本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其制作方法。

背景技術(shù)：

太赫茲(THz)量子級聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)覆蓋1-10Thz的頻率范圍，具有體積小、重量輕、易集成等優(yōu)點(diǎn)，是太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)十分重要的輻射源。為了迎合在通信、成像、頻譜分析等領(lǐng)域的應(yīng)用，需要在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)方面對THz QCL進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使THz QCL具有單模輸出、低的遠(yuǎn)場發(fā)散角、高的輸出功率等性能。

目前主要有兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，半絕緣表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。相比半絕緣表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有模式限制因子高、工作溫度高的優(yōu)勢，但是缺點(diǎn)在于多模工作、遠(yuǎn)場比較發(fā)散。為了在獲得單模輸出的同時(shí)具有比較小的遠(yuǎn)場發(fā)散角，通常在雙面金屬波導(dǎo)中引入光柵結(jié)構(gòu)。對于三階分布反饋THz QCL，由耦合模理論可知，當(dāng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的本征模對應(yīng)的有效折射率為3時(shí)能夠使得本征模滿足相位匹配條件，獲得比較理想的遠(yuǎn)場光斑。通常制作的三階分布反饋THz QCL對應(yīng)的有效折射率大于3，由于使得器件有比較好的遠(yuǎn)場發(fā)散角的最大光柵周期數(shù)為N＝n_eff/(n_eff-3)，其中n_eff為器件本征模式對應(yīng)的有效折射率，使得三階光柵周期數(shù)大于最大光柵周期數(shù)N很多的THz QCL的遠(yuǎn)場光斑比較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器存在相位不匹配，導(dǎo)致遠(yuǎn)場發(fā)散角偏大，遠(yuǎn)場光斑比較差的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，包括襯底、形成于所述襯底上的脊波導(dǎo)區(qū)以及形成于所述脊波導(dǎo)區(qū)中的三階光柵結(jié)構(gòu)；其中：

所述脊波導(dǎo)區(qū)自下而上依次包括下電極、夾層區(qū)及上電極；

所述夾層區(qū)自下而上依次包括下接觸層、有源區(qū)及上接觸層；

所述三階光柵結(jié)構(gòu)包括若干呈周期性排列的平行縫隙，所述縫隙上下貫穿所述上電極及所述夾層區(qū)；所述脊波導(dǎo)區(qū)中，所述三階光柵結(jié)構(gòu)的縱向占空比范圍是8％-15％；

太赫茲波在所述有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，并通過所述三階光柵結(jié)構(gòu)的選模作用，從所述縫隙處出射，在空間中耦合到所述脊波導(dǎo)區(qū)的縱向兩端。

可選地，所述襯底包括n型GaAs襯底。

可選地，所述n型GaAs襯底中摻雜有Si，其中，Si摻雜濃度范圍是2×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3。

可選地，所述襯底的厚度范圍是100～240μm。

可選地，所述上電極的橫向?qū)挾刃∮谒鲇性磪^(qū)的橫向?qū)挾取?/p>

可選地，所述上電極位于所述有源區(qū)上表面的中心，且所述上電極的橫向?qū)挾葹樗鲇性磪^(qū)的橫向?qū)挾鹊?0％～95％。

可選地，所述有源區(qū)的橫向?qū)挾葹閬啿ㄩL尺度。

可選地，所述縫隙的橫向?qū)挾葹樗錾想姌O的橫向?qū)挾鹊?0％～95％。

可選地，所述上電極的縱向?qū)挾刃∮谒鲇性磪^(qū)的縱向?qū)挾取?/p>

可選地，所述上電極的縱向第一端與所述有源區(qū)縱向第一端之間的距離為50～150μm；所述上電極的縱向第二端與所述有源區(qū)縱向第二端之間的距離為50～150μm。

本發(fā)明還提供一種三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟：

S1：提供一基板，在所述基板上自下而上依次形成刻蝕阻擋層、上接觸層、有源區(qū)、下接觸層及第一鍵合金屬層；

S2：提供一襯底，在所述襯底上表面形成第二鍵合金屬層；

S3：通過所述第一鍵合金屬層及第二鍵合金屬層將所述基板與所述襯底鍵合；所述第一鍵合金屬層及第二鍵合金屬層共同構(gòu)成下電極；

S4：減薄所述襯底，并去除所述基板及所述刻蝕阻擋層，將所述上接觸層減薄至預(yù)設(shè)厚度；然后在所述上接觸層表面形成上電極；其中，所述下接觸層、有源區(qū)及上接觸層構(gòu)成夾層區(qū)，所述下電極、夾層區(qū)及上電極構(gòu)成脊波導(dǎo)區(qū)；

S5：刻蝕所述脊波導(dǎo)區(qū)，在所述脊波導(dǎo)區(qū)中形成三階光柵結(jié)構(gòu)，其中，所述三階光柵結(jié)構(gòu)包括若干呈周期性排列的平行縫隙，所述縫隙上下貫穿所述上電極及所述夾層區(qū)。

可選地，于所述步驟S5中，首先在所述脊波導(dǎo)區(qū)表面形成一硬掩膜層，然后在所述硬掩膜層中形成與所述三階光柵結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的開口，再通過所述開口對所述脊波導(dǎo)區(qū)進(jìn)行刻蝕，得到所述縫隙。

可選地，所述第一鍵合金屬層及第二鍵合金屬層均包括Ti/Au復(fù)合層。

可選地，還包括步驟S6：在減薄后的所述襯底表面形成背面電極。

可選地，還包括步驟S7：將解離的激光器管芯，通過銦片焊接在銅熱沉上，采用金絲焊線實(shí)現(xiàn)電注入。

如上所述，本發(fā)明的三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)及其制作方法，具有以下有益效果：本發(fā)明在太赫茲量子級聯(lián)激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中引入了三階光柵，并通過調(diào)整不同的光柵占空比以獲得比較小的遠(yuǎn)場發(fā)散角。通過對三階光柵的占空比的調(diào)節(jié)改善光柵波導(dǎo)的有效折射率以滿足相位匹配條件，克服了三階光柵因?yàn)橄辔徊黄ヅ涠嬖诘倪h(yuǎn)場發(fā)散角偏大的問題，在獲得小于15°×15°的高斯光斑同時(shí)可以增加光柵的周期數(shù)，而增加光柵的周期數(shù)能夠獲得比較大的耦合功率。

附圖說明

圖1a顯示為本發(fā)明的三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。

圖1b顯示為本發(fā)明的三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的三維示意圖。

圖2a-圖2e顯示為不同縱向占空比光柵的三階DFB THz QCL遠(yuǎn)場計(jì)算結(jié)果。

圖2f顯示為與圖2a-圖2e對應(yīng)的周期長度與模式損耗的變化情況。

圖3a顯示為器件A的模式損耗圖，其中其諧振頻率為4.1702THz。

圖3b顯示為器件A在諧振頻率4.1702THz對應(yīng)的腔內(nèi)的Ey分布。

圖4顯示為本發(fā)明制作的三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖，其中最下方的一個(gè)為器件A。

圖5顯示為測量到的器件A的遠(yuǎn)場光斑圖。

元件標(biāo)號說明

1 襯底

2 下電極

3 下接觸層

4 有源區(qū)

5 上接觸層

6 上電極

7 三階光柵結(jié)構(gòu)

8 金線鍵合區(qū)

9 吸收邊區(qū)

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請參閱圖1至圖5。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

實(shí)施例一

為了解決三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器存在的相位不匹配的問題，本發(fā)明通過改變波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，提出一種輸出功率高、遠(yuǎn)場發(fā)散角小的太赫茲量子級聯(lián)激光器制作方案。請參閱圖1a及圖1b，分別顯示為本發(fā)明的三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的剖面示意圖和三維示意圖，包括襯底1、形成于所述襯底1上的脊波導(dǎo)區(qū)以及形成于所述脊波導(dǎo)區(qū)中的三階光柵結(jié)構(gòu)7；其中：

所述脊波導(dǎo)區(qū)自下而上依次包括下電極2、夾層區(qū)及上電極6；

所述夾層區(qū)自下而上依次包括下接觸層3、有源區(qū)4及上接觸層5；

所述三階光柵結(jié)構(gòu)7包括若干呈周期性排列的平行縫隙，所述縫隙上下貫穿所述上電極2及所述夾層區(qū)；所述脊波導(dǎo)區(qū)中，所述三階光柵結(jié)構(gòu)7的縱向占空比范圍是8％-15％；

太赫茲波在所述有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，并通過所述三階光柵結(jié)構(gòu)7的選模作用，從所述縫隙處出射，在空間中耦合到所述脊波導(dǎo)區(qū)的縱向兩端。

具體的，所述有源區(qū)4中產(chǎn)生的太赫茲波在脊波導(dǎo)區(qū)中產(chǎn)生的一級、二級衍射從光柵中耦合出去，三級衍射提供負(fù)反饋。耦合出去的電磁波在波導(dǎo)縱向的兩端形成低發(fā)散的遠(yuǎn)場光斑。

需要指出的是，本發(fā)明中“縱向”是指沿脊波導(dǎo)的脊延長方向，“橫向”是指在水平面上與所述“縱向”垂直的方向。所述三階光柵結(jié)構(gòu)7中的多條縫隙均與“橫向”平行。

作為示例，所述襯底1包括n型GaAs襯底，所述下接觸層3為重?fù)诫sn型GaAs層，所述有源區(qū)4為GaAs多量子阱級聯(lián)有源區(qū)，所述上接觸層5為重?fù)诫sn型GaAs層。

具體的，所述襯底1的厚度范圍是100～240μm。本實(shí)施例中，所述n型GaAs襯底的厚度優(yōu)選為150μm。較薄的襯底能夠有利于器件工作時(shí)的散熱，提高器件工作溫度。

具體的，所述n型GaAs襯底中摻雜有Si，其中，Si摻雜濃度范圍是2×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3，優(yōu)選為2×10¹⁸cm^-1。Si摻雜的主要目的是使所述襯底1與其上方濺射的上電極形成歐姆接觸。

具體的，所述上電極6的橫向?qū)挾刃∮谒鲇性磪^(qū)4的橫向?qū)挾?，所述上電極6的縱向?qū)挾刃∮谒鲇性磪^(qū)4的縱向?qū)挾?。作為示例，所述上電極6位于所述有源區(qū)4上表面的中心，且所述上電極6的橫向?qū)挾葹樗鲇性磪^(qū)4的橫向?qū)挾鹊?0％～95％，所述上電極6的縱向第一端與所述有源區(qū)4縱向第一端之間的距離為50～150μm，所述上電極6的縱向第二端與所述有源區(qū)4縱向第二端之間的距離為50～150μm。本實(shí)施例中，所述有源區(qū)4的橫向?qū)挾葹閬啿ㄩL尺度，所述上電極6寬度優(yōu)選為占有源區(qū)的寬度的比例為80％，所述脊波導(dǎo)區(qū)上表面縱向兩端各留100μm沒有被所述上電極6所覆蓋。此處，亞波長尺度是指等于或略小于激光器產(chǎn)生的太赫茲波的波長。

其中，所述脊波導(dǎo)區(qū)上表面縱向兩端及橫向兩側(cè)兩端未被所述上電極6覆蓋的區(qū)域用來作為吸收邊區(qū)9，用于抑制高階模式的產(chǎn)生。

具體的，所述三階光柵結(jié)構(gòu)7中，所述縫隙的橫向?qū)挾葹樗錾想姌O6的橫向?qū)挾鹊?0％～95％。

為了確定光柵的具體占空比，要根據(jù)具體的周期數(shù)對器件結(jié)構(gòu)用Comsol軟件建模仿真，將計(jì)算得到的本征模式在光柵縫隙處的電磁場分布數(shù)據(jù)用Matlab軟件進(jìn)行近-遠(yuǎn)場變換而得到不同光柵占空比對應(yīng)的遠(yuǎn)場分布圖。

作為示例，圖2a-圖2e顯示為不同縱向占空比(分別為8％、10％、12％、13％、15％)光柵的三階DFB THz QCL遠(yuǎn)場計(jì)算結(jié)果，其橫坐標(biāo)Phi代表遠(yuǎn)場光斑在波導(dǎo)橫向的發(fā)散角，縱坐標(biāo)Theta代表遠(yuǎn)場光斑在波導(dǎo)縱向的發(fā)散角；圖2f顯示為與圖2a-圖2e對應(yīng)的周期長度與模式損耗的變化情況。本實(shí)施例中，選擇遠(yuǎn)場光斑形貌(如圖5所示)比較好的波導(dǎo)對應(yīng)的光柵占空比應(yīng)用到器件設(shè)計(jì)與制作上。

作為示例，制作器件A，其中，器件A脊波導(dǎo)區(qū)總寬度為187.5μm，上電極寬度為150μm，對于器件A選取的光柵占空比為12％，且光柵的寬度為120μm，光柵的周期長度為32.7μm，脊波導(dǎo)區(qū)一共33個(gè)周期，另外脊波導(dǎo)去縱向兩端每側(cè)有兩個(gè)周期長度的法布里-佩羅(F-P)腔區(qū)用來作為金線鍵合區(qū)8，用于金線鍵合。

圖3(a)為器件A的模式損耗圖，可以求得其諧振頻率為4.1702THz，對應(yīng)的模式損耗最小，圖3(b)為器件A的諧振頻率對應(yīng)的腔內(nèi)的Ey分布，其橫坐標(biāo)X代表波導(dǎo)縱向的坐標(biāo)，縱坐標(biāo)Z代表波導(dǎo)橫向的坐標(biāo)。

本發(fā)明的三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)能夠使激光器諧振頻率對應(yīng)的有效折射率接近甚至等于3，滿足相位匹配條件，增加三階光柵的周期數(shù)，同時(shí)獲得比較理想的遠(yuǎn)場光斑。

實(shí)施例二

本發(fā)明還提供一種三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的制作方法，包括如下步驟：

首先執(zhí)行步驟S1：提供一基板，在所述基板上自下而上依次形成刻蝕阻擋層、上接觸層、有源區(qū)、下接觸層及第一鍵合金屬層。

作為示例，所述步驟S1包括：

S1-1：以半絕緣GaAs晶圓為基板，采用分子束外延法(MBE)在所述基板上生長約400納米厚的Al_0.5Ga_0.5As刻蝕阻擋層；

S1-2：在所述刻蝕阻擋層上MBE生長約400納米厚的重?fù)诫sn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；

S1-3：在所述接觸層上MBE生長AlGaAs/GaAs交替多層周期結(jié)構(gòu)有源區(qū)，厚度約為10微米；

S1-4：在有源區(qū)上MBE生長約50納米的重?fù)诫sn型GaAs下接觸層；

S1-5：在所述下接觸層上磁控濺射第一鍵合金屬層。

然后執(zhí)行步驟S2：提供一襯底，在所述襯底上表面形成第二鍵合金屬層。

具體的，采用重?fù)诫sn型GaAs晶圓作為襯底，在所述重?fù)诫sn型GaAs襯底上表面磁控濺射第二鍵合金屬層。本實(shí)施例中，所述第一鍵合金屬層及第二鍵合金屬層均包括Ti/Au復(fù)合層。作為示例，所述Ti/Au復(fù)合層中，Ti層厚度約為20nm，Au層厚度約為500nm。

接著執(zhí)行步驟S3：通過所述第一鍵合金屬層及第二鍵合金屬層將所述基板與所述襯底鍵合；所述第一鍵合金屬層及第二鍵合金屬層共同構(gòu)成下電極。

具體的，在高溫高壓下進(jìn)行Au-Au晶片鍵合，此技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，此處不再贅述。

接著再執(zhí)行步驟S4：減薄所述襯底，并去除所述基板及所述刻蝕阻擋層，將所述上接觸層減薄至預(yù)設(shè)厚度；然后在所述上接觸層表面形成上電極；其中，所述下接觸層、有源區(qū)及上接觸層構(gòu)成夾層區(qū)，所述下電極、夾層區(qū)及上電極構(gòu)成脊波導(dǎo)區(qū)。

作為示例，通過對鍵合后的晶圓材料進(jìn)行機(jī)械減薄和濕法腐蝕去除半絕緣GaAs基板，然后將其浸泡在40％濃度的氫氟酸(HF)溶液中10s將刻蝕阻擋層清洗干凈，再用H₃PO₄:H₂O₂:H₂O為1:1:25的溶液將上接觸層從400nm減薄到200nm。然后通過光刻、電子束蒸發(fā)、剝離等步驟制作Ti/Au(20/350nm)上電極。

接著再執(zhí)行步驟S5：刻蝕所述脊波導(dǎo)區(qū)，在所述脊波導(dǎo)區(qū)中形成三階光柵結(jié)構(gòu)，其中，所述三階光柵結(jié)構(gòu)包括若干呈周期性排列的平行縫隙，所述縫隙上下貫穿所述上電極及所述夾層區(qū)。

具體的，首先在所述脊波導(dǎo)區(qū)表面形成一硬掩膜層，然后在所述硬掩膜層中形成與所述三階光柵結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的開口，再通過所述開口對所述脊波導(dǎo)區(qū)進(jìn)行刻蝕，得到所述縫隙。

作為示例，通過ICPCVD法在120℃的溫度下生長一層1.5μm的Si₃N₄做干法刻蝕硬掩膜層。通過光刻將整個(gè)脊波導(dǎo)區(qū)部分用光刻膠保護(hù)起來，將晶圓放入RIE機(jī)中對Si₃N₄開窗口，刻蝕氣體包括CF₄，然后將晶圓放入ICP刻蝕機(jī)(Oxford 180)中實(shí)現(xiàn)GaAs半導(dǎo)體刻蝕，干法刻蝕的氣體采用Cl₂和Ar₂，為了獲得相對光滑的側(cè)壁，選擇刻蝕溫度為45℃。為了提高器件的熱特性，采用機(jī)械研磨的方法將n型GaAs襯底減薄至150μm。

進(jìn)一步的，還包括步驟S6：在減薄后的所述襯底表面形成背面電極。作為示例，采用磁控濺射背面電極(Ti/Au，20/200nm)。

進(jìn)一步的，還包括步驟S7：將解離的激光器管芯，通過銦片焊接在銅熱沉上，并采用金絲焊線實(shí)現(xiàn)電注入。銅熱沉可以幫助激光器散熱。

如圖4所示，顯示為本發(fā)明制作的三階分布反饋太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖，其中最下方的一個(gè)為器件A，其測試的遠(yuǎn)場圖為圖5，測得其遠(yuǎn)場發(fā)散角大小為14.5°×13.5°。可見，本發(fā)明克服了三階光柵因?yàn)橄辔徊黄ヅ涠嬖诘倪h(yuǎn)場發(fā)散角偏大的問題。

綜上所述，本發(fā)明在太赫茲量子級聯(lián)激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中引入了三階光柵，并通過調(diào)整不同的光柵占空比以獲得比較小的遠(yuǎn)場發(fā)散角。通過對三階光柵的占空比的調(diào)節(jié)改善光柵波導(dǎo)的有效折射率以滿足相位匹配條件，克服了三階光柵因?yàn)橄辔徊黄ヅ涠嬖诘倪h(yuǎn)場發(fā)散角偏大的問題，在獲得小于15°×15°的高斯光斑同時(shí)可以增加光柵的周期數(shù)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。