CN113675723B - 连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法 - Google Patents

连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113675723B
CN113675723B CN202110971500.XA CN202110971500A CN113675723B CN 113675723 B CN113675723 B CN 113675723B CN 202110971500 A CN202110971500 A CN 202110971500A CN 113675723 B CN113675723 B CN 113675723B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
microcavity
semi
waveguide layer
upper waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110971500.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113675723A (zh
Inventor
郭强强
张锦川
刘峰奇
刘俊岐
卓宁
翟慎强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Institute of Semiconductors of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Institute of Semiconductors of CAS
Priority to CN202110971500.XA priority Critical patent/CN113675723B/zh
Publication of CN113675723A publication Critical patent/CN113675723A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113675723B publication Critical patent/CN113675723B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1042—Optical microcavities, e.g. cavity dimensions comparable to the wavelength
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
    • H01S5/0282—Passivation layers or treatments
    • H01S5/0283—Optically inactive coating on the facet, e.g. half-wave coating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2009—Confining in the direction perpendicular to the layer structure by using electron barrier layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本公开提供了一种连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法，该激光器包括：衬底；微腔，包括：下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和半绝缘InP：Fe层；上波导层内设有一凹槽，半绝缘InP：Fe层形成于上波导层的凹槽中；正面电极；背面电极；钝化层，形成于微腔的裸露区域。本公开提供的激光器利用半绝缘InP：Fe层的高阻特性在保持模式增益不变的情况下，降低输入电流，提高电光转化效率，从而降低工作温度；并利用半绝缘InP：Fe层与上波导层折射率相近的特性以及较低的损耗，保证微腔的模式分布，从而保证微腔的品质因子；在微腔的裸露区域覆盖钝化层，限制微腔侧壁表面态热激活导致的电流泄漏。

Description

连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法
技术领域
本公开涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法。
背景技术
半导体微腔激光器具有低光学损耗和微尺寸的特点，因而是一种低阈值和窄线宽器件，其不仅适用于高密度光电子集成，而且适用于混沌动力学和非线性光学过程等基础物理研究。WGM(Whispering Gallery Mode，耳语回廊模式)谐振器是基于腔体边界的全内反射，可以通过完美的旋转对称腔获得极高的光学限制和品质因子(Q因子)。但是，在这种情况下，WGM仅能通过低效的且各向同性的倏逝波耦合输出，这导致极低的输出光功率以及各向同性的远场轮廓。为了克服该缺点并实现定向光发射，已经提出耦合腔或波导和变形腔来破坏谐振器的对称性。其中，前者需要仔细对准和极高的加工精度，后者则面临Q因子随着形变量的增加而急剧下降的问题。
在首次报道带间半导体微腔激光器之后，很快就结合中红外QCL(QuantumCascade Laser，量子级联激光器)对WGM谐振器进行了研究，并随后在太赫兹QCL上对其进行了展示。QCL作为基于导带内子带间跃迁的单极型半导体激光器，可抑制载流子传输过程中的表面复合，并且其固有的横向磁场(TM，Transverse Magnetic)极化特性可防止任何垂直于微腔的辐射损耗。相较于近红外波段，QCL具有较长的激射波长，微腔侧壁的粗糙度散射损耗将大大降低，这对于高Q因子微腔的制备极其有利。到目前为止，变形的微腔已在中红外QCL得到证明，如螺旋型微腔、蜗线型微腔和缺口椭圆型微腔。其中，缺口椭圆型QCL同时兼具高Q因子和高度的单向光发射，水平光束发散角小至6°，室温下的峰值光功率达到5mW。然而，相较于常规二极管激光器，QCL热耗散功率密度高出一个数量级，这给器件散热带来很大的困难；并且多层超晶格结构所构成的有源区纵向热导率极低，目前所报道微腔QCL的连续波(Continuous Waves，CW)最高工作温度仍然仅限于液氮可控(125K)，这一工作温度将微腔QCL系统限制在实验室环境，是其实现紧凑便携式系统绊脚石。
因此，在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中没有能够将QCL最高CW工作温度提高到室温以上的解决方法。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法，以期至少部分解决上述提及的技术问题之一。
本公开的一个方面提供了一种连续激射的微腔量子级联激光器，包括：
衬底；
微腔，形成于上述衬底上，其中，上述微腔由下至上依次包括：下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和半绝缘InP:Fe层；其中，上述上波导层内设有一凹槽；其中，上述半绝缘InP:Fe层形成于上述上波导层的上述凹槽中；其中，上述半绝缘InP:Fe层的折射率与上述上波导层的折射率相差小于1％；
正面电极，形成于上述上波导层的除上述半绝缘InP:Fe层外的裸露区域和上述半绝缘InP:Fe层上；
背面电极，形成于上述衬底的背面；
钝化层，形成于上述微腔的裸露区域。
根据本公开的实施例，上述凹槽的深度小于或等于上述上波导层的厚度。
根据本公开的实施例，上述半绝缘InP:Fe层的电阻率包括1×105Ω·cm～1×107Ω·cm。
根据本公开的实施例，上述半绝缘InP:Fe层的横截面形状与微腔的模式分布相匹配。
根据本公开的实施例，上述钝化层的材质包括二氧化硅；上述钝化层的厚度包括300nm～500nm。
根据本公开的实施例，上述上波导层包括第一上波导层、第二上波导层、第三上波导层中的至少一种；
其中，上述第一上波导层包括n型掺杂的InP层；
上述第一上波导层的掺杂浓度包括1×1016cm-3～3×1016cm-3；
上述第一上波导层的厚度包括1μm～3.5μm；
其中，上述第二上波导层包括n型掺杂的浓度线性渐变InP层；
上述第二上波导层的掺杂浓度与上述第二上波导层的厚度呈线性渐变；
其中，上述第三上波导层包括n型掺杂的InP层；
上述第三上波导层的掺杂浓度包括1×1018cm-3～5×1018cm-3InP；
上述第三上波导层的厚度包括0.1μm～1μm。
根据本公开的实施例，上述有源层包括多个InGaAs/InAlAs堆叠层；其中，上述InGaAs/InAlAs堆叠层的重复周期包括20～60；其中，上述有源层的激射波长包括4μm～20μm。
根据本公开的实施例，上述衬底为InP层，掺杂浓度包括1×1017cm-3～5×1018cm-3；
上述下波导层包括n型掺杂的InP层；
上述下波导层的掺杂浓度包括1×1016cm-3～6×1016cm-3；
上述下波导层的厚度包括1μm～5μm；
上述下限制层包括n型掺杂的InGaAs层；
上述下限制层的掺杂浓度包括1×1016cm-3～6×1016cm-3；
上述下限制层的厚度包括100nm～500nm；
上述上限制层包括n型掺杂的InGaAs层；
上述上限制层的掺杂浓度包括1×1016cm-3～6×1016cm-3；
上述上限制层的厚度包括100nm～500nm。
根据本公开的实施例，上述背面电极材料为Ge/Au/Ni/Au；
上述正面电极材料为Ti/Au。
本公开的另一个方面提供了一种连续激射的微腔量子级联激光器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底的正面自下而上依次形成下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和图形化的第一掩膜层；
以上述第一掩膜层为掩膜刻蚀上述上波导层，形成凹槽；
在上述上波导层的凹槽中填埋半绝缘InP:Fe层；
在上述上波导层和上述半绝缘InP:Fe层上形成图形化的第二掩膜层；
以上述第二掩膜层为掩膜刻蚀上述上波导层、上述有源层、上述下限制层以及上述下波导层，刻蚀至裸露出上述下波导层，形成微腔；
在上述微腔的裸露区域形成钝化层；
刻蚀上述上波导层的除上述半绝缘InP:Fe层外的裸露区域和上述半绝缘InP:Fe层上的上述钝化层；
在上述上波导层的除上述半绝缘InP:Fe层外的裸露区域和上述半绝缘InP:Fe层上制备正面电极；
在上述衬底的背面制备背面电极。
对于上述技术方案，相比于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中的一部分。
(1)由于在激光器的上波导层内填埋半绝缘InP:Fe，利用半绝缘InP:Fe的高阻特性，划分加电区域，因此，在保证模式增益不变的情况下，能够显著减少注入电流，提高电光转化效率，从而降低激光器产热，并且半绝缘InP:Fe具有同上波导相近的折射率，且损耗较低，能够最大限度保留原始激光器的模式分布，从而保证微腔的品质因子。
(2)由于激光器的微腔的裸露区域覆盖有钝化层，限制了微腔侧壁由于表面态热激活而产生的电流泄露。
综上所述，与相关技术相比，本公开提供的微腔量子级联激光器能够实现在室温及以上的温度连续激射的工作效果。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的一种连续激射的微腔量子级联激光器的立体示意图；
图2示意性示出了图1中连续激射的微腔量子级联激光器的竖截面示意图；
图3示意性示出了图1中连续激射的微腔量子级联激光器的载流子分布示意图；
图4示意性示出了一种微腔量子级联激光器的二维光场分布图；
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的一种带有半绝缘InP:Fe层的连续激射的微腔量子级联激光器的二维光场分布图；
图6示意性示出了根据本公开另一实施例的一种连续激射的微腔量子级联激光器的上限制层与有源层界面的电压分布随半绝缘InP:Fe层半径变化的示意图；
图7示意性示出了图6中连续激射的微腔量子级联激光器的工作电流和最高工作温度随半绝缘InP:Fe层半径变化的示意图；以及
图8示意性示出了根据本公开另一实施例的连续激射的微腔量子级联激光器的制备方法的流程图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1、衬底；2、下波导层；3、下限制层；4、有源层；5、上限制层；6、上波导层；7、钝化层；8、半绝缘InP:Fe层；9、正面电极；10、背面电极；11、微腔。
具体实施方式
对于中红外微腔QCL，限制激光器性能的主要因素有两个方面，一是有源层是由InGaAs/InAlAs量子阱垒交替生长的多层超晶格结构，一般超过30个重复周期，厚度超过2μm，纵向导热性能极差，热积累严重；二是极高的工作电压以及极低的电光转化效率，导致连续工作时激光器产热严重。本公开一方面基于WGM分布特性，在微腔QCL上波导层内部特定区域挖孔并填埋半绝缘InP:Fe，利用半绝缘InP:Fe的高阻特性，严格划分加电区域，在保证模式增益不变的情况下，显著减少注入电流，从而降低激光器产热；半绝缘InP:Fe具有同上波导相近的折射率以及较低的损耗，能够最大限度保留原始激光器的场分布，从而保证微腔的品质因子；另一方面采用二氧化硅作为钝化层，限制由于表面态热激活而导致的腔体侧壁电流泄漏，最终实现微腔量子级联激光器在室温及以下的温度连续激射。
下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本公开，而非对本公开的限定，实施例中记载的各个特征可进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分而非全部结构。
本公开提供了一种连续激射的微腔量子级联激光器，可以包括：
衬底；
微腔，形成于衬底上，其中，微腔由下至上依次包括：下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和半绝缘InP:Fe层；其中，上波导层内设有一凹槽；其中，半绝缘InP:Fe层形成于上波导层的凹槽中；其中，半绝缘InP:Fe层的折射率与上波导层的折射率相差小于1％；
正面电极，形成于上波导层的除半绝缘InP:Fe层外的裸露区域和半绝缘InP:Fe层上；
背面电极，形成于衬底的背面；
钝化层，形成于微腔的裸露区域。
根据本公开的实施例，组成微腔的各层的横截面形状和尺寸相同。
根据本公开的实施例，一方面，由于在激光器的上波导层内填埋半绝缘InP:Fe，利用半绝缘InP:Fe的高阻特性，划分加电区域，因此，在保证模式增益不变的情况下，能够显著减少注入电流，提高电光转化效率，从而降低激光器产热，并且半绝缘InP:Fe具有同上波导相近的折射率，且损耗较低，能够最大限度保留原始激光器的模式分布，从而保证微腔的品质因子；另一方面，由于激光器的微腔的裸露区域覆盖有钝化层，限制了微腔侧壁由于表面态热激活而产生的电流泄露。
根据本公开的实施例，与相关技术相比，本公开提供的微腔量子级联激光器能够实现在室温及以上的温度连续激射的工作效果。
根据本公开的实施例，凹槽的深度小于或等于上述上波导层的厚度。
根据本公开的实施例，凹槽深度过小，会使形成于凹槽中的半绝缘InP:Fe层的厚度过小，导致半绝缘InP:Fe层限制电流的效果较低，从而导致激光器电流过大而导致激光器发热严重。
根据本公开的实施例，凹槽深度超过上波导层，由于半绝缘InP:Fe层折射率与有源区相差较大，会导致模式损耗严重增大。
根据本公开的实施例，凹槽的深度适宜与上波导层的厚度相同，即半绝缘InP:Fe层能够与上限制层直接接触，此时在保证模式损耗不变的情况下，达到最佳电流限制效果，降低激光器产生的热量。
根据本公开的实施例，半绝缘InP:Fe层和上波导层的折射率相差小于1％，能够降低损耗，并降低半绝缘InP:Fe层对微腔的影响，从而能够保证模式增益不变的情况下，保证微腔的品质因子不受半绝缘InP:Fe层的影响。
根据本公开的实施例，半绝缘InP:Fe层的电阻率可以包括1×105Ω·cm～1×107Ω·cm。
根据本公开的实施例，利用半绝缘InP:Fe的高阻特性，划分加电区域，在保证模式增益不变的情况下，能够显著减少注入电流，从而降低激光器产热；若半绝缘InP:Fe层电阻率过小，则达不到限制输入电流的作用，从而导致激光器容易发热。综合考虑，半绝缘InP:Fe层的电阻率适宜为1×105Ω·cm～1×107Ω·cm。
根据本公开的实施例，半绝缘InP:Fe层的横截面形状可以是多边形、圆形、椭圆形中的其中之一。
根据本公开的实施例，所述半绝缘InP:Fe层的横截面形状与微腔的模式分布相匹配。例如，当半绝缘InP:Fe层的横截面形状为椭圆形时，微腔的工作模式同样为椭圆形的耳语回廊模式，且该工作模式能够基于全内反射沿微腔与半绝缘InP:Fe层间的间隙进行传输。
根据本公开的实施例，半绝缘InP:Fe层的横截面形状与微腔的横截面形状可以根据工作状态的不同而进行相应的改变，例如可以同为圆形，也可以同为矩形；还可以是不同的形状，例如半绝缘InP:Fe层的横截面形状为圆形，微腔的横截面形状为正方形。在此不再赘述。
根据本公开的实施例，半绝缘InP:Fe材料本身具有较好的导热性能，从而使激光器不会产生大量的热。
根据本公开的实施例，由于半绝缘InP:Fe层与上波导层的折射率相近，所以能够降低激光器的损耗，并能够最大限度保留激光器的原始场分布，从而保证微腔的品质因子。
根据本公开的实施例，钝化层的材料可以包括二氧化硅；钝化层的厚度可以包括300nm～500nm。
根据本公开的实施例，钝化层的材质适宜为二氧化硅，厚度可以是300nm、350nm、400nm；其中，钝化层的厚度适宜为450nm。
根据本公开的实施例，若钝化层的厚度较薄，则限制微腔侧壁电流泄露的作用较低，进而导致电光转化效率较低，并最终导致激光器在较高电压下工作时会产生较多的热量；若钝化层的厚度过大，则会降低激光器的散热能力。
根据本公开的实施例，上波导层可以包括第一上波导层、第二上波导层、第三上波导层中的至少一种；
其中，第一上波导层可以包括n型掺杂的InP层；
第一上波导层的掺杂浓度可以包括1×1016cm-3～3×1016cm-3；
第一上波导层的厚度可以包括1μm～5μm；
其中，第二上波导层可以包括n型掺杂的浓度线性渐变InP层；
第二上波导层的掺杂浓度与第二上波导层的厚度呈线性渐变；
其中，第三上波导层可以包括n型掺杂的InP层；
第三上波导层的掺杂浓度可以包括3×1018cm-3～5×1018cm-3InP；
第三上波导层的厚度可以包括0.1μm～1μm。
根据本公开的实施例，第一上波导层为n型低掺杂的InP层，第三上波导层为n型高掺杂的InP层。
根据本公开的实施例，有源层可以包括多个InGaAs/InAlAs堆叠层；其中，InGaAs/InAlAs堆叠层的重复周期可以包括20～60；其中，有源层的激射波长可以包括4μm～20μm。
根据本公开的实施例，衬底为InP层，掺杂浓度可以包括1×1017cm-3～5×1018cm-3；
下波导层可以包括n型掺杂的InP层；
下波导层的掺杂浓度可以包括1×1016cm-3～6×1016cm-3；
下波导层的厚度可以包括1μm～5μm；
下限制层可以包括n型掺杂的InGaAs层；
下限制层的掺杂浓度可以包括1×1016cm-3～6×1016cm-3；
下限制层的厚度可以包括100nm～500nm；
上限制层可以包括n型掺杂的InGaAs层；
上限制层的掺杂浓度可以包括1×1016cm-3～6×1016cm-3；
上限制层的厚度可以包括100nm～500nm。
根据本公开的实施例，背面电极材料可以为Ge/Au/Ni/Au；
正面电极材料可以为Ti/Au。
根据本公开的实施例，正面电极上同时覆盖在上波导层的除半绝缘InP:Fe层外的裸露区域和半绝缘InP:Fe层上，能够保证电流沿着上波导层输入到微腔内，从而保证激光器的正常工作。
本公开还提供了一种连续激射的微腔量子级联激光器的制备方法，可以包括如下步骤：
在衬底的正面自下而上依次形成下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和图形化的第一掩膜层；
以第一掩膜层为掩膜刻蚀上波导层，形成凹槽；
在上波导层的凹槽中填埋半绝缘InP:Fe层；
在凹槽型的上波导层和半绝缘InP:Fe层上形成图形化的第二掩膜层；
以第二掩膜层为掩膜刻蚀具有凹槽的上波导层、有源层、下限制层以及下波导层，刻蚀至裸露出下波导层，形成微腔；
在微腔的裸露区域形成钝化层；
刻蚀上波导层的除半绝缘InP:Fe层外的裸露区域和半绝缘InP:Fe层上的钝化层；
在上波导层的除半绝缘InP:Fe层外的裸露区域和半绝缘InP:Fe层上制备正面电极；
在衬底的背面制备背面电极。
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。
实施例1
图1示意性示出了根据本公开实施例的连续激射的微腔量子级联激光器的立体示意图；图2示意性示出了图1中连续激射的微腔量子级联激光器的竖截面示意图。
如图1和图2所示，连续激射的微腔量子级联激光器自下而上依次为背面电极10，衬底1，下波导层2，下限制层3，有源层4，上限制层5，上波导层6，半绝缘InP:Fe层8，正面电极9，钝化层7。其中，下波导层2，下限制层3，有源层4，上限制层5，上波导层6，半绝缘InP:Fe层8共同构成微腔11。
如图1和图2所示，微腔11的横截面形状与正面电极9的形状均为圆形，且微腔11的半径为80μm，半绝缘InP:Fe层8也为圆形，且半径为70μm；正面电极9同时覆盖在上波导层6的除半绝缘InP:Fe层8外的裸露区域和半绝缘InP:Fe层8上。
根据本公开的实施例，背面电极的材料适宜为Ge/Au/Ni/Au，正面电极的材料适宜为Ti/Au。
根据本公开的实施例，衬底的材料适宜为InP，掺杂浓度适宜为2×1017cm-3。
根据本公开的实施例，下波导层的材料适宜为n型InP，掺杂浓度适宜为4×1016cm-3，厚度适宜为4μm。
根据本公开的实施例，下限制层的材料适宜为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度适宜为6×1016cm-3，厚度适宜为200nm。
根据本公开的实施例，有源层可以由30个重复周期的InGaAs/InAlAs堆叠层堆叠而成。
根据本公开的实施例，上限制层的材料适宜为n型掺杂的InGaAs，掺杂浓度适宜为4×1016cm-3，厚度适宜为300nm。
根据本公开的实施例，上波导层的材料适宜为n型掺杂的InP，第一上波导层厚度适宜为3.5μm，厚掺杂浓度适宜为3×1016cm-3；第二上波导层的厚度适宜为0.2μm掺杂浓度与其厚度呈线性渐变趋势；第三上波导层的厚度适宜为0.3μm，掺杂浓度适宜为5×1018cm-3。
根据本公开的实施例，上波导层中间的凹槽深度适宜为4μm，即凹槽底部裸露出上限制层。
根据本公开的实施例，半绝缘InP:Fe层的电阻率越大限制电流的效果越好，本公开中半绝缘InP:Fe层的电阻率适宜为1×106Ω·cm，其厚度适宜为4μm，即半绝缘InP:Fe层与上限制层直接接触，横截面形状适宜为圆形，半绝缘InP:Fe层的半径适宜为70μm。
根据本公开的实施例，钝化层的材料适宜为二氧化硅，其厚度适宜为450nm。
图3示意性示出了图1中连续激射的微腔量子级联激光器的载流子分布示意图。
如图1和3所示，在10V电压的工作状态下，由于半绝缘InP:Fe层8的高阻特性，载流子被限制在仅通过上波导层6的除半绝缘InP:Fe层外的区域向下传输，说明半绝缘InP:Fe层具有显著的分压效果，达到了限制电流的作用；并且由于在微腔11的裸露区域覆盖钝化层的作用，限制了电流从微腔11侧壁泄露，提高了电光转化效率。
图4示意性示出了一种微腔量子级联激光器的二维光场分布图。
如图4所示，微腔11的俯视图的形状为一带有缺口的椭圆环形，耳语回廊模式基于全内反射沿微腔边缘传输，Q因子＞105。
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的一种带有半绝缘InP:Fe层的连续激射的微腔量子级联激光器的二维光场分布图。
如图5所示，微腔11的俯视图的形状为一带有缺口的椭圆环形，其中，在填埋半绝缘InP:Fe层8的作用下，耳语回廊模式基于全内反射沿微腔11的间隙传输，Q因子约为105。
根据本公开的实施例，半绝缘InP:Fe层8的横截面形状及尺寸与微腔的耳语回廊模式相匹配，能够保证模式增益基本不变，从而保证激光器的整体性能基本不变。
图6示意性示出了另一实施例的连续激射的微腔量子级联激光器的上限制层与有源层界面的电压分布随半绝缘InP:Fe层半径变化的示意图；以及图7示意性示出了图6中的连续激射的微腔量子级联激光器的工作电流和最高工作温度随半绝缘InP:Fe层半径变化的示意图。
如图6所示，描述了横截面形状为圆形半绝缘InP:Fe层的半径尺寸对微腔的横截面形状为圆形的激光器的上限制层与有源层相接触的界面处的电压的影响。其中，图6中的横坐标示意，0μm代表界面的中心位置，-80μm或80μm代表的是距离界面中心位置最远处的界面的边缘位置。当输入电压为10V，且微腔的横截面半径尺寸为80μm时，上限制层与有源层相接触的界面处的电压，距离界面中心越近上限制层与有源层相接触的界面处的电压越大，且随着半绝缘InP:Fe层半径的不断增加，该界面处的电压也越来越高。当在半绝缘InP:Fe层的半径达到70μm时，此时半绝缘InP:Fe层的外边缘与微腔的外边缘之间的距离为10μm，位于中心位置的界面处的电压接近9V，说明半绝缘InP:Fe层的分压效果十分显著。
如图7所示，随着半绝缘InP:Fe层半径的不断增加，注入该激光器的电流不断减小，温度也逐渐降低。当半绝缘InP:Fe层半径达到70μm时电流低于400mA，激光器最高工作温度低于390K。随半绝缘InP:Fe层半径增大，最高工作温度差值超过80K。最终实现在保证激光器模式增益不变的情况下，显著减少注入电流，从而降低激光器产生较多的热量。
实施例2
图8示意性示出了根据本公开另一实施例的连续激射的微腔量子级联激光器的制备方法的流程图。
如图8所示，连续激射的微腔量子级联激光器的制备方法的步骤可以包括：
步骤S701：在衬底的正面自下而上依次形成下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层。
根据本公开的实施例，在上波导层上形成第一二氧化硅层，然后在该第一二氧化硅层上通过光刻掩膜技术形成图形化的第一光刻胶，之后以该图形化的第一光刻胶为掩膜刻蚀第一二氧化硅层，去除图形化的第一光刻胶，最终在上波导层上形成图形化的第一掩膜层。
步骤S702：在上波导层中形成凹槽。
根据本公开的实施例，以图形化的第一掩膜层为掩膜腐蚀上波导层至裸露出上限制层，形成凹槽。并去除第一掩膜层。
步骤S703：在上波导层的凹槽中生长半绝缘InP:Fe层。
根据本公开的实施例，在上波导层的凹槽中生长半绝缘InP:Fe层，直至半绝缘InP:Fe层厚度与上波导层的高度相差±0.5μm，最终在凹槽中形成半绝缘InP:Fe层。
步骤S704：在具有凹槽的上波导层和半绝缘InP:Fe层上形成图形化的第二掩膜层；以第二掩膜层为掩膜刻蚀具有凹槽的上波导层、有源层、下限制层以及下波导层，刻蚀至超过下限制层，形成微腔。
根据本公开的实施例，在上波导层和半绝缘InP:Fe层上形成第二二氧化硅层，并在该第二二氧化硅层上行形成图形化的第二光刻胶，以该图形化的第二光刻胶为掩膜刻蚀该第二二氧化硅层，形成图形化的第二掩膜层，之后以该第二掩膜层为掩膜自上而下依次刻蚀上波导层、有源层、下限制层以及下波导层，刻蚀至超过下限制层，去除第二掩膜层，形成微腔。
步骤S705：在微腔的裸露区域形成钝化层；
步骤S706：通过光刻掩膜技术除去微腔顶部的钝化层，然后在上波导层的除半绝缘InP:Fe层外的裸露区域和半绝缘InP:Fe层上采用带胶剥离技术制备正面电极；将衬底减薄，抛光，并在衬底的背面蒸发背面电极，最终完成连续激射的微腔量子级联激光器的制备。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连续激射的微腔量子级联激光器，其特征在于，包括：
衬底；
微腔，形成于所述衬底上，其中，所述微腔由下至上依次包括：下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和半绝缘InP：Fe层；其中，所述上波导层内设有一凹槽；其中，所述半绝缘InP：Fe层形成于所述上波导层的所述凹槽中；其中，所述半绝缘InP：Fe层的折射率与所述上波导层的折射率相差小于1％；
正面电极，形成于所述上波导层的除所述半绝缘InP：Fe层外的裸露区域和所述半绝缘InP：Fe层上；
背面电极，形成于所述衬底的背面；
钝化层，形成于所述微腔的裸露区域。
2.根据权利要求1所述的连续激射的微腔量子级联激光器，其特征在于，所述凹槽的深度小于或等于所述上波导层的厚度。
3.根据权利要求1所述的连续激射的微腔量子级联激光器，其特征在于，所述半绝缘InP：Fe层的电阻率包括1×105Ω·cm～1×107Ω·em。
4.根据权利要求1所述的连续激射的微腔量子级联激光器，其特征在于，所述半绝缘InP：Fe层的横截面形状与微腔的模式分布相匹配。
5.根据权利要求1所述的连续激射的微腔量子级联激光器，其特征在于，所述钝化层的材质包括二氧化硅；所述钝化层的厚度包括300nm～500nm。
6.根据权利要求1所述的连续激射的微腔量子级联激光器，其特征在于，所述上波导层包括第一上波导层、第二上波导层、第三上波导层中的至少一种；
其中，所述第一上波导层包括n型掺杂的InP层；
所述第一上波导层的掺杂浓度包括1×1016cm-3～3×1016cm-3；
所述第一上波导层的厚度包括1μm～3.5μm；
其中，所述第二上波导层包括n型掺杂的浓度线性渐变InP层；
所述第二上波导层的掺杂浓度与所述第二上波导层的厚度呈线性渐变；
其中，所述第三上波导层包括n型掺杂的InP层；
所述第三上波导层的掺杂浓度包括1×1018cm-35×1018cm-3InP；
所述第三上波导层的厚度包括0.1μm～1μm。
7.根据权利要求1所述的连续激射的微腔量子级联激光器，其特征在于，所述有源层包括多个InGaAs/InAlAs堆叠层；其中，所述InGaAs/InAlAs堆叠层的重复周期包括20～60；其中，所述有源层的激射波长包括4μm～20μm。
8.根据权利要求1所述的连续激射的微腔量子级联激光器，其特征在于，
所述衬底为InP层，掺杂浓度包括1×1017cm-3～5×1018cm-3；
所述下波导层包括n型掺杂的InP层；
所述下波导层的掺杂浓度包括1×1016cm-3～6×1016cm-3；
所述下波导层的厚度包括1μm～5μm；
所述下限制层包括n型掺杂的InGaAs层；
所述下限制层的掺杂浓度包括1×1016cm-3～6×1016cm-3；
所述下限制层的厚度包括100nm～500nm；
所述上限制层包括n型掺杂的InGaAs层；
所述上限制层的掺杂浓度包括1×1016cm-3～6×1016cm-3；
所述上限制层的厚度包括100nm～500nm。
9.根据权利要求1所述的连续激射的微腔量子级联激光器，其特征在于，
所述背面电极材料为Ge/Au/Ni/Au；
所述正面电极材料为Ti/Au。
10.一种如权利要求1至9中任一项所述的连续激射的微腔量子级联激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底的正面自下而上依次形成下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层和图形化的第一掩膜层；
以所述第一掩膜层为掩膜刻蚀所述上波导层，形成凹槽；
在所述上波导层的凹槽中填埋半绝缘InP：Fe层；
在所述上波导层和所述半绝缘InP：Fe层上形成图形化的第二掩膜层；
以所述第二掩膜层为掩膜刻蚀所述上波导层、所述有源层、所述下限制层以及所述下波导层，刻蚀至裸露出所述下波导层，形成微腔；
在所述微腔的裸露区域形成钝化层；
刻蚀所述上波导层的除所述半绝缘InP：Fe层外的裸露区域和所述半绝缘InP：Fe层上的所述钝化层；
在所述上波导层的除所述半绝缘InP：Fe层外的裸露区域和所述半绝缘InP：Fe层上制备正面电极；
在所述衬底的背面制备背面电极。
CN202110971500.XA 2021-08-23 2021-08-23 连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法 Active CN113675723B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110971500.XA CN113675723B (zh) 2021-08-23 2021-08-23 连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110971500.XA CN113675723B (zh) 2021-08-23 2021-08-23 连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113675723A CN113675723A (zh) 2021-11-19
CN113675723B true CN113675723B (zh) 2023-07-28

Family

ID=78545249

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110971500.XA Active CN113675723B (zh) 2021-08-23 2021-08-23 连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113675723B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102570286A (zh) * 2012-03-21 2012-07-11 中国工程物理研究院应用电子学研究所 具有高度致密钝化层半导体激光器的制备方法
CN105244761A (zh) * 2015-10-27 2016-01-13 中国科学院半导体研究所 量子级联激光器相干阵列结构、激光器及其制造方法
CN108493765A (zh) * 2018-03-13 2018-09-04 福建中科光芯光电科技有限公司 一种端面刻蚀半导体激光器的制备方法
CN211670427U (zh) * 2020-03-11 2020-10-13 福建中科光芯光电科技有限公司 光通信用掩埋结构高线性dfb激光器芯片

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008058435B4 (de) * 2008-11-21 2011-08-25 OSRAM Opto Semiconductors GmbH, 93055 Kantenemittierender Halbleiterlaser
US20210194216A1 (en) * 2019-12-24 2021-06-24 Array Photonics, Inc. Stacked semiconductor lasers with controlled spectral emission

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102570286A (zh) * 2012-03-21 2012-07-11 中国工程物理研究院应用电子学研究所 具有高度致密钝化层半导体激光器的制备方法
CN105244761A (zh) * 2015-10-27 2016-01-13 中国科学院半导体研究所 量子级联激光器相干阵列结构、激光器及其制造方法
CN108493765A (zh) * 2018-03-13 2018-09-04 福建中科光芯光电科技有限公司 一种端面刻蚀半导体激光器的制备方法
CN211670427U (zh) * 2020-03-11 2020-10-13 福建中科光芯光电科技有限公司 光通信用掩埋结构高线性dfb激光器芯片

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A groove GaInAsP laser on semi-insulating InP using a laterally diffused junction;Yu K等;《 IEEE Journal of Quantum Electronics》;第18卷(第5期);第817-819页 *
THz量子级联激光器的材料生长和器件制作;韩英军等;《第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集》;第11-12页 *
微纳光子学若干关键器件的理论与实验研究;魏巍等;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》(第03期);第I140-70页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113675723A (zh) 2021-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106848835B (zh) 一种基于表面光栅的dfb激光器
US6222866B1 (en) Surface emitting semiconductor laser, its producing method and surface emitting semiconductor laser array
JP4138629B2 (ja) 面発光型半導体素子及びその製造方法
US7697586B2 (en) Surface-emitting laser
US7638792B2 (en) Tunnel junction light emitting device
KR100623406B1 (ko) 수직 공동 표면 방출 레이저
US20060187997A1 (en) Vertical cavity surface emitting laser diode
EP1722265A1 (en) Photonic crystal semiconductor device and method for manufacturing same
US8716044B2 (en) Optical semiconductor device having ridge structure formed on active layer containing P-type region and its manufacture method
US20080219312A1 (en) Quantum cascade laser device
US6621843B2 (en) Long wavelength surface-emitting semiconductor laser device and method for manufacturing the same
CA2477541A1 (en) Hybrid vertical cavity laser with buried interface
JPH04276682A (ja) 半導体レーザとそれを有する装置とその製造方法
JP2022076016A (ja) エッチングされた平坦化ｖｃｓｅｌおよびその作製方法
US20120069862A1 (en) Semiconductor laser
JP2014170825A (ja) 量子カスケード半導体レーザ
JP2004281942A (ja) 表面発光型半導体レーザおよびその製造方法
US7418014B2 (en) Surface-emitting type semiconductor laser, and method for manufacturing the same, optical switch, and optical branching ratio variable element
CN113675723B (zh) 连续激射的微腔量子级联激光器及制备方法
JP6588837B2 (ja) 半導体光デバイス
JP2004103754A (ja) 面発光レーザ素子および面発光レーザモジュールおよび面発光レーザアレイおよび光伝送システム
KR100404043B1 (ko) 수직으로 집적화된 고출력 면발광 반도체 레이저 장치 및그 제조 방법
JP6737158B2 (ja) 量子カスケード半導体レーザ
WO2008114896A1 (en) High power single mode optical devices with s-bending ridge waveguide and fabrication method thereof
CN114552380A (zh) 谐振腔、激光单元及芯片和激光器及形成方法、激光雷达

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant