CN104966992A - 内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器及其制备方法属于新型量子级联激光器技术领域，该激光器包括：导流孔、内建纳米通道、太赫兹量子级联激光器芯层和衬底；所述太赫兹量子级联激光器芯层包括光波导和不发光芯片区域；太赫兹量子级联激光器芯层制作在衬底上；在不发光芯片区域上制作导流孔，其深度贯穿太赫兹量子级联激光器内的多个内建纳米通道，且小于太赫兹量子级联激光器芯层和衬底厚度的总和。本发明直接针对芯片进行冷却，冷却效率高，避免了衬底的热阻带来的散热困难。内建纳米通道，可以制作在衬底上，也可以制作在半导体激光器芯层内部。选用合适的工作物质，可以实现不同温度下太赫兹量子级联激光器的工作。

Description

内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于新型太赫兹量子级联激光器技术领域，具体涉及一种内建纳米通道冷却太赫兹量子级联半导体激光器及其制备方法。

背景技术

太赫兹量子级联激光器目前正在越来越广泛的应用于国防、信息安全、检测、医疗、通讯、国防等领域，但是，由于其体积小、功率高、产热多、散热难等问题，一直影响着太赫兹量子级联激光器的使用寿命和器件稳定性，因而至今没有实现室温激射。

在太赫兹量子级联激光器中，主要的产热机理有电阻产热、光子的吸收产热、能级与晶格的能量交换产热等。热量主要产生在太赫兹量子级联激光器芯片的光波导内，其厚度通常在百微米量级，长度在毫米量级。在这样小的尺度上，产生百毫瓦的激光能量，会有大量的废热堆积在芯片上需要及时散掉，否则会大大增加激光器损耗、升高激光器芯片的温度、缩短激光器的寿命、影响太赫兹量子级联激光器的稳定性。

现阶段的散热手段包括热沉散热、水冷、风冷散热、热管散热等。然而这些手段依然无法改变太赫兹量子级联激光器散热难的现状。这主要是因为，太赫兹量子级联激光器制备在低热导系数的衬底上，即便经过衬底减薄，在器件上依然有上百微米的厚度，衬底不仅自身有电阻会产生热量，还隔绝了热量从衬底方向的传递，使得太赫兹量子级联激光器的光波导芯片的光波导温度通常要比外界高很多。而现有的散热方式无法在芯片的尺度上(厚度在微米到百微米量级)对太赫兹量子级联激光器的主要产热区——光波导进行有效的散热。因而太赫兹量子级联激光器芯片级别的散热问题，是亟待解决的难题。尤其是太赫兹量子级联激光器，由于其太赫兹波段的激光特性，在如今市场上有着大量的需求，军事和信息安全方面也有着广阔的应用。然而自其问世以来，由于散热问题得不到解决，始终不能在室温下工作，严重影响了器件的应用。

因而需要研制出一种在芯片尺度上可以有效散热的太赫兹量子级联激光器及制备方法，从而提高太赫兹量子级联激光器的寿命和稳定性，拓展太赫兹量子级联激光器的应用领域，甚至使得太赫兹量子级联激光器可以在室温工作，满足日益剧烈的太赫兹波段激光光源的需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器及其制备方法，主要在芯片尺度上解决太赫兹量子级联激光器散热问题，这种激光器的制备方法适用于边发射激光器、面发射激光器和太赫兹量子级联激光器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，该激光器包括：导流孔、内建纳米通道、太赫兹量子级联激光器芯层和衬底；太赫兹量子级联激光器芯层包括光波导和不发光芯片区域；太赫兹量子级联激光器芯层制作在衬底上；在不发光芯片区域上制作导流孔，其深度贯穿太赫兹量子级联激光器内的多个内建纳米通道，且小于太赫兹量子级联激光器芯层和衬底厚度的总和。

内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器的制备方法，该方法包含如下步骤：

步骤一：通过光刻或者电子束曝光的方法在衬底或者未完成材料生长全过程的太赫兹量子级联激光器芯层上制作用于实现内建纳米通道的沟槽；

步骤二：通过二次外延生长的方法，形成内建纳米通道，并继续外延直至顶面找平，随后继续完成制备太赫兹量子级联激光器芯层区域；

步骤三：预留出即将制备导流孔的区域后，进行常规半导体激光器工艺，制备太赫兹量子级联半导体激光器；

步骤四：步骤三的预留区域，制备导流孔，完成一种内建纳米通道冷却太赫兹量子级联半导体激光器的制备。

本发明的有益效果是：

1、可以直接针对芯片进行冷却，冷却效率高，避免了衬底的热阻带来的散热困难。

2、选用合适的工作物质，可以实现不同温度下太赫兹量子级联激光器的工作。

3、本发明不仅可以用在太赫兹量子级联激光器中，也可以应用在其他的半导体激光器芯片中，解决半导体激光器芯片内部的直接散热问题。

4、本发明的内建纳米通道，可以制作在衬底上，也可以制作在半导体激光器芯层内部。

5、当内建纳米通道制作在衬底上时，只能够起到直接对芯片散热的功能，但是不会破坏光波导结构，所得到的激光器芯片工作特性更加稳定。

6、当内建纳米通道与光波导结构有交叠时，不仅能够直接对有源区进行散热，限制载流子路径、减少光波导导波模式的电子损耗作用；还可以用来稳定光学模式，产生频率稳定、光学模式单一的波导模式。

附图说明

图1为本发明的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器实施例1的剖面图；

图2为本发明的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器实施例1的三维立体图；

图3为本发明的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器实施例1的制备方法图；

图4为本发明的内建纳米通道冷却太赫兹量子级联半导体激光器实施例2的三维立体图；

图5为本发明的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器实施例3的三维立体图。

图中：1、导流孔，2、内建纳米通道，3、太赫兹量子级联激光器芯层，4、衬底，5、光波导，6、不发光芯片区域，7、工作物质。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，内建纳米通道冷却太赫兹量子级联半导体激光器，该激光器包括：导流孔1、内建纳米通道2、太赫兹量子级联激光器芯层3和衬底4、；其中，太赫兹量子级联激光器芯层3包括光波导5和不发光芯片区域6；太赫兹量子级联激光器芯层3制作在衬底4上；工作物质7通过导流孔1进入内建纳米通道2，通过热传导或相变吸收光波导5产生的热量；再经由导流孔1流出，将热量散到热沉或者外界。

导流孔1为保证密封性，导流孔1的深度贯穿内建纳米通道2，但小于太赫兹量子级联激光器芯层3和衬底4厚度的总和。导流孔1所在的不发光区域6没有制作电极窗口，因而不导电，不引入额外的热量。

内建纳米通道2的可以制作在衬底4，不发光区域6，也可以和光波导5内部有所交叠，起到限制载流子路径、减少光波导导波模式的电子损耗作用；还可以用来稳定光学模式，产生频率稳定、光学模式单一的波导模式。

内建纳米通道2要在太赫兹量子级联激光器芯片3内部贯穿一个导流孔1到另外一个导流孔1，但是不能贯穿整个太赫兹量子级联激光器芯层3，否则会破坏密封性，从而造成工作物质7的损失。内建纳米通道2的截面宽度和高度要满足二次外延工艺能够跨越并且覆盖的尺度，即为百纳米数量级。

工作物质7可以为气体、不导电液体、及相变传热液体。工作物质7不能与太赫兹量子级联激光器芯层3或衬底4发生化学反应，其纯净度要求不能含有堵塞内建纳米通道2和导流孔1的固体物质。当工作物质7为液体时，可以利用内建纳米通道2的毛细作用、或者从注入端的导流孔1施加压强、或者从输出端导流孔1抽取、或者利用重力或液体热动力学的方式对工作物质7进行流动方向的控制。

实施例1：

如图3所示，内建纳米通道冷却太赫兹量子级联半导体激光器的制备方法，包含以下几个步骤：

步骤一：在已经生长制作了部分太赫兹量子级联激光器芯层2上，通过光刻或者电子束曝光的方法，制备按照设计的内建纳米通道2的分布形式进行曝光和刻蚀，一次性刻蚀出宽度300nm，深度300nm，侧壁倾角为60°的沟槽，沟槽长度1200μm。

步骤二：通过二次外延生长的方法，利用不同晶向的生长速率不同，生长形成内建纳米通道3，并继续外延直至顶面找平，随后继续制备太赫兹量子级联激光器芯层3。

步骤三：在跨越长度1.6mm的范围内，包括光刻、腐蚀、制作绝缘层、套刻、制作电极窗口、制作P面电极、衬底减薄和剖光、制备N面电极等通常半导体激光器工艺步骤，制备太赫兹量子级联激光器，太赫兹量子级联激光器的光波导5尺寸为长4mm，宽400μm，距离两侧导流孔1所在的不发光芯片区域6各有200μm距离的刻蚀区域，其中光波导5的厚度为300μm。注意到，1.6mm的长度足以覆盖整个1200μm的沟槽长度，因而保证了沟槽方向的密封性。

步骤四，在太赫兹量子级联激光器芯层3的不发光芯片区域6的预留位置，制备导流孔1，导流孔1的尺寸为距离刻蚀区域50μm，宽300μm，长3.5mm，深度为大于200μm，但小于300μm。注意到，1200μm的构造长度足以贯穿400μm的光波导5的长度与两侧200μm的刻蚀区域以及两侧预留的导流孔1的部分距离，这样保证了工作物质7的通过导流孔1进入和流出内建纳米通道2的流通性和垂直芯片方向的密封性。本实施例中注入的工作物质7为去离子水，并使得去离子水和外界微通道热沉相连接。

实施例2与实施例3：

内建纳米通道冷却太赫兹量子级联半导体激光器的制备方法，包含以下几个步骤：

步骤一：在衬底4上，通过光刻或者电子束曝光的方法，制备按照设计的内建纳米通道2的分布形式进行曝光和刻蚀，一次性刻蚀出沟槽结构。

步骤二，通过二次外延生长的方法，利用不同晶向的生长速率不同，生长形成内建纳米通道3，并继续外延直至衬底4的顶面找平，随后继续制备太赫兹量子级联激光器芯层3。

步骤三，完成光刻、腐蚀、制作绝缘层、套刻、制作电极窗口、制作P面电极、衬底减薄和剖光、制备N面电极等通常半导体激光器工艺步骤，制备太赫兹量子级联激光器。

步骤四，在太赫兹量子级联激光器芯层3的不发光芯片区域6的预留位置，制备导流孔1。实施例2中的导流孔1制作在P面，实施例3中的导流孔1制作在N面，均刻蚀超过导流孔1所在位置，而且不贯穿太赫兹量子级联激光器芯层3和衬底4的厚度总和。本实施例中注入的工作物质7为无尘空气或氟利昂，并使得无尘空气或氟利昂和外界微通道热沉相连接。

实施例1说明内建纳米通道2可以制作在太赫兹量子级联激光器芯层3内部；实施例2和实施例3说明内建纳米通道2可以制作在衬底4上。如图4所示，实施例1和实施例2说明内建纳米通道2可以贯穿光波导5结构，如图5所示，实施例3说明内建纳米通道2可以不贯穿光波导5的结构而是只制作在不发光区域6或不发光区域6下方的衬底4上。实施例1和实施例2的区别在于，实施例1的刻蚀方向是(100)方向，因而沟槽的侧壁不能是陡直的(即侧壁不能是001方向)，只能是有一定倾斜角度的；而实施例2的刻蚀方向是(MN0，M和N是正整数)方向，其侧壁可以是陡直的(即侧壁可以是001方向)。

内建纳米通道冷却太赫兹量子级联半导体激光器的制备方法，步骤一和步骤二中，当内建纳米通道2的方向和晶向(100)或(010)平行时，沟槽的侧壁不是陡直的(可以是例如M0N或0MN晶向，M和N是正整数)，反之，当内建纳米通道2的方向是(MN0)方向时，侧壁可以是陡直的。这样就保证了沟槽的侧壁的晶向和晶体生长的晶向有着不同的生长速率，在二次外延到一定厚度的时候，快速生长的晶向可以把沟槽包裹起来，新的沉积物质不再沉积到沟槽内部，形成内部管道状的内建纳米通道2。

Claims (8)

1.内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，该激光器包括：导流孔、内建纳米通道、太赫兹量子级联激光器芯层和衬底；所述太赫兹量子级联激光器芯层包括光波导和不发光芯片区域；太赫兹量子级联激光器芯层制作在衬底上；在不发光芯片区域上制作导流孔，其深度贯穿太赫兹量子级联激光器内的多个内建纳米通道，且小于太赫兹量子级联激光器芯层和衬底厚度的总和。

2.根据权利要求所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述内建纳米通道的截面宽度和高度要满足二次外延工艺能够跨越并且覆盖的尺度。

3.根据权利要求1所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述内建纳米通道制作在衬底，不发光区域，或者贯穿光波导和不发光芯片区域。

4.根据权利要求1所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述的内建纳米通道贯穿两个相邻的导流孔。

5.根据权利要求1所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述内建纳米通道通过工作物质实现冷却；其中工作物质为气体、不导电液体或相变传热液体；工作物质不能与太赫兹量子级联激光器芯层或衬底发生化学反应，其纯净度要求不能含有堵塞内建纳米通道和导流孔的固体物质。

6.根据权利要求5所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器，其特征在于，所述工作物质为液体时，利用内建纳米通道的毛细作用、从注入端的导流孔施加压强、从输出端导流孔抽取或者利用重力或液体热动力学的方式对工作物质进行流动方向的控制。

7.基于内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器的制备方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

步骤一：通过光刻或者电子束曝光的方法在太赫兹量子级联激光器芯层上制作内建纳米通道的沟槽；

步骤二：通过外延生长的方法，形成内建纳米通道，并继续外延直至量子级联激光器芯片顶面找平，随后继续制备太赫兹量子级联激光器芯层中的光波导结构层；

步骤三：预留出即将制备导流孔的区域后，进行常规半导体激光器工艺，制备半导体激光器；

步骤四：在太赫兹量子级联激光器芯层的预留区域，制备导流孔，完成一种内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器的制备方法。

8.根据权利要求6所述的内建纳米通道冷却量子级联半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤一和步骤二中，当内建纳米通道的方向和晶向(100)或(010)平行时，沟槽的侧壁是倾斜的，是(M0N)或(0MN)晶向，其中M和N是正整数；外延生长到百纳米厚度的时候，快速生长的晶向把沟槽包裹起来，形成内部管道状的内建纳米通道；当内建纳米通道的方向是沿着(MN0)方向时，侧壁是陡直的，沿着(001)的晶向方向。