阅读说明：本技术 一种中红外锑化物量子级联激光器及其制备方法 (Intermediate infrared antimonide quantum cascade laser and preparation method thereof ) 是由 张一� 牛智川 张宇 徐应强 杨成奥 谢圣文 邵福会 尚金铭 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种中红外锑化物量子级联激光器及其制备方法,包括：GaSb衬底,以及在GaSb衬底上依次外延生长的下限制层、下波导层、有源级联区、上波导层、上限制层以及上接触层；其中,有源级联区包含多个周期,每个周期包含注入区与有源区,在注入区中,电子的能量被提升至第一能级,在提升至第一能级后,电子被注入有源区,在有源区中,电子从第一能级跃迁至第二能级,并在跃迁过程中发光,第二能级低于第一能级,在跃迁至第二能级后,电子利用声子从第二能级跃迁至第三能级,第三能级低于第二能级,在跃迁至第三能级后,电子被注入下一个周期的注入区。本公开提供的中红外锑化物量子级联激光器可以覆盖整个中红外波段。(The invention provides a mid-infrared antimonide quantum cascade laser and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: the optical waveguide structure comprises a GaSb substrate, and a lower limiting layer, a lower waveguide layer, an active cascade region, an upper waveguide layer, an upper limiting layer and an upper contact layer which are epitaxially grown on the GaSb substrate in sequence; the active cascade region comprises a plurality of periods, each period comprises an injection region and an active region, the energy of electrons is increased to a first energy level in the injection region, the electrons are injected into the active region after the electrons are increased to the first energy level, the electrons are transited from the first energy level to a second energy level in the active region and emit light in the transition process, the second energy level is lower than the first energy level, the electrons are transited from the second energy level to a third energy level by phonons after the electrons are transited to the second energy level, the third energy level is lower than the second energy level, and the electrons are injected into the injection region of the next period after the electrons are transited to the third energy level. The mid-infrared antimonide quantum cascade laser provided by the present disclosure can cover the entire mid-infrared band.)

一种中红外锑化物量子级联激光器及其制备方法

技术领域

本公开涉及激光装置技术领域，特别涉及一种中红外锑化物量子级联激光器及其制备方法。

背景技术

中红外波段3-5微米是一个非常重要的波段，由于很多气体分子的吸收峰以及大气窗口都在这个波段，所以其在气体检测、自由空间光通信以及光电对抗中都有非常重要的作用。

但是现有的量子级联激光器依靠导带电子和价带空穴的辐射复合发光，发出的光的波长主要由材料本身的带隙决定，因此，难以实现较大范围的波长调节，导致无法覆盖整个中红外波段，因此，亟需一种激光器，以实现中红外波段的全覆盖。

发明内容

本公开的目的是提供一种中红外锑化物量子级联激光器及其制备方法，以实现中红外波段的全覆盖。

为实现上述目的，本公开实施例提供一种中红外锑化物量子级联激光器，包括：

GaSb衬底，以及在所述GaSb衬底上依次外延生长的下限制层、下波导层、有源级联区、上波导层、上限制层以及上接触层；

其中，所述有源级联区包含多个周期，每个周期包含注入区与有源区，在所述注入区中，电子的能量被提升至第一能级，在提升至所述第一能级后，所述电子被注入所述有源区，在所述有源区中，所述电子从所述第一能级跃迁至第二能级，并在跃迁过程中发光，所述第二能级低于所述第一能级，在跃迁至所述第二能级后，所述电子利用声子从所述第二能级跃迁至第三能级，所述第三能级低于所述第二能级，在跃迁至所述第三能级后，所述电子被注入下一个周期的注入区。

本公开实施例还提供一种中红外锑化物量子级联激光器的制备方法，包括：

在GaSb衬底上依次外延生长下限制层、下波导层、有源级联区、上波导层、上限制层以及上接触层；其中，所述有源级联区包含多个周期，每个周期包含注入区与有源区；

从所述上接触层向下刻蚀，直至所述上限制层的上表面以及所述上波导层的下表面之间，以形成脊型波导结构；

沉积绝缘层；

刻蚀所述脊型波导结构上的绝缘层，以形成电极窗口；

在所述电极窗口上制备P型电极；

在所述GaSb衬底的背面制备N型电极。

可以看出，本公开提供的中红外锑化物量子级联激光器仅利用导带中电子的能级跃迁进行发光，并不需要价带空穴参与发光，因此可以通过调整有源级联区中InAs层的厚度，实现较大范围的波长调节，进而实现中红外波段的全覆盖，并且电子可以从有源级联区中的一个周期循环注入下一个周期，实现电子的重复利用，从而提高了内量子效率，此外，由于第二能级上的电子可以被很快地抽运出有源区，使得第一能级与第二能级之间容易实现粒子数的反转，从而有利于激光器的激射。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施方式中一种中红外锑化物量子级联激光器的有源级联区的能带结构示意图；

图2是本公开实施方式中一种中红外锑化物量子级联激光器的外延结构示意图；

图3是本公开实施方式中一种中红外锑化物量子级联激光器的制备方法流程图；

图4是本公开实施方式中一种中红外锑化物量子级联激光器的工艺流程示意图。

附图标记说明：

1-第一能级；2-第二能级；3-第三能级；101-GaSb衬底；102-AlGaAsSb下限制层；103-AlGaInAsSb下波导层；104-有源级联区；105-AlGaInAsSb上波导层；106-AlGaAsSb上限制层；107-GaSb上接触层；41-InAs/AlSb有源区；42-InAs/AlSb注入区。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本公开的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围，在阅读了本公开之后，本领域技术人员对本公开的各种等价形式的修改均落入本公开所附权利要求所限定的范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本公开。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

结合图1和图2所示，本公开实施方式中提供的一种中红外锑化物量子级联激光器，可以包括：

GaSb衬底，以及在所述GaSb衬底上依次外延生长的下限制层、下波导层、有源级联区、上波导层、上限制层以及上接触层；

其中，所述有源级联区包含多个周期，例如，可以包含5～30个周期。

每个周期包含注入区与有源区，在所述注入区中，电子的能量被提升至第一能级，在提升至所述第一能级后，所述电子被注入所述有源区，在所述有源区中，所述电子从所述第一能级跃迁至第二能级，并在跃迁过程中发光，发光波长由第一能级与第二能级之间的能量差决定，第二能级低于所述第一能级，在跃迁至所述第二能级后，所述电子利用声子从所述第二能级跃迁至第三能级，所述第三能级低于所述第二能级，在跃迁至所述第三能级后，所述电子被注入下一个周期的注入区。

下限制层、下波导层、有源级联区、上波导层、上限制层以及上接触层的材料包含与GaSb晶格匹配的材料，所述与GaSb晶格匹配的材料包括晶格常数为的材料体系中的元素。例如，可以是InAs、AlSb、GaSb及其四元或五元合金。

具体的，有源区可以为InAs层与AlSb层交替生长3～9次的超晶格，以使有源区中具有一个高能级(第一能级)，两个低能级(第二能级与第三能级)，有源区中InAs层与AlSb层的厚度可以根据所述中红外锑化物量子级联激光器的波长确定。注入区可以为InAs层与AlSb层交替生长5～12次的超晶格，注入区中InAs层与AlSb层的厚度可以根据中红外锑化物量子级联激光器的波长以及有源区的厚度确定，形成厚度渐变的超晶格，并在能带的设计上形成级联的结构。

具体的，衬底的材料为N型掺杂的GaSb，厚度约为540μm，掺杂元素为碲，掺杂浓度为5e¹⁷～5e¹⁸ cm^-3。

具体的，下限制层的材料为N型掺杂的铝镓砷锑，即Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y，组分比例与GaSb衬底为近晶格匹配，例如，组分比例为Al_0.6-0.9GaAs_0.02-0.04Sb，掺杂元素为碲，掺杂浓度为1e¹⁷～1e¹⁸cm^-3，下限制层的厚度为1μm～2μm。

具体的，下波导层的材料为非掺杂的铝镓铟砷锑，即Al_xGa_yIn_1-x-yAs_zSb_1-z，组分比例与GaSb衬底为近晶格匹配，例如，组分比例为Al_0.1-0.3GaIn_0.2-0.4As_0.15-0.35Sb，下波导层的厚度为100nm～400nm。

具体的，上波导层的材料为非掺杂的铝镓铟砷锑，即Al_xGa_yIn_1-x-yAs_zSb_1-z，组分比例与GaSb衬底为近晶格匹配，例如，组分比例为Al_0.1-0.3GaIn_0.2-0.4As_0.15-0.35Sb，上波导层的厚度为100nm～400nm。

具体的，上限制层的材料为P型掺杂的铝镓砷锑，即Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y，组分比例与GaSb衬底为近晶格匹配，例如，组分比例为Al_0.3-0.9GaAs_0.02-0.04Sb，掺杂元素为铍，掺杂浓度为1e¹⁸～1e¹⁹cm^-3，所述上限制层的厚度为1μm～2μm。

具体的，上接触层的材料为P型掺杂的镓锑，掺杂元素为铍，掺杂浓度为1e¹⁹～8e¹⁹cm^-3，所述上接触层的厚度为250nm～500nm。

此外，本公开还提供一种中红外锑化物量子级联激光器的制备方法，结合图3所示，可以包括如下步骤：

S1：在GaSb衬底上依次外延生长下限制层、下波导层、有源级联区、上波导层、上限制层及上接触层；其中，所述有源级联区包含多个周期，每个周期包含注入区与有源区。

在所述注入区中，电子的能量被提升至第一能级，在提升至所述第一能级后，所述电子被注入所述有源区，在所述有源区中，所述电子从所述第一能级跃迁至第二能级，并在跃迁过程中发光，所述第二能级低于所述第一能级，在跃迁至所述第二能级后，所述电子利用声子从所述第二能级跃迁至第三能级，所述第三能级低于所述第二能级，在跃迁至所述第三能级后，所述电子被注入下一个周期的注入区。

S2：从所述上接触层向下刻蚀，直至所述上限制层的上表面以及所述上波导层的下表面之间，以形成脊型波导结构。

其中，S2可以包括如下子步骤：

S21：在上接触层上旋涂光刻胶，用普通的接触式曝光方法，用光刻板做掩膜，制备出脊型波导的掩膜图形，整个图形位于器件的上表面。

S22：用光刻胶做掩膜，刻蚀上表面，从而得到脊型波导结构。

具体的，可以用电感耦合等离子体(ICP)方法刻蚀，还可以用反应离子刻蚀(RIE)方法来刻蚀，对此本公开不做限定。刻蚀形成的脊型波导结构可以为单一结构的条形波导结构，也可以为双沟道脊型波导结构，对于单一结构的条形波导结构，脊条可以为宽条型，宽度约为100～200μm，对于双沟道脊型波导结构，脊条可以为窄条型，宽度约为5～35μm。

S3：沉积绝缘层。

具体的，可以利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)法沉积250nm厚的SiO₂或SiN_x作为绝缘层。

S4：刻蚀所述脊型波导结构上的绝缘层，以形成电极窗口。

具体的，可以利用接触式光刻，在脊型波导结构上方利用光刻板做掩膜，制备出脊型波导结构上方的电极窗口图形，然后利用光刻胶做掩膜，通过ICP刻蚀250nm厚的SiO₂绝缘层，使得上接触层暴露出来用于与金属电极形成欧姆接触。

S5：在所述电极窗口上制备P型电极。

具体的，可以在电极窗口处利用磁控溅射方法溅射Ti或Pu或Au，厚度可以为20nm，或50nm，或300nm，以形成P面的欧姆接触。

S6：在所述GaSb衬底的背面制备N型电极。

具体的，先对衬底的下表面进行减薄抛光，以将衬底减薄至150～200um，再利用Ni，或AuGe，或Au材料制作N型电极，厚度可以为5nm，或100nm，或300nm，最后放入快速热退火(RTP)设备中进行退火，以形成N面的欧姆接触。

结合图4所示，还可以包括：

S7：将外延片解理成巴条，并对器件的腔面进行镀膜，利用电子束蒸发设备对前腔面镀λ/4的Al₂O₃，后腔面蒸镀200nm的Al₂O₃和100nm的Au，制备器件解理槽，对器件进行解理，烧结，倒焊等工艺，其并不是本发明的重点所在，此处不再赘述。

综上，可以看出，本公开提出的量子级联激光器基于锑化物及其相关材料，与现有的量子级联激光器在材料上并不相同，并且由于不同材料的应变、禁带宽度、导热性、折射率等属性均存在差异，使得本公开提出的锑化物的量子级联激光器在能带结构、热导率、电阻率、折射率等多种参数上都进行了特别的设计，特别是能带结构以及器件全结构的设计上与现有的量子级联激光器存在较大差异，实现了中红外波段的全覆盖，解决了现有技术中存在的缺陷。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本公开的几个实施方式，虽然本公开所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本公开的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本公开。任何本公开所属技术领域的技术人员，在不脱离本公开所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本公开的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。