一种面发射太赫兹量子级联激光器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种面发射太赫兹量子级联激光器，包括一衬底以及位于该衬底上方的键合金属层，所述键合金属层的上方设置有引线区以及位于所述引线区之间的天线阵列，所述天线阵列为周期性脊条阵列，所述周期性脊条阵列包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的脊条。另外，本发明还涉及一种面发射太赫兹量子级联激光器的制备方法。本发明可以实现紧致的远场光斑，从而有利于提高激光器的高温特性以及连续波模式下的工作性能。同时，本发明并不需要任何的外腔耦合结构，提高了激光器输出信号的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹量子级联激光器领域，更具体地涉及一种面发射太赫兹量子级联激光器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(THz)量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)频率覆盖1-10THz，具有能量转换效率高、体积小、易集成等优点，是极具潜力的太赫兹波段的相干光源。单模高功率THz-QCL更是在物质检测、光谱分析、成像、通信与气体分析等领域有重要的应用前景，对于器件要求具有高工作温度、高输出功率、高转换效率、单模光谱、小远场发散角等性能。

太赫兹量子级联激光器在长足的发展过程中已经发展出了各式各样的波导结构以及对应的谐振腔结构。双金属波导的太赫兹量子级联激光器具有极高的限制因子从而具有较好的温度特性以及电光转换效率，但是它极大的限制了边缘的出光面积从而只能获得很低的输出功率以及紊乱的远场光斑，因此在双金属波导的基础上设计谐振腔结构实现面发射成为了较为主流的发展方向。目前在这个方向上有两条卓有成效的技术路线，分别是相位匹配三级分布反馈太赫兹量子级联激光器和外腔耦合超表面太赫兹量子级联激光器。

这两种激光器的优点在于共同使用了窄脊条结构，使有源区结构具有良好的散热性，从而具有良好的温度特性以及连续波模式工作特性，并且具有较高的辐射损耗从而可以得到较高的功率输出。此外，它们都实现了较大的出光面来获得紧致的远场光斑。

但与此同时，它们也都具有各自的缺陷：相位匹配三级分布反馈太赫兹量子级联激光器无偶极天线结构，其出光方式为掠出射，不利于构建二维激光器阵列，从而无法得到阵列对于光束质量和功率的提升。外腔耦合超表面量子级联激光器采用均匀天线阵列，其对应模式的辐射损耗较大，难以激射，并且对于外腔耦合镜和超表面之间的平行度要求极高，在偏离0.3°的情况下就会极大的影响激光器的阈值，因此其封装难度极大，此外调整过程中也会因为外部震动等不可控因素导致平行度出现偏差，极易引起激光器性能的衰退。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种面发射太赫兹量子级联激光器及其制备方法，便于构建激光器阵列，能够摆脱由外腔耦合镜的不稳定性带来的制约，保持激光器的良好性能。

本发明提供一种面发射太赫兹量子级联激光器，包括一衬底以及位于该衬底上方的键合金属层，所述键合金属层的上方设置有引线区以及位于所述引线区之间的天线阵列，所述天线阵列为周期性脊条阵列，所述周期性脊条阵列包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的脊条。进一步地，所述引线区包括从下至上依次设置的第一有源区、绝缘层以及第一顶部金属电极。

进一步地，所述脊条包括从下至上设置的第二有源区和第二顶部金属电极。优选地，所述第一有源区和第二有源区采用超晶格材料。

优选地，所述每个周期单元中的两个脊条的宽度差范围在0μm-0.8μm之间。

优选地，所述脊条的宽度范围在3-30μm之间，该宽度范围使得面发射太赫兹量子级联激光器的频率工作范围在1THz-10THz之间。

本发明还提供一种面发射太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括：

步骤S1，制备具有键合金属层和有源区层的衬底；

步骤S2，在所述具有键合金属层和有源区层的衬底上制作引线区图形和天线阵列图形，所述天线阵列图形位于所述引线区图形之间，并由周期性长条结构构成，其中，所述周期性长条结构包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的长条；

步骤S3，在所述引线区图形和所述天线阵列图形的表面生长金属，剥离后形成顶部金属电极；

步骤S4，以所述顶部金属电极的图形作为掩膜，对未被金属覆盖区域的有源区层进行刻蚀，露出键合金属层；

步骤S5，对所述衬底进行减薄，并在减薄后的衬底上生长金属。

进一步地，所述步骤S1包括：

步骤S11，制备具有第一金属层的第一衬底，包括：提供第一基底，在第一基底表面外延生长腐蚀阻挡层，在腐蚀阻挡层上外延生长上接触层，在上接触层上外延生长有源区层，在有源区层外延生长下接触层，然后在下接触层上形成第一金属层；

步骤S12，制备具有第二金属层的第二衬底，包括：提供第二基底，在第二基底表面形成第二金属层；

步骤S13，将所述第一衬底的第一金属层与所述第二衬底的第二金属层相对，并将第一和第二金属层键合在一起，形成键合金属层；

步骤S14，对所述第一基底进行抛光，直到离所述腐蚀阻挡层预设距离，采用湿法腐蚀或干法刻蚀法腐蚀到所述腐蚀阻挡层，再用酸溶液去除所述腐蚀阻挡层，然后用湿法腐蚀或干法刻蚀法减薄所述上接触层至预设厚度。

进一步地，所述步骤S2包括：

步骤S21，在所述有源区层的表面生长一层绝缘层，在所述绝缘层表面制作出引线区图形；

步骤S22，采用带有氟离子的溶液对所述绝缘层中除非电注入区域之外的区域进行腐蚀，露出有源区层；

步骤S23，在露出的有源区层表面制作出天线阵列图形。

本发明中的天线阵列由不对称的周期性窄脊条结构构成，形成非均匀偶极天线阵列，使得激光器的发光面蔓延整个偶极天线阵列表面，其出光方式为垂直面发射，能够有利于构建二维激光器阵列。并且由于发光面的增大，可以实现紧致的远场光斑，从而有利于提高激光器的高温特性以及连续波模式下的工作性能。同时本发明通过非均匀偶极天线阵列的结构降低了激射激光需要的增益，因而并不需要任何的外腔耦合结构，提高了激光器输出信号的稳定性。

附图说明

图1是按照本发明的面发射太赫兹量子级联激光器的结构示意图。

图2是按照本发明的面发射太赫兹量子级联激光器的制备方法流程图。

图3(a)是第一衬底的结构示意图；图3(b)是第二衬底的结构示意图；图3(c)是第一衬底和第二衬底键合在一起的示意图；图3(d)是制备完成的具有键合金属层和有源区层的衬底的结构示意图。

图4(a)是生长了绝缘层的装置结构示意图；图4(b)是制作出引线区图形的俯视图；图4(c)是对绝缘层进行腐蚀后的装置结构示意图；图4(d)是制作出天线区域图形的俯视图。

图5是制备顶部金属电极后的装置结构示意图。

图6是进行刻蚀后的装置结构示意图。

图7是制备完成的面发射太赫兹量子级联激光器的装置结构示意图。

图8(a)是按照本发明的面发射太赫兹量子级联激光器的L-I-V测试结果示意图；图8(b)是采用外延材料R288制备的SI-SP波导FP腔激光器的L-I-V测试结果示意图。

图9(a)是按照本发明的面发射太赫兹量子级激光器在不同泵浦电流下的光谱示意图；图9(b)是按照本发明的面发射太赫兹量子级激光器在峰值输出电流下光谱的边模抑制比的示意图。

图10是采用不同的平均脊条宽度的面发射太赫兹量子级激光器在不同泵浦电流下的光谱测试结果示意图。

图11(a)是采用不同的脊条宽度差的面发射太赫兹量子级激光器的L-I-V测试结果示意图；图11(b)是图11(a)中的面发射太赫兹量子级激光器的最高工作温度、阈值增益以及辐射效率的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明的面发射太赫兹量子级联激光器，采用双金属波导结构，包括衬底1，在该衬底1的上方具有键合金属层2，键合金属层2的上方设置有两个引线区3以及天线阵列4，天线阵列4位于两个引线区3之间。

引线区3从下至上依次包括第一有源区31、绝缘层32以及第一顶部金属电极33，其中，第一有源区31采用超晶格材料，因为只有超晶格材料才能实现子带间的量子级联激光器。绝缘层32的设置是为了在第一有源区31不被电注入的前提下，对天线阵列区域进行电注入，即在制备过程中，利用绝缘层的不导电性，使引线区的有源区31不进行电注入。需要说明的是，引线区3除了图1所示的长条形之外，可以是任何其他所需的各种形状。

天线阵列4为刻蚀形成的周期性脊条阵列，该周期性脊条阵列包括若干个周期单元，一个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的脊条。其中，每个脊条从下至上均包括第二有源区41和第二顶部金属电极42，第二有源区41采用超晶格材料。实际上，第二有源区41与第一有源区31为同一有源区，为方便说明，故而将其区分开。由于脊条中未设绝缘层，因而在制备过程中，第二有源区41可以进行电注入，使得第二有源区41材料中的能级位置发生变化，从而在所需的能级上实现粒子数反转，实现激光的激射。脊条阵列中的每一个脊条视为一个垂直于脊条方向(脊条方向为沿脊条长边的方向)的偶极天线，脊条宽度视为偶极天线的特征长度，因而构成非均匀偶极天线阵列。该非均匀偶极天线阵列在有较好远场的前提下具有较低的辐射损耗，可以激射，会使得激光器的发光面蔓延整个天线阵列表面，整个天线阵列区域的宽度和长度均大于现有激光器结构。由于发光面大小的提高，使得可以实现紧致的远场光斑。每个周期单元中的两个脊条的宽度差范围理论值在0μm-3μm之间，实验值在0μm-0.8μm之间，本实施例采用0.2μm。采用该0.2μm的设置是为了保证器件可以激射出激光，因为更大的宽度差虽然可以获得更高的出光效率，但与此同时会提高器件的损耗从而导致器件难以激射甚至无法工作。周期性脊条阵列中的每一个脊条的宽度范围理论在3-30μm之间，本实施例采用的脊条宽度范围为11.8μm-12.4μm。例如，每个周期单元中的两个脊条的宽度可以为12.4μm和12.2μm，或者为12.2μm和12.0μm，或者为12.0μm和11.8μm，或者为其他满足条件的数值。

面发射太赫兹量子级联激光器激射的波长由激光器的激射频率f和脊条的平均宽度决定，其中脊条的平均宽度为单个周期单元内两根脊条的算术平均值。脊条的宽度理论范围为3-30μm，因而激光器的激射频率可以满足工作在1THz-10THz之间。

另外，天线阵列4中周期单元个数为10个以上，周期单元长度在30μm-90μm之间。需要说明的是，天线阵列4中的每个脊条等距间隔排布，周期单元长度即是指两个脊条的宽度、两个脊条之间的间隔距离加上其中一个脊条与下一个周期单元中的一个脊条的距离。在本实施例中，周期单元个数为21个，周期长度为60μm。

上述的引线区3和天线阵列4通过刻蚀形成，可以理解为：用金属电极保护引线区和天线阵列区域，除引线区和天线阵列区域之外的其他区域不用金属电极保护。这样其他区域的有源区材料就被刻蚀掉，露出底部的键合金属层2，而引线区3的第一有源区31、绝缘层32以及第一顶部金属电极33被保留，天线阵列4的第二有源区41以及第二顶部金属电极42也被保留。其中，天线阵列4的制备方法是以金属作为掩膜进行的干法刻蚀，刻蚀掩膜可以是镍、铜、铝或任何其他合适的金属。在本实施例中，刻蚀掩膜为150nm，刻蚀深度为11.3μm，这里的刻蚀深度一般为第二有源区41的厚度。本发明的面发射太赫兹量子级联激光器的制备方法将在下文进一步地详细描述。

如图2所示，本发明提供的面发射太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括：

步骤S1，制备具有键合金属层和有源区层的衬底。包括：

步骤S11，制备具有第一金属层的第一衬底110。具体为：提供第一基底111，在第一基底111表面外延生长腐蚀阻挡层112，在腐蚀阻挡层112上外延生长上接触层113，在上接触层113上外延生长有源区层114，在有源区层114外延生长下接触层115，然后在下接触层115上形成第一金属层116。其中，第一基底111采用半绝缘的GaAs材料，第一金属层116的形成方法采用电子束蒸发法、磁控溅射法或热蒸发法。制备完成的第一衬底110如图3(a)所示。

步骤S12，制备具有第二金属层的第二衬底120。具体为：提供第二基底121，在第二基底121表面采用电子束蒸发法、磁控溅射法或热蒸发法形成第二金属层122。其中，第二基底用于金属键合，其采用半绝缘GaAs材料或重掺杂的GaAs材料。制备完成的第二衬底120如图3(b)所示。

步骤S13，将第一衬底110的第一金属层116与第二衬底120的第二金属层122相对，并将第一和第二金属层键合在一起，形成键合金属层，此时得到的键合金属层对应上文的键合金属层2。键合在一起的两个衬底如图3(c)所示。

步骤S14，对第一基底进行抛光，直到离腐蚀阻挡层预设距离，该预设距离在40μm-100μm之间，过厚会使得下一步的时间过长，过薄会导致材料破裂。其次采用湿法腐蚀或干法刻蚀法腐蚀到腐蚀阻挡层，再用酸溶液(例如HF酸或浓盐酸)去除腐蚀阻挡层，然后用湿法腐蚀或干法刻蚀法减薄上接触层至预设厚度。在本实施例中，该预设厚度为0，即将上接触层完全去除，在其他实施例中，该预设厚度可以是比原有上接触层厚度小的任意值。此时，具有第二金属层的第二衬底保留下来，形成上文中的衬底1，具有键合金属层和有源区层的衬底即制备完成，如图3(d)所示。

步骤S2，在具有键合金属层和有源区层的衬底上制作引线区图形和天线阵列图形。包括：

步骤S21，如图4(a)所示，在有源区层的表面生长一层绝缘层210。

步骤S22，利用光刻技术在绝缘层表面制作出引线区图形220，如图4(b)所示，引线区图形即为非电注入区域的图形。

步骤S23，采用带有氟离子的溶液(例如，BOE腐蚀液或稀释后的氢氟酸)对绝缘层中除非电注入区域之外的区域进行腐蚀，露出有源区层114，如图4(c)所示，此时得到的绝缘层对应上文的绝缘层32。

步骤S24，利用光刻技术在有源区层114的表面制作出天线阵列图形230，如图4(d)所示，天线阵列图形230位于引线区图形220之间，并由周期性长条结构构成，其中，周期性长条结构包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的长条，图4(d)中以网点状表示的长条为宽度略宽的长条，以方格状表示的长条为宽度略窄的长条。这里的长条即对应上文的脊条。

步骤S3，采用电子束蒸发法、磁控溅射法或热蒸发法在引线区图形220表面和天线阵列图形230中每个长条表面生长金属，剥离后形成顶部金属电极。为了确保的金属电极完全搭在绝缘层的图案上，绝缘层的图形做的比金属电极略宽，因此生长金属电极后两侧会留有一小部分绝缘层，因而需采用带有氟离子的溶液腐蚀掉顶部金属电极边缘的绝缘层图形。此时，如图5所示，引线区图形表面的顶部金属电极对应上文的第一顶部金属电极33，天线阵列图形表面的顶部金属电极对应上文的第二顶部金属电极42。

步骤S4，以顶部金属电极的图形作为掩膜，对未被金属覆盖区域的有源区层进行刻蚀，露出键合金属层。此时，未被刻蚀的有源区层(即引线区图形区域和天线阵列图形区域中的有源区层)则对应引线区中的第一有源区31和天线阵列中的第二有源区41。因而，第一有源区31、绝缘层32、第一顶部金属电极33构成引线区3，第二有源区41和第二顶部金属电极42构成天线阵列4，参见图6。

步骤S5，对进行步骤S4后的GaAs衬底通过机械抛光或化学腐蚀进行减薄，至200μm左右，然后在减薄后的衬底背后生长金属，以提高散热性。如图7所示，本发明的面发射太赫兹量子级联激光器即制备完成。

利用本发明，可以在获得紧致远场光斑的基础上大幅减小脊条宽度，从而有利于激光器的高温特性以及连续波模式下的工作性能，同时并不需要进行任何的外腔耦合结构，提高了激光器输出信号的稳定性。

下面以每个周期单元中的两个脊条宽度分别为12.2μm和12.0μm、周期单元个数为20、周期单元长度为60μm、有效泵浦面积为208120μm

图8(a)示出了本发明的面发射太赫兹量子级联激光器在不同温度下的L-I-V测试结果，该结果在重复频率为40kHz、脉宽为1μs的脉冲模式下测得。从图中可以看出，上述器件在20K下的最高输出功率为33.4mW，功率斜率效率为98.6mW/A，最高输出功率下的电光转换效率η＝0.27％。作为对比，采用相同的外延材料R288制备SI-SP波导FP腔激光器，并对其进行L-I-V测试。该FP腔激光器的脊条宽度W

图9(a)和图9(b)示出了本发明的面发射太赫兹量子级联激光器的光谱特性测试结果。图9(a)示出了20K时激光器在不同泵浦电流下的光谱，从图中可以看出，激光器从阈值电流到峰值电流均保持了稳定的单模特性，激光器激射的中心频率为f＝3.265THz。另外，图9(b)示出了激光器在峰值输出电流下光谱的边模抑制比可达32dB。以上结果验证了本发明的基于非均匀偶极天线阵列的THz-QCL在整个激光器动力学范围内均可稳定地进行单模工作。

通过上述L-I-V测试结果、光谱特性测试结果以及远场测试结果，验证了本发明的基于非均匀天线结构偶极天线阵列的THz-QCL可以解决天线阵列中反相模式辐射损耗极低的问题，使其与SI-SP波导FP腔THz-QCL具有接近的功率特性，同时保证了稳定单模、垂直表面的输出特性。

下面通过实验探究本发明的基于非均匀偶极天线阵列的THz-QCL激射频率与每个周期单元内的平均脊条宽度

对周期单元个数为21，周期单元长度为60μm，每个周期单元中的两个脊条宽度差为0.2μm，每个周期单元内的平均脊条宽度

实验对五个激光器进行测试，这五个激光器脊条宽度差δL分别为0μm、0.2μm、0.4μm、0.6μm、0.8μm。同时为了保证实验结果的说服力，避免材料在不同频率下具有不同增益所引入的误差，以上五个激光器中的脊条平均宽度

图11(a)示出了以上五个激光器在20K下的L-I-V测试结果。从图中可以明显看出，随着脊条宽度差δL的增加，激光器的斜率效率明显增加，同时阈值电流密度也相应增加，动态范围相应减小。这表明随着δL的增加，激光器谐振腔的辐射损耗迅速增加，提高了器件的辐射效率。另外，器件的最高输出功率随着δL的增加，先迅速上升，在δL＝0.6μm时，达到了最大值120mW。当继续提高δL时，器件的最高输出功率明显下降。δL＝0.6μm器件的功率斜率效率可达545mW/A，电光转换效率为1.02％，与δL＝0.2μm的器件相比，提高了接近5倍。图11(a)还示出了五个激光器在最高输出功率时的光谱测试结果，可以看到激光器均在3.266THz附近单模激射。

图11(b)示出了以上五个激光器的最高工作温度的变化，从图中可以看出，随着δL的增加，器件的最高工作温度从129K迅速降至89K，这表明了器件阈值增益的迅速提高。图11(b)同样也给出了模拟得到的阈值增益和辐射效率的结果，验证上述判断。因此可以得出以下结论：在本发明的基于非均匀偶极天线阵列的THz-QCL中，可以通过调节相邻脊条之间的差值δL来灵活的调控激光器功率特性以及最高工作温度特性。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。