CN105703216B - 一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法 - Google Patents

一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，包括：半绝缘GaAs衬底；位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；位于所述GaAs缓冲层表面的n型重掺杂下接触层；位于所述n型重掺杂下接触层表面的有源区；位于所述有源区表面的n型重掺杂上接触层；位于所述n型重掺杂上接触层表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属层，其中，所述第二上电极金属层为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层；以及位于所述n型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层。通过本发明提供的一种太赫兹量子级联激光器吸收波导及其制作方法，解决了现有技术中THz吸收器都是一个个分立的器件，且使用的材料与THz QCL差异较大，故不可能用在基于THz QCL材料的片上集成系统中的问题。

Description

一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及激光器半导体技术领域，特别是涉及一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率位于100GHz到10THz的一段电磁波，介于微波与红外波之间。从能量上来说，THz波的光子能量覆盖了半导体及等离子体的特征能量，也与有机和生物大分子等的转动及振动能量相匹配，因此可用于物质检测、环境监测等领域；从频域上看，THz波的频率高，适用于空间保密通信及高速信号处理等领域；此外，THz波能够穿透多种非导电材料，如塑料、木头、纸张等，在成像及公共安全等领域也有广泛的应用前景。在众多的THz辐射产生方式中，基于半导体的THz量子级联激光器(QCL)由于其体积小、轻便、功率高和易集成等特点，成为此领域一类重要的辐射源器件。
自2002年第一个THz QCL诞生，在巨大潜在应用前景的驱动下，THz QCL的结构不断改进，各项性能也不断刷新，目前的THz QCL激射波长能够覆盖0.84～5.0THz的频率范围，脉冲模式下输出峰值功率超过1W，最高工作温度达到225K。在这样的背景下，目前有关THz QCL的研究热点已经逐渐由传统的有源区和波导结构优化(用以提高THz QCL的工作温度和输出功率)转移到开发基于THz QCL材料的各种新型功能性器件，如波长可调谐THzQCL、THz光梳、THz光放大器等；由于上述基于THz QCL材料的各种新型功能性器件都是基于THzQCL材料体系，这些器件能够相互匹配，有望在未来组成全固态甚至片上集成的THz光学系统，对实现THz光学系统小型化与低功耗有非常重要的意义。
然而，THz波吸收器件方面的研究却比较落后。目前已经实现的基于石墨烯材料的THz可饱和吸收体和基于超材料(metamaterial)结构的THz吸收器都是一个个分立的器件，且使用的材料与THz QCL差异较大，故不可能用在基于THz QCL材料的片上集成系统中。
鉴于此，有必要提供一种新的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法用以解决上述问题。
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集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，用于解决现有技术中THz波吸收器件均为分立器件，且使用材料与THz QCL差异较大，无法用在基于THz QCL材料的片上集成系统中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器包括：
半绝缘GaAs衬底；
位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；
位于所述GaAs缓冲层表面的n型重掺杂下接触层；
位于所述n型重掺杂下接触层表面的有源区；
位于所述有源区表面的n型重掺杂上接触层；
位于所述n型重掺杂上接触层表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属层，其中，所述第二上电极金属层为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层；
以及位于所述n型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层。
优选地，所述退火后可形成高波导损耗的上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层。
优选地，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层中Ge与Pd的原子比大于1，Ti层的厚度范围为10～20um，Au层的厚度大于50um。
优选地，所述吸收波导的太赫兹波吸收能力与其长度呈线性正比关系。
优选地，所述第一上电极金属层的宽度与所述第二上电极金属层的宽度相等。
优选地，所述间隔距离L的长度范围为5～30um。
本发明还提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法，所述制作方法包括：
S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区以及n型重掺杂上接触层；
S2：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长第一上电极金属层，带胶剥离；
S3：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长退火后可形成高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电极金属层之间设有间隔距离L；
S4：在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述n型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
S5：进行温度大于等于340℃，时间大于等于20s的高温快速退火工艺；
S6：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂下接触层表面形成下电极金属层，带胶剥离；
S7：进行高温快速退火工艺；
S8：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
优选地，所述间隔距离L的长度范围为5～30um。
优选地，所述S5中高温快速退火工艺的温度小于425℃，时间小于120s。
优选地，当所述S7中高温快速退火的温度大于等于340℃、且时间大于等于20s时，所述制作方法包括：
S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区以及n型重掺杂上接触层；
S2：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长第一上电极金属层，带胶剥离；
S3：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长退火后可形成高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电极金属层的间隔距离为L；
S4：在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述n型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
S5：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂下接触层表面形成下电极金属层，带胶剥离；
S6：进行温度大于等于340℃、且时间大于等于20s的高温快速退火工艺；
S7：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
本发明还提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器，所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器包括：
掺杂GaAs衬底；
位于所述掺杂GaAs衬底上表面的键合金属层；
位于所述键合金属层表面的n型重掺杂下接触层；
位于所述n型重掺杂下接触层表面的有源区；
位于所述有源区表面的n型重掺杂上接触层；
以及位于所述n型重掺杂上接触层表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属层，其中，所述第二上电极金属层为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层。
本发明还提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法，所述制作方法包括：
S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、刻蚀阻挡层、n型重掺杂上接触层、有源区以及n型重掺杂下接触层；
S2：提供一掺杂GaAs衬底，采用电子束蒸发工艺在所述掺杂GaAs衬底表面及S1所述结构的n型重掺杂下接触层表面分别生长一键合金属层；
S3：采用倒装热压键合工艺将S2中形成的两结构进行键合；
S4：采用研磨及选择性刻蚀工艺去除半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层及刻蚀阻挡层；
S5：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长第一上电极金属层，带胶剥离；
S6：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长退火后可形成高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电极金属层之间设有间隔距离L；
S7：在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述键合金属层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
S8：进行温度大于等于340℃，时间大于等于20s的高温快速退火工艺；
S9：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
如上所述，本发明的一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，具有以下有益效果：本发明通过改变所述THz QCL的上电极金属层并进行合适的高温快速退火工艺实现了具有高波导损耗的THz吸收波导，从而显著提高了对THz波的吸收效率；本发明所述的吸收波导结构采用标准的GaAs材料体系工艺制备，制备工艺简单灵活，且与THzQCL在材料和结构方面完全匹配，易应用于THz片上集成光学系统中。
附图说明
图1～图4显示为本发明实施例一的结构示意图。
图5显示为本发明实施例一的三维图，其中，图4为图5的右视图。
图6显示为图5的俯视图。
图7显示为图5沿AA’方向的剖面图。
图8显示为图5沿BB’方向的剖面图。
图9显示为图5沿CC’方向的剖面图。
图10～图15显示为本发明实施例二的结构示意图。
图16显示为实施例二所示结构的俯视图。
图17显示为图15沿DD’方向的剖面图。
图18显示为集成不同长度吸收波导的太赫兹量子级联激光器的输出功率曲线图。
元件标号说明
S1～S8 步骤1～8
1a 半绝缘GaAs衬底
1b 掺杂GaAs衬底
2 GaAs缓冲层
3 键合金属层
4 n型重掺杂下接触层
5 有源区
6 n型重掺杂上接触层
7a 第一上电极金属层
7b 第二上电极金属层
8 下电极金属层
9 刻蚀阻挡层
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。
请参阅图1至图18。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1至图9所示，所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器包括：
半绝缘GaAs衬底1a；
位于所述半绝缘GaAs衬底1a上表面的GaAs缓冲层2；
位于所述GaAs缓冲层2表面的n型重掺杂下接触层4；
位于所述n型重掺杂下接触层4表面的有源区5；
位于所述有源区5表面的n型重掺杂上接触层6；
位于所述n型重掺杂上接触层6表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属层7a、7b，其中，所述第二上电极金属层7b为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层；
以及位于所述n型重掺杂下接触层4表面及有源区5两侧的下电极金属层8。
需要说明的是，所述第一上电极金属层7a及位于其下的部分形成太赫兹量子级联激光器(THz QCL)，所述第二上电极金属层7b及位于其下的部分形成吸收波导。
进一步需要说明的是，所述吸收波导的结构和所述太赫兹量子级联激光器的结构相同。如所述太赫兹量子级联激光器为半绝缘等离子体波导结构，所述吸收波导也为半绝缘等离子体波导结构；如所述太赫兹量子级联激光器为双面金属波导结构，则所述吸收波导也为双面金属波导结构。优选地，在本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器及所述吸收波导为半绝缘等离子体波导结构。
具体请参阅图1至图9对所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法进行说明，所述制作方法包括：
S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区以及n型重掺杂上接触层(如图1所示)；
S2：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长第一上电极金属层，带胶剥离(如图2所示)；
S3：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长退火后可形成高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电极金属层之间设有间隔距离L；
S4：在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述n型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层(如图3所示)；
S5：进行温度大于等于340℃，时间大于等于20s的高温快速退火工艺；
S6：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂下接触层表面形成下电极金属层，带胶剥离(如图4所示)；
S7：进行高温快速退火工艺；
S8：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作(如图5至图9所示)。
需要说明的是，所述步骤S5中进行温度大于等于340℃，时间大于等于20s的高温快速退火工艺，目的是通过增加n型重掺杂上接触区的掺杂浓度以提高吸收波导的波导损耗；而所述步骤S7中进行高温快速退火的目的是使下电极金属层经过退火以形成欧姆接触。
需要说明的是，如果形成下电极金属层欧姆接触的退火温度小于340℃或时间小于20s，则先进行第二上电极金属层的高温快速退火工艺，而后再进行下电极金属层的生长和退火；如果形成下电极金属层欧姆接触的退火温度大于等于340℃，且时间大于等于20s时，为了减少工艺步骤，则可先进行下电极金属层的生长，而后一起进行退火。
由于本实施例中所述下电极金属层为Ge/Au/Ni/Au，厚度分别为13/33/30/350um，退火温度为370℃，退火时间为40s。优选地，本实施例中为先进行下电极金属层的生长，再一起进行温度为370℃、时间为40s的高温快速退火。
优选地，所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法包括：
S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区以及n型重掺杂上接触层；
S2：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长第一上电极金属层，带胶剥离；
S3：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长退火后可形成高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电极金属层的间隔距离为L；
S4：在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述n型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
S5：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂下接触层表面形成下电极金属层，带胶剥离；
S6：进行温度大于等于340℃、且时间大于等于20s的高温快速退火工艺；
S7：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
需要说明的是，S6中高温快速退火工艺的退火温度和时间为上述提高吸收波导的波导损耗的退火温度和时间与形成下电极金属层欧姆接触的退火温度和时间中数值较大的退火温度和时间。即如果提高吸收波导的波导损耗的退火温度和时间分别为350℃和30s，而形成下电极金属层欧姆接触的退火温度和时间分别为370℃和20s，则S6中高温快速退火的温度和时间为370℃和30s。优选地，在本实施例中，所述退火温度和时间为形成下电极金属层欧姆接触的退火温度和时间分别为370℃和40s。
需要说明的是，所述步骤S6中进行高温快速退火工艺时一般温度小于425℃，时间小于120s。
具体的，所述有源区为束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构、啁啾晶格结构中的一种；优选地，在本实施例中，所述有源区为共振声子结构。
具体的，所述退火后可形成高波导损耗的上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，即所述第二上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，其中，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层中Ge与Pd的原子比大于1，Ti层的厚度范围为10～20um，Au层的厚度大于50um。
所述吸收波导中高波导损耗形成的原理为：吸收波导的Pd/Ge/Ti/Au金属层经过足够高温度和足够长时间的高温快速退火工艺时，在Pd和Au的辅助下，元素Ge穿过金属-半导体界面渗透进其下层所述的n型重掺杂上接触层，进一步提高了n型重掺杂上接触层的掺杂浓度，依据Drude模型可计算得知这将导致n型重掺杂上接触层在THz频段的消光系数k增加，因此增加了所述吸收波导段对进入n型重掺杂上接触层的THz波的吸收，即增加了此吸收波导段的波导损耗。
需要说明的是，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层的厚度与其下的n型重掺杂上接触层的厚度呈正比；其中，为了提高掺杂效率，Ge与Pd的原子比应略大于1，即Ge与Pd的厚度比大于1.53；Ti层的厚度范围为10～20um，作用是改善金属的粘附性；Au层的作用是为了更进一步地加强Ge的掺杂，但由于Au较贵，一般可根据需要选择，厚度大于50um即可。
优选地，在本实施例中，所述第二上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，其中，所述Pd/Ge/Ti/Au的厚度为25/75/10/200um。所述第一上电极金属层采用非合金化的Ti/Au金属层，其中，Ti/Au的厚度为10/350um。
具体的，所述第一上电极金属层的宽度与所述第二上电极金属层的宽度相等。
优选地，在本实施例中，所述THz QCL上电极金属层的宽度与吸收波导的上电极金属层的宽度均为180um；所述THz QCL的长度为2.3mm。
需要说明的是，所述太赫兹量子级联激光器的上电极金属层的宽度与所述吸收波导的上电极金属层的宽度相等的目的一方面是为了制备工艺简便，更重要的是避免引入反射波。
需要说明的是，由于所述吸收波导的THz波吸收能力与其长度呈正比，所以所述吸收波导的长度可依据对THz波吸收程度的要求来设计。
具体的，设置所述第一上电极金属层和第二上电极金属层的间隔距离为L，所述L的范围为5～30um。
需要说明的是，如果所述间隔距离L太小，所述太赫兹量子级联激光器(THz QCL)与所述吸收波导两器件之间电流串扰的影响会增加；如果所述间隔距离L太大，则会增加集成器件的尺寸，并在THz QCL中引入较多额外的反射波；所以，在工艺加工能力允许的范围内，所述间隔距离L一般选择在5～30um。
实施例二
本发明还提供一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器，所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器包括：
掺杂GaAs衬底1b；
位于所述掺杂GaAs衬底1b上表面的键合金属层3；
位于所述键合金属层3表面的n型重掺杂下接触层4；
位于所述n型重掺杂下接触层4表面的有源区5；
位于所述有源区5表面的n型重掺杂上接触层6；
以及位于所述n型重掺杂上接触层6表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属层7a、7b，其中，所述第二上电极金属层7b为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层。
需要说明的是，所述第一上电极金属层7a及位于其下的部分形成太赫兹量子级联激光器(THz QCL)，所述第二上电极金属层7b及位于其下的部分形成吸收波导。
进一步需要说明的是，所述吸收波导的结构和所述太赫兹量子级联激光器的结构相同。如所述太赫兹量子级联激光器为半绝缘等离子体波导结构，所述吸收波导也为半绝缘等离子体波导结构；如所述太赫兹量子级联激光器为双面金属波导结构，则所述吸收波导也为双面金属波导结构。优选地，在本实施例中，所述太赫兹量子级联激光器及所述吸收波导为双面金属波导结构。
具体请参阅图10至图17对所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法进行说明，所述制作方法包括：
S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、刻蚀阻挡层、n型重掺杂上接触层、有源区以及n型重掺杂下接触层(如图10所示)；
S2：提供一掺杂GaAs衬底，采用电子束蒸发工艺在所述掺杂GaAs衬底表面及S1所述结构的n型重掺杂下接触层表面分别生长一键合金属层(如图11所示)；
S3：采用倒装热压键合工艺将S2中形成的两结构进行键合(如图12所示)；
S4：采用研磨及选择性刻蚀工艺去除半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层及刻蚀阻挡层(如图13所示)；
S5：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长第一上电极金属层，带胶剥离；
S6：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长退火后可形成高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电极金属层之间设有间隔距离L(如图14所示)；
S7：在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述键合金属层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层(如图15所示)；
S8：进行温度大于等于340℃，时间大于等于20s的高温快速退火工艺；
S9：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作(如图15至图17所示)。
需要说明的是，所述步骤S8中进行温度大于等于340℃，时间大于等于20s的高温快速退火工艺，目的是通过增加n型重掺杂上接触区的掺杂浓度以提高吸收波导的波导损耗。
进一步需要说明的是，所述步骤S8中进行高温退火工艺时一般温度小于425℃，时间小于120s。
需要说明的是，在本实施例中，由于将所述键合金属层作为下电极金属层使用，故在本实施例中不需要生长下电极金属层。在其它实施例中，也可在所述掺杂GaAs衬底下表面生长下电极金属层，并如实施例一中所述根据下电极金属层的退火温度和时间来进行相应的工艺步骤。
具体的，所述有源区为束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构、啁啾晶格结构中的一种；优选地，在本实施例中，所述有源区为共振声子结构。
具体的，所述退火后可形成高波导损耗的上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，即所述第二上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，其中，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层中Ge与Pd的原子比大于1，Ti层的厚度范围为10～20um，Au层的厚度大于50um。
所述吸收波导中高波导损耗形成的原理为：吸收波导的Pd/Ge/Ti/Au金属层经过足够高温度和足够长时间的快速高温退火工艺时，在Pd和Au的辅助下，元素Ge穿过金属-半导体界面渗透进其下层所述的n型重掺杂上接触层，进一步提高了n型重掺杂上接触层的掺杂浓度，依据Drude模型可计算得知这将导致n型重掺杂上接触层在THz频段的消光系数k增加，因此增加了所述吸收波导段对进入n型重掺杂上接触层的THz波的吸收，即增加了此吸收波导段的波导损耗。
需要说明的是，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层的厚度与其下的n型重掺杂上接触层的厚度呈正比；其中，为了提高掺杂效率，Ge与Pd的原子比应略大于1，即Ge与Pd的厚度比大于1.53；Ti层的厚度范围为10～20um，作用是改善金属的粘附性；Au层的作用是为了更进一步地加强Ge的掺杂，但由于Au较贵，一般可根据需要选择，厚度大于50um即可。
优选地，在本实施例中，所述第二上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，其中，所述Pd/Ge/Ti/Au的厚度为25/75/10/200um。所述第一上电极金属层采用非合金化的Ti/Au金属层，其中，Ti/Au的厚度为10/350um。
具体的，所述第一上电极金属层的宽度与所述第二上电极金属层的宽度相等。
优选地，在本实施例中，所述THz QCL上电极金属层的宽度与吸收波导的上电极金属层的宽度均为120um；所述THz QCL的长度为2.3mm。
需要说明的是，所述太赫兹量子级联激光器的上电极金属层的宽度与所述吸收波导的上电极金属层的宽度相等的目的一方面是为了制备工艺简便，更重要的是避免引入反射波。
需要说明的是，由于所述吸收波导的THz波吸收能力与其长度呈正比，所以所述吸收波导的长度可依据对THz波吸收程度的要求来设计。
具体的，设置所述第一上电极金属层和第二上电极金属层的间隔距离为L，所述L的范围为5～30um。
需要说明的是，如果所述间隔距离L太小，所述太赫兹量子级联激光器(THz QCL)与所述吸收波导两器件之间电流串扰的影响会增加；如果所述间隔距离L太大，则会增加集成器件的尺寸，并在THz QCL中引入较多格外的反射波；所以，在工艺加工能力允许的范围内，所述间隔距离L一般选择在5～30um。
为展现本发明所述吸收波导的对THz波的吸收能力，本发明共制备了三个吸收波导长度不同的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器，激光器为半绝缘等离子体波导结构，其中，THz QCL的长为L1，宽为W1；吸收波导的长为L2，宽为W2；吸收波导与THz QCL的间隔距离为L。
器件1：L1＝2.3mm，L2＝0(即没有吸收波导)，W1＝W2＝180um；
器件2：L1＝2.3mm，L2＝200um，W1＝W2＝180um；
器件3：L1＝2.3mm，L2＝400um，W1＝W2＝180um。
测量时，在每个器件的THz QCL段进行电注入，吸收波导段无电注入，然后测量器件的输出THz波功率，测量结果如图18所示。由图18可知，当集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器中吸收波导段长度增加时，相同长度的THz QCL的阈值电流显著增加，说明整个集成器件的总损耗显著增加。集成器件的总损耗包含平均波导损耗αi和镜面损耗αm(见式1)，从器件1到器件3器件，器件的总长度增加，故镜面损耗减小，但总损耗却增加，说明平均波导损耗αi显著增加，证明了本发明吸收波导的波导损耗αi2远大于原THz QCL的波导损耗αi1，即通过本发明所述的吸收波导有效地提高了器件的波导损耗。
上式中αi1为THz QCL段的波导损耗，αi2为吸收波导段的波导损耗，R1为集成器件右端面的镜面反射率，R2为集成器件左端面的镜面反射率。
综上所述，本发明的一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，具有以下有益效果：本发明通过改变所述THz QCL的上电极金属层并进行合适的高温快速退火工艺实现了具有高波导损耗的THz吸收波导，从而显著提高了对THz波的吸收效率；本发明所述的吸收波导结构采用标准的GaAs材料体系工艺制备，制备工艺简单灵活，且与THzQCL在材料和结构方面完全匹配，易应用于THz片上集成光学系统中。
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 (9)

1.一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器包括：
半绝缘GaAs衬底；
位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；
位于所述GaAs缓冲层表面的n型重掺杂下接触层；
位于所述n型重掺杂下接触层表面的有源区；
位于所述有源区表面的n型重掺杂上接触层；
位于所述n型重掺杂上接触层表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属层，其中，所述第一上电极金属层的宽度与所述第二上电极金属层的宽度相等，所述第二上电极金属层为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层，退火后可形成高波导损耗的上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层中Ge与Pd的原子比大于1，Ti层的厚度范围为10～20um，Au层的厚度大于50um；
以及位于所述n型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层。
2.根据权利要求1所述的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述吸收波导的太赫兹波吸收能力与其长度呈线性正比关系。
3.根据权利要求1所述的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述间隔距离L的长度范围为5～30um。
4.一种如权利要求1所述的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区以及n型重掺杂上接触层；
S2：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长第一上电极金属层，带胶剥离；
S3：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长退火后可形成高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电极金属层之间设有间隔距离L；
S4：在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述n型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
S5：进行温度大于等于340℃，时间大于等于20s的高温快速退火工艺；
S6：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂下接触层表面形成下电极金属层，带胶剥离；
S7：进行高温快速退火工艺；
S8：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
5.根据权利要求4所述的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于，所述间隔距离L的长度范围为5～30um。
6.根据权利要求4所述的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于，所述S5中高温快速退火工艺的温度小于425℃，时间小于120s。
7.根据权利要求4所述的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于，当所述S7中高温快速退火的温度大于等于340℃、且时间大于等于20s时，所述制作方法包括：
S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区以及n型重掺杂上接触层；
S2：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长第一上电极金属层，带胶剥离；
S3：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长退火后可形成高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电极金属层的间隔距离为L；
S4：在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述n型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
S5：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂下接触层表面形成下电极金属层，带胶剥离；
S6：进行温度大于等于340℃、且时间大于等于20s的高温快速退火工艺；
S7：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
8.一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器包括：
掺杂GaAs衬底；
位于所述掺杂GaAs衬底上表面的键合金属层；
位于所述键合金属层表面的n型重掺杂下接触层；
位于所述n型重掺杂下接触层表面的有源区；
位于所述有源区表面的n型重掺杂上接触层；
以及位于所述n型重掺杂上接触层表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属层，其中，所述第一上电极金属层的宽度与所述第二上电极金属层的宽度相等，所述第二上电极金属层为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层，退火后可形成高波导损耗的上电极金属层为Pd/Ge/Ti/Au金属层，所述Pd/Ge/Ti/Au金属层中Ge与Pd的原子比大于1，Ti层的厚度范围为10～20um，Au层的厚度大于50um。
9.一种如权利要求8所述的集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、刻蚀阻挡层、n型重掺杂上接触层、有源区以及n型重掺杂下接触层；
S2：提供一掺杂GaAs衬底，采用电子束蒸发工艺在所述掺杂GaAs衬底表面及S1所述结构的n型重掺杂下接触层表面分别生长一键合金属层；
S3：采用倒装热压键合工艺将S2中形成的两结构进行键合；
S4：采用研磨及选择性刻蚀工艺去除半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层及刻蚀阻挡层；
S5：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长第一上电极金属层，带胶剥离；
S6：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长退火后可形成高波导损耗的第二上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第二上电极金属层与所述第一上电极金属层之间设有间隔距离L；
S7：在第一、第二上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述第一、第二上电极金属层两侧直至暴露所述键合金属层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；
S8：进行温度大于等于340℃，时间大于等于20s的高温快速退火工艺；
S9：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
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