[发明专利]斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，主要涉及一种采用双光束全息多次曝光技术制作斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器(two-dimensional photonic crystal distributed feedback quantum cascade lasers，PhC-DFB QCLs)的方法。

背景技术

制作斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器(PhC-DFB QCLs)时有两个基本问题需要考虑：一是要制备大面积高度均匀的二维光子晶体点阵结构；二是要有效的限制正面金属电极在光子晶体量子级联激光器中引起的波导损耗。目前斜腔面二维光子晶体分布反馈半导体激光器的点阵制备主要分为两种情况：一是：表面性二维光子晶体分布反馈结构，即光子晶体点阵深刻蚀于波导的最外层，在孔内填充奔并环丁烯(benzocyclobutene，BCB)或聚酰亚胺(polyimide，PI)等聚合物，以阻止正面金属在沉积的时候落入孔内而引起很大的波导损耗(参考：H.Hofmann，te al，Appl.Phys.Lett.，2007，90，121135-1-3和L.Zhu，et al，Appl.Phys.Lett.，2007，90，261116-1-3)；二是：延埋性二维光子晶体分布反馈结构，即光子晶体点阵刻蚀于分别限制波导层中，如QCL结构中的InGaAs上波导层，再二次外延半导体盖层和接触层(参考：Y.Bai，et al，Appl.Phys.Lett.，2007，91，141123-1-3)。如此设计点阵结构不用再考虑后续工艺正面金属电极所引起的损耗。

关于光子晶体点阵的制备，目前国际上的主流方法是电子束曝光技术。对于二维分布反馈光子晶体激光器，为了弱折射率耦合的情况下提供足够大的分布反馈强度，必须要有足够大的二维光子晶体点阵，一般单个器件尺寸在100×500μm²以上。而电子束曝光作为精密度很高的制备技术，制备如此大面积的光子晶体点阵将花费数个小时，制备成本很高。另外，大面积曝光本身对电子束曝光就是一个挑战，在保证图形中间的均匀有序外，还得保证边缘处图形的正确性。而全息曝光作为一种新兴的光子晶体制备技术-能够制备大面积无缺陷的光子晶体点阵，且具有低成本高效率等优点-正在得到广泛的关注和研究(参考：V.Berger，et al，J.Appl.Phys.1997，82，60-64和N.D.Lai，et al，2005，Opt.Express13，9605-9611)。各种大面积的二维和三维光子晶体点阵已经用这种方法制备出来。然而，目前鲜有关于用全息法来制备二维光子晶体激光器的报道，其原因不外乎一下两点：一是与电子束曝光技术相比，全息法不能任意定义图形的形状，除非结合两步激光扫描技术和二次光刻技术，否则无法制备点缺陷或者线缺陷的二维光子晶体；二是全息法是一种光学曝光，受光学衍射极限限制，其能得到的最小周期为激光波长的一半。对于常用的波长为441.6nm氦氖激光光源，能得到的最小波长为220.8nm，这已经小于或和红外和近红外二维光子晶体激光器的最小周期相当。然而中红外的二维光子晶体分布反馈量子级联激光器而言，光子晶体点阵属于无缺陷类型，最小的点阵周期大于500nm，以上的两点限制对中红外分布反馈激光器不复存在。故而，用全息法制备二维光子晶体将是斜腔面二维分布反馈中红外的量子级联激光器得到广泛应用的关键所在。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双光束全息多次曝光技术制作斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器(PhC-DFB QCLs)的方法，结合二次外延生长技术，将大面积均匀的光子晶体点阵成功的制备在中红外量子级联激光器的分别限制InGaAs波导层内，工艺简单，同时改善器件的性能，得到器件的电注入式、边发射的空间和频域单模工作。

具体的说，本发明提供一种斜腔面二维光子晶体分布反馈量子级联激光器，包括：

一InP衬底；

一InP波导限制层，该InP波导限制层制作在InP衬底上；

一InGaAs下波导层，该InGaAs下波导层制作在InP波导限制层上；

一应变补偿有源层，该应变补偿有源层制作在InGaAs下波导层上；

一InGaAs上波导层，该InGaAs上波导层制作在应变补偿有源层上；

一二维长方光子晶体点阵图形由干法刻蚀于InGaAs上波导层中，点阵周期方向与外延片解理边呈15°角度；

一InP盖层，该InP盖层制作在内含二维长方光子晶体点阵图形的InGaAs上波导层上；