[发明专利]边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种用于制备边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器及制备方法。

背景技术

与普通的一维分布反馈结构和斜角分布反馈结构相比，二维光子晶体分布反馈结构的优点在于采用这类结构的量子级联激光器能够得到大功率输出、单模工作以及近衍射极限发散角的激光光束。因此边发射电注入二维光子晶体分布反馈量子级联激光器在反雷达、自由空间光通信和远程化学成分检测方面有着重要的应用前景。

尽管拥有着以上这些优点，边发射电注入二维光子晶体分布反馈量子级联激光器直到今年来才展开研究[Y.Bai，S.R.Darvish，S.Slivken，P.Sung，J.Nguyen，A.Evans，W.Zhang，and M.Razeghi，Electricallypumped photonic crystal distributed feedback quantum cascade lasers，Appl.Phys.Lett.91，141123(2007)]，其原因在于基于若折射率耦合的二维光反馈需要足够大的器件面积来提供足够大的光反馈，对于近红外二维光子晶体分布反馈激光器，单一器件面积可达到亚毫米级，而对于中红外的量子级联激光器和带间级联激光器，器件长度可达1—3mm，宽度达100—500μm。如果此大的器件面积如果采用电子束曝光来制备，则不仅曝光时间很长，且价钱昂贵，制备效率极低，不适合大规模应用。另外，大面积曝光本身对电子束曝光就是一个挑战，在保证图形中间的均匀有序外，还得保证边缘处图形的正确性。而全息曝光作为一种新兴的光子晶体制备技术—能够制备大面积无缺陷的光子晶体点阵，且具有低成本高效率等优点—正在得到广泛的关注和研究[Z.Poole，D.Xu，K.P.Chen，I.Olvera，K.Ohlinger，and Y.Lin，Holographic fabrication ofthree-dimensional orthorhombic and tetragonal photonic crystaltemplates using a diffractiv optical element，Appl.Phys.Lett.91，251101(2007)]。各种大面积的二维和三维光子晶体点阵已经用这种方法制备出来。

然而，目前鲜有关于用全息法来制备二维光子晶体激光器的报道，其原因不外乎一下两点：一是与电子束曝光技术相比，全息法不能任意定义图形的形状，除非结合两步激光扫描技术和二次光刻技术，否则无法制备点缺陷或者线缺陷的二维光子晶体；二是全息法是一种光学曝光，受光学衍射极限限制，其能得到的最小周期为激光波长的一半。对于常用的波长为441.6nm氦氖激光光源，能得到的最小波长为220.8nm，这已经小于或和红外和近红外二维光子晶体激光器的最小周期相当。然而中红外的二维光子晶体分布反馈量子级联激光器而言，光子晶体点阵属于无缺陷类型，最小的点阵周期大于500nm，以上的两点限制对中红外分布反馈激光器不复存在。故而，用全息法制备二维光子晶体将是二维分布反馈中红外的量子级联激光器得到广泛应用的关键所在。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器及制备方法，其可以降低二维光子晶体的制备成本，将大面积均匀的光子晶体点阵成功的运用到中红外量子级联激光器上，改善器件的性能得到器件的电注入式、边发射的单模工作。

本发明提供一种边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，其特征在于，包括：一衬底；一下波导层，该下波导层生长在衬底的中间部位，在下波导层上依次生长有有源层、上波导层和盖层；一高掺杂层，该高掺杂层生长在盖层的上面，该高掺杂层为二维正方圆孔点阵结构，该点阵结构具有沿ΓX方向的(0，1)级耦合机制；一二氧化硅层，该二氧化硅层生长在衬底两侧的上面和下波导层、有源层、上波导层和盖层的两侧，及高掺杂层两侧和高掺杂层上面的边缘部分；一正面金属电极层，该正面金属电极层生长在二氧化硅层的上面及高掺杂层的二维正方圆孔点阵结构的上面；一背面金属电极层生长在衬底的下面，形成边模抑制比为20dB的边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器。