專利名稱：可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵的結(jié)構(gòu)及所述光柵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)和光柵的結(jié)構(gòu)以及光柵的制備方法，屬于半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器可提供中遠(yuǎn)紅外波段的可調(diào)諧單模激光，可以作為半導(dǎo)體吸收光譜的光源高靈敏度地檢測(cè)各種痕量氣體，如CO2、CH4、HCl、NO2、N2O等，因此在空氣質(zhì)量檢測(cè)、醫(yī)療診斷、工業(yè)控制等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。
為了應(yīng)用的方便性和提高氣體檢測(cè)的靈敏度，分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器被要求工作在室溫連續(xù)的模式下。然而迄今為止，只有極個(gè)別波長(zhǎng)的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器(DFB QCL)實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)工作，然而所述的這些DFBQCL均利用了掩埋光柵和二次外延技術(shù)[T.Aellen，S.Blaser，M.Beck，D.Hofstetter，and J.Faist，“Continuous-wave distributed-feedbackquantum-cascade lasers on a Peltier cooler”，Appl.Phys.Lett..83(10)，1929-1931，2003]，這些復(fù)雜技術(shù)的利用使得激光器的研制過程變得非常復(fù)雜，也不利于提高器件的可靠性和量化生產(chǎn)。而對(duì)于那些將光柵做在激光器外延材料頂部而無需二次外延的DFB QCL，目前還無法實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作。只能實(shí)現(xiàn)室溫下的脈沖工作，而且閾值電流密度較高(約5KA/cm2)[C.Gmachl，J.Faist，J.N.Baillargeon，F(xiàn).Capasso，C.Sirtori，D.L.Sivco，S.N.G.Chu，andA.Y.Cho，“Complex-coupled quantum cascade distributed-feedback laser”，IEEEPhotonics Technology Letters，9(8)，1997]。然而，將光柵做在激光器外延材料頂部(頂光柵結(jié)構(gòu))的器件工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于提高生產(chǎn)的可靠性和可重復(fù)性，以及量化生產(chǎn)。因此，現(xiàn)實(shí)需求和現(xiàn)狀迫切要求提供一種制備低閾值電流密度DFB QCL的頂光柵結(jié)構(gòu)及其制作方法。其關(guān)鍵在于如何獲得低閾值電流密度的室溫脈沖工作的DFB QCL，這是通向室溫連續(xù)工作DFB QCL的關(guān)鍵的一步。
對(duì)于頂光柵DFB QCL而言，提高性能的關(guān)鍵在于在獲得足夠光反饋效應(yīng)的同時(shí)有效抑制激光器的波導(dǎo)損耗。此前，為了獲得盡可能大的分布反饋耦合系數(shù)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的等離子增強(qiáng)限制層通常很薄，在光柵腐蝕過程中在光柵的溝槽處將這一層限制層完全腐蝕去。這將導(dǎo)致光柵溝槽處金屬電極與低摻雜半導(dǎo)體層接觸，形成的高損耗金屬-半導(dǎo)體界面等離激元的折射率與激光器模式的有效折射率非常接近，從而使激光模與等離激元耦合強(qiáng)烈，大大增加了激光器的波導(dǎo)損耗，最終導(dǎo)致激光器的閾值電流密度急劇上升。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)頂光柵DFB QCL激光器目前存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種可調(diào)諧的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)和光柵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及光柵的制備方法，同時(shí)獲得低的波導(dǎo)損耗和適當(dāng)?shù)鸟詈舷禂?shù)，實(shí)現(xiàn)了低閾值電流密度、高邊模抑制比的中紅外波段可調(diào)諧DFB QCL激光器。
具體地說本發(fā)明提供了一種低閾值電流密度、高邊模抑制比的中紅外波段可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵結(jié)構(gòu)以及光柵的制備方法，包括(1)用于制備中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)和光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(2)制備中紅外波段可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的光柵腐蝕方法。
1、低閾值電流密度、高邊模抑制比的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)本發(fā)明提供的可調(diào)諧的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵結(jié)構(gòu)為在n型InP襯底上依次為InGaAs下波導(dǎo)層(n，5×1016cm-3，0.4～0.7μm)、InGaAs/AlInAs有源區(qū)、InGaAs上波導(dǎo)層(n，5×1016cm-3，0.4～0.7μm)、中等摻雜InP限制層(n，1-3×1017cm-3，1.4～1.6μm)、重?fù)诫sInP限制層(n，5×1018cm-3，0.7～1.0μm)和InGaAs帽層(n，2×1019cm-3，～0.1μm)。括號(hào)內(nèi)分別為摻雜類型、摻雜濃度和層厚。n型重?fù)诫sInP限制層和InGaAs帽層為光柵的腐蝕層，控制重?fù)诫sInP層的厚度以及光柵腐蝕的深度，使得一級(jí)光柵的深度≥0.5μm，光柵溝槽下方未被腐蝕的InP重?fù)诫s層為約0.1μm。摻雜濃度以及各層厚度應(yīng)視激光器具體波長(zhǎng)，結(jié)合波導(dǎo)理論的數(shù)值計(jì)算而定。
該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是(1)在光柵頂部和溝槽處均構(gòu)成重?fù)诫s半導(dǎo)體與金屬的界面，從而加大“金屬-半導(dǎo)體”界面等離激元與激光模式的折射率之差，減弱這兩種模式的耦合強(qiáng)度，達(dá)到減小激光器波導(dǎo)損耗的目的。(2)通過加大光柵深度和適當(dāng)調(diào)節(jié)光柵溝槽下方重?fù)诫sInP層的厚度獲得合適的耦合系數(shù)。結(jié)合上述兩個(gè)特點(diǎn)，本發(fā)明的波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)可同時(shí)獲得低的波導(dǎo)損耗和適當(dāng)?shù)鸟詈舷禂?shù)，從而得到閾值電流密度低、邊模抑制比高的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器。
以下詳細(xì)介紹說明上述所提供的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)激光器的波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的依據(jù)和設(shè)計(jì)的方法。
中紅外波長(zhǎng)的光在金屬與半導(dǎo)體的界面會(huì)形成高損耗的等離激元，等離激元的折射率nM-S是由激光波長(zhǎng)λ0以及界面兩側(cè)的金屬與半導(dǎo)體在該波長(zhǎng)下的折射率決定。由于中紅外波段等離激元與激光模式存在耦合，導(dǎo)致蒸鍍金屬電極前后激光器的有效折射率和波導(dǎo)損耗發(fā)生變化。將蒸鍍金屬電極前后激光器的有效折射率和波導(dǎo)損耗分別設(shè)為neff0和α0以及neff和α。等離激元與激光模式之間耦合作用的強(qiáng)弱主要取決于兩個(gè)因素，即等離激元與激光模式在空間上的距離L和兩種模式的折射率差Δn(Δn＝nM-S-neff0)。當(dāng)L和Δn減小，兩種模式的耦合增強(qiáng)，導(dǎo)致含金屬電極的激光模式有效折射率變小而波導(dǎo)損耗變大。反之，當(dāng)L和Δn變大時(shí)兩種模式的耦合減弱，激光器有效折射率和波導(dǎo)損耗的變化幅度也隨之變小。
在頂光柵DFB QCL中光柵的溝槽和頂部被金屬電極覆蓋，形成等離激元。因?yàn)檫@兩處的等離激元與激光器有源區(qū)距離不同，造成等離激元與激光模式在空間上的距離L不同。此外，如果光柵溝槽和頂部的半導(dǎo)體材料的折射率不同，還會(huì)導(dǎo)致溝槽和頂部等離激元的折射率nM-S不同，造成等離激元與激光模式的折射率差Δn不同。由此可見，由于引入“金屬/半導(dǎo)體”頂光柵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在光柵的溝槽和頂部等離激元與激光模式耦合的強(qiáng)弱不同，從而導(dǎo)致激光器沿光柵溝槽和頂部的有效折射率和波導(dǎo)損耗不同。頂光柵結(jié)構(gòu)的DFB QCL正是通過調(diào)制等離激元與激光模式之間耦合的強(qiáng)弱，周期性地改變激光器的有效折射率和波導(dǎo)損耗，從而獲得光反饋效應(yīng)實(shí)現(xiàn)模式選擇。
如將沿光柵溝槽的有效折射率和波導(dǎo)損耗分別表示為neffG和αG，而沿光柵頂部的有效折射率和波導(dǎo)損耗分別表示為neffP和αP。分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的耦合系數(shù)κ和平均波導(dǎo)損耗α與上述四個(gè)參數(shù)密切相關(guān)κ=π·|neffG-neffP|2λ0+i·|αG-αP|4---(1)]]>α‾=αG+αP2---(2)]]>實(shí)驗(yàn)中，DFB QCL的單模特性，如邊模抑制比，與耦合系數(shù)密切相關(guān)。為取得高的邊模抑制比，需滿足|κ|·Lcav≈1，其中Lcav為激光器腔長(zhǎng)，約為2-4mm。因此耦合系數(shù)的最佳范圍應(yīng)在4-6cm-1之間。而激光器的閾值電流密度與平均波導(dǎo)損耗α成線性比例，因此降低α是降低激光器閾值電流密度的關(guān)鍵因素。綜上所述，為同時(shí)獲得高的邊模抑制比和低的閾值電流密度，其關(guān)鍵在于同時(shí)降低αG和αP，并在此基礎(chǔ)上使得|neffG-neffP|和|αG-αP|在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的上限制區(qū)域中形成一個(gè)深的由重?fù)诫sn型半導(dǎo)體和金屬構(gòu)成的一級(jí)光柵和一個(gè)處在光柵下方的薄的重?fù)诫sn型半導(dǎo)體層。這種結(jié)構(gòu)使得光柵溝槽和頂部均形成n+半導(dǎo)體和金屬的界面。這樣的界面將顯著降低界面處等離激元的折射率nM-S，從而加大了等離激元折射率nM-S與激光模式折射率的差Δn，減弱了等離激元和激光模式之間的耦合。通過這種方法可以獲得較小的αG和αP，從而降低激光器的平均波導(dǎo)損耗α。
在光柵溝槽處形成重?fù)诫s半導(dǎo)體和金屬的界面有利于降低等離激元和激光模式的耦合，從而導(dǎo)致波導(dǎo)損耗降低，但同時(shí)也減小了激光器的耦合系數(shù)。為獲得合適的耦合系數(shù)，可以通過加大光柵深度并控制光柵溝槽下方重?fù)诫s半導(dǎo)體層的厚度來實(shí)現(xiàn)。加大光柵深度使得光柵的頂部遠(yuǎn)離有源區(qū)，亦即，使光柵頂部的等離激元與激光器模式在空間上的距離L拉大，以進(jìn)一步減小兩種模式的耦合。也就是說，沿光柵定頂部激光器的有效折射率和波導(dǎo)損耗在蒸鍍金屬電極前后的變化非常小，(neffP-neff0)≈0，(αP-α0)≈0。此時(shí)決定耦合系數(shù)大小的主要因素是光柵溝槽處等離激元與激光器模式的耦合對(duì)有效折射率和波導(dǎo)損耗的改變量(neffG-neff0)和(αG-α0)。通過調(diào)節(jié)光柵溝槽下方重?fù)诫s半導(dǎo)體層的厚度，即調(diào)節(jié)溝槽處等離激元與激光器模式在空間上的距離L，可以改變兩種模式的耦合強(qiáng)弱，從而改變激光器沿光柵溝槽的有效折射率和波導(dǎo)損耗在蒸鍍金屬前后的改變量(neffG-neff0)和(αG-α0)，最終控制激光器的耦合系數(shù)。
對(duì)于中紅外波段的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器，研究表明，要同時(shí)獲得較小的平均波導(dǎo)損耗和所需的耦合系數(shù)。光柵溝槽下方的重?fù)诫s層厚度應(yīng)～0.1μm，而光柵的深度應(yīng)≥0.5μm。具體數(shù)值，可根據(jù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光傳播麥克斯韋方程組結(jié)合數(shù)值計(jì)算得到最優(yōu)值。
2、光柵腐蝕制備方法中紅外波段的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的光柵周期較小≤1.5μm，而在我們?cè)O(shè)計(jì)的光柵結(jié)構(gòu)中，光柵深度較大≥500nm。如使用常規(guī)的腐蝕方法，由于其明顯的側(cè)向腐蝕效果無法腐蝕這么深的光柵。本發(fā)明中光柵腐蝕制備的步驟為(1)以重?fù)诫s的InP/InGaAs結(jié)構(gòu)作為光柵腐蝕的犧牲層。InGaAs同時(shí)為蓋帽層，其厚度為100nm，InP層的厚度等于腐蝕深度與光柵溝槽下方的InP層厚度之和。
(2)在材料表面涂覆稀釋的S6809光刻膠，膠厚約0.12μm。用全息曝光的方法在光刻膠上形成光柵。選擇光柵的方向沿InP的
晶向。
(3)利用光刻圖形作為掩模，選擇檸檬酸∶H2O2＝2∶1的腐蝕液在室溫下將沒有光刻膠覆蓋的厚度約為100nm的InGaAs完全腐蝕(腐蝕速度0.5μm/min)。因?yàn)檫@種腐蝕液對(duì)InP幾乎沒有腐蝕作用，InP不受影響。由于InGaAs層較薄，腐蝕時(shí)間很短，因此這一過程中的側(cè)向腐蝕過程可以忽略。
(4)去除光刻膠后，光柵形貌已被轉(zhuǎn)移到InGaAs層。
(5)利用InGaAs層上的光柵作為掩模來制備InP層上的光柵。采用HCl∶H3PO4＝3∶1腐蝕液腐蝕InP(腐蝕速度約1.0μm/min)，這種腐蝕液不腐蝕InGaAs。因?yàn)樵谶@種腐蝕液中InP的(011)和(011)晶面是腐蝕停止面，而光柵沿
晶向，因此側(cè)向腐蝕可以忽略。
(6)利用原子力顯微鏡精確測(cè)量光柵的腐蝕深度，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后即停止腐蝕。這種腐蝕方法可以得到腐蝕深度大范圍精確可調(diào)的InGaAs/InP光柵，從而實(shí)現(xiàn)激光器波導(dǎo)和光柵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
綜上所述，本發(fā)明提出了一個(gè)旨在獲得低閾值電流密度、高邊模抑制比的波導(dǎo)和光柵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并發(fā)明了制備所設(shè)計(jì)的深光柵的腐蝕技術(shù)。本發(fā)明的效果是十分明顯的(1)采用了深的一級(jí)反饋光柵和光柵溝槽下方薄的重?fù)诫s半導(dǎo)體層構(gòu)成激光器的波導(dǎo)限制層。調(diào)節(jié)一級(jí)光柵的深度和重?fù)诫s半導(dǎo)體層的厚度，以獲得適當(dāng)?shù)姆植挤答侎詈舷禂?shù)并有效降低波導(dǎo)損耗。
(2)采用重?fù)诫s的InGaAs和InP作為光柵的腐蝕犧牲層，利用兩種材料的選擇腐蝕以及各向異性腐蝕，制備出深度大范圍精確可調(diào)的一級(jí)光柵，達(dá)到波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。
(3)用本發(fā)明所述的制備方法已獲得了高性能可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器。激光器在很大的溫度范圍內(nèi)均為單模激射，且邊模抑制比高達(dá)～30dB，波長(zhǎng)可隨溫度調(diào)諧。激光器在室溫下的閾值電流密度約為1-2kA/cm2，是相應(yīng)波長(zhǎng)相似測(cè)試條件下國(guó)際上報(bào)導(dǎo)的最低值之一。所有這些結(jié)果顯示，利用我們發(fā)明的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低閾值電流密度、高邊模抑制比的中紅外可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器，并有望使這種頂光柵結(jié)構(gòu)的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作。


圖1，實(shí)施例1所述的8.4μm可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2，a和b分別為實(shí)施例1的激光器耦合系數(shù)、平均波導(dǎo)損耗與光柵深度以及光柵溝槽下方重?fù)诫s半導(dǎo)體層厚度的關(guān)系。
圖3，實(shí)施例1所述的8.4μm InGaAs/AlInAs/InP分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器光柵結(jié)構(gòu)的SEM圖。
圖4，實(shí)施例1所述的8.4μm InGaAs/AlInAs/InP分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器在200K時(shí)的激光光譜，插圖為激光器激射波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系。
圖5，實(shí)施例1所述的8.4μm InGaAs/AlInAs/InP分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器在不同溫度下的激光功率與電流的關(guān)系曲線。
圖6，實(shí)施例2中7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
圖7，實(shí)施例2中7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器SEM圖。
圖8，實(shí)施例2中7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器在不同溫度下的激光光譜，插圖為激光波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系。
圖9，實(shí)施例2中7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器在不同溫度的激光功率與電流的關(guān)系曲線，以及300K時(shí)激光器電流電壓關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1 8.4μm InGaAs/AlInAs/InP分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器圖1為波長(zhǎng)8.4μm的InGaAs/AlInAs/InP可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)的示意圖。其中有源層區(qū)包括60個(gè)周期的“有源層+注入?yún)^(qū)”結(jié)構(gòu)，厚度為3.59μm。有源區(qū)上下分別為厚度0.4μm，n型摻雜濃度為5×1016cm-3的InGaAs波導(dǎo)層。上波導(dǎo)層上方依次為n型中等摻雜限制層InP(1-3×1017cm-3，厚度1.6μm)，n型重?fù)诫sInP限制層(5×1018cm-3，厚度1.0μm)，和n型重?fù)诫sInGaAs蓋帽層(2×1019cm-3，厚度0.1μm)。襯底為中等摻雜n型InP(2×1017cm-3)。
利用本發(fā)明說明書中發(fā)明內(nèi)容所述的方法，分析了光柵深度dgrating和光柵溝槽下方重?fù)诫s的InP層的厚度tInP對(duì)激光器耦合系數(shù)和平均波導(dǎo)損耗的影響，結(jié)果示于圖2(a)和(b)中?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比于光柵溝槽下無重?fù)诫s半導(dǎo)體層的情況(tInP＝0)，在溝槽下方有重?fù)诫sInP層時(shí)(tInP＞0)激光器的平均波導(dǎo)損耗明顯降低，但耦合系數(shù)隨之降低；而增大光柵的深度則能同時(shí)降低平均波導(dǎo)損耗以及提高耦合系數(shù)。這與我們?cè)诎l(fā)明說明書中的闡述是一致的。因此，適當(dāng)控制tInP的值并提高光柵的深度有利于獲得低的平均波導(dǎo)損耗并將耦合系數(shù)控制在所需的范圍內(nèi)。從圖2(a)和(b)中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)tInP＞200nm后，平均波導(dǎo)降低的幅度變得很小，而此時(shí)激光器的耦合系數(shù)變得很小，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的理想值(4-6cm-1)。因此在該激光器中，我們將tInP控制在0.1μm左右，而使得光柵深度dgrating控制在1.0μm。此時(shí)激光器的耦合系數(shù)和平均波導(dǎo)損耗分別為5.8cm-1和17.5cm-1。為此，在我們所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中InGaAs帽層和InP重?fù)诫s層的厚度分別為0.1μm和1.0μm，光柵腐蝕深度設(shè)計(jì)為約1.0μm，使得在光柵溝槽下方的重?fù)诫sInP層厚約0.1μm。
本實(shí)施例所述的光柵的具體制作方法是在光柵的腐蝕制備中，首先涂覆經(jīng)稀釋的S6809光刻膠(膠厚約0.12μm)。用全息光刻的方法在光刻膠上形成光柵，光柵沿InP的
晶向。在室溫下用檸檬酸∶H2O2＝2∶1腐蝕液腐蝕InGaAs帽層，腐蝕時(shí)間約15秒，腐蝕深度0.1μm(腐蝕速度為約0.5μm/min)。用丙酮去除光刻膠后，以InGaAs為掩模在HCl∶H3PO4＝3∶1腐蝕液中腐蝕InP(腐蝕速度約1.0μm/min)。腐蝕分幾次完成，腐蝕深度由原子力顯微鏡監(jiān)控，到達(dá)設(shè)計(jì)的腐蝕深度(總的腐蝕深度為1.0μm)后即停止腐蝕。
圖3為用發(fā)明書所敘述的光柵制備方法得到的實(shí)際激光器的光柵結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)，光柵的實(shí)際腐蝕深度為約0.98μm，與設(shè)計(jì)值非常接近，這也證明了我們所發(fā)明的方法確實(shí)可以制備很深的光柵結(jié)構(gòu)并精確控制其深度。
對(duì)制備的8.4μm InGaAs/AlInAs/InP可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器，我們測(cè)試了激光器的光譜特性和光功率與電流的關(guān)系，分別示于圖4和圖5中。圖4顯示了激光器在200K時(shí)的激光光譜，可以發(fā)現(xiàn)激光器實(shí)現(xiàn)了單模激射并且具有很高的邊模抑制比(～30dB)，如此高的邊模抑制比證明了我們研制的激光器得到了合適的耦合系數(shù)，即符合|κ|·Lcav≈1的條件。圖4的插圖顯示了不同溫度下激光器單模波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)隨著熱沉溫度的變化，激光器實(shí)現(xiàn)了單模的調(diào)諧。
圖5顯示了激光器在不同熱沉溫度下的光功率和溫度之間的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)，在室溫(300K)下激光器的閾值電流密度僅為1.78kA/cm2，這是國(guó)際上該波長(zhǎng)下分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器所獲得的最低的閾值電流密度之一。這充分說明了，我們?cè)O(shè)計(jì)的波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)以及發(fā)明的光柵制備方法的確有利于獲得低的平均波導(dǎo)損耗。
實(shí)施例2 7.7μm InGaAs/AlInAs/InP分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器圖6為激光波長(zhǎng)為7.7μm的InGaAs/InP可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其中有源層區(qū)包括60個(gè)周期的“有源層+注入?yún)^(qū)”結(jié)構(gòu)，厚度為2.66μm。有源區(qū)上下分別為厚度0.7μm，n型摻雜濃度為5×1016cm-3的InGaAs波導(dǎo)層。上波導(dǎo)層上方依次為n型中等摻雜限制層InP(1-3×1017cm-3，厚度1.6μm)，n型重?fù)诫sInP限制層(5×1018cm-3，厚度0.7μm)，和n型重?fù)诫sInGaAs蓋帽層(2×1019cm-3，厚度0.1μm)。襯底為中等摻雜n型InP(2×1017cm-3)。
根據(jù)同樣的設(shè)計(jì)原理并結(jié)合數(shù)值計(jì)算，我們?cè)O(shè)計(jì)的InGaAs重?fù)诫s帽層厚度為0.1μm，重?fù)诫s的InP層厚度為0.7μm，光柵腐蝕深度為0.7μm，光柵溝槽下方的重?fù)诫sInP厚度為0.1μm。計(jì)算得到的耦合系數(shù)|κ|～|4.1+3.8i|＝5.2cm-1，這意味著所設(shè)計(jì)的DFB QCL是一個(gè)復(fù)耦合導(dǎo)引的分布反饋激光器。實(shí)驗(yàn)中，光柵形貌的不理想性會(huì)導(dǎo)致耦合系數(shù)|κ|略小于理論計(jì)算值。因此我們將激光器的腔長(zhǎng)解理為約3.0mm，從而使耦合系數(shù)與腔長(zhǎng)的乘積約為|κ|·Lcav≈1，有利于產(chǎn)生高的邊模抑制比和小的閾值電流密度。計(jì)算得到的激光器平均波導(dǎo)損耗約為12.4cm-1，這樣低的波導(dǎo)損耗有利于得到低閾值電流密度的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器。由于半導(dǎo)體中自由載流子的吸收隨波長(zhǎng)的減小而減弱，因此相對(duì)于實(shí)例1中波長(zhǎng)為8.4μm的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器，實(shí)例2中激光器波長(zhǎng)減小，對(duì)應(yīng)的平均波導(dǎo)損耗也有所下降。
用發(fā)明內(nèi)容中所述的光柵腐蝕制備方法制備光柵。圖7是利用本發(fā)明提供的光柵腐蝕技術(shù)制備得到的激光器光柵結(jié)構(gòu)。由圖可知，光柵形貌規(guī)則深度一致。其深度為700nm，包括100nm的InGaAs帽層和約600nm的重?fù)诫sInP等離子增強(qiáng)限制層。InP等離子增強(qiáng)限制層的總厚度為700nm，即在光柵的下方還有100nm的InP等離子增強(qiáng)限制層。由圖可知，實(shí)際的波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)很好的一致。
圖8是所得到的激光器在不同溫度下的激光光譜。由圖可知，該激光器在155K至320K的溫度范圍內(nèi)均能工作在脈沖模式下，實(shí)現(xiàn)單模輸出，且邊模抑制比約為30dB。由插圖可知，激光器的單模輸出波長(zhǎng)隨溫度呈線性變化，波長(zhǎng)隨溫度的調(diào)諧系數(shù)約為Δλ/ΔT＝0.54nm/K，可實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定的單模調(diào)諧范圍約為90nm。值得注意的是，高的邊模抑制比意味著我們利用深的一級(jí)光柵確實(shí)得到了足夠的分布反饋效果。
圖9則顯示脈沖模式下激光器在不同溫度下的電流-功率關(guān)系和300K下的電流-電壓關(guān)系。值得注意的是，室溫(300K)下激光器的閾值電流密度僅970A/cm2，是目前分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器在相似測(cè)試條件下所報(bào)導(dǎo)的最低值。這充分說明我們所設(shè)計(jì)的激光器波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)，在獲得足夠光柵耦合系數(shù)的同時(shí)有效地降低了激光器的波導(dǎo)損耗，從而極大地降低了激光器的閾值電流密度。此外，我們還可以看到，激光器在300K時(shí)的最大峰值功率達(dá)到74mW，這一值在低溫(160K)時(shí)上升到230mW。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵結(jié)構(gòu)為在n型InP襯底上依次為InGaAs下波導(dǎo)層、InGaAs/AlInAs有源區(qū)、InGaAs上波導(dǎo)層中等摻雜InP限制層、重?fù)诫sn型重?fù)诫sInP限制層和InGaAs帽層；n型重?fù)诫sInP限制層和InGaAs帽層為光柵的腐蝕層，控制重?fù)诫sInP層的厚度以及光柵腐蝕的深度，使得一級(jí)光柵的深度≥0.5μm，光柵溝槽下方未被腐蝕的InP重?fù)诫s層為0.1μm，摻雜濃度以及各層厚度應(yīng)視激光器具體波長(zhǎng)，結(jié)合波導(dǎo)理論的數(shù)值計(jì)算而定。
2.按權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵的結(jié)構(gòu)，其特征在于①所述的InGaAs下波導(dǎo)層為n型摻雜，摻雜濃度為5×1016cm-3，層厚0.4-0.7μm；②所述的InGaAs上波導(dǎo)層為n型摻雜，摻雜濃度為5×1016cm-3，層厚0.4-0.7μm；③所述的中等摻雜InP限制層為n型摻雜，摻雜濃度為1-3×1017cm-3，層厚1.4-1.6μm；④所述的n型重?fù)诫sInP限制層的摻雜濃度為5×1018cm-3，厚度0.7-1.0μm；⑤所述的重?fù)诫sInGaAs帽層的摻雜濃度為2×1019cm-3，厚度為0.1μm。
3.按權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器為單模激射，邊模抑制比為30dB，波長(zhǎng)可隨溫度調(diào)諧。
4.按權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)激光器的耦合系數(shù)κ與激光器腔長(zhǎng)Lcav滿足|κ|·Lcav≈1的關(guān)系。
5.按權(quán)利要求4所述的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述激光器腔長(zhǎng)為2-4mm，則耦合系數(shù)為4-6cm-1。
6.按權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵的結(jié)構(gòu)，其特征在于，波長(zhǎng)8.4μm的InGaAs/AlInAs/InP可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)中有源層區(qū)為60個(gè)周期的“有源層+注入?yún)^(qū)”結(jié)構(gòu)，厚度為3.59μm；有源區(qū)上、下分別為厚度0.4μm，n型摻雜濃度為5×1016cm-3的InGaAs波導(dǎo)層，上波導(dǎo)層上方依次為n型摻雜濃度為1-3×1017cm-3中等摻雜限制層InP，厚度1.6μm，n型摻雜濃度為5×1018cm-3重?fù)诫sInP限制層，厚度1.0μm，和n型摻雜濃度為2×1019cm-3重?fù)诫sInGaAs蓋帽層，厚度0.1μm，襯底為摻雜濃度為2×1017cm-3中等摻雜n型InP；光柵腐蝕深度為1.0μm，光柵溝槽下方的中摻雜InP層厚度為0.1μm。
7.按權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵的結(jié)構(gòu)，其特征在于激光波長(zhǎng)為7.7μm的InGaAs/InP可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其中有源層區(qū)為60個(gè)周期的“有源層+注入?yún)^(qū)”結(jié)構(gòu)，厚度為2.66μm；有源區(qū)上、下分別為厚度0.7μm，n型摻雜濃度為5×1016cm-3的InGaAs波導(dǎo)層；上波導(dǎo)層上方依次為n型摻雜濃度為1-3×1017cm-3中等摻雜限制層InP，厚度1.6μm，n型摻雜濃度為重?fù)诫sInP限制層(5×1018cm-3，厚度0.7μm，和n型摻雜濃度為2×1019cm-3重?fù)诫sInGaAs蓋帽層，厚度0.1μm；襯底為摻雜濃度為2×1017cm-3中等摻雜n型InP；一級(jí)光柵的深度為700nm。
8.按權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)與光柵的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的光柵形貌規(guī)則，深度一致，所述的700nm深度為100nm的InGaAs帽層和600nm的重?fù)诫sInP等離子增強(qiáng)層。
9.制作如權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧分布反饋激光器光柵的方法，其特征在于(1)以重?fù)诫s的InP/InGaAs結(jié)構(gòu)作為光柵腐蝕的犧牲層，InGaAs同時(shí)為蓋帽層，其厚度為100nm，InP層的厚度等于腐蝕深度與光柵溝槽下方的InP層厚度之和；(2)在材料表面涂覆稀釋的S6809光刻膠，用全息曝光的方法在光刻膠上形成光柵，光柵的方向?yàn)檠豂nP的
晶向；(3)利用光刻圖形作為掩模，選擇檸檬酸∶H2O2＝2∶1的腐蝕液在室溫下將沒有光刻膠覆蓋的厚度為100nm的InGaAs完全腐蝕；(4)去除光刻膠后，光柵形貌已被轉(zhuǎn)移到InGaAs層；(5)利用InGaAs層上的光柵作為掩模來制備InP層上的光柵。采用HCl∶H3PO4＝3∶1腐蝕液腐蝕InP；(6)利用原子力顯微鏡精確測(cè)量光柵的腐蝕深度，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后即停止腐蝕，這種腐蝕方法可以得到腐蝕深度大范圍精確可調(diào)的InGaAs/InP光柵，從而實(shí)現(xiàn)激光器波導(dǎo)和光柵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
10.按權(quán)利要求9所述的可調(diào)諧分布反饋激光器光柵的制作方法，其特征在于步驟(3)中InGaAs的腐蝕速率為0.5μm/min；步驟(5)中InP的腐蝕速率為1.0μm/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旨在獲得低閾值電流密度、高邊模抑制比的可調(diào)諧分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器的波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)，并發(fā)明了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求的激光器一級(jí)光柵的制備方法。所述的激光器波導(dǎo)與光柵結(jié)構(gòu)是一種利用一個(gè)深的一級(jí)光柵和一個(gè)在光柵下方的薄的重?fù)诫s半導(dǎo)體層構(gòu)成波導(dǎo)中的限制結(jié)構(gòu)。所述的光柵腐蝕技術(shù)是利用InGaAs/InP結(jié)構(gòu)作為光柵的腐蝕犧牲層，選擇不同的腐蝕液配比，獲得深度大范圍可調(diào)，精度可控的光柵結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01S5/20GK1945910SQ20061003099
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月8日
發(fā)明者徐剛毅, 李耀耀, 李愛珍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所