量子级联激光器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种量子级联激光器及其制作方法，涉及激光器技术领域，量子级联激光器包括衬底层；下波导层，位于衬底层上；有源层，位于下波导层上，并包括多个注入层，位于下波导层上；以及多个发光层，发光层的电子由高能级向低能级跃迁，适用于激发电子产生激发光；其中，发光层和注入层相互交替周期层叠为级联结构，每个注入层抽取位于注入层上层的相邻发光层的低能级电子并将低能级电子输送至与注入层相邻的上一周期的发光层，以形成高能级电子，从而在属于相邻的两个周期的发光层之间运输电子；以及上波导层，位于发光层上，能够实现高集中的高能级电子数，从而实现大规模的高功率的量子级联的激光器。率的量子级联的激光器。率的量子级联的激光器。

【技术实现步骤摘要】
量子级联激光器及其制作方法


[0001]本专利技术涉及激光器
，尤其涉及一种量子级联激光器及其制作方法。

技术介绍

[0002]量子级联激光器是一种能够发射光谱在中红外和远红外频段激光的半导体激光器。随着高功率量子级联激光器的发展，在光谱的长波红外(LWIR，λ＝8
‑
12μm)区域，最近引起了人们的兴趣和研究。因为它与丰富的分子种类在此范围内具有吸收特性和低吸水性有关。这些特性允许红外光的远距离大气传输，能够应用于红外光谱、红外对抗、自由空间通信、化学和生物传感等方面。量子级联激光器是实现这些应用的最理想的单极量子器件。
[0003]尽管长波红外量子级联激光器发展迅速，但要满足大功率长波激光器的大规模生产还存在更多内在的技术挑战：首先，因为较高的纵向光学(LO)光子散射率导致光跃迁能量降低，因此上层激光能级的寿命下降，所以较大的粒子数反转更难实现；其次，从注入器直接到较低激光水平的泄漏的概率是同样高；第三，小光子能量导致低电压效率，光子能量降与整个结构的总能量降之比；最后，由于自由载流子吸收导致的波导损耗大致与光波长的平方成正比，波长越长其波导损耗越大，对于降低器件的性能影响越明显。此外，较厚的半导体有源层也将导致更具挑战性的材料生长，并且对势垒和阱成分、层厚度和异质界面质量的长时间的精确控制对于实现高性能量子级联激光器至关重要。

技术实现思路

[0004]针对于现有的技术问题，本专利技术提供一种量子级联激光器及其制作方法，用于至少部分解决以上技术问题。
[0005]本专利技术实施例提供一种量子级联激光器，包括：衬底层；下波导层，位于所述衬底层上；有源层，位于所述下波导层上，并包括：多个注入层，位于所述下波导层上；以及多个发光层，所述发光层的电子由高能级向低能级跃迁，适用于激发电子产生激发光；其中，所述发光层和所述注入层相互交替周期层叠为级联结构，每个所述注入层抽取位于所述注入层上层的相邻发光层的低能级电子并将所述低能级电子输送至与所述注入层相邻的上一周期的发光层，以形成高能级电子，从而在属于相邻的两个周期的发光层之间运输电子；以及上波导层，位于所述发光层上。
[0006]根据本公开的实施例，单个所述注入层和单个所述发光层层叠形成一个周期，有源层包括55个周期层叠而成，所述注入层和所述发光层均具有由量子垒层和量子阱层交替层叠形成的量子阱结构。
[0007]根据本公开的实施例，所述注入层和所述发光层均由包括In.Ga.As和In.Al.As的应变补偿体系材料层层交替叠加形成。
[0008]根据本公开的实施例，所述注入层包括多个注入量子阱层和多个注入量子垒层，所述注入量子阱层与所述注入量子垒层数量相等，且逐层交替层叠；所述注入层的多个注入量子阱层的厚度向着远离所述衬底层方向逐渐增大；所述注入层的多个注入量子垒层的
厚度向着远离所述衬底层方向逐渐减小，厚度为0.5nm～1.9nm。
[0009]根据本公开的实施例，所述发光层包括在远离衬底层的方向上逐层叠加的第二量子阱层、第二量子垒层、第一量子阱层和第一量子垒层。
[0010]根据本公开的实施例，所述第一量子垒层的厚度大于所述注入层的多个注入量子垒层的厚度；第一量子阱层的厚度小于第一量子垒层的厚度，并小于靠近所述衬底层的所述注入量子阱层的厚度；第二量子垒层的厚度为第一量子垒层的厚度的1/2以下；以及第二量子阱层的厚度比发光层中所含的量子阱层的平均层的厚度厚，且大于所述注入层的每个注入量子阱层的厚度，厚度为2.8nm～6.2nm。
[0011]根据本公开的实施例，所述有源层的每个周期靠近衬底层的注入量子阱层的厚度大于所述同周期与靠近衬底层的注入量子阱层相邻上层的注入量子阱层的厚度，并大于所述第一量子阱层的厚度。
[0012]本专利技术还提供了一种量子级联激光器的制作方法，包括：
[0013]S1、将衬底层放置在气相外延生长室内，在气相外延生长室内通入磷烷和三甲基铟利用气相外延生长技术在衬底层上生长下波导层；
[0014]S2、将气相外延生长室的温度升高至650
‑
750度，向气相外延生长室内分别通入三甲基镓和三甲基铝，维持通入三甲基镓和三甲基铝的流量恒定，有序控制通入三甲基镓和三甲基铝的时间，在下波导层上生长注入层和发光层，生长55周期之后停止通入三甲基镓和三甲基铝，生长形成有源层；
[0015]S3、将气相外延生长室的温度降温到600度，通入三甲基铟和磷烷并维持其流量恒定，在有源层上生长5个半小时形成上波导层；
[0016]S4、停止通入三甲基铟和磷烷，将气相外延生长室降温到室温。
[0017]根据本公开的实施例，在S2中，计算出有源层中每一层生长In0.581Ga0.429As所需通入三甲基镓的时间，以及每一层生长的In0.369Al0.631As所需通入三甲基铝的时间，根据有源层的各层顺序，有序切换通入三甲基镓和三甲基铝的时间。
[0018]根据本公开的实施例，所述气相外延生长室的生长环境为50
‑
100mbar的低压环境。
[0019]根据本专利技术提供的量子级联激光器，电子在非一量子阱且为相邻量子阱中的跃迁设计，即发光层的电子由高能级向低能级跃迁，注入层抽取位于注入层上层的相邻发光层的低能级电子并将所述低能级电子输送至输送注入层相邻发光层上一周期的发光层，以形成高能级电子，使高能级电子高度集中，从而实现高效电子数反转，能够实现高集中的高能级电子数，从而实现大规模的高功率的量子级联的激光器。
附图说明
[0020]图1是根据本专利技术实施例的量子级联激光器的结构示意图；
[0021]图2是根据本专利技术实施例的量子级联激光器的能级图；
[0022]图3(a)是根据本专利技术实施例的量子级联激光器的有源层的高分辨率衍射峰图；
[0023]图3(b)是3(a)中虚线框部分的放大图；
[0024]图4(a)是根据本专利技术实施例的量子级联激光器的有源层测试区域为5μm
×
5μm的原子力显微镜扫描图像；以及
[0025]图4(b)是根据本专利技术实施例的量子级联激光器的有源层测试区域为1μm
×
1μm的原子力显微镜扫描图像。
[0026]附图标记
[0027]1、衬底层；
[0028]2、下波导层；
[0029]3、有源层；
[0030]31、注入层；
[0031]311、注入量子垒层；312、注入量子阱层；
[0032]32、发光层；
[0033]321、第一量子垒层；322、第一量子阱层；323、第二量子垒层；324、第二量子阱层；
[0034]4、上波导层；
[0035]5、低能级；
[0036]6、高能级；
[0037]7、寄生能级。
具体实施方式
[0038]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种量子级联激光器，其特征在于，包括：衬底层(1)；下波导层(2)，位于所述衬底层(1)上；有源层(3)，位于所述下波导层(2)上，并包括：多个注入层(31)，位于所述下波导层(2)上；以及多个发光层(32)，所述发光层(32)的电子由高能级向低能级跃迁，适用于激发电子产生激发光；其中，所述发光层(32)和所述注入层(31)相互交替周期层叠为级联结构，每个所述注入层(31)抽取位于所述注入层(31)上层的相邻发光层(32)的低能级电子并将所述低能级电子输送至与所述注入层(31)相邻的上一周期的发光层(32)，以形成高能级电子，从而在属于相邻的两个周期的发光层(32)之间运输电子；以及上波导层(4)，位于所述发光层(32)上。2.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其特征在于，单个所述注入层(31)和单个所述发光层(32)层叠形成一个周期，有源层(3)包括55个周期层叠而成，所述注入层(31)和所述发光层(32)均具有由量子垒层和量子阱层交替层叠形成的量子阱结构。3.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其特征在于，所述注入层(31)和所述发光层(32)均由包括In0.581Ga0.429As和In0.369Al0.631As的应变补偿体系材料层层交替叠加形成。4.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其特征在于，所述注入层(31)包括多个注入量子阱层(312)和多个注入量子垒层(311)，所述注入量子阱层(312)与所述注入量子垒层(311)数量相等，且逐层交替层叠；所述注入层(31)的多个注入量子阱层(312)的厚度向着远离所述衬底层(1)方向逐渐增大；所述注入层(31)的多个注入量子垒层(311)的厚度向着远离所述衬底层(1)方向逐渐减小，厚度为0.5nm～1.9nm。5.根据权利要求4所述的量子级联激光器，其特征在于，所述发光层(32)包括在远离衬底层(1)的方向上逐层叠加的第二量子阱层(324)、第二量子垒层(323)、第一量子阱层(322)和第一量子垒层(321)。6.根据权利要求5所述的量子级联激光器，其特征在于，所述第一量子垒层(321)的厚度大于所述注入层(31)的多个注入量子垒层(311)的厚度；第一量子阱层...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟慎强，孙永强，费腾，张锦川，刘俊岐，刘峰奇，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：