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封面故事 | Cover Story - 激光器

骤的数目 ：大部分结构，包括波导和光栅，都是
在单一的一个步骤中形成的。额外的优点是更高
的良率和更大的光栅耦合系数，这些是我们特别
重视的用于生产原子冷却量子传感系统（如原子
钟）光源的优势。
我们的激光器制造首先从采用市售的
MOCVD 生长 GaN 激光级晶圆材料开始，这些
材料包含采用 GaN 势垒层的 InGaN 量子阱有源
区，并使用格拉斯哥大学的电子束光刻工具来
定义光栅和脊形图案。在感应耦合等离子体刻
蚀形成光栅和脊形之前，反应离子刻蚀将图案
转移到 100nm 厚的硬掩模中。所得到的结构具
有几乎垂直和平滑的刻蚀轮廓，从而确保了最
佳的光栅性能。
完成我们的器件包括在盖帽层添加电极接
触，在将晶片翻转之前要进行机械减薄和抛光，
之后会在其上覆盖导电金属层。最后，器件解理
成不同的腔长，其前面和后面都没有镀膜。
图1. 测试中的分布反馈 机构 Innovate UK 和工程与物理科学研究委员会 制造一阶侧壁光栅很有挑战性，因为它需
激光器。（图片来源：
S. Stanczyk, TopGaN公 共同撰写），全球量子技术的市场价值约 10 亿美 要很高的深宽比和小至约 40nm 的特征尺寸。因
司）
元。如果其中三分之一是量子传感，其中 10％与 此我们使用了三阶光栅，其最小特征尺寸约为
传感硬件相关，并且其中十分之一是激光光源的 120nm。
话，那么这类 GaN 激光二极管的市场价值将为 我们进行了简单的建模来改善我们的光栅设
300 万英镑。预期一个保守的年增长率 10％，五 计，进而更深入地了解到了光栅尺寸对器件性能
年内这就是一个 530 万英镑的市场。 的影响。使用光束传播方法，我们计算了有效模
进入这个市场需要批量生产激光二极管，这 态指数。然后，使用该值，我们确定对于 1.5μm
种激光二极管需要结合许多众所周知特性的例如 和 2.5μm 的横向光栅波导宽度和 0.5μm 的刻蚀深
小尺寸和坚固的封装，并且具有高度的光谱纯度， 度，在激光器内存在 0.0015 的折射率差异。使用
理想情况下还需要采用相对简单的方法实现。我 该值，并采用耦合模式理论，我们可以估计出耦
-1
们能够用我们新颖的光栅形式做到这些。 合系数的值为 22cm 。为确保单模产率，耦合系
数 κ 和腔体长度的乘积应约为 1.5，这意味着最
光栅设计 佳腔长约为 700μm。
我们的方法与目前已用于生产分布反馈激光
二极管的两种传统方法都不一样。其中一种选择
是掩埋光栅，这会受到复杂的二次外延生长步骤
的阻碍，极有可能导致外延缺陷。对于通常的替
代方案，通过表面光栅直接刻蚀到脊形顶部，这
会由于反应离子刻蚀造成的损伤，导致 p 型接触
质量降低的风险。与表面光栅相关的另一个障碍
是电学非泵浦光栅区域中显著的光学损耗，这是
一种有可能通过浅刻蚀横向光栅设计来减轻的问
题。
我们通过开拓深刻蚀的横向光栅来避免了所
图2.“刻蚀后”的三阶光栅扫描电子显微镜图像，波导宽度W1和
有这些陷阱。这种方法的优点之一是减少工艺步 W2分别为1.5μm和2.5μm。

18 化合物半导体 2018年第4期 www.compoundsemiconductorchina.net