衬底上利用分子束外延的方法依次生长下覆盖层、下覆盖层、下波导层有源层、上波导层、上覆盖层；2)在上覆盖层上利用PECVD法蒸发500nm SiO2刻蚀掩模；3)采用光刻腐蚀的方法，在掩模上形成二级分布反馈光栅条纹；4)利用反应离子刻蚀法在样品上刻蚀出二级分布反馈光栅结构；5)利用光刻及反应离子刻蚀的方法沿垂直于二级分布反馈光栅条纹的方向在器件的中间形成脊形结构；6)在器件的上表面淀积一层隔离层；7)采用光刻腐蚀的方法，在脊形结构中间的隔离层上形成有一电流注入窗口；8)利用带胶蒸发的方法在器件的上表面生长一上欧姆接触电极；9)将衬底减薄，在衬底的背面生长一衬底欧姆接触层；10)快速热退火；11)在垂直于脊形的方向解理，在器件的两端面蒸度高反膜，完成器件管芯的制作。
其中有源层包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。
其中所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料。
其中二级分布反馈布拉格光栅通过普通的光刻腐蚀工艺完成。
其中上欧姆接触电极的制作采用带胶蒸发。
其中光刻腐蚀工艺是采用反应离子刻蚀的方法。
其中两端面镀膜采用氧化物、金属交替层。
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合幅图对本发明作一详细地描述，其中图1是本发明的一种示例性GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的立体图；具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，该结构包括
一衬底2，该衬底2为高n型掺杂衬底；一背欧姆接触电极1，该背欧姆接触电极1热蒸发在已减薄的衬底2的背面；一下覆盖层3，该下覆盖层3利用分子束外延生长在衬底2的正面，该下覆盖层3为高n型掺杂的GaAs层；一下覆盖层4，该下覆盖层4利用分子束外延生长在下覆盖层3上，该下覆盖层4为低n型掺杂的高铝组分AlGaAs层；一下波导层5，该下覆盖层5利用分子束外延生长在下覆盖层4上，该下覆盖层5的中间部分高于两侧部分，该下波导层5为低n型掺杂的GaAs层；一有源层6，该有源层6利用分子束外延生长在下波导层5上的中间部位，该有源层6包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元，所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料；一上波导层7，该上波导层7利用分子束外延生长在有源层6上，该上波导层7为低n型掺杂的GaAs层；一上覆盖层8，该上覆盖层8利用分子束外延生长在上波导层7上，该上覆盖层8为高n型掺杂的GaAs层；
一隔离层9，该隔离层9淀积在上覆盖层8上及下波导层5的两侧的上面和有源层6、上波导层7、上覆盖层8的侧面，该隔离层9的中间纵向开有一电流注入窗口12；一上欧姆接触电极10，该上欧姆接触电极10淀积在隔离层9上并覆盖电流注入窗口12除去中间宽W的裸露光栅区；一表面二级分布反馈光栅13，该二级分布反馈光栅13制作在上覆盖层8上，深度接近上覆盖层8；一电极引线11，该电极引线制作在表面二级分布反馈光栅13两侧台阶上的上欧姆接触电极10上。
该GaAs基单模面发射量子级联激光器结构还包括两侧腔面的高反镀膜。
请再参阅图1所示，本发明一种GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的制造方法，该方法包括如下步骤1)在衬底2上利用分子束外延的方法依次生长下覆盖层3、下覆盖层4、下波导层5有源层6、上波导层7、上覆盖层8，该有源层6包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元，所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料；2)在上覆盖层8上利用PECVD法蒸发500nm SiO2刻蚀掩模；3)采用光刻腐蚀的方法，在掩模上形成二级分布反馈光栅条纹，其中二级分布反馈布拉格光栅通过普通的光刻腐蚀工艺完成；4)利用反应离子刻蚀法在样品上刻蚀出二级分布反馈光栅结构；5)利用光刻及反应离子刻蚀的方法沿垂直于二级分布反馈光栅条纹的方向在器件的中间形成脊形结构；6)在器件的上表面淀积一层隔离层9；7)采用光刻腐蚀的方法，在脊形结构中间的隔离层9上形成有一电流注入窗口12，该光刻腐蚀的方法是采用反应离子刻蚀的方法；8)利用带胶蒸发的方法在器件的上表面生长一上欧姆接触电极10，该上欧姆接触电极10的制作采用带胶蒸发；9)将衬底减薄，在衬底的背面生长一衬底欧姆接触层；10)快速热退火；11)在垂直于脊形的方向解理，在器件的两端面蒸度高反膜，完成器件管芯的制作，在两端面镀膜采用氧化物、金属交替层。
实施例图1显示了本发明的示例性立体结构图。在示例情况下，管芯结构是由在衬底2上依次生长有多层结构的器件材料通过光刻与反应离子刻蚀形成带有二级分布反馈光栅的脊形波导结构。如图1所示，衬底2以上的多层结构由下到上依次为下覆盖层3、下覆盖层4、下波导层5、有源层6、上波导层7、上覆盖层8。这个多层结构通过分子束外延方法精确控制生长厚度和掺杂浓度。其中有源层6包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。每个这样的重复单元在材料结构上表现为AlGaAs和GaAs交替，从而在导带能带结构上表现为势垒和势阱的交替，这些耦合在一起的量子势阱形成不同的子能带。
图1中所示结构中上、下波导层7、5均采用GaAs材料，采用较低的Si掺杂，以减小光的载流子散射从而降低波导损耗。上覆盖层8采用较高的掺杂的GaAs以降低折射率从而形成有效的光学限制，掺杂水平取决于要求该层等离子振荡频率接近该器件的光激射频率。各层的厚度综合考虑激射波长，下覆盖层3为高掺杂的GaAs，下覆盖层4为低掺杂的高铝组分AlGaAs，以形成有效的波导限制。
图1中所示二级分布反馈光栅结构通过光刻和反应离子刻蚀而形成，光栅腐蚀的深度与上覆盖层8的厚度相比拟。二级分布反馈光栅的周期Λ应与激射波长相对应Λ≈λ/neff，其中，λ为真空中的激射波长，neff为导模的有效折射系数。
图1中所示脊形结构通过光刻和反应离子刻蚀而形成，脊形高度即两侧沟的深度应有一定的限制，在结构上表现为沟深超过有源层。目的在于提高器件的横向电学和光学限制，以减小器件的电功率消耗和降低器件工作的阈值电流。脊宽W0采用大于50微米。
图1中所示隔离层9采用CVD法或PECVD淀积SiO2或Si3N4在已形成脊形结构器件材料上，隔离层9的厚度要求在300-500纳米，并均匀覆盖整个器件材料上表面尤其是要保证脊形两侧的沟道被覆盖。隔离层9在脊形上面一侧的宽度r为5-10微米。脊形上面一侧蒸发欧姆接触电极的宽度R＝r+10微米。脊形上面裸露光栅区W＝20-30微米。
图1中所示电学注入窗口12采用光刻和湿法化学腐蚀完成，保证窗口区开在脊形的中央并且清洁。窗口宽度为W0-2r微米。
图1中所示上、下欧姆接触10、1采用热蒸发法形成，采用Au-Ge-Ni并合金化。合金化采用快速热退火。
图1中所示下欧姆接触1在制作之前应进行衬底减薄以利于器件工作中散热，减薄后的器件材料保证在120-150微米。
图1中所示管芯结构在制作过成中是由分布在同一器件材料上众多相同结构解理而成，最终管芯腔长解理为2-3毫米。解理面作为光学振荡腔的腔面。
图1中所示两侧腔面镀膜，采用离子束溅射或电子束蒸发氧化物Al2O3，然后热蒸发Ti-Au，最后再淀积一层Al2O3。
权利要求
1.一种GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，该结构包括一衬底，该衬底为高n型掺杂衬底；一背欧姆接触电极，该背欧姆接触电极热蒸发在已减薄的衬底的背面；一下覆盖层，该下覆盖层利用分子束外延生长在衬底的正面；一下覆盖层，该下覆盖层利用分子束外延生长在下覆盖层上；一下波导层，该下覆盖层利用分子束外延生长在下覆盖层上，该下覆盖层的中间部分高于两侧部分；一有源层，该有源层利用分子束外延生长在下波导层上的中间部位；一上波导层，该上波导层利用分子束外延生长在有源层上；一上覆盖层，该上覆盖层利用分子束外延生长在上波导层上；一隔离层，该隔离层淀积在上覆盖层上及下波导层的两侧的上面和有源层、上波导层、上覆盖层的侧面，该隔离层的中间纵向开有一电流注入窗口；一上欧姆接触电极，该上欧姆接触电极淀积在隔离层上并覆盖电流注入窗口除去中间宽W的裸露光栅区；一表面二级分布反馈光栅，该二级分布反馈光栅制作在上覆盖层上，深度接近上覆盖层；一电极引线，该电极引线制作在表面二级分布反馈光栅两侧台阶上的上欧姆接触电极上。
2.根据权利要求1所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，其中有源层包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。
3.根据权利要求2所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，其中所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料。
4.根据权利要求1所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，其中下覆盖层为高n型掺杂的GaAs层。
5.根据权利要求1所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，其中下覆盖层为低n型掺杂的高铝组分AlGaAs层。
6.根据权利要求1所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，其中下波导层为低n型掺杂的GaAs层。
7.根据权利要求1所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，其中上波导层为低n型掺杂的GaAs层。
8.根据权利要求1所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，其中上覆盖层为高n型掺杂的GaAs层。
9.根据权利要求1所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，其特征在于，其中包括两侧腔面的高反镀膜。
10.一种GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤1)在衬底上利用分子束外延的方法依次生长下覆盖层、下覆盖层、下波导层有源层、上波导层、上覆盖层；2)在上覆盖层上利用PECVD法蒸发500nm SiO2刻蚀掩模；3)采用光刻腐蚀的方法，在掩模上形成二级分布反馈光栅条纹；4)利用反应离子刻蚀法在样品上刻蚀出二级分布反馈光栅结构；5)利用光刻及反应离子刻蚀的方法沿垂直于二级分布反馈光栅条纹的方向在器件的中间形成脊形结构；6)在器件的上表面淀积一层隔离层；7)采用光刻腐蚀的方法，在脊形结构中间的隔离层上形成有一电流注入窗口；8)利用带胶蒸发的方法在器件的上表面生长一上欧姆接触电极；9)将衬底减薄，在衬底的背面生长一衬底欧姆接触层；10)快速热退火；11)在垂直于脊形的方向解理，在器件的两端面蒸度高反膜，完成器件管芯的制作。
11.根据权利要求10所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的制造方法，其特征在于，其中有源层包括多个标称上相同的重复单元，每一重复单元在功能上能够完成载流子在结构所提供的上下子能带间的跃迁而导致波长λ的光子发射，同时将载流子驰豫到下一重复单元。
12.根据权利要求10所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的制造方法，其特征在于，其中所述的重复单元为AlGaAs和GaAs材料。
13.根据权利要求10所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的制造方法，其特征在于，其中二级分布反馈布拉格光栅通过普通的光刻腐蚀工艺完成。
14.根据权利要求10所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的制造方法，其特征在于，其中上欧姆接触电极的制作采用带胶蒸发。
15.根据权利要求10所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的制造方法，其特征在于，其中光刻腐蚀工艺是采用反应离子刻蚀的方法。
16.根据权利要求8所述的GaAs基单模面发射量子级联激光器结构的制造方法，其特征在于，其中两端面镀膜采用氧化物、金属交替层。
全文摘要
一种GaAs基单模面发射量子级联激光器结构，包括一衬底，及在衬底上依次生长的背欧姆接触电极、下覆盖层、下波导层、有源层、上波导层、上覆盖层、隔离层，该隔离层淀积在上覆盖层上及下波导层的两侧的上面和有源层、上波导层、上覆盖层的侧面，该隔离层的中间纵向开有一电流注入窗口；一上欧姆接触电极，该上欧姆接触电极淀积在隔离层上并覆盖电流注入窗口除去中间宽W的裸露光栅区；一表面二级分布反馈光栅，该二级分布反馈光栅制作在上覆盖层上，深度接近上覆盖层；一电极引线，该电极引线制作在表面二级分布反馈光栅两侧台阶上的上欧姆接触电极上。
文档编号H01S5/343GK101026287SQ200610003179
公开日2007年8月29日 申请日期2006年2月22日 优先权日2006年2月22日
发明者刘俊岐, 刘峰奇, 李路, 邵烨, 郭瑜, 梁平, 胡颖, 孙虹 申请人:中国科学院半导体研究所