纳米通道2的分布形式进行曝光和刻蚀，一次性刻蚀出宽度300nm，深度300nm，侧壁倾角为60°的沟槽，沟槽长度1200 μm。
[0036]步骤二:通过二次外延生长的方法，利用不同晶向的生长速率不同，生长形成内建纳米通道3，并继续外延直至顶面找平，随后继续制备太赫兹量子级联激光器芯层3。
[0037]步骤三:在跨越长度1.6mm的范围内，包括光刻、腐蚀、制作绝缘层、套刻、制作电极窗口、制作P面电极、衬底减薄和剖光、制备N面电极等通常半导体激光器工艺步骤，制备太赫兹量子级联激光器，太赫兹量子级联激光器的光波导5尺寸为长4_，宽400 μ m，距离两侧导流孔I所在的不发光芯片区域6各有200 μ m距离的刻蚀区域，其中光波导5的厚度为300 μm。注意到，1.6mm的长度足以覆盖整个1200 μm的沟槽长度，因而保证了沟槽方向的密封性。
[0038]步骤四，在太赫兹量子级联激光器芯层3的不发光芯片区域6的预留位置，制备导流孔1，导流孔I的尺寸为距离刻蚀区域50 μπι，宽300 μ m，长3.5mm，深度为大于200 μ m，但小于300 μπι。注意到，1200 μπι的构造长度足以贯穿400 μπι的光波导5的长度与两侧200 μπι的刻蚀区域以及两侧预留的导流孔I的部分距离，这样保证了工作物质7的通过导流孔I进入和流出内建纳米通道2的流通性和垂直芯片方向的密封性。本实施例中注入的工作物质7为去离子水，并使得去离子水和外界微通道热沉相连接。
[0039]实施例2与实施例3:
[0040]内建纳米通道冷却太赫兹量子级联半导体激光器的制备方法，包含以下几个步骤:
[0041]步骤一:在衬底4上，通过光刻或者电子束曝光的方法，制备按照设计的内建纳米通道2的分布形式进行曝光和刻蚀，一次性刻蚀出沟槽结构。
[0042]步骤二，通过二次外延生长的方法，利用不同晶向的生长速率不同，生长形成内建纳米通道3，并继续外延直至衬底4的顶面找平，随后继续制备太赫兹量子级联激光器芯层3。
[0043]步骤三，完成光刻、腐蚀、制作绝缘层、套刻、制作电极窗口、制作P面电极、衬底减薄和剖光、制备N面电极等通常半导体激光器工艺步骤，制备太赫兹量子级联激光器。
[0044]步骤四，在太赫兹量子级联激光器芯层3的不发光芯片区域6的预留位置，制备导流孔I。实施例2中的导流孔I制作在P面，实施例3中的导流孔I制作在N面，均刻蚀超过导流孔I所在位置，而且不贯穿太赫兹量子级联激光器芯层3和衬底4的厚度总和。本实施例中注入的工作物质7为无尘空气或氟利昂，并使得无尘空气或氟利昂和外界微通道热沉相连接。
[0045]实施例1说明内建纳米通道2可以制作在太赫兹量子级联激光器芯层3内部；实施例2和实施例3说明内建纳米通道2可以制作在衬底4上。如图4所示，实施例1和实施例2说明内建纳米通道2可以贯穿光波导5结构，如图5所示，实施例3说明内建纳米通道2可以不贯穿光波导5的结构而是只制作在不发光区域6或不发光区域6下方的衬底4上。实施例1和实施例2的区别在于，实施例1的刻蚀方向是(100)方向，因而沟槽的侧壁不能是陡直的(即侧壁不能是001方向)，只能是有一定倾斜角度的；而实施例2的刻蚀方向是(ΜΝ0，Μ和N是正整数)方向，其侧壁可以是陡直的(即侧壁可以是001方向)。
[0046]内建纳米通道冷却太赫兹量子级联半导体激光器的制备方法，步骤一和步骤二中，当内建纳米通道2的方向和晶向(100)或(010)平行时，沟槽的侧壁不是陡直的(可以是例如MON或O丽晶向，M和N是正整数)，反之，当内建纳米通道2的方向是(MNO)方向时，侧壁可以是陡直的。这样就保证了沟槽的侧壁的晶向和晶体生长的晶向有着不同的生长速率，在二次外延到一定厚度的时候，快速生长的晶向可以把沟槽包裹起来，新的沉积物质不再沉积到沟槽内部，形成内部管道状的内建纳米通道2。
【主权项】
1.内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，该激光器包括:导流孔、内建纳米通道、太赫兹量子级联激光器芯层和衬底；所述太赫兹量子级联激光器芯层包括光波导和不发光芯片区域；太赫兹量子级联激光器芯层制作在衬底上；在不发光芯片区域上制作导流孔，其深度贯穿太赫兹量子级联激光器内的多个内建纳米通道，且小于太赫兹量子级联激光器芯层和衬底厚度的总和。2.根据权利要求所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述内建纳米通道的截面宽度和高度要满足二次外延工艺能够跨越并且覆盖的尺度。3.根据权利要求1所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述内建纳米通道制作在衬底，不发光区域，或者贯穿光波导和不发光芯片区域。4.根据权利要求1所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述的内建纳米通道贯穿两个相邻的导流孔。5.根据权利要求1所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述内建纳米通道通过工作物质实现冷却；其中工作物质为气体、不导电液体或相变传热液体；工作物质不能与太赫兹量子级联激光器芯层或衬底发生化学反应，其纯净度要求不能含有堵塞内建纳米通道和导流孔的固体物质。6.根据权利要求5所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述工作物质为液体时，利用内建纳米通道的毛细作用、从注入端的导流孔施加压强、从输出端导流孔抽取或者利用重力或液体热动力学的方式对工作物质进行流动方向的控制。7.基于内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器的制备方法，其特征在于，该方法包含如下步骤: 步骤一:通过光刻或者电子束曝光的方法在太赫兹量子级联激光器芯层上制作内建纳米通道的沟槽； 步骤二:通过外延生长的方法，形成内建纳米通道，并继续外延直至量子级联激光器芯片顶面找平，随后继续制备太赫兹量子级联激光器芯层中的光波导结构层； 步骤三:预留出即将制备导流孔的区域后，进行常规半导体激光器工艺，制备半导体激光器; 步骤四:在太赫兹量子级联激光器芯层的预留区域，制备导流孔，完成一种内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器的制备方法。8.根据权利要求6所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤一和步骤二中，当内建纳米通道的方向和晶向(100)或(010)平行时，沟槽的侧壁是倾斜的，是(MON)或(OMN)晶向，其中M和N是正整数；外延生长到百纳米厚度的时候，快速生长的晶向把沟槽包裹起来，形成内部管道状的内建纳米通道；当内建纳米通道的方向是沿着(MNO)方向时，侧壁是陡直的，沿着(001)的晶向方向。
【专利摘要】内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器及其制备方法属于新型量子级联激光器技术领域，该激光器包括：导流孔、内建纳米通道、太赫兹量子级联激光器芯层和衬底；所述太赫兹量子级联激光器芯层包括光波导和不发光芯片区域；太赫兹量子级联激光器芯层制作在衬底上；在不发光芯片区域上制作导流孔，其深度贯穿太赫兹量子级联激光器内的多个内建纳米通道，且小于太赫兹量子级联激光器芯层和衬底厚度的总和。本发明直接针对芯片进行冷却，冷却效率高，避免了衬底的热阻带来的散热困难。内建纳米通道，可以制作在衬底上，也可以制作在半导体激光器芯层内部。选用合适的工作物质，可以实现不同温度下太赫兹量子级联激光器的工作。
【IPC分类】H01S5/34, H01S5/024
【公开号】CN104966992
【申请号】CN201510281747
【发明人】陈泳屹, 秦莉, 宁永强, 王立军, 佟存柱, 单肖楠
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月27日