量子级联激光器相干阵列结构、激光器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种量子级联激光器相干阵列结构、激光器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]波长为4?12 μπι的量子级联激光器在大气环境监测、医疗诊断、红外对抗、自由空间通讯等领域中具有十分广阔的应用前景。量子级联激光器的有源区为几百到上千层，必须依靠横向散热才能实现较高的室温连续输出功率，因此有源区脊的宽度在波长量级。较窄的有源脊宽度限制了增益面积从而限定了量子级联激光器的发光功率。当前国际上提高量子级联激光器输出功率的主要手段为高增益的有源区设计和完善的热管理技术，然而经过这些年的发展，输出功率的提升空间已经不多，且由于目前设计的不完善，量子级联激光器只能耦合成高阶超模，远场发散角呈现双瓣形状，无法满足应用需求。
【发明内容】
[0003]鉴于以上技术问题，本发明的主要目的在于提供一种量子级联激光器相干阵列结构、激光器及其制造方法。
[0004]为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种量子级联激光器相干阵列结构，包括:
[0005]—衬底；
[0006]—下波导层，该下波导层位于该衬底上；
[0007]—有源层，该有源层位于该下波导层上，且在横向上被分成间隔开来的若干个不等宽度的微米条阵列，其中位于中间的微米条最宽，朝向两侧微米条的宽度依次递减；
[0008]—半绝缘InP:Fe层，该半绝缘InP:Fe层在横向上被分成间隔开的若干等宽度阵列，位于该有源层的左右两侧及间隔其中，用来隔离所述微米条阵列；
[0009]—上波导层，该上波导层位于该有源层和半绝缘InP:Fe层上。
[0010]作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种采用如上所述量子级联激光器相干阵列结构的量子级联激光器。
[0011]作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种量子级联激光器的制造方法，包括以下步骤:
[0012]步骤1:在衬底上依次生长下波导层、有源层；
[0013]步骤2:在有源层上生长二氧化硅层；
[0014]步骤3:在所述二氧化硅层上通过光刻掩膜技术在横向制作出不等宽度的微米条阵列图形，中间的微米条最宽，朝向两侧微米条宽度依次递减；
[0015]步骤4:以二氧化硅为掩膜刻蚀有源层本体，刻蚀深度大于有源层厚度；
[0016]步骤5:在相邻有源层的中间区域及有源层左右两个最外侧生长半绝缘InP:Fe层，直到半绝缘InP:Fe层的厚度与有源层上表面厚度在±0.5 μπι之间；
[0017]步骤6:除去用于掩膜的二氧化硅图形；
[0018]步骤7:在所述有源层和半绝缘InP:Fe层上生长上波导层，完成器件的制作。
[0019]从上述技术方案可以看出，本发明的量子级联激光器具有以下有益效果:量子级联激光器比传统的二极管激光器的激射波长更长，因此其耦合作用距离更远，可以允许更大的阵列间隔，从而可以有效的提高器件散热；通过将有源区的发光面积分成若干啁啾个微米条阵列的方法可以有效的增强横向散热能力，从而显著降低有源区的工作温度；啁啾微米条结构可以实现相干阵列的基超模辐射，该相干阵列结构通过啁啾的有源脊宽度设计调整了微米条阵列间的增益分配，使基超模具有最低的波导损耗从而优先激射，从而改善了光束质量，同时利用半绝缘InP作为有源层的分隔区和光场的耦合区，不但实现了阵列的相干激射而且显著降低了有源区的工作温度，从而有利于提高器件的输出功率。
【附图说明】
[0020]图1为作为本发明一个实施例的量子级联激光器相干阵列结构的二维示意图；
[0021]图2为5-单元均匀/啁啾微米条QCL相干阵列的超模损耗图；
[0022]图3为如图1所示的实施例中，5-单元啁啾微米条QCL相干阵列的模式分布图；
[0023]图4(a)、4(b)为注入功率相同、阵列总发光面积和间隔距离相同时不同脊的宽度下有源区的工作温度。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中在本发明中，“横向”是指相对于纸平面的左右方向，纸平面的选取采用使尽量多的元件层可以直观清楚地呈现出来的方式，通常为元器件层的横截面的长度方向；相对“横向”为“纵向”，即垂直于纸平面的方向，在本发明中为各层本身延伸的方向。本发明中的宽度也是指在横向方向上的跨度。
[0025]本发明公开了一种量子级联激光器相干阵列结构，此结构可以同时获得高的室温连续输出功率和单瓣的远场发散角，其具体包括:
[0026]—衬底；
[0027]—下波导层，该下波导层生长在该衬底上；
[0028]—有源层，该有源层生长在下波导层上，该有源层在横向被分成若干个不等宽度，例如优选5个宽度的被间隔开来的微米条阵列，中间的微米条最宽，朝向两侧微米条宽度依次递减；
[0029]—半绝缘InP:Fe层，该半绝缘InP:Fe层生长在下波导层上，位于有源层的两侧及间隔其中且等宽度；
[0030]一上波导层，该上波导层生长在有源层和半绝缘InP:Fe层上。
[0031]其中，衬底例如为InP衬底，掺杂浓度为IX 1017?3X1017cm3o
[0032]波导层的材料例如为η型InP，掺杂浓度为2X1016?4X1016cm3，层厚为1?3 μ m0
[0033]有源层由20?60个重复周期的InGaAs/InAlAs组成，对应的波长为4?12 μπι:
[0034]半绝缘InP:Fe层为高阻层，电阻率为1 X 105?1 X 10 7 Ω.cm，厚度与有源层相差±0.5 μπι，宽度为2?5 μπι且各单元相同；
[0035]上波导层的材料为η型InP，层厚和掺杂浓度按生长顺序依次为2?3 μπι低掺InP,浓度为 2 X 1016?4X1016cm 3；以及 0.4 ?1 μ m 高掺 InP，浓度为 5 X 10 18?1 X 1019cm 3。
[0036]上述对各元件的定义并不仅限于上述实施方式中提到的各种具体结构或方法，本领域技术人员可对其进行简单地替换、增加，例如本结构中的5单元结构的阵列可以为大于等于2的单元结构阵列，例如2单元结构阵列或10单元结构阵列；可以进一步将分布反馈光栅制作在上波导层上形成单模的量子级联激光器相干阵列。
[0037]本发明的量子级联激光器相干阵列结构的独特之处在于，通过啁啾的结构设计调整了微米条阵列间的增益分配，使基超模(1阶超模)具有最低的波导损耗从而优先激射，此时光场强度主要集中到阵列的中间部分，从而改善了光束质量。同时利用半绝缘InP:Fe作为有源层的分隔区和光场的耦合区，不但实现了阵列的相干激射而且显著降低了有源区的工作温度，从而有利于提高器件的输出功率。
[0038]本发明还公开了一种量子级联激光器，其采用上述的量子级联激光器相干阵列作为主要构件。此外，本发明还公开了一种量子级联激光器的制造方法，包括以下步骤:
[0039]步骤1:在衬底上依次生长下波导层、有源层；
[0040]步骤2:通过化学气相沉积法在有源层上生长二氧化硅；
[0041]步骤3:二氧化硅表面匀胶后通过光刻掩膜技术在横向制作出不等宽度的微米条阵列图形，中间的微米条最宽，朝向两侧微米条宽度依次递减；
[0042]步骤4:以光刻胶为掩膜，除去相邻微米条之间区域的二氧化硅；
[0043]步骤5:除去用于掩膜的光刻胶图形；
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