專利名稱：垂直發射量子級聯激光器結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體光電器件技術領域，尤其涉及一種垂直發射量子級聯激光器結構。該結構的獨特之處在于，將表面等離子波導引入二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯 激光器中，可以實現高的垂直耦合效率，同時簡化了材料生長和光柵制備工藝。
背景技術：
波長為纊12 μ m的量子級聯激光器在大氣環境監測與紅外對抗等領域中具有十 分廣闊的應用前景。與常規的法布里-珀羅腔量子級聯激光器所具有的多模工作和邊發射 不同，垂直發射量子級聯激光器同時具備單模工作和垂直發射的優點，在實際的應用中能 夠實現二維集成和在線檢測，因此正在得到廣泛的關注和研究。當前的垂直發射量子級聯激光器主要有二維光子晶體分布反饋垂直發射量子級 聯激光器和二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器。其中，二維光子晶體分布反饋垂 直發射量子級聯激光器要求其光子晶體圖形具備很高的縱橫比，同時要求其填充因子或者 吸收邊能夠精確設計和控制，但是制作滿足這些要求的光子晶體圖形，對于目前的光刻工 藝，卻是一個很大的挑戰。而相比之下，二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器其光柵 制備工藝相對簡單，因此成為了國際上垂直發射量子級聯激光器研究的一個熱點，并在過 去的十年當中已經得到了深入的研究。盡管對二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器的深入研究已經取得了較多 的成果，包括室溫脈沖激射和0. 4度的遠場發散角，但是這些研究大部分都是基于傳統的 介質波導結構。介質波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器雖然具有具有較低的 光學損耗，但是其很厚的波導層使得材料生長非常困難，同時其光柵要求刻蝕很深，這又使 得刻蝕工藝很復雜。所以設計一種能夠簡化材料生長和光柵制作工藝，同時又能提高垂直 耦合效率的二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器結構是一個亟待解決的問題，而本 專利就是為此而發明的。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種表面等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級 聯激光器結構。該結構采用很薄的接觸層代替了傳統介質波導二級光柵分布反饋垂直發射 量子級聯激光器中很厚的波導層，因此簡化了材料生長；同時僅僅采用金屬光柵就實現了 很強的耦合，并不需要刻蝕半導體層，這簡化了刻蝕工藝。另外，表面等離子波導的采用使 得激光器光場和光柵的交疊增加，同時通過優化光柵中金屬的占空比，最終獲得了很強的 垂直耦合效率。本發明提供一種垂直發射量子級聯激光器結構，包括—襯底，在該襯底上依次生長有波導層、有源層和接觸層；金屬光柵層，該金屬光柵層位于接觸層的上面，并且該金屬光柵層具有二級布拉 格周期。
其中所述的襯底為InP襯底。其中所述的波導層的材料為InGaAs，該波導層為η型摻雜，摻雜濃度為6 X 1016cnT3，層厚為 0. 55 μ mo其中所述的有源層由40個周期的InGaAs/InAlAs組成，該有源層對應的波長為 8-12 μm0其中所述的接觸層的材料為InGaAs，摻雜濃度為1 X IO1W3,層厚為0. 05 μ m。其中所述的金屬光柵層的材料為銀，該金屬光柵層14的厚度為0.25 μ m，金屬的 占空比為0. 55。其中所述的金屬光柵層在接觸層的上面分為4段結構。
為了進一步說明本發明的特征和效果，下面結合附圖及具體實施例對本發明做進 一步的說明，其中圖1為本發明的實施例，其是等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激 光器的波導和二級光柵結構的截面示意圖。圖2為按圖1所述的實施例中，等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯 激光器的耦合系數隨著金屬光柵占空比的變化關系圖。圖3為按圖1所述的實施例中，不同腔長的等離子波導二級光柵分布反饋垂直發 射量子級聯激光器的垂直耦合效率隨著金屬光柵占空比的變化關系圖。圖4為按圖1所述的實施例中，不同腔長的等離子波導二級光柵分布反饋垂直發 射量子級聯激光器的閾值增益隨著金屬光柵占空比的變化關系圖。
具體實施例方式請參閱圖所示，本發明提供一種垂直發射量子級聯激光器結構，包括一襯底10，在該襯底10上依次生長有波導層11、有源層12和接觸層13 ；所述的 襯底10為InP襯底；所述的波導層11的材料為InGaAs，該波導層11為η型摻雜，摻雜濃 度為6 X 1016cnT3，層厚為0. 55 μ m ；所述的有源層12由40個周期的InGaAs/InAlAs組成，該 有源層對應的波長為8-12 μ m ；所述的接觸層13的材料為InGaAs，摻雜濃度為IX 1019cm_3， 層厚為0. 05ym；金屬光柵層14，該金屬光柵層14位于接觸層13的上面，并且該金屬光柵層 14具有二級布拉格周期；所述的金屬光柵層14的材料為銀，該金屬光柵層14的厚度為 0. 25 μ m,金屬的占空比為0. 55 ；所述的金屬光柵層14在接觸層13的上面分為4段結構。該結構的優點在于⑴有源層12上面的InGaAs接觸層13厚度很薄，而傳統的 介質波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器中，有源層上面的波導層很厚，一般 大約為3μπι，相比之下，本發明簡化了材料生長。(2)等離子波導的采用使得僅僅在金屬層 上刻蝕二級光柵就能夠實現很強的耦合，而傳統的介質波導二級光柵分布反饋垂直發射量 子級聯激光器中，在金屬層上刻蝕完二級光柵之后，仍然需要在下面的半導體層上刻蝕深 度大約為Ιμπι的光柵，相比之下，本發明也簡化了刻蝕工藝。(3)將表面等離子波導引入二 級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器之后，通過優化金屬光柵層14中金屬的占空比為0. 55，本發明獲得了 43%的垂直耦合效率，這與傳統的介質波導二級光柵分布反饋垂直 發射量子級聯激光器中20 %左右的垂直耦合效率相比，又是一個較大的改進。以下詳細說明上述所提供的等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激 光器的波導結構和二級光柵結構的設計依據和設計方法。二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器利用二級光柵的對光的垂直衍射而 獲得垂直發射，其光柵的耦合系數直接決定了器件的性能。而耦合系數的大小主要取決于 兩個因素，即光柵底部和光柵頂部的模式有效折射率之差和光場與光柵的交疊程度。表面 等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器中，光柵底部所在的波導結構由于 采用空氣作為覆蓋層，其光場模式屬于介質波導模；然而光柵頂部所在的波導結構由于采 用金屬銀作為覆蓋層，其光場模式屬于表面等離子模，這兩種導波模式之間的模式折射率 之差是非常大的。另外，表面等離子波導的引入使得光場更靠近光柵一側，從而導致了較大 的光場與光柵間的交疊。綜上，表面等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光 器中，光柵底部和頂部所在的波導結構之間較大的模式有效折射率差，以及光柵和光場之 間較大的交疊，導致了很大的耦合系數，如圖2所示。
根據無限腔長周期性結構的Floquet-Bloch理論和有限腔長結構的耦合模理論， 金屬光柵層14中金屬的占空比強烈影響表面等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子 級聯激光器的垂直耦合效率和閾值增益。如圖3所示，當占空比較小(占空比小于0. 3)時， 由于光柵層中金屬比例較小，導致光場與光柵間的交疊較小，所以垂直耦合效率很小。當占 空比較大(占空比大于0. 7)時，雖然光柵層中較大的金屬比例保證了較大的光場與光柵間 的交疊，但是此時光柵頂部與光柵底部所在波導結構的模式有效折射率差隨著光柵周期性 變化所形成的微擾強度很小，兩者相互抵消導致較小的垂直耦合效率。對于表面等離子波 導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯激光器的閾值增益，如圖4所示，當占空比較小時， 閾值增益較大，這源于光柵層中金屬比例較小，使得光場沒有很好的被限制在有源區。另 夕卜，當占空比在0. 6附近時閾值增益的再次變大，這是因為在此處面耦合損耗較大的緣故。 綜上，為了得到大的垂直耦合效率，同時保持相對較低的閾值增益，金屬光柵層中金屬的占 空比被優化為0. 55。在此占空比下，表面等離子波導二級光柵分布反饋垂直發射量子級聯 激光器的垂直耦合效率和閾值增益分別為43%和12cm—1，而在傳統的介質波導二級光柵分 布反饋垂直發射量子級聯激光器中，相應的值分別為17. 5%和20cm—1，由此可以看出，本發 明具有很好的效果。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
權利要求
一種垂直發射量子級聯激光器結構，包括一襯底，在該襯底上依次生長有波導層、有源層和接觸層；金屬光柵層，該金屬光柵層位于接觸層的上面，并且該金屬光柵層具有二級布拉格周期。
2.按權利要求1所述的垂直發射量子級聯激光器結構，其中所述的襯底為InP襯底。
3.按權利要求1所述的垂直發射量子級聯激光器結構，其中所述的波導層的材料為 InGaAs，該波導層為η型摻雜，摻雜濃度為6 X 1016cm_3，層厚為0. 55 μ m。
4.按權利要求1所述的垂直發射量子級聯激光器結構，其中所述的有源層由40個周期 的InGaAs/InAlAs組成，該有源層對應的波長為8_12 μ m。
5.按權利要求1所述的垂直發射量子級聯激光器結構，其中所述的接觸層的材料為 InGaAs，摻雜濃度為 1 X 1019cm_3，層厚為 0. 05 μ m。
6.按權利要求1所述的垂直發射量子級聯激光器結構，其中所述的金屬光柵層的材料 為銀，該金屬光柵層14的厚度為0. 25 μ m，金屬的占空比為0. 55。
7.按權利要求1所述的垂直發射量子級聯激光器結構，其中所述的金屬光柵層在接觸 層的上面分為4段結構。
全文摘要
本發明提供一種垂直發射量子級聯激光器結構，包括一襯底，在該襯底上依次生長有波導層、有源層和接觸層；金屬光柵層，該金屬光柵層位于接觸層的上面，并且該金屬光柵層具有二級布拉格周期。
文檔編號H01S5/183GK101847828SQ20101017151
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者劉俊岐, 劉峰奇, 張偉, 李路, 江宇超, 王利軍, 王占國, 郭萬紅, 陸全勇 申請人:中國科學院半導體研究所