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技术

一种边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电器件
，尤其涉及一种用于制备。
技术介绍
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，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l一3 ■，宽度达100 — 500 nm。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一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一正在得到广泛的关注和研究。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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种用于，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、i^发射的单模工作。本专利技术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rx方向的(o， l)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5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。本专利技术提供一种边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1:在衬底上依序生长有下波 导层、有源层、上波导层、盖层和高掺杂层；步骤2:通过双光束全息曝 光法和湿法腐蚀的方法在高掺杂层的上面腐蚀出二维正方圆孔点阵结构； 步骤3:通过光刻和湿法腐蚀的方法，将衬底上的下波导层、有源层、上 波导层、盖层和高掺杂层的两侧腐蚀，形成条形结构；步骤4:在衬底两侧的上面及条形结构的上面及两侧，采用化学汽相沉积的方法，生长一层二氧化硅层；步骤5:将二维正方圆孔点阵结构上面的二氧化硅层刻蚀掉； 步骤6: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， 采用热蒸发的方法，生长正面金属电极层；步骤6:将衬底减薄、抛光； 步骤7:在减薄后的衬底的背面蒸发背面金属电极层，完成器件的制作。附图说明为进一步说明本专利技术的具体
技术实现思路
，以下结合实施例及附图详细说 明如后，其中图1为中红外二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的波导和二维点 阵结构的截面示意图。图2为Ino.52Gao.48As材料在7.8(jm波长处的折射率nl，消光系数n2 以及体等离子体基元圆频率(OP随着掺杂浓度N的变化关系图。图3为激光器波导损耗与InGaAs接触层的掺杂浓度和厚度之间的关 系图。图4(a、 b)分别为沉积200nm InGaAs高掺杂层之前与之后的基横模的 模式分布图，以及相应的波导损耗，有效折射率和模式限制因子。图5为波长为7.8 ,的边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光 器在80K下的光谱图，其边模抑制比高达20dB。图6为波长为7. 8 ,的边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光 器在80K下的I-P曲线，其峰值功率达到154mW。具体实施例方式实施例7.8 ,的边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器及 制备方法请参阅图1为波长7. 8 ,的边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器的波导和二维点阵结构的截面示意图。本专利技术一种边发射二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，包括一 n型InP衬底10 (3xl017cnT3);一 InGaAs下波导层11 (n型惨杂，4xl0"cm—3，厚度0. 4,)，该下波 导层11生长在衬底10的中间部位，在下波导层11上依次生长有35级 InGaAs/工nAlAs有源层12 (注入区的掺杂浓度为3xlO"cnT3，厚度2. 45,)、 InGaAs上波导层13 (n型掺杂，4xl016cm—3，厚度0. 5拜)和InGaAs盖层14 (n 型掺杂，2xl018cm—3，厚度O. 4—;18 —2 _一 InGaAs高掺杂层15(n型掺杂，9x10 cm ，厚度0. 2拜)，该高掺 杂层15生长在盖层14的上面，该高掺杂层15为二维正方圆孔点阵结构，该点阵结构具有沿rx方向的(o， l)级耦合机制；一二氧化硅层16，该二氧化硅层16生长在衬底10两侧的上面和下波 导层11、有源层12、上波导层13和盖层14的两侧，及高惨杂层15两侧 和高掺杂层15上面的边缘部分；一正面金属电极层17，该正面金属电极层17生长在二氧化硅层16 的上面及高掺杂层15的二维正方圆孔点阵结'构的上面；一背面金属电极层18生长在衬底10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。再请参阅图1所示，本专利技术一种边发射二维光子晶体分布反馈量子级 联激光器的制备方法，包括如下步骤 .，步骤1:在衬底10上依序生长有下波导层11、有源层12、上波导层 13、盖层14和高掺杂层15;所述的有源层12为35个周期的InGaAs/InAlAs 组成，该有源层12的厚度为2. 25pm;所述的高掺杂层15材料为InGaAs， 该高掺杂层15为n型掺杂，掺杂浓度为9x10 cm ，层厚为0. 2-0. 3pm;步骤2:通过双光束全息曝光法和湿法腐蚀的方法在高掺杂层15的上面腐蚀出二维正方圆孔点阵结构；所述的双光束全息曝光法是采用SPR6809光刻胶和稀释剂乳酸乙酯以1: 2的体积比配制而成本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆全勇，张伟，王利军，高瑜，尹雯，张全德，刘万峰，刘峰奇，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]