本發(fā)明涉及紅外半導(dǎo)體光電器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的獨特之處在于，將外延片做成環(huán)形雙溝結(jié)構(gòu)，再在襯底上制作二級環(huán)形金屬光柵，一方面，襯底二級環(huán)形金屬光柵結(jié)構(gòu)能夠在整個環(huán)形腔范圍內(nèi)實現(xiàn)太赫茲光的有效抽?。涣硪环矫?，可以改善太赫茲光的遠場發(fā)散。

背景技術(shù)：

波長為30-300μm介于紅外和微波之間的太赫茲波由于其特殊的光譜位置，使其在光譜成像，射電天文，自由空間通信，醫(yī)療以及環(huán)境監(jiān)測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前傳統(tǒng)可用的大功率太赫茲源非常有限，一些電子器件因受到電子渡越時間和寄生時間常數(shù)的限制而難以制作大于1thz的輻射源，光學器件受到材料禁帶寬度的限制而難以制作小于10thz的輻射源，形成了所謂的1-10thz的太赫茲空隙。量子級聯(lián)激光器具有能帶可裁剪性的特點，所以為了得到高效便攜的1-10thz太赫茲光源，研究者們自然將目光對準了量子級聯(lián)激光器，希望通過能帶的“裁剪”實現(xiàn)量子級聯(lián)激光器在1-10thz波段的激射。2002年意大利科學家等人成功制作出了第一支激射于太赫茲波段的量子級聯(lián)激光器，此后太赫茲量子級聯(lián)激光器飛速發(fā)展，到2015年實現(xiàn)了低溫下大于1w的大功率輸出，但是隨工作溫度升高，功率下降很快，不能在室溫下使用。量子級聯(lián)激光器中量子態(tài)之間強耦合能夠產(chǎn)生巨大的非線性效應(yīng)，理論上二階非線性系數(shù)能夠達到106pm/v，比普通非線性晶體的高了四個數(shù)量級，此外基于量子級聯(lián)激光器的中紅外光已經(jīng)實現(xiàn)室溫連續(xù)高的泵浦功率，所以基于中紅外雙波長腔內(nèi)差頻的太赫茲量子級聯(lián)激光器成為實現(xiàn)室溫的最有前途的太赫茲光源。2007年美國哈佛大學的m.a.belkin等人采用模式相位匹配的方式基于束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)和雙聲子共振的雙有源區(qū)結(jié)構(gòu)成功研制第一支雙波長差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器，但是由于實際中二階非線性系數(shù)并沒有106pm/v、中紅外多模激射、模式相位不匹配、外耦合長度太短等原因?qū)е略摬铑l太赫茲量子級聯(lián)激光器沒有實現(xiàn)室溫操作而且輸出功率僅為納瓦量級，通過改善摻雜以及波導(dǎo)層的厚度等僅用一年時間該組就實現(xiàn)了差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器的室溫操作，但是室溫輸出功率仍然小于1μw。直到2012年karunvijayraghavan等人采用基于cerenkov相位匹配的方式，中紅外-太赫茲的轉(zhuǎn)換效率得到提高，輸出效率也得到提高，此后基于cerenkov相位匹配方式的差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器迅速發(fā)展。目前基于雙波長差頻量子級聯(lián)激光器的太赫茲光源脈沖峰值功率最高達到1.9mw，是2015年由美國西北大學m.razeghi組采用單聲子共振的有源區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)合cerenkov相位匹配方案得到的，但是其外耦合效率也僅是15％，室溫連續(xù)僅為微瓦量級。通過在inp襯底粘硅條或者利用表面二級光柵在整個腔長范圍內(nèi)抽取太赫茲光可以提高外耦合效率，但是前者襯底仍然不能減薄，器件散熱性不好，不利于實現(xiàn)連續(xù)操作，后者遠場在脊寬方向發(fā)散仍然會較大。目前基于環(huán)形腔的中紅外面發(fā)射量子級聯(lián)激光器單模輸出已經(jīng)達到400mw，基于環(huán)形腔遠場發(fā)散角小的優(yōu)勢，為了同時提高外耦合效率改善遠場發(fā)散，本專利提出采用環(huán)形腔面發(fā)射機制實現(xiàn)太赫茲光的有效抽取同時改善其遠場發(fā)散。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

綜上所述的各種導(dǎo)致太赫茲光外耦合效率較低的問題，本專利提出一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其可提高其外耦合效率實現(xiàn)太赫茲光的有效抽取。該結(jié)構(gòu)首先在上波導(dǎo)層制作一級光柵實現(xiàn)中紅外的單模，將外延片做成環(huán)狀脊形雙溝結(jié)構(gòu)，在襯底制作針對太赫茲光的二級表面金屬光柵實現(xiàn)太赫茲光的面上抽取，同時使器件的遠場發(fā)散角減小。

本發(fā)明提供一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在一襯底上依序生長下波導(dǎo)層、下光學限制層、第一有源層、間隔層、第二有源層、上光學限制層和上波導(dǎo)層；

步驟2：移除上波導(dǎo)層，在上光學限制層上呈放射狀向下刻蝕多條光柵，形成一個雙周期的環(huán)形光柵；

步驟3：在刻蝕后的上光學限制層上重新生長上波導(dǎo)層；

步驟4：在上波導(dǎo)層上向下刻蝕一環(huán)形脊結(jié)構(gòu)，刻蝕深度到達下光學限制層；

步驟5：在刻蝕后的環(huán)形脊結(jié)構(gòu)的溝槽中填滿半絕緣inp：fe；

步驟6：在溝槽中填滿半絕緣inp：fe的環(huán)形脊結(jié)構(gòu)上蒸發(fā)正面金屬電極，鍍金；

步驟7：將襯底減薄，拋光，在襯底的背面蒸發(fā)背面金屬電極；

步驟8：刻蝕金屬電極，制備出二級環(huán)形表面金屬光柵，完成制備。

本發(fā)明的有益效果是：

1、采用環(huán)形腔在襯底表面制作二級金屬光柵對太赫茲光進行抽取，可以沿整個腔面抽取太赫茲光能夠有效提高外耦合效率。

2、采用在襯底上制作二級金屬光柵結(jié)構(gòu)避免了襯底拋光20-30°角帶來的襯底不能減薄引起的器件散熱問題，與器件倒焊工藝相兼容有利于器件的散熱提高室溫連續(xù)的功率，同時改善器件在脊寬方向的遠場發(fā)散。

附圖說明

為了進一步說明本發(fā)明的特征和效果，下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明做更進一步的說明，其中：

圖1為本發(fā)明的制備流程圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

請參閱圖1及圖2所示，本發(fā)明提供一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在一襯底1上依序生長下波導(dǎo)層2、下光學限制層3、第一有源層4、間隔層5、第二有源層6、上光學限制層7和上波導(dǎo)層8，所述的襯底1的材料為n型摻雜的半絕緣inp，所述的下波導(dǎo)層2的材料為n型摻雜的ingaas，所述的下光限制層3的材料為n型摻雜的inp，所述的第一有源層4和第二有源層6由20-40個周期的ingaas/inalas量子阱組成，該第一有源層4和第二有源層6對應(yīng)的波長為7-11μm，所述間隔層5的材料為n型摻雜的ingaas，所述的上光學限制層7的材料為n型摻雜的ingaas，所述的上波導(dǎo)層8的材料為n型摻雜的inp。；

步驟2：移除上波導(dǎo)層8，在上光學限制層7上呈放射狀向下刻蝕多條光柵，制備一個具有雙周期的結(jié)構(gòu)環(huán)形光柵，該雙周期的環(huán)形光柵是為了純化兩個中紅外的波長，進而可以獲得單模的太赫茲波，與直條型相比，理論上環(huán)形的光柵結(jié)構(gòu)中兩個中紅外波沒有腔面損耗，閾值電流密度更低，可以降低功耗；

步驟3：在刻蝕后的上光學限制層7上重新生長上波導(dǎo)層8，形成所述的光柵結(jié)構(gòu)，光柵結(jié)構(gòu)的材料為ingaas/inp，該光柵結(jié)構(gòu)具有一級分布反饋結(jié)構(gòu)，該光柵的兩個周期分別由兩個有源層所對應(yīng)的波長結(jié)合一級光柵公式：λ＝2neffλ決定，所述的上波導(dǎo)層8的材料為n型摻雜的inp；

步驟4：在上波導(dǎo)層8上向下刻蝕一環(huán)形脊結(jié)構(gòu)，刻蝕深度到達下光學限制層3；

步驟5：在刻蝕后的環(huán)形脊結(jié)構(gòu)的溝槽中填滿半絕緣inp：fe，填滿半絕緣inp：fe是為了器件能夠更好的散熱；

步驟6：在溝槽中填滿半絕緣inp：fe的環(huán)形脊結(jié)構(gòu)上蒸發(fā)正面金屬電極9，鍍金，鍍金是為了進一步改善器件的散熱特性；

步驟7：將襯底1減薄，拋光，在襯底1的背面蒸發(fā)背面金屬電極10，襯底1減薄也有利于器件的散熱；

步驟8：刻蝕金屬電極，制備出二級環(huán)形金屬光柵，所述的二級環(huán)形金屬光柵由金屬/air組成，該金屬材料為ti/au，該二級環(huán)形金屬光柵的周期由公式：λg＝λthz/(ninp·cosθc)決定，λthz為太赫茲波長，ninp為太赫茲波在襯底的折射率，θc為cerenkov輻射角，完成制備。制備該二級光柵的目的是為了實現(xiàn)太赫茲的襯底出光。

與現(xiàn)有的差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器源相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢：

一、襯底出光，不影響器件的減薄、拋光和倒焊工藝，有利于器件的散熱；而目前采用襯底拋光20°-30°出光方式的器件為了盡可能外耦合更多的太赫茲光襯底一般不會進行減薄，嚴重阻礙了器件的散熱，不利于器件性能的提高。本發(fā)明所采用的結(jié)構(gòu)可以有效避免這個問題。

二、表面二級光柵，可以沿整個器件結(jié)構(gòu)抽取太赫茲光，太赫茲光以cerenkov圓錐向外輻射，從一面抽取只有50％的光能夠被收集，再考慮二級光柵的耦合效率為80％-90％，理論上太赫茲光的外耦合效率能達到40％-45％；而目前差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器的的外耦合效率太低也是導(dǎo)致其輸出功率較低的原因之一，目前已報道的[luq，razeghim.recentadvancesinroomtemperature，high-powerterahertzquantumcascadelasersourcesbasedondifference-frequencygeneration[c]/photonics.multidisciplinarydigitalpublishinginstitute，2016，3(3)：42.]最高的差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器的脈沖功率峰值為1.9mw，室溫連續(xù)功率為14μw，但是其所述的外耦合效率也僅為15％。從國際上的發(fā)展趨勢看，目前大家基本認同差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器是太赫茲激光材料領(lǐng)域1thz以上頻率唯一能夠室溫工作連續(xù)可調(diào)的電泵浦半導(dǎo)體太赫茲源，所以任何能夠提高其外耦合效率和輸出功率的結(jié)構(gòu)都值得被研究。本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)理論上能夠?qū)⑻掌澒獾耐怦詈闲侍岣咧?0％-45％，能夠有效改善太赫茲光的光電轉(zhuǎn)換效率。

三、本發(fā)明表面環(huán)形出光口可以做的較寬遠大于太赫茲波長，這樣一方面太赫茲波不會從兩側(cè)泄漏，另一方面可以改善器件的遠場發(fā)散，提高太赫茲光的光束質(zhì)量。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對比說明了本發(fā)明的優(yōu)勢。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當對本發(fā)明一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)有了清楚的認識。

按照權(quán)利要求書所述的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，以及后面對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上權(quán)利要求書所述僅為本發(fā)明的大致實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。