InP基短波长（3-5um）量子级联激光器的研究

论文摘要

激射波长为3-5um（大气窗口）的激光光源,一直是科研、民用和国防等领域的研究热点。其中4.6um光源是用来干扰热导导弹（heat seeking missiles）的重要波段,研究此波段的激光光源对开展红外对抗技术具有重要的意义。量子级联半导体激光器（Quantum Cascade Laser,QCL）因其体积小、重量轻、高功率,激射波长与有源区层厚直接相关等优点,成为了美国等军事大国研究的热点。研究人员通过对导带内载流子跃迁物理过程的深刻理解（能带工程band structure engineering）,对有源区和注入区的特殊设计,以及生长和封装工艺的不断优化,已经实现了在4.6um波段室温连续输出的功率超过3W,从而使量子级联半导体激光器成为该波段不可替代的优秀光源。InP基的应变补偿结构是目前量子级联半导体激光器该波段最为成熟生长材料,本论文是基于该种结构,主要完成了有源区设计的理论分析和工艺研究。本文首先介绍了3-5um量子级联半导体激光器发展现状,以及InP基高功率短波长器件的高端设计方案。接着详细的研究了InP基短波长（3-5um）量子级联激光器的制造工艺,介绍了在100级超净间中所实现的该波长的量子级联激光器的制造工艺的详细流程,其主要工艺手段包括介质薄膜沉积（PECVD）,干法刻蚀（ RIE,ICP ） ,金属薄膜的蒸发（ E-beam Evaporation ）和光刻（photolithography）,FTIR测试方案等。在所有的工艺步骤中,最重要的就是研究实现10um深沟道的干法刻蚀。所选用的仪器是inductively coupled plasma（ICP）,选用的气体混合物是Cl2/Ar/H2,基于详细实验分析后实现了室温下10um深,垂直侧壁,表面粗糙度为1.283nm的干法刻蚀。最快的刻蚀速率为3um/min,我们选择金属镍为固体掩膜材料,得到了选择腐蚀比为185:1的结果,为至今报道的最好的结果。所探讨的刻蚀方案适合多种半导体材料的在相同深度范围内的刻蚀。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 InP基短波长3-5um量子级联激光器的研究背景
• 1.2 InP基短波长3-5um量子级联激光器的研究意义
• 第2章 InP基短波长3-5um量子级联激光器的基本结构与分析
• 2.1 基本结构和分析方法
• 2.2 器件相关参数
• 第3章 InP基短波长3-5um量子级联激光器的先进设计
• 3.1 实际电流路径
• 3.2 三阱垂直跃迁
• 3.3 双光学声子跃迁
• 3.4 非共振抽取式（nonresonant extraction）
• 3.5 超强耦合（strong coupling）
• 第4章 InP基短波长（3-5um）量子级联激光器的工艺
• 4.1 掩膜版的形成（hard mask）
• 4.2 Inductively coupled plasma（ICP）干法刻蚀
• 4.3 顶端窗口（top window）
• 4.4 电极
• 4.5 测试
• 第5章 室温下InP材料用C12\Ar\H2干法刻蚀（ICP）的研究
• 5.1 刻蚀速率和氯气体积比之间的关系
• 5.2 刻蚀速率和氩气体积比之间的关系
• 5.3 刻蚀速率和DC Bias分别和RF Power之间的关系
• 5.4 刻蚀速率和ICP Power之间的关系
• 5.5 最好刻蚀结果（SEM，AFM）
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢