一种太赫兹量子级联激光器及其制备方法与流程

本发明属于太赫兹激光器及其制备领域，特别涉及一种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(qcl)是1～5thz频段非常重要的一种半导体辐射源，具有结构紧凑、性能稳定、能转换效率高、输出功率大、寿命长等特点。在thz标准光源、光电技术、成像系统及生物效应研究等方面有重要应用前景。半绝缘表面等离子体波导是大功率thzqcl最为常用的波导结构，由于在这种结构中激光模式只需通过表面电极金属层和重掺杂下接触层进行限制，很大一部分激光模式可以延伸到衬底中，因此该波导结构具有制备工艺简单、耦合输出光束质量好，输出功率大等优点。

在脊条形半绝缘表面等离子体波导thzqcl中，通过解理波导的前、后两个端面形成谐振腔(fabry–pérot腔)，由于谐振腔的两个端面具有对称性和一致性，工作时激光器两个端面的状态相同，输出相同强度的激光，即两个端面的出光比率均为50％。为了有效利用激光器两个端面的输出激光，通常会在脊条的其中一个端面蒸镀高反膜，使得器件的激光都从另一个端面输出。不过，由于两个端面为相互平行的解理面，为了消除输出端面对激光的反射，通常又会在输出端面蒸镀一层增透膜。增透膜的厚度取决于输出激光的波长，最佳厚度为激光波长的四分之一。中红外激光的波长为2μm左右，对应增透膜厚度约为500nm，因此上述方法在中红外qcl中得到了很好的应用。当qcl的工作频率扩展到thz频段时，激光波长为约100μm，此时的增透膜厚度需要达到约25μm，而介质膜工艺通常蒸镀的厚度在几百纳米到几微米，25μm的厚度对于介质膜工艺来说是一项困难的工作。

另一种有效利用激光器端面输出激光的方法是制备倾斜的前端面，即对需要输出激光的端面进行工艺制备，使得该端面与不出激光的端面在空间上形成一定的夹角，并使该夹角小于激光从激光器介质到空气的传播过程的全反射角，从而提高前端面的出光比率，再通过后端面蒸镀高反膜的方法，有效提高激光器的端面输出功率。不过，由于thz频段激光波长较长(约100μm)，远大于激光器有源区的厚度(约10μm)，端面出光时激光光束存在一定的发散性；同时，由于倾斜端面的构建，使得激光输出后的传播方向有一定的偏角，光束传播的方向性受到较大影响，激光器输出光束的整体质量较差。因此，如何在提高激光器端面有效输出功率的同时进一步改善激光光束质量，是当前需要解决的关键技术问题。

cn110854666a公开了一种太赫兹量子级联激光器及其制作方法，采用单一倾斜面的做法会使出射的太赫兹激光束出现单个方向较大角度的偏转，加上太赫兹量子级联激光器输出光束的发散特性，使得端面输出激光的收集和准直难度加大；此外，现有技术直接采用研磨抛光的办法来实现单一倾斜面的制备，制备时间慢，且研磨抛光面的倾斜角度不好掌控，误差较大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种太赫兹量子级联激光器及其制备方法，克服现有技术中端面输出激光单个方向的大角度偏转，本发明利用对称倾斜面结构使激光器出射激光束形成会聚模式，使得部分发散的光束能有效重叠，便于出射激光的收集和准直；同时，采用图形激光切割和机械抛光相结合的制备方法，可以在一定程度上节省倾斜面制备的时间，同时根据图形设计，更易实现对称倾斜面，并保证倾斜面角度的制备精度。

本发明的一种太赫兹量子级联激光器，所述激光器包括半绝缘衬底、下接触层、下电极金属层、有源区、上接触层、上电极金属层、前端面和后端面；

其中所述半绝缘衬底、下接触层、有源区、上接触层和上电极金属层从下至上依次层叠，所述有源区、上接触层和上电极金属层在所述下接触层上形成脊条形结构；下电极金属层位于脊条形结构两侧，并保持间距；

所述前端面和所述后端面为所述激光器沿所述脊条形结构的长度方向的两个端面，所述前端面和所述后端面均用于透射输出激光，所述后端面与所述脊条形结构的长度方向垂直；

所述前端面包括第一斜面和第二斜面，且与所述脊条形结构的上下表面形成角形夹角。

所述前端面包含两个斜面，斜面与所述脊条形结构长度方向的垂直面形成倾斜角，使得所述前端面和所述后端面的反射率和透射率不同。

所述激光器的结构为半绝缘表面等离子体波导结构。

所述后端面为解理面，所述前端面的第一斜面和第二斜面为机械抛光面。

所述后端面的表面为平面，上面交替蒸镀介质和金属层，以形成高反膜，从而增加所述前端面的出光比率。

所述第一斜面和第二斜面为两个对称的斜面。

所述前端面的两个斜面和与所述脊条形结构的长度方向的垂直面形成角度相等的倾斜角。

所述角形两边夹角小于所述激光器的有源区的全反射临界角。

优选地，所述全反射临界角为15°。

本发明的一种太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括：

步骤1：在半绝缘衬底上采用分子束外延方法向上依次外延生长下接触层、有源区和上接触层，然后采用光刻及电子束蒸发工艺在上接触层上蒸镀上电极金属层；

步骤2：采用干法刻蚀制备激光器上接触层，与有源区一起形成脊条，刻蚀深度到达所述下接触层，并使所述上电极金属层位于所述脊条上；

步骤3：在刻蚀裸露的下接触层部分表面上蒸镀下电极金属层并进行退火；

步骤4：在工艺制备完成的图形化大面积样片上通过划片解理出单个脊条形的激光器芯片，此时激光器所述前端面和所述后端面均为解理面；

步骤5：将脊条形激光器放入精密激光切割装置，根据设计的角形图形，将脊条形激光器前端面制作成包含第一斜面和第二斜面的角形端面；然后将前端面的第一斜面和第二斜面依次倾斜贴在机械抛光机上，分别进行抛光；

步骤6：采用高纯铟将所述脊条形激光器芯片焊接在热沉上，并通过引线键合引出器件电极，完成器件封装。

优选地，所述角形端面的第一斜面和第二斜面与端面解理面的夹角均为12.6°。

有益效果

(1)本发明所述的具有角形前端面的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，通过构建前端面和后端面的不平行，使前后端面的反射率和透射率形成差异，从而提高激光器前端面的出光比率。

(2)本发明所述的具有角形前端面的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，其中前端面两个斜面的倾斜角小于激光器有源区全反射临界角时，进一步提高了激光器前端面的出光功率比率；同时，相比单一倾斜端面，角形倾斜端面采用两个对称的斜面来耦合输出激光，使得总的输出激光发散性降低，有效改善了输出激光的光束质量，如图3所示。

(3)本发明所述的具有角形前端面的太赫兹量子级联激光器及其制备方法，其中前端面两个斜面的制作采用了图形设计与精密激光切割相结合的方法，可根据设计图形切割成需要的几何形状，具有制备方法简单、速度快、制备形状多样等优点。

(4)本发明所述的具有角形前端面的太赫兹量子级联激光器及其制备方法，通过角形前端面结构还可以抑制激光器的横向高阶模，与前后平行端面(f-p腔)的情况相比，角形端面的两个对称倾斜面在激光器出射时，激光会在谐振腔之字型震荡，模式波导损耗都会增大，且高阶模波导损耗更大，主要是横向高阶模被倾斜面侧向反射至脊条内后难以通过背面反射再次输出，更多地被抑制在脊条内。适合用于宽脊条太赫兹量子级联激光器的制备。

(5)所述脊条形激光器的两个端面中，一个为解理面，另一个为图形制备后的角形抛光面，这种不平行端面破坏了激光器出光端面原有的对称性，可以使激光器前后端面的透射率和反射率产生差异，从而改变激光器前后端面出光比率，当角形端面倾斜角小于激光器有源区全反射临界角时，激光器前端面的出光功率比率更大，同时，这种角形前端面结构还可以有效抑制激光器的横向高阶模，适合用于宽脊条太赫兹量子级联激光器的制备。

附图说明

图1本发明所述的太赫兹量子级联激光器侧视示意图；

图2本发明所述的太赫兹量子级联激光器俯视示意图；

图3(a)单一倾斜端面太赫兹量子级联激光器和(b)本发明所述的角形端面太赫兹量子级联激光器的出光光路示意图；

图中：1-半绝缘衬底，2-下接触层，3-下电极金属层，4-有源区，5-上接触层，6-上电极金属层，7-前端面，71-前端面第一斜面，72-前端面第二斜面，8-后端面，9-倾斜角。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本说明书的一个实施例提供一种太赫兹量子级联激光器，能够实现前后端面的出光功率不同。

具体地，如图1和图2所示，所述激光器包括前端面7和后端面8，其中所述后端面8与所述激光器的脊条形结构的长度方向垂直，所述前端面7的两个斜面71和72与所述脊条形结构的长度方向的垂直面形成角度相等的倾斜角9，因此由于前后两个端面的不平行和不对称，导致两者具有不同的反射率和透射率，从而形成不同的出光功率。

在一些实施例中，所述激光器还包括叠层生长的半绝缘衬底1、下接触层2、激光器有源区4、上接触层5和上电极金属层6，其中所述激光器激光器有源区4、所述上接触层5和上电极金属层6形成激光器的脊条形结构，而所述脊条方向可以理解为所述脊条的长度方向。

在一些实施例中，所述上电极金属层6设置在所述脊条上，并且所述上电极金属层6宽度可以与所述脊条宽度相等，也就是说，所述上电极金属层6完全覆盖在所述脊条上，作为可选地，所述上电极金属层5的宽度为400μm。

在一些实施例中，所述脊条设置在所述下接触层2的部分区域上，作为优选地，所述脊条设置在所述下接触层2的中间位置，并将所述下接触层2的两侧部分暴露出来。

进一步地，在所述下接触层2的暴露部分还设置有下电极金属层3，需要说明的是，所述下电极金属层3只是覆盖暴露的下接触层2的一部分。

由于所述前端面7和所述后端面8是不平行关系，不能同时通过解理得到，因此其中一个面可以是解理面，另外一个面是机械抛光面。

而所述两个倾斜角9要小于激光器有源区的全反射临界角，前端面7的第一斜面71和第二斜面72对应的模式反射率比后端面反射率低，因此两个斜面处的出光功率相比于后端面更大，并且随着倾斜角9增大，前端面总的出光功率也越大。而当倾斜角9增大到大于激光器有源区全反射临界角时，前端面出现全反射，透射率几乎为0，前端面总的出光功率急速降低，因此，一般将前端面的两个倾斜角设置为略小于激光器有源区全反射临界角，使得前端面具有较大的出光功率。对于太赫兹量子级联激光器，有源区材料折射率约为3.8，对应的全反射临界角约为15°。

当然，在一些实施例中，所述后端面8还可以通过交替蒸镀介质和金属层来形成高反膜，以增加所述后端面8的反射率，进一步增加所述前端面7总的出光功率。

实施例2

本实施例提供一种太赫兹量子级联激光器的制备方法，用于制作上述所述的太赫兹量子级联激光器。

具体制备方法包括以下步骤：

s10：在工艺制备完成的图形化大面积样片上通过划片解理出单个脊条形的激光器芯片，激光器前端面和后端面均为解理面；

通过解理出的激光器芯片的腔长可以为4mm，所述解理面可以与所述激光器的脊条方向垂直。

s20：将脊条形激光器放入精密激光切割装置，根据设计的角形图形，将脊条形激光器前端面制作成包含第一斜面和第二斜面的角形端面；将激光器倾斜贴在机械抛光机上，对激光切割后形成的第一斜面和第二斜面分别进行机械抛光，制作出具有两个倾斜角的抛光前端面；

其中所述倾斜角要小于所述激光器有源区的全反射临界角，对于太赫兹量子级联激光器，有源区的折射率约为3.8，对应的全反射临界角约为15°，因此本实施例中，所述倾斜角可以是12.6°。激光出射的光路示意图如图3所示，采用对称倾斜面时，端面出射激光及其发散部分重叠且形成一个类似会聚的焦点，见图3(b)，便于用抛物面反射镜或者透镜进行收集和准直，而采用单一倾斜端面的出射激光则形成图3(a)所示的具有较大偏转的发散性光束。

s30：采用高纯铟将所述脊条形激光器芯片焊接在热沉上，并通过引线键合引出器件电极，完成器件封装。

在一些实施例中，太赫兹量子级联激光器的波导结构可以是半绝缘表面等离子体波导，因此在划片解理前还包括半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器制作过程，具体为：

s01：在半绝缘衬底上，采用分子束外延方法向上依次外延生长下接触层、激光器有源区和上接触层；

s02：采用光刻及电子束蒸发工艺在所述上接触层上蒸镀上电极金属层；

所述上电极金属层可以是ti/au金属层，其金属层厚度为ti金属层10nm，au金属层300nm，而其金属层的宽度根据不同的激光器规格设置，作为可选地，所述上电极金属层宽度为400μm。

s03：采用干法刻蚀制备激光器上接触层，与有源区一起形成脊条，刻蚀深度到达所述下接触层，并使所述上电极金属层位于所述脊条上；

作为可选地，所述脊条宽度为400μm，并使所述上电极金属层位于所述脊条上；

s04：在刻蚀裸露的下接触层部分表面上蒸镀下电极金属层并进行退火。

通过光刻及电子束蒸发ge/au/ni/au(13/33/30/300nm)在刻蚀裸露的下接触层部分表面制作下电极金属层并退火，而所述下电极金属层并没有接触到所述脊条，作为可选地，所述下电极金属层可以设置在所述脊条两侧，所述下电极金属层距离所述脊条结构为50μm，其中所述下电极金属层的宽度400μm，可以理解为两侧的下电极金属层在所述脊条两侧呈对称设置，并且每个金属层宽度均为400μm。

另外在一些实施例中，还可以对衬底背面进行减薄处理，比如可以减薄至170μm。

本发明提出一种太赫兹量子级联激光器及其制作方法，激光器后端面垂直于激光器脊条方向，前端面的两个斜面和脊条结构垂直方向有一倾斜角，两个端面其中一个为解理面，另一个为机械抛光面。这种不平行的端面使得前后端面反射率和透射率不同，从而达到改变激光器前后端面出光比率的效果。当前端面两个斜面的倾斜角小于激光器有源区全反射临界角时，激光器前端面总的出光功率比率更大。这种具有两个斜面的角形前端面结构还有利于抑制输出激光器的横向高阶模，适合用于宽脊条太赫兹量子级联激光器的制备。