[發明專利]可調諧分布反饋量子級聯激光器陣列器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201310447427.1
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103490280A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 閆方亮;張錦川;姚丹陽;譚松;王利軍;劉峰奇;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;H01S5/22
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及半導體光電器件技術領域，尤其涉及一種中紅外波長可調諧量子級聯陣列器件的設計與制備方法，更具體而言，是基于取樣布拉格光柵技術制備分布反饋量子級聯激光器陣列器件的方法。

背景技術

量子級聯激光器(QCL)是一種基于共振隧穿及子帶躍遷的半導體激光器，波長可以覆蓋3～24um的波段，這一波段正好覆蓋了諸多如CO₂、SO₂、CO、N₂、NH₃等氣體的分子吸收峰，因此QCL在氣體探測和環境監測方面有著重要的應用前景。

要進行多種氣體的同時探測，則要求QCL具有兩方面的特點：其一為單模；其二為波長可調諧；針對上述兩方面要求，科學家進行了一些卓有成效的探討：普通DFB激光器[C.Gmachl，A.Straub，R.Colombelli，F.Capasso，D.L.?Sivco，A.M.Sergent，and?A.Y.Cho?IEEE?J.Quantum?Electron.38，569(2002)]可以獲得單模，但單個器件調諧范圍有限，要實現寬調諧需要制備多個DFB器件并且封裝在一起，但多個DFB器件的集成和封裝不利于器件的小型化；外腔量子級聯激光器EC-QCL[R.Maulini，M.Beck，J.Faist，and?E.Gini，Appl.Phys.Lett.84,1659(2004)]可以實現室溫脈沖寬調諧的目的，在10um中紅外區域調諧范圍超過1.45um，單模性能超過30dB，是氣體探測的理想光源，但是外腔QCL系統復雜、難以搭建，而且需要高質量的減反膜和準直性能極佳的外部光學器件，成本比較高、不利于系統的小型化；DFB陣列器件[Benjamin?G.Lee，Mikhail?A.?Belkin，Ross?Audet，et.al，Appl.Phys.Lett91,232201(2007)]是一種將多個DFB激光器通過特殊的加工工藝集成在同一芯片上，每個DFB器件由于光柵周期不同具有不同的激射波長，相鄰兩個DFB器件之間進行電學隔離，可以達到通過分別驅動不同激光器進行調諧的目的。DFB陣列中激光器的光柵周期比較小、精度要求極高，目前只能通過電子束曝光制作光柵，但電子束曝光耗時長、成本高，因此不利于實現大規模化生產。

取樣光柵制備，即通過光學曝光的方式在DFB中引入亞微米級周期型采樣條紋就可以實現特定波長激射，制備工藝簡單、曝光精度要求低，只需要一次全息曝光和普通光學曝光就可以制備出具有不同取樣周期的DFB陣列器件。

與普通量子級聯激光器DFB陣列器件相比，取樣光柵量子級聯激光器陣列器件具有激射波長可控性好、邊摸抑制比高、制備方法簡單、成本低等諸多優點。因此基于取樣光柵的可調諧分布反饋量子級聯激光器陣列器件在中紅外氣體檢測方面有著重要的應用背景。

發明內容

為解決現有技術中存在的上述一個或多個問題，本發明提出了一種用于可調諧分布反饋量子級聯激光器陣列器件及制備方法。

本發明提供的一種可調諧分布反饋量子級聯激光器陣列器件，其包括

一襯底；

一下波導層，其均勻生長在襯底上；

一下限制層，其上依次生長有有源區、上限制層、上波導層和梯度摻雜蓋層；

一高摻層，其生長在所述梯度摻雜蓋層的上面；

一陣列器件，其包含多個DFB激光器，每個DFB激光器具有脊型波導結構，且脊型波導的一側留有引線區；脊兩側的雙溝刻腐蝕至有源區下表面，脊上面的高摻層上為取樣布拉格光柵結構，陣列中不同DFB激光器脊型波導上面的取樣布拉格光柵具有不同的取樣周期；

一二氧化硅層，其覆蓋了整個脊型波導結構的表面區域；

一正面電極層，其生長在二氧化硅層的上面及高摻層取樣布拉格光柵的上面；

一電隔離溝，其位于陣列器件中兩個DFB激光器的脊型波導結構之間；

一背面金屬電極層，其生長在襯底的下表面；

其中，每個陣列器件的后腔面蒸鍍有高反膜，形成完整的量子級聯激光器陣列。

本發明提供的一種可調諧分布反饋量子級聯激光器陣列器件的制備方法，其包括以下步驟：

步驟1：在襯底上依序生長有下波導層、下限制層、有源區、上限制層、上波導層、梯度摻雜蓋層和高摻層；

步驟2：通過雙光束全息曝光在高摻層上面制備普通DFB光柵掩模圖形；