CN105742961A - 一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法 - Google Patents

一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法，所述器件包括：半绝缘GaAs衬底；位于该衬底上表面的GaAs缓冲层；位于该缓冲层表面的n型重掺杂下接触层；位于该下接触层表面的有源区；位于有源区表面的n型重掺杂上接触层；位于n型重掺杂上接触层表面且各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，第一上电极金属层与第二上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，第三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增益谱测量器件及其制作方法，解决了现有技术中无法测得THz QCL在可工作电流密度范围内完整的增益谱变化情况的问题。

Description

一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及激光器半导体技术领域，特别是涉及一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法。
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，基于半导体的太赫兹量子级联激光器(THzQCL)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。目前有关THzQCL的研究工作已经不仅仅局限于提高器件的工作温度和输出功率了，而是倾向于开发和提高THzQCL作为一种相干光源的其它性能，如单模输出、波长可调谐度等。开发基于THzQCL材料的THz光梳，THz锁模激光器，THz光放大器等新型功能性器件已经成为新的热点方向。
THzQCL的器件性能与有源区量子阱结构和波导结构的细微变化直接相关，相比于激射频率和输出功率这样的宏观参量，增益谱是更为底层的器件表征参数。对THzQCL增益谱的研究可以增进对THzQCL结构和器件内部微观物理性能的了解，对改进器件有源区和波导结构设计，提高THzQCL器件性能，以及研制新型THz功能性器件都有非常重要的实际意义。
如图1和图2所示，早在2000年Barbieri教授的课题组利用两段式波导结构的样本器件(从左到右依次包括泵浦段和被测波导段)和傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)的测量方法已经实现了对中红外QCL完整增益谱的测量(IEEEJournalofQuantumElectronics,36,6,736-741,2000)，但将这种测量方法运用到THzQCL材料上时却不适用了。原因在于：1.此测量方法要求测量样本器件中的泵浦段有足够高的波导损耗来吸收左端面反射波，防止反射波进入右侧被测波导段，以保证测量的准确性；然而，由于THzQCL的波导损耗(约3～15cm-1)远小于中红外QCL(约20～50cm-1)；如果采用增加泵浦段波导长度的方法来提高对反射波的吸收，则样本器件会尺寸过长(>1cm)，导致工艺制备困难；如果采用端面磨角的方法来减少反射波，也会增加工艺制备难度且并不能完全消除反射波。2.在测量增益谱时，要求样本器件处于亚阈值状态(即电流注入下器件的增益小于阈值增益，器件不产生激光)，如果使用中红外QCL增益谱测量样本器件结构，这就要求测量时泵浦段的注入电流密度足够低，这将直接导致泵浦段输出参考光的功率非常小；由于中红外波段的高灵敏度高速探测器(如碲镉汞MCT探测器等)发展较为成熟，可以完成对极微弱中红外光的探测，而THz波段的探测器在灵敏度和速度方面远不及中红外波段的产品，为了完成增益谱的测量实验，只能考虑如何增加样本器件测量时的输出光功率。
2007年，维也纳技术大学KarlUnterrainer教授的课题组在《自然》杂志上报道了用THz时域频谱仪(TDS)进行THzQCL增益谱测量的方法(Nature,449,7163,698-701,2007)，但此方法只在电流较小的时候得到了一段增益谱，而后随着电流增加样本器件激射出激光，增益被钳制在一个固定值上，测得的增益谱失效。所有的THzQCL材料都存在一个最高可工作电流密度Jmax，完整的增益谱研究应该能反映THzQCL材料从零到Jmax整个范围内增益谱的变化情况。
鉴于此，有必要提供一种新的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件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太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法，用于解决现有技术中无法测得THzQCL在可工作电流密度范围内完整的增益谱变化情况的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法，所述增益谱测量器件包括：
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各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，所述第三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，所述第一、第二、第三上电极金属层的宽度相等。
优选地，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。
本发明还提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法，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分别生长各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第三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；
S3：在所述第一、第二、第三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、第三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；
S4：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；
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：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽；
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S4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中高温快速退火工艺的温度大于等于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分别生长第一、第二、第三上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第三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；
S3：在所述第一、第二、第三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、第三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；
S4：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；
S5：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽；
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。
本发明还提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，所述增益谱测量器件包括：
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各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至键合金属层的深隔离槽，所述第三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。
本发明还提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法，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分别生长第一、第二、第三上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第三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；
S6：在所述第一、第二、第三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、第三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；
S7：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入键合金属层，形成深隔离槽；
S8：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；
S9：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
如上所述，本发明的一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法，具有以下有益效果：
1、本发明所述的增益谱测量器件为三段式结构，即从右到左依次为被测波导段、泵浦段和吸收波导段，通过在被测波导段和泵浦段之间设有深隔离槽，消除了被测波导段与泵浦段之间的电流串扰，提高了增益谱测量中电流测量的准确性；
2、本发明通过将所述吸收波导段的上电极金属层设计为退火后可形成高波导损耗的金属层，保证将向左传播的THz光或者所述增益谱测量器件左界面处的反射光完全消除的同时，其高波导损耗还可以大幅提高所述增益谱测量器件的平均波导损耗和阈值增益；
3、本发明所述的增益谱测量器件通过设计由泵浦段和吸收波导段两个分离的波导段来分别承担提供参考光和调节阈值增益的功能，并通过设计足够长的无源吸收波导段来增大所述器件的阈值增益，使得当被测波导段和泵浦段的注入电流密度都为最高可工作电流密度时，所述器件仍能处于亚阈值状态，从而极大地提高了器件的输出光的光功率，降低了对探测器的要求，同时也降低了增益谱测量的难度；
4、本发明所述增益谱测量器件与THzQCL的制备方法相同，均采用标准的GaAs材料体系工艺制备，制备工艺简单灵活，易于实现。
附图说明
图1显示为现有技术中中红外QCL增益谱测量器件的结构示意图。
图2显示为图1的俯视图。
图3～图6显示为本发明半绝缘等离子体波导结构太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法S1～S8的结构示意图。
图7显示为本发明半绝缘等离子体波导结构太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的三维图，其中，图6为图7沿AA’方向的剖面图。
图8显示为图7的俯视图。
图9显示为图7沿BB’方向的剖面图。
图10显示为图7沿CC’方向的剖面图。
图11显示为图7沿DD’方向的剖面图。
图12显示为图7沿EE’方向的剖面图。
图13～图18显示为本发明双面金属波导结构太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法S1～S9的结构示意图。
图19为本发明双面金属波导结构太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的俯视图。
图20为图16沿FF’方向的剖面图。
元件标号说明
S1～S9步骤1～9
1a半绝缘GaAs衬底
1b掺杂GaAs衬底
2GaAs缓冲层
3键合金属层
4n型重掺杂下接触层
5有源区
6n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
7c第三上电极金属层
8下电极金属层
9深隔离槽
10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3至图20。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3至图12所示，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法，所述增益谱测量器件包括：
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表面且各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层7a、7b、7c，所述第一上电极金属层7a与所述第二上电极金属层7b之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽9，所述第三上电极金属层7c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，本发明所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件为三段式波导结构，即所述第一上电极金属层7a及位于其下的部分形成被测波导段，所述第二上电极金属层7b及位于其下的部分形成泵浦段，所述第三上电极金属层7c及位于其下的部分形成吸收波导段。
进一步需要说明的是，所述被测波导段相当于被测太赫兹量子级联激光器(THzQCL)材料的样本，通过测量THz波穿过被测波导段后增强/减弱的程度来提取此THzQCL材料的增益谱信息，通过改变被测波导段上的注入电流密度可得到增益谱随电流密度的变化情况。所述泵浦段在测量中起到提供参考THz光的作用，在固定注入电流密度的驱动下泵浦段输出有固定功率的参考光，其中向右传播的参考光最终会进入被测波导段参与增益谱的测量。所述吸收波导段在测量中不注入电流，而是作为无源区起到吸收反射波和调节所述增益谱测量器件阈值增益的作用；增益谱测量中要求尽可能消除泵浦段中产生的向左传播的THz光，以免其被增益谱测量器件左端面反射后的反射波进入被测波导段。
进一步需要说明的是，所述吸收波导段的结构、泵浦段的结构及被测波导段的结构相同。如所述被测波导段为半绝缘等离子体波导结构，所述泵浦段及吸收波导段也为半绝缘等离子体波导结构；如所述被测波导段为双面金属波导结构，则所述泵浦段及吸收波导段也为双面金属波导结构。优选地，在本实施例中，所述被测波导段、泵浦段及吸收波导段为半绝缘等离子体波导结构。
具体请参阅图3至图12，对本发明所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件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3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分别生长各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第三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(如图4所示)；
S3：在所述第一、第二、第三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、第三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5所示)；
S4：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；
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(如图6所示)；
S6：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽(如图7、11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6～12所示)。
需要说明的是，所述步骤S4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，所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法包括：
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分别生长第一、第二、第三上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第三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；
S3：在所述第一、第二、第三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、第三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；
S4：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；
S5：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽；
S6：进行高温快速退火工艺；
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，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，即所述第三上电极金属层为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。
需要说明的是，所述吸收波导段具有较高的波导损耗，能够保证将泵浦段中产生的向左传播的THz光或者所述增益谱测量器件左界面处的反射光完全消除，同时，吸收波导段的高波导损耗可以大幅提高所述增益谱测量器件的平均波导损耗和阈值增益。
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，所述第三上电极金属层为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和第二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。所述下电极金属层采用合金化的Ge/Au/Ni/Au金属层，其中，Ge/Au/Ni/Au的厚度为13/33/30/350um。
设置所述被测波导段的长为L1，宽为W1；所述泵浦段的长为L2，宽为W2；所述吸收波导段的长为L3，宽为W3；所述深隔离槽的长为L4；所述第二上电极金属层和第三上电极金属层的间隔距离为L5。
具体的，所述第一、第二、第三上电极金属层的宽度相等，即W1＝W2＝W3，其中，所述宽度范围为100～300um。优选地，在本实施例中，所述W1＝W2＝W3＝180um。
具体的，所述L1的长度范围为300～600um，所述L2的长度范围为2～4mm。优选地，在本实施例中，L1＝300um，L2＝2mm。
需要说明的是，所述泵浦段越长，其输出的参考光越强，参考光随后进入被测波导段，被测波导段越长，对泵浦段输出参考光的放大/衰减效果越明显，最终使得此增益谱测量器件的输出光功率越大、也越容易被准确测得；但相应地，所述吸收波导段的长度也需要更长，以调节阈值增益Gth使所述增益谱测量器件在测量时保持在亚阈值状态。考虑工艺制备的可行性和常用THzQCL的尺度范围，L1和L2不可过大。
需要说明的是，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，吸收波导的THz波吸收能力为吸收波导段的波导损耗与L3的乘积；即吸收波导的长度越长，其对THz波吸收能力越强。而为了获得较强的输出光功率，所述吸收波导的长度应足够长，以保证当被测波导段的注入电流密度J1和泵浦段的注入电流密度J2都为最高可注入电流密度Jmax时，所述增益谱测量器件的平均增益G仍小于阈值增益Gth，故L3的具体长度要根据被测的THzQCL来确定。优选地，在本实施例中，L3＝1.2mm。
具体的，如图11所示，所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，通过设置凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，切断了所述被测波导段和所述泵浦段间负责电流传输的上电极金属层、n型重掺杂上接触层、以及n型重掺杂下接触层，从而消除了电流串扰的影响。
需要说明的是，所述深隔离槽起电隔离的作用，其长度L4应尽可能的短，以减少THz光在此处的损耗；但由于此处的刻蚀深度在10um以上，如果所述深隔离槽的长度过短，目前常用的GaAs刻蚀工艺可能无法实现，故一般L4的长度范围为5～10um。
具体的，所述第二上电极金属层与所述第三上电极金属层不互连的目的是为了避免在所述泵浦段中引入额外的反射波，而且所述吸收波导段与所述泵浦段所述泵浦段与所述吸收波导段的间隔距离L5也起到一定的电隔离作用，但本发明中对此间隔距离L5的长度无严格的限制条件，一般L5的长度范围为5～30um。
实施例二
如图13至图20所示，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法，所述增益谱测量器件包括：
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表面且各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层7a、7b、7c，所述第一上电极金属层7a与所述第二上电极金属层7b之间设有凹至键合金属层的深隔离槽9，所述第三上电极金属层7c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，本发明所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件为三段式波导结构，即所述第一上电极金属层7a及位于其下的部分形成被测波导段，所述第二上电极金属层7b及位于其下的部分形成泵浦段，所述第三上电极金属层7c及位于其下的部分形成吸收波导段。
进一步需要说明的是，所述被测波导段相当于被测太赫兹量子级联激光器(THzQCL)材料的样本，通过测量THz波穿过被测波导段后增强/减弱的程度来提取此THzQCL材料的增益谱信息，通过改变被测波导段上的注入电流密度可得到增益谱随电流密度的变化情况。所述泵浦段在测量中起到提供参考THz光的作用，在注入固定电流密度的驱动下泵浦段输出有固定功率的参考光，其中向右传播的参考光最终会进入被测波导段参与增益谱的测量。所述吸收波导段在测量中不注入电流，而是作为无源区起到吸收反射波和调节所述增益谱测量器件阈值增益的作用；增益谱测量中要求尽可能消除泵浦段中产生的向左传播的THz光，以免其被增益谱测量器件左端面反射后的反射波进入被测波导段。
进一步需要说明的是，所述吸收波导段的结构、泵浦段的结构及被测波导段的结构相同。如所述被测波导段为半绝缘等离子体波导结构，所述泵浦段及吸收波导段也为半绝缘等离子体波导结构；如所述被测波导段为双面金属波导结构，则所述泵浦段及吸收波导段也为双面金属波导结构。优选地，在本实施例中，所述被测波导段、泵浦段及吸收波导段为双面金属波导结构。
具体请参阅图13至图20，对本发明所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件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13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14a、图14b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15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16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分别生长第一、第二、第三上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第三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(如图17所示)；
S6：在所述第一、第二、第三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、第三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18所示)；
S7：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入键合金属层，形成深隔离槽(如图19、20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18～20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，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。
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，即所述第三上电极金属层为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。
需要说明的是，所述吸收波导段具有较高的波导损耗，能够保证将泵浦段中产生的向左传播的THz光或者所述增益谱测量器件左界面处的反射光完全消除，同时，吸收波导段的高波导损耗可以大幅提高所述增益谱测量器件的平均波导损耗和阈值增益。
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，所述第三上电极金属层为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和第二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。
设置所述被测波导段的长为L1，宽为W1；所述泵浦段的长为L2，宽为W2；所述吸收波导段的长为L3，宽为W3；所述深隔离槽的长为L4；所述第二上电极金属层和第三上电极金属层的间隔距离为L5。
具体的，所述第一、第二、第三上电极金属层的宽度相等，即W1＝W2＝W3，其中，所述宽度范围为50～200um。优选地，在本实施例中，所述W1＝W2＝W3＝120um。
具体的，所述L1的长度范围为300～600um，所述L2的长度范围为2～4mm。优选地，在本实施例中，L1＝300um，L2＝2mm。
需要说明的是，所述泵浦段越长，其输出的参考光越强，参考光随后进入被测波导段，被测波导段越长，对泵浦段输出参考光的放大/衰减效果越明显，最终使得此增益谱测量器件的输出光功率越大、也越容易被准确测得；但相应地，所述吸收波导段的长度也需要更长，以调节阈值增益Gth使所述增益谱测量器件在测量时保持在亚阈值状态。考虑工艺制备的可行性和常用THzQCL的尺度范围，L1和L2不可过大。
需要说明的是，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，吸收波导的THz波吸收能力为吸收波导段的波导损耗与L3的乘积；即吸收波导的长度越长，其对THz波吸收能力越强。而为了获得较强的输出光功率，所述吸收波导的长度应足够长，以保证当被测波导段的注入电流密度J1和泵浦段的注入电流密度J2都为最高可注入电流密度Jmax时，所述增益谱测量器件的平均增益G仍小于阈值增益Gth，故L3的具体长度要根据被测的THzQCL来确定。优选地，在本实施例中，L3＝1.2mm。
具体的，所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至键合金属层的深隔离槽，通过设置凹至键合金属层的深隔离槽，切断了所述被测波导段和所述泵浦段间负责电流传输的上电极金属层、n型重掺杂上接触层、及n型重掺杂下接触层，从而大大减小了电流串扰的影响。
需要说明的是，由于采用现有工艺刻蚀金属层较为困难，故本实施例中不进行键合金属层的刻蚀，但如果为了更好地消除电流串扰的影响，也可对所述键合金属层进行刻蚀，使所述深隔离槽刻蚀至掺杂GaAs衬底。
需要说明的是，所述深隔离槽起电隔离的作用，其长度L4应尽可能的短，以减少THz光在此处的损耗；但由于此处的刻蚀深度在10um以上，如果所述深隔离槽的长度过短，目前常用的GaAs刻蚀工艺可能无法实现，故一般L4的长度范围为5～10um。
具体的，所述第二上电极金属层与所述第三上电极金属层不互连的目的是为了避免在所述泵浦段中引入额外的反射波，而且所述吸收波导段与所述泵浦段所述泵浦段与所述吸收波导段的间隔距离L5也起到一定的电隔离作用，但本发明中对此间隔距离L5的长度无严格的限制条件，一般L5的长度范围为5～30um。
下面对所述太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件进行THzQCL增益谱的测量和计算方法进行说明。
J1为被测波导段的注入电流密度，J2为泵浦段的注入电流密度；R1为所述增益谱测量器件右侧界面处的光强反射率，R2为所述被测波导段左侧界面处的光强反射率，R3为泵浦段右侧界面处的光强反射率，R4为所述增益谱测量器件左侧界面处的光强反射率；G1为被测波导段的模式增益，αi1为被测波导段的波导损耗，λ为光波长，S1为被测波导段做为独立光源时的输出光强，S2为泵浦段做为独立光源时的输出光强；测量增益谱时，将探测器置于所述增益谱测量器件右侧界面外。
当被测波导段和泵浦段同时注入电流时，所述增益谱测量器件右侧界面的输出光强Stot如下式1所示：
Stot(J1,J2,λ)＝{S2(J2,λ)·(1-R3)·(1-R2)·exp[(G1(J1,λ)-αi1)·L1]+S1(J1,λ)}·(1-R1)式1
当所述被测波导段被注入电流时，所述增益谱测量器件右侧界面的输出光强Stot如下式2所示：
Stot(J1,0,λ)＝S1(J1,λ)·(1-R1)式2
当所述泵浦段被注入电流时，所述增益谱测量器件右侧界面的输出光强Stot如下式3所示：
Stot(0,J2,λ)＝[S2(J2,λ)·(1-R3)·(1-R2)·exp(-αi1·L1)]·(1-R1)式3
测量时，所述吸收波导段不进行电流注入；所述泵浦段为注入固定电流，即J2为一固定值；而J1从0变化到最高可注入电流密度Jmax，每次J1变化后，分别测量Stot(J1,J2,λ)、Stot(J1,0,λ)和Stot(0,J2,λ)，然后依据下式4即可得到被测波导段的模式增益随注入电流密度变化的信息。
需要注意的是，增益谱测量时要求所述增益谱测量器件处于亚阈值状态，即所述增益谱测量器件在电流注入下的平均增益G小于阈值增益Gth，所述增益谱测量器件的阈值增益为该器件的总损耗，包含平均波导损耗αi和镜面损耗αm。泵浦段的波导损耗与被测波导段的波导损耗相同，均为αi1，泵浦段的模式增益为G2，而吸收波导段的波导损耗为αi2。
G = G 1 ( J 1 ) L 1 + G 2 ( J 2 ) L 2 L 1 + L 2 , G t h = α i + α m
从式5可以看出，吸收波导段的高波导损耗会有效提高所述增益谱测量器件的阈值增益，有利于保证所述增益谱测量器件在测量过程中始终处于亚阈值状态。
从上述式1到式4可以看出，虽然深隔离槽给泵浦段的输出光引入了额外的反射，即R2和R3，但并没有对增益谱的测量和计算方法造成影响。
综上所述，本发明的一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件及其制作方法，具有以下有益效果：
1、本发明所述的增益谱测量器件为三段式结构，即从右到左依次为被测波导段、泵浦段和吸收波导段，通过在被测波导段和泵浦段之间设有深隔离槽，消除了被测波导段与泵浦段之间的电流串扰，提高了增益谱测量中电流测量的准确性；
2、本发明通过将所述吸收波导段的上电极金属层设计为退火后可形成高波导损耗的金属层，保证将向左传播的THz光或者所述增益谱测量器件左界面处的反射光完全消除的同时，其高波导损耗还可以大幅提高所述增益谱测量器件的平均波导损耗和阈值增益；
3、本发明所述的增益谱测量器件通过设计由泵浦段和吸收波导段两个分离的波导段来分别承担提供参考光和调节阈值增益的功能，并通过设计足够长的无源吸收波导段来增大所述器件的阈值增益，使得当被测波导段和泵浦段的注入电流密度都为最高可工作电流密度时，所述器件仍能处于亚阈值状态，从而极大地提高了器件的输出光的光功率，降低了对探测器的要求，同时也降低了增益谱测量的难度；
4、本发明所述增益谱测量器件与THzQCL的制备方法相同，均采用标准的GaAs材料体系工艺制备，制备工艺简单灵活，易于实现。
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 (10)

1.一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，所述增益谱测量器件包括：
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各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽，所述第三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。
2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，所述第一、第二、第三上电极金属层的宽度相等。
5.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，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、啁啾晶格结构中的一种。
6.一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法，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分别生长各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第三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；
S3：在所述第一、第二、第三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、第三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；
S4：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；
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：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽；
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。
7.根据权利要求6所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法，其特征在于，所述S4中高温快速退火工艺的温度小于425℃，时间小于120s。
8.根据权利要求6所述的太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法，其特征在于，当所述S7中高温快速退火工艺的温度大于等于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分别生长第一、第二、第三上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第三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；
S3：在所述第一、第二、第三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、第三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；
S4：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；
S5：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽；
S6：进行高温快速退火工艺；
S7：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
9.一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件，其特征在于，所述增益谱测量器件包括：
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各自分隔的第一、第二、第三上电极金属层，所述第一上电极金属层与所述第二上电极金属层之间设有凹至键合金属层的深隔离槽，所述第三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。
10.一种太赫兹量子级联激光器增益谱测量器件的制作方法，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分别生长第一、第二、第三上电极金属层，带胶剥离，其中，所述第三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；
S6：在所述第一、第二、第三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、第三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；
S7：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，对所述第一、第二上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入键合金属层，形成深隔离槽；
S8：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；
S9：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
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