專利名稱：一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器及其制作工藝的制作方法
一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器及其制作工藝技術領域
本發明屬于激光器半導體技術領域，涉及一種太赫茲量子級聯激光器，具體涉及一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器及其制作工藝。
背景技術：
太赫茲(THz)量子級聯激光器(quantum cascade laser,QCL)作為一種重要的太赫茲輻射源，具有體積小、重量輕、易集成等優點，是太赫茲領域的一個研究熱點。太赫茲量子級聯激光器的研究主要集中在有源區和波導兩個方面，要求器件具有高工作溫度、低閾值電流密度、高轉換效率、高輸出功率、單模窄光譜線寬、小遠場發散角等性能。
太赫茲量子級聯激光器波導結構主要有單面金屬波導和雙面金屬波導，其中雙面金屬波導對太赫茲波損耗小、模式限制作用強；雙面金屬波導激光器具有更低的閾值電流密度和更高的工作溫度。激光的出射有邊緣發射和表面發射兩種形式。
邊緣發射太赫茲量子級聯激光器通常采用波導兩個解離端面形成的F-P腔產生諧振，然而F-P腔激光器往往會產生多個激光模式，因此，為了獲得穩定的單模輸出，通常在波導表面金屬層引入一階光柵。邊緣發射太赫茲量子級聯激光器的出光孔徑較小，激光光束非常發散，這種亞波長模式限制引起的光束發散對于雙面金屬波導激光器尤其明顯。
表面發射太赫茲量子級聯激光器具有較大的出射面積，因此可望具有更窄的光束發散模式以及更大的功率輸出。二階光柵可以實現激光的表面輻射，對于二階光柵表面發射太赫茲量子級聯激光器，存在的問題為在垂直光柵排列方向上光束發散沒有得到限制以及輸出功率較小。解決上述問題的一種方法為在波導表面制作二維光子晶體，在二維上抑制光束的發散，平行襯底傳播的太赫茲光通過光子晶體的一級衍射實現垂直襯底表面輻射，二級衍射產生諧振。表面發射波導端面的反射會影響激光的模式，大面積波導容易激發橫向高次模，一個有效的解決方法是在波導的四周制作吸收邊以減弱端面反射、抑制橫向高次模，但是增加吸收邊會使光子晶體波導諧振腔的品質因子變小。發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器及其制作工藝，該激光器輸出功率高，且為單模窄線寬的面發射太赫茲量子級聯激光器。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器及其制作工藝。
一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器，所述單模大功率太赫茲量子級聯激光器包括位于中心的二維光子晶體波導和環繞二維光子晶體波導分布的一階光柵波導。
作為本發明的一種優選方案，所述二維光子晶體波導與所述一階光柵波導的連接處設有錐形波導。
作為本發明的另一種優選方案，所述一階光柵波導在遠離中心的端面鍍有高反射
作為本發明的再一種優選方案，所述二維光子晶體波導的結構為在垂直方向從下至上依次為重摻雜η型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區、上接觸層、上金屬層；其中所述上金屬層和上接觸層刻蝕有二維點陣孔洞。
作為本發明的再一種優選方案，所述一階光柵波導的結構為在垂直方向從下至上依次為重摻雜η型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區、上接觸層、上金屬層；其中所述上金屬層和上接觸層刻蝕有一階光柵。
一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器的制作工藝，包括以下步驟
步驟一，以半絕緣GaAs為襯底，外延生長一刻蝕阻擋層；在所述刻蝕阻擋層上外延生長一上接觸層；在所述上接觸層上外延生長一有源區；在所述有源區上外延生長一下接觸層，然后在下接觸層上電子束蒸發一下金屬層；至此形成一片襯底；
步驟二，在另一重摻雜η型GaAs襯底表面電子束蒸發Pd/Ge/Pd/ln薄膜形成另一片襯底；
步驟三，將兩片襯底的金屬面相對，熱壓鍵合在一起；
步驟四，對所述半絕緣GaAs襯底進行拋光，直到離刻蝕阻擋層預設距離，然后采用濕法腐蝕，腐蝕到刻蝕阻擋層，再用HF酸去除刻蝕阻擋層；再用濕法腐蝕減薄上接觸層至預設厚度；采用剝離技術在所述半絕緣GaAs襯底上蒸發一上金屬層；以上金屬層為模版，自對準刻蝕出位于中心的波導和環繞中心波導分布的脊形波導；再在中心的波導表面光刻出二維點陣孔洞，在脊形波導表面光刻出一階光柵，將上金屬層和上接觸層刻通，形成二維光子晶體波導和一階光柵波導。
作為本發明的一種優選方案，所述脊形波導在遠離中心波導的端面鍍有高反射膜。
作為本發明的另一種優選方案，所述光子晶體波導為圓形、方形或六邊形。
作為本發明的再一種優選方案，所述二維光子晶體波導和一階光柵波導中太赫茲光諧振波長相同。
作為本發明的再一種優選方案，從所述上金屬層和下金屬層或重摻雜η型GaAs襯底引出電極。
如上所述，本發明所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器及其制作工藝，具有以下有益效果本發明所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器大大增加了中心區域波導的太赫茲激光的輸出功率，保證了太赫茲激光的單模窄線寬，只反饋激光器設定的工作模式，抑制橫向高次模，同時還提高了光子晶體諧振腔的品質因子。
圖IA為本發明所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的第一種結構俯視示意圖。
圖IB為本發明所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的第一種結構剖面圖。
圖2為本發明所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的第二種結構示意圖。
圖3為本發明所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的第三種結構示意圖。
元件標號說明
01、重摻雜η型GaAs襯底； 02、下金屬層；
03、重摻雜η型GaAs下接觸層；04、GaAs多量子阱級聯有源區；
05、重摻雜η型GaAs上接觸層；06、上金屬層；
07、二維光子晶體波導； 08、一階光柵波導；
09、一階光柵；10、點陣排列的孔洞；
11、錐形耦合波導。
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
本發明提出一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器及其制作工藝，該激光器是基于雙面金屬波導工藝，由位于中心的二維光子晶體波導和圍繞二維光子晶體波導環形分布的一階光柵波導組成。光子晶體波導和光柵波導同時產生太赫茲激光增益，形成的太赫茲激光以垂直襯底的方向從光子晶體波導表面輻射。環形分布的多個光柵波導大大提高了激光器的輸出功率。該激光器實現了單模、高功率、低發散度太赫茲激光的表面發射。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細說明。
實施例
本實施例提供一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器，如圖ΙΑ、1Β、2和3所示，該太赫茲量子級聯激光器包括位于中心的二維光子晶體波導和環繞二維光子晶體波導分布的一階光柵波導。所述二維光子晶體波導的結構為在垂直方向從下至上依次為重摻雜η 型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區、上接觸層、上金屬層；其中所述上金屬層和上接觸層刻蝕有二維點陣孔洞。所述一階光柵波導的結構為在垂直方向從下至上依次為重摻雜η型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區、上接觸層、上金屬層；其中所述上金屬層和上接觸層刻蝕有一階光柵。
所述單模大功率太赫茲量子級聯激光器整個器件以GaAs為材料，采用雙面金屬波導工藝，波導在垂直方向從下至上依次為重摻雜η型GaAs襯底01、下金屬層02、下接觸層03、有源區04、上接觸層05、上金屬層06，其中有源區04為AWaAs/GaAs多量子阱結構， 中心波導和四周分布波導表面(上金屬層和上接觸層)分別刻蝕有二維光子晶體和一階光柵，即形成位于中心的二維光子晶體波導07和環繞二維光子晶體波導07分布的一階光柵波導08。
四周分布的一階光柵波導為一窄條寬的脊形波導，寬度約100微米，表面刻蝕一階光柵09，上金屬層和上接觸層均被刻通，光柵為平行排列的狹縫，狹縫的長度小于脊形波導的條寬以保證波導電學導通。基于分布負反饋(DFB)原理，所述一階光柵波導中能形成水平方向傳輸的單模太赫茲激光。為了減少端面損失，一階光柵波導遠離中心區的端面鍍上高反射膜。四周分布的脊形波導和中心區波導連接處，可增加一個錐形耦合波導11以減小兩個波導之間的耦合損失。
圖IA和圖IB為單模大功率太赫茲量子級聯激光器的結構示意圖，其采用雙面金屬波導工藝，二維光子晶體波導為圓形，一階光柵波導呈星型均勻分布在二維光子晶體波導的四周，圖IA為俯視圖，圖IB為剖面圖。圖2為具有四個光柵波導的光子晶體面發射太赫茲量子級聯激光器的俯視圖，中心區的二維光子晶體波導為正方形。圖3為具有六個光柵波導的光子晶體面發射太赫茲量子級聯激光器的俯視圖，中心區的二維光子晶體波導為六邊形。所述位于中心的二維光子晶體波導可為圓形、方形或者六邊形等，其形狀不限于本發明列舉的三種，其需要具有較大的面積，直徑或者寬度可約為500微米。大的出射面積為激光器的大功率輸出、低遠場發散提供了有利條件。所述中心區域的波導表面制作有二維光子晶體，通過刻蝕上金屬層和上接觸層形成正三角形點陣或者正方形點陣排列的孔洞 10，其中點陣的周期大小滿足使光子晶體波導中某一特定波長的太赫茲光的一級衍射產生垂直輻射，二階衍射產生諧振。并且中心區光子晶體波導和周圍分布的脊形波導具有相同的諧振波長。
本發明所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的優點在于四周分布的脊形波導和中心區域波導同時產生激光增益，脊形波導產生的水平方向傳輸的激光都匯集到中心區域波導，通過中心區域波導的二維光子晶體的一級衍射垂直襯底出射，大大增加了中心區域波導太赫茲激光的輸出功率；脊形波導一階光柵和中心區域波導二維光子晶體保證了太赫茲激光的單模窄線寬；中心區域面發射波導的大出射面積為激光器的大功率輸出和窄遠場發散提供了有利條件；周圍分布的脊形波導對于二維光子晶體波導而言，還起到了布拉格反射鏡(DBR)的作用，只反饋激光器設定的工作模式，抑制橫向高次模，同時還提高了光子晶體諧振腔的品質因子。
本實施例還提供一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器的制作工藝，其工藝流程為
以半絕緣GaAs為襯底，分子束外延(MBE)生長約500納米厚的Ala P^l5As刻蝕阻擋層；
在所述刻蝕阻擋層上分子束外延(MBE)生長約500納米厚的重摻雜η型GaAs上接觸層，其作用是使金屬和GaAs形成非合金的歐姆接觸；
在所述上接觸層上分子束外延(MBE)生長AWaAs/GaAs交替多層周期結構有源區，厚度約10微米；
在所述有源區上MBE生長約50納米的重摻雜η型GaAs下接觸層；然后在GaAs下接觸層上電子束蒸發一下金屬層，該下金屬層可以為Ti/Au薄膜，厚約1微米；至此形成一片襯底；
在另一重摻雜η型GaAs襯底表面電子束蒸發Pd/Ge/Pd/In薄膜，厚度約1微米， 形成另一片襯底；將兩片襯底的金屬面相對，熱壓鍵合在一起；
對所述半絕緣GaAs襯底進行拋光，直到離刻蝕阻擋層約100微米，然后采用濕法腐蝕，腐蝕到刻蝕阻擋層，再用HF酸去除刻蝕阻擋層；濕法腐蝕減薄上接觸層至50納米左右，以減少自由載流子吸收引起的波導損耗；采用剝離技術在所述半絕緣GaAs襯底上蒸發一 Ti/Au上金屬層；以上金屬層為模版，自對準刻蝕出中心的圓形、方形或者六邊形波導和四周分布的脊形波導；四周的脊形波導寬度約100微米，中心波導直徑或寬度約500微米； 再在中心的圓形、方形或者六邊形波導表面和脊形波導表面波導上分別光刻出二維點陣孔洞和一階光柵，將上金屬層和上接觸層刻通，形成二維光子晶體波導和一階光柵波導。
所述脊形波導在遠離中心波導的端面鍍有高反射膜。電極從所述上金屬層和下金屬層或重摻雜η型GaAs襯底引出。
整個激光器的制備流程與通常報道的雙面金屬波導工藝相同，并不會增加額外的工藝步驟，只是增加了光刻部分圖形的復雜性。
所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器，其特征在于所述單模大功率太赫茲量子級聯激光器包括位于中心的二維光子晶體波導和環繞二維光子晶體波導分布的一階光柵波導。
2.根據權利要求1所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器，其特征在于所述二維光子晶體波導與所述一階光柵波導的連接處設有錐形波導。
3.根據權利要求1所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器，其特征在于所述一階光柵波導在遠離中心的端面鍍有高反射膜。
4.根據權利要求1所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器，其特征在于所述二維光子晶體波導的結構為在垂直方向從下至上依次為重摻雜η型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區、上接觸層、上金屬層；其中所述上金屬層和上接觸層刻蝕有二維點陣孔洞。
5.根據權利要求1所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器，其特征在于所述一階光柵波導的結構為在垂直方向從下至上依次為重摻雜η型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區、上接觸層、上金屬層；其中所述上金屬層和上接觸層刻蝕有一階光柵。
6.一種權利要求1所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的制作工藝，其特征在于，包括以下步驟步驟一，以半絕緣GaAs為襯底，外延生長一刻蝕阻擋層；在所述刻蝕阻擋層上外延生長一上接觸層；在所述上接觸層上外延生長一有源區；在所述有源區上外延生長一下接觸層，然后在下接觸層上電子束蒸發一下金屬層；至此形成一片襯底；步驟二，在另一重摻雜η型GaAs襯底表面電子束蒸發Pd/Ge/Pd/ln薄膜形成另一片襯底；步驟三，將兩片襯底的金屬面相對，熱壓鍵合在一起；步驟四，對所述半絕緣GaAs襯底進行拋光，直到離刻蝕阻擋層預設距離，然后采用濕法腐蝕，腐蝕到刻蝕阻擋層，再用HF酸去除刻蝕阻擋層；再用濕法腐蝕減薄上接觸層至預設厚度；采用剝離技術在所述半絕緣GaAs襯底上蒸發一上金屬層；以上金屬層為模版，自對準刻蝕出位于中心的波導和環繞中心波導分布的脊形波導；再在中心的波導表面光刻出二維點陣孔洞，在脊形波導表面光刻出一階光柵，將上金屬層和上接觸層刻通，形成二維光子晶體波導和一階光柵波導。
7.根據權利要求6所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的制作工藝，其特征在于所述脊形波導在遠離中心波導的端面鍍有高反射膜。
8.根據權利要求6所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的制作工藝，其特征在于所述光子晶體波導為圓形、方形或六邊形。
9.根據權利要求6所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的制作工藝，其特征在于所述二維光子晶體波導和一階光柵波導中太赫茲光諧振波長相同。
10.根據權利要求6所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器的制作工藝，其特征在于從所述上金屬層和下金屬層或重摻雜η型GaAs襯底引出電極。
全文摘要
本發明提供一種單模大功率太赫茲量子級聯激光器及其制作工藝，所述單模大功率太赫茲量子級聯激光器包括位于中心的二維光子晶體波導和環繞二維光子晶體波導分布的一階光柵波導。本發明所述的單模大功率太赫茲量子級聯激光器大大增加了中心區域波導的太赫茲激光的輸出功率，保證了太赫茲激光的單模窄線寬，只反饋激光器設定的工作模式，抑制橫向高次模，同時還提高了光子晶體諧振腔的品質因子。
文檔編號H01S5/22GK102570307SQ20121002365
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月2日 優先權日2012年2月2日
發明者萬文堅, 曹俊誠, 韓英軍 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所