CN104577706B - 一种高效侧向导热的量子级联激光器结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效侧向导热的量子级联激光器结构及其制备方法。该激光器采用阶梯型波导结构，即在激光器工作时产热严重的有源区部分刻蚀成阶梯型台面的方法，使得产热区域热交换面积增大，能够有效的降低有源区温度，并可改善传统湿法刻蚀双沟道脊型波导带来的电流限制差的缺点，减少电流泄漏，提高激光器电光转换效率。利用本发明，可以提高激光器的输出功率、工作稳定性及使用寿命，减小控温设备压力，适用于高功率量子级联激光器单管及阵列的制作。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子学技术领域，主要涉及一种高效侧向导热的量子级联激光器结构及其制备方法。
背景技术
1994年贝尔实验室实现了量子级联激光器的激射，与传统半导体激光器不同的是，量子级联激光器是依靠电子在子能带跃迁发光的单极型器件，该激光器的激射波长不依赖于材料的禁带宽度，可以在不改变材料体系的情况下，对能带进行适当的“裁剪”以获取不同的激射波长，对于激光器的设计有着很大的自由度。
由于量子级联激光器有源区的产热很高，即便目前常用的湿法腐蚀双沟道脊型波导较干法刻蚀双沟道脊型波导在器件散热方面作出优化，但造成了波导对注入电流的限制能力下降；另外，湿法腐蚀双沟道脊型波导量子级联激光器，其激射的TM模式激光在电绝缘层与电极金属界面处耦合出表面等离子激元，增大了激光器的波导损耗，使阈值电流密度增加，而干法刻蚀双沟道脊型波导器件无此现象发生(参考：Xue Huang，et al，OpticsExpress,Vol.20,Issue 3,pp.2539-2547(2012))。因此，在实际应用中，为保证量子级联激光器在各领域高性能稳定工作，均要对激光器进行控温制冷，其中不乏如水冷机这样体积庞大、移动不便的控温设备。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的制备方法，与传统的湿法刻蚀工艺相比，该方法可以对注入电流进行更好的限制，同时使激光器具有良好的散热性。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种高效侧向导热的量子级联激光器结构，该结构自下而上包括：衬底面电极、N型衬底、N型下包层、N型下波导层、有源区、N型上波导层、N型上包层、N型盖层和外延面电极；有源区为脊型结构，两侧为阶梯结构；N型上波导层、N型上包层和N型盖层的宽度与有源区的脊型上表面相等；N型衬底、N型下包层、N型下波导层、有源区、N型上波导层、N型上包层和N型盖层的外表面生长电绝缘层；电绝缘层上表面开一个电注入窗口；在电绝缘层的外表面生长外延电极。
一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：在N型上依次生长N型下包层、N型下波导层、有源区、N型上波导层、N型上包层和N型盖层；
步骤二：刻蚀出双沟道脊型波导结构，刻蚀深度至少至N型衬底为止；
步骤三：在有源区制作阶梯型波导结构；
步骤四：在N型盖层、双沟道及阶梯型波导结构表面生长电绝缘层；
步骤五：在电绝缘层上表面的中间开一个电注入窗口；
步骤六：在电绝缘层表面生长外延面电极；
步骤七：将N型衬底背面减薄、抛光，生长衬底面电极，并进行退火合金；
步骤八：芯片解理，腔面镀膜，封装测试。
本发明的有益效果是：本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器结构，其有源区侧向面积更大，使有源区侧向辅助散热的效果提升；有源区电流限制能力更强，可以减少注入电流泄漏，有提高激光器电光转换效率，以及减少有源区热量产生的作用。本发明制备方法与半导体工艺兼容，制备工艺成熟，重复性好，适用于各种材料体系及各个波段的量子级联激光器。
附图说明
图1本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的结构示意图。
图2本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的制备方法流程图。
图3为本发明与传统湿法刻蚀双沟道脊型波导量子级联激光器结构在连续波工作稳态时的温度与热流分布模拟图。
图4为本发明与传统湿法刻蚀双沟道脊型波导量子级联激光器结构在连续波工作稳态时的电流密度分布模拟图。
具体实施方式
下面以InGaAs/InAlAs/InP为材料体系、氮化硅为绝缘层的量子级联激光器为例，结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器结构从下至上依次为：Au/Ge/Ni衬底面电极1、N型InP衬底2、N型InP下包层3、N型InGaAs下波导层4、N型InGaAs/InAlAs有源区5、N型InGaAs上波导层6、N型InP上包层7、N型InP盖层8、Si3N4电绝缘层10和Ti/Pt/Au外延面电极11。其中阶梯型波导结构9的阶梯数量大于等于一阶，本实施例中，阶梯数量为三阶。阶梯结构高度和宽度为300nm-500nm。有源区5的脊型台面宽度为10μm-20μm。N型InGaAs上波导层6、N型InP上包层7、N型InP盖层8的宽度与有源区5的脊型台面相等；N型InP衬底2、N型InP下包层3、N型InGaAs下波导层4、N型InGaAs/InAlAs有源区5、N型InGaAs上波导层6、N型InP上包层7和N型InP盖层8的外表面生长Si3N4电绝缘层10；Si3N4电绝缘层10上表面开一个电注入窗口；在Si3N4电绝缘层10的外表面生长Ti/Pt/Au外延面电极11。
如图2所示为本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器的制备工艺流程图。本发明所提供的该结构的制备方法如下：
步骤一：在N型InP衬底上2，采用分子束外延(MBE)或金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术依次生长N型InP下包层3、InGaAs下波导N型层4、N型InGaAs/InAlAs有源区5、N型InGaAs上波导层6、N型InP上包层7和N型InP盖层8，所得为所用外延片；
步骤二：采用光刻和干法刻蚀工艺，从N型InP盖层8向下至N型InP衬底2刻蚀出双沟道，形成脊型波导结构，其中沟道宽度为20μm-40μm，脊形台面宽度为10μm-20μm；
步骤三：采用电子束曝光和干法刻蚀工艺，沿着步骤二中所得双沟道脊型波导外侧制作出宽度为300nm-500nm的条形结构，并刻蚀至InGaAs下波导层4，多重复该步骤几次，并逐步减少300nm-500nm条形结构的刻蚀深度，直至刻蚀深度减至InGaAs上波导层6为止，以形成阶梯型波导结构9，在此实例中我们将阶梯暂定为三阶；
步骤四：在N型InP盖层8、双沟道及阶梯型波导结构9表面生长Si3N4电绝缘层10；
步骤五：使用光刻和刻蚀的工艺，在脊型部分中心，N型InP盖层8表面的Si3N4电绝缘层10中打开一个电注入窗口，其宽度略小于脊型部分宽度；
步骤六：采用磁控溅射的方法，在Si3N4电绝缘层10表面生长Ti/Pt/Au外延面电极11；
步骤七：将N型InP衬底2背面减薄、抛光，采用磁控溅射的方法生长Au/Ge/Ni衬底面电极1并进行退火合金；
步骤八：芯片解理，腔面镀膜，封装测试。
如图3所示为本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器结构及传统湿法刻蚀双沟道脊型台面波导量子级联激光器在连续波工作稳态时的温度与热流分布模拟图。图中可以看出，本发明激光器在连续波工作稳态时，有源区内部最高温度为328K，显著低于使用传湿法刻蚀工艺所制备器件(335K)，有源区横向温度分布也更加均匀；并且，脊型台面侧面的热流分布密度也明显增加。
如图4所示为本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器结构及传统湿法刻蚀双沟道脊型台面波导量子级联激光器在连续波工作稳态时的电流密度分布模拟图。图中可以看出，本发明激光器在连续波工作稳态时，脊型台面边缘电流密度明显低于使用传统湿法刻蚀工艺所制备器件，减小了电流泄漏，使得注入电流在脊型台面内部空间得到更好的利用。
综上，本发明提出的一种高效侧向导热的量子级联激光器结构及其制备方法，兼顾了传统湿法刻蚀双沟道脊型波导结构中脊型侧壁辅助有源区散热，和传统干法刻蚀双沟道脊型波导结构中脊型内部很强的电流限制的优点，使得阶梯型双沟道脊型台面结构在更利于散热的同时减小了电流泄漏，提升了激光器的电光转换效率，减少了发热量，使激光器在工作时更加稳定。
Claims (5)
1.一种高效侧向导热的量子级联激光器结构，其特征在于，该结构自下而上包括：衬底面电极、N型衬底、N型下包层、N型下波导层、有源区、N型上波导层、N型上包层、N型盖层和外延面电极；有源区为脊型结构，两侧为阶梯结构，所述有源区的阶梯结构高度和宽度为300nm-500nm；N型上波导层、N型上包层和N型盖层的宽度与有源区的脊型上表面相等；N型衬底、N型下包层、N型下波导层、有源区、N型上波导层、N型上包层和N型盖层的外表面生长电绝缘层；电绝缘层上表面开一个电注入窗口；在电绝缘层的外表面生长外延电极。
2.如权利要求1所述的一种高效侧向导热的量子级联激光器结构，其特征在于，所述有源区的阶梯型结构，阶梯数量大于等于一阶。
3.如权利要求1所述的一种高效侧向导热的量子级联激光器结构，其特征在于，所述有源区的脊型台面宽度为10μm-20μm。
4.如权利要求1所述的一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：在N型衬底上依次生长N型下包层、N型下波导层、有源区、N型上波导层、N型上包层和N型盖层；
步骤二：刻蚀出双沟道脊型波导结构，刻蚀深度至少至N型衬底为止；
步骤三：在有源区制作阶梯型波导结构；
步骤四：在N型盖层、双沟道及阶梯型波导结构表面生长电绝缘层；
步骤五：在电绝缘层上表面的中间开一个电注入窗口；
步骤六：在电绝缘层表面生长外延面电极；
步骤七：将N型衬底背面减薄、抛光，生长衬底面电极，并进行退火合金；
步骤八：芯片解理，腔面镀膜，封装测试。
5.如权利要求4所述的一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的制备方法，其特征在于，步骤二中刻蚀沟道宽度为20μm-40μm。
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