CN101345393A - 单面金属波导太赫兹量子级联激光器及制作方法 - Google Patents

单面金属波导太赫兹量子级联激光器及制作方法 Download PDF

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Abstract

一种单面金属波导太赫兹量子级联激光器及制作方法，其首先利用气态源分子束外延设备在半绝缘的GaAs衬底依次生长GaAs缓冲层、N型GaAs下波导层、多量子阱级联有源区、加强辅助注入层、N型GaAs上接触层，然后采用光刻显影以及热蒸发的方法，制作上波导(电极)Au层，再采用光刻显影以及湿法腐蚀的方法制作出脊形结构，接着采用光刻显影以及热蒸发的方法制作下电极，然后快速热退火，并按照设计规格解理出高质量的管芯，最后完成管芯的封装。

Description

单面金属波导太赫兹量子级联激光器及制作方法
技术领域
本发明涉及一种量子级联激光器，特别涉及一种单面金属波导太赫兹量子级联激光器及制作方法。
背景技术
太赫兹(THz)波在国民经济以及国家安全等方面有重大的应用价值，而THz辐射源是THz频段应用的关键器件。在众多THz辐射产生方式中，基于半导体的全固态THz量子级联激光器(QCL)由于其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，成为本领域的研究热点。
虽然QCL也是一种半导体激光器，但是它与传统的半导体激光器存在很大差别，主要表现在QCL的发光波长并不受限于有源区材料的能隙，因为它是一种单极器件，激射波长由导带中分立子能级的能级差决定，而此能级差是通过调整有源区各量子阱层厚度来确定的。尽管QCL的概念最初是由前苏联物理学家Kazarinov和Suris于1971年提出，但由于受限于当时的实验条件，直到1994年，Bell实验室的Faist等人利用分子束外延才成功地制作出了世界上第一个QCL。而第一个THz QCL是由意大利和英国于2002年合作研制成功的。该激光器采用GaAs/AlGaAs材料体系，有源区设计采用了啁啾超晶格结构，激射波长为4.4THz。
推进THz QCL发展的最主要的因素之一是为设计低损失的波导结构。由于中红外QCL以及近红外和可见光激光二极管都是采用传统的电介质模式限制来限制光辐射的方向，而这种方法对于THz频段的激光器是不可行的，原因在于：1、要使这种方法有效，那么波导覆盖层的厚度必须与半导体内的辐射光子的波长处于同一量级，这就要求覆盖层的厚度要远大于10微米，而采用分子束外延技术生长这么厚的覆盖层将会花去很长时间，是不可取的。2、自由载流子吸收损失与波长的平方成正比。要使激光器激射，则激射光模与掺杂区域的交迭要减到最小。而且，对于GaAs/AlGaAs材料体系，GaAs衬底的折射率比AlGaAs要高，因此衬底不能充当一个自然的模式限制层。
目前针对THz QCL的波导设计主要有三种提法：等离子波导、单面金属波导(半绝缘表面等离子波导)和双面金属波导。由于波导损失太大，等离子波导设计在实验上是行不通的。因此只有在半绝缘表面等离子波导和双面金属波导上做出选择。因此如何制作出单面金属波导太赫兹量子级联激光器实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单面金属波导太赫兹量子级联激光器。
本发明的另一目的在于提供一种单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法。
为了达到上述目的，本发明提供的单面金属波导太赫兹量子级联激光器，其波导结构包括：半绝缘GaAs衬底、生长于所述半绝缘GaAs衬底上的GaAs缓冲层、生长于所述GaAs缓冲层上的N型GaAs下波导层、生长于所述下波导层上且用于发出太赫兹光的多量子阱级联有源区、生长于所述多量子阱级联有源区上的加强辅助注入层、生长于所述加强辅助注入层上的N型GaAs接触层、生长于所述接触层上的金属波导层。
其中，所述多量子阱级联有源区具有多个重复周期，且每个周期内有多层AlGaAs/GaAs交替层，所述多量子阱级联有源区厚度为10微米左右即9至11微米之间，所述金属波导层为Au波导层。
此外，本发明的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法包括步骤：1)利用气态源分子束外延设备在半绝缘的GaAs衬底依次生长GaAs缓冲层、N型GaAs下波导层、多量子阱级联有源区、加强辅助注入层及N型GaAs接触层；2)采用光刻显影以及热蒸发的方法在所述接触层上制作金属波导层及上电极；3)采用光刻显影以及湿法腐蚀的方法腐蚀所述多量子阱级联有源区、加强辅助注入层、接触层及金属波导层以形成脊形结构；4)采用光刻显影以及热蒸发的方法在所述下波导层上制作下电极；5)对已形成的激光器件进行快速热退火，并按照需要解理出相应的管芯；6)封装所述管芯。
在步骤1)中，所述气态源分子束外延设备分别采用气态砷烷(AsH3)作为V族源，元素镓(Ga)、铝(Al)作为III族源，硅(Si)作为N型掺杂源，生长具有多层AlGaAs/GaAs交替层的多量子阱级联有源区。其生成约10微米厚的多量子阱级联有源区。
所述上电极及下电极均采用AuGeNi-Au所形成，在步骤3)中，其腐蚀深度为10微米左右，在步骤4)中采用AZ4620厚光刻胶进行光刻，在步骤2)中采用S6809光刻胶进行光刻，所述下电极与脊形结构的距离为50微米，在步骤5)包括将所述衬底减薄以使所形成的激光器件厚度近似100微米。
步骤6)还包括：(1)将所述管芯焊接至设有多个镀金陶瓷片的热沉上；(2)将所述上电极及下电极分别通过金丝与相应陶瓷片相连接；(3)采用铜线将各陶瓷片与设置在所述热沉上的标准接口相连接。
在步骤(2)中，每一电极采用4至10根金丝与相应陶瓷片相连接。
综上所述，本发明基于传统成熟的GaAs工艺可制作出单面金属波导太赫兹量子级联激光器，由于制作工艺优化，整个制作过程仅需三步光刻，可有效减小激光器间作作过程中的污染，同时大大缩短制作时间。
附图说明
图1为本发明的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的波导结构示意图。
图2为本发明的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的三维立体图。
图3为本发明的单面金属波导太赫兹量子级联激光器封装后的实施例图。
图4为本发明的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的原理图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的波导结构主要包括：半绝缘GaAs衬底01、生长于所述半绝缘GaAs衬底上的GaAs缓冲层02、生长于所述GaAs缓冲层上的N型GaAs下波导层03、生长于所述下波导层上且用于发出太赫兹光的多量子阱级联有源区04、生长于所述多量子阱级联有源区上且用于增强所述多量子阱级联有源区电注入的加强辅助注入层05、生长于所述加强辅助注入层上的N型GaAs接触层06、以及生长于所述接触层上的金属波导层07。
其中，所述多量子阱级联有源区具有多个重复周期，且每个周期内有多层AlGaAs/GaAs交替层，其厚度为10微米左右，通常所述多量子阱级联有源区可为啁啾超晶格结构、束缚态到连续态跃迁结构或共振声子结构等，所述金属波导层为Au波导层。
请参见图4，当单面金属波导太赫兹量子级联激光器在一定的偏压下，一个电子从能级3跃迁至能级2，并发射一个光子，再通过某种散射机制使能级2上的电子迅速被抽取到能级1，从而在能级3与2之间形成粒子数反转，然后能级1上的电子然后继续注入到下一个周期，经历相同的过程。这样，在单面金属波导太赫兹量子级联激光器中，一个电子经历N个周期将会发射出N个光子，改变一个周期内多量子阱和垒的厚度、以及各交替层的组分和掺杂浓度，可以使得能级3和2之间的能量差为所需要的太赫兹光子的能量。
为形成前述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器，本发明提供的制作方法包括以下步骤：
第一步：利用气态源分子束外延设备在半绝缘GaAs衬底01上依次生长GaAs缓冲层02、N型GaAs下波导层03、多量子阱级联有源区04、加强辅助注入层05及N型GaAs接触层06，所述气态源分子束外延设备分别采用气态砷烷(AsH3)作为V族源，元素镓(Ga)、铝(Al)作为III族源，硅(Si)作为N型掺杂源，在所述多量子阱级联有源区04形成具有多层AlGaAs/GaAs的交替层，较佳的，所述气态源分子束外延设备生成约10微米厚的多量子阱级联有源区04。
第二步：采用光刻显影以及热蒸发的方法在所述接触层06上制作金属波导层07及上电极08，在制作上电极08时，采用S6809光刻胶、及MF320显影液进行光刻显影，同时在热蒸发之前为避免氧化物影响导电性能可先用稀盐酸漂20秒以去除其表面的氧化物，上电极08可采用AuGeNi-Au材料制作形成。
第三步：采用光刻显影以及湿法腐蚀的方法腐蚀所述多量子阱级联有源区、加强辅助注入层、接触层及金属波导层以形成脊形结构09，其腐蚀深度约为10微米。
第四步：采用光刻显影以及热蒸发的方法在所述下波导层03上制作下电极10，下电极10也可采用AuGeNi-Au材料制作形成，但采用AZ4620厚光刻胶以及AZ400K显影液进行光刻显影，同时使下电极10与脊形结构09的距离为50微米以减小接触电极与表面等离子的耦合，从而降低波导损失，增强光场限制，上电极08与下电极10的欧姆接触均采用的是热蒸发AuGeNi，然后再蒸发一层Au作为电极，快速热退火使之合金化。
第五步：对已形成的激光器件进行快速热退火，同时减薄衬底01以使所形成的激光器件厚度近似100微米，然后按照实际需要解理出相应尺寸的激光器管芯11。
第六步：封装所述管芯11，请参见图3，其为单面金属波导太赫兹量子级联激光器封装后的实施例图，封装时，可首先将所述管芯11正面朝上焊接至设有多个镀金陶瓷片12的热沉14上，然后将所述上电极08及下电极10分别通过金丝13与相应陶瓷片12相连接，为了满足激光器的大电流工作，一般每一电极采用4至10根金丝与相应陶瓷片相连接，最后采用铜线15将各陶瓷片12与设置在所述热沉14上的标准接口16相连接，从而完成了整个激光器的封装过程。
综上所述，本发明通过基于传统的成熟的GaAs工艺可制作出单面金属波导太赫兹量子级联激光器，由于制作工艺优化，整个制作过程仅需三步光刻，可有效减小激光器间作作过程中的污染，同时大大缩短制作时间。

Claims (15)

1.一种单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1)利用气态源分子束外延设备在半绝缘的GaAs衬底依次生长GaAs缓冲层、N型GaAs下波导层、多量子阱级联有源区、加强辅助注入层及N型GaAs接触层；
2)采用光刻显影以及热蒸发的方法在所述接触层上制作金属波导层及上电极；
3)采用光刻显影以及湿法腐蚀的方法腐蚀所述多量子阱级联有源区、加强辅助注入层、接触层及金属波导层以形成脊形结构；
4)采用光刻显影以及热蒸发的方法在所述下波导层上制作下电极；
5)对已形成的激光器件进行快速热退火，并按照需要解理出相应的管芯；
6)封装所述管芯。
2.根据权利要求1所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于：在步骤1)中，所述气态源分子束外延设备分别采用气态砷烷(AsH3)作为V族源、元素镓(Ga)、铝(Al)作为III族源、硅(Si)作为N型掺杂源，生长具有多层AlGaAs/GaAs交替层的多量子阱级联有源区。
3.根据权利要求1所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于：所述气态源分子束外延设备生长多量子阱级联有源区厚度在9至11微米之间。
4.根据权利要求1所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于：所述上电极及下电极均采用AuGeNi-Au所形成。
5.根据权利要求1所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于：步骤3)的腐蚀深度范围在9至11微米间。
6.根据权利要求1所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于：步骤4)采用AZ4620厚光刻胶进行光刻。
7.根据权利要求1所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于：步骤2)采用S6809光刻胶进行光刻。
8.根据权利要求1所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于：所述下电极与脊形结构的距离为50微米。
9.根据权利要求1所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于：步骤5)包括将所述衬底减薄以使所形成的激光器件厚度近似100微米。
10.根据权利要求1所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于步骤6)包括：
(1)将所述管芯焊接至设有多个镀金陶瓷片的热沉上；
(2)将所述上电极及下电极分别通过金丝与相应陶瓷片相连接；
(3)采用铜线将各陶瓷片与设置在所述热沉上的标准接口相连接。
11.根据权利要求10所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于：在步骤(2)中，每一电极采用4至10根金丝与相应陶瓷片相连接。
12.一种单面金属波导太赫兹量子级联激光器，其特征在于，其波导结构包括：
半绝缘GaAs衬底；
生长于所述半绝缘GaAs衬底上的GaAs缓冲层；
生长于所述GaAs缓冲层上的N型GaAs下波导层；
生长于所述下波导层上的多量子阱级联有源区；
生长于所述多量子阱级联有源区上的加强辅助注入层；
生长于所述加强辅助注入层上的N型GaAs接触层；
热蒸发于所述接触层上的金属波导层。
13.根据权利要求12所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述多量子阱级联有源区具有多个重复周期，且每个周期内有多层AlGaAs/GaAs交替层。
14.根据权利要求12所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述多量子阱级联有源区厚度在9至11微米之间。
15.根据权利要求12所述的单面金属波导太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述金属波导层为Au波导层。
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