专利名称：一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺的制作方法
一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺技术领域
本发明属于激光器半导体技术领域，涉及一种太赫兹量子级联激光器，具体涉及一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺。
背景技术：
太赫兹(THz)量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)作为一种重要的太赫兹辐射源，具有体积小、重量轻、易集成等优点，是太赫兹领域的一个研究热点。太赫兹量子级联激光器的研究主要集中在有源区和波导两个方面，要求器件具有高工作温度、低阈值电流密度、高转换效率、高输出功率、单模窄光谱线宽、小远场发散角等性能。
太赫兹量子级联激光器波导结构主要有单面金属波导和双面金属波导，其中双面金属波导对太赫兹波损耗小、模式限制作用强；双面金属波导激光器具有更低的阈值电流密度和更高的工作温度。激光的出射有边缘发射和表面发射两种形式。
边缘发射太赫兹量子级联激光器通常采用波导两个解离端面形成的F-P腔产生谐振，然而F-P腔激光器往往会产生多个激光模式，因此，为了获得稳定的单模输出，通常在波导表面金属层引入一阶光栅。边缘发射太赫兹量子级联激光器的出光孔径较小，激光光束非常发散，这种亚波长模式限制引起的光束发散对于双面金属波导激光器尤其明显。
表面发射太赫兹量子级联激光器具有较大的出射面积，因此可望具有更窄的光束发散模式以及更大的功率输出。二阶光栅可以实现激光的表面辐射，对于二阶光栅表面发射太赫兹量子级联激光器，存在的问题为在垂直光栅排列方向上光束发散没有得到限制以及输出功率较小。解决上述问题的一种方法为在波导表面制作二维光子晶体，在二维上抑制光束的发散，平行衬底传播的太赫兹光通过光子晶体的一级衍射实现垂直衬底表面辐射，二级衍射产生谐振。表面发射波导端面的反射会影响激光的模式，大面积波导容易激发横向高次模，一个有效的解决方法是在波导的四周制作吸收边以减弱端面反射、抑制横向高次模，但是增加吸收边会使光子晶体波导谐振腔的品质因子变小。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单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺，该激光器输出功率高，且为单模窄线宽的面发射太赫兹量子级联激光器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺。
一种单模大功率太赫兹量子级联激光器，所述单模大功率太赫兹量子级联激光器包括位于中心的二维光子晶体波导和环绕二维光子晶体波导分布的一阶光栅波导。
作为本发明的一种优选方案，所述二维光子晶体波导与所述一阶光栅波导的连接处设有锥形波导。
作为本发明的另一种优选方案，所述一阶光栅波导在远离中心的端面镀有高反射
作为本发明的再一种优选方案，所述二维光子晶体波导的结构为在垂直方向从下至上依次为重掺杂η型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述上金属层和上接触层刻蚀有二维点阵孔洞。
作为本发明的再一种优选方案，所述一阶光栅波导的结构为在垂直方向从下至上依次为重掺杂η型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述上金属层和上接触层刻蚀有一阶光栅。
一种单模大功率太赫兹量子级联激光器的制作工艺，包括以下步骤
步骤一，以半绝缘GaAs为衬底，外延生长一刻蚀阻挡层；在所述刻蚀阻挡层上外延生长一上接触层；在所述上接触层上外延生长一有源区；在所述有源区上外延生长一下接触层，然后在下接触层上电子束蒸发一下金属层；至此形成一片衬底；
步骤二，在另一重掺杂η型GaAs衬底表面电子束蒸发Pd/Ge/Pd/ln薄膜形成另一片衬底；
步骤三，将两片衬底的金属面相对，热压键合在一起；
步骤四，对所述半绝缘GaAs衬底进行抛光，直到离刻蚀阻挡层预设距离，然后采用湿法腐蚀，腐蚀到刻蚀阻挡层，再用HF酸去除刻蚀阻挡层；再用湿法腐蚀减薄上接触层至预设厚度；采用剥离技术在所述半绝缘GaAs衬底上蒸发一上金属层；以上金属层为模版，自对准刻蚀出位于中心的波导和环绕中心波导分布的脊形波导；再在中心的波导表面光刻出二维点阵孔洞，在脊形波导表面光刻出一阶光栅，将上金属层和上接触层刻通，形成二维光子晶体波导和一阶光栅波导。
作为本发明的一种优选方案，所述脊形波导在远离中心波导的端面镀有高反射膜。
作为本发明的另一种优选方案，所述光子晶体波导为圆形、方形或六边形。
作为本发明的再一种优选方案，所述二维光子晶体波导和一阶光栅波导中太赫兹光谐振波长相同。
作为本发明的再一种优选方案，从所述上金属层和下金属层或重掺杂η型GaAs衬底引出电极。
如上所述，本发明所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺，具有以下有益效果本发明所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器大大增加了中心区域波导的太赫兹激光的输出功率，保证了太赫兹激光的单模窄线宽，只反馈激光器设定的工作模式，抑制横向高次模，同时还提高了光子晶体谐振腔的品质因子。
图IA为本发明所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的第一种结构俯视示意图。
图IB为本发明所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的第一种结构剖面图。
图2为本发明所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的第二种结构示意图。
图3为本发明所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的第三种结构示意图。
元件标号说明
01、重掺杂η型GaAs衬底； 02、下金属层；
03、重掺杂η型GaAs下接触层；04、GaAs多量子阱级联有源区；
05、重掺杂η型GaAs上接触层；06、上金属层；
07、二维光子晶体波导； 08、一阶光栅波导；
09、一阶光栅；10、点阵排列的孔洞；
11、锥形耦合波导。
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。
请参阅附图。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。
本发明提出一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺，该激光器是基于双面金属波导工艺，由位于中心的二维光子晶体波导和围绕二维光子晶体波导环形分布的一阶光栅波导组成。光子晶体波导和光栅波导同时产生太赫兹激光增益，形成的太赫兹激光以垂直衬底的方向从光子晶体波导表面辐射。环形分布的多个光栅波导大大提高了激光器的输出功率。该激光器实现了单模、高功率、低发散度太赫兹激光的表面发射。
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。
实施例
本实施例提供一种单模大功率太赫兹量子级联激光器，如图ΙΑ、1Β、2和3所示，该太赫兹量子级联激光器包括位于中心的二维光子晶体波导和环绕二维光子晶体波导分布的一阶光栅波导。所述二维光子晶体波导的结构为在垂直方向从下至上依次为重掺杂η 型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述上金属层和上接触层刻蚀有二维点阵孔洞。所述一阶光栅波导的结构为在垂直方向从下至上依次为重掺杂η型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述上金属层和上接触层刻蚀有一阶光栅。
所述单模大功率太赫兹量子级联激光器整个器件以GaAs为材料，采用双面金属波导工艺，波导在垂直方向从下至上依次为重掺杂η型GaAs衬底01、下金属层02、下接触层03、有源区04、上接触层05、上金属层06，其中有源区04为AWaAs/GaAs多量子阱结构， 中心波导和四周分布波导表面(上金属层和上接触层)分别刻蚀有二维光子晶体和一阶光栅，即形成位于中心的二维光子晶体波导07和环绕二维光子晶体波导07分布的一阶光栅波导08。
四周分布的一阶光栅波导为一窄条宽的脊形波导，宽度约100微米，表面刻蚀一阶光栅09，上金属层和上接触层均被刻通，光栅为平行排列的狭缝，狭缝的长度小于脊形波导的条宽以保证波导电学导通。基于分布负反馈(DFB)原理，所述一阶光栅波导中能形成水平方向传输的单模太赫兹激光。为了减少端面损失，一阶光栅波导远离中心区的端面镀上高反射膜。四周分布的脊形波导和中心区波导连接处，可增加一个锥形耦合波导11以减小两个波导之间的耦合损失。
图IA和图IB为单模大功率太赫兹量子级联激光器的结构示意图，其采用双面金属波导工艺，二维光子晶体波导为圆形，一阶光栅波导呈星型均勻分布在二维光子晶体波导的四周，图IA为俯视图，图IB为剖面图。图2为具有四个光栅波导的光子晶体面发射太赫兹量子级联激光器的俯视图，中心区的二维光子晶体波导为正方形。图3为具有六个光栅波导的光子晶体面发射太赫兹量子级联激光器的俯视图，中心区的二维光子晶体波导为六边形。所述位于中心的二维光子晶体波导可为圆形、方形或者六边形等，其形状不限于本发明列举的三种，其需要具有较大的面积，直径或者宽度可约为500微米。大的出射面积为激光器的大功率输出、低远场发散提供了有利条件。所述中心区域的波导表面制作有二维光子晶体，通过刻蚀上金属层和上接触层形成正三角形点阵或者正方形点阵排列的孔洞 10，其中点阵的周期大小满足使光子晶体波导中某一特定波长的太赫兹光的一级衍射产生垂直辐射，二阶衍射产生谐振。并且中心区光子晶体波导和周围分布的脊形波导具有相同的谐振波长。
本发明所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的优点在于四周分布的脊形波导和中心区域波导同时产生激光增益，脊形波导产生的水平方向传输的激光都汇集到中心区域波导，通过中心区域波导的二维光子晶体的一级衍射垂直衬底出射，大大增加了中心区域波导太赫兹激光的输出功率；脊形波导一阶光栅和中心区域波导二维光子晶体保证了太赫兹激光的单模窄线宽；中心区域面发射波导的大出射面积为激光器的大功率输出和窄远场发散提供了有利条件；周围分布的脊形波导对于二维光子晶体波导而言，还起到了布拉格反射镜(DBR)的作用，只反馈激光器设定的工作模式，抑制横向高次模，同时还提高了光子晶体谐振腔的品质因子。
本实施例还提供一种单模大功率太赫兹量子级联激光器的制作工艺，其工艺流程为
以半绝缘GaAs为衬底，分子束外延(MBE)生长约500纳米厚的Ala P^l5As刻蚀阻挡层；
在所述刻蚀阻挡层上分子束外延(MBE)生长约500纳米厚的重掺杂η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；
在所述上接触层上分子束外延(MBE)生长AWaAs/GaAs交替多层周期结构有源区，厚度约10微米；
在所述有源区上MBE生长约50纳米的重掺杂η型GaAs下接触层；然后在GaAs下接触层上电子束蒸发一下金属层，该下金属层可以为Ti/Au薄膜，厚约1微米；至此形成一片衬底；
在另一重掺杂η型GaAs衬底表面电子束蒸发Pd/Ge/Pd/In薄膜，厚度约1微米， 形成另一片衬底；将两片衬底的金属面相对，热压键合在一起；
对所述半绝缘GaAs衬底进行抛光，直到离刻蚀阻挡层约100微米，然后采用湿法腐蚀，腐蚀到刻蚀阻挡层，再用HF酸去除刻蚀阻挡层；湿法腐蚀减薄上接触层至50纳米左右，以减少自由载流子吸收引起的波导损耗；采用剥离技术在所述半绝缘GaAs衬底上蒸发一 Ti/Au上金属层；以上金属层为模版，自对准刻蚀出中心的圆形、方形或者六边形波导和四周分布的脊形波导；四周的脊形波导宽度约100微米，中心波导直径或宽度约500微米； 再在中心的圆形、方形或者六边形波导表面和脊形波导表面波导上分别光刻出二维点阵孔洞和一阶光栅，将上金属层和上接触层刻通，形成二维光子晶体波导和一阶光栅波导。
所述脊形波导在远离中心波导的端面镀有高反射膜。电极从所述上金属层和下金属层或重掺杂η型GaAs衬底引出。
整个激光器的制备流程与通常报道的双面金属波导工艺相同，并不会增加额外的工艺步骤，只是增加了光刻部分图形的复杂性。
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。
权利要求
1.一种单模大功率太赫兹量子级联激光器，其特征在于所述单模大功率太赫兹量子级联激光器包括位于中心的二维光子晶体波导和环绕二维光子晶体波导分布的一阶光栅波导。
2.根据权利要求1所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器，其特征在于所述二维光子晶体波导与所述一阶光栅波导的连接处设有锥形波导。
3.根据权利要求1所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器，其特征在于所述一阶光栅波导在远离中心的端面镀有高反射膜。
4.根据权利要求1所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器，其特征在于所述二维光子晶体波导的结构为在垂直方向从下至上依次为重掺杂η型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述上金属层和上接触层刻蚀有二维点阵孔洞。
5.根据权利要求1所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器，其特征在于所述一阶光栅波导的结构为在垂直方向从下至上依次为重掺杂η型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述上金属层和上接触层刻蚀有一阶光栅。
6.一种权利要求1所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤步骤一，以半绝缘GaAs为衬底，外延生长一刻蚀阻挡层；在所述刻蚀阻挡层上外延生长一上接触层；在所述上接触层上外延生长一有源区；在所述有源区上外延生长一下接触层，然后在下接触层上电子束蒸发一下金属层；至此形成一片衬底；步骤二，在另一重掺杂η型GaAs衬底表面电子束蒸发Pd/Ge/Pd/ln薄膜形成另一片衬底；步骤三，将两片衬底的金属面相对，热压键合在一起；步骤四，对所述半绝缘GaAs衬底进行抛光，直到离刻蚀阻挡层预设距离，然后采用湿法腐蚀，腐蚀到刻蚀阻挡层，再用HF酸去除刻蚀阻挡层；再用湿法腐蚀减薄上接触层至预设厚度；采用剥离技术在所述半绝缘GaAs衬底上蒸发一上金属层；以上金属层为模版，自对准刻蚀出位于中心的波导和环绕中心波导分布的脊形波导；再在中心的波导表面光刻出二维点阵孔洞，在脊形波导表面光刻出一阶光栅，将上金属层和上接触层刻通，形成二维光子晶体波导和一阶光栅波导。
7.根据权利要求6所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的制作工艺，其特征在于所述脊形波导在远离中心波导的端面镀有高反射膜。
8.根据权利要求6所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的制作工艺，其特征在于所述光子晶体波导为圆形、方形或六边形。
9.根据权利要求6所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的制作工艺，其特征在于所述二维光子晶体波导和一阶光栅波导中太赫兹光谐振波长相同。
10.根据权利要求6所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器的制作工艺，其特征在于从所述上金属层和下金属层或重掺杂η型GaAs衬底引出电极。
全文摘要
本发明提供一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺，所述单模大功率太赫兹量子级联激光器包括位于中心的二维光子晶体波导和环绕二维光子晶体波导分布的一阶光栅波导。本发明所述的单模大功率太赫兹量子级联激光器大大增加了中心区域波导的太赫兹激光的输出功率，保证了太赫兹激光的单模窄线宽，只反馈激光器设定的工作模式，抑制横向高次模，同时还提高了光子晶体谐振腔的品质因子。
文档编号H01S5/22GK102570307SQ20121002365
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月2日 优先权日2012年2月2日
发明者万文坚, 曹俊诚, 韩英军 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所