[发明专利]锥形光子晶体量子级联激光器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其是指一种高功率、近衍射极限光输出的光子晶体量子级联激光器及其制作方法。

背景技术

1994年贝尔实验室首先发明工作于中远红外波段的量子级联激光器，它不同于传统的半导体激光器，量子级联激光器是仅靠子带间能级参与电子跃迁的单极性器件，人们可以通过巧妙的能带结构设计，在不改变材料体系的前提下，在一定波段范围内任意调整激射的波长，突破了传统半导体激光器激射波长必须依赖材料禁带宽度的限制，大大的拓展了人类可以利用的光谱范围，因此，量子级联激光器是中远红外波段理想的光源。量子级联激光器目前已经在3.5μm至11.5μm波段范围内实现了室温连续工作，具有广阔的应用前景，被广泛用于环保污染监控、工业烟尘分析、生物医学诊断、痕量气体检测、分子光谱研究、抗干扰雷达以及红外光学无线通讯等领域。

为了满足在以上各种领域的应用，量子级联激光器被要求可以室温连续波单模工作，然而迄今为止，目前只有少数个别波长的量子级联激光器实现了室温连续波单模工作，这些量子级联激光器均利用了电子束曝光、掩埋光栅、二次MOCVD外延等技术，不仅成本昂贵，而且技术复杂，这使得量子级联激光器的研制过程变得非常异常困难，不利于提高器件可靠性和实现量产化。采用顶部光栅(把光栅均匀分布在激光器顶部)的做法工艺相对简单，不需二次外延，但是由于波导损耗太大，输出功率普遍不高，难以达到实用的要求。

在实际通信过程中，为了更好的实现激光器与光纤进行耦合，人们普遍要求激光器出射光束的远场发散角要小，但是由于量子级联激光器的有源区很薄，仅为2至3μm，而激射波长又处于中红外波段，故此远场发散角较一般半导体激光器还要大，大约为50°，大大影响了量子级联激光器在通信中的应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述量子级联激光器目前在应用中存在的缺陷，本发明提供了一种高功率、近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器及其制作方法，利用光子晶体结构提供横向分布反馈波导，从而获得单模近衍射极限光束输出；采用脊型台面结合锥形增益放大区的波导结构，大大降低了远场发散角，在提高输出功率的同时又避免了同类宽脊型大功率器件难以避免的散热问题。

(二)技术方案

本发明采用的技术方案如下：

一种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，该结构包括：

一衬底；

一下波导层，该下波导层利用分子束外延方法生长在衬底之上；

一量子级联有源区，该有源区利用分子束外延方法生在下波导层之上；

一上波导层，该上波导层利用分子束外延方法生长在有源区之上；

一上包层，该上包层利用分子束外延方法生长在上波导层之上；

一上覆盖层，该上覆盖层利用分子束外延方法生长在上包层之上；

一欧姆接触层，该欧姆接触层利用分子束外延方法生长在上覆盖层之上；

一光子晶体波导结构，该光子晶体波导结构制作于上覆盖层和欧姆接触层之中；

一双沟脊型波导结构，通过湿法腐蚀或干法刻蚀工艺欧姆接触层而形成，该双沟脊型波导结构由两部分组成，一部分是均匀脊宽的主控振荡区，一部分是锥形增益放大区；

一电绝缘层，该电绝缘层沉积在欧姆接触层之上，覆盖整个双沟脊型波导结构，在覆盖有绝缘层的脊台中心部位留出电注入窗口；

一正面电极，制作于电绝缘层之上；

一背面电极，制作于衬底背面；

一锥形增益放大区前腔面蒸镀的介质增透膜；

一均匀脊后腔面蒸镀的金属高反膜。

上述方案中，所述下波导层为低掺杂的InGaAs层，低掺杂的InGaAs下波导层具有较高的折射率，根据模式理论，高折射率材料能够对光起到更高的限制作用，提高有源区的光场限制因子。

上述方案中，所述量子级联有源区包括由InGaAs/InAlAs材料组成的多耦合量子阱重复结构，每个周期都在结构上分为两部分，一部分是用以提供载流子注入的注入区，另一部分是用于实现载流子子带间跃迁光辐射的有源区，两部分结合在一起可以实现单极载流子的注入、子带间跃迁、辐射光子、激射波长在所设计的要求范围内。

上述方案中，所述上波导层为低掺杂的InGaAs层。

上述方案中，所述上包层为低掺杂的InP层。

上述方案中，所述上覆盖层为高掺杂的InP层，用来提供载流子注入。

上述方案中，所述欧姆接触层为高掺杂的InP层，用于与金属Ti/Au电极形成良好的欧姆接触，提供电注入。