CN103560395A

CN103560395A - 一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法

Info

Publication number: CN103560395A
Application number: CN201310530203.7A
Authority: CN
Inventors: 崔碧峰; 凌小涵; 张松; 王晓玲
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明涉及一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法。该半导体激光器包括衬底、下限制层Ⅰ、下波导层Ⅰ、有源层Ⅰ、上波导层Ⅰ、上限制层Ⅰ、再生机构、下限制层Ⅱ、下波导层Ⅱ、有源层Ⅱ、上波导层Ⅱ、电流阻挡层、上限制层Ⅱ、P型欧姆接触层构成的半导体激光器外延结构。其中沿半导体激光器纵轴两侧，用湿法氧化法或质子轰击的方法，形成一层电流阻挡层，有效地抑制了有源区Ⅱ的电流扩展效应。本发明双波长输出的光混频产生的太赫兹波较方便、易实现且经过光腔耦合输出的光是同轴的，实现了同步控制；同轴双波长半导体激光器源使得太赫兹源结构简单、成本降低、连续输出功率大且能在室温下工作。

Description

一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器及制造方法，属于半导体光电子技术领域，尤其涉及一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法。

背景技术

太赫兹（THz，1THz=1012Hz)通常是指频率从0.1THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的相当宽范围的电磁辐射区域，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。自然界广泛存在太赫兹射线，如周围大多物体的热辐射都有太赫兹辐射，宇宙背景辐射频谱也大部分都在太赫兹频段。近几年来，由于THz波这一特殊波段在环境监测、生物和医学工程、天文学、材料科学工程、信息工程及国防（如安检及反恐等）等方面所展示的广阔的应用前景，THz科学和技术的研究获得了很大进展，而THz源及THz辐射的产生是THz电磁辐射研究的一个主要限制方面。

太赫兹源可以通过电子学或光子学两种方法获得。目前，用电子学方法，如电子振荡器在室温下获得的最高振荡频率约为0.7THz；通过光子学方法来获得THz辐射可用飞秒激光脉冲激发获得脉冲宽带THz辐射（如光整流、光导天线、光导开关等)，功率脉冲激光差频或THz参量振荡器，半导体量子级联激光器，THz气体激光器，光子混频并通过光导天线获得连续可调谐THz等。半导体激光器基本工作原理是通过对半导体激光器加正向偏压，使半导体物质（即电子）在能带间跃迁发光，光子在F-P谐振腔中来回谐振，进行纵模选择，选择出非常少数的模式，这些模式在腔中震荡的同时，与处于激发态的电子空穴相互作用，产生受激发射，实现这些被选择模式的放大，从腔面输出激光。半导体激光器以其体积小、重量轻、电光转化效率高、性能稳定、可靠性高和寿命长等优点，广泛应用于光纤通信、材料加工、光盘存取和光信息处理等重要领域。

目前，室温下连续可调谐THz辐射是获得高分辨率THz谱应用的重要工具，也一直是人们关注的研究热点和难点。利用两个独立的半导体激光器实现光子混频可以得到连续THz辐射，但将不同波长的分立激光器组合需要两套光路，使得组装时间长、体积增大，且成本提高。为克服现有技术不足，本发明提出一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法，该半导体激光器通过两个有源区输出不同波长激光进行光子混频获得室温下连续可调谐THz辐射，两个有源区通过再生机构连接，充分高效地利用了光子再生使得功耗降低，不但实现了同步出光而且减少了工艺成本，是一种比较经济的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法，该半导体激光器包括衬底、下限制层Ⅰ、下波导层Ⅰ、有源层Ⅰ、上波导层Ⅰ、上限制层Ⅰ、再生机构、下限制层Ⅱ、下波导层Ⅱ、有源层Ⅱ、上波导层Ⅱ、电流阻挡层、上限制层Ⅱ、P型欧姆接触层构成的半导体激光器外延结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法，针对光混频产生太赫兹波的半导体激光器提出一种新型双波长半导体激光器，两个波长分别是从同一激光器的不同有源区经过光腔耦合后输出，这样就能够得到同步的，每一个波长都是单模的，每个有源区的发射能量只集中在对应波长内，只输出两个分立的波长的半导体激光器。本发明中，再生机构作为波导的一部分，它的作用是隔离两个子有源区的光场，使得两个波长的光独立出射，这需要将子有源区的波导设计成上下限制层不对称材料，使得子有源区的光场分别自隧道结两边向量子阱区压缩，这样两个有源区不同波长的光场相互独立。其次，光混频成太赫兹的两个波长频率相差很小，可以通过调整压应变量子阱材料与阱厚度来调节使得激射波长有差别。

其制造方法包括以下步骤：

本发明具体制作方法有以下几个步骤：

步骤一，在衬底上依次生长下限制层Ⅰ、有源层Ⅰ、上限制层Ⅰ、再生机构、下限制层Ⅱ、有源层Ⅱ、电流阻挡层、上限制层Ⅱ、P型欧姆接触层；

步骤二，腐蚀除去P型欧姆接触层和上限制层Ⅱ的两侧，在P型欧姆接触层的纵轴中心位置形成一个脊型台，P型欧姆接触层上下贯通，上限制层Ⅰ上下不贯通；

步骤三，在上限制层和脊型台的上表面上淀积电绝缘介质，即二氧化硅绝缘层；

步骤三，在上限制层Ⅱ和脊型台的上表面上淀积电绝缘介质；

步骤四，腐蚀去除脊型台表面上的二氧化硅绝缘层，形成覆盖于上限制层Ⅱ的上表面及脊型台侧面的二氧化硅介质层；

步骤五，在二氧化硅绝缘层和脊型台的上表面上制备上层P型电极；

步骤六，对衬底进行减薄抛光后在其上制备下层N型电极；

步骤七，将制作完成的芯片解离，然后用湿法氧化的方法氧化高铝层，在两侧各生成一层电流阻挡层。

步骤一中的再生机构可以是隧道结或者是薄金属层。电流阻挡层采用的是在有源区上生长一层高铝组分，然后用湿法氧化的方法氧化高铝组分层形成氧化层，这层氧化层就是电流阻挡层；或者是用质子轰击的方法形成电流阻挡层。生长限制层、具有量子阱结构的有源区、高铝组分层、欧姆接触层可以采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）。

步骤二中可以采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法刻蚀脊型台；正面电极和背面电极可以通过溅射技术、热蒸发技术、电子束蒸发技术或离子辅助电子束蒸发技术制备；该方法在步骤六之后，将氧化后的管芯并在激光器的前后腔面上分别镀上增透膜和高反膜，这样便可以提高激光器的输出功率，还能保护激光器腔面；上层P型电极和下层N型电极可以通过溅射技术、热蒸发技术、电子束蒸发技术或离子辅助电子束蒸发技术制备。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过在同一衬底上生长两个输出波长不同的有源区，其间用再生机构连接，其特点是两个波长的光分别为单纵模，波长随环境（温度，电流注入调制等）漂移一致保持同步，输出功率大、制备简单、可靠性强。

2、同时在半导体激光器端面引入垂直腔面半导体激光器的湿法氧化工艺，氧化高铝组分层，形成电流阻挡层；或者用质子轰击的方法，生成一层电流阻挡层，这样限制了有源区Ⅱ的载流子扩散，使得两个子有源区电流扩展基本相同，达到限制电流扩展的目的。

3、现有常见的利用双波长光混频产生太赫兹的方法，都是利用两个半导体激光器产生两个不同波长，经过光混频产生太赫兹波，这种方法组合需要两套光路，组装时间长、体积增大，且成本提高。本发明是在一个半导体激光器上产生两个不同波长，简单且便于操作，更好的实现了同步性。

附图说明

附图为本发明提供的双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器的侧向剖面示意图。

图中：1、衬底2、下限制层Ⅰ3、下波导层Ⅰ4、有源层Ⅰ5、上波导层Ⅰ6、上限制层Ⅰ7、再生机构8、下限制层Ⅱ9、下波导层Ⅱ10、有源层Ⅱ11、上波导层Ⅱ12、电流阻挡层13、上限制层Ⅱ14、二氧化硅绝缘层15、下层N型电极16、上层P型电极17、P型欧姆接触层。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步说明。

如附图所示为本发明提供的双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器的侧向剖面示意图，包括：衬底1、N型限制层2、下波导层Ⅰ3、有源层Ⅰ4、上波导层Ⅰ5、P型限制层6、再生机构7、N型限制层8、下波导层Ⅱ9、有源层Ⅱ10、上波导层Ⅱ11、电流阻挡层12、P型限制层13、二氧化硅绝缘层14、下层N型电极15、上层P型电极16、P型欧姆接触层17。

本发明具体制作方法有以下几个步骤：

步骤一，在衬底1上依次生长下限制层Ⅰ2、有源层Ⅰ4、上限制层Ⅰ6、再生机构7、下限制层Ⅱ8、有源层Ⅱ10、电流阻挡层12、上限制层Ⅱ13、P型欧姆接触层17；

步骤二，腐蚀除去P型欧姆接触层17和上限制层Ⅱ13的两侧，在P型欧姆接触层17的纵轴中心位置形成一个脊型台，P型欧姆接触层17上下贯通，上限制层Ⅰ6上下不贯通；

步骤三，在上限制层13和脊型台的上表面上淀积电绝缘介质，即二氧化硅绝缘层14；

步骤三，在上限制层Ⅱ13和脊型台的上表面上淀积电绝缘介质；

步骤四，腐蚀去除脊型台表面上的二氧化硅绝缘层14，形成覆盖于上限制层Ⅱ13的上表面及脊型台侧面的二氧化硅介质层14；

步骤五，在二氧化硅绝缘层14和脊型台的上表面上制备上层P型电极16；

步骤六，对衬底1进行减薄抛光后在其上制备下层N型电极15；

步骤七，将制作完成的芯片解离，然后用湿法氧化的方法氧化高铝层，在两侧各生成一层电流阻挡层12。

步骤一中，生长下限制层Ⅰ2、上限制层Ⅱ13、下波导层Ⅰ3、有源层Ⅰ4、上波导层Ⅰ5、电流阻挡层12、P型欧姆接触层17可以采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）加工。

步骤二中，可以采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法刻蚀脊型台。

上层P型电极16和下层N型电极15可以通过溅射技术、热蒸发技术、电子束蒸发技术或离子辅助电子束蒸发技术制备。

下面的具体制作方法中，以常用的制作方法做介绍，其中再生机构采用隧道结结构，电流阻挡层则采用氧化高铝组分层的方法获得。由于隧道结高掺杂以及生长材料比较厚，上下两个有源区的电流扩展效应有所不同。所以在第二个有源区的波导层生长出一层高铝组分AlGaAs材料，通过湿法氧化约束电流扩展效益，使两个有源区的电流扩展基本一致。本发明中，隧道结的再生电子的作用保留，而作为波导的一部分，它的作用是隔离两个子有源区的光场，使得两个波长的光独立出射，这需要将子有源区的波导设计成上下限制层不对称材料，使得子有源区的光场分别自隧道结两边向量子阱区压缩，这样两个有源区不同波长的光场相互独立。其次，光混频成太赫兹的两个波长频率相差很小，可以通过调整压应变量子阱的材料与阱的厚度来调节使得激射波长有差别。

下面以980nm铟镓砷系量子阱半导体激光器为例说明本实施例的具体实施过程，即制作上述双波长半导体激光器的方法，具体实施包括以下几个步骤：

步骤一，衬底1为N型GaAs材料，在衬底1上采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）依次生长下限制层Ⅰ2、有源区Ⅰ4、上限制层6、隧道结、下限制层Ⅱ8、有源区Ⅱ10、高铝组分层、上限制层Ⅱ13、P型欧姆接触层17；

步骤二，在P型欧姆接触层17上通过光刻形成光刻胶图形，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法除去P型欧姆接触层17和上限制层Ⅱ13的两侧，在P型欧姆接触层17的纵轴中心位置形成一个脊型台，P型欧姆接触层17上下贯通，上限制层Ⅱ13上下不贯通；

步骤三，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法，在上限制层Ⅱ13和脊型台的上表面上淀积二氧化硅绝缘层；

步骤四，在二氧化硅绝缘层11上通过光刻形成光刻胶图形，在腐蚀去除脊型台表面上的二氧化硅，形成覆盖于上限制层Ⅱ13的上表面及脊型台的侧面的二氧化硅绝缘层14；

步骤五，在二氧化硅绝缘层14和脊型台的上表面上采用溅射的方法制备上层P型电极16；

步骤六，对衬底1进行减薄抛光后采用蒸发的方法在其上制备下层N型电极15；

步骤七，用干法刻蚀在激光器两侧刻蚀隔离槽，隔离槽的深度要刻到高铝组分层以下；

步骤八，然后用湿法氧化的方法氧化高铝组分层，在激光器两侧各生成一层电流阻挡层12。

步骤一中的隧道结是形成再生机构一种方法，电流阻挡层12采用的是在有源区Ⅱ10上生长一层高铝组分，然后用湿法氧化的方法氧化高铝组分层形成氧化层，这层氧化层就是电流阻挡层12。

步骤二可以采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法刻蚀脊型台；正面电极16和背面电极15可以通过溅射技术、热蒸发技术、电子束蒸发技术或离子辅助电子束蒸发技术制备；该方法在步骤八之后还可以进一步包括：将制作完成的激光器芯片解离成Bar条，应用镀膜设备在排列的激光器前后腔面分别镀上增透膜和高反膜，达到提高半导体激光器的输出功率以及保护腔面作用。

需要说明的是：本实施例所述的新型双波长半导体结构也适用于GaN基、InP基半导体激光器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的说明，应当理解的是，以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法，其特征在于：双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器包括衬底（1）、N型限制层（2）、下波导层Ⅰ（3）、有源层Ⅰ（4）、上波导层Ⅰ（5）、P型限制层（6）、再生机构（7）、N型限制层（8）、下波导层Ⅱ（9）、有源层Ⅱ（10）、上波导层Ⅱ（11）、电流阻挡层（12）、P型限制层（13）、二氧化硅绝缘层（14）、下层N型电极（15）、上层P型电极（16）、P型欧姆接触层（17）。

2.根据权利1要求所述的一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法，其特征在于：本发明具体制作方法有以下几个步骤。

步骤一，在衬底（1）上依次生长下限制层Ⅰ（2）、有源层Ⅰ（4）、上限制层Ⅰ（6）、再生机构（7）、下限制层Ⅱ（8）、有源层Ⅱ（10）、电流阻挡层（12）、上限制层Ⅱ（13）、P型欧姆接触层（17）；

步骤二，腐蚀除去P型欧姆接触层（17）和上限制层Ⅱ（13）的两侧，在P型欧姆接触层（17）的纵轴中心位置形成一个脊型台，P型欧姆接触层（17）上下贯通，上限制层Ⅰ（6）上下不贯通；

步骤三，在上限制层（13）和脊型台的上表面上淀积电绝缘介质，即二氧化硅绝缘层（14）；

步骤三，在上限制层Ⅱ（13）和脊型台的上表面上淀积电绝缘介质；

步骤四，腐蚀去除脊型台表面上的二氧化硅绝缘层（14），形成覆盖于上限制层Ⅱ（13）的上表面及脊型台侧面的二氧化硅介质层（14）；

步骤五，在二氧化硅绝缘层（14）和脊型台的上表面上制备上层P型电极（16）；

步骤六，对衬底（1）进行减薄抛光后在其上制备下层N型电极（15）；

步骤七，将制作完成的芯片解离，然后用湿法氧化的方法氧化高铝层，在两侧各生成一层电流阻挡层（12）。

3.根据权利1或2要求所述的一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法，其特征在于：生长下限制层Ⅰ（2）、上限制层Ⅱ（13）、下波导层Ⅰ（3）、有源层Ⅰ（4）、上波导层Ⅰ（5）、电流阻挡层（12）、P型欧姆接触层（17）可以采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）加工；可以采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法刻蚀脊型台；上层P型电极（16）和下层N型电极（15）可以通过溅射技术、热蒸发技术、电子束蒸发技术或离子辅助电子束蒸发技术制备。

4.根据权利1或2要求所述的一种双波长输出光混频产生太赫兹波的半导体激光器及制造方法，其特征在于：两个有源区的光场是经过光耦合输出的；利用湿法氧化或是质子轰击的方法，形成电流阻挡层，控制有源区的载流子扩散，控制电流密度，从而控制两个有源区的激射波长；载流子再生机构可以是隧道结或是薄金属键合层。