【技术实现步骤摘要】
本公开涉及半导体激光器，更具体地，涉及一种高功率窄线宽量子级联激光器及制备方法。
技术介绍
1、分布反馈量子级联激光器(dfb-qcl)是一种基于子带间跃迁的单极型窄线宽红外光源，被广泛应用于空间光通讯、医疗诊断、气体探测及红外成像等领域。据报导，dfb-qcl已经实现了瓦级室温连续功率输出，是远距离传输和高分辨率探测的主要红外光源。目前，dfb-qcl主要分为两种类型，分别是掩埋光栅型和表面光栅型。掩埋光栅型是将分布反馈布拉格光栅通过光刻腐蚀做在上限制层上，光栅离有源区比较近，耦合系数(κ)大，一般使用短腔形成合适的耦合强度(κl),使激光器腔内的光功率大部分分布在腔长的两端，尽可能地实现大功率边发射。而表面光栅型，是将dfb做在上波导层的表面或者侧壁上，光栅离有源区比较远，耦合系数(κ)小，需依赖长腔提供足够大的增益，满足激光器的大功率需求。
2、虽然掩埋型dfb-qcl能够实现瓦级室温连续功率输出，但其光栅耦合系数一般大于20，因此掩埋型dfb-qcl只有短腔时才能使耦合强度在1-2之间，但短腔又限制了其输出功率进一步增大的可能。而表面型dfb-qcl只能使用氧化硅工艺，即在脊两侧沉积生长氧化硅做绝缘层。考虑到氧化硅对长波吸收大，因此表面型dfb-qcl的有源区的脊宽较宽。一方面，在同等量级电注入下，表面型dfb-qcl有源区由于大量热积累，使有源区温度比掩埋型dfb-qcl有源区温度高100k以上。此外，氧化硅的导热系数略小于半绝缘inp，侧向散热弱于掩埋型器件；另一方面，宽脊波导难以实现基模传输，远场表现通
技术实现思路
1、有鉴于此，本公开实施例提供了一种高功率窄线宽量子级联激光器及制作方法。
2、本公开的一个方面提供了一种高功率窄线宽量子级联激光器，从下至上依次包括：背面电极、衬底、下波导层、下限制层、有源层、上限制层、上波导层、高掺层、氧化硅绝缘层和正面电极；其中，所述下波导层、所述下限制层、所述有源层、所述上限制层及所述上波导层的两侧被刻蚀形成单脊波导结构，所述下限制层、所述有源层及所述上限制层被刻蚀形成的两个侧壁刻蚀形成一阶侧壁光栅，所述单脊波导结构两侧被刻蚀形成的沟道外延生长了inp：fe半绝缘外延层。
3、根据本公开的实施例，所述背面电极的材料为ge/au/ni/au；所述衬底的材料为n型si掺杂的inp，掺杂浓度为2×1017cm-3，厚度为150nm；所述下波导层的材料为n型si掺杂的inp，掺杂浓度为8×1016cm-3，厚度为1.2μm；所述下限制层的材料为n型si掺杂的ingaas，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为300nm；所述有源层包括周期重复的ingaas和inalas的堆叠层，厚度包括2μm-3μm；所述上限制层的材料为si掺杂的ingaas，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为300nm；所述上波导层的材料为si掺杂的inp，掺杂浓度为3×1016cm-3，厚度为2.6μm；所述高掺层的材料为si掺杂的inp，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为400nm；所述正面电极的材料为ti/au，厚度为46nm和250nm。
4、根据本公开的实施例，所述有源层对应的激射波长为4-10μm。
5、根据本公开的实施例，所述一阶侧壁光栅的周期包括715nm-1660nm。
6、根据本公开的实施例，所述的单脊波导结构的脊宽包括4-12μm。
7、根据本公开的实施例，所述高功率窄线宽量子级联激光器腔长包括2-8mm。
8、根据本公开的实施例，所述一阶侧壁光栅的占空比为0.1-0.5，所述一阶侧壁光栅的长度为0.4-2μm。
9、根据本公开的实施例，所述高功率窄线宽量子级联激光器的前腔面设有增透膜，所述高功率窄线宽量子级联激光器的后腔面设有高反膜。
10、根据本公开的实施例，还包括：金刚石次热沉和铜热沉；所述正面电极基于铟焊层焊接在所述金刚石次热沉上；所述金刚石次热沉上焊接在所述铜热沉上。
11、本公开的另一方面提供了一种制作方法，应用于如第一方面所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，包括：在衬底上依次制备下波导层、下限制层、有源层、上限制层和上波导层备用；使用零摄氏度盐酸腐蚀所述上波导层至所述上限制层；通过化学气相沉积生长sio2用作硬掩模，使用电子束曝光结合干法刻蚀，在所述上制层、所述有源层和所述下限制层上定义并刻蚀出一阶侧壁光栅；通过金属有机化学气相沉积在所述一阶侧壁光栅两侧外延第一inp：fe半绝缘外延层，高度与所述上限制层一致；去除所述硬掩模，在所述上限制层和所述第一inp：fe半绝缘外延层上外延生长上波导层；在所述上波导层上沉积sio2，接触式光刻显影形成双沟图形，利用化学刻蚀所述上波导层两侧，使所述下波导层、所述下限制层、所述有源层、所述上限制层及所述上波导层形成单脊波导结构；在所述单脊波导结构两侧外延第二inp：fe半绝缘外延层，高度与所述上波导层一致，与所述第一inp：fe半绝缘外延层构成inp：fe半绝缘外延层；去除所述上波导层表面剩余的sio2，在所述inp：fe半绝缘外延层和所述上波导层的表面沉积sio2，形成氧化硅绝缘层；光刻所述氧化硅绝缘层中心处的sio2并通过电子束蒸发ti/au层形成电注入窗口，电镀增加金属厚度形成正面电极；对所述衬底面进行减薄、抛光，并通过电子束蒸发ge/au/ni/au形成背面电极。
12、根据本公开的实施例提出的一种高功率窄线宽量子级联激光器及制备方法，利用一阶掩埋侧壁光栅可以实现对激光器进行单纵模式选择，由于其横向折射率差较大。一方面，其耦合系数小于传统掩埋dfb-qcl，可以增加腔长，突破短腔掩埋dfb-qcl功率限制；另一方面其耦合系数大于传统表面dfb-qcl，使器件阈值电流降低。另外，通过二次外延半绝缘inp：fe,有效增加侧向散热，易实现高功率窄线宽激光输出。
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1.一种高功率窄线宽量子级联激光器，从下至上依次包括：
2.根据权利要求1所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，所述背面电极的材料为Ge/Au/Ni/Au；所述衬底（1）的材料为N型Si掺杂的InP，掺杂浓度为2×1017cm-3，厚度为150nm；所述下波导层（2）的材料为N型Si掺杂的InP，掺杂浓度为8×1016cm-3，厚度为1.2μm；所述下限制层（4）的材料为N型Si掺杂的InGaAs，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为300nm；所述有源层（5）包括周期重复的InGaAs和InAlAs的堆叠层，厚度包括2μm-3μm；所述上限制层（7）的材料为Si掺杂的InGaAs，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为300nm；所述上波导层（8）的材料为Si掺杂的InP，掺杂浓度为3×1016cm-3，厚度为2.6μm；所述高掺层（9）的材料为Si掺杂的InP，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为400nm；所述正面电极（11）的材料为Ti/Au，厚度为46nm和250nm。
3.根据权利要求2所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，所述有源层（
4.根据权利要求1所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，所述一阶侧壁光栅的周期包括715nm-1660nm。
5.根据权利要求1所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，所述的单脊波导结构的脊宽包括4-12μm。
6.根据权利要求1所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，所述高功率窄线宽量子级联激光器腔长包括2-8mm。
7.根据权利要求1所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，所述一阶侧壁光栅的占空比为0.1-0.5，所述一阶侧壁光栅的长度为0.4-2μm。
8.根据权利要求1所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，所述高功率窄线宽量子级联激光器的前腔面设有增透膜（12），所述高功率窄线宽量子级联激光器的后腔面设有高反膜（13）。
9.根据权利要求1所述的高功率窄线宽量子级联激光器，还包括：
10.一种制作方法，应用于如权利要求1至9任一项所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种高功率窄线宽量子级联激光器，从下至上依次包括：
2.根据权利要求1所述的高功率窄线宽量子级联激光器，其中，所述背面电极的材料为ge/au/ni/au；所述衬底（1）的材料为n型si掺杂的inp，掺杂浓度为2×1017cm-3，厚度为150nm；所述下波导层（2）的材料为n型si掺杂的inp，掺杂浓度为8×1016cm-3，厚度为1.2μm；所述下限制层（4）的材料为n型si掺杂的ingaas，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为300nm；所述有源层（5）包括周期重复的ingaas和inalas的堆叠层，厚度包括2μm-3μm；所述上限制层（7）的材料为si掺杂的ingaas，掺杂浓度为4×1016cm-3，厚度为300nm；所述上波导层（8）的材料为si掺杂的inp，掺杂浓度为3×1016cm-3，厚度为2.6μm；所述高掺层（9）的材料为si掺杂的inp，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为400nm；所述正面电极（11）的材料为ti/au，厚度为46nm和250nm。
3.根据权利要求2所述的高功率窄...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚金麟，张锦川，卓宁，翟慎强，刘俊岐，刘峰奇，刘舒曼，
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：
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