[发明专利]垂直腔面发射量子级联激光器

说明书

本发明公开了一种垂直腔面发射量子级联激光器，包括：量子点有源区层，在激光器有源区的每个周期中插入量子点插层形成量子点有源区层；分布布拉格反射镜层和光栅层，分布布拉格反射镜层结合光栅层构成垂直方向的谐振腔，实现面发射。本发明通过在一个有源区层中适当位置引入量子点插层，量子点态作为电子辐射跃迁的末态，使器件的辐射模式有垂直于量子阱平面的电场分量，能够制成传统的垂直腔面发射激光器。一方面，能够提高器件的功率、转化效率，降低阈值电流；另一方面，能够显著降低器件的尺寸，减小阈值电流。

技术领域

本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射量子级联激光器结构。

背景技术

与普通的带间复合发光机制的半导体激光器相比，量子级联激光器是基于子带间跃迁的，因而具有能带可调，波长覆盖范围广等优点；在气体探测、医疗诊断、高分辨率光谱等领域中具有十分广阔的应用前景，但是其最大的缺陷就是阈值功耗高，功率转换效率低。而在一些便携式应用中，往往需要量子级联激光器具有小体积、低功耗，以利于系统小型化集成。目前获得低功耗量子级联激光器的途径主要包括：适当缩小器件尺寸包括缩短腔长、减少脊宽；优化有源区、波导结构。这些方式都在一定程度上降低了功耗，但是缩短器件腔长会导致器件腔面损耗增加而难以激射，需要通过腔面镀高反膜来解决，而且腔长过短会导致器件有源区有效面积降低，进而导致输出功率过小；脊宽小到一定程度又会增加激光器的波导损耗，进而增加激光器的阈值，不能达到降低功耗和阈值的目标。垂直腔面发射结构腔长可以缩短到微米量级，具有超低阈值、高微分效率、易二维集成等优点，因此是降低阈值功耗很好的选择。但是量子级联激光器是基于子带间的跃迁，根据跃迁选择定则，量子级联激光器因为没有垂直于量子阱平面的电场分量不能制成垂直腔面发射结构，只能通过制作二级分布反馈光栅结构，利用其一阶傅里叶电场分量的辐射模式实现面发射。但是这样就导致面发射器件要实现激射，必须克服二级光栅一级散射带来的额外损耗，不利于降低器件的阈值电流密度。同时，对于较短垂直腔结构，需要高达99％以上的腔面反射率，通常依赖于多层DBR结构，而更多的DBR层会使器件有更高的电阻更大的光吸收，影响器件的性能。另有，与InP衬底匹配的DBR层有InGaAlAs/InAlAs对，由于这两种材料的折射率差较小，为了达到99％以上的反射率需要生长40-50对，一方面增加材料生长的困难，另一方面如此厚的厚度也不利于器件散热，因此对DBR层的材料选择也有待商榷。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于以上技术问题，本发明提供一种垂直腔面发射量子级联激光器，以至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种垂直腔面发射量子级联激光器，包括：

量子点有源区层，在激光器的有源区的每个周期中插入量子点插层形成量子点有源区层，制成垂直腔面发射结构；

分布布拉格反射镜层和光栅层，该分布布拉格反射镜层结合光栅层构成垂直方向的谐振腔，实现面发射。

进一步的，该量子级联激光器包括：

衬底，材料为GaAs；

衬底上生长上述的分布布拉格反射镜层，并键合有源波导结构，该有源波导结构包括：下波导层、下电极层、下光学限制层、上述的量子点有源区层、上光学限制层、上波导层、上电极层和上述的光栅层，其中下电极层和下光学限制层连接下波导层，上电级层和光栅层连接上波导层。

进一步的，分布布拉格反射镜层的材料为GaAs/AlGaAs对。

进一步的，上波导层和下波导层的材料为n型掺杂的InP。

进一步的，上光学限制层和下光学限制层的材料为n型掺杂的InGaAs。

进一步的，量子点有源区层为多周期级联，包括20-60个周期。