[发明专利]一种高效侧向导热的量子级联激光器结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子学技术领域，主要涉及一种高效侧向导热的量子级联激光器结构及其制备方法。

背景技术

1994年贝尔实验室实现了量子级联激光器的激射，与传统半导体激光器不同的是，量子级联激光器是依靠电子在子能带跃迁发光的单极型器件，该激光器的激射波长不依赖于材料的禁带宽度，可以在不改变材料体系的情况下，对能带进行适当的“裁剪”以获取不同的激射波长，对于激光器的设计有着很大的自由度。

由于量子级联激光器有源区的产热很高，即便目前常用的湿法腐蚀双沟道脊型波导较干法刻蚀双沟道脊型波导在器件散热方面作出优化，但造成了波导对注入电流的限制能力下降；另外，湿法腐蚀双沟道脊型波导量子级联激光器，其激射的TM模式激光在电绝缘层与电极金属界面处耦合出表面等离子激元，增大了激光器的波导损耗，使阈值电流密度增加，而干法刻蚀双沟道脊型波导器件无此现象发生(参考：Xue Huang，et al，Optics Express,Vol.20,Issue 3,pp.2539-2547(2012))。因此，在实际应用中，为保证量子级联激光器在各领域高性能稳定工作，均要对激光器进行控温制冷，其中不乏如水冷机这样体积庞大、移动不便的控温设备。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的制备方法，与传统的湿法刻蚀工艺相比，该方法可以对注入电流进行更好的限制，同时使激光器具有良好的散热性。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种高效侧向导热的量子级联激光器结构，该结构自下而上包括：衬底面电极、N型衬底、N型下包层、N型下波导层、有源区、N型上波导层、N型上包层、N型盖层和外延面电极；有源区为脊型结构，两侧为阶梯结构；N型上波导层、N型上包层和N型盖层的宽度与有源区的脊型上表面相等；N型衬底、N型下包层、N型下波导层、有源区、N型上波导层、N型上包层和N型盖层的外表面生长电绝缘层；电绝缘层上表面开一个电注入窗口；在电绝缘层的外表面生长外延电极。

一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：在N型上依次生长N型下包层、N型下波导层、有源区、N型上波导层、N型上包层和N型盖层；

步骤二：刻蚀出双沟道脊型波导结构，刻蚀深度至少至N型衬底为止；

步骤三：在有源区制作阶梯型波导结构；

步骤四：在N型盖层、双沟道及阶梯型波导结构表面生长电绝缘层；

步骤五：在电绝缘层上表面的中间开一个电注入窗口；

步骤六：在电绝缘层表面生长外延面电极；

步骤七：将N型衬底背面减薄、抛光，生长衬底面电极，并进行退火合金；

步骤八：芯片解理，腔面镀膜，封装测试。

本发明的有益效果是：本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器结构，其有源区侧向面积更大，使有源区侧向辅助散热的效果提升；有源区电流限制能力更强，可以减少注入电流泄漏，有提高激光器电光转换效率，以及减少有源区热量产生的作用。本发明制备方法与半导体工艺兼容，制备工艺成熟，重复性好，适用于各种材料体系及各个波段的量子级联激光器。

附图说明

图1本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的结构示意图。

图2本发明一种高效侧向导热的量子级联激光器结构的制备方法流程图。

图3为本发明与传统湿法刻蚀双沟道脊型波导量子级联激光器结构在连续波工作稳态时的温度与热流分布模拟图。

图4为本发明与传统湿法刻蚀双沟道脊型波导量子级联激光器结构在连续波工作稳态时的电流密度分布模拟图。

具体实施方式

下面以InGaAs/InAlAs/InP为材料体系、氮化硅为绝缘层的量子级联激光器为例，结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。