一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體光電子學技術領域，主要涉及一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002]1994年貝爾實驗室實現了量子級聯激光器的激射，與傳統半導體激光器不同的是，量子級聯激光器是依靠電子在子能帶躍迀發光的單極型器件，該激光器的激射波長不依賴于材料的禁帶寬度，可以在不改變材料體系的情況下，對能帶進行適當的“裁剪”以獲取不同的激射波長，對于激光器的設計有著很大的自由度。
[0003]由于量子級聯激光器有源區的產熱很高，即便目前常用的濕法腐蝕雙溝道脊型波導較干法刻蝕雙溝道脊型波導在器件散熱方面作出優化，但造成了波導對注入電流的限制能力下降；另外，濕法腐蝕雙溝道脊型波導量子級聯激光器，其激射的TM模式激光在電絕緣層與電極金屬界面處耦合出表面等離子激元，增大了激光器的波導損耗，使閾值電流密度增加，而干法刻蝕雙溝道脊型波導器件無此現象發生(參考:Xue Huang, et al，OpticsExpress, Vol.20，Issue 3, pp.2539-2547 (2012))。因此，在實際應用中，為保證量子級聯激光器在各領域高性能穩定工作，均要對激光器進行控溫制冷，其中不乏如水冷機這樣體積龐大、移動不便的控溫設備。
【發明內容】
[0004]為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構的制備方法，與傳統的濕法刻蝕工藝相比，該方法可以對注入電流進行更好的限制，同時使激光器具有良好的散熱性。
[0005]本發明解決技術問題所采用的技術方案如下:
[0006]一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構，該結構自下而上包括:襯底面電極、N型襯底、N型下包層、N型下波導層、有源區、N型上波導層、N型上包層、N型蓋層和外延面電極；有源區為脊型結構，兩側為階梯結構；N型上波導層、N型上包層和N型蓋層的寬度與有源區的脊型上表面相等；N型襯底、N型下包層、N型下波導層、有源區、N型上波導層、N型上包層和N型蓋層的外表面生長電絕緣層；電絕緣層上表面開一個電注入窗口 ；在電絕緣層的外表面生長外延電極。
[0007]一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0008]步驟一:在N型上依次生長N型下包層、N型下波導層、有源區、N型上波導層、N型上包層和N型蓋層；
[0009]步驟二:刻蝕出雙溝道脊型波導結構，刻蝕深度至少至N型襯底為止；
[0010]步驟三:在有源區制作階梯型波導結構；
[0011]步驟四:在N型蓋層、雙溝道及階梯型波導結構表面生長電絕緣層；
[0012]步驟五:在電絕緣層上表面的中間開一個電注入窗口 ；
[0013]步驟六:在電絕緣層表面生長外延面電極；
[0014]步驟七:將N型襯底背面減薄、拋光，生長襯底面電極，并進行退火合金；
[0015]步驟八:芯片解理，腔面鍍膜，封裝測試。
[0016]本發明的有益效果是:本發明一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構，其有源區側向面積更大，使有源區側向輔助散熱的效果提升；有源區電流限制能力更強，可以減少注入電流泄漏，有提高激光器電光轉換效率，以及減少有源區熱量產生的作用。本發明制備方法與半導體工藝兼容，制備工藝成熟，重復性好，適用于各種材料體系及各個波段的量子級聯激光器。
【附圖說明】
[0017]圖1本發明一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構的結構示意圖。
[0018]圖2本發明一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構的制備方法流程圖。
[0019]圖3為本發明與傳統濕法刻蝕雙溝道脊型波導量子級聯激光器結構在連續波工作穩態時的溫度與熱流分布模擬圖。
[0020]圖4為本發明與傳統濕法刻蝕雙溝道脊型波導量子級聯激光器結構在連續波工作穩態時的電流密度分布模擬圖。
【具體實施方式】
[0021]下面以InGaAs/InAlAs/InP為材料體系、氮化硅為絕緣層的量子級聯激光器為例，結合附圖和【具體實施方式】對本發明進一步說明。
[0022]如圖1所示，本發明一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構從下至上依次為:Au/Ge/Ni襯底面電極1、N型InP襯底2、N型InP下包層3、N型InGaAs下波導層4、N型InGaAs/InAlAs有源區5、N型InGaAs上波導層6、N型InP上包層7、N型InP蓋層8、Si3N4電絕緣層10和Ti/Pt/Au外延面電極11。其中階梯型波導結構9的階梯數量大于等于一階，本實施例中，階梯數量為三階。階梯結構高度和寬度為300nm-500nm。有源區5的脊型臺面寬度為10 μ m-20 μ m。N型InGaAs上波導層6、N型InP上包層7、N型InP蓋層8的寬度與有源區5的脊型臺面相等；N型InP襯底2、N型InP下包層3、N型InGaAs下波導層4、N型InGaAs/InAlAs有源區5、N型InGaAs上波導層6、N型InP上包層7和N型InP蓋層8的外表面生長Si3N4電絕緣層10 ；Si 3N4電絕緣層10上表面開一個電注入窗口 ；在Si 3N4電絕緣層10的外表面生長Ti/Pt/Au外延面電極11。
[0023]如圖2所示為本發明一種高效側向導熱的量子級聯激光器的制備工藝流程圖。本發明所提供的該結構的制備方法如下:
[0024]步驟一:在N型InP襯底上2，采用分子束外延(MBE)或金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)技術依次生長N型InP下包層3、InGaAs下波導N型層4、N型InGaAs/InAlAs有源區5、N型InGaAs上波導層6、N型InP上包層7和N型InP蓋層8，所得為所用外延片;
[0025]步驟二:采用光刻和干法刻蝕工藝，從N型InP蓋層8向下至N型InP襯底2刻蝕出雙溝道，形成脊型波導結構，其中溝道寬度為20 μπι-40 μπι，脊形臺面寬度為10 μπι-20 μπι ；
[0026]步驟三:采用電子束曝光和干法刻蝕工藝，沿著步驟二中所得雙溝道脊型波導外側制作出寬度為300nm-500nm的條形結構，并刻蝕至InGaAs下波導層4，多重復該步驟幾次，并逐步減少300nm-500nm條形結構的刻蝕深度，直至刻蝕深度減至InGaAs上波導層6為止，以形成階梯型波導結構9，在此實例中我們將階梯暫定為三階；
[0027]步驟四:在N型InP蓋層8、雙溝道及階梯型波導結構9表面生長Si3N4電絕緣層10 ；
[0028]步驟五:使用光刻和刻蝕的工藝，在脊型部分中心，N型InP蓋層8表面的Si3N4電絕緣層10中打開一個電注入窗口，其寬度略小于脊型部分寬度；
[0029]步驟六:采用磁控濺射的方法，在Si3N4電絕緣層10表面生長Ti/Pt/Au外延面電極11 ;
[0030]步驟七:將N型InP襯底2背面減薄、拋光，采用磁控濺射的方法生長Au/Ge/Ni襯底面電極I并進行退火合金；
[0031]步驟八:芯片解理，腔面鍍膜，封裝測試。
[0032]如圖3所示為本發明一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構及傳統濕法刻蝕雙溝道脊型臺面波導量子級聯激光器在連續波工作穩態時的溫度與熱流分布模擬圖。圖中可以看出，本發明激光器在連續波工作穩態時，有源區內部最高溫度為328K，顯著低于使用傳濕法刻蝕工藝所制備器件(335K)，有源區橫向溫度分布也更加均勻；并且，脊型臺面側面的熱流分布密度也明顯增加。
[0033]如圖4所示為本發明一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構及傳統濕法刻蝕雙溝道脊型臺面波導量子級聯激光器在連續波工作穩態時的電流密度分布模擬圖。圖中可以看出，本發明激光器在連續波工作穩態時，脊型臺面邊緣電流密度明顯低于使用傳統濕法刻蝕工藝所制備器件，減小了電流泄漏，使得注入電流在脊型臺面內部空間得到更好的利用。
[0034]綜上，本發明提出的一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構及其制備方法，兼顧了傳統濕法刻蝕雙溝道脊型波導結構中脊型側壁輔助有源區散熱，和傳統干法刻蝕雙溝道脊型波導結構中脊型內部很強的電流限制的優點，使得階梯型雙溝道脊型臺面結構在更利于散熱的同時減小了電流泄漏，提升了激光器的電光轉換效率，減少了發熱量，使激光器在工作時更加穩定。
【主權項】
1.一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構，其特征在于，該結構自下而上包括:襯底面電極、N型襯底、N型下包層、N型下波導層、有源區、N型上波導層、N型上包層、N型蓋層和外延面電極；有源區為脊型結構，兩側為階梯結構；N型上波導層、N型上包層和N型蓋層的寬度與有源區的脊型上表面相等；N型襯底、N型下包層、N型下波導層、有源區、N型上波導層、N型上包層和N型蓋層的外表面生長電絕緣層；電絕緣層上表面開一個電注入窗口 ；在電絕緣層的外表面生長外延電極。
2.如權利要求1所述的一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構，其特征在于，所述有源區的階梯型結構，階梯數量大于等于一階。
3.如權利要求1所述的一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構，其特征在于，所述有源區的脊型臺面寬度為10μπι-20μπι。
4.如權利要求1所述的一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構，其特征在于，所述有源區的階梯結構高度和寬度為300nm-500nm。
5.如權利要求1所述的一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟一:在N型襯底上依次生長N型下包層、N型下波導層、有源區、N型上波導層、N型上包層和N型蓋層； 步驟二:刻蝕出雙溝道脊型波導結構，刻蝕深度至少至N型襯底為止； 步驟三:在有源區制作階梯型波導結構； 步驟四:在N型蓋層、雙溝道及階梯型波導結構表面生長電絕緣層； 步驟五:在電絕緣層上表面的中間開一個電注入窗口 ； 步驟六:在電絕緣層表面生長外延面電極； 步驟七:將N型襯底背面減薄、拋光，生長襯底面電極，并進行退火合金； 步驟八:芯片解理，腔面鍍膜，封裝測試。
6.如權利要求5所述的一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構的制備方法，其特征在于，步驟二中刻蝕溝道寬度為20 μπι-40 μπι。
【專利摘要】本發明公開了一種高效側向導熱的量子級聯激光器結構及其制備方法。該激光器采用階梯型波導結構，即在激光器工作時產熱嚴重的有源區部分刻蝕成階梯型臺面的方法，使得產熱區域熱交換面積增大，能夠有效的降低有源區溫度，并可改善傳統濕法刻蝕雙溝道脊型波導帶來的電流限制差的缺點，減少電流泄漏，提高激光器電光轉換效率。利用本發明，可以提高激光器的輸出功率、工作穩定性及使用壽命，減小控溫設備壓力，適用于高功率量子級聯激光器單管及陣列的制作。
【IPC分類】H01S5-024, H01S5-40
【公開號】CN104577706
【申請號】CN201410821162
【發明人】佟存柱, 盧澤豐, 舒世立, 吳昊, 田思聰, 汪麗杰, 寧永強, 王立軍
【申請人】中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月25日