CN103915758A - 一种多模干涉结构太赫兹量子级联激光器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模干涉结构太赫兹量子级联激光器，包括多模干涉波导结构，所述多模干涉波导结构从垂直方向自下而上依次为半绝缘衬底、缓冲层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；所述有源区、上接触层和上金属层在下接触层上形成脊型结构；所述脊型结构两侧设有下金属层；所述上金属层通过湿法刻蚀形成多模波导和输出波导；所述输出波导为单模波导，并位于多模波导两端中心处；所述输出波导的宽度小于所述多模波导的宽度。本发明还涉及THz QCL制作方法。上述本发明能够提高THz QCL出光功率而又不降低出光光束质量和收集效率，保持器件小型化并降低成本。

Description

一种多模干涉结构太赫兹量子级联激光器及制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域中的太赫兹量子级联激光器，特别是涉及一种多模干涉结构太赫兹量子级联激光器及制作方法。

背景技术

电磁波谱中太赫兹（简称“THz”，1THz=1012Hz）波段是指频率从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频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于缺少有效的THz辐射产生和检测方法，导致THz波段的电磁波长期未得到充分地研究和应用，被称为电磁波谱中的“THz空隙”。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，THz量子级联激光器（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，成为THz辐射源研究领域的热点之一。THzQCL是一种电泵浦的单极器件，多采用GaAs/AlGaAs材料系统。电子通过在子带间的跃迁辐射出光子，通过改变势阱和势垒的宽度，可以改变激射能级之间的能量差，从而控制辐射光子的频率。一个完整的量子级联激光器有源区由几十甚至几百个周期组成。THzQCL在实时成像、在线检测、环境监测和空间保密通信等应用领域具有重要的应用价值。由于空气中水汽会严重衰减THz波的能量等原因，具有高出光功率THz QCL是提升THz通信、THz成像等系统质量的关键器件，是THz QCL研究的重点方向之一。提高THz QCL出光功率最常用的方案是增大器件的增益面积，但过宽的波导宽度会激发高阶侧模，降低出射光束质量和收集效率。而采用楔形（taper）波导结构取代传统矩形条的激光器波导结构的THz QCL，输出光从原先较窄的输出波导由一段绝热波导过渡到较宽的波导输出，这种结构可以既增加激光器增益面积又不激发高阶侧模。但为了抑制高阶侧模激发、提高光束质量，楔形波导的角度一般较小（一般小于5°），使得器件长度过长，不利于器件小型化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多模干涉结构太赫兹量子级联激光器及制作方法，能够提高THz QCL出光功率而又不降低出光光束质量和收集效率，保持器件小型化并降低成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一模干涉结构太赫兹量子级联激光器，包括多模干涉波导结构，所述多模干涉波导结构从垂直方向自下而上依次为半绝缘衬底、缓冲层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；所述有源区、上接触层和上金属层在下接触层上形成脊型结构；所述脊型结构两侧设有下金属层；所述上金属层通过湿法刻蚀形成多模波导和输出波导；所述输出波导为单模波导，并位于多模波导两端中心处；所述输出波导的宽度小于所述多模波导的宽度。

所述有源区为束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构、或啁啾晶格结构。

所述多模波导和输出波导均为半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。

所述有源区发出的太赫兹光在多模波导两侧中心位置形成强度相等的两个像。

所述多模波导的宽度为200μm，长度为1556μm；所述输出波导的宽度为50μm。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于半绝缘等离子波导的多模干涉结构太赫兹量子级联激光器的制作方法，包括以下步骤：

（1）在半绝缘衬底上生长缓冲层，n型重掺杂下接触层、有源区、n型重掺杂上接触层、上金属层，使有源区、n型重掺杂上接触层和上金属层在下接触层上形成脊型结构；在所述脊型结构两侧的下接触层上生长下金属层；

（2）通过光刻显影方法开槽，电子束蒸发上金属层，带胶剥离形成上电极；

（3）采用湿法刻蚀脊波导，利用下接触层做刻蚀停止层，形成输出波导和多模波导的波导图形，使得输出波导位于多模波导两端中心处，并且输出波导的宽度小于所述多模波导的宽度，其中，输出波导为单模波导；

（4）电子束蒸发下金属层，带胶剥离形成下电极；

（5）减薄衬底，焊线封装，完成器件制作。

所述步骤（3）中利用光束传播法计算不同多模波导长度对应的输出功率，选择多模波导输出功率最大时对应的多模波导长度，并根据多模波导长度确定多模波导的宽度。

所述多模波导的宽度为200μm，长度为1556μm；所述输出波导的宽度为50μm。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明采用多模干涉结构波导来代替THz QCL普通矩形条或楔形波导结构，同等器件长度下，本发明的太赫兹量子级联激光器具有更大的增益面积，因而具有更高的输出光功率；同时，多模干涉结构能够保证输出光是单横模的，有效抑制高阶侧模，提高了出光光束的质量。

本发明克服传统矩形条或楔形结构THz QCL的缺点，制作工艺简单，工艺容差大，易集成，在相同器件长度条件下，新型器件具有更高输出功率，能够输出单横模光从而提高出光光束质量和收集效率，保持器件的小型化，降低了成本，对提升THz通信系统和成像质量系统的性能具有重要的意义。

附图说明

图1是半绝缘等离子体波导结构剖面图；

图21x1多模干涉结构THz QCL示意图；

图350μm宽波导基模光场分布图；

图4不同多模波导长度对应输出功率的计算结果图；

图5优化后1x1多模干涉波导光场分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

THz QCL脊型波导结构采用半绝缘等离子体波导结构，如图1所示。器件材料结构从下到上，依次为GaAs半绝缘衬底1、GaAs缓冲层2、重掺杂下接触层3、下金属电极7、有源区4多量子阱结构（厚度10μm左右）、重掺杂上接触层5和上金属电极6。

图2是1x1多模干涉结构THzQCL结构示意图。输出波导9位于多模波导8两端中心处。光在波导中有源区产生，由两端单模输出波导出射。其中，THz QCL有源区可采用任何一种有源区结构，包括束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构、啁啾晶格结构等。THz QCL脊型波导结构可采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。

图2中THz QCL采用1x1多模干涉波导结构，THz激光由激光器腔内有源层产生。THz光在多模波导内激发高阶导模，由于各导模传播常数不同，造成光能量在多模波导中周期性分布，当多模波导取特定长度和宽度时，THz光在多模波导两侧中心位置形成强度相等的两个像，这时在多模波导两侧中心处制作单模输出波导，就可以得到单横模THz光。

由于器件等效折射率与空气相差大，整个器件结构形成了一个谐振腔，THz激光在腔内会形成多模干涉现象，为了使光在输出波导位置处“成像”，单模输出，需要设计波导参数有多模波导宽度L，多模波导宽度W_mmi和输出波导宽度W_in，如图2所示。

其设计方法可以采用光束传播法或有限元法等数值方法，具体如下：

步骤一：设计输出波导宽度W_in。保证输出波导为单模波导，不激发高阶侧模。宽度为50μm的单模波导基模光场分布如图3所示，光很好地限制在波导中。

步骤二：利用等效折射率法估算的多模干涉器件多模波导拍长与宽度的关系L_π≈4n_rW_mmi/3λ，其中，L_π为多模波导拍长，n_r为波导的等效折射率，λ为工作波长。由此可知，多模波导长度与宽度平方成正比，因此，需要设计合适多模波导长宽，既保证多模干涉现象发生，又不能使器件过长，不利于器件小型化，提高成本。设计多模波导宽度为200μm，足够激励多个高阶导模形成多模干涉现象。利用光束传播法计算不同多模波导长度对应的输出功率，如图4所示，选择多模波导长度为1556μm使器件输出功率最大。所设计200μmx1556μm器件中多模干涉现象明显，97%光能量可以从输出波导中出射，输出光波为单横模光，如图5所示。

可以看到，200μmx1556μm多模干涉结构THz QCL较同等长度器件具有更宽的多模波导区域，增益面积更大，输出光功率更高；较相似宽度器件具有输出单横模光的特点，可以提供出射光束质量和收集效率。在一端输出波导镀防反射膜，即可实现THz激光器单端发射。

多模干涉结构THz QCL需要利用光束传播法或有限元法等数值方法对器件的波导结构进行优化设计，得到器件外形的最优尺寸进行工艺制作。可采用标准的半导体制作工艺对器件进行制备，包括电子束蒸发金属、带胶剥离、刻蚀波导等等，具体实施方式中会结合实际设计器件对工艺进行详细说明。其中，多模干涉波导结构在刻蚀波导步骤中形成，较传统矩形条或楔形结构THz QCL工艺，未引入额外工艺步骤。

基于半绝缘等离子体波导的多模干涉结构的THz QCL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型重掺杂下接触层、有源区、n型重掺杂上接触层、上金属层，使有源区、n型重掺杂上接触层和上金属层在下接触层上形成脊型结构；在所述脊型结构两侧的下接触层上生长下金属层。

步骤二：通过光刻显影方法开槽，电子束蒸发上金属层，带胶剥离形成上电极。

步骤三：采用湿法刻蚀脊波导，利用下接触层做刻蚀停止层，形成输出波导和多模波导的波导图形，使得输出波导位于多模波导两端中心处，并且输出波导的宽度小于所述多模波导的宽度，其中，输出波导为单模波导。

步骤四：电子束蒸发下电极金属，带胶剥离形成下电极。

步骤五：减薄衬底，焊线封装，完成器件制作。

不难发现，本发明的多模干涉结构THz QCL利用简单的半导体工艺加工方法，将多模干涉结构与THz QCL结合，较传统的矩形条或楔形结构THz QCL，可以提高器件的出光功率的同时保持器件的小型化，单横模输出THz激光，提高了出光光束质量和器件的收集效率，器件结构适用性强，可以应用于各种有源区结构的THz QCL，为THz通信、THz成像等系统性能提高奠定了基础。

Claims (8)

1.一种多模干涉结构太赫兹量子级联激光器，包括多模干涉波导结构，其特征在于，所述多模干涉波导结构从垂直方向自下而上依次为半绝缘衬底、缓冲层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；所述有源区、上接触层和上金属层在下接触层上形成脊型结构；所述脊型结构两侧设有下金属层；所述上金属层通过湿法刻蚀形成多模波导和输出波导；所述输出波导为单模波导，并位于多模波导两端中心处；所述输出波导的宽度小于所述多模波导的宽度。

2.根据权利要求1所述的多模干涉结构太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述有源区为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所述的多模干涉结构太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述多模波导和输出波导均为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所述的多模干涉结构太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述有源区发出的太赫兹光在多模波导两侧中心位置形成强度相等的两个像。

5.根据权利要求1所述的多模干涉结构太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述多模波导的宽度为200μm，长度为1556μm；所述输出波导的宽度为50μm。

6.一种多模干涉结构太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在半绝缘衬底上生长缓冲层，n型重掺杂下接触层、有源区、n型重掺杂上接触层、上金属层，使有源区、n型重掺杂上接触层和上金属层在下接触层上形成脊型结构；在所述脊型结构两侧的下接触层上生长下金属层；

（2）通过光刻显影方法开槽，电子束蒸发上金属层，带胶剥离形成上电极；

（3）采用湿法刻蚀脊波导，利用下接触层做刻蚀停止层，形成输出波导和多模波导的波导图形，使得输出波导位于多模波导两端中心处，并且输出波导的宽度小于所述多模波导的宽度，其中，输出波导为单模波导；

（4）电子束蒸发下金属层，带胶剥离形成下电极；

（5）减薄衬底，焊线封装，完成器件制作。

7.根据权利要求6所述的多模干涉结构太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤（3）中利用光束传播法计算不同多模波导长度对应的输出功率，选择多模波导输出功率最大时对应的多模波导长度，并根据多模波导长度确定多模波导的宽度。

8.根据权利要求7所述的多模干涉结构太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于，所述多模波导的宽度为200μm，长度为1556μm；所述输出波导的宽度为50μm。