CN112736643A - 太赫兹信号垂直腔面发射器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供了一种太赫兹信号垂直腔面发射器及其制造方法，包括：有源层，包括第一发光子层、第二发光子层及运输匹配子层；中分布反射镜层，位于第一发光子层远离第二发光子层的一侧；中分布反射镜层包括多个交替排布的第一高折射率子层与第一低折射率子层；欧姆接触层，位于中分布反射镜层远离有源层的一侧；上分布反射镜层，位于欧姆接触层远离中分布反射镜层的一侧，包括多个交替排布的第二高折射率子层与第二低折射率子层；下分布反射镜层，位于有源层远离欧姆接触层的一侧，包括多个交替排布的第三高折射率子层与第三低折射率子层；非线性晶体层，位于上分布反射镜层远离欧姆接触层的一侧。
Description
技术领域
本公开涉及半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种太赫兹信号垂直腔面发射器及其制作方法。
背景技术
THz(Tera Hertz，太赫兹)信号通常指波长为0.03mm至3mm，对应的频率在0.1THz至10THz范围内的电磁波。THz信号由于具有不容易破坏被检测物质的独特性，被广泛应用于多种领域，如通信、雷达、工业无损检测、生物医学成像、国防安全等。这使得THz科学与技术研究获得了飞速的发展，而THz信号源是影响THz信号应用发展的一个主要因素。
相关技术中，THz信号可通过光电子学的方法产生，如使用飞秒脉冲激光器轰击半导体材料，如砷化镓等，产生THz信号。但这种THz信号产生方法所需要的系统十分庞大且复杂，不利于商业应用。为解决上述缺陷，提出了一种通过光混频法研制得到的太赫兹信号发射器，该太赫兹信号发射器采用两个单模激光器或一个双模激光器作为泵浦光源。该太赫兹波发射器的工作原理为：泵浦光源发射两束波长相近的光，以使这两束波长相近的光的频率差恰好落在THz信号的频率范围，当这两束波长相近的光照射到非线性晶体上时，可产生THz信号。然而，该太赫兹信号发射器的泵浦光源一般采用CO2(Carbon dioxide，二氧化碳)激光器、Nd:YAG(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet，钇铝石榴石晶体)激光器、染料激光器或光纤激光器等，这些激光器体积都比较大，使得太赫兹信号发射器的体积较大且不易于与半导体集成电路进行集成，从而导致太赫兹信号发射器的应用范围较小。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种太赫兹信号垂直腔面发射器及其制作方法，以解决太赫兹信号发射器体积较大、不易于与半导体集成电路进行集成且应用范围较小的问题。具体技术方案如下：
为达到上述目的，本公开实施例提供了一种太赫兹信号垂直腔面发射器，该太赫兹信号垂直腔面发射器包括：
有源层，包括第一发光子层、第二发光子层及位于所述第一发光子层和所述第二发光子层之间的运输匹配子层；所述运输匹配子层用于在所述第一发光子层与所述第二发光子层之间运输载流子；
中分布反射镜层，位于所述第一发光子层远离所述第二发光子层的一侧；所述中分布反射镜层包括多个第一折射率子层，所述多个第一折射率子层包括交替排布的第一高折射率子层与第一低折射率子层，所述多个第一折射率子层的数量为奇数；
欧姆接触层，位于所述中分布反射镜层远离所述有源层的一侧，用于连接电极，以使所述电极产生的载流子进入所述有源层；
上分布反射镜层，位于所述欧姆接触层远离所述中分布反射镜层的一侧，包括多个第二折射率子层，所述多个第二折射率子层包括交替排布的第二高折射率子层与第二低折射率子层，所述多个第二折射率子层的数量为偶数；
下分布反射镜层，位于所述有源层远离所述欧姆接触层的一侧，包括多个第三折射率子层，所述多个第三折射率子层包括交替排布的第三高折射率子层与第三低折射率子层，所述多个第三折射率子层的数量为偶数，且所述多个第三折射率子层的数量大于所述多个第二折射率子层的数量；
非线性晶体层，位于所述上分布反射镜层远离所述欧姆接触层的一侧；所述第一发光子层产生的光与所述第二发光子层产生的光能够进入所述非线性晶体层，并在叠加后产生差频信号，且所述差频信号的频率在预设频率范围内。
一些实施例中，所述太赫兹信号垂直腔面发射器还包括：
氧化限制层，位于所述有源层和所述中分布反射镜层之间；
相位匹配扩展层，位于所述欧姆接触层与所述上分布反射镜层之间；
键合层，位于所述上分布反射镜层与所述非线性晶体层之间。
一些实施例中，所述欧姆接触层包括腐蚀停子层，所述腐蚀停子层位于所述欧姆接触层的远离所述中分布反射镜层的一侧。
一些实施例中，所述有源层还包括上限制子层和下限制子层；
所述上限制子层位于所述第一发光子层远离所述运输匹配子层的一侧，所述下限制子层位于所述第二发光子层远离所述运输匹配子层的一侧。
一些实施例中，所述第一发光子层及所述第二发光子层均包括量子阱结构、量子点结构或量子线结构中的至少一种。
一些实施例中，所述太赫兹信号垂直腔面发射器还包括衬底，所述衬底材料为半导体；
所述衬底位于所述下分布反射镜层远离所述有源层的一侧。
一些实施例中，所述太赫兹信号垂直腔面发射器还包括缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底与所述下分布反射镜层之间。
为达到上述目的，本公开实施例还提供了一种太赫兹信号垂直腔面发射器的制作方法，所述制作方法包括：
在下分布反射镜层上生长有源层，其中，所述有源层包括第一发光子层、第二发光子层及位于所述第一发光子层和所述第二发光子层之间的运输匹配子层，所述下分布反射镜层包括多个第三折射率子层，所述多个第三折射率子层包括交替排布的第三高折射率子层与第三低折射率子层，所述多个第三折射率子层的数量为偶数；
在所述有源层远离所述下分布反射镜层的一侧生长中分布反射镜层，其中，所述中分布反射镜层包括多个第一折射率子层，所述多个第一折射率子层包括交替排布的第一高折射率子层与第一低折射率子层，所述多个第一折射率子层的数量为奇数；
在所述中分布反射镜层远离所述有源层的一侧生长欧姆接触层；
在所述欧姆接触层远离所述中分布反射镜层的一侧生长上分布反射镜层，所述上分布反射镜层包括多个第二折射率子层，所述多个第二折射率子层包括交替排布的第二高折射率子层与第二低折射率子层，所述多个第二折射率子层的数量为偶数，且所述多个第三折射率子层的数量大于所述多个第二折射率子层的数量；
在所述上分布反射镜层远离所述欧姆接触层的一侧放置非线性晶体层，所述第一发光子层产生的光与所述第二发光子层产生的光能够进入所述非线性晶体层，并在叠加后产生差频信号，且所述差频信号的频率在预设频率范围内。
一些实施例中，所述在所述有源层远离所述下分布反射镜层的一侧生长中分布反射镜层之前，所述制作方法还包括：
在所述有源层靠近所述中分布反射镜层的一侧生长氧化限制层；
所述在所述欧姆接触层远离所述中分布反射镜层的一侧生长上分布反射镜层之前，所述制作方法还包括：
在所述欧姆接触层远离所述中分布反射镜层的一侧生长相位匹配扩展层；
所述在所述上分布反射镜层远离所述欧姆接触层的一侧放置非线性晶体层之前，所述制作方法还包括：
在所述上分布反射镜层靠近所述非线性晶体层的一侧放置键合层。
一些实施例中，所述有源层通过以下步骤形成：
在下限制子层上生长所述第二发光子层；
在所述第二发光子层远离所述下限制子层的一侧生长所述运输匹配子层；
在所述运输匹配子层远离所述第二发光子层的一侧生长所述第一发光子层；
在所述第一发光子层远离所述运输匹配子层的一侧生长上限制子层。
本公开实施例有益效果：
本公开实施例提供的一种太赫兹信号垂直腔面发射器及其制作方法，该太赫兹信号垂直腔面发射器主要包括有源层、中分布反射镜层、欧姆接触层、上分布反射镜层、下分布反射镜层及非线性晶体层。通过该太赫兹信号垂直腔面发射器产生太赫兹信号时，在欧姆接触层上连接电极，电极产生的载流子进入有源层的第一发光子层与第二发光子层，运输匹配子层在第一发光子层与第二发光子层之间运输载流子，使得第一发光子层与第二发光子层内载流子复合，从而产生宽波段自发辐射光。由于中分布反射镜层加大了太赫兹信号垂直腔面发射器的腔长，使得第一发光子层与第二发光子层产生的光分别经过上分布反射镜层和下分布反射镜层来回反射后，两个波长的光被选择出来，即波长分别为第一预设波长与第二预设波长的光。这两个波长的光进入上方的非线性晶体层，在非线性晶体层内叠加后产生差频信号，并且产生的差频信号的频率在预设频率范围(太赫兹信号范围)内。上述太赫兹信号垂直腔面发射器材料为半导体类材料，因此易于与半导体电路集成。且上述太赫兹信号垂直腔面发射器中，用于产生光场的第一发光子层与第二发光子层的体积较小，使得太赫兹信号垂直腔面发射器的体积小。易于与半导体电路集成且体积小的特性使得该太赫兹信号垂直腔面发射器可以应用于较小的设备中，应用范围广。
当然，实施本公开的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本公开实施例中太赫兹信号垂直腔面发射器的一种结构图；
图2为本公开实施例中有源层的一种结构图；
图3为本公开实施例中第一发光子层与第二发光子层的中心波长的一种示意图；
图4为本公开实施例中第一发光子层与第二发光子层的中心波长的另一种示意图；
图5为本公开实施例中太赫兹信号垂直腔面发射器的一种等效腔长示意图；
图6为本公开实施例中太赫兹信号垂直腔面发射器的制作方法的一种流程示意图；
图7为本公开实施例中太赫兹信号垂直腔面发射器的制作方法的另一种流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
为解决太赫兹信号发射器体积较大、不易于与半导体集成电路进行集成且应用范围较小的问题，本公开实施例提供了一种太赫兹信号垂直腔面发射器及其制作方法，下面将结合附图对本公开实施例提供的太赫兹信号垂直腔面发射器及其制作方法进行详细说明。
如图1和图2所示，本公开实施例提供的太赫兹信号垂直腔面发射器包括：
有源层1，包括第一发光子层11、第二发光子层12及位于第一发光子层11和第二发光子层12之间的运输匹配子层13；运输匹配子层13用于在第一发光子层11与第二发光子层12之间运输载流子；
中分布反射镜层2，位于第一发光子层11远离第二发光子层12的一侧；中分布反射镜层2包括多个第一折射率子层，多个第一折射率子层包括交替排布的第一高折射率子层与第一低折射率子层，多个第一折射率子层的数量为奇数；
欧姆接触层3，位于中分布反射镜层2远离有源层1的一侧，用于连接电极，以使电极产生的载流子进入有源层1；
上分布反射镜层4，位于欧姆接触层3远离中分布反射镜层2的一侧，包括多个第二折射率子层，多个第二折射率子层包括交替排布的第二高折射率子层与第二低折射率子层，多个第二折射率子层的数量为偶数；
下分布反射镜层5，位于有源层1远离欧姆接触层3的一侧，包括多个第三折射率子层，多个第三折射率子层包括交替排布的第三高折射率子层与第三低折射率子层，多个第三折射率子层的数量为偶数，且多个第三折射率子层的数量大于多个第二折射率子层的数量；
非线性晶体层6，位于上分布反射镜层4远离欧姆接触层3的一侧；第一发光子层11产生的光与第二发光子层12产生的光能够进入非线性晶体层6，并在叠加后产生差频信号，且差频信号的频率在预设频率范围内。
本公开实施例中，有缘层1包括沿竖直方向依次设置的第一发光子层11、运输匹配子层13和第二发光子层12。第一发光子层11和第二发光子层12用于在通入载流子后，产生多种不同波长的光。其中，第一发光子层11、运输匹配子层13和第二发光子层12的连接方式可以为：在第二发光子层12上生长运输匹配子层13，且运输匹配子层13的生长方向远离下分布反射镜层5；在运输匹配子层13上生长第一发光子层11，且第一发光子层11的生长方向远离运输匹配子层13。其中，生长方式可以为基于化学气相沉积法的生长方式，也可以为分子束外延生长方式，本公开实施例对此不作具体限定。
其中，为保证第一发光子层11和第二发光子层12产生的光所形成的光场可在非线性晶体6内叠加，并形成信号频率在预设频率范围内的差频信号，第一发光子层11的中心波长和第二发光子层12的中心波长可以为多种情况。
一个示例中，第一发光子层11和第二发光子层12的中心波长分别为第一预设波长与第二预设波长。如图3所示，第一预设波长为λ1，第二预设波长为λ2，第一发光子层11与第二发光子层12中心波长也刚好为λ1和λ2。图3中，υ表示频率，为波长的倒数。基于此，波长为λ1的光所形成的光场与波长为λ2的光所形成的光场在非线性晶体6内叠加，产生的差频信号的信号频率在预设频率范围内，即在太赫兹信号的频率范围内，如0.1THz-10THz。
另一个示例中，第一预设波长与第二预设波长位于由第一发光子层11的中心波长和第二发光子层12的中心波长所形成的波长区间内。如图4所示，第一预设波长为λ1，第二预设波长为λ2，第一发光子层11的中心波长与第二发光子层12的中心波长分别为λ3和λ4，且由λ3和λ4形成的波长区间内包括λ1和λ2。图4中，υ表示频率，为波长的倒数。基于此，第一发光子层11与第二发光子层12产生的光在太赫兹信号垂直腔面发射器内多次来回反射，可选出波长分别为λ1和λ2的两个波长的光。使得波长为λ1的光所形成的光场与波长为λ2的光所形成的光场在非线性晶体6内叠加，产生信号频率在预设频率范围内的差频信号。
其中，本公开实施例对第一预设波长与第二预设波长的具体数值不做限定，第一预设波长与第二预设波长的差值在预设波长差范围内，其中，预设波长差范围可以为1nm-20nm。
一种实施例中，第一发光子层11和第二发光子层12均包括量子阱结构、量子点结构或量子线结构中的至少一种。
本公开实施例中，以第一发光子层11和第二发光子层12均包括量子阱结构为例，当向第一发光子层11和第二发光子层12施加电场时，电场中的电子碰击量子阱结构中心，使得电子在能级间跃迁、变化、复合发光，从而使得第一发光子层11和第二发光子层12产生光。其中，量子阱结构可以理解为由两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限域效应的电子或空穴的势阱。
本公开实施例中，第一发光子层11与第二发光子层12包括的量子阱结构、量子点结构或量子线结构的数量可根据实际情况设定，例如2个、3个或4个等，本公开实施例对此不作具体限定。当第一发光子层11和第二发光子层12均包括量子阱结构时，可通过调整第一发光子层11和第二发光子层12内量子阱结构的材料，使第一发光子层11内量子阱结构的中心波长与第二发光子层12内量子阱结构的中心波长不同。一个示例中，可使第一发光子层11内量子阱结构的中心波长为968nm，使第二发光子层12内量子阱结构的中心波长为992nm。从而使得第一发光子层11与第二发光子层12产生不同波段的光。
本公开实施例中，运输匹配子层13用于在第一发光子层11和第二发光子层12间运输载流子。其中，载流子包括空穴与电子。运输匹配子层13还用于对第一发光子层11和第二发光子层12产生的光进行相位匹配，从而使得第一发光子层11和第二发光子层12产生的光波段等于或包括第一预设波长与第二预设波长。
一种实施例中，运输匹配子层13可以包括两个匹配子层和位于两个匹配子层中间的运输子层。其中，两个匹配子层用于对第一发光子层11和第二发光子层12内的载流子进行约束形成势阱，确保载流子能在第一发光子层11与第二发光子层12内有效复合，运输子层用于在第一发光子层11与第二发光子层12间运输载流子。
本公开实施例中，运输子层可以包括超薄的隧道结结构，也可以包括单一性能材料结构。运输子层的材料也可根据实际需求设定，如运输子层的材料为GaAs(Galliumarsenide，砷化镓)等，本公开实施例对此不作具体限定。当运输子层的材料为GaAs时，为降低运输子层对光的吸收，将运输子层置于太赫兹信号垂直腔面发射器的谐振光场的低谷处。且GaAs材料既可以由高掺杂的PN结构成，也可以由低掺杂的薄PN结构成。其中，PN结为采用不同的掺杂工艺，将P(Positive，正)形半导体及N(Negative，负)形半导体制作在同一片硅片上，在P形半导体及N形半导体的空间交界面产生的空间电荷区。此外，运输子层的厚度基于可根据有源层1的整体厚度设定。
此外，两个匹配子层的材料及厚度可根据实际需求设定，例如，两个匹配子层的材料均可以为Al0.3Ga0.7As(Aluminium Gallium arsenide，砷化铝镓)，厚度为40nm等，本公开实施例对此不做具体限定。
一种实施例中，有源层1还包括上限制子层14和下限制子层15。上限制子层14位于第一发光子层11远离运输匹配子层13的一侧，下限制子层15位于第二发光子层12远离运输匹配子层13的一侧。
本公开实施例中，如图2所示，有源层1还包括第一限制子层14和第二限制子层15。沿竖直方向上，第一限制子层14和第二限制子层15分别位于有源层1的两侧。其中第一限制子层14、第一发光子层11、运输匹配子层13、第二发光子层12及第二限制子层15的连接方式可以为：在第二限制子层15上生长第二发光子层12；在第二发光子层12上沿远离第二限制子层15的方向生长运输匹配子层13；在运输匹配子层13上沿远离第二发光子层12的方向生长第一发光子层11；在第一发光子层11上远离运输匹配子层13的方向生长第一限制子层14。
第一限制子层14用于在第一发光子层11与电极连接时，使得载流子更加有效地注入第一发光子层11内。第二限制子层15用于在第二发光子层12与电极连接时，使得载流子更加有效地注入第二发光子层12内。其中，第一发光子层11可以与电极的正极连接，使得电极向第一发光子层11内注入载流子中的空穴。第二发光子层12可以与电极的负极连接，使得电极向第二发光子层12内注入载流子中的电子。
本公开实施例中，第一限制子层14和第二限制子层15均可以包括一个缓变子层与一个匹配子层。其中缓变子层用于在缓变子层两侧结构的材料不同时，对两种不同的材料实现过渡，例如，由Al0.6Ga0.3As过渡至Al0.3Ga0.7As。其中，缓变子层的厚度可根据实际情况设定，如85nm或87nm等，本公开实施例对此不做具体限定。匹配子层的材料及厚度也可根据实际情况进行设定，如材料为Al0.3Ga0.7As，厚度为40nm等，本公开实施例对此不做具体限定。
本公开实施例中，欧姆接触层3与中分布反射镜层2连接，且位于中分布反射镜层2远离有源层1的一侧。欧姆接触层3可用于连接或承载电极，并使得电极产生的载流子更好地进入有源层1。其中，欧姆接触层3的材料可以为高掺杂P形半导体。此外，为了降低电阻，可在欧姆接触层3上连接或制造低接触电阻的P电极。欧姆接触层3与中分布反射镜层2连接方式可以为：在中分布反射镜层2上生长欧姆接触层3，且生长方向远离有源层1。
一种实施例中，欧姆接触层3包括腐蚀停子层，腐蚀停子层位于欧姆接触层3的远离中分布反射镜层2的一侧。
本公开实施例中，腐蚀停子层为特殊材料，如GaInP等。腐蚀停子层具有仅溶于特定的化学试剂的特性，因此，当需要找到欧姆接触层3时，只需采用特定的化学试剂，即可快速找到溶于该特定的化学试剂的腐蚀停子层，从而找到欧姆接触层3，通过溶解腐蚀接触层将欧姆接触层3的窗口打开，以连接或制作电极。其中，腐蚀停子层的厚度可根据实际情况进行设定，如20nm或21nm等，本公开实施例对此不做具体限定。
本公开实施例中，中分布反射镜层2、上分布反射镜层4及下分布反射镜层5均可以为布拉格反射镜层。中分布反射镜层2整体可以为P型掺杂半导体结构，上分布反射镜层4整体可以为无掺杂半导体结构，下分布反射镜层5可以为N型掺杂半导体结构。
本公开实施例中，为便于描述，将第一高折射率子层、第二高折射率子层及第三高折射率子层统称为高折射率子层；将第一低折射率子层、第二低折射率子层及第三低折射率子层统称为低折射率子层。高折射率子层由折射率较高的材料组成，如Al0.12Ga0.88As等，低折射率子层由折射率较低的材料组成，如Al0.9Ga0.1As等。高折射率子层还可以为其他折射率较高的材料，低折射率子层还可以为其他折射率较低的材料，本公开实施例对此不作具体限定。此外，每一高折射率子层及每一低折射率子层的厚度可以根据实际需求设定，本公开对此不作具体限定。一个示例中，高折射率子层的厚度可以为51nm，低折射率子层的厚度可以为61nm。
此外，中分布反射镜层2、上分布反射镜层4及下分布反射镜层5包含的高折射率子层与低折射率子层的数量可根据实际需求进行设定，本公开实施例对此不作具体限定。一个示例中，以一个高折射率子层与一个低折射率子层为一对折射率子层为例，中分布反射镜层2可以包括1.5-4.5对折射率子层；上分布反射镜层4可以包括18-22对折射率子层；下分布反射镜层5可以包括30-34对折射率子层。
中分布反射镜层2中包括的多个第一折射率子层的数量和为奇数，使得中分布反射镜层2为半透半反结构，即光可透过中分布反射镜层2。上分布反射镜层4和下分布反射镜层5中包括的多个第二折射率子层的数量和及第三折射率子层的数量和均为偶数，使得上分布反射镜层4和下分布反射镜层5均为全返结构，使得有源层1中第一发光子层11及第二发光子层12产生的光可在上分布反射镜层4和下分布反射镜层5之间来回反射。
中分布反射镜层2为半透半反结构，增大了太赫兹信号垂直腔面发射器的腔长，使得多种波长的光在上分布反射镜层4和下分布反射镜层5之间不断来回反射的过程中，能够产生与第一预设波长与第二预设波长相等的两束驻波，即产生两种波长分别为第一预设波长与第二预设波长的光。其中，太赫兹信号垂直腔面发射器的腔长可以等效为上分布反射镜层4靠近有源层1的一侧与下分布反射镜层5靠近有源层1的一侧之间的距离，如图5所示。
其中，第一预设波长与第二预设波长的频率差值Δv与腔长L'之间的关系可以表示为：
其中，Δv为第一预设波长与第二预设波长的差值，L′为腔长，c为光的传播速度，n为等效折射率，与有源层1、中分布反射镜层2、上分布反射镜层4及下分布反射镜层5的材料有关。
由此可知，当太赫兹信号垂直腔面反射器的腔长越长时，第一预设波长与第二预设波长的差值越小。因此通过中分布反射镜层2适当地加大太赫兹信号垂直腔面反射器的腔长，可使得第一预设波长与第二预设波长的差值减小，从而使得在多种波长的光在上分布反射镜层4及下分布反射镜层5之间不断来回反射时，可选出两种波长分别为第一预设波长与第二预设波长的光。
一种实施例中，为减小中分布反射镜层2、上分布反射镜层4及下分布反射镜层5的电阻，可在每一对高折射率子层与低折射率子层之间添加缓变子层。其中，缓变子层的厚度可根据实际需求设定，如20nm等，本公开实施例对此不作具体限定。还可通过其他方式减小中分布反射镜层2、上分布反射镜层4及下分布反射镜层5的电阻，本公开实施例对此也不做具体限定。
当通过上述太赫兹信号垂直腔面发射器产生太赫兹信号时，在欧姆接触层3上连接或安装电极，电极产生的载流子进入第一发光子层11与第二发光子层12，运输匹配子层13在第一发光子层11与第二发光子层12之间运输载流子，使得第一发光子层11与第二发光子层12内载流子复合，从而产生宽波段自发辐射光。由于中分布反射镜层2加大了太赫兹信号垂直腔面发射器的腔长，使得第一发光子层11与第二发光子层12产生的光分别经过上分布反射镜层4和下分布反射镜层2来回反射后，两种波长分别为第一预设波长与第二预设波长的光被选择出来。这两个波长的光进入上方的非线性晶体层6，在非线性晶体层6内叠加后产生差频信号，并且产生的差频信号的频率在预设频率范围(太赫兹信号范围)内。上述太赫兹信号垂直腔面发射器材料为半导体类材料，因此易于与半导体电路集成。且上述太赫兹信号垂直腔面发射器中用于产生光场的第一发光子层11与第二发光子层12体积较小，使得太赫兹信号垂直腔面发射器的体积小。易于与半导体电路集成且体积小的特性使得该太赫兹信号垂直腔面发射器可以应用于较小的设备中，应用范围广。
一种实施例中，如图1所示，本公开实施例提供的太赫兹信号垂直腔面发射器还包括：
氧化限制层7，位于有源层1和中分布反射镜层2之间。
相位匹配扩展层8，位于欧姆接触层3与上分布反射镜层4之间。
键合层9，位于上分布反射镜层4与非线性晶体层6之间。
本公开实施例中，氧化限制层7与有源层1靠近中分布反射镜层2的一侧连接，用于当对有源层1施加电极时，使电极产生的载流子能更好更多的进入有源层1，还用于对有源层1内部产生的光场进行横向限制。其中，氧化限制层7既可以为单氧化限制层，也可以为多氧化限制层，本公开实施例对此不作具体限定。氧化限制层7的厚度也可根据实际需求进行设定，如30nm等，本公开实施例对此也不作具体限定。氧化限制层7与有源层1的连接方式可以为：在有源层1上沿靠近中分布反射镜层2的方向上生长氧化限制层7。
本公开实施例中，相位匹配扩展层8与欧姆接触层3靠近上分布反射镜层4的一侧连接，用于与中分布反射镜层2相匹配，共同增大太赫兹信号垂直腔面反射器的腔长。因此，相位匹配扩展层8的厚度与实际需要的腔长的长度有关，由于相位匹配层8与中分布反射镜层2相配合，因此当中分布反射镜2的厚度减小时，应相应地增大相位匹配扩展层8的厚度；当中分布反射镜2的厚度增大时，应相应地减小相位匹配扩展层8的厚度。其中，相位匹配扩展层8与欧姆接触层3的连接方式可以为：在欧姆接触层3上沿靠近上分布反射镜层4的方向上生长相位匹配扩展层8。
本公开实施例中，由于上分布反射镜层4为半导体材料，而非线性晶体6多为光学晶体材料，因此无法在上分布反射镜层4上生长非线性晶体层6。因此，在非线性晶体层6与上分布反射镜层4之间添加键合层9，使得键合层9可以将非线性晶体6与上分布反射镜层4胶合在一起。其中，键合层9的材料可以为苯并环丁烯类聚合物，基于此，在上分布反射镜层4上添加键合层9的方式可以为：在上分布反射镜层4靠近非线性晶体6的一侧上涂抹稀释的苯并环丁烯类聚合物材料。
一种实施例中，本公开实施例提供的太赫兹信号垂直腔面发射器还包括衬底100。衬底100位于下分布反射镜层5远离有源层1的一侧，衬底100的材料为半导体，用于支撑太赫兹信号垂直腔面发射器除衬底100外的其他部分。其中，衬底100与下分布反射镜层5的连接方式可以为：在衬底100上，沿靠近有源层1的方向上生长下分布反射镜层5。其中，衬底100的材料还可根据实际需求设定，如GaAs等，本公开实施例对此不作具体限定。
一种实施例中，本公开实施例提供的太赫兹信号垂直腔面发射器还包括缓冲层10，缓冲层10位于衬底100与下分布反射镜层5之间。由于衬底100与下分布反射镜层5的材料不同，缓冲层10用于过渡连接衬底100与下分布反射镜层5。其中，缓冲层10与衬底100的连接方式可以为：在衬底100上沿靠近下分布反射镜层5的方向上生长缓冲层10。缓冲层10的材料及厚度可根据实际情况进行设定，本公开实施例对此不作具体限定，一个示例中，缓冲层10的材料可以为N型GaAs，厚度为100-500nm。
为解决太赫兹信号发射器体积较大、不易于与半导体集成电路进行集成且应用范围较小的问题，本公开实施例提供了一种太赫兹信号垂直腔面发射器的制作方法，如图6所示，该方法包括以下步骤：
步骤601，在下分布反射镜层上生长有源层，其中，有源层包括第一发光子层、第二发光子层及位于第一发光子层和第二发光子层之间的运输匹配子层，下分布反射镜层包括多个第三折射率子层，多个第三折射率子层包括交替排布的第三高折射率子层与第三低折射率子层，多个第三折射率子层的数量为偶数。
步骤602，在有源层远离下分布反射镜层的一侧生长中分布反射镜层；其中，中分布反射镜层包括多个第一折射率子层，多个第一折射率子层包括交替排布的第一高折射率子层与第一低折射率子层，多个第一折射率子层的数量为奇数。
步骤603，在中分布反射镜层远离有源层的一侧生长欧姆接触层。
步骤604，在欧姆接触层远离中分布反射镜层的一侧生长上分布反射镜层，上分布反射镜层包括多个第二折射率子层，多个第二折射率子层包括交替排布的第二高折射率子层与第二低折射率子层，多个第二折射率子层的数量为偶数，且多个第三折射率子层的数量大于多个第二折射率子层的数量。
步骤605，在上分布反射镜层远离欧姆接触层的一侧放置非线性晶体层，第一发光子层产生的光与第二发光子层产生的光能够进入非线性晶体层，并在叠加后产生差频信号，且差频信号的频率在预设频率范围内。
本公开实施例中，采用上述方法制造出的太赫兹信号垂直腔面反射器产生太赫兹信号时，在欧姆接触层上连接或安装电极，电极产生的载流子进入第一发光子层与第二发光子层，运输匹配子层在第一发光子层与第二发光子层之间运输载流子，使得第一发光子层与第二发光子层内载流子复合，从而产生宽波段自发辐射光。由于中分布反射镜层加大了太赫兹信号垂直腔面发射器的腔长，使得第一发光子层与第二发光子层产生的光分别经过上分布反射镜层和下分布反射镜层来回反射后，两个波长的光被选择出来，即波长分别为第一预设波长与第二预设波长的光。这两个波长的光进入上方的非线性晶体层，在非线性晶体层内叠加后产生差频信号，并且产生的差频信号的频率在预设频率范围(太赫兹信号范围)内。上述太赫兹信号垂直腔面发射器材料为半导体类材料，因此易于与半导体电路集成。且上述太赫兹信号垂直腔面发射器中，用于产生光场的第一发光子层与第二发光子层体积较小，使得太赫兹信号垂直腔面发射器的体积小。易于与半导体电路集成且体积小的特性使得该太赫兹信号垂直腔面发射器可以应用于较小的设备中，应用范围广。
一种实施例中，在步骤602之前，上述制作方法还包括：在有源层靠近中分布反射镜层的一侧生长氧化限制层，用于当对有源层施加电极时，使电极产生的载流子能更好更多的进入有源层，还用于对有源层内部产生的光场进行横向限制。
在步骤604之前，上述制作方法还包括：在欧姆接触层远离中分布反射镜层的一侧生长相位匹配扩展层，用于与中分布反射镜层相匹配，共同增大太赫兹信号垂直腔面反射器的腔长。
在步骤605之前，上述制作方法还包括：在上分布反射镜层靠近非线性晶体层的一侧放置键合层，用于将非线性晶体与上分布反射镜层胶合在一起。
一种实施例中，有源层通过以下步骤形成：
在下限制子层上生长第二发光子层；
在第二发光子层远离下限制子层的一侧生长运输匹配子层；
在运输匹配子层远离第二发光子层的一侧生长第一发光子层；
在第一发光子层远离运输匹配子层的一侧生长上限制子层。
本公开实施例中，对太赫兹信号垂直腔面发射器的制作方法的描述具体可参见对太赫兹信号垂直腔面发射器的描述，此处不再赘述。
本公开实施例中，如图7所示，还可通过以下步骤制作太赫兹信号垂直腔面发射器。
步骤701，在衬底上生长缓冲层；
步骤702，在缓冲层远离衬底的一侧生长下分布反射镜层；
步骤703，在下分布反射镜层远离缓冲层的一侧生长有源层；
步骤704，在有源层远离下分布反射镜层的一侧生长有氧限制层；
步骤705，在有氧限制层远离有缘层的一侧生长中分布反射镜层；
步骤706，在中分布反射镜层远离有氧限制层的一侧生长欧姆接触层；
步骤707，在欧姆接触层远离中分布反射镜层的一侧生长相位匹配扩展层；
步骤708，在相位匹配扩展层远离欧姆接触层的一侧生长上分布反射镜层；
步骤709，在上分布反射镜层远离相位匹配扩展层的一侧设置键合层；
步骤710，在键合层远离上分布反射镜层的一侧设置非线性晶体层。
本公开实施例中，对步骤701-步骤710的描述具体可参见对太赫兹信号垂直腔面发射器的描述，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本公开的较佳实施例，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。
Claims (10)
1.一种太赫兹信号垂直腔面发射器，其特征在于，包括：
有源层，包括第一发光子层、第二发光子层及位于所述第一发光子层和所述第二发光子层之间的运输匹配子层；所述运输匹配子层用于在所述第一发光子层与所述第二发光子层之间运输载流子；
中分布反射镜层，位于所述第一发光子层远离所述第二发光子层的一侧；所述中分布反射镜层包括多个第一折射率子层，所述多个第一折射率子层包括交替排布的第一高折射率子层与第一低折射率子层，所述多个第一折射率子层的数量为奇数；
欧姆接触层，位于所述中分布反射镜层远离所述有源层的一侧，用于连接电极，以使所述电极产生的载流子进入所述有源层；
上分布反射镜层，位于所述欧姆接触层远离所述中分布反射镜层的一侧，包括多个第二折射率子层，所述多个第二折射率子层包括交替排布的第二高折射率子层与第二低折射率子层，所述多个第二折射率子层的数量为偶数；
下分布反射镜层，位于所述有源层远离所述欧姆接触层的一侧，包括多个第三折射率子层，所述多个第三折射率子层包括交替排布的第三高折射率子层与第三低折射率子层，所述多个第三折射率子层的数量为偶数，且所述多个第三折射率子层的数量大于所述多个第二折射率子层的数量；
非线性晶体层，位于所述上分布反射镜层远离所述欧姆接触层的一侧；所述第一发光子层产生的光与所述第二发光子层产生的光能够进入所述非线性晶体层，并在叠加后产生差频信号，且所述差频信号的频率在预设频率范围内。
2.根据权利要求1所述的太赫兹信号垂直腔面发射器，其特征在于，还包括：
氧化限制层，位于所述有源层和所述中分布反射镜层之间；
相位匹配扩展层，位于所述欧姆接触层与所述上分布反射镜层之间；
键合层，位于所述上分布反射镜层与所述非线性晶体层之间。
3.根据权利要求1所述的太赫兹信号垂直腔面发射器，其特征在于，所述欧姆接触层包括腐蚀停子层，所述腐蚀停子层位于所述欧姆接触层的远离所述中分布反射镜层的一侧。
4.根据权利要求1所述的太赫兹信号垂直腔面发射器，其特征在于，所述有源层还包括上限制子层和下限制子层；
所述上限制子层位于所述第一发光子层远离所述运输匹配子层的一侧，所述下限制子层位于所述第二发光子层远离所述运输匹配子层的一侧。
5.根据权利要求1所述的太赫兹信号垂直腔面发射器，其特征在于，所述第一发光子层及所述第二发光子层均包括量子阱结构、量子点结构或量子线结构中的至少一种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的太赫兹信号垂直腔面发射器，其特征在于，还包括衬底；
所述衬底位于所述下分布反射镜层远离所述有源层的一侧，所述衬底的材料为半导体。
7.根据权利要求6所述的太赫兹信号垂直腔面发射器，其特征在于，还包括缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底与所述下分布反射镜层之间。
8.一种太赫兹信号垂直腔面发射器的制作方法，其特征在于，包括：
在下分布反射镜层上生长有源层，其中，所述有源层包括第一发光子层、第二发光子层及位于所述第一发光子层和所述第二发光子层之间的运输匹配子层，所述下分布反射镜层包括多个第三折射率子层，所述多个第三折射率子层包括交替排布的第三高折射率子层与第三低折射率子层，所述多个第三折射率子层的数量为偶数；
在所述有源层远离所述下分布反射镜层的一侧生长中分布反射镜层，其中，所述中分布反射镜层包括多个第一折射率子层，所述多个第一折射率子层包括交替排布的第一高折射率子层与第一低折射率子层，所述多个第一折射率子层的数量为奇数；
在所述中分布反射镜层远离所述有源层的一侧生长欧姆接触层；
在所述欧姆接触层远离所述中分布反射镜层的一侧生长上分布反射镜层，所述上分布反射镜层包括多个第二折射率子层，所述多个第二折射率子层包括交替排布的第二高折射率子层与第二低折射率子层，所述多个第二折射率子层的数量为偶数，且所述多个第三折射率子层的数量大于所述多个第二折射率子层的数量；
在所述上分布反射镜层远离所述欧姆接触层的一侧放置非线性晶体层，所述第一发光子层产生的光与所述第二发光子层产生的光能够进入所述非线性晶体层，并在叠加后产生差频信号，且所述差频信号的频率在预设频率范围内。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，
所述在所述有源层远离所述下分布反射镜层的一侧生长中分布反射镜层之前，所述制作方法还包括：
在所述有源层靠近所述中分布反射镜层的一侧生长氧化限制层；
所述在所述欧姆接触层远离所述中分布反射镜层的一侧生长上分布反射镜层之前，所述制作方法还包括：
在所述欧姆接触层远离所述中分布反射镜层的一侧生长相位匹配扩展层；
所述在所述上分布反射镜层远离所述欧姆接触层的一侧放置非线性晶体层之前，所述制作方法还包括：
在所述上分布反射镜层靠近所述非线性晶体层的一侧放置键合层。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述有源层通过以下步骤形成：
在下限制子层上生长所述第二发光子层；
在所述第二发光子层远离所述下限制子层的一侧生长所述运输匹配子层；
在所述运输匹配子层远离所述第二发光子层的一侧生长所述第一发光子层；
在所述第一发光子层远离所述运输匹配子层的一侧生长上限制子层。
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2021
- 2021-01-04 CN CN202110003808.5A patent/CN112736643B/zh not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
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