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

本发明专利技术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。通过本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光器半导体
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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℃，且时间大于等本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天鸿，曹俊诚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31