[發明專利]帶有準光子晶體波導陣列的量子級聯激光器及其制作方法

有效

• 申請號: 201010175432.8
• 申請日: 2010-05-12
• 公開（公告）號: CN101859983B
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 尹雯;陸全勇;張偉;劉峰奇;張全德;劉萬峰;江宇超;李路;劉俊岐;王利軍;王占國
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/34
• 分類號: H01S5/34;H01S5/227;H01S5/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明涉及半導體光電子領域，尤其是指一種帶有弱無序的準光子晶 體波導陣列的量子級聯激光器及其制作方法。

背景技術

波長3-14μm的中遠紅外波段是非常重要的大器窗口，工作于該波段 的激光器和探測器在軍事、醫療、環保、氣體探測、化學光譜學、自由空 間通信等方面都有十分廣闊的應用前景。1994年，貝爾實驗室成功通過分 子束外延技術制作出第一只量子級聯激光器，不同于常規半導體激光器， 此種激光器件的激射波長與量子級聯有源區材料的禁帶寬度無關，主要由 量子級聯有源區結構，即量子阱厚度決定，因而可以通過選擇材料和調整 量子阱寬度，在很大波長范圍內改變激射波長。

在實際使用領域，為了使激光器與光纖有效耦合，普遍要求激光器具 有較小的出射光束遠場發散角，但是由于量子級聯激光器的有源區很薄， 僅為2-3μm，而激射波長又處于中紅外波段，故此遠場發散角一般大于 50°，大大影響了量子級聯激光器在通信中的應用。

本發明提出的帶有弱無序準光子晶體結構波導的量子級聯激光器，工 藝簡單，技術可靠，可以有效的抑制高階模激發，減小激光器的遠場發散 角。

發明內容

針對上述量子級聯激光器目前在應用中存在的缺陷，本發明提供了一 種帶有準光子晶體波導陣列的量子級聯激光器及其制作方法，具有制作工 藝簡單便捷、可抑制高階模激發，采用脊型臺面結合脊兩側弱無序多孔區 域的波導結構，減小了遠場發散角，同時降低了閾值電壓和閾值電流。本 發明的結構新穎、簡單，不需要昂貴的電子束曝光、二次外延等技術，整 體制作過程具有工藝簡單，儀器設備要求低等特點。

本發明提供一種帶有準光子晶體波導陣列的量子級聯激光器，該結構 包括：

一襯底；

一下波導層，該下波導層生長在襯底之上，且中間有一凸臺，凸臺的 兩側形成脊型雙溝臺面結構；

一量子級聯有源區結構，該量子級聯有源區結構生長在下波導層的凸 臺之上；

一上波導層，該上波導層生長在量子級聯有源區結構之上；

一上包層，該上包層生長在上波導層之上；

一上覆蓋層，該上覆蓋層生長在上包層之上；

一高摻雜歐姆接觸層，該高摻雜歐姆接觸層生長在上覆蓋層之上；

一準光子晶體波導陣列，該準光子晶體波導陣列制作在上覆蓋層和高 摻雜歐姆接觸層的兩側，中間的寬度為2μm-10μm，兩側的準光子晶體波 導陣列的寬度相同，分別為5-24μm；

一電絕緣層，該電絕緣層沉積在歐姆接觸層之上，覆蓋整個脊型臺面 上表面和側壁，在覆蓋有絕緣層的脊型臺面中心部位留出電注入窗口；

一正面電極，該正面電極制作在絕緣層之上；

一背面電極，該背面電極生長在襯底的背面；

其中所述的準光子晶體層為延伸方向與材料表面相垂直的弱無序的 準光子晶體波導陣列的孔徑由上覆蓋層和歐姆接觸層的摻雜濃度決定，孔 徑在50-200nm之間。

本發明還提供一種帶有準光子晶體波導陣列的量子級聯激光器的制 作方法，該方法包括以下步驟：

1)在襯底上利用分子束外延方法依序生長下波導層、量子級聯有源區 結構、上波導層、上包層、高摻雜上覆蓋層和高摻歐姆接觸層，形成器件 結構；

2)利用CVD方法在器件結構表面沉積二氧化硅薄膜，通過光刻、腐蝕 工藝，在器件表面的二氧化硅掩模的表面形成光刻圖案；

3)將形成有光刻圖案的器件結構裝入器件結構裝置，加入電化學腐蝕 液，通電反應，制作出延伸方向垂直于樣品表面的弱無序的準光子晶體波 導陣列；

4)將器件結構通過光刻、濕法腐蝕工藝，在器件結構的兩側制作出雙 溝脊型波導結構；

5)在雙溝脊型波導結構上通過CVD方法淀積二氧化硅絕緣層；

6)通過光刻、刻蝕二氧化硅或氮化硅的工藝，在絕緣層的中間處開出 電流注入窗口，注入窗口的寬度要小于主振蕩區的脊寬，保證光刻對準；

7)在絕緣層之上通過熱蒸發或者電子束蒸發的方法沉積正面電極；

8)將襯底減薄至100-120μm；

9)在減薄后的襯底背面上生長Au/Ge/Ni背電極，再經過高溫退火處 理；