一种基于全InP波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法与流程

本发明涉及电气元件，具体涉及一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法。

背景技术：

1、量子级联激光器作为一种单极型半导体激光器，能直接输出3-300μm波长的激光，覆盖中远红外至太赫兹波段，具有巨大的优势和不可替代性，在痕量气体检测、定向红外对抗和自由空间光通讯等领域有着广泛地应用前景。

2、为了提高量子级联激光器的输出功率，波导的设计和制备至关重要。经典的量子级联激光器波导一般在有源区两侧各加一个波导限制层ingaas，以此增加光限制因子。但是由于ingaas的热导率低，使器件的散热效率低，会存在一定的功率瓶颈。而inp具有更高的热导率，因此采用全inp基的波导结构可以显著提高散热效率，更适用于大功率量子级联激光器。

3、波导的制备一般是通过干法刻蚀或湿法腐蚀形成脊形结构，从而提供光学和电学限制。腐蚀工艺的选择对于量子级联激光器的性能具有非常重要的影响，干法刻蚀出的界面垂直但粗糙，粗糙的侧壁会增大散射损耗；湿法腐蚀出的界面光滑但侧向腐蚀严重，这一方面使有源区上下宽度相差较大，导致不同级联周期具有不同的电压-电流密度-增益曲线，从而产生交叉吸收，另一方面由于脊条上部较窄，增大了后续电极制作的难度。此外，已报道的针对经典的ingaas波导的腐蚀方法并不适用于inp波导。因此针对基于全inp波导的量子级联激光器，探究合适的腐蚀方法从而获得陡直、光滑的脊形形貌，具有重要的研究价值。

技术实现思路

1、本发明是为了解决全inp基的脊形波导结构制备的问题，提供一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，采用干法刻蚀和两步湿法腐蚀结合的方式，既减少了侧向腐蚀，又能获得光滑的侧壁；有源层以上的inp波导层采用干法刻蚀和选择性湿法腐蚀结合的方式，干法刻蚀保证了垂直度，选择性湿法腐蚀保证了精确腐蚀到有源层上方。若只采用干法刻蚀inp，有可能过刻蚀到有源层，导致在有源层产生应力和缺陷，严重影响器件性能；干法刻蚀本身具有大面积刻蚀均匀性好的优势，湿法腐蚀时采用低速搅拌，从而使整个腐蚀过程的均匀性可以得到保证；inp波导材料结合陡直的脊形结构，可有效提高量子级联激光器的散热效率，从而实现更高的输出光功率。

2、本发明提供一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，包括以下步骤：

3、s1、在量子级联激光器外延片的表面沉积掩模层，量子级联激光器外延片自底向上依包括衬底、有源层和波导包覆层，掩模层为sio2掩模层，衬底和波导包覆层的材料相同；

4、s2、将光刻胶涂覆在量子级联激光器外延片上，然后通过紫外曝光、显影和坚膜将光刻版上的条形图案复制到光刻胶上得到光刻胶层；

5、s3、以光刻胶层为掩模干法刻蚀sio2掩模层，将光刻胶层的图案转移到sio2掩模层，得到带有图案的sio2掩模层；

6、s4、将量子级联激光器外延片放入去胶液中加热超声去除残余光刻胶；

7、s5、以带有图案的sio2掩模层为掩模，使用干法刻蚀波导包覆层、刻蚀深度小于波导包覆层的总深度，得到剩余波导包覆层；

8、s6、使用选择性腐蚀液腐蚀剩余波导包覆层至有源层，暴露出但不腐蚀有源层；

9、s7、使用非选择性腐蚀液腐蚀有源层和衬底，非选择性腐蚀液穿过有源层后，继续腐蚀部分衬底；

10、s8、将量子级联激光器外延片放入去boe溶液中超声清洗，去除残余sio2掩模层；

11、s9、使用去离子水冲洗量子级联激光器外延片，并用氮气吹干，得到量子级联激光器脊形结构。

12、本发明所述的一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，作为优选方式，步骤s1中，衬底和波导包覆层的材料均为inp，有源层为ingaas/inalas交替生长的周期性材料，衬底充当下包覆层的作用；

13、步骤s9中，量子级联激光器脊形结构基于全inp波导。

14、本发明所述的一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，作为优选方式，步骤s1中，使用用化学气相沉积方法沉积掩模层，sio2掩模层的厚度为300～500nm；

15、步骤s2中，光刻胶层为条形，步骤s3中，带有图案的sio2掩模层也为条形；

16、步骤s2中，光刻胶为s1813，显影后在120℃的热板上烘烤10～20分钟完成坚膜得到光刻胶层。

17、本发明所述的一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，作为优选方式，步骤s3、s5中，干法刻蚀使用电感耦合等离子体干法刻蚀(icp)。

18、本发明所述的一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，作为优选方式，

19、步骤s3中，反应气体为cf4，气体流量为40～60sccm，刻蚀速率为140～160nm/min；

20、步骤s5中，反应气体为20:1的ar和cl2，刻蚀速率为190～210nm/min，刻蚀深度为4μm。

21、本发明所述的一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，作为优选方式，步骤s6中，在腐蚀过程中采用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌速度为80～100r/min，腐蚀速率为400～800nm/min，腐蚀温度为23～27℃。

22、本发明所述的一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，作为优选方式，选择性腐蚀液为体积比2.5～3.5:0.5～1.5的h3po4:hcl混合溶液。

23、本发明所述的一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，作为优选方式，步骤s7中，非选择性腐蚀液为体积比7～9:14～16:2～4:140～160的hbr:hcl:h2o2:h2o。

24、本发明所述的一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，作为优选方式，步骤s7中，非选择性腐蚀液穿透有源层后继续腐蚀衬底1～2μm。

25、本发明所述的一种基于全inp波导的量子级联激光器脊形结构的腐蚀方法，作为优选方式，步骤s7中，在腐蚀过程中采用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌速度为80～100r/min，腐蚀速率为100～300nm/min，腐蚀温度为23～27℃。

26、步骤s4中，将条形图案转移至sio2掩模层后，将光刻胶去除，也就是说脊形结构的腐蚀以sio2作为掩模，而不是光刻胶。

27、在选择性腐蚀和非选择性腐蚀过程中，均需进行搅拌，从而使整个量子级联激光器外延片的腐蚀速率均匀。搅拌速度为80-100r/min：腐蚀温度为室温25℃。

28、本发明具有以下优点：

29、(1)采用干法刻蚀和两步湿法腐蚀结合的方式，既减少了侧向腐蚀，又能获得光滑的侧壁；

30、(2)有源层以上的inp波导层采用干法刻蚀和选择性湿法腐蚀结合的方式，干法刻蚀保证了垂直度，选择性湿法腐蚀保证了精确腐蚀到有源层上方。若只采用干法刻蚀inp，有可能过刻蚀到有源层，导致在有源层产生应力和缺陷，严重影响器件性能。

31、(3)干法刻蚀本身具有大面积刻蚀均匀性好的优势，湿法腐蚀时采用低速搅拌，从而使整个腐蚀过程的均匀性可以得到保证；

32、(4)inp波导材料结合陡直的脊形结构，可有效提高量子级联激光器的散热效率，从而实现更高的输出光功率。