[发明专利]一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构及制作方法。

背景技术

波长为3～12μm室温连续工作的单模、窄发散角量子级联激光器在大气环境监测、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。然而，为了实现室温连续工作，器件的有源区宽度仅为几个自由空间波长，这使得器件的水平发散角很大，一般为20-40°。为了减小器件的远场发散角，国际上已经采用了多种研究方法，如，锥形结构[P.Rauter，S.Menzel，B.Gokden，A.Goyal，C.A.Wang，A.Sanchez，G.Turner，and F.Capasso，Single-mode tapered quantum cascade lasers，Appl.Phys.Lett.，103，181102，(2013)]，光子晶体晶格结构[Y.Bai，S.R.Darvish，S.Slivken，P.Sung，J.Nguyen，A.Evans，W.Zhang，and M.Razeghi，Electrically pumped photonic crystal distributed feedback quantum cascade lasers，Appl.Phys.Lett.，91，141123(2007)]，在腔面附近刻蚀亚波长金属光栅结构[N.F.Yu，R.Blanchard，J.Fan，F.Capasso，T.Edamura，M.Yamanishi，and H.Kan，Small divergence edge-emitting semiconductor lasers with two-dimensional plasmonic collimators，Appl.Phys.Lett.，93，181101，(2008)]。锥形结构和光子晶体晶格结构虽然能改善水平波导方向的远场发散角，但是所制作的器件需要较宽的脊才具有调制作用，这大大增加了器件注入的电流强度，使得器件无法室温连续工作。通过在腔面附近刻蚀亚波长金属光栅结构虽然可以在有源区的宽度为波长量级的情况下实现水平远场发散角的改善，但是这种腔面图形的制备十分复杂，且这种结构也没有实现量子级联激光器的室温连续工作。目前为止，低发散角且能够室温连续工作的边发射分布反馈量子级联激光器还没有研制出来，更好的解决方法也还没有找到。针对这种情况，设计一种能够室温连续工作的单模、低发散角分布反馈量子级联激光器结构是亟待解决的问题，而本专利就是为此而发明的。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明提供一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构及制作方法。该方法采用多孔结构对边发射分布反馈量子级联激光器进行光束整形，既减小了波导方向的发散角又没有引入额外的波导损耗。

为此，本发明提供了一种低发散角分布反馈量子级联激光器结构，包括：

一衬底；

一下波导层，该下波导层生长在该衬底正面；

一下光限制层，该下光限制层生长在下波导层上；

一有源区，该有源区生长在下光限制层上；

一上光限制层，该上光限制层生长在该有源区上；

一光栅层，该光栅层制作于上光限制层的上，并且该光栅层具有一级分布反馈结构；

一上波导层，该上波导层生长在该光栅层上；

一多孔区，该多孔层制作于该上波导层上；其中，所述的下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧为梯形斜面；

一二氧化硅层，该二氧化硅生长在衬底正面未被下波导层覆盖的部分和下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层、光栅层和上波导层的两侧形成的梯形斜面上，以及上波导层上面两侧的边缘部分；

一正面金属电极层，该正面金属电极生长在二氧化硅层的上面、上波导层未被二氧化硅覆盖的部分及多孔区的上面；

一背面电极层，该背电极层生长在衬底的背面。

本发明还提供了一种低发散角分布反馈量子级联激光器制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次生长下波导层、下光限制层、有源区、上光限制层：

步骤2：上光限制层表面匀胶后，通过双光束全息曝光法制备出一级分布反馈光栅的光刻胶图形；

步骤3：以光刻胶图形为掩膜，通过化学腐蚀制作出一级分布反馈光栅结构；

步骤4：除去用于掩膜的光刻胶图形；

步骤5：利用金属有机化学气相沉积设备在光栅表面二次外延上波导层；

步骤6：通过化学气相沉积法在上波导层上生长二氧化硅；