一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，所述器件包括：半绝缘GaAs衬底；位于该衬底上表面的GaAs缓冲层；位于该缓冲层表面的n型重掺杂下接触层；位于该下接触层表面的有源区；位于有源区表面的n型重掺杂上接触层；位于n型重掺杂上接触层表面且各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，第一上电极金属层与第二上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，第三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；以及位于n型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层。通过本实用新型提供的一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，解决了现有技术中无法测得THz QCL在可工作电流密度范围内完整的增益谱变化情况的问题。
【专利说明】
-种太赫兹量子级联激光器増益谱测量器件
技术领域
[0001] 本实用新型设及激光器半导体技术领域，特别是设及一种太赫兹量子级联激光器 增益谱测量器件。
【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。
[0003] 在众多的THz福射产生方式中，基于半导体的太赫兹量子级联激光器(T化QCL)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。目前有关 TOz Q化的研究工作已经不仅仅局限于提高器件的工作溫度和输出功率了，而是倾向于开 发和提高THz Q化作为一种相干光源的其它性能，如单模输出、波长可调谐度等。开发基于 TOz Q化材料的THz光梳，Wz锁模激光器，TOz光放大器等新型功能性器件已经成为新的热 点方向。
[0004] TOz Q化的器件性能与有源区量子阱结构和波导结构的细微变化直接相关，相比 于激射频率和输出功率运样的宏观参量，增益谱是更为底层的器件表征参数。对THz Q化增 益谱的研究可W增进对THz Q化结构和器件内部微观物理性能的了解，对改进器件有源区 和波导结构设计，提高THz Q化器件性能，W及研制新型THz功能性器件都有非常重要的实 际意义。
[0005] 如图1和图2所示，早在2000年Barbieri教授的课题组利用两段式波导结构的样本 器件(从左到右依次包括累浦段和被测波导段)和傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)的测量方 法已经实现了对中红外Q化完整增益谱的测量（I邸E Journal of Quantum Electronics, 36,6,736-741,2000)，但将运种测量方法运用到THz Q化材料上时却不适用了。原因在于： 1.此测量方法要求测量样本器件中的累浦段有足够高的波导损耗来吸收左端面反射波，防 止反射波进入右侧被测波导段，W保证测量的准确性;然而，由于THz Q化的波导损耗（约3 ~15cnfi)远小于中红外QCL(约20~50cnfi);如果采用增加累浦段波导长度的方法来提高 对反射波的吸收，则样本器件会尺寸过长(〉lcm)，导致工艺制备困难;如果采用端面磨角的 方法来减少反射波，也会增加工艺制备难度且并不能完全消除反射波。2.在测量增益谱 时，要求样本器件处于亚阔值状态（即电流注入下器件的增益小于阔值增益，器件不产生激 光），如果使用中红外QCL增益谱测量样本器件结构，运就要求测量时累浦段的注入电流密 度足够低，运将直接导致累浦段输出参考光的功率非常小；由于中红外波段的高灵敏度高 速探测器（如蹄儒隶MCT探测器等）发展较为成熟，可W完成对极微弱中红外光的探测，而 T化波段的探测器在灵敏度和速度方面远不及中红外波段的产品，为了完成增益谱的测量 实验，只能考虑如何增加样本器件测量时的输出光功率。
[0006] 2007年，维也纳技术大学KarI化terrainer教授的课题组在《自然》杂志上报道了 用THz时域频谱仪（TDS)进行THz Q化增益谱测量的方法（Nature ,449,7163,698-701， 2007)，但此方法只在电流较小的时候得到了一段增益谱，而后随着电流增加样本器件激射 出激光，增益被错制在一个固定值上，测得的增益谱失效。所有的THz Q化材料都存在一个 最高可工作电流密度Jmax,完整的增益谱研究应该能反映 THz Q化材料从零到化ax整个范 围内增益谱的变化情况。
[0007] 鉴于此，有必要提供一种新的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件用W解决上 述问题。 【实用新型内容】
[0008] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种太赫兹量子级联 激光器增益谱测量器件，用于解决现有技术中无法测得THz Q化在可工作电流密度范围内 完整的增益谱变化情况的问题。
[0009] 为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种太赫兹量子级联激光器增 益谱测量器件，所述增益谱测量器件包括：
[0010] 半绝缘GaAs衬底；
[0011] 位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；
[0012] 位于所述GaAs缓冲层表面的n型重渗杂下接触层；
[0013] 位于所述n型重渗杂下接触层表面的有源区；
[0014] 位于所述有源区表面的n型重渗杂上接触层；
[0015] 位于所述n型重渗杂上接触层表面且各自分隔的第一、第二、第=上电极金属层， 所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，所 述第=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；
[0016] 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。
[0017] 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。 [001引优选地，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。
[0019] 优选地，所述第一、第二、第=上电极金属层的宽度相等。
[0020] 优选地，所述有源区为束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构、调嗽晶格结构中 的一种。
[0021] 本实用新型还提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，所述增益谱测量 器件包括：
[0022] 渗杂GaAs衬底；
[0023 ]位于所述渗杂GaAs衬底上表面的键合金属层；
[0024] 位于所述键合金属层表面的n型重渗杂下接触层；
[0025] 位于所述n型重渗杂下接触层表面的有源区；
[0026] 位于所述有源区表面的n型重渗杂上接触层；
[0027] W及位于所述n型重渗杂上接触层表面且各自分隔的第一、第二、第=上电极金属 层，所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至键合金属层的深隔离 槽，所述第=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。
[0028] 如上所述，本实用新型的一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，具有W下 有益效果：
[0029] 1、本实用新型所述的增益谱测量器件为=段式结构，即从右到左依次为被测波导 段、累浦段和吸收波导段，通过在被测波导段和累浦段之间设有深隔离槽，消除了被测波导 段与累浦段之间的电流串扰，提高了增益谱测量中电流测量的准确性；
[0030] 2、本实用新型通过将所述吸收波导段的上电极金属层设计为退火后可形成高波 导损耗的金属层，保证将向左传播的THz光或者所述增益谱测量器件左界面处的反射光完 全消除的同时，其高波导损耗还可W大幅提高所述增益谱测量器件的平均波导损耗和阔值 增益；
[0031] 3、本实用新型所述的增益谱测量器件通过设计由累浦段和吸收波导段两个分离 的波导段来分别承担提供参考光和调节阔值增益的功能，并通过设计足够长的无源吸收波 导段来增大所述器件的阔值增益，使得当被测波导段和累浦段的注入电流密度都为最高可 工作电流密度时，所述器件仍能处于亚阔值状态，从而极大地提高了器件的输出光的光功 率，降低了对探测器的要求，同时也降低了增益谱测量的难度；
[0032] 4、本实用新型所述增益谱测量器件与THz Q化的制备方法相同，均采用标准的 GaAs材料体系工艺制备，制备工艺简单灵活，易于实现。
【附图说明】
[0033] 图1显示为现有技术中中红外QCL增益谱测量器件的结构示意图。
[0034] 图2显示为图1的俯视图。
[0035] 图3~图6显示为本实用新型半绝缘等离子体波导结构太赫兹量子级联激光器增 益谱测量器件的制作方法Sl~S8的结构示意图。
[0036] 图7显示为本实用新型半绝缘等离子体波导结构太赫兹量子级联激光器增益谱测 量器件的S维图，其中，图6为图7沿AA'方向的剖面图。
[0037]图8显不为图7的俯视图。
[0038] 图9显示为图7沿BB'方向的剖面图。
[0039] 图10显示为图7沿CC'方向的剖面图。
[0040] 图11显示为图7沿DD'方向的剖面图。
[0041] 图12显示为图7沿邸'方向的剖面图。
[0042] 图13~图18显示为本实用新型双面金属波导结构太赫兹量子级联激光器增益谱 测量器件的制作方法Sl~S9的结构示意图。
[0043] 图19为本实用新型双面金属波导结构太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的 俯视图。
[0044] 图20为图18沿FF'方向的剖面图。
[0045] 元件标号说明
[0046] Sl~S9 步骤1~9
[0047] Ia 半绝缘GaAs衬底
[004引 化 渗杂GaAs衬底
[0049] 2 GaAs 缓冲层
[0050] 3 键合金属层
[0051 ] 4 n型重渗杂下接触层
[0052] 5 有源区
[0053] 6 n型重渗杂上接触层
[0054] 7a 第一上电极金属层
[005日]7b 第二上电极金属层
[0化6] 7c 第S上电极金属层
[0057] 8 下电极金属层
[0化引 9 深隔离槽
[0059] 10 刻蚀阻挡层
【具体实施方式】
[0060] W下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说 明书所掲露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可W通过另外 不同的【具体实施方式】加 W实施或应用，本说明书中的各项细节也可W基于不同观点与应 用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
[0061] 请参阅图3至图20。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅W示意方式说明本 实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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。
[0062] 实施例一
[0063] 如图3至图12所示，本实用新型提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件， 所述增益谱测量器件包括：
[0064] 半绝缘GaAs衬底la;
[0065] 位于所述半绝缘GaAs衬底Ia上表面的GaAs缓冲层2;
[0066] 位于所述GaAs缓冲层2表面的n型重渗杂下接触层4;
[0067] 位于所述n型重渗杂下接触层4表面的有源区5;
[0068] 位于所述有源区5表面的n型重渗杂上接触层6;
[0069] 位于所述n型重渗杂上接触层6表面且各自分隔的第一、第二、第=上电极金属层 7曰、76、7(3，所述第一上电极金属层7曰与所述第二上电极金属层76之间设有凹至6曰43缓冲层 的深隔离槽9,所述第=上电极金属层7c为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层；
[0070] W及位于所述n型重渗杂下接触层4表面及有源区5两侧的下电极金属层8。
[0071] 需要说明的是，本实用新型所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件为=段式 波导结构，即所述第一上电极金属层7a及位于其下的部分形成被测波导段，所述第二上电 极金属层7b及位于其下的部分形成累浦段，所述第=上电极金属层7c及位于其下的部分形 成吸收波导段。
[0072] 进一步需要说明的是，所述被测波导段相当于被测太赫兹量子级联激光器(THz QCL)材料的样本，通过测量THz波穿过被测波导段后增强/减弱的程度来提取此THz Q化材 料的增益谱信息，通过改变被测波导段上的注入电流密度可得到增益谱随电流密度的变化 情况。所述累浦段在测量中起到提供参考THz光的作用，在固定注入电流密度的驱动下累浦 段输出有固定功率的参考光，其中向右传播的参考光最终会进入被测波导段参与增益谱的 测量。所述吸收波导段在测量中不注入电流，而是作为无源区起到吸收反射波和调节所述 增益谱测量器件阔值增益的作用;增益谱测量中要求尽可能消除累浦段中产生的向左传播 的THz光，W免其被增益谱测量器件左端面反射后的反射波进入被测波导段。
[0073] 进一步需要说明的是，所述吸收波导段的结构、累浦段的结构及被测波导段的结 构相同。如所述被测波导段为半绝缘等离子体波导结构，所述累浦段及吸收波导段也为半 绝缘等离子体波导结构；如所述被测波导段为双面金属波导结构，则所述累浦段及吸收波 导段也为双面金属波导结构。优选地，在本实施例中，所述被测波导段、累浦段及吸收波导 段为半绝缘等离子体波导结构。
[0074] 具体请参阅图3至图12,对本实用新型所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器 件的制作方法进行说明，所述制作方法包括：
[00巧]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(如图3所示）；
[0076] 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分别生长各自分隔 的第一、第二、第=上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第=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(如图4所示）；
[0077] S3 :在所述第一、第二、第=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、第=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(如图5所示）；
[0078] S4: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；
[0079] 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(如图6所示）；
[0080] S6:采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻 蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽(如图7、11所示）；
[0081] S7:进行高溫快速退火工艺；
[0082] S8:减薄衬底、金丝焊接、W及封装，完成器件制作(如图6~12所示）。
[0083] 需要说明的是，所述步骤S4中进行溫度大于等于340°C，时间大于等于20s的高溫 快速退火工艺，目的是通过增加 n型重渗杂上接触区的渗杂浓度W提高吸收波导的波导损 耗;而所述步骤S7中进行高溫快速退火的目的是使下电极金属层经过退火W形成欧姆接 触。
[0084] 需要说明的是，如果形成下电极金属层欧姆接触的退火溫度小于340°C或时间小 于20s，则先进行第二上电极金属层的高溫快速退火工艺，而后再进行下电极金属层的生长 和退火；如果形成下电极金属层欧姆接触的退火溫度大于等于340°C，且时间大于等于20s 时，为了减少工艺步骤，则可先进行下电极金属层的生长，而后一起进行退火。
[0085] 由于本实施例中所述下电极金属层为Ge/Au/Ni/Au，厚度分别为13/33/30/350um， 退火溫度为370°C，退火时间为40s。优选地，本实施例中为先进行下电极金属层的生长，再 一起进行溫度为370°C、时间为40s的高溫快速退火。
[0086] 优选地，所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法包括：
[0087] 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；
[0088] 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分别生长第一、第 二、第=上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第=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；
[0089] S3:在所述第一、第二、第=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、第=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；
[0090] S4: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；
[0091] S5:采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻 蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽；
[0092] S6:进行高溫快速退火工艺；
[0093] S7:减薄衬底、金丝焊接、W及封装，完成器件制作。
[0094] 需要说明的是，S6中高溫快速退火工艺的退火溫度和时间为上述提高吸收波导的 波导损耗的退火溫度和时间与形成下电极金属层欧姆接触的退火溫度和时间中数值较大 的退火溫度和时间。即如果提高吸收波导的波导损耗的退火溫度和时间分别为350°C和 30s，而形成下电极金属层欧姆接触的退火溫度和时间分别为370°C和20s，则S6中高溫快速 退火的溫度和时间为370°C和30s。优选地，在本实施例中，所述退火溫度和时间为形成下电 极金属层欧姆接触的退火溫度和时间分别为370°C和40s。
[00M]需要说明的，所述步骤S6中进行高溫快速退火工艺时一般溫度小于425°C，时间小 于120s。
[0096] 具体的，所述有源区为束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构、调嗽晶格结构中 的一种;优选地，在本实施例中，所述有源区为共振声子结构。
[0097] 具体的，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，即 所述第S上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，其中，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10~20皿，Au层的厚度大于50皿。
[0098] 需要说明的是，所述吸收波导段具有较高的波导损耗，能够保证将累浦段中产生 的向左传播的THz光或者所述增益谱测量器件左界面处的反射光完全消除，同时，吸收波导 段的高波导损耗可W大幅提高所述增益谱测量器件的平均波导损耗和阔值增益。
[0099] 所述吸收波导中高波导损耗形成的原理为:吸收波导的Pd/Ge/Ti/Au金属层经过 足够高溫度和足够长时间的高溫快速退火工艺时，在Pd和Au的辅助下，元素 Ge穿过金属-半 导体界面渗透进其下层所述的n型重渗杂上接触层，进一步提高了 n型重渗杂上接触层的渗 杂浓度，依据化Ude模型可计算得知运将导致n型重渗杂上接触层在THz频段的消光系数k增 加，因此增加了所述吸收波导段对进入n型重渗杂上接触层的THz波的吸收，即增加了此吸 收波导段的波导损耗。
[0100] 需要说明的是，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层的厚度与其下的n型重渗杂上接触层的厚 度呈正比；其中，为了提高渗杂效率，Ge与Pd的原子比应略大于1，即Ge与Pd的厚度比大于 1.53;Ti层的厚度范围为10~20um，作用是改善金属的粘附性;Au层的作用是为了更进一步 地加强Ge的渗杂，但由于Au较贵，一般可根据需要选择，厚度大于50皿即可。
[0101] 优选地，在本实施例中，所述第S上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，其中，所述 Pd/Ge/Ti/Au的厚度为25/75/10/200um。所述第一上电极金属层和第二上电极金属层采用 非合金化的Ti/Au金属层，其中，Ti/Au的厚度为10/350um。所述下电极金属层采用合金化的 Ge/Au/Ni/Au 金属层，其中，Ge/Au/Ni/Au 的厚度为 13/33/30/350皿。
[0102] 设置所述被测波导段的长为LI,宽为Wl;所述累浦段的长为L2,宽为W2;所述吸收 波导段的长为L3,宽为W3;所述深隔离槽的长为L4;所述第二上电极金属层和第=上电极金 属层的间隔距离为L5。
[0103] 具体的，所述第一、第二、第S上电极金属层的宽度相等，即W1=W2 = W3,其中，所 述宽度范围为100~300皿。优选地，在本实施例中，所述Wl =W2=W3 = 180皿。
[0104] 具体的，所述Ll的长度范围为300~600um，所述L2的长度范围为2~4mm。优选地， 在本实施例中，Ll = 300um，L2 = 2mm。
[0105] 需要说明的是，所述累浦段越长，其输出的参考光越强，参考光随后进入被测波导 段，被测波导段越长，对累浦段输出参考光的放大/衰减效果越明显，最终使得此增益谱测 量器件的输出光功率越大、也越容易被准确测得;但相应地，所述吸收波导段的长度也需要 更长，W调节阔值增益Gth使所述增益谱测量器件在测量时保持在亚阔值状态。考虑工艺制 备的可行性和常用THz Q化的尺度范围，Ll和L2不可过大。
[0106] 需要说明的是，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，吸 收波导的THz波吸收能力为吸收波导段的波导损耗与L3的乘积；即吸收波导的长度越长， 其对THz波吸收能力越强。而为了获得较强的输出光功率，所述吸收波导的长度应足够长， W保证当被测波导段的注入电流密度Jl和累浦段的注入电流密度J2都为最高可注入电流 密度化ax时，所述增益谱测量器件的平均增益G仍小于阔值增益Gth,故L3的具体长度要根 据被测的THz Q化来确定。优选地，在本实施例中，L3 = 1.2mm。
[0107] 具体的，如图11所示，所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有 凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，通过设置凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，切断了所述被测波导 段和所述累浦段间负责电流传输的上电极金属层、n型重渗杂上接触层、W及n型重渗杂下 接触层，从而消除了电流串扰的影响。
[0108] 需要说明的是，所述深隔离槽起电隔离的作用，其长度L4应尽可能的短，W减少 T化光在此处的损耗;但由于此处的刻蚀深度在IOumW上，如果所述深隔离槽的长度过短， 目前常用的GaAs刻蚀工艺可能无法实现，故一般L4的长度范围为5~10皿。
[0109] 具体的，所述第二上电极金属层与所述第=上电极金属层不互连的目的是为了避 免在所述累浦段中引入额外的反射波，而且所述吸收波导段与所述累浦段所述累浦段与所 述吸收波导段的间隔距离L5也起到一定的电隔离作用，但本实用新型中对此间隔距离L5的 长度无严格的限制条件，一般L5的长度范围为5~30um。
[0110] 实施例二
[0111] 如图13至图20所示，本实用新型提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器 件，所述增益谱测量器件包括：
[0112] 渗杂GaAs衬底化；
[0113] 位于所述渗杂GaAs衬底化上表面的键合金属层3;
[0114] 位于所述键合金属层3表面的n型重渗杂下接触层4;
[0115] 位于所述n型重渗杂下接触层4表面的有源区5;
[0116] 位于所述有源区5表面的n型重渗杂上接触层6;
[0117] W及位于所述n型重渗杂上接触层6表面且各自分隔的第一、第二、第=上电极金 属层7曰、7b、7c，所述第一上电极金属层7a与所述第二上电极金属层7b之间设有凹至键合金 属层的深隔离槽9,所述第=上电极金属层7c为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层。
[0118] 需要说明的是，本实用新型所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件为=段式 波导结构，即所述第一上电极金属层7a及位于其下的部分形成被测波导段，所述第二上电 极金属层7b及位于其下的部分形成累浦段，所述第=上电极金属层7c及位于其下的部分形 成吸收波导段。
[0119] 进一步需要说明的是，所述被测波导段相当于被测太赫兹量子级联激光器(THz QCL)材料的样本，通过测量THz波穿过被测波导段后增强/减弱的程度来提取此THz Q化材 料的增益谱信息，通过改变被测波导段上的注入电流密度可得到增益谱随电流密度的变化 情况。所述累浦段在测量中起到提供参考THz光的作用，在注入固定电流密度的驱动下累浦 段输出有固定功率的参考光，其中向右传播的参考光最终会进入被测波导段参与增益谱的 测量。所述吸收波导段在测量中不注入电流，而是作为无源区起到吸收反射波和调节所述 增益谱测量器件阔值增益的作用;增益谱测量中要求尽可能消除累浦段中产生的向左传播 的THz光，W免其被增益谱测量器件左端面反射后的反射波进入被测波导段。
[0120] 进一步需要说明的是，所述吸收波导段的结构、累浦段的结构及被测波导段的结 构相同。如所述被测波导段为半绝缘等离子体波导结构，所述累浦段及吸收波导段也为半 绝缘等离子体波导结构；如所述被测波导段为双面金属波导结构，则所述累浦段及吸收波 导段也为双面金属波导结构。优选地，在本实施例中，所述被测波导段、累浦段及吸收波导 段为双面金属波导结构。
[0121] 具体请参阅图13至图20,对本实用新型所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器 件的制作方法进行说明，所述制作方法包括：
[0122] 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(如图13所示）；
[0123] 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(如图14a、14b所示）；
[0124] S3:采用倒装热压键合工艺将S2中形成的两结构进行键合(如图15所示）；
[0125] 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 (如图16所示）；
[01 %] 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分别生长第一、第 二、第=上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第=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(如图17所示）；
[0127] S6:在所述第一、第二、第=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、第=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(如图18所示）；
[0128] S7:采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻 蚀，直至进入键合金属层，形成深隔离槽(如图19、20所示）；
[0129] 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；
[0130] S9:减薄衬底、金丝焊接、W及封装，完成器件制作(如图18~20所示）。
[0131] 需要说明的是，所述步骤S8中进行溫度大于等于340°C，时间大于等于20s的高溫 快速退火工艺，目的是通过增加 n型重渗杂上接触区的渗杂浓度W提高吸收波导的波导损 耗。
[0132] 进一步需要说明的，所述步骤S6中进行高溫快速退火工艺时一般溫度小于425°C， 时间小于120s。
[0133] 需要说明的是，在本实施例中，由于将所述键合金属层作为下电极金属层使用，故 在本实施例中不需要生长下电极金属层。在其它实施例中，也可在所述渗杂GaAs衬底下表 面生长下电极金属层，并如实施例一中所述根据下电极金属层的退火溫度和时间来进行相 应的工艺步骤。
[0134] 具体的，所述有源区为束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构、调嗽晶格结构中 的一种;优选地，在本实施例中，所述有源区为共振声子结构。
[0135] 具体的，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，即 所述第S上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，其中，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10~20皿，Au层的厚度大于50皿。
[0136] 需要说明的是，所述吸收波导段具有较高的波导损耗，能够保证将累浦段中产生 的向左传播的THz光或者所述增益谱测量器件左界面处的反射光完全消除，同时，吸收波导 段的高波导损耗可W大幅提高所述增益谱测量器件的平均波导损耗和阔值增益。
[0137] 所述吸收波导中高波导损耗形成的原理为:吸收波导的Pd/Ge/Ti/Au金属层经过 足够高溫度和足够长时间的高溫快速退火工艺时，在Pd和Au的辅助下，元素 Ge穿过金属-半 导体界面渗透进其下层所述的n型重渗杂上接触层，进一步提高了 n型重渗杂上接触层的渗 杂浓度，依据化Ude模型可计算得知运将导致n型重渗杂上接触层在THz频段的消光系数k增 加，因此增加了所述吸收波导段对进入n型重渗杂上接触层的THz波的吸收，即增加了此吸 收波导段的波导损耗。
[0138] 需要说明的是，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层的厚度与其下的n型重渗杂上接触层的厚 度呈正比；其中，为了提高渗杂效率，Ge与Pd的原子比应略大于1，即Ge与Pd的厚度比大于 1.53;Ti层的厚度范围为10~20um，作用是改善金属的粘附性;Au层的作用是为了更进一步 地加强Ge的渗杂，但由于Au较贵，一般可根据需要选择，厚度大于50皿即可。
[0139] 优选地，在本实施例中，所述第S上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，其中，所述 Pd/Ge/Ti/Au的厚度为25/75/10/200um。所述第一上电极金属层和第二上电极金属层采用 非合金化的Ti/Au金属层，其中，Ti/Au的厚度为10/350皿。
[0140] 设置所述被测波导段的长为Ll，宽为Wl;所述累浦段的长为L2，宽为W2;所述吸收 波导段的长为L3,宽为W3;所述深隔离槽的长为L4;所述第二上电极金属层和第S上电极 金属层的间隔距离为L5。
[0141] 具体的，所述第一、第二、第S上电极金属层的宽度相等，即W1=W2 = W3,其中，所 述宽度范围为50~200皿。优选地，在本实施例中，所述Wl =W2=W3 = 120皿。
[0142] 具体的，所述LI的长度范围为300~600um，所述L2的长度范围为2~4mm。优选地， 在本实施例中，Ll = 300um，L2 = 2mm。
[0143] 需要说明的是，所述累浦段越长，其输出的参考光越强，参考光随后进入被测波导 段，被测波导段越长，对累浦段输出参考光的放大/衰减效果越明显，最终使得此增益谱测 量器件的输出光功率越大、也越容易被准确测得;但相应地，所述吸收波导段的长度也需要 更长，W调节阔值增益Gth使所述增益谱测量器件在测量时保持在亚阔值状态。考虑工艺制 备的可行性和常用THz Q化的尺度范围，Ll和L2不可过大。
[0144] 需要说明的是，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，吸 收波导的THz波吸收能力为吸收波导段的波导损耗与L3的乘积；即吸收波导的长度越长，其 对THz波吸收能力越强。而为了获得较强的输出光功率，所述吸收波导的长度应足够长，W 保证当被测波导段的注入电流密度Jl和累浦段的注入电流密度J2都为最高可注入电流密 度化ax时，所述增益谱测量器件的平均增益G仍小于阔值增益Gth,故L3的具体长度要根据 被测的THz Q化来确定。优选地，在本实施例中，L3 = 1.2mm。
[0145] 具体的，所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至键合金属 层的深隔离槽，通过设置凹至键合金属层的深隔离槽，切断了所述被测波导段和所述累浦 段间负责电流传输的上电极金属层、n型重渗杂上接触层、及n型重渗杂下接触层，从而大大 减小了电流串扰的影响。
[0146] 需要说明的是，由于采用现有工艺刻蚀金属层较为困难，故本实施例中不进行键 合金属层的刻蚀，但如果为了更好地消除电流串扰的影响，也可对所述键合金属层进行刻 蚀，使所述深隔离槽刻蚀至渗杂GaAs衬底。
[0147] 需要说明的是，所述深隔离槽起电隔离的作用，其长度L4应尽可能的短，W减少 T化光在此处的损耗;但由于此处的刻蚀深度在IOumW上，如果所述深隔离槽的长度过短， 目前常用的GaAs刻蚀工艺可能无法实现，故一般L4的长度范围为5~10皿。
[0148] 具体的，所述第二上电极金属层与所述第=上电极金属层不互连的目的是为了避 免在所述累浦段中引入额外的反射波，而且所述吸收波导段与所述累浦段所述累浦段与所 述吸收波导段的间隔距离L5也起到一定的电隔离作用，但本实用新型中对此间隔距离L5的 长度无严格的限制条件，一般L5的长度范围为5~30um。
[0149] 下面对所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件进行THz Q化增益谱的测量和 计算方法进行说明。
[0150] Jl为被测波导段的注入电流密度，J2为累浦段的注入电流密度;Rl为所述增益谱 测量器件右侧界面处的光强反射率，R2为所述被测波导段左侧界面处的光强反射率，R3为 累浦段右侧界面处的光强反射率，R4为所述增益谱测量器件左侧界面处的光强反射率;Gl 为被测波导段的模式增益，Ctil为被测波导段的波导损耗，A为光波长，Sl为被测波导段做为 独立光源时的输出光强，S2为累浦段做为独立光源时的输出光强;测量增益谱时，将探测器 置于所述增益谱测量器件右侧界面外。
[0151] 当被测波导段和累浦段同时注入电流时，所述增益谱测量器件右侧界面的输出光 强Stot如下式1所示：
[01 对 St0t(Ji，j2，A) = {S2^，A).(l-R3).(l-R2).exp[(GKji，A)-aii).Li]
[0153] +Si(Ji，A)} ? (I-Ri) 式I
[0154] 当所述被测波导段被注入电流时，所述增益谱测量器件右侧界面的输出光强Stot 如下式2所示：
[0155] Stot化，0，A) = Si(Ji，A) ? (I-Ri) 式2
[0156] 当所述累浦段被注入电流时，所述增益谱测量器件右侧界面的输出光强Stot如下 式3所示：
[0157] St〇t(0，j2,人）= [S2(j2,人）?（1-R3) ? (1-化）? exp(-aii ? b)] ? (I-Ri)式3
[0158] 测量时，所述吸收波导段不进行电流注入;所述累浦段为注入固定电流，即J2为一 固定值；而Jl从0变化到最高可注入电流密度化ax，每次Jl变化后，分别测量Stot(Jl，J2, 入）、5如*(11，0，^)和5如*(0，12，^)，然后依据下式4即可得到被测波导段的模式增益随注入 电流密度变化的信息。
[0159] 式4
[0160] 需要注意的是，增益谱测量时要求所述增益谱测量器件处于亚阔值状态，即所述 增益谱测量器件在电流注入下的平均增益G小于阔值增益Gth,所述增益谱测量器件的阔值 增益为该器件的总损耗，包含平均波导损耗Qi和镜面损耗am。累浦段的波导损耗与被测波 导段的波导损耗相同，均为Oi 1，累浦段的模式增益为G2,而吸收波导段的波导损耗为ai2。
[0161]
[0162] 或5
[0163] 从式5可W看出，吸收波导段的高波导损耗会有效提高所述增益谱测量器件的阔 值增益，有利于保证所述增益谱测量器件在测量过程中始终处于亚阔值状态。
[0164] 从上述式巧Ij式4可W看出，虽然深隔离槽给累浦段的输出光引入了额外的反射， 即R2和R3，但并没有对增益谱的测量和计算方法造成影响。
[0165] 综上所述，本实用新型的一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，具有W下 有益效果：
[0166] 1、本实用新型所述的增益谱测量器件为=段式结构，即从右到左依次为被测波导 段、累浦段和吸收波导段，通过在被测波导段和累浦段之间设有深隔离槽，消除了被测波导 段与累浦段之间的电流串扰，提高了增益谱测量中电流测量的准确性；
[0167] 2、本实用新型通过将所述吸收波导段的上电极金属层设计为退火后可形成高波 导损耗的金属层，保证将向左传播的THz光或者所述增益谱测量器件左界面处的反射光完 全消除的同时，其高波导损耗还可W大幅提高所述增益谱测量器件的平均波导损耗和阔值 增益；
[0168] 3、本实用新型所述的增益谱测量器件通过设计由累浦段和吸收波导段两个分离 的波导段来分别承担提供参考光和调节阔值增益的功能，并通过设计足够长的无源吸收波 导段来增大所述器件的阔值增益，使得当被测波导段和累浦段的注入电流密度都为最高可 工作电流密度时，所述器件仍能处于亚阔值状态，从而极大地提高了器件的输出光的光功 率，降低了对探测器的要求，同时也降低了增益谱测量的难度；
[0169] 4、本实用新型所述增益谱测量器件与THz Q化的制备方法相同，均采用标准的 GaAs材料体系工艺制备，制备工艺简单灵活，易于实现。
[0170] 上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新 型。任何熟悉此技术的人±皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，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实用新型所掲示的精 神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，所述增益谱测量器件包 括： 半绝缘GaAs衬底； 位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层； 位于所述GaAs缓冲层表面的η型重掺杂下接触层； 位于所述η型重掺杂下接触层表面的有源区； 位于所述有源区表面的η型重掺杂上接触层； 位于所述η型重掺杂上接触层表面且各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，所述 第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，所述第 三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； 以及位于所述η型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层。2. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，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。3. 根据权利要求2所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，所述 Pd/Ge/Ti/Au金属层中Ge与Pd的原子比大于l，Ti层的厚度范围为10~20um，Au层的厚度大 于50um 〇4. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，所述第 一、第二、第三上电极金属层的宽度相等。5. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，所述有 源区为束缚态到连续态跃迀结构、共振声子结构、啁嗽晶格结构中的一种。6. -种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，所述增益谱测量器件包 括： 掺杂GaAs衬底； 位于所述掺杂GaAs衬底上表面的键合金属层； 位于所述键合金属层表面的η型重掺杂下接触层； 位于所述η型重掺杂下接触层表面的有源区； 位于所述有源区表面的η型重掺杂上接触层； 以及位于所述η型重掺杂上接触层表面且各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层， 所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至键合金属层的深隔离槽，所 述第三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。
【文档编号】H01S5/343GK205583368SQ201620346187
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】徐天鸿, 曹俊诚
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所