一種多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，包括多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從垂直方向自下而上依次為半絕緣襯底、緩沖層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、上金屬層；所述有源區(qū)、上接觸層和上金屬層在下接觸層上形成脊型結(jié)構(gòu)；所述脊型結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)有下金屬層；所述上金屬層通過濕法刻蝕形成多模波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)；所述輸出波導(dǎo)為單模波導(dǎo)，并位于多模波導(dǎo)兩端中心處；所述輸出波導(dǎo)的寬度小于所述多模波導(dǎo)的寬度。本發(fā)明還涉及THz?QCL制作方法。上述本發(fā)明能夠提高THz?QCL出光功率而又不降低出光光束質(zhì)量和收集效率，保持器件小型化并降低成本。
【專利說明】一種多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件【技術(shù)領(lǐng)域】中的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，特別是涉及一種多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁波譜中太赫茲(簡(jiǎn)稱“ΤΗζ”，1ΤΗζ=1012Ηζ)波段是指頻率從IOOGHz到ΙΟΤΗζ，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)從3毫米到30微米，介于毫米波與紅外光之間頻譜范圍相當(dāng)寬的電磁波譜區(qū)域。由于缺少有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測(cè)方法，導(dǎo)致THz波段的電磁波長(zhǎng)期未得到充分地研究和應(yīng)用，被稱為電磁波譜中的“ΤΗζ空隙”。THz輻射源是THz頻段應(yīng)用的關(guān)鍵器件。在眾多THz輻射產(chǎn)生方式中，THz量子級(jí)聯(lián)激光器(簡(jiǎn)稱“THz QCL")由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、體積小、輕便和易集成等優(yōu)點(diǎn)，成為THz輻射源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。THzQCL是一種電泵浦的單極器件，多采用GaAs/AlGaAs材料系統(tǒng)。電子通過在子帶間的躍遷輻射出光子，通過改變勢(shì)阱和勢(shì)壘的寬度，可以改變激射能級(jí)之間的能量差，從而控制輻射光子的頻率。一個(gè)完整的量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)由幾十甚至幾百個(gè)周期組成。THzQCL在實(shí)時(shí)成像、在線檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和空間保密通信等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于空氣中水汽會(huì)嚴(yán)重衰減THz波的能量等原因，具有高出光功率THz QCL是提升THz通信、THz成像等系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵器件，是THz QCL研究的重點(diǎn)方向之一。提高THz QCL出光功率最常用的方案是增大器件的增益面積，但過寬的波導(dǎo)寬度會(huì)激發(fā)高階側(cè)模，降低出射光束質(zhì)量和收集效率。而采用楔形(taper)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)矩形條的激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的THz QCL，輸出光從原先較窄的輸出波導(dǎo)由一段絕熱波導(dǎo)過渡到較寬的波導(dǎo)輸出，這種結(jié)構(gòu)可以既增加激光器增益面積又不激發(fā)高階側(cè)模。但為了抑制高階側(cè)模激發(fā)、提高光束質(zhì)量，楔形波導(dǎo)的角度一般較小(一般小于5° )，使得器件長(zhǎng)度過長(zhǎng)，不利于器件小型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及制作方法，能夠提高THz QCL出光功率而又不降低出光光束質(zhì)量和收集效率，保持器件小型化并降低成本。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，包括多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從垂直方向自下而上依次為半絕緣襯底、緩沖層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、上金屬層；所述有源區(qū)、上接觸層和上金屬層在下接觸層上形成脊型結(jié)構(gòu)；所述脊型結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)有下金屬層；所述上金屬層通過濕法刻蝕形成多模波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)；所述輸出波導(dǎo)為單模波導(dǎo)，并位于多模波導(dǎo)兩端中心處；所述輸出波導(dǎo)的寬度小于所述多模波導(dǎo)的寬度。
[0005]所述有源區(qū)為束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷結(jié)構(gòu)、共振聲子結(jié)構(gòu)、或啁啾晶格結(jié)構(gòu)。
[0006]所述多模波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均為半絕緣等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0007]所述有源區(qū)發(fā)出的太赫茲光在多模波導(dǎo)兩側(cè)中心位置形成強(qiáng)度相等的兩個(gè)像。[0008]所述多模波導(dǎo)的寬度為200 μ m,長(zhǎng)度為1556 μ m ;所述輸出波導(dǎo)的寬度為50 μ m。
[0009]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:還提供一種基于半絕緣等離子波導(dǎo)的多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制造方法，包括以下步驟:
[0010](I)在半絕緣襯底上生長(zhǎng)緩沖層，η型重?fù)诫s下接觸層、有源區(qū)、η型重?fù)诫s上接觸層、上金屬層，使有源區(qū)、η型重?fù)诫s上接觸層和上金屬層在下接觸層上形成脊型結(jié)構(gòu)；在所述脊型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的下接觸層上生長(zhǎng)下金屬層；
[0011](2)通過光刻顯影方法開槽，電子束蒸發(fā)上金屬層，帶膠剝離形成上電極；
[0012](3)采用濕法刻蝕脊波導(dǎo)，利用下接觸層做刻蝕停止層，形成輸出波導(dǎo)和多模波導(dǎo)的波導(dǎo)圖形，使得輸出波導(dǎo)位于多模波導(dǎo)兩端中心處，并且輸出波導(dǎo)的寬度小于所述多模波導(dǎo)的寬度，其中，輸出波導(dǎo)為單模波導(dǎo)；
[0013](4)電子束蒸發(fā)下金屬層，帶膠剝離形成下電極；
[0014](5)減薄襯底，焊線封裝，完成器件制作。
[0015]所述步驟(3)中利用光束傳播法計(jì)算不同多模波導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的輸出功率，選擇多模波導(dǎo)輸出功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的多模波導(dǎo)長(zhǎng)度，并根據(jù)多模波導(dǎo)長(zhǎng)度確定多模波導(dǎo)的寬度。
[0016]所述多模波導(dǎo)的寬度為200 μ m，長(zhǎng)度為1556 μ m ;所述輸出波導(dǎo)的寬度為50 μ m。
[0017]有益效果
[0018]由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0019]本發(fā)明采用多模干涉結(jié)構(gòu)波導(dǎo)來代替THz QCL普通矩形條或楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，同等器件長(zhǎng)度下，本發(fā)明的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器具有更大的增益面積，因而具有更高的輸出光功率；同時(shí)，多模干涉結(jié)構(gòu)能夠保證輸出光是單橫模的，有效抑制高階側(cè)模，提高了出光光束的質(zhì)量。
[0020]本發(fā)明克服傳統(tǒng)矩形條或楔形結(jié)構(gòu)THz QCL的缺點(diǎn)，制作工藝簡(jiǎn)單，工藝容差大，易集成，在相同器件長(zhǎng)度條件下，新型器件具有更高輸出功率，能夠輸出單橫模光從而提高出光光束質(zhì)量和收集效率，保持器件的小型化，降低了成本，對(duì)提升THz通信系統(tǒng)和成像質(zhì)量系統(tǒng)的性能具有重要的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是半絕緣等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0022]圖2 Ixl多模干涉結(jié)構(gòu)THz QCL示意圖；
[0023]圖3 50 μ m寬波導(dǎo)基模光場(chǎng)分布圖；
[0024]圖4不同多模波導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)輸出功率的計(jì)算結(jié)果圖；
[0025]圖5優(yōu)化后Ixl多模干涉波導(dǎo)光場(chǎng)分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。[0027]THz QCL脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)采用半絕緣等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。器件材料結(jié)構(gòu)從下到上，依次為GaAs半絕緣襯底1、GaAs緩沖層2、重?fù)诫s下接觸層3、下金屬電極7、有源區(qū)4多量子阱結(jié)構(gòu)(厚度10 μ m左右)、重?fù)诫s上接觸層5和上金屬電極6。
[0028]圖2是Ixl多模干涉結(jié)構(gòu)THzQCL結(jié)構(gòu)示意圖。輸出波導(dǎo)9位于多模波導(dǎo)8兩端中心處。光在波導(dǎo)中有源區(qū)產(chǎn)生，由兩端單模輸出波導(dǎo)出射。其中，THz QCL有源區(qū)可采用任何一種有源區(qū)結(jié)構(gòu)，包括束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷結(jié)構(gòu)、共振聲子結(jié)構(gòu)、啁啾晶格結(jié)構(gòu)等。THzQCL脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可采用半絕緣等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0029]圖2中THz QCL采用Ixl多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，THz激光由激光器腔內(nèi)有源層產(chǎn)生。THz光在多模波導(dǎo)內(nèi)激發(fā)高階導(dǎo)模，由于各導(dǎo)模傳播常數(shù)不同，造成光能量在多模波導(dǎo)中周期性分布，當(dāng)多模波導(dǎo)取特定長(zhǎng)度和寬度時(shí)，THz光在多模波導(dǎo)兩側(cè)中心位置形成強(qiáng)度相等的兩個(gè)像，這時(shí)在多模波導(dǎo)兩側(cè)中心處制作單模輸出波導(dǎo)，就可以得到單橫模THz光。
[0030]由于器件等效折射率與空氣相差大，整個(gè)器件結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)諧振腔，THz激光在腔內(nèi)會(huì)形成多模干涉現(xiàn)象，為了使光在輸出波導(dǎo)位置處“成像”，單模輸出，需要設(shè)計(jì)波導(dǎo)參數(shù)有多模波導(dǎo)寬度L，多模波導(dǎo)寬度Wmmi和輸出波導(dǎo)寬度Win，如圖2所示。
[0031]其設(shè)計(jì)方法可以采用光束傳播法或有限元法等數(shù)值方法，具體如下:
[0032]步驟一:設(shè)計(jì)輸出波導(dǎo)寬度Win。保證輸出波導(dǎo)為單模波導(dǎo)，不激發(fā)高階側(cè)模。寬度為50μm的單模波導(dǎo)基模光場(chǎng)分布如圖3所示，光很好地限制在波導(dǎo)中。
[0033]步驟二:利用等效折射率法估算的多模干涉器件多模波導(dǎo)拍長(zhǎng)與寬度的關(guān)系L, ^ 4ηΛ^/3λ，其中，L,為多模波導(dǎo)拍長(zhǎng)，nr為波導(dǎo)的等效折射率，λ為工作波長(zhǎng)。由此可知，多模波導(dǎo)長(zhǎng)度與寬度平方成正比，因此，需要設(shè)計(jì)合適多模波導(dǎo)長(zhǎng)寬，既保證多模干涉現(xiàn)象發(fā)生，又不能使器件過長(zhǎng)，不利于器件小型化，提高成本。設(shè)計(jì)多模波導(dǎo)寬度為200 μ m，足夠激勵(lì)多個(gè)高階導(dǎo)模形成多模干涉現(xiàn)象。利用光束傳播法計(jì)算不同多模波導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的輸出功率，如圖4所示，選擇多模波導(dǎo)長(zhǎng)度為1556 μ m使器件輸出功率最大。所設(shè)計(jì)200 μ mx 1556 μ m器件中多模干涉現(xiàn)象明顯，97%光能量可以從輸出波導(dǎo)中出射，輸出光波為單橫模光，如圖5所示。
[0034]可以看到，200μmχ1556μm多模干涉結(jié)構(gòu)THz QCL較同等長(zhǎng)度器件具有更寬的多模波導(dǎo)區(qū)域，增益面積更大，輸出光功率更高；較相似寬度器件具有輸出單橫模光的特點(diǎn)，可以提供出射光束質(zhì)量和收集效率。在一端輸出波導(dǎo)鍍防反射膜，即可實(shí)現(xiàn)THz激光器單端發(fā)射。
[0035]多模干涉結(jié)構(gòu)THz QCL需要利用光束傳播法或有限元法等數(shù)值方法對(duì)器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到器件外形的最優(yōu)尺寸進(jìn)行工藝制作。可采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制作工藝對(duì)器件進(jìn)行制備，包括電子束蒸發(fā)金屬、帶膠剝離、刻蝕波導(dǎo)等等，【具體實(shí)施方式】中會(huì)結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)器件對(duì)工藝進(jìn)行詳細(xì)說明。其中，多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在刻蝕波導(dǎo)步驟中形成，較傳統(tǒng)矩形條或楔形結(jié)構(gòu)THz QCL工藝，未引入額外工藝步驟。
[0036]基于半絕緣等離子體波導(dǎo)的多模干涉結(jié)構(gòu)的THz QCL的制作方法，包括以下步驟:
[0037]步驟一:在半絕緣GaAs襯底上生長(zhǎng)緩沖層，η型重?fù)诫s下接觸層、有源區(qū)、η型重?fù)诫s上接觸層、上金屬層，使有源區(qū)、η型重?fù)诫s上接觸層和上金屬層在下接觸層上形成脊型結(jié)構(gòu)；在所述脊型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的下接觸層上生長(zhǎng)下金屬層。[0038]步驟二:通過光刻顯影方法開槽，電子束蒸發(fā)上金屬層，帶膠剝離形成上電極。
[0039]步驟三:采用濕法刻蝕脊波導(dǎo)，利用下接觸層做刻蝕停止層，形成輸出波導(dǎo)和多模波導(dǎo)的波導(dǎo)圖形，使得輸出波導(dǎo)位于多模波導(dǎo)兩端中心處，并且輸出波導(dǎo)的寬度小于所述多模波導(dǎo)的寬度，其中，輸出波導(dǎo)為單模波導(dǎo)。
[0040]步驟四:電子束蒸發(fā)下電極金屬，帶膠剝離形成下電極。
[0041]步驟五:減薄襯底，焊線封裝，完成器件制作。
[0042]不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的多模干涉結(jié)構(gòu)THz QCL利用簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體工藝加工方法，將多模干涉結(jié)構(gòu)與THz QCL結(jié)合，較傳統(tǒng)的矩形條或楔形結(jié)構(gòu)THz QCL，可以提高器件的出光功率的同時(shí)保持器件的小型化，單橫模輸出THz激光，提高了出光光束質(zhì)量和器件的收集效率，器件結(jié)構(gòu)適用性強(qiáng)，可以應(yīng)用于各種有源區(qū)結(jié)構(gòu)的THz QCL，為THz通信、THz成像等系統(tǒng)性能提高奠定了基礎(chǔ)。
【權(quán)利要求】
1.一種多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，包括多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多模干涉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從垂直方向自下而上依次為半絕緣襯底、緩沖層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、上金屬層；所述有源區(qū)、上接觸層和上金屬層在下接觸層上形成脊型結(jié)構(gòu)；所述脊型結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)有下金屬層；所述上金屬層通過濕法刻蝕形成多模波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)；所述輸出波導(dǎo)為單模波導(dǎo)，并位于多模波導(dǎo)兩端中心處；所述輸出波導(dǎo)的寬度小于所述多模波導(dǎo)的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于，所述有源區(qū)為束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷結(jié)構(gòu)、共振聲子結(jié)構(gòu)、或啁啾晶格結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于，所述多模波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均為半絕緣等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于，所述有源區(qū)發(fā)出的太赫茲光在多模波導(dǎo)兩側(cè)中心位置形成強(qiáng)度相等的兩個(gè)像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于，所述多模波導(dǎo)的寬度為200 μ m，長(zhǎng)度為1556 μ m;所述輸出波導(dǎo)的寬度為50 μ m。
6.一種多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在半絕緣襯底上生長(zhǎng)緩沖層，η型重?fù)诫s下接觸層、有源區(qū)、η型重?fù)诫s上接觸層、上金屬層，使有源區(qū)、η型重?fù)诫s上接觸層和上金屬層在下接觸層上形成脊型結(jié)構(gòu)；在所述脊型結(jié)構(gòu)兩側(cè)的下接觸層上生長(zhǎng)下金屬層； (2)通過光刻顯影方法開槽，電子束蒸發(fā)上金屬層，帶膠剝離形成上電極； (3)采用濕法刻蝕脊波導(dǎo)，利用下接觸層做刻蝕停止層，形成輸出波導(dǎo)和多模波導(dǎo)的波導(dǎo)圖形，使得輸出波導(dǎo)位于多模波導(dǎo)兩端中心處，并且輸出波導(dǎo)的寬度小于所述多模波導(dǎo)的寬度，其中，輸出波導(dǎo)為單模波導(dǎo)； (4)電子束蒸發(fā)下金屬層，帶膠剝離形成下電極； (5)減薄襯底，焊線封裝，完成器件制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制造方法，其特征在于，所述步驟(3)中利用光束傳播法計(jì)算不同多模波導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的輸出功率，選擇多模波導(dǎo)輸出功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的多模波導(dǎo)長(zhǎng)度，并根據(jù)多模波導(dǎo)長(zhǎng)度確定多模波導(dǎo)的寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多模干涉結(jié)構(gòu)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制造方法，其特征在于，所述多模波導(dǎo)的寬度為200 μ m,長(zhǎng)度為1556 μ m ;所述輸出波導(dǎo)的寬度為50 μ m。
【文檔編號(hào)】H01S5/20GK103915758SQ201410117762
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】姚辰, 曹俊誠(chéng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所