一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及激光器半导体技术领域，特别是设及一种集成吸收波导的太赫兹量子 级联激光器及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 太赫兹(TOz)波是指频率位于IOOGHz到IOTHz的一段电磁波，介于微波与红外波之 间。从能量上来说，T化波的光子能量覆盖了半导体及等离子体的特征能量，也与有机和生 物大分子等的转动及振动能量相匹配，因此可用于物质检测、环境监测等领域;从频域上 看，T化波的频率高，适用于空间保密通信及高速信号处理等领域;此外，T化波能够穿透多 种非导电材料，如塑料、木头、纸张等，在成像及公共安全等领域也有广泛的应用前景。在众 多的THz福射产生方式中，基于半导体的THz量子级联激光器(Q化）由于其体积小、轻便、功 率高和易集成等特点，成为此领域一类重要的福射源器件。
[0003] 自2002年第一个THz Q化诞生，在巨大潜在应用前景的驱动下，Wz Q化的结构不 断改进，各项性能也不断刷新，目前的THz Q化激射波长能够覆盖0.84~5. OTOz的频率范 围，脉冲模式下输出峰值功率超过1W，最高工作溫度达到225K。在运样的背景下，目前有关 Wz Q化的研究热点已经逐渐由传统的有源区和波导结构优化（用W提高THz Q化的工作溫 度和输出功率)转移到开发基于THz Q化材料的各种新型功能性器件，如波长可调谐THz Q化、Wz光梳、TOz光放大器等；由于上述基于THz Q化材料的各种新型功能性器件都是基于 THzQ化材料体系，运些器件能够相互匹配，有望在未来组成全固态甚至片上集成的THz光学 系统，对实现THz光学系统小型化与低功耗有非常重要的意义。
[0004] 然而，T化波吸收器件方面的研究却比较落后。目前已经实现的基于石墨締材料的 T化可饱和吸收体和基于超材料(metamaterial)结构的THz吸收器都是一个个分立的器件， 且使用的材料与THz Q化差异较大，故不可能用在基于THz Q化材料的片上集成系统中。
[0005] 鉴于此，有必要提供一种新的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方 法用W解决上述问题。
【发明内容】
[0006] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种集成吸收波导的太赫 兹量子级联激光器及其制作方法，用于解决现有技术中THz波吸收器件均为分立器件，且使 用材料与THz Q化差异较大，无法用在基于THz Q化材料的片上集成系统中的问题。
[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级 联激光器及其制作方法，所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器包括：
[000引半绝缘GaAs衬底；
[0009] 位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；
[0010] 位于所述GaAs缓冲层表面的n型重渗杂下接触层；
[0011] 位于所述n型重渗杂下接触层表面的有源区；
[0012] 位于所述有源区表面的n型重渗杂上接触层；
[0013] 位于所述n型重渗杂上接触层表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属层， 其中，所述第二上电极金属层为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层；
[0014] W及位于所述n型重渗杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层。
[0015] 优选地，所述退火后可形成高波导损耗的上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层。
[0016] 优选地，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层中Ge与Pd的原子比大于1 ,Ti层的厚度范围为10 ~20um，Au层的厚度大于50um。
[0017] 优选地，所述吸收波导的太赫兹波吸收能力与其长度呈线性正比关系。
[0018] 优选地，所述第一上电极金属层的宽度与所述第二上电极金属层的宽度相等。
[0019] 优选地，所述间隔距离L的长度范围为5~30皿。
[0020] 本发明还提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制造方法，所述制作 方法包括：
[0021] Sl:提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs 缓冲层、n型重渗杂下接触层、有源区W及n型重渗杂上接触层；
[0022] S2:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重渗杂上接触层表面生长第一上电极金 属层，带胶剥离；
[0023] S3:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重渗杂上接触层表面生长退火后可形成 高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电 极金属层之间设有间隔距离L
[0024] S4:在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、 刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述n型重渗杂下接触层，形成脊 形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
[0025] S5:进行溫度大于等于340°C，时间大于等于20s的高溫快速退火工艺；
[0026] S6:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重渗杂下接触层表面形成下电极金属 层，带胶剥离；
[0027] S7:进行高溫快速退火工艺；
[0028] S8:减薄衬底、金丝焊接、W及封装，完成器件制作。
[00巧]优选地，所述间隔距离L的长度范围为5~30皿。
[0030] 优选地，所述S5中高溫快速退火工艺的溫度小于425°C，时间小于120s。
[0031] 优选地，当所述S7中高溫快速退火的溫度大于等于340°C、且时间大于等于20s时， 所述制作方法包括：
[0032] Sl:提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs 缓冲层、n型重渗杂下接触层、有源区W及n型重渗杂上接触层；
[0033] S2:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重渗杂上接触层表面生长第一上电极金 属层，带胶剥离；
[0034] S3:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重渗杂上接触层表面生长退火后可形成 高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电 极金属层的间隔距离为レ
[0035] S4:在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、 刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述n型重渗杂下接触层，形成脊 形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
[0036] S5:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重渗杂下接触层表面形成下电极金属 层，带胶剥离；
[0037] S6:进行溫度大于等于340°C、且时间大于等于20s的高溫快速退火工艺；
[0038] S7:减薄衬底、金丝焊接、W及封装，完成器件制作。
[0039] 本发明还提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器，所述集成吸收波导的 太赫兹量子级联激光器包括：
[0040] 渗杂GaAs衬底；
[0041 ]位于所述渗杂GaAs衬底上表面的键合金属层；
[0042] 位于所述键合金属层表面的n型重渗杂下接触层；
[0043] 位于所述n型重渗杂下接触层表面的有源区；
[0044] 位于所述有源区表面的n型重渗杂上接触层；
[0045] W及位于所述n型重渗杂上接触层表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属 层，其中，所述第二上电极金属层为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层。
[0046] 本发明还提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制造方法，所述制作 方法包括：
[0047] Sl:提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs 缓冲层、刻蚀阻挡层、n型重渗杂上接触层、有源区W及n型重渗杂下接触层；
[004引S2:提供一渗杂GaAs衬底，采用电子束蒸发工艺在所述渗杂GaAs衬底表面及Sl所 述结构的n型重渗杂下接触层表面分别生长一键合金属层；
[0049] S3:采用倒装热压键合工艺将S2中形成的两结构进行键合；
[0050] S4:采用研磨及选择性刻蚀工艺去除半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层及刻蚀阻挡层； [0051 ] S5:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重渗杂上接触层表面生长第一上电极金 属层，带胶剥离；
[0052] S6:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重渗杂上接触层表面生长退火后可形成 高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电 极金属层之间设有间隔距离L
[0053] S7:在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、 刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述键合金属层，形成脊形波导 结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
[0054] S8:进行溫度大于等于340°C，时间大于等于20s的高溫快速退火工艺；
[0055] S9:减薄衬底、金丝焊接、W及封装，完成器件制作。
[0056] 如上所述，本发明的一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法， 具有W下有益效果:本发明通过改变所述THz Q化的上电极金属层并进行