专利名称：垂直发射量子级联激光器结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种垂直发射量子级联激光器结构。该结构的独特之处在于，将表面等离子波导引入二级光栅分布反馈垂直发射量子级联 激光器中，可以实现高的垂直耦合效率，同时简化了材料生长和光栅制备工艺。
背景技术：
波长为纩12 μ m的量子级联激光器在大气环境监测与红外对抗等领域中具有十 分广阔的应用前景。与常规的法布里-珀罗腔量子级联激光器所具有的多模工作和边发射 不同，垂直发射量子级联激光器同时具备单模工作和垂直发射的优点，在实际的应用中能 够实现二维集成和在线检测，因此正在得到广泛的关注和研究。当前的垂直发射量子级联激光器主要有二维光子晶体分布反馈垂直发射量子级 联激光器和二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器。其中，二维光子晶体分布反馈垂 直发射量子级联激光器要求其光子晶体图形具备很高的纵横比，同时要求其填充因子或者 吸收边能够精确设计和控制，但是制作满足这些要求的光子晶体图形，对于目前的光刻工 艺，却是一个很大的挑战。而相比之下，二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器其光栅 制备工艺相对简单，因此成为了国际上垂直发射量子级联激光器研究的一个热点，并在过 去的十年当中已经得到了深入的研究。尽管对二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器的深入研究已经取得了较多 的成果，包括室温脉冲激射和0. 4度的远场发散角，但是这些研究大部分都是基于传统的 介质波导结构。介质波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器虽然具有具有较低的 光学损耗，但是其很厚的波导层使得材料生长非常困难，同时其光栅要求刻蚀很深，这又使 得刻蚀工艺很复杂。所以设计一种能够简化材料生长和光栅制作工艺，同时又能提高垂直 耦合效率的二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器结构是一个亟待解决的问题，而本 专利就是为此而发明的。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种表面等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级 联激光器结构。该结构采用很薄的接触层代替了传统介质波导二级光栅分布反馈垂直发射 量子级联激光器中很厚的波导层，因此简化了材料生长；同时仅仅采用金属光栅就实现了 很强的耦合，并不需要刻蚀半导体层，这简化了刻蚀工艺。另外，表面等离子波导的采用使 得激光器光场和光栅的交叠增加，同时通过优化光栅中金属的占空比，最终获得了很强的 垂直耦合效率。本发明提供一种垂直发射量子级联激光器结构，包括—衬底，在该衬底上依次生长有波导层、有源层和接触层；金属光栅层，该金属光栅层位于接触层的上面，并且该金属光栅层具有二级布拉 格周期。
其中所述的衬底为InP衬底。其中所述的波导层的材料为InGaAs，该波导层为η型掺杂，掺杂浓度为6 X 1016cnT3，层厚为 0. 55 μ mo其中所述的有源层由40个周期的InGaAs/InAlAs组成，该有源层对应的波长为 8-12 μm0其中所述的接触层的材料为InGaAs，掺杂浓度为1 X IO1W3,层厚为0. 05 μ m。其中所述的金属光栅层的材料为银，该金属光栅层14的厚度为0.25 μ m，金属的 占空比为0. 55。其中所述的金属光栅层在接触层的上面分为4段结构。
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图及具体实施例对本发明做进 一步的说明，其中图1为本发明的实施例，其是等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激 光器的波导和二级光栅结构的截面示意图。图2为按图1所述的实施例中，等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联 激光器的耦合系数随着金属光栅占空比的变化关系图。图3为按图1所述的实施例中，不同腔长的等离子波导二级光栅分布反馈垂直发 射量子级联激光器的垂直耦合效率随着金属光栅占空比的变化关系图。图4为按图1所述的实施例中，不同腔长的等离子波导二级光栅分布反馈垂直发 射量子级联激光器的阈值增益随着金属光栅占空比的变化关系图。
具体实施例方式请参阅图所示，本发明提供一种垂直发射量子级联激光器结构，包括一衬底10，在该衬底10上依次生长有波导层11、有源层12和接触层13 ；所述的 衬底10为InP衬底；所述的波导层11的材料为InGaAs，该波导层11为η型掺杂，掺杂浓 度为6 X 1016cnT3，层厚为0. 55 μ m ；所述的有源层12由40个周期的InGaAs/InAlAs组成，该 有源层对应的波长为8-12 μ m ；所述的接触层13的材料为InGaAs，掺杂浓度为IX 1019cm_3， 层厚为0. 05ym；金属光栅层14，该金属光栅层14位于接触层13的上面，并且该金属光栅层 14具有二级布拉格周期；所述的金属光栅层14的材料为银，该金属光栅层14的厚度为 0. 25 μ m,金属的占空比为0. 55 ；所述的金属光栅层14在接触层13的上面分为4段结构。该结构的优点在于⑴有源层12上面的InGaAs接触层13厚度很薄，而传统的 介质波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器中，有源层上面的波导层很厚，一般 大约为3μπι，相比之下，本发明简化了材料生长。(2)等离子波导的采用使得仅仅在金属层 上刻蚀二级光栅就能够实现很强的耦合，而传统的介质波导二级光栅分布反馈垂直发射量 子级联激光器中，在金属层上刻蚀完二级光栅之后，仍然需要在下面的半导体层上刻蚀深 度大约为Ιμπι的光栅，相比之下，本发明也简化了刻蚀工艺。(3)将表面等离子波导引入二 级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器之后，通过优化金属光栅层14中金属的占空比为0. 55，本发明获得了 43%的垂直耦合效率，这与传统的介质波导二级光栅分布反馈垂直 发射量子级联激光器中20 %左右的垂直耦合效率相比，又是一个较大的改进。以下详细说明上述所提供的等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激 光器的波导结构和二级光栅结构的设计依据和设计方法。二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器利用二级光栅的对光的垂直衍射而 获得垂直发射，其光栅的耦合系数直接决定了器件的性能。而耦合系数的大小主要取决于 两个因素，即光栅底部和光栅顶部的模式有效折射率之差和光场与光栅的交叠程度。表面 等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器中，光栅底部所在的波导结构由于 采用空气作为覆盖层，其光场模式属于介质波导模；然而光栅顶部所在的波导结构由于采 用金属银作为覆盖层，其光场模式属于表面等离子模，这两种导波模式之间的模式折射率 之差是非常大的。另外，表面等离子波导的引入使得光场更靠近光栅一侧，从而导致了较大 的光场与光栅间的交叠。综上，表面等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光 器中，光栅底部和顶部所在的波导结构之间较大的模式有效折射率差，以及光栅和光场之 间较大的交叠，导致了很大的耦合系数，如图2所示。
根据无限腔长周期性结构的Floquet-Bloch理论和有限腔长结构的耦合模理论， 金属光栅层14中金属的占空比强烈影响表面等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子 级联激光器的垂直耦合效率和阈值增益。如图3所示，当占空比较小(占空比小于0. 3)时， 由于光栅层中金属比例较小，导致光场与光栅间的交叠较小，所以垂直耦合效率很小。当占 空比较大(占空比大于0. 7)时，虽然光栅层中较大的金属比例保证了较大的光场与光栅间 的交叠，但是此时光栅顶部与光栅底部所在波导结构的模式有效折射率差随着光栅周期性 变化所形成的微扰强度很小，两者相互抵消导致较小的垂直耦合效率。对于表面等离子波 导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联激光器的阈值增益，如图4所示，当占空比较小时， 阈值增益较大，这源于光栅层中金属比例较小，使得光场没有很好的被限制在有源区。另 夕卜，当占空比在0. 6附近时阈值增益的再次变大，这是因为在此处面耦合损耗较大的缘故。 综上，为了得到大的垂直耦合效率，同时保持相对较低的阈值增益，金属光栅层中金属的占 空比被优化为0. 55。在此占空比下，表面等离子波导二级光栅分布反馈垂直发射量子级联 激光器的垂直耦合效率和阈值增益分别为43%和12cm—1，而在传统的介质波导二级光栅分 布反馈垂直发射量子级联激光器中，相应的值分别为17. 5%和20cm—1，由此可以看出，本发 明具有很好的效果。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种垂直发射量子级联激光器结构，包括一衬底，在该衬底上依次生长有波导层、有源层和接触层；金属光栅层，该金属光栅层位于接触层的上面，并且该金属光栅层具有二级布拉格周期。
2.按权利要求1所述的垂直发射量子级联激光器结构，其中所述的衬底为InP衬底。
3.按权利要求1所述的垂直发射量子级联激光器结构，其中所述的波导层的材料为 InGaAs，该波导层为η型掺杂，掺杂浓度为6 X 1016cm_3，层厚为0. 55 μ m。
4.按权利要求1所述的垂直发射量子级联激光器结构，其中所述的有源层由40个周期 的InGaAs/InAlAs组成，该有源层对应的波长为8_12 μ m。
5.按权利要求1所述的垂直发射量子级联激光器结构，其中所述的接触层的材料为 InGaAs，掺杂浓度为 1 X 1019cm_3，层厚为 0. 05 μ m。
6.按权利要求1所述的垂直发射量子级联激光器结构，其中所述的金属光栅层的材料 为银，该金属光栅层14的厚度为0. 25 μ m，金属的占空比为0. 55。
7.按权利要求1所述的垂直发射量子级联激光器结构，其中所述的金属光栅层在接触 层的上面分为4段结构。
全文摘要
本发明提供一种垂直发射量子级联激光器结构，包括一衬底，在该衬底上依次生长有波导层、有源层和接触层；金属光栅层，该金属光栅层位于接触层的上面，并且该金属光栅层具有二级布拉格周期。
文档编号H01S5/183GK101847828SQ20101017151
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者刘俊岐, 刘峰奇, 张伟, 李路, 江宇超, 王利军, 王占国, 郭万红, 陆全勇 申请人:中国科学院半导体研究所