一种面发射太赫兹量子级联激光器制造技术

本专利涉及一种面发射太赫兹量子级联激光器，包括一衬底以及位于该衬底上方的键合金属层，所述键合金属层的上方设置有引线区以及位于所述引线区之间的天线阵列，所述天线阵列为周期性脊条阵列，所述周期性脊条阵列包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的脊条。本专利可以实现紧致的远场光斑，从而有利于提高激光器的高温特性以及连续波模式下的工作性能。同时，本专利并不需要任何的外腔耦合结构，提高了激光器输出信号的稳定性。的稳定性。的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种面发射太赫兹量子级联激光器


[0001]本专利涉及太赫兹量子级联激光器领域，更具体地涉及一种面发射太赫兹量子级联激光器。

技术介绍

[0002]太赫兹(THz)量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)频率覆盖1
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10THz，具有能量转换效率高、体积小、易集成等优点，是极具潜力的太赫兹波段的相干光源。单模高功率THz
‑
QCL更是在物质检测、光谱分析、成像、通信与气体分析等领域有重要的应用前景，对于器件要求具有高工作温度、高输出功率、高转换效率、单模光谱、小远场发散角等性能。
[0003]太赫兹量子级联激光器在长足的发展过程中已经发展出了各式各样的波导结构以及对应的谐振腔结构。双金属波导的太赫兹量子级联激光器具有极高的限制因子从而具有较好的温度特性以及电光转换效率，但是它极大的限制了边缘的出光面积从而只能获得很低的输出功率以及紊乱的远场光斑，因此在双金属波导的基础上设计谐振腔结构实现面发射成为了较为主流的发展方向。目前在这个方向上有两条卓有成效的技术路线，分别是相位匹配三级分布反馈太赫兹量子级联激光器和外腔耦合超表面太赫兹量子级联激光器。
[0004]这两种激光器的优点在于共同使用了窄脊条结构，使有源区结构具有良好的散热性，从而具有良好的温度特性以及连续波模式工作特性，并且具有较高的辐射损耗从而可以得到较高的功率输出。此外，它们都实现了较大的出光面来获得紧致的远场光斑。
[0005]但与此同时，它们也都具有各自的缺陷：相位匹配三级分布反馈太赫兹量子级联激光器无偶极天线结构，其出光方式为掠出射，不利于构建二维激光器阵列，从而无法得到阵列对于光束质量和功率的提升。外腔耦合超表面量子级联激光器采用均匀天线阵列，其对应模式的辐射损耗较大，难以激射，并且对于外腔耦合镜和超表面之间的平行度要求极高，在偏离0.3
°
的情况下就会极大的影响激光器的阈值，因此其封装难度极大，此外调整过程中也会因为外部震动等不可控因素导致平行度出现偏差，极易引起激光器性能的衰退。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利提供一种面发射太赫兹量子级联激光器，便于构建激光器阵列，能够摆脱由外腔耦合镜的不稳定性带来的制约，保持激光器的良好性能。
[0007]本专利提供一种面发射太赫兹量子级联激光器，包括一衬底以及位于该衬底上方的键合金属层，所述键合金属层的上方设置有引线区以及位于所述引线区之间的天线阵列，所述天线阵列为周期性脊条阵列，所述周期性脊条阵列包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的脊条。进一步地，所述引线区包括从下至上依次设置的第一有源区、绝缘层以及第一顶部金属电极。
[0008]进一步地，所述脊条包括从下至上设置的第二有源区和第二顶部金属电极。优选地，所述第一有源区和第二有源区采用超晶格材料。
[0009]优选地，所述每个周期单元中的两个脊条的宽度差范围在0μm
‑
0.8μm之间。
[0010]优选地，所述脊条的宽度范围在3
‑
30μm之间，该宽度范围使得面发射太赫兹量子级联激光器的频率工作范围在1THz
‑
10THz之间。
[0011]本专利还提供一种面发射太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括：
[0012]步骤S1，制备具有键合金属层和有源区层的衬底；
[0013]步骤S2，在所述具有键合金属层和有源区层的衬底上制作引线区图形和天线阵列图形，所述天线阵列图形位于所述引线区图形之间，并由周期性长条结构构成，其中，所述周期性长条结构包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的长条；
[0014]步骤S3，在所述引线区图形和所述天线阵列图形的表面生长金属，剥离后形成顶部金属电极；
[0015]步骤S4，以所述顶部金属电极的图形作为掩膜，对未被金属覆盖区域的有源区层进行刻蚀，露出键合金属层；
[0016]步骤S5，对所述衬底进行减薄，并在减薄后的衬底上生长金属。
[0017]进一步地，所述步骤S1包括：
[0018]步骤S11，制备具有第一金属层的第一衬底，包括：提供第一基底，在第一基底表面外延生长腐蚀阻挡层，在腐蚀阻挡层上外延生长上接触层，在上接触层上外延生长有源区层，在有源区层外延生长下接触层，然后在下接触层上形成第一金属层；
[0019]步骤S12，制备具有第二金属层的第二衬底，包括：提供第二基底，在第二基底表面形成第二金属层；
[0020]步骤S13，将所述第一衬底的第一金属层与所述第二衬底的第二金属层相对，并将第一和第二金属层键合在一起，形成键合金属层；
[0021]步骤S14，对所述第一基底进行抛光，直到离所述腐蚀阻挡层预设距离，采用湿法腐蚀或干法刻蚀法腐蚀到所述腐蚀阻挡层，再用酸溶液去除所述腐蚀阻挡层，然后用湿法腐蚀或干法刻蚀法减薄所述上接触层至预设厚度。
[0022]进一步地，所述步骤S2包括：
[0023]步骤S21，在所述有源区层的表面生长一层绝缘层，在所述绝缘层表面制作出引线区图形；
[0024]步骤S22，采用带有氟离子的溶液对所述绝缘层中除非电注入区域之外的区域进行腐蚀，露出有源区层；
[0025]步骤S23，在露出的有源区层表面制作出天线阵列图形。
[0026]本专利中的天线阵列由不对称的周期性窄脊条结构构成，形成非均匀偶极天线阵列，使得激光器的发光面蔓延整个偶极天线阵列表面，其出光方式为垂直面发射，能够有利于构建二维激光器阵列。并且由于发光面的增大，可以实现紧致的远场光斑，从而有利于提高激光器的高温特性以及连续波模式下的工作性能。同时本专利通过非均匀偶极天线阵列的结构降低了激射激光需要的增益，因而并不需要任何的外腔耦合结构，提高了激光器输出信号的稳定性。
附图说明
[0027]图1是按照本专利的面发射太赫兹量子级联激光器的结构示意图。
[0028]图2是按照本专利的面发射太赫兹量子级联激光器的制备方法流程图。
[0029]图3(a)是第一衬底的结构示意图；图3(b)是第二衬底的结构示意图；图3(c)是第一衬底和第二衬底键合在一起的示意图；图3(d)是制备完成的具有键合金属层和有源区层的衬底的结构示意图。
[0030]图4(a)是生长了绝缘层的装置结构示意图；图4(b)是制作出引线区图形的俯视图；图4(c)是对绝缘层进行腐蚀后的装置结构示意图；图4(d)是制作出天线区域图形的俯视图。
[0031]图5是制备顶部金属电极后的装置结构示意图。
[0032]图6是进行刻蚀后的装置结构示意图。
[0033]图7是制备完成的面发射太赫兹量子级联激光器的装置结构示意图。
[0034]图8(a)是按照本专利的面发射太赫兹量子级联激光器的L
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I
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V测试结果示意图；图8(b)是采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面发射太赫兹量子级联激光器，包括一衬底以及位于该衬底上方的键合金属层，其特征在于，所述键合金属层的上方设置有引线区以及位于所述引线区之间的天线阵列，所述天线阵列为周期性脊条阵列，所述周期性脊条阵列包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的脊条。2.根据权利要求1所述的面发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述引线区包括从下至上依次设置的第一有源区、绝缘层以及第一顶部金属电极。3.根据权利要求2所述的面发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于，所述脊条包括从下至上设置的第二有源区和第二顶部金属电极。4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐刚毅，何力，朱欢，常高磊，白弘宙，朱海卿，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：