量子級聯(lián)激光器相干陣列結(jié)構(gòu)、激光器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外半導(dǎo)體光電器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種量子級聯(lián)激光器相干陣列結(jié)構(gòu)、激光器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]波長為4?12 μπι的量子級聯(lián)激光器在大氣環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、紅外對抗、自由空間通訊等領(lǐng)域中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)為幾百到上千層，必須依靠橫向散熱才能實現(xiàn)較高的室溫連續(xù)輸出功率，因此有源區(qū)脊的寬度在波長量級。較窄的有源脊寬度限制了增益面積從而限定了量子級聯(lián)激光器的發(fā)光功率。當前國際上提高量子級聯(lián)激光器輸出功率的主要手段為高增益的有源區(qū)設(shè)計和完善的熱管理技術(shù)，然而經(jīng)過這些年的發(fā)展，輸出功率的提升空間已經(jīng)不多，且由于目前設(shè)計的不完善，量子級聯(lián)激光器只能耦合成高階超模，遠場發(fā)散角呈現(xiàn)雙瓣形狀，無法滿足應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于以上技術(shù)問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種量子級聯(lián)激光器相干陣列結(jié)構(gòu)、激光器及其制造方法。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種量子級聯(lián)激光器相干陣列結(jié)構(gòu)，包括:
[0005]—襯底；
[0006]—下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層位于該襯底上；
[0007]—有源層，該有源層位于該下波導(dǎo)層上，且在橫向上被分成間隔開來的若干個不等寬度的微米條陣列，其中位于中間的微米條最寬，朝向兩側(cè)微米條的寬度依次遞減；
[0008]—半絕緣InP:Fe層，該半絕緣InP:Fe層在橫向上被分成間隔開的若干等寬度陣列，位于該有源層的左右兩側(cè)及間隔其中，用來隔離所述微米條陣列；
[0009]—上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層位于該有源層和半絕緣InP:Fe層上。
[0010]作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供了一種采用如上所述量子級聯(lián)激光器相干陣列結(jié)構(gòu)的量子級聯(lián)激光器。
[0011]作為本發(fā)明的再一個方面，本發(fā)明還提供了一種量子級聯(lián)激光器的制造方法，包括以下步驟:
[0012]步驟1:在襯底上依次生長下波導(dǎo)層、有源層；
[0013]步驟2:在有源層上生長二氧化硅層；
[0014]步驟3:在所述二氧化硅層上通過光刻掩膜技術(shù)在橫向制作出不等寬度的微米條陣列圖形，中間的微米條最寬，朝向兩側(cè)微米條寬度依次遞減；
[0015]步驟4:以二氧化硅為掩膜刻蝕有源層本體，刻蝕深度大于有源層厚度；
[0016]步驟5:在相鄰有源層的中間區(qū)域及有源層左右兩個最外側(cè)生長半絕緣InP:Fe層，直到半絕緣InP:Fe層的厚度與有源層上表面厚度在±0.5 μπι之間；
[0017]步驟6:除去用于掩膜的二氧化硅圖形；
[0018]步驟7:在所述有源層和半絕緣InP:Fe層上生長上波導(dǎo)層，完成器件的制作。
[0019]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的量子級聯(lián)激光器具有以下有益效果:量子級聯(lián)激光器比傳統(tǒng)的二極管激光器的激射波長更長，因此其耦合作用距離更遠，可以允許更大的陣列間隔，從而可以有效的提高器件散熱；通過將有源區(qū)的發(fā)光面積分成若干啁啾個微米條陣列的方法可以有效的增強橫向散熱能力，從而顯著降低有源區(qū)的工作溫度；啁啾微米條結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)相干陣列的基超模輻射，該相干陣列結(jié)構(gòu)通過啁啾的有源脊寬度設(shè)計調(diào)整了微米條陣列間的增益分配，使基超模具有最低的波導(dǎo)損耗從而優(yōu)先激射，從而改善了光束質(zhì)量，同時利用半絕緣InP作為有源層的分隔區(qū)和光場的耦合區(qū)，不但實現(xiàn)了陣列的相干激射而且顯著降低了有源區(qū)的工作溫度，從而有利于提高器件的輸出功率。
【附圖說明】
[0020]圖1為作為本發(fā)明一個實施例的量子級聯(lián)激光器相干陣列結(jié)構(gòu)的二維示意圖；
[0021]圖2為5-單元均勻/啁啾微米條QCL相干陣列的超模損耗圖；
[0022]圖3為如圖1所示的實施例中，5-單元啁啾微米條QCL相干陣列的模式分布圖；
[0023]圖4(a)、4(b)為注入功率相同、陣列總發(fā)光面積和間隔距離相同時不同脊的寬度下有源區(qū)的工作溫度。
【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。其中在本發(fā)明中，“橫向”是指相對于紙平面的左右方向，紙平面的選取采用使盡量多的元件層可以直觀清楚地呈現(xiàn)出來的方式，通常為元器件層的橫截面的長度方向；相對“橫向”為“縱向”，即垂直于紙平面的方向，在本發(fā)明中為各層本身延伸的方向。本發(fā)明中的寬度也是指在橫向方向上的跨度。
[0025]本發(fā)明公開了一種量子級聯(lián)激光器相干陣列結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以同時獲得高的室溫連續(xù)輸出功率和單瓣的遠場發(fā)散角，其具體包括:
[0026]—襯底；
[0027]—下波導(dǎo)層，該下波導(dǎo)層生長在該襯底上；
[0028]—有源層，該有源層生長在下波導(dǎo)層上，該有源層在橫向被分成若干個不等寬度，例如優(yōu)選5個寬度的被間隔開來的微米條陣列，中間的微米條最寬，朝向兩側(cè)微米條寬度依次遞減；
[0029]—半絕緣InP:Fe層，該半絕緣InP:Fe層生長在下波導(dǎo)層上，位于有源層的兩側(cè)及間隔其中且等寬度；
[0030]一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層生長在有源層和半絕緣InP:Fe層上。
[0031]其中，襯底例如為InP襯底，摻雜濃度為IX 1017?3X1017cm3o
[0032]波導(dǎo)層的材料例如為η型InP，摻雜濃度為2X1016?4X1016cm3，層厚為1?3 μ m0
[0033]有源層由20?60個重復(fù)周期的InGaAs/InAlAs組成，對應(yīng)的波長為4?12 μπι:
[0034]半絕緣InP:Fe層為高阻層，電阻率為1 X 105?1 X 10 7 Ω.cm，厚度與有源層相差±0.5 μπι，寬度為2?5 μπι且各單元相同；
[0035]上波導(dǎo)層的材料為η型InP，層厚和摻雜濃度按生長順序依次為2?3 μπι低摻InP,濃度為 2 X 1016?4X1016cm 3；以及 0.4 ?1 μ m 高摻 InP，濃度為 5 X 10 18?1 X 1019cm 3。
[0036]上述對各元件的定義并不僅限于上述實施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)或方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對其進行簡單地替換、增加，例如本結(jié)構(gòu)中的5單元結(jié)構(gòu)的陣列可以為大于等于2的單元結(jié)構(gòu)陣列，例如2單元結(jié)構(gòu)陣列或10單元結(jié)構(gòu)陣列；可以進一步將分布反饋光柵制作在上波導(dǎo)層上形成單模的量子級聯(lián)激光器相干陣列。
[0037]本發(fā)明的量子級聯(lián)激光器相干陣列結(jié)構(gòu)的獨特之處在于，通過啁啾的結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整了微米條陣列間的增益分配，使基超模(1階超模)具有最低的波導(dǎo)損耗從而優(yōu)先激射，此時光場強度主要集中到陣列的中間部分，從而改善了光束質(zhì)量。同時利用半絕緣InP:Fe作為有源層的分隔區(qū)和光場的耦合區(qū)，不但實現(xiàn)了陣列的相干激射而且顯著降低了有源區(qū)的工作溫度，從而有利于提高器件的輸出功率。
[0038]本發(fā)明還公開了一種量子級聯(lián)激光器，其采用上述的量子級聯(lián)激光器相干陣列作為主要構(gòu)件。此外，本發(fā)明還公開了一種量子級聯(lián)激光器的制造方法，包括以下步驟:
[0039]步驟1:在襯底上依次生長下波導(dǎo)層、有源層；
[0040]步驟2:通過化學氣相沉積法在有源層上生長二氧化硅；
[0041]步驟3:二氧化硅表面勻膠后通過光刻掩膜技術(shù)在橫向制作出不等寬度的微米條陣列圖形，中間的微米條最寬，朝向兩側(cè)微米條寬度依次遞減；
[0042]步驟4:以光刻膠為掩膜，除去相鄰微米條之間區(qū)域的二氧化硅；
[0043]步驟5:除去用于掩膜的光刻膠圖形；
[00