專利名稱：單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器及制作方法
技術領域：
本發明涉及一種量子級聯激光器，特別涉及一種單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器及 制作方法。
背景技術：
太赫茲(THz)波在國民經濟以及國家安全等方面有重大的應用價值，而THz輻射源是THz 頻段應用的關鍵器件。在眾多THz輻射產生方式中，基于半導體的全固態THz量子級聯激光 器(QCL)由于其能量轉換效率高、體積小、輕便和易集成等優點，成為本領域的研究熱點。
雖然QCL也是一種半導體激光器，但是它與傳統的半導體激光器存在很大差別，主要表 現在QCL的發光波長并不受限于有源區材料的能隙，因為它是一種單極器件，激射波長由導 帶中分立子能級的能級差決定，而此能級差是通過調整有源區各量子阱層厚度來確定的。盡 管QCL的概念最初是由前蘇聯物理學家Kazarinov和Suris于1971年提出，但由于受限于當 時的實驗條件，直到1994年，Bell實驗室的Faist等人利用分子束外延才成功地制作出了世 界上第一個QCL。而第一個THz QCL是由意大利和英國于2002年合作研制成功的。該激光器 采用GaAs/AlGaAs材料體系，有源區設計采用了啁啾超晶格結構，激射波長為4.4THz。
推進THz QCL發展的最主要的因素之一是為設計低損失的波導結構。由于中紅外QCL以 及近紅外和可見光激光二極管都是采用傳統的電介質模式限制來限制光輻射的方向，而這種 方法對于THz頻段的激光器是不可行的，原因在于1、要使這種方法有效，那么波導覆蓋層 的厚度必須與半導體內的輻射光子的波長處于同一量級，這就要求覆蓋層的厚度要遠大于10 微米，而采用分子束外延技術生長這么厚的覆蓋層將會花去很長時間，是不可取的。2、自由 載流子吸收損失與波長的平方成正比。要使激光器激射，則激射光模與摻雜區域的交迭要減 到最小。而且，對于GaAs/AlGaAs材料體系，GaAs襯底的折射率比AlGaAs要高，因此襯底不 能充當一個自然的模式限制層。
目前針對THz QCL的波導設計主要有三種提法等離子波導、單面金屬波導(半絕緣表 面等離子波導)和雙面金屬波導。由于波導損失太大，等離子波導設計在實驗上是行不通的。 因此只有在半絕緣表面等離子波導和雙面金屬波導上做出選擇。因此如何制作出單面金屬波 導太赫茲量子級聯激光器實己成為本領域技術人員亟待解決的技術課題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器。 本發明的另一目的在于提供一種單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法。 為了達到上述目的，本發明提供的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器，其波導結構包 括半絕緣GaAs襯底、生長于所述半絕緣GaAs襯底上的GaAs緩沖層、生長于所述GaAs緩 沖層上的N型GaAs下波導層、生長于所述下波導層上且用于發出太赫茲光的多量子阱級聯有 源區、生長于所述多量子阱級聯有源區上的加強輔助注入層、生長于所述加強輔助注入層上 的N型GaAs接觸層、生長于所述接觸層上的金屬波導層。
其中，所述多量子阱級聯有源區具有多個重復周期，且每個周期內有多層AlGaAs/GaAs 交替層，所述多量子阱級聯有源區厚度為10微米左右即9至11微米之間，所述金屬波導層 為Au波導層。
此外，本發明的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法包括步驟1)利用氣態 源分子束外延設備在半絕緣的GaAs襯底依次生長GaAs緩沖層、N型GaAs下波導層、多量子 阱級聯有源區、加強輔助注入層及N型GaAs接觸層；2)采用光刻顯影以及熱蒸發的方法在 所述接觸層上制作金屬波導層及上電極；3)采用光刻顯影以及濕法腐蝕的方法腐蝕所述多量 子阱級聯有源區、加強輔助注入層、接觸層及金屬波導層以形成脊形結構；4)采用光刻顯影 以及熱蒸發的方法在所述下波導層上制作下電極；5)對已形成的激光器件進行快速熱退火， 并按照需要解理出相應的管芯；6)封裝所述管芯。
在步驟l)中，所述氣態源分子束外延設備分別采用氣態砷烷(AsH3)作為V族源，元素 鎵(Ga)、鋁(Al)作為III族源，硅(Si)作為N型摻雜源，生長具有多層AlGaAs/GaAs交 替層的多量子阱級聯有源區。其生成約io微米厚的多量子阱級聯有源區。
所述上電極及下電極均采用AiiGeNi-Au所形成，在步驟3)中，其腐蝕深度為10微米左 右，在步驟4)中采用AZ4620厚光刻膠進行光刻，在步驟2)中采用S6809光刻膠進行光刻， 所述下電極與脊形結構的距離為50微米，在步驟5)包括將所述襯底減薄以使所形成的激光 器件厚度近似100微米。
步驟6)還包括(1)將所述管芯焊接至設有多個鍍金陶瓷片的熱沉上；(2)將所述上電 極及下電極分別通過金絲與相應陶瓷片相連接；(3)采用銅線將各陶瓷片與設置在所述熱沉 上的標準接口相連接。
在步驟(2)中，每一電極采用4至10根金絲與相應陶瓷片相連接。
綜上所述，本發明基于傳統成熟的GaAs工藝可制作出單面金屬波導太赫茲量子級聯激光
器，由于制作工藝優化，整個制作過程僅需三步光刻，可有效減小激光器間作作過程中的污 染，同時大大縮短制作時間。
圖1為本發明的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的波導結構示意圖。 圖2為本發明的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的三維立體圖。 圖3為本發明的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器封裝后的實施例圖。 圖4為本發明的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的原理圖。
具體實施例方式
請參閱圖l，本發明的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的波導結構主要包括半絕緣 GaAs襯底01、生長于所述半絕緣GaAs襯底上的GaAs緩沖層02、生長于所述GaAs緩沖層上 的N型GaAs下波導層03、生長于所述下波導層上且用于發出太赫茲光的多量子阱級聯有源區 04、生長于所述多量子阱級聯有源區上且用于增強所述多量子阱級聯有源區電注入的加強輔 助注入層05、生長于所述加強輔助注入層上的N型GaAs接觸層06、以及生長于所述接觸層 上的金屬波導層07。
其中，所述多量子阱級聯有源區具有多個重復周期，且每個周期內有多層AlGaAs/GaAs 交替層，其厚度為10微米左右，通常所述多量子阱級聯有源區可為啁啾超晶格結構、束縛態 到連續態躍遷結構或共振聲子結構等，所述金屬波導層為Au波導層。
請參見圖4，當單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器在一定的偏壓下， 一個電子從能級3 躍遷至能級2，并發射一個光子，再通過某種散射機制使能級2上的電子迅速被抽取到能級1， 從而在能級3與2之間形成粒子數反轉，然后能級1上的電子然后繼續注入到下一個周期， 經歷相同的過程。這樣，在單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器中， 一個電子經歷N個周期 將會發射出N個光子，改變一個周期內多量子阱和壘的厚度、以及各交替層的組分和摻雜濃 度，可以使得能級3和2之間的能量差為所需要的太赫茲光子的能量。
為形成前述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器，本發明提供的制作方法包括以下步
驟
第一步利用氣態源分子束外延設備在半絕緣GaAs襯底01上依次生長GaAs緩沖層02、 N型 GaAs下波導層03、多量子阱級聯有源區04、加強輔助注入層05及N型GaAs接觸層06，所 述氣態源分子束外延設備分別采用氣態砷烷(AsH3)作為V族源，元素鎵(Ga)、鋁(Al)作 為III族源，硅(Si)作為N型摻雜源，在所述多量子阱級聯有源區04形成具有多層AlGaAs/GaAs 的交替層，較佳的，所述氣態源分子束外延設備生成約10微米厚的多量子阱級聯有源區04。 第二步采用光刻顯影以及熱蒸發的方法在所述接觸層06上制作金屬波導層07及上電極08， 在制作上電極08時，采用S6809光刻膠、及MF320顯影液進行光刻顯影，同時在熱蒸發之前 為避免氧化物影響導電性能可先用稀鹽酸漂20秒以去除其表面的氧化物，上電極08可采用 AuGeNi-Au材料制作形成。
第三步采用光刻顯影以及濕法腐蝕的方法腐蝕所述多量子阱級聯有源區、加強輔助注入層、 接觸層及金屬波導層以形成脊形結構09，其腐蝕深度約為IO微米。
第四步采用光刻顯影以及熱蒸發的方法在所述下波導層03上制作下電極10，下電極10也 可采用AuGeNi-Au材料制作形成，但采用AZ4620厚光刻膠以及AZ400K顯影液進行光刻顯影， 同時使下電極10與脊形結構09的距離為50微米以減小接觸電極與表面等離子的耦合，從而 降低波導損失，增強光場限制，上電極08與下電極10的歐姆接觸均采用的是熱蒸發AuGeNi， 然后再蒸發一層Au作為電極，快速熱退火使之合金化。
第五步對已形成的激光器件進行快速熱退火，同時減薄襯底01以使所形成的激光器件厚度 近似100微米，然后按照實際需要解理出相應尺寸的激光器管芯11。
第六步封裝所述管芯11，請參見圖3，其為單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器封裝后的 實施例圖，封裝時，可首先將所述管芯11正面朝上焊接至設有多個鍍金陶瓷片12的熱沉14 上，然后將所述上電極08及下電極10分別通過金絲13與相應陶瓷片12相連接，為了滿足 激光器的大電流工作， 一般每一電極采用4至10根金絲與相應陶瓷片相連接，最后采用銅線 15將各陶瓷片12與設置在所述熱沉14上的標準接口 16相連接，從而完成了整個激光器的封 裝過程。
綜上所述，本發明通過基于傳統的成熟的GaAs工藝可制作出單面金屬波導太赫茲量子級 聯激光器，由于制作工藝優化，整個制作過程僅需三步光刻，可有效減小激光器間作作過程 中的污染，同時大大縮短制作時間。
權利要求
1.一種單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在于包括如下步驟1)利用氣態源分子束外延設備在半絕緣的GaAs襯底依次生長GaAs緩沖層、N型GaAs下波導層、多量子阱級聯有源區、加強輔助注入層及N型GaAs接觸層；2)采用光刻顯影以及熱蒸發的方法在所述接觸層上制作金屬波導層及上電極；3)采用光刻顯影以及濕法腐蝕的方法腐蝕所述多量子阱級聯有源區、加強輔助注入層、接觸層及金屬波導層以形成脊形結構；4)采用光刻顯影以及熱蒸發的方法在所述下波導層上制作下電極；5)對已形成的激光器件進行快速熱退火，并按照需要解理出相應的管芯；6)封裝所述管芯。
2. 根據權利要求1所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在 于在步驟l)中，所述氣態源分子束外延設備分別采用氣態砷垸(AsH3)作為V族 源、元素鎵(Ga)、鋁(Al)作為in族源、硅(Si)作為N型摻雜源，生長具有多 層AlGaAs/GaAs交替層的多量子阱級聯有源區。
3. 根據權利要求1所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在 于所述氣態源分子束外延設備生長多量子阱級聯有源區厚度在9至11微米之間。
4. 根據權利要求1所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在 于所述上電極及下電極均采用AuGeNi-Au所形成。
5. 根據權利要求1所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在 于步驟3)的腐蝕深度范圍在9至11微米間。
6. 根據權利要求1所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在 于步驟4)采用AZ4620厚光刻膠進行光刻。
7. 根據權利要求1所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在 于步驟2)采用S6809光刻膠進行光刻。
8. 根據權利要求1所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在 于所述下電極與脊形結構的距離為50微米。
9. 根據權利要求1所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在 于步驟5)包括將所述襯底減薄以使所形成的激光器件厚度近似100微米。
10. 根據權利要求1所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在 于步驟6)包括(1) 將所述管芯焊接至設有多個鍍金陶瓷片的熱沉上；(2) 將所述上電極及下電極分別通過金絲與相應陶瓷片相連接；(3) 采用銅線將各陶瓷片與設置在所述熱沉上的標準接口相連接。
11. 根據權利要求io所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器的制作方法，其特征在于在步驟(2)中，每一電極采用4至10根金絲與相應陶瓷片相連接。
12. —種單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器，其特征在于，其波導結構包括半絕緣GaAs襯底；生長于所述半絕緣GaAs襯底上的GaAs緩沖層； 生長于所述GaAs緩沖層上的N型GaAs下波導層； 生長于所述下波導層上的多量子阱級聯有源區； 生長于所述多量子阱級聯有源區上的加強輔助注入層； 生長于所述加強輔助注入層上的N型GaAs接觸層； 熱蒸發于所述接觸層上的金屬波導層。
13. 根據權利要求12所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器，其特征在于所述多 量子阱級聯有源區具有多個重復周期，且每個周期內有多層AlGaAs/GaAs交替層。
14. 根據權利要求12所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器，其特征在于所述多 量子阱級聯有源區厚度在9至11微米之間。
15. 根據權利要求12所述的單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器，其特征在于所述金 屬波導層為Au波導層。
全文摘要
一種單面金屬波導太赫茲量子級聯激光器及制作方法，其首先利用氣態源分子束外延設備在半絕緣的GaAs襯底依次生長GaAs緩沖層、N型GaAs下波導層、多量子阱級聯有源區、加強輔助注入層、N型GaAs上接觸層，然后采用光刻顯影以及熱蒸發的方法，制作上波導(電極)Au層，再采用光刻顯影以及濕法腐蝕的方法制作出脊形結構，接著采用光刻顯影以及熱蒸發的方法制作下電極，然后快速熱退火，并按照設計規格解理出高質量的管芯，最后完成管芯的封裝。
文檔編號H01S5/343GK101345393SQ20071004382
公開日2009年1月14日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者曹俊誠, 韓英軍, 華 黎 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所