CN102545061B

CN102545061B - 大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法

Info

Publication number: CN102545061B
Application number: CN201210017845.2A
Authority: CN
Inventors: 曹俊诚; 黎华
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: CN102545061A

Abstract

本发明提供一种大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法。根据本发明的方法，先基于蒙特卡洛模拟法来模拟多个不同参数下的预定结构的有源区的电传输及输出增益特性，以获得优化的一组参数；随后再基于所获得的一组参数来制备包含所述预定结构的有源区的太赫兹量子级联的激光器。本发明采用了基于蒙特卡洛模拟法所获取的参数来制备大功率太赫兹量子级联的激光器，使得所制备出的激光器因参数的优化而具有大激射光功率输出。

Description

大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别是涉及一种大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法。

背景技术

太赫兹(THz)辐射源是太赫兹频段应用的关键器件。在众多太赫兹辐射产生方式中，基于半导体的全固态的太赫兹量子级联激光器件(THzQCL)由于其能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，一经发明就引起广泛的关注并成为本领域的研究热点。

THzQCL是一种单极性子带间跃迁的相干THz辐射源，具有全固态、电泵浦、可调谐和易集成等优点。相对于中红外QCL来说，THz光子能量小，对应的激光能级间的能量差就很小，子带间的散射作用增强，使得在THzQCL中粒子数反转更加难以实现。同时，在THz波段，自由载流子的吸收增强，波导损耗大大增加。THzQCL自2002年发明以来，器件的输出功率、工作温度和激射频率范围等都有很大提高与改善。

THzQCL的进展主要得益于有源区结构和波导结构的不断改进。太赫兹量子级联激光器有源区结构主要有：啁啾超晶格结构、束缚态向连续态跃迁结构和共振声子辅助跃迁结构。前两种结构是通过电子在超晶格微带内的快速输运来实现激光能级间的粒子数反转的，超晶格结构使得电子的输运得到了良好的控制，其优点是注入效率高、内量子效率高、阈值电流密度小。但随着温度的升高，微带成为了非辐射复合的重要通道，阻碍了这两种结构的器件温度特性的进一步提高。共振声子辅助跃迁结构是通过声子辅助跃迁和共振遂穿来实现粒子数反转的，其最显著的优点是对激光低能级的电子抽取效率受温度的影响较小，使得共振声子结构的器件具有较高的激射温度，但由于其结构简单，载流子的输运不能得到很好的控制，同时由于寄生电流效应显著，使得该结构的器件具有较大的阈值电流密度。不过，随着斜跃迁的设计被引入到共振声子结构中，共振声子结构的器件的阈值电路密度降低为原来的一半，激射温度也是目前在没有磁场条件下达到的最高温度。

然而，由于太赫兹量子级联激光器件的输出功率往往会受到注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、注入耦合强度、温度等多方面因素的影响，势垒太宽会影响电子的注入和收集效率，势垒太薄又会导致器件电流过大，发热严重；掺杂太高会导致大电流、高热量，影响器件工作；零掺杂又会导致器件零增益；注入耦合强度太弱，会导致注入效率不够高，无法实现激射，注入耦合强度太大，会将增益谱分裂，从而影响器件的峰值功率。

因此，如何制备出一种大激射光功率的THzQCL，是本领域技术人员亟待解决的问题。

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大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，以便制备出一种大激射光功率的THzQCL。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，其至少包括步骤：

a)基于蒙特卡洛模拟法来模拟多个不同参数下的预定结构的有源区的电传输及输出增益特性，以获得优化的一组参数；以及

1)基于所获得的一组参数来制备包含所述预定结构的有源区的太赫兹量子级联的激光器。

优选地，所述预定结构的有源区包括：三阱共振声子辅助跃迁结构。

优选地，所述参数包括：注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、声子阱宽度、注入耦合强度。

优选地，所述步骤1)包括：采用气态源分子束外延设备来生长所述预定结构的有源区。

优选地，采用配备砷皖和磷皖作为V族源、元素Ga、In、Al作为III族源、及Si、Be、C作为掺杂源的气态源分子束外延设备来生长所述预定结构的有源区。

优选地，所形成的包含GaAs/AlGaAs量子阱的有源区结构中，Al组分为0.15。

优选地，所述步骤1)还包括：采用湿法刻蚀以形成包含所述预定结构的有源区的宽脊条半绝缘等离子波导结构。

优选地，所述脊条宽度为150-250微米。

优选地，采用H3PO4:H2O2:H2O溶液进行湿法刻蚀。

优选地，所述步骤1)还包括：在电极表面镀散热层。

优选地，所述散热层的厚度为5微米。

优选地，所述步骤1)还包括：在共振腔背面镀高反膜、在出射面镀低反膜。

如上所述，本发明的太赫兹量子级联的激光器的制备方法，具有以下有益效果：由于采用了基于蒙特卡洛模拟法所获取的参数来制备激光器，使得所制备出的激光器因参数的优化而具有大激射光功率输出；此外，半绝缘表面等离子波导结构也能提高光束质量；再者，宽宽脊条结构增加了泵浦电流密度，进一步提高了激光辐射功率；在材料生长方面，优化的材料生长速率以及生长温度，可得到高质量的外延材料，减少缺陷，从而降低非辐射复合中心；采用H₃PO₄:H₂O₂:H₂O溶液进行湿法刻蚀，可精确控制刻蚀深度，从而保证器件在电学上的导通；还有，在电极表面还电镀5微米厚的金，可大大提高器件的导热特性；再有，采用在共振腔的一端镀高反膜而另一端镀低反膜，也可以有效地提高出射腔面的激光功率。

附图说明

图1显示为本发明的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法的流程图。

图2显示为三阱共振声子辅助跃迁结构的有源区的结构示意图。

图3显示为本发明的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法中基于蒙特卡洛模拟法模拟的共振声子辅助跃迁的三阱结构有源区的电传输及输出增益特性的示意图。

图4显示为本发明的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法所制备出的激光器的结构示意图。

元件标号说明

S1-S2 步骤

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。

图1为本发明的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法的流程图。

在步骤S1中，基于蒙特卡洛模拟法来模拟多个不同参数下的预定结构的有源区的电传输及输出增益特性，以获得优化的一组参数。

其中，所述预定结构的有源区包括但不限于啁啾超晶格结构的有源区、束缚态向连续态跃迁结构的有源区等，优选地，所述预定结构的有源区包括三阱共振声子辅助跃迁结构的有源区。例如，如图2所示，其为三阱共振声子辅助跃迁结构的有源区a示意图。其中，所述有源区a包括多个周期性排列的量子阱，每一个周期包括三个量子阱，每一个量子阱与一个势垒相间隔，其中，量子阱a1为声子阱，与所述声子阱a1相邻的势垒a2掺杂AlGaAs，以便提供电子。

其中，所述多个不同参数由所有影响THzQCL输出功率的参数中选择多个得到，其中，影响THzQCL输出功率的参数包括但不限于：有源区掺杂材料的种类、脊条宽度注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、声子阱宽度、注入耦合强度等。优选地，所述多个参数包括：注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、声子阱宽度、注入耦合强度。

其中，所述电传输及输出增益特性包括：电流密度、峰值增益电流密度等。

具体地，先使模拟设备，例如计算机，采用蒙特卡洛模拟法以所述多个不同参数中的一个作为变量、其余作为常量，来模拟预定结构的有源区的电传输及输出增益特性，以便确定该个变量的最优值；随后再基于所述多个不同参数中的另一个作为变量、其余作为常量，来模拟预定结构的有源区的电传输及输出增益特性，以便确定该另一变量的最优值；直至确定所述多个不同参数中的每一个的最优值，从而获得一组由最优值构成的一组参数。

例如，计算机先以注入耦合强度为变量、注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、声子阱宽度均为常量，来模拟共振声子辅助跃迁的三阱结构有源区的电传输及输出增益特性，基于5个(即1.6meV、2.5meV、4meV、7.5meV和10meV)注入耦合强度值模拟获得共振声子辅助跃迁的三阱结构有源区的电流密度JNDR、峰值增益电流密度Jpeak gain以及两者之差ΔJ如图3所示，基于该模拟结果可确定注入耦合强度的最优值为7.5meV；随后再基于与确定注入耦合强度的最优值相同或相似的方式来确定注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、声子阱宽度的最优值，由此获得包含注入耦合强度、注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、声子阱宽度最优值的一组参数。

需要说明的是，本领域技术人员应该理解，上述基于蒙特卡洛模拟法来确定多组参数下的预定结构的有源区的电传输及输出增益特性的方式仅为举例，事实上，也可以基于蒙特卡洛模拟法，每次以两个或两个以上参数为变量来模拟预定结构的有源区的电传输及输出增益特性等，在此不再予以详述。

在步骤S2中，基于所获得的一组参数来制备包含所述预定结构的有源区的太赫兹量子级联的激光器。

例如，在步骤S1中确定的一组参数包括：注入耦合强度、注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、声子阱宽度最优值，则基于该注入耦合强度、注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、声子阱宽度最优值，采用常规制备法制备包含图2所示的有源区结构的太赫兹量子级联的激光器。

作为一种优选方案，所述步骤S2包括步骤S21(未予图示)。

在所述步骤S21中，采用气态源分子束外延设备来生长所述预定结构的有源区。

例如，先将气态的砷皖在高温下裂解得到砷原子，再掺入镓元素以形成砷化镓，接着基于步骤S1中所获取的掺杂浓度、势垒宽度、声子阱宽度等参数采用气态源分子束外延设备来生长共振声子辅助跃迁结构。

更为优选地，在所形成的包含GaAs/AlGaAs量子阱的有源区结构中，Al组分为0.15。

此外，需要说明的是，在采用气态源分子束外延设备生长高质量的THzQCL有源区结构时，由于有源区结构包含几百甚至上千层的半导体材料，整个生长过程需要十几个小时，所以材料生长过程中的不断消耗会影响生长速率，进而影响各层材料的生长厚度，为此，在整个材料生长过程，通过调节生长温度以及束源炉的温度，可精确控制各层半导体材料的生长厚度。

作为又一种优选方案，所述步骤S2包括步骤S22(未予图示)。

在所述步骤S22中，采用湿法刻蚀以形成包含所述预定结构的有源区的宽脊条半绝缘等离子波导结构，如图4所示。

优选地，在采用标准的化合物半导体工艺制作半绝缘表面等离子波导结构时，采用H₃PO₄:H₂O₂:H₂O溶液进行湿法刻蚀，如此更有利于实现高性能THzQCL器件。

优选地，所述脊条宽度为150-250微米，以实现高功率激射。

作为又一种优选方案，所述步骤S2还包括步骤S23(未予图示)。

在所述步骤S23中，在蒸镀完金属电极之后，再在电极表面镀散热层。

例如，在图4所示的电极表面采用蒸镀的方法镀散热层，以便散发有源区的焦耳热。所述散热层包括但不限于金属金等。

优选地，所述散热层的厚度为5微米。

作为又一种优选方案，所述步骤S2还包括步骤S24(未予图示)。

在所述步骤S24中，在共振腔背面镀高反膜、在出射面镀低反膜，由此提高共振腔背面的反射率，同时降低出射面的反射率。

基于上述制备过程，制备形成的图4所示的太赫兹量子级联的激光器结构包括如下部分：半绝缘GaAs衬底、重掺杂的n型GaAs下接触层、多量子阱GaAs/AlGaAs有源区、重掺杂n型GaAs上接触层、上电极、侧电极、共振腔背面高反膜、共振腔出射面低反膜、电镀超厚金属金。其中，多量子阱GaAs/AlGaAs有源区结构中，其一个周期由三个GaAs阱组成，势垒材料为Al0.15Ga0.85As，灰色阴影区域所表示的势垒为掺杂区域，掺杂浓度为3.6x10¹⁰cm^-2，为有源区的输运提供电子，设计偏压电场为14.7kV/cm。在设计偏压下，一个周期内的电子输运过程如下：电子从上一周期的注入能级1’注入到当前周期的上激光能级4。然后能级4上的电子通过对角辐射和非辐射跃迁进入下激光能级3。能级3和2形成一个共振双带，电子快速进入能级2，然后通过快速的电子-声子散射进入基态能级1。这里的电声子散射用于快速地实现下激光能级3上的电子抽取，从而实现激光能级4和3之间的粒子数反转。

综上所述，本发明的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法由于采用了基于蒙特卡洛模拟法所获取的参数来制备激光器，使得所制备出的激光器因参数的优化而具有大激射光功率输出；此外，半绝缘表面等离子波导结构也能提高光束质量；再者，宽宽脊条结构增加了泵浦电流密度，进一步提高了激光辐射功率；在材料生长方面，优化的材料生长速率以及生长温度，可得到高质量的外延材料，减少缺陷，从而降低非辐射复合中心；采用H₃PO₄:H₂O₂:H₂O溶液进行湿法刻蚀，可精确控制刻蚀深度，从而保证器件在电学上的导通；还有，在电极表面还电镀5微米厚的金，可大大提高器件的导热特性；再有，采用在共振腔的一端镀高反膜而另一端镀低反膜，也可以有效地提高出射腔面的激光功率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

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。

Claims

1.一种大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，其特征在于，所述大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法至少包括步骤：

基于蒙特卡洛模拟法来模拟多个不同参数下的预定结构的有源区的电传输及输出增益特性，以获得优化的一组参数，其中，所述参数包括：注入和收集势垒宽度、掺杂浓度、声子阱宽度、注入耦合强度；

所述太赫兹量子级联的激光器的制备方法还包括步骤：

1）基于所获得的一组参数来制备包含所述预定结构的有源区的太赫兹量子级联的激光器，其中，所述预定结构的有源区包括：三阱共振声子辅助跃迁结构；

所述步骤1）还包括：采用湿法刻蚀以形成包含所述预定结构的有源区的宽脊条半绝缘等离子波导结构，其中，所述脊条宽度为150-250微米。

2.根据权利要求1所述的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，其特征在于：所述步骤1）包括：采用气态源分子束外延设备来生长所述预定结构的有源区。

3.根据权利要求2所述的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，其特征在于：采用配备砷皖和磷皖作为V族源、元素Ga、In、Al作为III族源、及Si、Be、C作为掺杂源的气态源分子束外延设备来生长所述预定结构的有源区。

4.根据权利要求3所述的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，其特征在于：所形成的包含GaAs/AlGaAs量子阱的有源区结构中，Al组分为0.15。

5.根据权利要求1所述的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，其特征在于：采用H₃PO₄：H₂O₂：H₂O溶液进行湿法刻蚀。

6.根据权利要求1所述的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，其特征在于：所述步骤1）还包括：在电极表面镀散热层。

7.根据权利要求6所述的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，其特征在于：所述散热层的厚度为5微米。

8.根据权利要求1所述的大功率太赫兹量子级联的激光器的制备方法，其特征在于：所述步骤1）还包括：在共振腔背面镀高反膜、在出射面镀低反膜。