锥形光子晶体量子级联激光器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了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及其制作方法。该激光器包括：衬底，及其在衬底上依次生长的下波导层、有源区、上波导层、上覆盖层、上接触层、欧姆接触层、电绝缘层、正面电极和衬底背面电极。该激光器采用脊型台面双沟波导结构，脊型台面结构由均匀脊宽的主控振荡区和锥形结构的增益放大区两部分组成；光子晶体结构用以提供分布反馈波导，制作于上接触层和欧姆接触层之中。利用本发明专利技术，能够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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电子
，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。
技术介绍
1994年贝尔实验室首先专利技术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。
技术实现思路
(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，本专利技术提供了一种高功率、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)技术方案本专利技术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。上述方案中，所述双沟脊型波导结构由两部分组成，一部分是具有均匀脊宽的主控振荡区，脊宽为10μm至20μm，长度为500μm至1000μm；一部分是具有一定发散角的锥形增益放大区，脊型台面的腐蚀深度到达有源区之下，为有源区提供侧壁陡直的横向波导结构，深度为7μm至8μm，锥形区域的长度为1000μm至1500μm，锥形发散角为1°至4°，双沟的宽度为50μm。上述方案中，所述光子晶体波导结构位于上覆盖层和欧姆接触层之中，该光子晶体波导结构为一维光子晶体，或者为二维光子晶体，一维光子晶体的情况即为光栅，光栅周期根据Bragg公式Λ＝λ/2neff来确定，其中，λ为激光器激射波长，neff为器件有效折射率；二维光子晶体为圆孔形点阵，圆孔直径为400至600nm，二维点阵为正方点阵，或者为六方点阵，光子晶体的深度为450nm至550nm。上述方案中，所述电绝缘层为二氧化硅或者氮化硅薄膜材料，电绝缘层覆盖整个双沟脊型波导结构表面，在双沟脊型波导结构的中间部位留出电注入窗口，窗口宽度根据-->脊宽而定，要比脊宽略窄。上述方案中，所述正面电极为Ti/Au电极，该电极覆盖在电绝缘层之上，但是并不完全覆盖脊型台面中心处电绝缘层留出的电注入窗口，只是部分覆盖电注入窗口。上述方案中，所述锥形增益放大区前腔面蒸镀的介质增透膜由ZnO和PbTe材料交替形成。上述方案中，所述均匀脊后腔面蒸镀的金属高反膜由Al2O3/Ti/Au/Al2O3材料形成。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的制作方法，该方法包括以下步骤：步骤1：在衬底上利用分子束外延方法依次生长下波导层、有源区、上波导层，上包层、上覆盖层和欧姆接触层；步骤2：利用全息光刻的方法在在上覆盖层和欧姆接触层中制备用以提供均匀分布反馈的光子晶体波导结构；步骤3：通过光刻、腐蚀工艺，按照事先设计好的具有主控振荡放大区和锥形增益放大区的版图在具有光子晶体波导结构的材料表面制作出双沟脊型波导结构；步骤4：在双沟脊型波导结构上通过CVD方法淀积二氧化硅绝缘层，或者通过PECVD方法生长氮化硅绝缘层；步骤5：通过光刻、刻蚀二氧化硅或氮化硅的工艺，在所制作绝缘层的中间处开出电流注入窗口，注入窗口的宽度要小于主振荡区的脊宽；步骤6：在已留出电注入窗口的绝缘层之上通过热蒸发或者电子束蒸发的方法沉积正面电极；步骤7：在所沉积的正面电极结构之上通过光刻工艺，去除掉一部分在脊型台面中央电注入窗口之中的电极；步骤8：将衬底减薄至100至120μm；步骤9：在减薄后的衬底背面上生长Au/Ge/Ni背电极，再经过高温退火处理；步骤10：将经过步骤9加工后的材料中的多个管芯并排解离成一条，然后对均匀脊型后腔面镀Al2O3/Ti/Au/Al2O3金属高反膜，锥形增益放大区前腔面镀介质增透膜；步骤11：将前后腔面都镀好膜的条状阵列解离成单个管芯；步骤12：把解离好的管芯烧结在镀铟的无氧铜热沉之上，再利用超声点焊方法引出金丝正本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，所述上波导层为低掺杂的InGaAs层。5.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，所述上包层为低掺杂的InP层。6.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，所述上覆盖层为高掺杂的InP层，用来提供载流子注入。7.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，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。8.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，所述双沟脊型波导结构由两部分组成，一部分是具有均匀脊宽的主控振荡区，脊宽为10μm至20μm，长度为500μm至1000μm；一部分是具有一定发散角的锥形增益放大区，脊型台面的腐蚀深度到达有源区之下，为有源区提供侧壁陡直的横向波导结构，深度为7μm至8μm，锥形区域的长度为1000μm至1500μm，锥形发散角为1°至4°，双沟的宽度为50μm。9.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，所述光子晶体波导结构位于上覆盖层和欧姆接触层之中，该光子晶体波导结构为一维光子晶体，或者为二维光子晶体，一维光子晶体的情况即为光栅，光栅周期根据Bragg公式Λ＝λ/2neff来确定，其中，λ为激光器激射波长，neff为器件有效折射率；二维光子晶体为圆孔形点阵，圆孔直径为400至600nm，二维点阵为正方点阵，或者为六方点阵，光子晶体的深度为450nm至550nm。10.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，所述电绝缘层为二氧化硅或者氮化硅薄膜材料，电绝缘层覆盖整个双沟脊型波导结构表面，在双沟脊型波导结构的中间部位留出电注入窗口，窗口宽度根据脊宽而定，要比脊宽略窄。11.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器，其特征在于，所述正面电极为Ti/Au电极，该电极覆盖在电绝缘层之上，但是并不完全覆盖脊型台面中心处电绝缘层留出的电注入窗口，只是部分覆盖电注入窗口。12.根据权利要求1所述的近衍射极限光束输出的锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，王利军，刘俊岐，李路，张全德，陆全勇，高瑜，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]