专利名称：可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅的结构及所述光栅的制备方法
技术领域：
本发明涉及分布反馈量子级联激光器的波导和光栅的结构以及光栅的制备方法，属于半导体光电子领域。
背景技术：
分布反馈量子级联激光器可提供中远红外波段的可调谐单模激光，可以作为半导体吸收光谱的光源高灵敏度地检测各种痕量气体，如CO2、CH4、HCl、NO2、N2O等，因此在空气质量检测、医疗诊断、工业控制等领域有重要的应用前景。
为了应用的方便性和提高气体检测的灵敏度，分布反馈量子级联激光器被要求工作在室温连续的模式下。然而迄今为止，只有极个别波长的分布反馈量子级联激光器(DFB QCL)实现了室温连续工作，然而所述的这些DFBQCL均利用了掩埋光栅和二次外延技术[T.Aellen，S.Blaser，M.Beck，D.Hofstetter，and J.Faist，“Continuous-wave distributed-feedbackquantum-cascade lasers on a Peltier cooler”，Appl.Phys.Lett..83(10)，1929-1931，2003]，这些复杂技术的利用使得激光器的研制过程变得非常复杂，也不利于提高器件的可靠性和量化生产。而对于那些将光栅做在激光器外延材料顶部而无需二次外延的DFB QCL，目前还无法实现室温连续工作。只能实现室温下的脉冲工作，而且阈值电流密度较高(约5KA/cm2)[C.Gmachl，J.Faist，J.N.Baillargeon，F.Capasso，C.Sirtori，D.L.Sivco，S.N.G.Chu，andA.Y.Cho，“Complex-coupled quantum cascade distributed-feedback laser”，IEEEPhotonics Technology Letters，9(8)，1997]。然而，将光栅做在激光器外延材料顶部(顶光栅结构)的器件工艺相对简单，有利于提高生产的可靠性和可重复性，以及量化生产。因此，现实需求和现状迫切要求提供一种制备低阈值电流密度DFB QCL的顶光栅结构及其制作方法。其关键在于如何获得低阈值电流密度的室温脉冲工作的DFB QCL，这是通向室温连续工作DFB QCL的关键的一步。
对于顶光栅DFB QCL而言，提高性能的关键在于在获得足够光反馈效应的同时有效抑制激光器的波导损耗。此前，为了获得尽可能大的分布反馈耦合系数，波导结构中的等离子增强限制层通常很薄，在光栅腐蚀过程中在光栅的沟槽处将这一层限制层完全腐蚀去。这将导致光栅沟槽处金属电极与低掺杂半导体层接触，形成的高损耗金属-半导体界面等离激元的折射率与激光器模式的有效折射率非常接近，从而使激光模与等离激元耦合强烈，大大增加了激光器的波导损耗，最终导致激光器的阈值电流密度急剧上升。
发明内容
针对顶光栅DFB QCL激光器目前存在的缺陷，本发明提供了一种可调谐的分布反馈量子级联激光器的波导和光栅的设计结构以及光栅的制备方法，同时获得低的波导损耗和适当的耦合系数，实现了低阈值电流密度、高边模抑制比的中红外波段可调谐DFB QCL激光器。
具体地说本发明提供了一种低阈值电流密度、高边模抑制比的中红外波段可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅结构以及光栅的制备方法，包括(1)用于制备中红外量子级联激光器的波导和光栅的结构设计。(2)制备中红外波段可调谐分布反馈量子级联激光器的光栅腐蚀方法。
1、低阈值电流密度、高边模抑制比的可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅结构的设计本发明提供的可调谐的分布反馈量子级联激光器的波导与光栅结构为在n型InP衬底上依次为InGaAs下波导层(n，5×1016cm-3，0.4～0.7μm)、InGaAs/AlInAs有源区、InGaAs上波导层(n，5×1016cm-3，0.4～0.7μm)、中等掺杂InP限制层(n，1-3×1017cm-3，1.4～1.6μm)、重掺杂InP限制层(n，5×1018cm-3，0.7～1.0μm)和InGaAs帽层(n，2×1019cm-3，～0.1μm)。括号内分别为掺杂类型、掺杂浓度和层厚。n型重掺杂InP限制层和InGaAs帽层为光栅的腐蚀层，控制重掺杂InP层的厚度以及光栅腐蚀的深度，使得一级光栅的深度≥0.5μm，光栅沟槽下方未被腐蚀的InP重掺杂层为约0.1μm。掺杂浓度以及各层厚度应视激光器具体波长，结合波导理论的数值计算而定。
该结构的特点是(1)在光栅顶部和沟槽处均构成重掺杂半导体与金属的界面，从而加大“金属-半导体”界面等离激元与激光模式的折射率之差，减弱这两种模式的耦合强度，达到减小激光器波导损耗的目的。(2)通过加大光栅深度和适当调节光栅沟槽下方重掺杂InP层的厚度获得合适的耦合系数。结合上述两个特点，本发明的波导和光栅结构可同时获得低的波导损耗和适当的耦合系数，从而得到阈值电流密度低、边模抑制比高的分布反馈量子级联激光器。
以下详细介绍说明上述所提供的可调谐分布反馈量子级激光器的波导和光栅结构的设计的依据和设计的方法。
中红外波长的光在金属与半导体的界面会形成高损耗的等离激元，等离激元的折射率nM-S是由激光波长λ0以及界面两侧的金属与半导体在该波长下的折射率决定。由于中红外波段等离激元与激光模式存在耦合，导致蒸镀金属电极前后激光器的有效折射率和波导损耗发生变化。将蒸镀金属电极前后激光器的有效折射率和波导损耗分别设为neff0和α0以及neff和α。等离激元与激光模式之间耦合作用的强弱主要取决于两个因素，即等离激元与激光模式在空间上的距离L和两种模式的折射率差Δn(Δn＝nM-S-neff0)。当L和Δn减小，两种模式的耦合增强，导致含金属电极的激光模式有效折射率变小而波导损耗变大。反之，当L和Δn变大时两种模式的耦合减弱，激光器有效折射率和波导损耗的变化幅度也随之变小。
在顶光栅DFB QCL中光栅的沟槽和顶部被金属电极覆盖，形成等离激元。因为这两处的等离激元与激光器有源区距离不同，造成等离激元与激光模式在空间上的距离L不同。此外，如果光栅沟槽和顶部的半导体材料的折射率不同，还会导致沟槽和顶部等离激元的折射率nM-S不同，造成等离激元与激光模式的折射率差Δn不同。由此可见，由于引入“金属/半导体”顶光栅结构，导致在光栅的沟槽和顶部等离激元与激光模式耦合的强弱不同，从而导致激光器沿光栅沟槽和顶部的有效折射率和波导损耗不同。顶光栅结构的DFB QCL正是通过调制等离激元与激光模式之间耦合的强弱，周期性地改变激光器的有效折射率和波导损耗，从而获得光反馈效应实现模式选择。
如将沿光栅沟槽的有效折射率和波导损耗分别表示为neffG和αG，而沿光栅顶部的有效折射率和波导损耗分别表示为neffP和αP。分布反馈量子级联激光器的耦合系数κ和平均波导损耗α与上述四个参数密切相关κ=π·|neffG-neffP|2λ0+i·|αG-αP|4---(1)]]>α‾=αG+αP2---(2)]]>实验中，DFB QCL的单模特性，如边模抑制比，与耦合系数密切相关。为取得高的边模抑制比，需满足|κ|·Lcav≈1，其中Lcav为激光器腔长，约为2-4mm。因此耦合系数的最佳范围应在4-6cm-1之间。而激光器的阈值电流密度与平均波导损耗α成线性比例，因此降低α是降低激光器阈值电流密度的关键因素。综上所述，为同时获得高的边模抑制比和低的阈值电流密度，其关键在于同时降低αG和αP，并在此基础上使得|neffG-neffP|和|αG-αP|在一个合理的范围内。
为实现上述目的，本发明在激光器波导结构的上限制区域中形成一个深的由重掺杂n型半导体和金属构成的一级光栅和一个处在光栅下方的薄的重掺杂n型半导体层。这种结构使得光栅沟槽和顶部均形成n+半导体和金属的界面。这样的界面将显著降低界面处等离激元的折射率nM-S，从而加大了等离激元折射率nM-S与激光模式折射率的差Δn，减弱了等离激元和激光模式之间的耦合。通过这种方法可以获得较小的αG和αP，从而降低激光器的平均波导损耗α。
在光栅沟槽处形成重掺杂半导体和金属的界面有利于降低等离激元和激光模式的耦合，从而导致波导损耗降低，但同时也减小了激光器的耦合系数。为获得合适的耦合系数，可以通过加大光栅深度并控制光栅沟槽下方重掺杂半导体层的厚度来实现。加大光栅深度使得光栅的顶部远离有源区，亦即，使光栅顶部的等离激元与激光器模式在空间上的距离L拉大，以进一步减小两种模式的耦合。也就是说，沿光栅定顶部激光器的有效折射率和波导损耗在蒸镀金属电极前后的变化非常小，(neffP-neff0)≈0，(αP-α0)≈0。此时决定耦合系数大小的主要因素是光栅沟槽处等离激元与激光器模式的耦合对有效折射率和波导损耗的改变量(neffG-neff0)和(αG-α0)。通过调节光栅沟槽下方重掺杂半导体层的厚度，即调节沟槽处等离激元与激光器模式在空间上的距离L，可以改变两种模式的耦合强弱，从而改变激光器沿光栅沟槽的有效折射率和波导损耗在蒸镀金属前后的改变量(neffG-neff0)和(αG-α0)，最终控制激光器的耦合系数。
对于中红外波段的分布反馈量子级联激光器，研究表明，要同时获得较小的平均波导损耗和所需的耦合系数。光栅沟槽下方的重掺杂层厚度应～0.1μm，而光栅的深度应≥0.5μm。具体数值，可根据波导结构的光传播麦克斯韦方程组结合数值计算得到最优值。
2、光栅腐蚀制备方法中红外波段的分布反馈量子级联激光器的光栅周期较小≤1.5μm，而在我们设计的光栅结构中，光栅深度较大≥500nm。如使用常规的腐蚀方法，由于其明显的侧向腐蚀效果无法腐蚀这么深的光栅。本发明中光栅腐蚀制备的步骤为(1)以重掺杂的InP/InGaAs结构作为光栅腐蚀的牺牲层。InGaAs同时为盖帽层，其厚度为100nm，InP层的厚度等于腐蚀深度与光栅沟槽下方的InP层厚度之和。
(2)在材料表面涂覆稀释的S6809光刻胶，胶厚约0.12μm。用全息曝光的方法在光刻胶上形成光栅。选择光栅的方向沿InP的
晶向。
(3)利用光刻图形作为掩模，选择柠檬酸∶H2O2＝2∶1的腐蚀液在室温下将没有光刻胶覆盖的厚度约为100nm的InGaAs完全腐蚀(腐蚀速度0.5μm/min)。因为这种腐蚀液对InP几乎没有腐蚀作用，InP不受影响。由于InGaAs层较薄，腐蚀时间很短，因此这一过程中的侧向腐蚀过程可以忽略。
(4)去除光刻胶后，光栅形貌已被转移到InGaAs层。
(5)利用InGaAs层上的光栅作为掩模来制备InP层上的光栅。采用HCl∶H3PO4＝3∶1腐蚀液腐蚀InP(腐蚀速度约1.0μm/min)，这种腐蚀液不腐蚀InGaAs。因为在这种腐蚀液中InP的(011)和(011)晶面是腐蚀停止面，而光栅沿
晶向，因此侧向腐蚀可以忽略。
(6)利用原子力显微镜精确测量光栅的腐蚀深度，达到设计深度后即停止腐蚀。这种腐蚀方法可以得到腐蚀深度大范围精确可调的InGaAs/InP光栅，从而实现激光器波导和光栅的设计结构。
综上所述，本发明提出了一个旨在获得低阈值电流密度、高边模抑制比的波导和光栅的设计结构，并发明了制备所设计的深光栅的腐蚀技术。本发明的效果是十分明显的(1)采用了深的一级反馈光栅和光栅沟槽下方薄的重掺杂半导体层构成激光器的波导限制层。调节一级光栅的深度和重掺杂半导体层的厚度，以获得适当的分布反馈耦合系数并有效降低波导损耗。
(2)采用重掺杂的InGaAs和InP作为光栅的腐蚀牺牲层，利用两种材料的选择腐蚀以及各向异性腐蚀，制备出深度大范围精确可调的一级光栅，达到波导和光栅结构设计的要求。
(3)用本发明所述的制备方法已获得了高性能可调谐分布反馈量子级联激光器。激光器在很大的温度范围内均为单模激射，且边模抑制比高达～30dB，波长可随温度调谐。激光器在室温下的阈值电流密度约为1-2kA/cm2，是相应波长相似测试条件下国际上报导的最低值之一。所有这些结果显示，利用我们发明的技术可实现低阈值电流密度、高边模抑制比的中红外可调谐分布反馈量子级联激光器，并有望使这种顶光栅结构的分布反馈量子级联激光器实现室温连续工作。
图1，实施例1所述的8.4μm可调谐分布反馈量子级联激光器的波导和光栅结构示意图。
图2，a和b分别为实施例1的激光器耦合系数、平均波导损耗与光栅深度以及光栅沟槽下方重掺杂半导体层厚度的关系。
图3，实施例1所述的8.4μm InGaAs/AlInAs/InP分布反馈量子级联激光器光栅结构的SEM图。
图4，实施例1所述的8.4μm InGaAs/AlInAs/InP分布反馈量子级联激光器在200K时的激光光谱，插图为激光器激射波长与温度的关系。
图5，实施例1所述的8.4μm InGaAs/AlInAs/InP分布反馈量子级联激光器在不同温度下的激光功率与电流的关系曲线。
图6，实施例2中7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反馈量子级联激光器的波导结构。
图7，实施例2中7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反馈量子级联激光器SEM图。
图8，实施例2中7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反馈量子级联激光器在不同温度下的激光光谱，插图为激光波长随温度的变化关系。
图9，实施例2中7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反馈量子级联激光器在不同温度的激光功率与电流的关系曲线，以及300K时激光器电流电压关系曲线。
具体实施例方式
实施例1 8.4μm InGaAs/AlInAs/InP分布反馈量子级联激光器图1为波长8.4μm的InGaAs/AlInAs/InP可调谐分布反馈量子级联激光器的波导和光栅结构的示意图。其中有源层区包括60个周期的“有源层+注入区”结构，厚度为3.59μm。有源区上下分别为厚度0.4μm，n型掺杂浓度为5×1016cm-3的InGaAs波导层。上波导层上方依次为n型中等掺杂限制层InP(1-3×1017cm-3，厚度1.6μm)，n型重掺杂InP限制层(5×1018cm-3，厚度1.0μm)，和n型重掺杂InGaAs盖帽层(2×1019cm-3，厚度0.1μm)。衬底为中等掺杂n型InP(2×1017cm-3)。
利用本发明说明书中发明内容所述的方法，分析了光栅深度dgrating和光栅沟槽下方重掺杂的InP层的厚度tInP对激光器耦合系数和平均波导损耗的影响，结果示于图2(a)和(b)中。可以发现，相比于光栅沟槽下无重掺杂半导体层的情况(tInP＝0)，在沟槽下方有重掺杂InP层时(tInP＞0)激光器的平均波导损耗明显降低，但耦合系数随之降低；而增大光栅的深度则能同时降低平均波导损耗以及提高耦合系数。这与我们在发明说明书中的阐述是一致的。因此，适当控制tInP的值并提高光栅的深度有利于获得低的平均波导损耗并将耦合系数控制在所需的范围内。从图2(a)和(b)中我们发现，当tInP＞200nm后，平均波导降低的幅度变得很小，而此时激光器的耦合系数变得很小，难以达到设计要求的理想值(4-6cm-1)。因此在该激光器中，我们将tInP控制在0.1μm左右，而使得光栅深度dgrating控制在1.0μm。此时激光器的耦合系数和平均波导损耗分别为5.8cm-1和17.5cm-1。为此，在我们所设计的结构中InGaAs帽层和InP重掺杂层的厚度分别为0.1μm和1.0μm，光栅腐蚀深度设计为约1.0μm，使得在光栅沟槽下方的重掺杂InP层厚约0.1μm。
本实施例所述的光栅的具体制作方法是在光栅的腐蚀制备中，首先涂覆经稀释的S6809光刻胶(胶厚约0.12μm)。用全息光刻的方法在光刻胶上形成光栅，光栅沿InP的
晶向。在室温下用柠檬酸∶H2O2＝2∶1腐蚀液腐蚀InGaAs帽层，腐蚀时间约15秒，腐蚀深度0.1μm(腐蚀速度为约0.5μm/min)。用丙酮去除光刻胶后，以InGaAs为掩模在HCl∶H3PO4＝3∶1腐蚀液中腐蚀InP(腐蚀速度约1.0μm/min)。腐蚀分几次完成，腐蚀深度由原子力显微镜监控，到达设计的腐蚀深度(总的腐蚀深度为1.0μm)后即停止腐蚀。
图3为用发明书所叙述的光栅制备方法得到的实际激光器的光栅结构，可以发现，光栅的实际腐蚀深度为约0.98μm，与设计值非常接近，这也证明了我们所发明的方法确实可以制备很深的光栅结构并精确控制其深度。
对制备的8.4μm InGaAs/AlInAs/InP可调谐分布反馈量子级联激光器，我们测试了激光器的光谱特性和光功率与电流的关系，分别示于图4和图5中。图4显示了激光器在200K时的激光光谱，可以发现激光器实现了单模激射并且具有很高的边模抑制比(～30dB)，如此高的边模抑制比证明了我们研制的激光器得到了合适的耦合系数，即符合|κ|·Lcav≈1的条件。图4的插图显示了不同温度下激光器单模波长与温度的关系，可以发现随着热沉温度的变化，激光器实现了单模的调谐。
图5显示了激光器在不同热沉温度下的光功率和温度之间的关系。可以发现，在室温(300K)下激光器的阈值电流密度仅为1.78kA/cm2，这是国际上该波长下分布反馈量子级联激光器所获得的最低的阈值电流密度之一。这充分说明了，我们设计的波导和光栅结构以及发明的光栅制备方法的确有利于获得低的平均波导损耗。
实施例2 7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反馈量子级联激光器图6为激光波长为7.7μm的InGaAs/InP可调谐分布反馈量子级联激光器的波导结构。其中有源层区包括60个周期的“有源层+注入区”结构，厚度为2.66μm。有源区上下分别为厚度0.7μm，n型掺杂浓度为5×1016cm-3的InGaAs波导层。上波导层上方依次为n型中等掺杂限制层InP(1-3×1017cm-3，厚度1.6μm)，n型重掺杂InP限制层(5×1018cm-3，厚度0.7μm)，和n型重掺杂InGaAs盖帽层(2×1019cm-3，厚度0.1μm)。衬底为中等掺杂n型InP(2×1017cm-3)。
根据同样的设计原理并结合数值计算，我们设计的InGaAs重掺杂帽层厚度为0.1μm，重掺杂的InP层厚度为0.7μm，光栅腐蚀深度为0.7μm，光栅沟槽下方的重掺杂InP厚度为0.1μm。计算得到的耦合系数|κ|～|4.1+3.8i|＝5.2cm-1，这意味着所设计的DFB QCL是一个复耦合导引的分布反馈激光器。实验中，光栅形貌的不理想性会导致耦合系数|κ|略小于理论计算值。因此我们将激光器的腔长解理为约3.0mm，从而使耦合系数与腔长的乘积约为|κ|·Lcav≈1，有利于产生高的边模抑制比和小的阈值电流密度。计算得到的激光器平均波导损耗约为12.4cm-1，这样低的波导损耗有利于得到低阈值电流密度的分布反馈量子级联激光器。由于半导体中自由载流子的吸收随波长的减小而减弱，因此相对于实例1中波长为8.4μm的分布反馈量子级联激光器，实例2中激光器波长减小，对应的平均波导损耗也有所下降。
用发明内容中所述的光栅腐蚀制备方法制备光栅。图7是利用本发明提供的光栅腐蚀技术制备得到的激光器光栅结构。由图可知，光栅形貌规则深度一致。其深度为700nm，包括100nm的InGaAs帽层和约600nm的重掺杂InP等离子增强限制层。InP等离子增强限制层的总厚度为700nm，即在光栅的下方还有100nm的InP等离子增强限制层。由图可知，实际的波导和光栅结构与设计的结构很好的一致。
图8是所得到的激光器在不同温度下的激光光谱。由图可知，该激光器在155K至320K的温度范围内均能工作在脉冲模式下，实现单模输出，且边模抑制比约为30dB。由插图可知，激光器的单模输出波长随温度呈线性变化，波长随温度的调谐系数约为Δλ/ΔT＝0.54nm/K，可实现的稳定的单模调谐范围约为90nm。值得注意的是，高的边模抑制比意味着我们利用深的一级光栅确实得到了足够的分布反馈效果。
图9则显示脉冲模式下激光器在不同温度下的电流-功率关系和300K下的电流-电压关系。值得注意的是，室温(300K)下激光器的阈值电流密度仅970A/cm2，是目前分布反馈量子级联激光器在相似测试条件下所报导的最低值。这充分说明我们所设计的激光器波导和光栅结构，在获得足够光栅耦合系数的同时有效地降低了激光器的波导损耗，从而极大地降低了激光器的阈值电流密度。此外，我们还可以看到，激光器在300K时的最大峰值功率达到74mW，这一值在低温(160K)时上升到230mW。
权利要求
1.一种可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅的结构，其特征在于所述的分布反馈量子级联激光器的波导与光栅结构为在n型InP衬底上依次为InGaAs下波导层、InGaAs/AlInAs有源区、InGaAs上波导层中等掺杂InP限制层、重掺杂n型重掺杂InP限制层和InGaAs帽层；n型重掺杂InP限制层和InGaAs帽层为光栅的腐蚀层，控制重掺杂InP层的厚度以及光栅腐蚀的深度，使得一级光栅的深度≥0.5μm，光栅沟槽下方未被腐蚀的InP重掺杂层为0.1μm，掺杂浓度以及各层厚度应视激光器具体波长，结合波导理论的数值计算而定。
2.按权利要求1所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅的结构，其特征在于①所述的InGaAs下波导层为n型掺杂，掺杂浓度为5×1016cm-3，层厚0.4-0.7μm；②所述的InGaAs上波导层为n型掺杂，掺杂浓度为5×1016cm-3，层厚0.4-0.7μm；③所述的中等掺杂InP限制层为n型掺杂，掺杂浓度为1-3×1017cm-3，层厚1.4-1.6μm；④所述的n型重掺杂InP限制层的掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度0.7-1.0μm；⑤所述的重掺杂InGaAs帽层的掺杂浓度为2×1019cm-3，厚度为0.1μm。
3.按权利要求1所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅的结构，其特征在于所述的可调谐分布反馈量子级联激光器为单模激射，边模抑制比为30dB，波长可随温度调谐。
4.按权利要求1所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅的结构，其特征在于所述的可调谐分布反馈量子级激光器的耦合系数κ与激光器腔长Lcav满足|κ|·Lcav≈1的关系。
5.按权利要求4所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅的结构，其特征在于所述激光器腔长为2-4mm，则耦合系数为4-6cm-1。
6.按权利要求1所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅的结构，其特征在于，波长8.4μm的InGaAs/AlInAs/InP可调谐分布反馈量子级联激光器的波导和光栅结构中有源层区为60个周期的“有源层+注入区”结构，厚度为3.59μm；有源区上、下分别为厚度0.4μm，n型掺杂浓度为5×1016cm-3的InGaAs波导层，上波导层上方依次为n型掺杂浓度为1-3×1017cm-3中等掺杂限制层InP，厚度1.6μm，n型掺杂浓度为5×1018cm-3重掺杂InP限制层，厚度1.0μm，和n型掺杂浓度为2×1019cm-3重掺杂InGaAs盖帽层，厚度0.1μm，衬底为掺杂浓度为2×1017cm-3中等掺杂n型InP；光栅腐蚀深度为1.0μm，光栅沟槽下方的中掺杂InP层厚度为0.1μm。
7.按权利要求1所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅的结构，其特征在于激光波长为7.7μm的InGaAs/InP可调谐分布反馈量子级联激光器的波导结构。其中有源层区为60个周期的“有源层+注入区”结构，厚度为2.66μm；有源区上、下分别为厚度0.7μm，n型掺杂浓度为5×1016cm-3的InGaAs波导层；上波导层上方依次为n型掺杂浓度为1-3×1017cm-3中等掺杂限制层InP，厚度1.6μm，n型掺杂浓度为重掺杂InP限制层(5×1018cm-3，厚度0.7μm，和n型掺杂浓度为2×1019cm-3重掺杂InGaAs盖帽层，厚度0.1μm；衬底为掺杂浓度为2×1017cm-3中等掺杂n型InP；一级光栅的深度为700nm。
8.按权利要求1所述的可调谐分布反馈量子级联激光器的波导与光栅的结构，其特征在于所述的光栅形貌规则，深度一致，所述的700nm深度为100nm的InGaAs帽层和600nm的重掺杂InP等离子增强层。
9.制作如权利要求1所述的可调谐分布反馈激光器光栅的方法，其特征在于(1)以重掺杂的InP/InGaAs结构作为光栅腐蚀的牺牲层，InGaAs同时为盖帽层，其厚度为100nm，InP层的厚度等于腐蚀深度与光栅沟槽下方的InP层厚度之和；(2)在材料表面涂覆稀释的S6809光刻胶，用全息曝光的方法在光刻胶上形成光栅，光栅的方向为沿InP的
晶向；(3)利用光刻图形作为掩模，选择柠檬酸∶H2O2＝2∶1的腐蚀液在室温下将没有光刻胶覆盖的厚度为100nm的InGaAs完全腐蚀；(4)去除光刻胶后，光栅形貌已被转移到InGaAs层；(5)利用InGaAs层上的光栅作为掩模来制备InP层上的光栅。采用HCl∶H3PO4＝3∶1腐蚀液腐蚀InP；(6)利用原子力显微镜精确测量光栅的腐蚀深度，达到设计深度后即停止腐蚀，这种腐蚀方法可以得到腐蚀深度大范围精确可调的InGaAs/InP光栅，从而实现激光器波导和光栅的设计结构。
10.按权利要求9所述的可调谐分布反馈激光器光栅的制作方法，其特征在于步骤(3)中InGaAs的腐蚀速率为0.5μm/min；步骤(5)中InP的腐蚀速率为1.0μm/min。
全文摘要
本发明涉及一种旨在获得低阈值电流密度、高边模抑制比的可调谐分布反馈量子级联激光器的波导和光栅结构，并发明了实现设计结构要求的激光器一级光栅的制备方法。所述的激光器波导与光栅结构是一种利用一个深的一级光栅和一个在光栅下方的薄的重掺杂半导体层构成波导中的限制结构。所述的光栅腐蚀技术是利用InGaAs/InP结构作为光栅的腐蚀牺牲层，选择不同的腐蚀液配比，获得深度大范围可调，精度可控的光栅结构。
文档编号H01S5/20GK1945910SQ20061003099
公开日2007年4月11日 申请日期2006年9月8日 优先权日2006年9月8日
发明者徐刚毅, 李耀耀, 李爱珍 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所