三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法

摘要

本发明提供一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法，所述结构包括衬底、脊波导区以及三阶光栅结构；所述脊波导区自下而上依次包括下电极、夹层区及上电极；所述夹层区自下而上依次包括下接触层、有源区及上接触层；所述三阶光栅结构包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿上电极及夹层区；所述三阶光栅结构的纵向占空比范围是8%‑15%；太赫兹波在有源区内产生，并通过三阶光栅结构的选模作用，从缝隙处出射，在空间中耦合到脊波导区的纵向两端。本发明在太赫兹量子级联激光器的波导结构中引入了三阶光栅，并通过调整不同的光栅占空比以获得比较小的远场发散角，克服了三阶光栅因为相位不匹配而存在的远场发散角偏大的问题。

说明书

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法。

背景技术

太赫兹(THz)量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)覆盖1-10Thz的频率范围，具有体积小、重量轻、易集成等优点，是太赫兹应用领域的一个十分重要的辐射源。为了迎合在通信、成像、频谱分析等领域的应用，需要在波导结构方面对THz QCL进行优化设计，使THz QCL具有单模输出、低的远场发散角、高的输出功率等性能。

目前主要有两种波导结构，半绝缘表面等离子体波导结构和双面金属波导结构。相比半绝缘表面等离子体波导结构，双面金属波导结构具有模式限制因子高、工作温度高的优势，但是缺点在于多模工作、远场比较发散。为了在获得单模输出的同时具有比较小的远场发散角，通常在双面金属波导中引入光栅结构。对于三阶分布反馈THz QCL，由耦合模理论可知，当波导结构的本征模对应的有效折射率为3时能够使得本征模满足相位匹配条件，获得比较理想的远场光斑。通常制作的三阶分布反馈THz QCL对应的有效折射率大于3，由于使得器件有比较好的远场发散角的最大光栅周期数为N＝n_eff/(n_eff-3)，其中n_eff为器件本征模式对应的有效折射率，使得三阶光栅周期数大于最大光栅周期数N很多的THz>

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法，用于解决现有技术中三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器存在相位不匹配，导致远场发散角偏大，远场光斑比较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，包括衬底、形成于所述衬底上的脊波导区以及形成于所述脊波导区中的三阶光栅结构；其中：

所述脊波导区自下而上依次包括下电极、夹层区及上电极；

所述夹层区自下而上依次包括下接触层、有源区及上接触层；

所述三阶光栅结构包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿所述上电极及所述夹层区；所述脊波导区中，所述三阶光栅结构的纵向占空比范围是8％-15％；

太赫兹波在所述有源区内产生，并通过所述三阶光栅结构的选模作用，从所述缝隙处出射，在空间中耦合到所述脊波导区的纵向两端。

可选地，所述衬底包括n型GaAs衬底。

可选地，所述n型GaAs衬底中掺杂有Si，其中，Si掺杂浓度范围是2×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3。

可选地，所述衬底的厚度范围是100～240μm。

可选地，所述上电极的横向宽度小于所述有源区的横向宽度。

可选地，所述上电极位于所述有源区上表面的中心，且所述上电极的横向宽度为所述有源区的横向宽度的50％～95％。

可选地，所述有源区的横向宽度为亚波长尺度。

可选地，所述缝隙的横向宽度为所述上电极的横向宽度的50％～95％。

可选地，所述上电极的纵向宽度小于所述有源区的纵向宽度。

可选地，所述上电极的纵向第一端与所述有源区纵向第一端之间的距离为50～150μm；所述上电极的纵向第二端与所述有源区纵向第二端之间的距离为50～150μm。

本发明还提供一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的制作方法，包括如下步骤：

S1：提供一基板，在所述基板上自下而上依次形成刻蚀阻挡层、上接触层、有源区、下接触层及第一键合金属层；

S2：提供一衬底，在所述衬底上表面形成第二键合金属层；

S3：通过所述第一键合金属层及第二键合金属层将所述基板与所述衬底键合；所述第一键合金属层及第二键合金属层共同构成下电极；

S4：减薄所述衬底，并去除所述基板及所述刻蚀阻挡层，将所述上接触层减薄至预设厚度；然后在所述上接触层表面形成上电极；其中，所述下接触层、有源区及上接触层构成夹层区，所述下电极、夹层区及上电极构成脊波导区；

S5：刻蚀所述脊波导区，在所述脊波导区中形成三阶光栅结构，其中，所述三阶光栅结构包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿所述上电极及所述夹层区。

可选地，于所述步骤S5中，首先在所述脊波导区表面形成一硬掩膜层，然后在所述硬掩膜层中形成与所述三阶光栅结构相对应的开口，再通过所述开口对所述脊波导区进行刻蚀，得到所述缝隙。

可选地，所述第一键合金属层及第二键合金属层均包括Ti/Au复合层。

可选地，还包括步骤S6：在减薄后的所述衬底表面形成背面电极。

可选地，还包括步骤S7：将解离的激光器管芯，通过铟片焊接在铜热沉上，采用金丝焊线实现电注入。

如上所述，本发明的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明在太赫兹量子级联激光器的波导结构中引入了三阶光栅，并通过调整不同的光栅占空比以获得比较小的远场发散角。通过对三阶光栅的占空比的调节改善光栅波导的有效折射率以满足相位匹配条件，克服了三阶光栅因为相位不匹配而存在的远场发散角偏大的问题，在获得小于15°×15°的高斯光斑同时可以增加光栅的周期数，而增加光栅的周期数能够获得比较大的耦合功率。

附图说明

图1a显示为本发明的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的剖面示意图。

图1b显示为本发明的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的三维示意图。

图2a-图2e显示为不同纵向占空比光栅的三阶DFB THz QCL远场计算结果。

图2f显示为与图2a-图2e对应的周期长度与模式损耗的变化情况。

图3a显示为器件A的模式损耗图，其中其谐振频率为4.1702THz。

图3b显示为器件A在谐振频率4.1702THz对应的腔内的Ey分布。

图4显示为本发明制作的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的扫描电镜图，其中最下方的一个为器件A。

图5显示为测量到的器件A的远场光斑图。

元件标号说明

1衬底

2下电极

3下接触层

4有源区

5上接触层

6上电极

7三阶光栅结构

8金线键合区

9吸收边区

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

为了解决三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器存在的相位不匹配的问题，本发明通过改变波导的结构，提出一种输出功率高、远场发散角小的太赫兹量子级联激光器制作方案。请参阅图1a及图1b，分别显示为本发明的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的剖面示意图和三维示意图，包括衬底1、形成于所述衬底1上的脊波导区以及形成于所述脊波导区中的三阶光栅结构7；其中：

所述脊波导区自下而上依次包括下电极2、夹层区及上电极6；

所述夹层区自下而上依次包括下接触层3、有源区4及上接触层5；

所述三阶光栅结构7包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿所述上电极2及所述夹层区；所述脊波导区中，所述三阶光栅结构7的纵向占空比范围是8％-15％；

太赫兹波在所述有源区内产生，并通过所述三阶光栅结构7的选模作用，从所述缝隙处出射，在空间中耦合到所述脊波导区的纵向两端。

具体的，所述有源区4中产生的太赫兹波在脊波导区中产生的一级、二级衍射从光栅中耦合出去，三级衍射提供负反馈。耦合出去的电磁波在波导纵向的两端形成低发散的远场光斑。

需要指出的是，本发明中“纵向”是指沿脊波导的脊延长方向，“横向”是指在水平面上与所述“纵向”垂直的方向。所述三阶光栅结构7中的多条缝隙均与“横向”平行。

作为示例，所述衬底1包括n型GaAs衬底，所述下接触层3为重掺杂n型GaAs层，所述有源区4为GaAs多量子阱级联有源区，所述上接触层5为重掺杂n型GaAs层。

具体的，所述衬底1的厚度范围是100～240μm。本实施例中，所述n型GaAs衬底的厚度优选为150μm。较薄的衬底能够有利于器件工作时的散热，提高器件工作温度。

具体的，所述n型GaAs衬底中掺杂有Si，其中，Si掺杂浓度范围是2×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3，优选为2×10¹⁸cm^-1。Si掺杂的主要目的是使所述衬底1与其上方溅射的上电极形成欧姆接触。

具体的，所述上电极6的横向宽度小于所述有源区4的横向宽度，所述上电极6的纵向宽度小于所述有源区4的纵向宽度。作为示例，所述上电极6位于所述有源区4上表面的中心，且所述上电极6的横向宽度为所述有源区4的横向宽度的50％～95％，所述上电极6的纵向第一端与所述有源区4纵向第一端之间的距离为50～150μm，所述上电极6的纵向第二端与所述有源区4纵向第二端之间的距离为50～150μm。本实施例中，所述有源区4的横向宽度为亚波长尺度，所述上电极6宽度优选为占有源区的宽度的比例为80％，所述脊波导区上表面纵向两端各留100μm没有被所述上电极6所覆盖。此处，亚波长尺度是指等于或略小于激光器产生的太赫兹波的波长。

其中，所述脊波导区上表面纵向两端及横向两侧两端未被所述上电极6覆盖的区域用来作为吸收边区9，用于抑制高阶模式的产生。

具体的，所述三阶光栅结构7中，所述缝隙的横向宽度为所述上电极6的横向宽度的50％～95％。

为了确定光栅的具体占空比，要根据具体的周期数对器件结构用Comsol软件建模仿真，将计算得到的本征模式在光栅缝隙处的电磁场分布数据用Matlab软件进行近-远场变换而得到不同光栅占空比对应的远场分布图。

作为示例，图2a-图2e显示为不同纵向占空比(分别为8％、10％、12％、13％、15％)光栅的三阶DFB THz QCL远场计算结果，其横坐标Phi代表远场光斑在波导横向的发散角，纵坐标Theta代表远场光斑在波导纵向的发散角；图2f显示为与图2a-图2e对应的周期长度与模式损耗的变化情况。本实施例中，选择远场光斑形貌(如图5所示)比较好的波导对应的光栅占空比应用到器件设计与制作上。

作为示例，制作器件A，其中，器件A脊波导区总宽度为187.5μm，上电极宽度为150μm，对于器件A选取的光栅占空比为12％，且光栅的宽度为120μm，光栅的周期长度为32.7μm，脊波导区一共33个周期，另外脊波导去纵向两端每侧有两个周期长度的法布里-佩罗(F-P)腔区用来作为金线键合区8，用于金线键合。

图3(a)为器件A的模式损耗图，可以求得其谐振频率为4.1702THz，对应的模式损耗最小，图3(b)为器件A的谐振频率对应的腔内的Ey分布，其横坐标X代表波导纵向的坐标，纵坐标Z代表波导横向的坐标。

本发明的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构能够使激光器谐振频率对应的有效折射率接近甚至等于3，满足相位匹配条件，增加三阶光栅的周期数，同时获得比较理想的远场光斑。

实施例二

本发明还提供一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的制作方法，包括如下步骤：

首先执行步骤S1：提供一基板，在所述基板上自下而上依次形成刻蚀阻挡层、上接触层、有源区、下接触层及第一键合金属层。

作为示例，所述步骤S1包括：

S1-1：以半绝缘GaAs晶圆为基板，采用分子束外延法(MBE)在所述基板上生长约400纳米厚的Al_0.5Ga_0.5As刻蚀阻挡层；

S1-2：在所述刻蚀阻挡层上MBE生长约400纳米厚的重掺杂n型GaAs上接触层，其作用是使金属和GaAs形成非合金的欧姆接触；

S1-3：在所述接触层上MBE生长AlGaAs/GaAs交替多层周期结构有源区，厚度约为10微米；

S1-4：在有源区上MBE生长约50纳米的重掺杂n型GaAs下接触层；

S1-5：在所述下接触层上磁控溅射第一键合金属层。

然后执行步骤S2：提供一衬底，在所述衬底上表面形成第二键合金属层。

具体的，采用重掺杂n型GaAs晶圆作为衬底，在所述重掺杂n型GaAs衬底上表面磁控溅射第二键合金属层。本实施例中，所述第一键合金属层及第二键合金属层均包括Ti/Au复合层。作为示例，所述Ti/Au复合层中，Ti层厚度约为20nm，Au层厚度约为500nm。

接着执行步骤S3：通过所述第一键合金属层及第二键合金属层将所述基板与所述衬底键合；所述第一键合金属层及第二键合金属层共同构成下电极。

具体的，在高温高压下进行Au-Au晶片键合，此技术为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

接着再执行步骤S4：减薄所述衬底，并去除所述基板及所述刻蚀阻挡层，将所述上接触层减薄至预设厚度；然后在所述上接触层表面形成上电极；其中，所述下接触层、有源区及上接触层构成夹层区，所述下电极、夹层区及上电极构成脊波导区。

作为示例，通过对键合后的晶圆材料进行机械减薄和湿法腐蚀去除半绝缘GaAs基板，然后将其浸泡在40％浓度的氢氟酸(HF)溶液中10s将刻蚀阻挡层清洗干净，再用H₃PO₄:H₂O₂:H₂O为1:1:25的溶液将上接触层从400nm减薄到200nm。然后通过光刻、电子束蒸发、剥离等步骤制作Ti/Au(20/350nm)上电极。

接着再执行步骤S5：刻蚀所述脊波导区，在所述脊波导区中形成三阶光栅结构，其中，所述三阶光栅结构包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿所述上电极及所述夹层区。

具体的，首先在所述脊波导区表面形成一硬掩膜层，然后在所述硬掩膜层中形成与所述三阶光栅结构相对应的开口，再通过所述开口对所述脊波导区进行刻蚀，得到所述缝隙。

作为示例，通过ICPCVD法在120℃的温度下生长一层1.5μm的Si₃N₄做干法刻蚀硬掩膜层。通过光刻将整个脊波导区部分用光刻胶保护起来，将晶圆放入RIE机中对Si₃N₄开窗口，刻蚀气体包括CF₄，然后将晶圆放入ICP刻蚀机(Oxford>2和Ar₂，为了获得相对光滑的侧壁，选择刻蚀温度为45℃。为了提高器件的热特性，采用机械研磨的方法将n型GaAs衬底减薄至150μm。

进一步的，还包括步骤S6：在减薄后的所述衬底表面形成背面电极。作为示例，采用磁控溅射背面电极(Ti/Au，20/200nm)。

进一步的，还包括步骤S7：将解离的激光器管芯，通过铟片焊接在铜热沉上，并采用金丝焊线实现电注入。铜热沉可以帮助激光器散热。

如图4所示，显示为本发明制作的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的扫描电镜图，其中最下方的一个为器件A，其测试的远场图为图5，测得其远场发散角大小为14.5°×13.5°。可见，本发明克服了三阶光栅因为相位不匹配而存在的远场发散角偏大的问题。

综上所述，本发明在太赫兹量子级联激光器的波导结构中引入了三阶光栅，并通过调整不同的光栅占空比以获得比较小的远场发散角。通过对三阶光栅的占空比的调节改善光栅波导的有效折射率以满足相位匹配条件，克服了三阶光栅因为相位不匹配而存在的远场发散角偏大的问题，在获得小于15°×15°的高斯光斑同时可以增加光栅的周期数。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。