[发明专利]一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，是一种将一维光子晶体结构应用于量子级联激光器的管芯结构，本方法的独特之处在于利用一维光子晶体可以减小光的腔面损耗。本发明是涉及一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构及制造方法。

背景技术

中红外波段3～5μm和远红外波段8～12μm是两个非常重要的大气窗口，工作于该波段的激光器和探测器在大气环境监测以及红外对抗等领域具有十分广阔的应用前景。量子级联激光器波长位于中远红外，能够覆盖这两个大气窗口，是“能带工程”设计与高精度的分子束外延材料生长技术相结合的新型器件。

量子级联激光器作为一种基于子带间电子跃迁的单极性光源与普通的半导体激光器相比具有以下优点：首先其激射波长与有源区材料的禁带宽度无关，主要由有源区的量子阱厚度决定；人们可以选取研究得更加成熟和更加可靠的材料，通过调整量子阱的宽度，可以在很大的波长范围内改变激射波长；其次，单极载流子的跃迁产生的光具有单向偏振(TM波)性，并且这些跃迁态的联合态密度类似于δ函数，对应的增益谱很窄、对称和具有较小的温度敏感系数，因此可望得到很低的阈值电流和单纵模输出；还有，其激发过程本质上是一种载流子在导带内子带间的跃迁，子带间俄歇复合可以忽略，理论上量子级联激光器具有较高的特征温度。正是由于具有这些特点，量子级联激光器成为国际上研究的一大热点。

采用应变补偿技术的磷化铟基量子级联激光器，由于InGaAs/InAlAs形成的导带不连续能量差较大，使器件性能提高，是目前研究与应用较为广泛的一种材料结构体系。

本发明是一种新型结构，将一维光子晶体应用于应变补偿的磷化铟基量子级联激光器。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构及制造方法，其利用了一维光子晶体在其折射率周期变化的方向上存在光子带隙，处于光子带隙中光沿着光子晶体折射率周期变化的方向不能传播的原理，将一维光子晶体作为激光器谐振腔的后腔面来增大谐振腔的后腔面反射率，以提高激光器性能。

本发明一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构，其特征在于，该结构包括：

一衬底；

一量子级联激光器谐振腔，该量子级联激光器谐振腔制作在衬底上；

一一维光子晶体结构，该一维光子晶体结构由深刻蚀形成的空气介质与激光器材料介质交替重复多个周期组成，该一维光子晶体结构位于量子级联激光器谐振腔的后腔面，该一维光子晶体结构制作在衬底上；

一下欧姆接触层，该下欧姆接触层蒸镀在衬底背面。

其中衬底为磷化铟材料。

其中管芯结构激光器谐振腔的断面结构包括：

一下覆盖层，该下覆盖层生长在衬底上；

一有源层，该有源层生长在下覆盖层上；

一上覆盖层，该上覆盖层生长在有源层上；

一波导层，该波导层生长在上覆盖层上；

一接触层，该接触层生长在波导层上；

一隔离层，该隔离层淀积在接触层上和衬底上，并且覆盖了下覆盖层、有源层、上覆盖层、波导层、接触层的两侧侧面；该隔离层的中间纵向开有一电流注入窗口；

一上欧姆接触层，该上欧姆接触层蒸镀在隔离层上，并覆盖住电流注入窗口。

其中管芯结构一维光子晶体结构的断面结构包括：

一下覆盖层，该下覆盖层生长在衬底上；

一有源层，该有源层生长在下覆盖层上；

一上覆盖层，该上覆盖层生长在有源层上；

一波导层，该波导层生长在上覆盖层上；

一接触层，该接触层生长在波导层上；

一隔离层，该隔离层淀积在接触层上和衬底上，并且覆盖了下覆盖层、有源层、上覆盖层、波导层、接触层的两侧侧面。

本发明一种一维光子晶体调制的量子级联激光器管芯结构的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)在衬底上采用分子束外延的方法依次生长下覆盖层、有源层、上覆盖层、波导层、接触层；

2)采用曝光和干法刻蚀技术，将衬底上生长的材料两侧刻蚀，形成断面为倒T型的脊形结构；同时在衬底上生长的材料所形成的脊形结构的一端纵向刻蚀出空气介质与激光器材料介质的多个重复周期的结构，形成一维光子晶体结构和量子级联激光器谐振腔；

3)在衬底的上表面和衬底上生长的材料表面及两侧淀积一层隔离层；

4)采用光刻和化学腐蚀的方法，在量子级联激光器谐振腔上的隔离层中间形成一电流注入窗口；