專利名稱：一種量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體光電子器件技術領域，具體指一種中遠紅外波段的量子級聯(lián)正 多邊形微腔激光器及其制作方法。
背景技術：
中遠紅外波段的半導體激光器在大氣污染監(jiān)控、痕量氣體檢測、分子光譜、紅外干 擾等諸多領域有著廣泛的應用。量子級聯(lián)激光器采用微光學諧振腔，主要有兩方面的優(yōu)勢。一方面，量子級聯(lián)材料 的增益較低，而微腔激光器具有較小的模式體積和很高的模式品質因子，高品質因子有利 于量子級聯(lián)激光器的激射。另一方面，量子級聯(lián)激光器固有的TM模偏振，阻止了垂直于激 光器平面方向的損耗，特別適合回音壁模式微腔激光器；而且量子級聯(lián)激光器為單極載流 子躍遷，非輻射損耗和表面散射損耗被抑制，適于制作各種復雜形狀諧振腔的微腔激光器。諧振腔內全反射形成高品質因子回音壁模式的圓形微腔是最典型的一種微腔結 構；目前研究最多的量子級聯(lián)微腔激光器也是圓形微腔，主要有圓盤形和圓柱形微腔兩 種類型。1996年Bell實驗室J. Faist等人實現(xiàn)了量子級聯(lián)微盤激光器的低溫脈沖激射 [J. Faist, et al. “Quantum cascade disk lasers, "Appl. Phys. Lett. ,69, pp. 2456 ~ 2458 (1996)]。采用濕法腐蝕工藝，首先腐蝕出有源區(qū)/注入?yún)^(qū)成圓盤形，再腐蝕出起支撐 作用的棱形柱；圓盤的上下是空氣，形成強光場限制。量子級聯(lián)圓盤微腔依靠細支柱向襯底 傳輸電流、熱量比較困難，而量子級聯(lián)激光器由于所加偏壓大、熱效應顯著，量子級聯(lián)圓柱 形微腔在電流和熱量傳輸性能方面優(yōu)于圓盤形微腔，所以量子級聯(lián)圓柱形微腔得到更多的 研究。量子級聯(lián)圓柱形微腔涵蓋了從中紅外到太赫茲多個波段，也實現(xiàn)了從低溫到室溫激 射。由于圓柱形微腔具有高對稱性，難以定向輸出光，輸出光的功率很低。采用基于變形圓 的柱狀微腔激光器來實現(xiàn)在一定程度上光的定向輸出。1998年Science報道了 Bell實驗 室C. Gmachl等人研制的量子級聯(lián)四極子形柱狀微腔激光器，具有蝴蝶結形的諧振模式并 能夠在四個方向輸出光；最近哈佛大學R. Audet等人還制備了量子級聯(lián)螺旋線形微腔激光 器，在螺旋線所形成的缺口處輸出光。和圓形微腔類似，正多邊形微腔也有全反射限制的高Q值回音壁模式。在正多邊 形微腔內模式場分布較弱的區(qū)域引出直波導，在保持模式較高Q值的同時，獲得微腔激光 器的定向輸出。另外，在量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器邊界中點所引入的輸出波導，還有一 定的選模功能，有利于單模工作。量子級聯(lián)圓柱形微腔激光器的刻蝕側壁由空氣包裹，介質和空氣界面構成對光場 的限制。電極一般在圓柱形微腔的上表面，其制作方法主要有兩種(1)先制作電極的方 法。沉積正面電極層，刻蝕得到圓形正電極；再通過掩模層轉移圖案，進行干法刻蝕。這種 方法由于得不到電極的精確位置使得套刻掩模層對準精度低。(2)后制作電極的方法。掩 模層轉移圖案，干法刻蝕；甩膠后套刻出電極窗口 ；沉積正面電極層，帶膠剝離。此法的缺 點是帶膠剝離的工藝局限性很大，所蒸發(fā)金屬膜層厚度不宜過大，否則難以剝離；所蒸發(fā)的金屬電極膜層質量不高。當圓柱直徑很小時，引線鍵合變得困難，用微探針接觸進行測試也 造成工藝不便。量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器的刻蝕側壁包裹著絕緣層和正面電極層。絕緣層還 能起到光學緩沖層的作用，合理選擇正面電極層，也會增強對光的限制。類似于量子級聯(lián)圓 柱形微腔激光器后制作電極的方法，具體制作工藝包括通過掩模層轉移圖案，進行干法刻 蝕；沉積絕緣層，套刻出電極窗口 ；沉積正面電極層。這種制作電極的方法克服了帶膠剝離 的工藝局限性，引線鍵合也比較容易。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明的目的在于提供一種中遠紅外波段的量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器及其 制作方法，即通過光刻、干法刻蝕、沉積絕緣層、刻蝕電極窗口、沉積電極等工藝步驟來制作 帶輸出波導的正多邊形柱狀微腔激光器。(二)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器，包括一量子級聯(lián)外延層的襯底；一下限制層，位于該襯底之上；一有源區(qū)/注入?yún)^(qū)，位于該下限制層之上；一上限制層，在該有源區(qū)/注入?yún)^(qū)之上；一上包層，包含歐姆接觸層；該下限制層、有源區(qū)/注入?yún)^(qū)、上限制層和上包層的側壁由絕緣層包裹，該絕緣層 由正面電極層包裹。上述方案中，所述量子級聯(lián)外延層的襯底采用磷化銦基的量子級聯(lián)材料體系，或 者采用砷化鎵基的量子級聯(lián)材料體系。上述方案中，所述絕緣層采用材料Si02材料，進一步起到光學緩沖層的作用，能夠 減弱金屬對光的吸收損耗。上述方案中，所述Si02絕緣層的厚度是0. 3 1 ii m。上述方案中，所述正面電極層采用Ti/Ag/Au電極層，其中，Ti層起粘附作用，厚度 范圍為0. 01 0. 05 i! m ；Ag層用于增強對光場的限制，獲得高的模式品質因子，厚度取值范 圍為0. 03 0. 4 y m ；Au層是電極導電層，厚度范圍為0. 4 1 y m。上述方案中，該正多邊形微腔激光器中正多邊形為正三角形、正方形或正六邊形。為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器的制作方 法，包括選擇量子級聯(lián)外延片；在選擇的量子級聯(lián)外延片上沉積Si02掩模層；刻蝕Si02掩模層，將圖案轉移到Si02掩模層上；對量子級聯(lián)外延片進行干法刻蝕、濕法腐蝕，然后去除殘余Si02掩模層，刻蝕要向 下直至刻蝕到量子級聯(lián)外延片襯底；在刻蝕后的量子級聯(lián)外延片上生長Si02絕緣層，并在正上方刻出電極窗口 ；
在生長Si02絕緣層的量子級聯(lián)外延片上沉積正面電極層；以及減薄、拋光量子級聯(lián)外延片襯底背面，沉積背面電極。上述方案中，所述量子級聯(lián)外延片自下而上依次由襯底、下限制層、有源區(qū)/注入 區(qū)、上限制層和上包層構成。上述方案中，所述在量子級聯(lián)外延片上沉積Si02掩模層的步驟中，Si02掩模層的 厚度是 0.6iim 1.2iim。(三)有益效果本發(fā)明用Si02絕緣層和Ti/Ag/Au電極層包裹量子級聯(lián)正多邊形柱狀微腔激光器 的刻蝕側壁，這樣能夠增強對微腔內光場的限制，提高微腔內模式的品質因子，而且激光器 結構簡單，制作工藝方便，具有以下優(yōu)勢1、在量子級聯(lián)材料(歐姆接觸層對應的電極窗口除外)和金屬電極層之間加入 Si02絕緣層。Si02絕緣層是微腔量子級聯(lián)外延材料外最近的一層，由于量子級聯(lián)激光器的 波長比普通激光器大，光場會在Si02絕緣層中形成輻射場，并到達金屬電極層，產生吸收損 耗；合適厚度的Si02絕緣層能降低金屬層對光場的吸收損耗，起到光學緩沖層的作用。2、Ti/Ag/Au金屬電極層在實現(xiàn)導電作用的同時，還在光學方面起到很重要的作 用。金屬對光場有吸收損耗和光學限制兩種作用。金屬電極層需要Ti層來增強電極和半 導體材料的粘附性，但Ti層有較強的吸收損耗；在Ti層和Au層之間加入Ag層能增強對光 場的限制，獲得高的模式品質因子。3、Si02絕緣層和金屬電極層導熱性能優(yōu)于空氣，有利于激光器散熱，甚至為了增 強散熱性能，可以在正面電極上電鍍厚金屬層；還可以做倒裝焊，這對熱阻比較高的量子級 聯(lián)激光器很有幫助。


為進一步說明本發(fā)明的內容，以下結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明， 其中圖1是量子級聯(lián)正方形微腔激光器的結構示意圖，其中，圖1(a)是三維結構示意 圖(包括波導110)，圖1(b)是二維結構示意圖。圖2是量子級聯(lián)正方形微腔激光器的制作工藝流程圖；其中，圖2(a)是量子級聯(lián)外延片的結構示意圖；圖2 (b)是量子級聯(lián)外延片上沉積掩模層104的示意圖；圖2 (c)是刻蝕量子級聯(lián)外延片上的掩模層104的示意圖；圖2 (d)是刻蝕量子級聯(lián)外延層并去除掩模層104的示意圖；圖2(e)是生長絕緣層105并刻蝕出電極窗口的示意圖；圖2(f)是生長正面電極106，減薄襯底101并生長背面電極107的示意圖。圖3是量子級聯(lián)正方形微腔激光器品質因子和頻率隨Si02絕緣層105厚度的變 化；LW指波長\ = 7. 8iim，邊長a = 10iim，SW指波長\ = 4. 8 y m，邊長a = 6 y m，其中，圖3 (a)是LW正方形微腔中TM4,6模品質因子和頻率隨Si02層厚度的變化；圖3 (b)是SW正方形微腔中TM4,6模品質因子和頻率隨Si02層厚度的變化。圖4是量子級聯(lián)正方形微腔激光器品質因子和頻率隨正面金屬電極層106厚度的
5變化；其中， 圖4(a)是LW正方形微腔中TM4,6模品質因子和頻率隨Ti層、Ag層厚度的變化；圖4(b)是SW正方形微腔中TM4,6模品質因子和頻率隨Ti層、Ag層厚度的變化。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。以中遠紅外波段的量子級聯(lián)正方形微腔激光器為例，結合附圖來說明本發(fā)明。圖1是量子級聯(lián)正方形微腔激光器的結構示意圖。量子級聯(lián)外延片，包括襯底 101、下限制層111、有源區(qū)/注入?yún)^(qū)102、上限制層112、上包層(含歐姆接觸層)103。正方 形微腔側壁包裹著絕緣層105和正面電極層106 ；從正方形微腔邊界的中點引出垂直于此 邊界的波導110。襯底101可以是η.摻雜的InP或GaAs，分別對應InP基或GaAs基材料 體系的量子級聯(lián)材料。圖2是量子級聯(lián)正方形微腔激光器的工藝流程圖。圖2(a)是量子級聯(lián)外延片，包 括襯底101、下限制層111、有源區(qū)/注入?yún)^(qū)102、上限制層112、上包層(含歐姆接觸層)103。 圖2 (b)是在量子級聯(lián)外延片上沉積SiO2掩模層104，掩模層104厚度0. 6 μ m 1. 2 μ m。 圖2(c)刻蝕掩模層104，將圖案轉移到掩模層104上。圖2(d)對量子級聯(lián)材料進行干法 刻蝕、濕法腐蝕，然后去除殘余掩模層104，刻蝕要向下越過有源區(qū)/注入?yún)^(qū)102、下限制層 112，并達到襯底101，這樣能降低光場在襯底101中的輻射損耗。另外，一般采用干法刻蝕， 要求刻蝕側壁陡直、光滑。干法刻蝕后進行濕法腐蝕，目的在于腐蝕去掉刻蝕殘留物和刻蝕 損傷層，并增加刻蝕表面的光滑度。圖2(e)是生長SiO2絕緣層105，在正方形上方刻出電 極窗口。圖2 (f)沉積正面電極106，減薄、拋光襯底101，沉積背面電極107。量子級聯(lián)正方形微腔激光器的邊長很小，為了便于引線鍵合，在微腔上表面、側壁 和襯底上均沉積正面電極層106，在金屬電極層和量子級聯(lián)材料之間用絕緣層105隔離(歐 姆接觸層對應的電極窗口除外)。絕緣層105采用SiO2層，SiO2層外是0. 4 μ m厚的Au層， 波長(邊長)分別為λ = 7. 8 μ m(a = 10 μ m)和4. 8 μ m(a = 6 μ m)的LW和SW正方形微 腔激光器中，TM4,6模的品質因子和頻率隨著SiO2層厚度的變化如圖3所示。由圖3(a)、(b) 知，隨著SiO2層厚度的增大，正方形腔內模式的品質因子近似線性增大。但是不能單純依 靠增大絕緣層厚度來增加品質因子，主要有兩方面的原因。一方面，SiO2絕緣層不會產生光 學增益；微腔的品質因子隨SiO2層增厚而增大的原因在于，SiO2層減弱滲透到金屬包層的 場強從而降低損耗系數(shù)。另一方面，生長很厚的均勻、致密的SiO2層在工藝上有一定難度； 即便是SiO2層厚度可以大些，也會增加開正面電極窗口時的難度。所以，SiO2層的厚度并 非越大越好，一般情況下其厚度范圍是0. 3 1 μ m。量子級聯(lián)激光器的正面電極106通常采用Ti/Au非合金層；一般Au層厚度較大， Ti層厚度較小。由計算知，Au層厚度大于0. 3 0. 4 μ m時，正方形微腔的品質因子都不 會隨Au層厚度增大而變化，但是考慮電學導電性、熱學散熱性，Au層厚度至少有0. 3 0. 5 μ m，一般可以厚至1 μ m ；有時為了增強散熱，再進一步電鍍2 5 μ m的Au層。假設 SiO2層和Au層厚度均為0. 4 μ m，在Au層和SiO2層之間分別加入Ti層、Ag層時，TM4,6模 的品質因子和頻率的變化如圖4中三角形和正方形標記所示。結果表明，隨著Ti層厚度增大，量子級聯(lián)正方形微腔中模式的品質因子降低，相反，隨著Ag層厚度增大，微腔中模式的 品質因子迅速升高。這表明Ti層對光場的吸收損耗非常強，而Ag層對光場的限制占主體 地位，其吸收損耗較小。所以應該采用薄的Ti層、厚的Ag層。對比圖4(a)和(b)發(fā)現(xiàn)，波 長比較大的LW量子級聯(lián)正方形微腔的品質因子隨Ti層厚度增加比較緩慢，原因是波長大， 吸收損耗降低。正面金屬電極需要Ti層來增強與半導體材料的粘附性；若生長的Ti層太 薄，膜層不均勻、不致密，粘附性降低。綜合考慮認為，Ti膜厚度以0. 01 0. 05 μ m為宜。 如果用Ag層夾在Ti層和Au層之間，其中Ti層厚度取0.04μπι，如圖4(a)、(b)中圓形標 記所示，隨著Ag層厚度的增大，LW和SW量子級聯(lián)正方形微腔中TM4,6模的品質因子仍有較 大的增加；而且波長越大，相同厚度的Ag層使品質因子增大越多。這表明了 Ag層對光場有 較強的限制作用。在Ti粘附層和Au導電層之間加入Ag層來增加對光場的限制，既不影響 激光器電極層的導電性能，又不降低激光器電極層的穩(wěn)定性。另外，由圖4知，隨著Ag層厚 度增大，模式品質因子的增大在0. 02 0. 03 μ m處有增長率的拐點，所以Ag層厚度至少大 于0.03 μ m?？紤]到實際應用，Ag層厚度范圍是0.03 0.4 μ m。前面以波長為7. 8 μ m和4. 8 μ m的兩種量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器為例對本發(fā) 明進行了說明，但不夠成對本發(fā)明的限制；本發(fā)明適用于中遠紅外波段內的各種量子級聯(lián) 正多邊形微腔激光器。針對不同的波長，SiO2絕緣層、Ti層、Ag層、Au層的厚度略有變化， 但不夠成對本發(fā)明的限制。以上所述的具體實施例，對本發(fā)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(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)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(fā)明的保 護范圍之內。
權利要求
一種量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器，其特征在于，包括一量子級聯(lián)外延層的襯底；一下限制層，位于該襯底之上；一有源區(qū)/注入?yún)^(qū)，位于該下限制層之上；一上限制層，在該有源區(qū)/注入?yún)^(qū)之上；一上包層，包含歐姆接觸層；該下限制層、有源區(qū)/注入?yún)^(qū)、上限制層和上包層的側壁由絕緣層包裹，該絕緣層由正面電極層包裹。
2.根據(jù)權利要求1所述的量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器，其特征在于，所述量子級聯(lián) 外延層的襯底采用磷化銦基的量子級聯(lián)材料體系，或者采用砷化鎵基的量子級聯(lián)材料體系。
3.根據(jù)權利要求1所述的量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器，其特征在于，所述絕緣層采 用材料Si02材料，進一步起到光學緩沖層的作用，能夠減弱金屬對光的吸收損耗。
4.根據(jù)權利要求3所述的量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器，其特征在于，所述Si02絕緣 層的厚度是0. 3 liim。
5.根據(jù)權利要求1所述的量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器，其特征在于，所述正面電極 層采用Ti/Ag/Au電極層，其中，Ti層起粘附作用，厚度范圍為0. 01 0. 05 y m ；Ag層用于 增強對光場的限制，獲得高的模式品質因子，厚度取值范圍為0. 03 0. 4 y m ；Au層是電極 導電層，厚度范圍為0.4 liim。
6.根據(jù)權利要求1所述的量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器，其特征在于，該正多邊形微 腔激光器中正多邊形為正三角形、正方形或正六邊形。
7.一種量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器的制作方法，其特征在于，包括 選擇量子級聯(lián)外延片；在選擇的量子級聯(lián)外延片上沉積Si02掩模層； 刻蝕Si02掩模層，將圖案轉移到Si02掩模層上；對量子級聯(lián)外延片進行干法刻蝕、濕法腐蝕，然后去除殘余Si02掩模層，刻蝕要向下直 至刻蝕到量子級聯(lián)外延片襯底；在刻蝕后的量子級聯(lián)外延片上生長Si02絕緣層，并在正上方刻出電極窗口 ； 在生長Si02絕緣層的量子級聯(lián)外延片上沉積正面電極層；以及 減薄、拋光量子級聯(lián)外延片襯底背面，沉積背面電極。
8.根據(jù)權利要求7所述的量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器的制作方法，其特征在于，所 述量子級聯(lián)外延片自下而上依次由襯底、下限制層、有源區(qū)/注入?yún)^(qū)、上限制層和上包層構 成。
9.根據(jù)權利要求7所述的量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器的制作方法，其特征在于，所 述在量子級聯(lián)外延片上沉積Si02掩模層的步驟中，Si02掩模層的厚度是0. 6 i! m 1. 2 i! m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器，包括一量子級聯(lián)外延層的襯底；一下限制層，位于該襯底之上；一有源區(qū)/注入?yún)^(qū)，位于該下限制層之上；一上限制層，在該有源區(qū)/注入?yún)^(qū)之上；一上包層，包含歐姆接觸層；該下限制層、有源區(qū)/注入?yún)^(qū)、上限制層和上包層的側壁由絕緣層包裹，該絕緣層由正面電極層包裹。本發(fā)明同時公開了一種量子級聯(lián)正多邊形微腔激光器的制作方法。本發(fā)明用SiO2絕緣層和Ti/Ag/Au電極層包裹量子級聯(lián)正多邊形柱狀微腔激光器的刻蝕側壁，增強了對微腔內光場的限制，提高了微腔內模式的品質因子，而且激光器結構簡單，制作工藝方便。
文檔編號H01S5/00GK101867147SQ200910081990
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權日2009年4月15日
發(fā)明者李敬, 楊躍德, 黃永箴 申請人:中國科學院半導體研究所