三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法，所述结构包括衬底、脊波导区以及三阶光栅结构；所述脊波导区自下而上依次包括下电极、夹层区及上电极；所述夹层区自下而上依次包括下接触层、有源区及上接触层；所述三阶光栅结构包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿上电极及夹层区；所述三阶光栅结构的纵向占空比范围是8%‑15%；太赫兹波在有源区内产生，并通过三阶光栅结构的选模作用，从缝隙处出射，在空间中耦合到脊波导区的纵向两端。本发明专利技术在太赫兹量子级联激光器的波导结构中引入了三阶光栅，并通过调整不同的光栅占空比以获得比较小的远场发散角，克服了三阶光栅因为相位不匹配而存在的远场发散角偏大的问题。

Three order distributed feedback terahertz quantum cascade laser structure and its manufacturing method

The invention provides a three order distributed feedback terahertz quantum cascade laser structure and its manufacturing method, the structure includes a substrate, ridge waveguide region and three order grating structure; the bottom area in ridge waveguide includes a lower electrode, an interlayer area and upper electrode; the interlayer region comprises contact layer, bottom and active region on the contact layer; the three order grating structure comprises a plurality of parallel gap periodic arrangement, the gap through the upper electrode and the interlayer area; the three order grating structure longitudinal duty ratio range is 8% to 15%; Zibo in terahertz active region, and the mode selection of order three grating structure, shooting out from the gap, coupled to the longitudinal ends of ridge waveguide region in space. The invention introduces three order grating waveguide structure in terahertz quantum cascade lasers, and by adjusting the duty ratio of different grating to obtain the far-field divergence angle is relatively small, overcome the far field divergence Mikai Hikaru exists because of phase mismatch angle too large.

【技术实现步骤摘要】
三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法
本专利技术属于半导体激光器
，涉及一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法。
技术介绍
太赫兹(THz)量子级联激光器(QuantumCascadeLaser，QCL)覆盖1-10Thz的频率范围，具有体积小、重量轻、易集成等优点，是太赫兹应用领域的一个十分重要的辐射源。为了迎合在通信、成像、频谱分析等领域的应用，需要在波导结构方面对THzQCL进行优化设计，使THzQCL具有单模输出、低的远场发散角、高的输出功率等性能。目前主要有两种波导结构，半绝缘表面等离子体波导结构和双面金属波导结构。相比半绝缘表面等离子体波导结构，双面金属波导结构具有模式限制因子高、工作温度高的优势，但是缺点在于多模工作、远场比较发散。为了在获得单模输出的同时具有比较小的远场发散角，通常在双面金属波导中引入光栅结构。对于三阶分布反馈THzQCL，由耦合模理论可知，当波导结构的本征模对应的有效折射率为3时能够使得本征模满足相位匹配条件，获得比较理想的远场光斑。通常制作的三阶分布反馈THzQCL对应的有效折射率大于3，由于使得器件有比较好的远场发散角的最大光栅周期数为N＝neff/(neff-3)，其中neff为器件本征模式对应的有效折射率，使得三阶光栅周期数大于最大光栅周期数N很多的THzQCL的远场光斑比较差。
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三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法，用于解决现有技术中三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器存在相位不匹配，导致远场发散角偏大，远场光斑比较差的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，包括衬底、形成于所述衬底上的脊波导区以及形成于所述脊波导区中的三阶光栅结构；其中：所述脊波导区自下而上依次包括下电极、夹层区及上电极；所述夹层区自下而上依次包括下接触层、有源区及上接触层；所述三阶光栅结构包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿所述上电极及所述夹层区；所述脊波导区中，所述三阶光栅结构的纵向占空比范围是8％-15％；太赫兹波在所述有源区内产生，并通过所述三阶光栅结构的选模作用，从所述缝隙处出射，在空间中耦合到所述脊波导区的纵向两端。可选地，所述衬底包括n型GaAs衬底。可选地，所述n型GaAs衬底中掺杂有Si，其中，Si掺杂浓度范围是2×1018～5×1018cm-3。可选地，所述衬底的厚度范围是100～240μm。可选地，所述上电极的横向宽度小于所述有源区的横向宽度。可选地，所述上电极位于所述有源区上表面的中心，且所述上电极的横向宽度为所述有源区的横向宽度的50％～95％。可选地，所述有源区的横向宽度为亚波长尺度。可选地，所述缝隙的横向宽度为所述上电极的横向宽度的50％～95％。可选地，所述上电极的纵向宽度小于所述有源区的纵向宽度。可选地，所述上电极的纵向第一端与所述有源区纵向第一端之间的距离为50～150μm；所述上电极的纵向第二端与所述有源区纵向第二端之间的距离为50～150μm。本专利技术还提供一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的制作方法，包括如下步骤：S1：提供一基板，在所述基板上自下而上依次形成刻蚀阻挡层、上接触层、有源区、下接触层及第一键合金属层；S2：提供一衬底，在所述衬底上表面形成第二键合金属层；S3：通过所述第一键合金属层及第二键合金属层将所述基板与所述衬底键合；所述第一键合金属层及第二键合金属层共同构成下电极；S4：减薄所述衬底，并去除所述基板及所述刻蚀阻挡层，将所述上接触层减薄至预设厚度；然后在所述上接触层表面形成上电极；其中，所述下接触层、有源区及上接触层构成夹层区，所述下电极、夹层区及上电极构成脊波导区；S5：刻蚀所述脊波导区，在所述脊波导区中形成三阶光栅结构，其中，所述三阶光栅结构包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿所述上电极及所述夹层区。可选地，于所述步骤S5中，首先在所述脊波导区表面形成一硬掩膜层，然后在所述硬掩膜层中形成与所述三阶光栅结构相对应的开口，再通过所述开口对所述脊波导区进行刻蚀，得到所述缝隙。可选地，所述第一键合金属层及第二键合金属层均包括Ti/Au复合层。可选地，还包括步骤S6：在减薄后的所述衬底表面形成背面电极。可选地，还包括步骤S7：将解离的激光器管芯，通过铟片焊接在铜热沉上，采用金丝焊线实现电注入。如上所述，本专利技术的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构及其制作方法，具有以下有益效果：本专利技术在太赫兹量子级联激光器的波导结构中引入了三阶光栅，并通过调整不同的光栅占空比以获得比较小的远场发散角。通过对三阶光栅的占空比的调节改善光栅波导的有效折射率以满足相位匹配条件，克服了三阶光栅因为相位不匹配而存在的远场发散角偏大的问题，在获得小于15°×15°的高斯光斑同时可以增加光栅的周期数，而增加光栅的周期数能够获得比较大的耦合功率。附图说明图1a显示为本专利技术的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的剖面示意图。图1b显示为本专利技术的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的三维示意图。图2a-图2e显示为不同纵向占空比光栅的三阶DFBTHzQCL远场计算结果。图2f显示为与图2a-图2e对应的周期长度与模式损耗的变化情况。图3a显示为器件A的模式损耗图，其中其谐振频率为4.1702THz。图3b显示为器件A在谐振频率4.1702THz对应的腔内的Ey分布。图4显示为本专利技术制作的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的扫描电镜图，其中最下方的一个为器件A。图5显示为测量到的器件A的远场光斑图。元件标号说明1衬底2下电极3下接触层4有源区5上接触层6上电极7三阶光栅结构8金线键合区9吸收边区具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，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专利技术的其他优点与功效。本专利技术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，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1至图5。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专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术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。实施例一为了解决三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器存在的相位不匹配的问题，本专利技术通过改变波导的结构，提出一种输出功率高、远场发散角小的太赫兹量子级联激光器制作方案。请参阅图1a及图1b，分别显示为本专利技术的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构的剖面示意图和三维示意图，包括衬底1、形成于所述衬底1上的脊波导区以及形成于所述脊波导区中的三阶光栅结构7；其中：所述脊波导区自下而上依次包括下电极2、夹层区及上电极6；所述夹层区自下而上依次包括下接触层3、有源区4及上接触层5；所述三阶光栅结构7包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿所述上电极2及所述夹层区；所述脊波导区中，所述三阶光栅结构7的纵向占空比范围是8％-15％；太赫兹波在所述有源区内产生，并通过所述三阶光栅结构7的选模作用，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于，包括衬底、形成于所述衬底上的脊波导区以及形成于所述脊波导区中的三阶光栅结构；其中：所述脊波导区自下而上依次包括下电极、夹层区及上电极；所述夹层区自下而上依次包括下接触层、有源区及上接触层；所述三阶光栅结构包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿所述上电极及所述夹层区；所述脊波导区中，所述三阶光栅结构的纵向占空比范围是8％‑15％；太赫兹波在所述有源区内产生，并通过所述三阶光栅结构的选模作用，从所述缝隙处出射，在空间中耦合到所述脊波导区的纵向两端。

【技术特征摘要】
1.一种三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于，包括衬底、形成于所述衬底上的脊波导区以及形成于所述脊波导区中的三阶光栅结构；其中：所述脊波导区自下而上依次包括下电极、夹层区及上电极；所述夹层区自下而上依次包括下接触层、有源区及上接触层；所述三阶光栅结构包括若干呈周期性排列的平行缝隙，所述缝隙上下贯穿所述上电极及所述夹层区；所述脊波导区中，所述三阶光栅结构的纵向占空比范围是8％-15％；太赫兹波在所述有源区内产生，并通过所述三阶光栅结构的选模作用，从所述缝隙处出射，在空间中耦合到所述脊波导区的纵向两端。2.根据权利要求1所述的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于：所述衬底包括n型GaAs衬底。3.根据权利要求2所述的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于：所述n型GaAs衬底中掺杂有Si，其中，Si掺杂浓度范围是2×1018～5×1018cm-3。4.根据权利要求1所述的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于：所述衬底的厚度范围是100～240μm。5.根据权利要求1所述的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于：所述上电极的横向宽度小于所述有源区的横向宽度。6.根据权利要求5所述的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于：所述上电极位于所述有源区上表面的中心，且所述上电极的横向宽度为所述有源区的横向宽度的50％～95％。7.根据权利要求1所述的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于：所述有源区的横向宽度为亚波长尺度。8.根据权利要求1所述的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于：所述缝隙的横向宽度为所述上电极的横向宽度的50％～95％。9.根据权利要求1所述的三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器结构，其特征在于：所述上电极的纵向宽度小于所述有源区的纵向宽度。10.根据权利要求9所述的三阶分布反馈太赫兹量...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎华，朱永浩，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