单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构及制作方法.pdf

本发明提出了一种单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构及制作方法，至少包括：半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层、第一接触层、有源区、第二接触层、第一金属层及第二金属层；有源区、第二接触层及第一金属层在第一接触层上形成脊型结构；脊型结构的侧面相对于端面倾斜；且脊型结构由一间隙结构沿长度方向分割为第一子脊型结构及第二子脊型结构。通过采用斜波导结构，可以提高器件横模选择能力，在保证器件单横模光输出前提下，器件宽度更宽，减小了出射光束远场发散角，提高了光束质量同时，通过不同大小电流注入耦合腔结构THz QCL的两段波导，改变折射率，利用Vernier效应实现了波长可调谐，波长调谐范围较以往单一通过电流注入改变折射率的器件结构大。

1.  一种单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构，其特征在于，至少包括：半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层、第一接触层、有源区、第二接触层、第一金属层及第二金属层；
所述半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层、第一接触层、有源区、第二接触层及第一金属层由下至上依次层叠，所述有源区、第二接触层及第一金属层在所述第一接触层上形成脊型结构；所述脊型结构的侧面相对于端面倾斜；
所述脊型结构由一间隙结构沿长度方向分割为第一子脊型结构及第二子脊型结构；
所述第二金属层位于所述脊型结构的两侧，与所述脊型结构平行，且与所述脊型结构具有一定的间距。

2.  根据权利要求1所述的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构，其特征在于：所述有源区包括束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构或啁啾晶格结构。

3.  根据权利要求1所述的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构，其特征在于：所述器件结构采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。

4.  根据权利要求1所述的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构，其特征在于：所述脊型结构的侧面相对于端面倾斜的角度小于30°。

5.  根据权利要求1所述的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构，其特征在于：所述第一子脊型结构的长度大于所述第二子脊型结构的长度。

6.  根据权利要求1所述的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构，其特征在于：所述第一子脊型结构与所述第二子脊型结构的间距小于截止波长的八分之一。

7.  根据权利要求1所述的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构，其特征在于：所述间隙结构的底部延伸至所述GaAs缓冲层表面上。

8.  一种单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层、第一接触层、有源区、第二接触层；
第一次光刻、刻蚀形成条状脊型结构，所述条状脊型结构的侧面相对于端面倾斜；
第二次光刻、刻蚀，在所述条状脊型结构表面形成第一电极窗口，所述第一电极窗口由一间隙结构沿长度方向分割为两部分；在所述第一电极窗口内溅射第一电极金属，形成第一金属层作为第一电极；
第三次光刻形成第二电极窗口，在所述第二电极窗口内电子束蒸发第二电极金属，形成第二金属层作为第二电极，退火形成欧姆接触；
第四次光刻，在所述第一金属层的间隙结构处开窗口，刻蚀所述条状脊型结构至GaAs缓冲层，形成电隔离，制作耦合腔波导结构；
减薄硅片与所述GaAs衬底，焊接封装，完成器件制作。

9.  根据权利要求8所述的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法，其特征在于：所述条状脊型结构的侧面相对于端面倾斜的角度小于30°。

10.  根据权利要求8所述的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法，其特征在于：所述两部分第一电极窗口的长度不等。

11.  根据权利要求8所述的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法，其特征在于：所述间隙结构的宽度小于截止波长的八分之一。

单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构及制作方法
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，特别是涉及一种单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构及制作方法。
背景技术
太赫兹(以下简称THz，1THz＝1012Hz)波段是指电磁波谱中频率从100GHz到10THz，对应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间的电磁波谱区域。THz辐射源是THz技术应用的关键器件。在众多THz辐射产生方式中，THz量子级联激光器(以下简称THz QCL)由于具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，是THz辐射源的主要采用过的结构之一。其中，太赫兹光谱学、通信、气体检测等系统中需要具有能够单模输出、波长可调谐、出光光束质量高的THz QCL。通常F-P腔THz QCL无法单纵模工作，而采用分布反馈布拉格光栅的THz QCL可以单纵模工作，但工艺中需要额外制作精细的光栅结构，增加了工艺难度和成本，且波长可调谐范围较小。为了单横模光输出，通常矩形条结构激光器的宽度不能过大，但较窄的波导宽度使得远场光束发散角较大，降低了光束质量。因此，设计能够单横模、单纵模工作，工艺简单，具有良好光束质量和波长可调谐能力的THz QCL是提升器件应用于相关系统中的性能的关键。
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可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构及制作方法，用于解决现有技术中太赫兹量子级联激光器存在的工艺难度大、制作成本高、波长可调谐范围小及远场光束发散角较大，降低了光束质量的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构，所述单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构至少包括：半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层、第一接触层、有源区、第二接触层、第一金属层及第二金属层；
所述半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层、第一接触层、有源区、第二接触层及第一金属层由下至上依次层叠，所述有源区、第二接触层及第一金属层在所述第一接触层上形成脊型结构；所述脊型结构的侧面相对于端面倾斜；
所述脊型结构由一间隙结构沿长度方向分割为第一子脊型结构及第二子脊型结构；
所述第二金属层位于所述脊型结构的两侧，与所述脊型结构平行，且与所述脊型结构具有一定的间距。
作为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的一种优选方案，所述有源区包括束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构或啁啾晶格结构。
作为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的一种优选方案，所述器件结构采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。
作为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的一种优选方案，所述脊型结构的侧面相对于端面倾斜的角度小于30°。
作为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的一种优选方案，所述第一子脊型结构的长度大于所述第二子脊型结构的长度。
作为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的一种优选方案，所述第一子脊型结构与所述第二子脊型结构的间距小于截止波长的八分之一。
作为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的一种优选方案，所述间隙结构的底部延伸至所述GaAs缓冲层表面上。
本发明还提供一种单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法，至少包括以下步骤：
提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层、第一接触层、有源区、第二接触层；
第一次光刻、刻蚀形成条状脊型结构，所述条状脊型结构的侧面相对于端面倾斜；
第二次光刻、刻蚀，在所述条状脊型结构表面形成第一电极窗口，所述第一电极窗口由一间隙结构沿长度方向分割为两部分；在所述第一电极窗口内溅射第一电极金属，形成第一金属层作为第一电极；
第三次光刻形成第二电极窗口，在所述第二电极窗口内电子束蒸发第二电极金属，形成第二金属层作为第二电极，退火形成欧姆接触；
第四次光刻，在所述第一金属层的间隙结构处开窗口，刻蚀所述条状脊型结构至GaAs缓冲层，形成电隔离，制作耦合腔波导结构；
减薄硅片与所述GaAs衬底，焊接封装，完成器件制作。
作为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法的一种优选方案，所述条状脊型结构的侧面相对于端面倾斜的角度小于30°。
作为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法的一种优选方案，所述两部分第一电极窗口的长度不等。
作为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法的一种优选方案，所述间隙结构的宽度小于截止波长的八分之一。
如上所述，本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构及制作方法，具有以下有益效果：
(1)与以往直条矩形波导不同，本发明中采用斜波导结构，提高器件横模选择能力，在保证器件单横模光输出前提下，器件宽度更宽，减小了出射光束远场发散角，提高了光束质量。
(2)与利用光栅结构实现单纵模输出和波长可调谐的激光器不同，本发明中器件采用耦合腔结构来实现，耦合腔结构在工艺上仅需干法刻蚀出两段波导中的空气间隙，更容易工艺制作，有利于降低器件成本，提高产率，同时利用Vernier效应，波长调谐范围也得到增加。
(3)器件制作方法可由标准半导体工艺制作，适于工业量产。
附图说明
图1显示为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构中脊型结构的俯视结构示意图。
图2显示为图1沿AA方向的截面示意图。
图3显示为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构两段腔体在不同波导等效折射率下的透射率曲线；其中，(a)中波导等效折射率为3.61，(b)中波导等效折射率为3.615；虚线为第一子脊型结构两端面组成的谐振腔的透射率曲线，实线为第二子脊型结构远离间隙结构的端面与间隙结构组成的谐振腔的透射率曲线。
图4显示为本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构制作方法的流程图。
元件标号说明
1          第一金属层
2          第二接触层
3          有源区
4          第一接触层
5          GaAs缓冲层
6          半绝缘GaAs衬底
7          第二金属层
8          脊型结构
81         脊型结构的侧面
82         脊型结构的端面
83         第一子脊型结构
84         第二子脊型结构
9          间隙结构
θ         脊型结构侧面相对于端面倾斜的角度
W          脊型波导的宽度
L₁         第一子脊型波导的长度
L₂         第二子脊型波导的长度
L_gap       间隙结构的宽度
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。
请参阅图1至图4。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，虽图示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。
实施例一
请参阅图1至图2，本发明提供一种单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构，所述单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构至少包括：半绝缘GaAs衬底6、GaAs缓冲层5、第一接触层4、有源区3、第二接触层2、第一金属层1及第二金属层7；
所述半绝缘GaAs衬底6、GaAs缓冲层5、第一接触层4、有源区3、第二接触层2及第一金属层1由下至上依次层叠，所述有源区3、第二接触层2及第一金属层1在所述第一接触层4上形成脊型结构8；所述脊型结构8的侧面81相对于端面82倾斜；
所述脊型结构8由一间隙结构9沿长度方向分割为第一子脊型结构83及第二子脊型结构84；
所述第二金属层7的数量为两个，分别位于所述脊型结构8的两侧，与所述脊型结构8平行，且与所述脊型结构具有一定的间距。
本发明通过采用斜波导结构，可以提高器件横模选择能力，在保证器件单横模光输出前提下，器件宽度更宽，减小了出射光束远场发散角，提高了光束质量。
具体的，所述有源区3包括但不限于束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构或啁啾晶 格结构。
具体的，所述器件结构采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构，其中，表面等离子体波导可以很好地束缚电磁波，具有良好的传输特性；双面金属波导结构具有很高的光限制因子，可以降低激光器的激射阈值，减少注入功率消耗，使得器件的工作温度相比于半绝缘等离子体波导能得到大大的提升。
具体的，所述脊型结构8的端面82即为与x方向及y方向平行，且与z方向垂直的面，所述脊型结构8的侧面81即为与y方向平行，且与x方向及z方向斜交的面。亦即，所述脊型结构8与z方向倾斜一定的角度θ，θ亦为侧面81相对于端面82倾斜的角度。
需要说明的是，所述倾斜角度θ的值可以根据实际需要进行设定，但所述倾斜角度θ的值不能太大，优选地，本实施例中所述倾斜角度θ的值小于30°，以降低器件的损耗；即所述脊型结构8的侧面81相对于端面82倾斜的锐角角度小于30°。
具体的，所述间隙结构9的底部延伸至所述GaAs缓冲层5的表面上，以形成耦合腔结构。所述间隙结构9的宽度可以根据实际需要进行设定，但又所述器件的损坏随着所述间隙结构9的宽度的增大而增大，所以，所述间隙结构9的宽度不能太宽，优选地，本实施例中所述间隙结构9的宽度L_gap应小于截止波长的八分之一，即所述第一子脊型结构83与第二子脊型结构84的间距应小于截止波长的八分之一。
具体的，所述第一子脊型结构83的长度L₁应大于所述第二子脊型结构84的长度L₂；长度较大的所述第一子脊型结构83作为主要的激射波导，长度较小的所述第二子脊型结构84作为调谐波导，所述第二子脊型结构84与所述间隙结构9共同作为调谐波导腔。对调谐波导注入低于激射阈值的电流，改变该段波导折射率，激射波导注入阈值以上电流，利用Vernier效应，调节激射模式，实现波长可调谐与单纵模输出。
具体的，以中心激射波长为109微米附近的太赫兹量子级联激光器为例，本发明的激光器波长可调谐及单纵模选模过程实现过程如下：
(1)利用有限元法计算波导等效折射率为3.61。
(2)取L₁为2.45mm，L₂为2.39mm，宽度250微米(一般250微米宽直条激光器容易多横模激射)，倾斜角度7度，空气间隔13微米。
(3)利用传输矩阵法计算两段波导的透射谱，如图3所示，可以看到当折射率改变0.005时，透射谱重叠的位置即激射波长移动，利用Vernier效应，实现波长可调谐和单纵模选模。
本发明可以应用于各种有源区结构的太赫兹量子级联激光器，在气体检测、射电天文学、高分辨率光谱等领域上具有重要的应用价值。
可以看出，本发明的单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构通过采用斜波导结构， 可以提高器件横模选择能力，在保证器件单横模光输出前提下，器件宽度更宽，减小了出射光束远场发散角，提高了光束质量；采用耦合腔结构实现器件单纵模工作、波长可调谐，耦合腔结构通过一次干法刻蚀即可完成制作，较利用光栅选模的THz QCL器件工艺更为简单，降低成本。同时，通过不同大小电流注入耦合腔结构THz QCL的两段波导，改变折射率，利用Vernier效应实现了波长可调谐，波长调谐范围较以往单一通过电流注入改变折射率的器件结构大。
实施例二
本实施例还提供一种单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法，如图4所示，所述单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构的制作方法包括以下步骤：
步骤一：在半绝缘GaAs衬底上生长缓冲层、n型重掺杂第一接触层、有源区、n型重掺杂第二接触层；
步骤二：第一次光刻、刻蚀形成条状脊型结构，所述条状脊型结构的侧面相对于端面倾斜；倾斜的角度小于30°；
步骤三：第二次光刻、刻蚀，在所述条状脊型结构表面形成第一电极窗口，所述第一电极窗口由一间隙结构沿长度方向分割为两部分；在所述第一电极窗口内溅射第一电极金属，带胶剥离形成第一金属层作为第一电极；即形成的所述第一金属层被所述间隙结构沿长度方向分割为两部分；所述两部分第一电极窗口的长度不等，且所述间隙结构的宽度小于截止波长的八分之一；
步骤四：第三次光刻形成第二电极窗口，在所述第二电极窗口内电子束蒸发第二电极金属，带胶剥离形成第二金属层作为第二电极，退火形成欧姆接触；所述第二金属层的数量为两个，分别位于所述条状脊型结构的两侧，与所述条状脊型结构平行且具有一定的间距；
第四次光刻，在所述第一金属层的间隙结构处开窗口，干法刻蚀所述条状脊型结构至GaAs缓冲层，刻透第一接触层，形成电隔离，制作耦合腔波导结构；
减薄硅片与所述GaAs衬底至150微米左右，焊接封装，完成器件制作。
综上所述，本发明提出了一种单模可调谐太赫兹量子级联激光器的器件结构及制作方法，通过采用斜波导结构，可以提高器件横模选择能力，在保证器件单横模光输出前提下，器件宽度更宽，减小了出射光束远场发散角，提高了光束质量；采用耦合腔结构实现器件单纵模工作、波长可调谐，耦合腔结构通过一次干法刻蚀即可完成制作，较利用光栅选模的THz QCL器件工艺更为简单，降低成本。同时，通过不同大小电流注入耦合腔结构THz QCL的两段波导，改变折射率，利用Vernier效应实现了波长可调谐，波长调谐范围较以往单一通过电流注入改变折射率的器件结构大。
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。