CN109119889B - 量子级联激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及量子级联激光器。一种量子级联激光器，包括：半导体器件部，所述半导体器件部具有衬底、半导体层压件和半导体绝缘部，半导体层压件具有主表面，衬底具有背表面和衬底端面，半导体层压件具有层压件端面，半导体绝缘部和衬底被设置为沿着与第二方向交叉的参考平面，半导体器件部具有前端面和后端面，前端面和后端面被布置在第二方向上，后端面包括衬底端面，并且衬底端面沿着参考平面延伸；第一电极，所述第一电极被设置在半导体层压件上；以及金属膜，所述金属膜被设置在后端面、半导体绝缘部和第二电极上，金属膜远离第一电极。

Description

量子级联激光器
技术领域
本发明涉及量子级联激光器。本申请要求于2017年6月22日提交的日本专利申请No.2017-122339和于2017年6月27日提交的日本专利申请No.2017-125267的优先权的权益，其通过引用整体地并入在本文中。
背景技术
非专利文献(S.R.Darvish等人，"High-power,continuous-wave operation ofdistributed-feedback quantum-cascade lasers atλ7.8μm",Applied Physics Letters89,251119,2006)公开了一种量子级联激光器。
发明内容
根据本发明的一个方面的量子级联激光器包括：半导体器件部，所述半导体器件部包括衬底、半导体层压件和半导体绝缘部，衬底和半导体层压件被布置在第一方向上，半导体层压件被设置在衬底上，半导体层压件具有主表面，衬底具有背表面，主表面和背表面被布置在第一方向上，衬底具有衬底端面，半导体层压件具有层压件端面、在和第一方向交叉的第二方向上从层压件端面延伸的芯层和设置在芯层上的包覆层，半导体绝缘部和衬底被设置为沿着与第二方向交叉的参考平面，半导体器件部具有前端面和后端面，前端面和后端面被布置在第二方向上，后端面包括衬底端面，并且衬底端面沿着参考平面延伸；第一电极，所述第一电极被设置在半导体层压件上；第二电极，所述第二电极被设置在衬底的背表面上；以及金属膜，所述金属膜被设置在后端面、半导体绝缘部和第二电极上。金属膜远离第一电极。
附图说明
根据参考附图进行的本发明的优选实施例的以下详细描述，本发明的上述目的及其它目的、特征和优点将变得更显而易见。
图1是示出根据实施例的被管芯接合的量子级联半导体激光器的立体图。
图2是示出如图1中所示的量子级联半导体激光器的放大立体图。
图3是沿着图1中所示的线III-III截取的横截面图。
图4A是示出根据该实施例的用于制作图1中所示的量子级联半导体激光器的方法中的主要工艺的示意图。
图4B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图4C是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图5A是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图5B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图5C是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图6A是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图6B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图6C是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图7A是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图7B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图8A是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图8B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图9是示出根据该实施例的用于制作图1中所示的量子级联半导体激光器的方法中的主要工艺的立体图。
图10是示出量子级联半导体激光器的立体图。
图11是沿着图10中所示的线XI-XI截取的横截面图。
图12是示出根据第一修改例的量子级联半导体激光器的立体图。
图13是示出根据第二修改例的量子级联半导体激光器的立体图。
图14A是示出用于制作图13中所示的量子级联半导体激光器的方法中的主要工艺的立体图。
图14B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的立体图。
图14C是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的立体图。
图15是示出对根据第二修改例的另一修改的量子级联半导体激光器的立体图。
图16是示出根据第三修改例的量子级联半导体激光器的立体图。
图17是示出根据第三修改例的量子级联半导体激光器的立体图。
图18A是示出用于制作图16和图17中所示的量子级联半导体激光器的方法中的主要工艺的示意图。
图18B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图18C是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图19A是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图19B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图19C是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图20是示出根据第四修改例的量子级联半导体激光器的立体图。
图21是示出根据第四修改例的量子级联半导体激光器的立体图。
图22A是示出用于制作图20和图21中所示的量子级联半导体激光器的方法中的主要工艺的示意图。
图22B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图22C是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图23A是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图23B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图23C是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图24A是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图24B是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
图24C是示出根据该实施例的方法中的主要工艺的示意图。
具体实施方式
量子级联激光器包括被布置成形成器件结构的下电极、半导体衬底、半导体层压件和上电极。量子级联激光器还具有用于激光腔的金属膜和在端面上的绝缘膜，其中绝缘膜被设置在金属膜与端面之间。绝缘膜由SiO2制成，并且金属膜由Au制成。此量子级联激光器被用焊料材料安装在电子组件上。
量子级联激光器被提供有包括端面的激光腔，并且可以具有由金属膜制成的反射膜，所述金属膜形成在端面上，从而使在端面处的反射比增强。与包括半导体器件的层的端面的端面直接接触的金属膜在端面处引起短路。量子级联激光器被提供有绝缘膜，所述绝缘膜被设置在端面与金属膜之间，以使金属膜与端面分离。绝缘膜和金属膜通过朝向端面供应相应的原材料而顺序地形成在端面上。在形成这些膜时，其原材料沿着上电极和下电极行进以在这些电极上形成沉积材料，从而在端面上为量子级联激光器提供绝缘膜和金属膜。可例如用焊料材料将此量子级联激光器安装在电子组件上，使得下电极上的沉积金属材料与焊料材料接触。如此安装的使焊料材料将下电极连接到金属沉积材料的量子级联激光器接收施加在上电极与下电极之间以用于激射的电压(例如，10伏特或更大的电压)，使得高电压被施加到金属膜。金属膜上的此高电压最终被施加到上电极与上电极上的沉积金属材料之间的绝缘膜上。
然而，用于绝缘膜的沉积材料在上电极上具有极其小的厚度，所述厚度小于端面上的绝缘膜的厚度(例如，与其大约其几十分之一一样小)。对用于上电极与其上的金属膜之间的绝缘膜的极薄的沉积材料施加例如10伏特或更大的高电压可以使在端面附近的极薄的沉积材料击穿以形成击穿部分，使得大量电流(被称为侵入电流)流过沉积材料中的击穿部分，从而在量子级联激光器中导致故障，诸如端面的击穿。
在上电极上形成厚沉积材料使端面上的绝缘膜的厚度变大(例如，为目标厚度几倍大的厚度)。形成此厚绝缘膜使沉积时间变长，从而导致量子级联激光器的生产率降低。另外，端面上的厚绝缘膜可以对端面产生附加应力，导致端面质量劣化，并且导致绝缘膜的破裂和/或剥离的发生。
本发明的一个方面的目的是为了提供在端面上具有金属膜从而能够减少在后端面附近的击穿的发生的量子级联激光器。
将在下面给出根据上述方面的实施例的描述。
根据实施例的量子级联激光器包括：(a)半导体器件部，所述半导体器件部包括衬底、半导体层压件和半导体绝缘部，衬底和半导体层压件被布置在第一方向上，半导体层压件被设置在衬底上，半导体层压件具有主表面，衬底具有背表面，主表面和背表面被布置在第一方向上，主表面与背表面相反，衬底具有衬底端面，半导体层压件具有层压件端面、在和第一方向交叉的第二方向上从层压件端面延伸的芯层和设置在芯层上的包覆层，半导体绝缘部和衬底被设置为沿着与第二方向交叉的参考平面，半导体器件部具有前端面和后端面，前端面和后端面被布置在第二方向上，后端面包括衬底端面，并且衬底端面沿着参考平面延伸；(b)第一电极，所述第一电极被设置在半导体层压件上；(c)第二电极，所述第二电极被设置在衬底的背表面上；以及(d)金属膜，所述金属膜被设置在后端面、半导体绝缘部和第二电极上。金属膜远离第一电极。
被用焊料材料安装在电子组件上的量子级联激光器接收第一电极与第二电极之间的外部电压(例如，10伏特的高电压)以激射。此外部电压也通过与金属膜相接触的焊料材料被施加到金属膜，并且最终施加在金属膜与第一电极之间。量子级联激光器被提供有半导体绝缘部，所述半导体绝缘部在第一方向上位于主表面上的金属膜和第一电极之间并且在第二方向上从后端面延伸以不被设置在后端面上，使得半导体绝缘部被提供有大厚度，这允许绝缘区(第一电极与金属膜之间的绝缘体)具有极好的绝缘特性。此绝缘区可耐受施加在第一电极与金属膜之间的外部电压。量子级联激光器可妨碍所施加的电压使绝缘区击穿，从而避免其可以是由绝缘区的击穿产生的端面的破损而引起的器件特性的劣化。
在根据实施例的量子级联激光器中，半导体层压件的主表面具有第一区和第二区；主表面的第一区和第二区被布置在第二方向上；主表面的第二区被设置在层压件端面与主表面的第一区之间；半导体绝缘部位于主表面的第二区上；并且第一电极具有远离层压件端面和主表面的第二区的端部。
在根据实施例的量子级联激光器中，半导体绝缘部具有外侧面和内侧面；外侧面和衬底端面被布置为沿着参考平面，并且半导体绝缘部的内侧面相对于半导体层压件的主表面倾斜以形成锐角。此倾斜妨碍金属膜沿着半导体绝缘部朝向内面延伸。半导体绝缘部可终止其上的金属膜以妨碍金属膜超出半导体绝缘部延伸到第一电极。此终止减少金属膜与第一电极之间的短路的发生。这种减少可防止在量子级联激光器中发生由于短路而导致的故障。
在根据实施例的量子级联激光器中，半导体绝缘部沿着层压件端面延伸。绝缘部分沿着层压件端面延伸并且后端面允许量子级联激光器在后端面附近具有大电阻。为后端面的附近提供大电阻可减小泄漏电流，从而改进器件性能(泄漏电流减小)。另外，在根据实施例的量子级联激光器中，半导体绝缘部与金属膜相接触。彼此接触的半导体绝缘部和金属膜可为量子级联激光器提供在其上没有绝缘体的极好的散热路径，使得量子级联激光器具有极好的器件性能和高可靠性。此外，半导体绝缘部可以沿着层压件端面延伸以使金属膜与层压件端面绝缘。
根据实施例的量子级联激光器还包括绝缘膜，并且绝缘膜位于层压件端面与金属膜之间。绝缘膜可防止金属膜与层压件端面接触，从而避免短路以减少由短路产生的故障的发生。在根据实施例的量子级联激光器中，绝缘膜包括SiO2、SiON、SiN、氧化铝、BCB树脂或聚酰亚胺树脂中的至少一种。这些材料可为量子级联半导体激光器的绝缘膜提供极好的耐久性和绝缘性质，并且允许绝缘膜用作用于层压件端面和衬底端面的保护膜。上述材料的膜可使用介电膜沉积诸如溅射、CVD或旋涂形成在层压件端面和衬底端面上。可将绝缘膜的形成引入到用于制作量子级联半导体激光器的工艺中。
在根据实施例的量子级联激光器中，半导体绝缘部包括包含过渡金属作为掺杂剂的半绝缘的半导体。此外，在根据实施例的量子级联激光器中，半导体器件部包括嵌入半导体层压件的电流阻挡部；电流阻挡部包括半绝缘的半导体或未掺杂的半导体中的至少一种；并且半导体绝缘部由与电流阻挡部的材料相同的材料制成。同时地生长电流阻挡部和半导体绝缘部使制作工艺被简化。这种简化也使制作工艺变得容易，从而导致产量提高。
在根据实施例的量子级联激光器中，可以沿着参考平面(例如，后端面)布置半导体绝缘部、半导体层压件和衬底。另外，在根据实施例的量子级联激光器中，半导体绝缘部与衬底直接接触。此外，在根据实施例的量子级联激光器中，半导体层压件可以被设置在半导体绝缘部与衬底之间。
在根据实施例的量子级联激光器中，半导体绝缘部包括掺杂有包括Fe、Ti、Cr和Co(掺杂剂)中的至少一种的过渡金属的半导体，诸如III-V化合物半导体。掺杂有过渡金属的III-V化合物半导体对电子具有例如105Ωcm或更大的比电阻，其是足够高的电阻。
在根据实施例的量子级联激光器中，金属膜包括Au膜。使用Au膜作为反射膜可以为量子级联半导体激光器提供在层压件端面和衬底端面处超过例如90％的高反射比。
在根据实施例的量子级联激光器中，包覆层包括InP。InP对中红外波长中的激光是透明的(不吸收光)，并且可适合作为包覆层的材料。InP是与InP基部晶格匹配的二元混合晶体，这允许InP衬底上的InP层的令人满意的晶体生长。InP具有极好的导热性，并且允许包覆层使来自芯层的热量消散。将InP用于包覆层可为量子级联激光器提供极好的温度特性。
根据实施例的量子级联激光器，半导体衬底包括InP基部。能够产生中红外波长中的光的量子级联半导体激光器具有接近于InP的晶格常数的晶格常数的半导体层压件。使用InP基部作为半导体衬底允许半导体层压件以极好的晶体质量生长在半导体衬底上。另外，对中红外光透明的InP半导体衬底可充当包覆层。
通过参考作为示例而示出的附图来考虑以下详细描述，可容易地理解本发明的教导。参考附图，将在下面描述根据本发明的量子级联激光器和用于制作量子级联激光器的方法的实施例。为了方便理解，相同的附图标记在可能的情况下用于标明为这些图所共有的相同的元素。
图1是示出根据实施例的量子级联激光器1的立体图。为了容易理解，在图1中描绘了XYZ坐标***，并且在本实施例中，X轴、Y轴和Z轴彼此正交。量子级联激光器1可以具有分布式反馈型(DFB)，所述DFB允许量子级联激光器1在单模下例如在3至20微米的中红外波长区域中激射。如图1中所示，量子级联激光器1被用焊料材料4安装在位于载体2上的底座3上。具体地，量子级联激光器1被以外延向上方式(其中外延表面向上)用焊料材料4管芯接合到底座3。量子级联激光器1具有下电极，所述下电极用底座3和焊料材料4电连接到载体2，并且具有上电极，所述上电极连接到到达接合焊盘以向量子级联激光器1馈送电力的布线导体5的端部。量子级联激光器1的上电极通过布线导体5电连接到底座上的焊盘电极。载体2和焊盘电极电连接到外部电源。在量子级联激光器1的上电极和下电极之间施加来自外部电源的电压使量子级联激光器1接通以使电流流入量子级联激光器1，使得量子级联激光器1发射激光。
载体2具有在X方向例如在4～8mm范围内的宽度W1；在Y方向上例如在4～8mm范围内的长度L1；在Z方向上例如1～8mm范围内的厚度H1。底座3具有在X方向上例如1～4mm范围内的长度W2和在Y方向上例如2～4mm范围内的长度L2，并且具有在Z方向上例如0.1～0.5mm范围内的厚度H2。底座3可以包括AlN或CuW，并且载体2可以包括Cu或CuW。焊料材料4可以包括AuSn、铟(In)或银膏，并且布线导体5可以包括Au。
图2是示出图1中所示的量子级联激光器1的立体图。图3是沿着图1中所示的线III-III和平行于YZ平面的平面截取的横截面图。如图2和图3中所示，量子级联激光器1包括半导体器件部10、上电极50(被称为第一电极)、下电极60(被称为第二电极)和金属膜72。半导体器件部10包括半导体衬底20、半导体层压件30和半导体绝缘膜(被称为半导体绝缘部75)，并且还包括两个电流阻挡部40。如果需要，量子级联激光器1还包括绝缘膜71。半导体器件部10具有使得能够限制电流的埋入异质结构(BH)，其被称为电流限制结构。半导体器件部10具有在波导台面延伸的方向上(例如，在Y方向上)延伸的条形台面。半导体器件部10具有在Y方向上例如1～3mm范围内的长度L3；在X方向上例如400～800微米范围内的长度W3；以及例如100～200微米范围内的长度H3(半导体器件部10的厚度)。半导体器件部10具有在Y方向上彼此相反的后端面10a和前端面10b。
如图3中所示，量子级联激光器1被安装在底座3上，使得半导体衬底20被用焊料材料4接合到其。半导体衬底20可以是例如n型InP基部。在在上电极50与下电极60之间施加电压时半导体衬底20是导电的以允许电流流过半导体层压件30。为了允许量子级联激光器1将电子用作载流子，半导体衬底20具有n型导电性。半导体衬底20可相对于芯层33用作下包覆区。可替选地，量子级联激光器可在半导体衬底20与芯层33之间具有下包覆层，并且半导体衬底20可以不用作下包覆区。半导体衬底20包括主表面20a、背表面20b和衬底端面20c。主表面20a和背表面20b彼此相反(在Z方向上)。半导体衬底20的主表面20a和背表面20b以及底座3被例如依次布置在Z方向上。半导体衬底20具有在Z方向上例如100微米的厚度(被定义为主表面20a与背表面20b之间的距离)。衬底端面20c与例如在Y方向(第二方向)上延伸的轴交叉，并且连接主表面20a和背表面20b。衬底端面20c被后端面10a包括。
半导体层压件30被设置在半导体衬底20的主表面20a上。半导体层压件30具有与例如在Z方向上延伸的轴的方向交叉的上表面30a、与例如在Y方向上延伸的轴的方向交叉的层压件端面30b以及与主表面20a接触并且与上表面30a相反的底面。上面30a具有被设置在层压件端面30b与第二区30d之间的第一区30c和第二区30d。第一区30c被设置在前端面10b与第二区30d之间，并且第一区30c和第二区30d被布置在从前端面10b到后端面10a的方向(例如，Y方向)上。第一区30c和第二区30d分别从前端面10b和后端面10a延伸，并且彼此邻接。层压件端面30b和衬底端面20c被布置为沿着参考平面。后端面10a除了包括衬底端面20c之外还包括半导体层压件30的端面30b。半导体层压件30具有台面形状。半导体层压件30具有例如在Y方向上延伸的带形状，以及在X方向上定义的宽度WM，并且被定位为在X方向上远离量子级联激光器1的侧面。半导体层压件30包括在Y方向上彼此相反的端面，以及在X方向上彼此相反的侧面。半导体层压件30被提供有用于量子级联激光器1的激光腔用作反射镜的端面。这些端面中的一个被包括在层压件端面30b中。半导体层压件30包括被顺序地布置在半导体衬底20上的缓冲层32、芯层33、衍射光栅层34、上包覆层35和接触层36。
如从上述描述看到的，量子级联激光器1被提供有包括衬底20、半导体层压件30和半导体绝缘部75的半导体器件部10。衬底20和半导体层压件30被布置在第一方向(例如Z方向)上。半导体层压件30被设置在衬底20上。半导体层压件30具有主表面30a，并且衬底29具有背表面20b。主表面30a和背表面被布置在第一方向上。主表面30a与背表面20b相反。衬底20具有衬底端面20c，并且半导体层压件30具有层压件端面30b。半导体绝缘部75和衬底20被设置为沿着与第二方向交叉的参考平面。半导体器件部75被提供有被布置在第二方向上的后端面10a和前端面10b。后端面10a包括沿着上述参考平面延伸的衬底端面20c。金属膜72被设置在后端面10a、半导体绝缘部75和第二电极60上。衬底端面20c沿着参考平面延伸，并且金属膜72远离第一电极50。
半导体层压件30的主表面30a被提供有被布置在第二方向上的第一区30c和第二区30d。半导体绝缘部75被设置在第二区30c上。第一电极50具有远离层压件端面30b且在第二区30d上的端部。
半导体绝缘部75被提供有内侧面75a和外侧面75b。外侧面75b和衬底端面20c被布置为沿着参考平面。内侧面75a可以相对于主表面30a倾斜。
半导体绝缘部75沿着半导体层压件端面30b延伸。
半导体绝缘部75可以与金属膜72接触。
绝缘膜71可以位于层压件端面30b与金属膜72之间。
半导体绝缘部75、半导体层压件30和衬底20被布置为沿着参考平面。
半导体绝缘部75可以与衬底20直接接触。可替选地，半导体层压件30可以位于半导体绝缘部75与衬底20之间。
缓冲层32和上包覆层35可由例如n型InP制成。缓冲层32连同半导体衬底20一起工作以为芯层33提供下包覆区。上包覆层35被设置在芯层33和衍射光栅层34上，所述衍射光栅层34位于芯层与上包覆层之间。如果需要，半导体层压件30使用缓冲层32，并且芯层33被直接地设置在半导体衬底20的主表面20a上。芯层33沿着在Y方向上延伸的轴的方向从层压件端面30b延伸。芯层33包括多个单元结构。这些单元结构被布置在芯层和上包覆层被布置所沿着的轴的方向上(沿着Z方向)上，从而形成阵列，并且该阵列中的相邻单元结构体彼此接触。该阵列可以包括例如几十个单元结构。这些单元结构各自包括例如在Z方向上被交替地布置以形成超晶格的量子阱层(几纳米厚)和势垒层(几纳米厚)。量子阱层各自可包括GaInAs或GaInAsP，并且势垒层各自可包括AlInAs。每个单元结构由有源层和注入层组成。有源层各自用作发光区以发射光。注入层各自可将载流子递送到相邻有源层中。有源层和注入层被沿着Z方向堆叠以形成由GaInAs/AlInAs制成的超晶格。
将简要地描述量子级联激光器1的光发射的机制。量子级联激光器1使用单种载流子诸如电子来发射由电子在有源层中的导带的子带之间的光跃迁而引起的光。通过发射产生的光在量子级联激光器1的激光腔中被放大，由此量子级联激光器1在中红外波长区域中发射激光。具体地，量子级联激光器1在有源层中的导带中具有以下三能级***。首先，注入层通过隧道将电子注入到有源层的高能级中。这些电子从有源层的高能级跃迁到低能级。此跃迁产生具有等于其跃迁能量(子带的高能级和低能级之间的能量差)的能量的波长的光。低能级中的电子还通过使用LO声子散射在短弛豫时间中进行到底能级的非辐射跃迁。如从上述描述看到的，低能级与底能级之间的能量差被设计成允许LO声子谐振地使电子散射。电子在短弛豫时间中到底能级的非辐射跃迁在有源层中的高能级和低能级之间产生反转的电子群。如此弛豫到底能级的电子通过穿过其之间的注入层的电场而在下一个阶段中漂移到有源层的高能级。随后，量子级联激光器1中的芯层重复相同的跃迁并且在芯层中递送例如几十次以获得激射所必需的增益。量子级联激光器1使用量子阱层和势垒层，其中它们的厚度和材料组成被适当地选择以允许调整高能级与低能级之间的能量差以便在红外区域中(例如，在3至20微米的范围内)激射。
如图3中所示，衍射光栅层34具有带周期Λ的周期性表面结构的衍射光栅34a，所述周期性表面结构具有交替地布置在Y方向上的凹部和脊部。衍射光栅34a被形成如下：在用于衍射光栅层34的膜上形成周期Λ的图案化抗蚀剂；以及用图案化抗蚀剂蚀刻用于衍射光栅层34的膜以为衍射光栅形成周期性地布置在Z方向上的凹部和脊部。周期Λ的衍射光栅可选择性地反射相当于周期Λ的波长(即，布拉格波长)的波长的光，并且如此选择性地反射的光被激光腔放大，导致在量子级联激光器1中在单模下以布拉格波长激射。衍射光栅层34的性能通过指示在激光腔中向前和向后的导向光分量之间的耦合的大小的耦合系数来表示。具有大耦合系数的衍射光栅34a允许量子级联激光器1令人满意地产生单模激光束。衍射光栅层34被提供有具有高折射率的半导体，诸如未掺杂的或n型GaInAs，以使得能实现大耦合系数。
如果需要，半导体层压件30包括接触层36，否则上包覆层35与上电极50之间的接触可提供良好的欧姆接触。接触层36与上电极50形成良好的欧姆接触。接触层36由具有小带隙并且与半导体衬底20晶格匹配的材料制成以使得能实现良好的欧姆接触。接触层36由例如n型GaInAs制成。
如图2中所示，半导体层压件30通过其两个侧面上的两个电流阻挡部40被嵌入，并且电流阻挡部40充当限制半导体层压件30中的电流(载流子)的电流限制层。两个电流阻挡部40被设置在半导体衬底20的主表面20a上以覆盖半导体层压件30的两个侧面。每个电流阻挡部40包括未掺杂的或半绝缘的半导体。这些未掺杂的和半绝缘的半导体对载流子诸如电子具有高电阻，其被用于电流阻挡部40的材料。向III-V化合物半导体添加诸如Fe、Ti、Cr和Co(掺杂剂)的过渡金属在禁带中形成可俘获电子的深能级以为宿主半导体提供半绝缘的性质。掺杂有过渡金属的III-V化合物半导体对电子具有例如105Ωcm或更大的比电阻，其是足够高的电阻。铁(Fe)是使得能实现半绝缘的性质的极好的过渡金属。对电子具有足够高的电阻的未掺杂的半导体可被用于电流阻挡部40。未掺杂的或半绝缘的III-V化合物半导体包含InP、GaInAs、AlInAs、GaInAsP和/或AlGaInAs。这些半导体与半导体衬底20晶格匹配，并通过诸如分子束外延(MBE)和金属有机物气相外延(OMVPE)的生长方法生长在其上。
上电极50和下电极60被布置成向芯层33供应电流。上电极50和下电极60各自包括例如Ti/Au、Ti/Pt/Au或Au/Ge。上电极50用作例如阴极，并且被设置在半导体层压件30的上面30a(具体地，在接触层36上)和电流阻挡部40上。具体地，上电极50位于第一区30c上，并且远离第二区30d。下电极60用作例如阳极，并且被设置在半导体衬底20的背面20b上并且与焊料材料4接触。下电极60相对于上电极50被施加正电位。
如果需要，光限制层可以被设置在芯层33与半导体衬底20之间和/或在芯层33与上包覆层35之间。光限制层具有比半导体衬底20和上包覆层35的带隙小并且比芯层33的带隙大的带隙。光限制层借此高效地将电子从缓冲层32注入到芯层33，而不会阻挡它们。这些带隙中的这种大小关系允许光限制层具有比半导体衬底20和上包覆层35的折射率大并且比芯层33的折射率小的折射率。半导体衬底20和上包覆层35因此工作来将由芯层33产生的光限制到芯层33和光限制层中，从而增强对进入芯层33的光的限制。为了增强对进入芯层33的光的限制，光限制层可由具有比半导体衬底20和上包覆层35的折射率高的折射率并且与半导体衬底20晶格匹配的材料制成。光限制层可以包括例如未掺杂的或n型GaInAs。
绝缘膜71被定位为与半导体器件部10的后端面10a相邻，并且被设置在金属膜72与层压件端面30b和衬底端面20c之间。具体地，绝缘膜71具有在后端面10a(层压件端面30b和衬底端面20c)上的厚部，以及从厚部起沿着第二区30d和下电极60延伸的上部薄部和下部薄部。更具体地，层压件端面30b和衬底端面20c完全被绝缘膜71的厚部覆盖，并且下电极60具有接近于后端面10a的被绝缘膜71的薄下部分覆盖的端部部分。绝缘膜71的厚部具有在后面10a上在Y方向上测量的厚度，所述厚度大于在第二区30d上在Z方向上测量的绝缘膜71的上部分的厚度和在下电极60上在Z方向上测量的绝缘膜71的下部分的厚度。例如，后面10a上的绝缘膜71的厚度是100～200nm的范围，并且在Z方向上在上电极50和下电极60上的绝缘膜71的厚度各自是20～30nm的范围。绝缘膜71由包括SiO2、SiON、SiN、Al2O3(氧化铝)、BCB树脂或聚酰亚胺树脂中的至少一种的介电膜制成。金属膜72被设置在层压件端面30b和衬底端面20c与绝缘膜71上，所述绝缘膜71位于第二区30d和下电极60上。绝缘膜71位于金属膜72与下电极60之间。具体地，金属膜72具有在后端面10a(层压件端面30b和衬底端面20c)上的厚部，以及分别从厚部起沿着第二区30d和下电极60延伸的上部薄部和下部薄部。更具体地，层压件端面30b和衬底端面20c完全被金属膜72的厚部覆盖，并且下电极60具有接近于后端面10a的被金属膜72的下薄部覆盖的第一部分，以及远离后端面10a的未被金属膜72覆盖的第二部分。绝缘膜71的厚部具有在后面10a上被定义为Y方向上的厚度的厚度，所述厚度大于在第二区30d上被定义为Z方向上的厚度的绝缘膜71的上部分的厚度和在下电极60上被定义为Z方向上的厚度的绝缘膜71的下部分的厚度。金属膜72可以包括具有90％或更大的高反射比的金(Au)。焊料材料4被设置在底座3上以便到达衬底端面20c的下边缘，使得下电极60上的金属膜72与焊料材料4接触。可替选地，覆盖衬底端面20c的金属膜72可以未被设置在下电极60上，并且在衬底端面20c上被提供有下边缘，从而导致下边缘与焊料材料4接触。可在用于使金属膜72沉积的稍后步骤中通过使用可覆盖下电极和后端面10a的长保护器90来形成在后端面10a上结束的这种金属膜72。
半导体绝缘部75具有沿X方向延伸的长方体形状。半导体绝缘部75被提供在第二区30d上并且在Y方向设置在上电极50与金属膜72之间。具体地，半导体绝缘部75在Y方向设置在上电极50与绝缘膜71和金属膜72之间，并且在Z方向设置在第二区30d与绝缘膜71和金属膜72之间。半导体绝缘部75被提供有内侧面75a和外侧面75b，并且还包括上面75c和下面75d。内侧面75a和外侧面75b和沿着Y方向延伸的轴交叉。内侧面75a沿着平行于后端面10a的一个参考平面延伸，并且外侧面75a和后端面10a沿着另一参考平面延伸。在本示例中，侧面75a和75b和在Y方向上延伸的轴交叉。侧面75a在Y方向上面对上电极50。侧面75b在Y方向上位于侧面75a的相对侧。侧面75b完全被绝缘膜71覆盖。上面75c和下面75d和在Z方向上延伸的轴交叉。在一个示例中，侧面75a和75b与在Y方向上延伸的轴正交。绝缘膜71与上面75c接触。绝缘层71和金属膜72在上面75c上具有相应的边缘。绝缘膜71和金属膜72皆从层压件端面30b延伸到上面75c。上面75c具有在Z方向上相对于半导体衬底20的主表面20a比主表面30a的第二区30d高的高度。上面75c位于在Z方向上远离上电极50的第二区30d上。下面75d位于在第二区30d上的上面75c在Z方向上的相反侧。
半导体绝缘部75具有在Z方向上例如1至2微米的厚度(其是上面75c与下面75d之间的Z方向上的距离)，并且例如为1.5至2微米。半导体绝缘部75具有在Y方向上比例如10微米或更大要大的宽度(侧面75a和75b之间的距离)以便避免在晶体生长中发生劣化，诸如异常晶体生成。半导体绝缘部75具有在Y方向上例如小于70微米的宽度，以为半导体绝缘部75的上面75c提供极好的平坦度。半导体绝缘部75由与可包括未掺杂的或半绝缘的半导体的电流阻挡部37的材料相同的材料制成。半导体的半绝缘性质可由掺杂有过渡金属诸如Fe、Ti、Cr和Co的III-V化合物半导体提供，以在俘获电子的禁带中形成深能级。例如，未掺杂的或半绝缘的III-V化合物半导体包括InP、GaInAs、AlInAs、GaInAsP和AlGaInAs。
将给出用于制作上述结构的量子级联激光器1的方法的描述。图4A至图4C、图5A至图5C、图6A和图6B、图7A和图7B、图8A和图8B及图9是各自示出用于制作图1中所示的量子级联激光器1的方法中的主要工艺的示意图。图4A至图4C、图6A至图6C、图7A和图7B是各自沿着平行于YZ平面的与图1的线III-III相关联的平面截取的横截面图，并且图5A至图5C是各自沿着平行于YZ平面的平面截取的横截面图。首先，制备将在稍后工艺中为半导体衬底20的晶片。然后，在第一晶体生长步骤中，缓冲层32、芯层33和衍射光栅层34通过生长方法诸如MBE和OMVPE依次生长在晶片的主表面上以形成外延晶片。此后，通过衍射光栅层34上的光刻在外延晶片上形成抗蚀剂掩模80。如图4A中所示，抗蚀剂掩模80具有用于衍射光栅34a的图案。抗蚀剂掩模80的图案在X方向上具有Λ的宽度。在Z方向上用抗蚀剂掩模80蚀刻外延晶片以在衍射光栅层34中像图4B中所示的那样形成具有周期性结构的衍射光栅34a。
在第二晶体生长步骤中，如图4C中所示，用于半导体绝缘部75的上包覆层35、接触层36和半绝缘的半导体层76被依次生长在衍射光栅层34上以形成由用于半导体层压件30的半导体膜制成的层压件。接下来，如图5A中所示，定义半导体层压件30的形状的掩模81通过光刻形成在半导体膜、具体地半绝缘的半导体层76上。掩模81具有在用于量子级联激光器1的器件部分中的每一个中在Y方向上延伸的具有在X方向上定义的宽度WM的图案，并且在X方向上远离器件部分之间的边界。掩模81可以包括与绝缘膜71的材料相同的材料，并且具体地，由包含SiN、SiON、氧化铝和SiO2中的至少一种的介电材料制成。
利用掩模81对半绝缘的半导体层76、接触层36、上包覆层35、衍射光栅层34、芯层33、缓冲层32和半导体衬底20施加蚀刻工艺形成具有如图5B中所示的台面形状的半导体层压件30。蚀刻可以包括干蚀刻和/或湿蚀刻，并且在本实施例中，干蚀刻用于形成半导体层压件30。干蚀刻可为宽度WM的半导体层压件30提供极好的垂直性和高周期性。干蚀刻大大地影响量子级联激光器1的器件特性。干蚀刻可以是例如反应离子蚀刻(RIE)，并且反应离子蚀刻(RIE)使用蚀刻气体的等离子体。
在第三晶体生长步骤中，用留在半绝缘的部分75上的掩模81生长半绝缘的半导体层，诸如掺杂有Fe的InP。如图5C中所示，沉积材料几乎不形成在掩模81上，并且半绝缘的半导体层生长在半导体层压件30的两侧(生长在图5B中蚀刻时形成的半导体层压件之间)以便嵌入半导体层压件30。形成这两电流阻挡部40以嵌入半导体层压件30。在去除掩模81之后，如图6A中所示，另一掩模82通过光刻法形成在第二区13d上的半导体层76上。另一掩模82由与掩模81的材料相同的材料制成。用掩模82蚀刻半导体层76形成在掩模82的图案之下的图案化半导体层76。掩模82被去除以获得半导体绝缘部75。
如图6C中所示，通过光刻图案化的抗蚀剂掩模83形成在半导体绝缘部75上。用于上电极50的金属膜51被沉积在第一区30c和抗蚀剂掩模83上。在抗蚀剂掩模上对金属膜51和沉积金属材料应用剥离同时地去除抗蚀剂掩模83和沉积金属材料以在不是第二区30d而是第一区30c上形成图案化金属膜51，即，如图7A中所示的上电极60。在上电极60已形成在第一区30c上之后，晶片通过抛光变薄至使晶片的劈开变得容易的厚度(例如，100至200微米)，然后如图7B中所示，下电极60形成在已变薄的半导体衬底20的背面20b上。
上述工艺使晶片产品完成。图8A示出具有用于量子级联激光器1的多个半导体器件部10的在X和Y方向上布置在整个晶片上方的器件部分的阵列的晶片产品。晶片产品的器件部分各自包括半导体绝缘部75。在图8A中，描绘了器件部分之间的边界线B1和B2，并且晶片产品被沿着线B1和B2划分以形成多个半导体器件部10。具体地，边界线B1在X方向上延伸，并且边界线B2在Y方向上延伸。然后，晶片产品通过在边界线B1处劈开成各自具有用于半导体器件部10的多个器件部分的布置的芯片条(例如，如图8B中所示的芯片条85)而被分离。芯片条85包括被沿着X方向布置的多个半导体器件部，在这些器件部分上方具有半导体绝缘部75。芯片条85具有包括布置在X方向上的量子级联激光器1的后端面10a的端面85a。在芯片条85中，半导体绝缘部75沿着端面85a在芯片条85的半导体器件部的上面上延伸。
将给出在芯片条85的端面85a上形成绝缘膜71和金属膜72的工艺的描述。首先，如图9中所示，制备两个保护器90以便在芯片条85的区域上形成绝缘膜71，并且此区域包括芯片条85的端面85a。保护器90各自可以具有矩形的薄板，其纵向像图8A中所示的那样被定向到X方向。一个保护器90用于除了接近于芯片条85的端面85a的上电极50的近区之外覆盖几乎所有上电极50，即，远区，而不覆盖端面85a。一个保护器90具有位于上电极50的近区和远区之间的边界处的端部，并且近区和远区被布置在Y方向上。保护器90与芯片条85的半导体绝缘部75对准以覆盖半导体绝缘部75的侧面75a的一部分(如图3中所示)。另一保护器90用于除了接近于芯片条85的端面85a的下电极50的近区之外覆盖几乎所有下电极60，即，远区，而不覆盖端面85a。另一保护器90具有位于下电极60的近区和远区之间的边界处的端部，并且近区和远区被布置在Y方向上。在将保护器90附着到芯片条之后，绝缘膜71形成在端面85a上。具体地，包含用于绝缘膜71的组成原子的焊剂被供应给端面85a，并且组成原子例如通过CVD或溅射被沉积在端面85a上以形成膜。组成原子在垂直于端面85a的方向上朝向端面85a行进。这时，错过端面85a的组成原子沿着半导体绝缘部75和下电极60两者行进行并且被沉积在顶面75c和下电极60的被包括在芯片条85的近区中的各部分上，从而形成绝缘膜71。绝缘膜71形成在芯片条85的端面85a和近区上以形成第二晶片产品。在形成绝缘膜71之后，保护器90与芯片条分离。
将给出在端面85a上形成金属膜72的工艺的描述。在将保护器90附着到在其上具有绝缘膜71的芯片条85之后，金属膜72形成在端面85a上的绝缘膜71上。电子束蒸发用于在端面85a上沉积用于金属膜72的组成原子。这时，错过端面85a的组成原子沿着半导体绝缘部75和下电极60两者行进，并且被沉积在顶面75c和下电极60的被包括在芯片条85的近区中的各部分上，从而形成绝缘膜72。金属膜72形成在芯片条85的端面85a和近区中以形成另一晶片产品。具体地，此蒸发可在绝缘膜71上形成金属膜72，所述绝缘膜71覆盖芯片条85的近区中的上电极50。金属膜72形成在半导体绝缘部75、端面85a以及芯片条85在下电极60上的近区上。在形成金属膜72之后，保护器90与芯片条分离。
用于形成金属膜72的保护器90具有在Y方向上比在Y方向上用于形成绝缘膜71的保护器90的长度长的长度。在顶面75c上，金属膜72的边缘被定位为在Y方向上相对于端面85a更接近于绝缘膜71的边缘。在形成绝缘膜71和金属膜72两者之后，如此形成的芯片条85通过劈开(参考图8B)成如图1中所示的量子级联激光器1而沿着边界线B2破裂。
将给出根据上述实施例的量子级联激光器1的有益效果的描述。量子级联激光器是可在诸如环境气体分析、医疗诊断和工业加工的技术领域中使用的有前途的光源。量子级联激光器产生中红外波长(例如，3至30微米的波长范围)中的激射光束。量子级联激光器可以是提供大小和成本减少并且现在正在开发的光源。特别地，在中红外波长中有前途的气体传感的领域中，中红外的单模DFB量子级联激光器变成开发的主流，因为它们可提供在检测特定气体的吸收线时使用的光。这种量子级联激光器原则上结合由于LO声子散射而导致的非辐射复合的发生，这将激光的阈值电流增加到几百mA至几安培，使得量子级联激光器消耗大量功率。阈值电流的增加是妨碍量子级联激光器的实际应用的原因之一。为了抑制阈值电流的增加，可为量子级联激光器提供在其端面上具有金属膜的激光腔。
将给出在其端面上具有金属膜的量子级联激光器的结构的描述。图10是示出量子级联激光器100的立体图。图11是沿着图10中所示的线XI-XI截取的横截面图。为了容易理解，在每个图中描绘XYZ坐标***，并且在本实施例中，X方向、Y方向和Z方向彼此正交。请注意，为了示出通过焊料材料的导电路径，图11不仅示出量子级联激光器100而且示出在将量子级联激光器100固定到底座的焊料材料4。量子级联激光器100具有与本实施例的量子级联激光器1的埋入异质结构相同的埋入异质结构。如图9中所示，量子级联激光器100包括半导体器件部10、绝缘膜71和金属膜72。
量子级联激光器100与根据该实施例的量子级联激光器不同之处在于量子级联激光器100不包括半导体绝缘部75。上电极50覆盖整个第二区30d，并且绝缘膜71和金属膜72被设置在上电极50上。用焊料材料4将量子级联激光器100安装在底座上使下电极60上的金属膜72与焊料材料4接触。在上电极50与下电极60之间使得能在量子级联激光器100中实现激光振荡的外部电压(例如，10伏特或更大的高电压)的施加导致如此施加在下电极60上的电压经由焊料材料4施加到金属膜72。外部电压因此被施加到上电极50与上电极50上的金属膜73之间的绝缘膜71。
如上所述，然而，上电极50上的绝缘膜71的厚度T2与后端面10a上的绝缘膜71的厚度T1相比极其薄。可以将例如10伏特或更大的上述高电压施加到被设置在上电极50与金属膜72之间的绝缘膜71，以引起绝缘膜71的击穿。此击穿可以在绝缘膜71中形成电流路径，所述电流路径允许大量电流(即，侵入电流)借此在后端面10a附近流动，使得量子级联激光器100可能经受故障，诸如端面处的破损。在上电极50上形成绝缘膜为后端面10a上的结果得到的绝缘膜提供大厚度(例如，比以往厚几倍)。形成此厚膜增加在后面10a上形成绝缘膜71的沉积时间(例如，长几倍)，从而降低量子级联激光器100的生产率。具有这种大厚度的绝缘膜可以使对后端面10a的应力变大，并且此应力可以引起后端面10a的劣化，诸如绝缘膜71的破裂和从后端面10a剥离。
相比之下，如图3中所示，根据本实施例的量子级联激光器1b被提供有半导体绝缘部75，所述半导体绝缘部75位于第二区30d与金属膜72之间并且被提供有比半导体层压件30的顶面30a高的面75c，以允许绝缘区(包括绝缘膜71和半导体绝缘部75)具有期望的厚度，使得此绝缘区使上电极50与金属膜72之间的绝缘性质增强。上述量子级联激光器1允许上电极50与顶面75c上的金属膜72之间的上述电绝缘耐受施加到上电极50与顶面75c上的金属膜72之间的绝缘膜71的电压，从而抑制量子级联激光器1的器件特性的降级。在第二区30d与金属膜72之间设置半导体绝缘部75防止金属膜72与上电极50接触，从而避免上电极50与金属膜72之间的短路。
绝缘膜71被设置在层压件端面30b与金属膜72之间并且在顶面75c上延伸，从而减少层压件端面30b与金属膜72之间的短路的发生。短路的发生减少可抑制由于量子级联激光器1中的器件故障而导致的降级。此外，像在本实施例中一样，绝缘膜71可以包括SiO2、SiON、SiN、氧化铝、BCB树脂和聚酰亚胺树脂中的至少一种，其各自具有极好的耐久性和绝缘性质以便用在后端面10a的保护膜中。另外，这些介电膜是通过熟悉方法诸如溅射、CVD或旋涂来提供的，从而容易地形成在后面10a上。使用这些方法使将绝缘膜71的沉积引入到量子级联激光器1的制作工艺中变得容易。
在本实施例中，金属膜72可以包括Au。Au可为后面10a上的金属膜72提供例如超过90％的高反射比。
在本实施例中，半导体绝缘部75包括掺杂有包括Fe、Ti、Cr和Co(掺杂剂)中的至少一种的过渡金属的半导体，诸如III-V化合物半导体。掺杂有过渡金属的III-V化合物半导体对电子具有足够高的例如105Ωcm或更大的比电阻。
在本实施例中，金属膜72可以包括在后端面10a处具有90％或更大的高反射比的金(Au)。
在本实施例中，上包覆层35可以包括InP层。InP对中红外波长中的激光是透明的(不吸收光)，并且可被用作上包覆层35的材料。InP也是二元混合晶体，所述二元混合晶体与InP的半导体衬底20晶格匹配，使得InP层可令人满意地生长在InP衬底上。另外，InP具有极好的导热性，并且可令人满意地提供上包覆层35使来自从芯层33的热量消散。这种极好的导热性可为量子级联激光器1提供极好的温度特性。
在本实施例中，半导体衬底20可以是InP基部。量子级联激光器1的半导体层压件30具有接近于InP的晶格常数的晶格常数。将InP基部用于半导体衬底20允许半导体层压件30以极好的晶体质量生长在半导体衬底20上。InP对中红外波长中的光是透明的，使得InP衬底可用作用于芯层33的下包覆层。
(第一修改)
图12是示出根据该实施例的第一修改的量子级联激光器1A的立体图。图12是示出半导体层压件30的沿着在本实施例中平行于YZ平面的平面截取的横截面图。本修改与上述实施例不同之处在于，半导体绝缘部75具有倾斜侧面。该实施例中的半导体绝缘部75的侧面75a基本上平行于后端面10a延伸所沿着的参考平面，并且此修改例中的半导体绝缘部75的侧面75a相对于相关参考平面(其平行于衬底端面20c和层压件端面30b)倾斜，以为半导体绝缘部75提供倒台面形状。具体地，半导体绝缘部75被提供有倾斜侧面以在其顶部处形成峰。侧面75e相对于顶面30以锐角在向上方向上从顶面30a起倾斜地延伸并且被定向到顶面30a以在其顶部处达到顶点，使得矢量垂直于侧面75e。侧面形成大于0度且小于90度的范围内的角度。
侧面75e的倾斜妨碍用于金属膜72的焊剂在使金属膜72沉积在后端面10a上时被沉积在侧面75e上。金属膜72在由顶面75c和倾斜侧面75e共享的边缘处终止，从而减少由金属膜72与上电极50之间的连接而引起的短路的发生。这导致防止在量子级联激光器1A中发生由于短路而导致的故障。
用于制作量子级联激光器1A的方法与用于制作量子级联激光器1的方法不同之处在于用于蚀刻半导体层76的工艺(图6B)。在用于制作量子级联激光器1A的方法中，通过各向异性湿蚀刻来处理半导体层76。用于此蚀刻的适当的蚀刻剂和半导体层76的适当的晶体平面允许半导体绝缘部75具有尖顶侧面75e。剩余的工艺可以与根据上述实施例的那些工艺相同。
(第二修改)
图13是示出根据上述实施例的第二修改的量子级联激光器1B的立体图。图13是示出半导体层压件30的沿着平行于YZ平面的平面截取的横截面图。该修改例在半导体绝缘部的形状上与上述实施例不同。半导体绝缘部75B位于包含半导体层压件30的激光条中，并且沿着后端面10a延伸。半导体绝缘部75B在从顶面30到背面20b的方向上延伸到半导体衬底20。半导体绝缘部75B被提供有内侧面75a、外侧面75b、顶面75c和底面75d。内侧面75a在半导体衬底20的级差下与堆叠在半导体衬底20上的半导体层(32、33、34、35、36)的端面以及半导体衬底20的侧面接触，并且半导体绝缘部75B覆盖半导体层(32、33、34、35和36)的所有端面。底面75d与半导体衬底20的级差的凹状顶面接触。沿着后端面10a的一部分延伸的半导体绝缘部75B允许量子级联激光器1B在后端面10a附近具有大电阻，从而减小在后端面10a附近流动的泄漏电流。这导致量子级联激光器1B具有极好的器件性能(例如，减小的阈值电流)。在Z方向上高度比半导体绝缘部75B的高度大的半导体绝缘部75还减少在后端面10a附近的绝缘膜71的击穿的发生。
随后，将给出用于制作根据本修改的量子级联激光器1B的示例性方法的描述。图14A至图14C是各自示出图13的量子级联激光器1B的制作工艺的视图。本方法包括多个工艺步骤，所述多个工艺步骤包括前部分以及在以下中间部分之后执行的后部分，所述前部分具有与第一实施例方法中的那些工艺步骤相同的工艺步骤并且在形成嵌入半导体层压件30的单独的嵌入部分40(图5C)的工艺处结束。在第二修改例中，第二晶体生长步骤使一个或多个半导体膜生长在衍射光栅层34上以形成半导体产品。半导体产品包括在其顶部处的接触层36，而不包括在其上的半导体层76。
如图14A中所示，掩模84通过膜形成和光刻形成在用于半导体层压件30的接触层36的半导体膜上，并且具有在用于第一区30c的区域上的图案和在用于第二区30d的区域上的开口。掩模84由与掩模81的材料相同的材料制成。半导体层压件30被用掩模84蚀刻，并且此蚀刻留下被图案覆盖的半导体，并且去除出现在开口处的半导体，从而形成在半导体衬底20中具有底部的凹部。蚀刻为半导体层压件30提供层压件端面30b，所述层压件端面30b位于用于第一区30c和第二区30d的两个区域之间的边界处。跟随蚀刻是利用被留在晶片上的掩模84的第四晶体生长工艺。如图14C中所示，在第四晶体生长工艺中，利用掩模84使半导体绝缘部76生长与凹部的层压件端面30b上。后部分具有与上述实施例相同的工艺。
图15是示出根据第二修改的另一示例的量子级联激光器1C的立体图。图15示出了示出量子级联激光器1C的半导体层压件30的沿着平行于YZ平面的平面截取的横截面。量子级联激光器1C具有半导体绝缘部75B，所述半导体绝缘部75B在没有绝缘膜71的情况下与金属膜72接触，并且在层压件端面30b和半导体绝缘部75B上不包括绝缘膜71。金属膜72覆盖半导体绝缘部75B的整个侧面75b。量子级联激光器不包括绝缘膜71，并且半导体层压件30与展示高导热性的半导体绝缘部75B接触。直接接触可在半导体层压件30处为量子级联激光器1C通过高散热，使得量子级联激光器1C被提供有极好的器件性能和极好的可靠性。量子级联激光器1C使用半导体绝缘部75B作为绝缘构件。可以与量子级联激光器1B的方式相同的方式制作量子级联激光器1C。
(第三修改)
图16和图17是各自示出根据上述实施例的第三修改的量子级联激光器1D的横截面图。图16示出了图示半导体层压件30的第一区30c的沿着平行于YZ平面的平面截取的横截面。图17示出了图示半导体层压件30的第二区30d的沿着平行于YZ平面的平面截取的横截面。此修改例在两个电流阻挡部和半导体绝缘部方面与上述实施例不同。半导体绝缘部75B由与电流阻挡部的材料相同的材料制成。用于半导体绝缘部75B和电流阻挡部的半导体在相同的半导体生长步骤中生长在半导体衬底和半导体层压件两者上。电流阻挡部在从半导体衬底到半导体层压件30的方向上相对于半导体层压件30的顶部突出，使得半导体绝缘部75B被设置在半导体层压件30的顶部上。
将在下面给出用于制作上述量子级联激光器1D的方法的描述。图18A至图18C和图19A至图19C是各自示出制作图16和图16中所示的量子级联激光器1D的主要工艺的视图。图18A至图18C示出用于制作量子级联激光器1D的单个工艺步骤中的横截面。图19A至图19C示出跟在图18A和图18C的工艺步骤之后的工艺步骤中的横截面。图18A和图19A各自示出量子级联激光器1D的半导体层压件30的沿着平行于YZ平面的平面截取的横截面。图18B示出沿着平行于XZ平面的平面和图18A的线XVIIIb-XVIIIb截取的横截面，并且图18C示出沿着平行于XZ平面的平面和图18A的线XVIIIc-XVIIIc截取的横截面。图19B示出沿着平行于XZ平面的平面和图19A的线XIXb-XIXb截取的横截面，并且图19C示出沿着平行于XZ平面的平面和图19A的线XIXc-XIXc截取的横截面。
制作根据本修改的量子级联激光器1D的方法具有在用于形成台面形半导体层压件30的工艺(参考图5B)处结束的前部分以及跟随在从第二次晶体生长工艺开始的中间部分之后的后部分。在该修改例中，第二晶体生长工艺使一个或多个半导体膜(包括在一个或多个半导体膜之上的接触层36)生长在衍射光栅层34上，而不使半导体层76生长在接触层36上，从而形成半导体产品。该半导体产品被提供有在其顶部处的接触层36并且不包括半导体层76。
在用于形成台面形状的半导体层压件30的步骤之后，掩模81被去除，并且如图18A和图18B中所示，掩模86形成在台面形半导体层压件30的上面30a上。如图18A至图18C中所示，掩模86覆盖第一区30c并且具有在第二区30d上的开口。掩模86由与上述实施例的掩模81相同的材料制成。如图19A至图19C中所示，利用掩模86进行选择性生长以分别使两个电流阻挡部40和半导体绝缘部75生长在半导体层压件30的两侧且在第二区30d上，使得无半导体被沉积在掩模86上。此后，掩模86被去除。后部分(其从用于在第一区30c上形成上电极50的步骤开始)与上述实施例中的那些相同。
选择性地生长半导体绝缘部75和两个电流阻挡部40使量子级联激光器1D的制作工艺被简化，从而容易地制作量子级联激光器1D。此简化为量子级联激光器1D的制作提供改进的生产率。同时生长半导体绝缘部75和电流阻挡部40为半导体绝缘部75和电流阻挡部40提供相同的材料并且在其之间没有界面，因此产生更少的晶体缺陷。缺陷更少的量子级联激光器1D可抑制器件特性的降级和可靠性的恶化。量子级联激光器1D具有与上述实施例相同的有利效果。
(第四修改)
图20和图21是各自示出根据第四修改例的量子级联激光器1E的横截面图。图20示出了图示半导体层压件30的沿着平行于XZ平面的平面截取的横截面，并且图21示出了图示半导体绝缘部75的沿着平行于XZ平面的平面截取的横截面。本修改例在两个电流阻挡部和半导体绝缘部的形状上与上述实施例不同。具体地，根据该修改的量子级联激光器1E包括半导体绝缘部75B，并且半导体绝缘部75B和两个电流阻挡部40被同时地用选择性生长掩模生长，并且由相同的材料制成。利用选择性生长掩模的这种同时生长允许电流阻挡部40和半导体绝缘部75B在从半导体衬底20到半导体层压件30的方向上相对于上电极50突出。
将在下面给出用于制作上述量子级联激光器1E的方法的描述。图22A至图22C、图23A至图23C、图24A至图24C是各自示出制作图20和图21的量子级联激光器1E的方法中的主要工艺的示意图。图22A至图22C示出用于制作量子级联激光器1E的单个工艺中的横截面。图23A至图23C示出跟随在图22A至图22C中所示的工艺之后的工艺中的横截面。图24A至图24C示出跟随在图23A至图23C中所示的工艺之后的工艺中的横截面。图22A、图23A和图24A各自示出了图示量子级联激光器1E的半导体层压件30的沿着平行于YZ平面的平面截取的横截面。图22B示出沿着图22A中的线XXIIb-XXIIb和平行于XZ平面的平面截取的横截面，并且图22C示出沿着图22A中的线XXIIc-XXIIc和平行于XZ平面的平面截取的横截面。图23B示出沿着图23A中的线XXIIIb-XXIIIb和平行于XZ平面的平面截取的横截面，并且图23C示出沿着图23A中的线XXIIIc-XXIIIc和平行于XZ平面的平面截取的横截面。图24B示出沿着图24A中的线XXIVb-XXIVb和平行于XZ平面的平面截取的横截面，并且图24C示出沿着图24A中的线XXIVc-XXIVc和平行于XZ平面的平面截取的横截面。
用于制作根据本修改的量子级联激光器1E的方法具有前部分以及跟随在从第二晶体生长工艺开始的中间部分之后的后部分，所述前部分具有与上述实施例的工艺相同的工艺并且在第二晶体生长步骤(参考图4C)中结束。在该修改例中，第二晶体生长工艺使在半导体膜的顶部处包括接触层36的一个或多个半导体膜生长在衍射光栅层34上，而不使半导体层76生长在接触层36上，从而形成半导体产品。此半导体产品被提供有最上面的接触层36，而不包括半导体层76。
此后，如图22A至图22C中所示，掩模86形成在上面30a上。掩模86具有覆盖第一区30c的图案和在第二区30d上的开口。如图23A至图23C中所示，用掩模86蚀刻接触层36、上包覆层35、衍射光栅层34、芯层33、缓冲层32和半导体衬底20以形成台面形半导体层压件30，如图23B中所示，并且半导体层压件30在掩模86的开口的边缘或者掩模86的图案的边缘处具有如图23A中所示的层压件端面30b。
如图24A至图24C中所示，除了掩模86的图案之外，两个电流阻挡部40和半导体绝缘部75B分别选择性地生长在半导体层压件30的两侧和层压件端面30b上。此后，在中间部分的最后工艺中去除掩模86。后部分从(在上表面30a上形成上电极50的步骤)开始，并且具有与上述实施例中的那些工艺相同的工艺。使用半导体绝缘部75B和两个电流阻挡部40的选择性生长来制作的根据第三修改例的量子级联激光器1D具有与上述实施例的那些有利效果相同的有利效果。
根据本发明的量子级联半导体激光器不限于上述量子级联半导体激光器，并且其它修改是可能的。例如，上述实施例和这些修改中的每一个可以依照根据上述实施例的目的和效果彼此组合。在上述实施例和修改中绝缘膜和金属膜被设置在半导体器件的后端面上，但是绝缘膜和金属膜可以被设置在前端面上或者在半导体器件的前端面和后端面两者上。根据上述实施例和修改的量子级联激光器各自具有埋入异质结构，并且如果需要，具有另一结构，诸如具有形成在半导体层压件30的两个侧面上的绝缘膜(例如，介电膜，诸如SiO2)的高台面结构。另外，上述实施例和修改各自具有带衍射光栅层34的DFB量子级联激光器，但是本发明不限于此。上述实施例和修改可被类似地应用于例如没有衍射光栅层34的法布里-珀罗(FP)型量子级联激光器。FP型量子级联激光器具有与DFB型量子级联激光器相同的改进。根据上述实施例和修改的量子级联激光器包括用作阴极的上电极和用作阳极的下电极。如果需要，根据上述实施例和修改的量子级联激光器可以包括用作阳极的上电极和用作阴极的下电极。此量子级联激光器具有与上述实施例和修改相同的效果。
在本发明的优选实施例中已描述并图示了本发明的原理后，本领域的技术人员应了解的是，可在不脱离此类原理的情况下在布置和细节上修改本发明。我们因此要求保护落入以下权利要求的精神和范围内的所有修改和变化。

Claims (12)

1.一种量子级联激光器，所述量子级联激光器包括：
半导体器件部，所述半导体器件部包括衬底、半导体层压件和半导体绝缘部，所述衬底和所述半导体层压件被布置在第一方向上，所述半导体层压件被设置在所述衬底上，所述半导体层压件具有主表面，所述衬底具有背表面，所述主表面和所述背表面被布置在所述第一方向上，所述衬底具有衬底端面，所述半导体层压件具有层压件端面、在与所述第一方向交叉的第二方向上从所述层压件端面延伸的芯层以及被设置在所述芯层上的包覆层，所述半导体绝缘部和所述衬底被设置为沿着与所述第二方向交叉的参考平面，所述半导体器件部具有前端面和后端面，所述前端面和所述后端面被布置在所述第二方向上，所述后端面包括所述衬底端面，并且所述衬底端面沿着所述参考平面延伸；
第一电极，所述第一电极被设置在所述半导体层压件上；
第二电极，所述第二电极被设置在所述衬底的所述背表面上；以及
金属膜，所述金属膜被设置在所述后端面、所述半导体绝缘部和所述第二电极上，所述金属膜远离于所述第一电极，
其中，
所述半导体绝缘部具有外侧面和内侧面，
所述外侧面和所述衬底端面被布置为沿着所述参考平面，并且
所述半导体绝缘部的所述内侧面相对于所述半导体层压件的所述主表面倾斜以形成锐角。
2.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，
所述半导体层压件的所述主表面具有第一区和第二区，
所述主表面的所述第一区和所述第二区被布置在所述第二方向上，
所述主表面的第二区被设置在所述层压件端面与所述主表面的所述第一区之间，
所述半导体绝缘部位于所述主表面的所述第二区上，并且
所述第一电极具有远离于所述层压件端面和所述主表面的所述第二区的端部。
3.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，
所述半导体绝缘部沿着所述层压件端面延伸。
4.根据权利要求3所述的量子级联激光器，其中，
所述半导体绝缘部与所述金属膜相接触。
5.根据权利要求1所述的量子级联激光器，还包括：
绝缘膜，所述绝缘膜位于所述层压件端面与所述金属膜之间。
6.根据权利要求5所述的量子级联激光器，其中，
所述绝缘膜包括SiO2、SiON、SiN、氧化铝、BCB树脂或聚酰亚胺树脂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，
所述半导体绝缘部包括半绝缘的半导体，所述半绝缘的半导体包含过渡金属作为掺杂剂。
8.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，
所述半导体绝缘部、所述半导体层压件和所述衬底被布置为沿着所述参考平面。
9.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，
所述半导体绝缘部与所述衬底直接接触。
10.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，
所述半导体层压件位于所述半导体绝缘部与所述衬底之间。
11.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中，
所述半导体器件部包括嵌入所述半导体层压件的电流阻挡部，
所述电流阻挡部包括半绝缘的半导体或未掺杂的半导体中的至少一种，并且
所述半导体绝缘部由与所述电流阻挡部的材料相同的材料制成。
12.根据权利要求5所述的量子级联激光器，其中，
所述半导体层压件是在所述半导体绝缘部和所述衬底之间。
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