CN107069432B - 环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在一衬底上依序生长下波导层、下光学限制层、第一有源层、间隔层、第二有源层、上光学限制层和上波导层；步骤2：移除上波导层，在上光学限制层上呈放射状向下刻蚀多条光栅，形成一个双周期的环形光栅；步骤3：在刻蚀后的上光学限制层上重新生长上波导层；步骤4：在上波导层上向下刻蚀一环形脊结构，刻蚀深度到达下光学限制层；步骤5：在刻蚀后的环形脊结构的沟槽中填满半绝缘InP：Fe；步骤6：在沟槽中填满半绝缘InP：Fe的环形脊结构上蒸发正面金属电极，镀金；步骤7：将衬底减薄，抛光，在衬底的背面蒸发背面金属电极；步骤8：刻蚀金属电极，制备出二级环形表面金属光栅，完成制备。
Description
技术领域
本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法。该结构的独特之处在于，将外延片做成环形双沟结构，再在衬底上制作二级环形金属光栅，一方面，衬底二级环形金属光栅结构能够在整个环形腔范围内实现太赫兹光的有效抽取；另一方面，可以改善太赫兹光的远场发散。
背景技术
波长为30-300μm介于红外和微波之间的太赫兹波由于其特殊的光谱位置，使其在光谱成像，射电天文，自由空间通信，医疗以及环境监测等方面具有广阔的应用前景。目前传统可用的大功率太赫兹源非常有限，一些电子器件因受到电子渡越时间和寄生时间常数的限制而难以制作大于1THz的辐射源，光学器件受到材料禁带宽度的限制而难以制作小于10THz的辐射源，形成了所谓的1-10THz的太赫兹空隙。量子级联激光器具有能带可裁剪性的特点，所以为了得到高效便携的1-10THz太赫兹光源，研究者们自然将目光对准了量子级联激光器，希望通过能带的“裁剪”实现量子级联激光器在1-10THz波段的激射。2002年意大利科学家Rüdeger等人成功制作出了第一支激射于太赫兹波段的量子级联激光器，此后太赫兹量子级联激光器飞速发展，到2015年实现了低温下大于1W的大功率输出，但是随工作温度升高，功率下降很快，不能在室温下使用。量子级联激光器中量子态之间强耦合能够产生巨大的非线性效应，理论上二阶非线性系数能够达到106pm/V，比普通非线性晶体的高了四个数量级，此外基于量子级联激光器的中红外光已经实现室温连续高的泵浦功率，所以基于中红外双波长腔内差频的太赫兹量子级联激光器成为实现室温的最有前途的太赫兹光源。2007年美国哈佛大学的M.A.Belkin等人采用模式相位匹配的方式基于束缚态到连续态和双声子共振的双有源区结构成功研制第一支双波长差频太赫兹量子级联激光器，但是由于实际中二阶非线性系数并没有106pm/V、中红外多模激射、模式相位不匹配、外耦合长度太短等原因导致该差频太赫兹量子级联激光器没有实现室温操作而且输出功率仅为纳瓦量级，通过改善掺杂以及波导层的厚度等仅用一年时间该组就实现了差频太赫兹量子级联激光器的室温操作，但是室温输出功率仍然小于1μW。直到2012年KarunVijayraghavan等人采用基于Cerenkov相位匹配的方式，中红外-太赫兹的转换效率得到提高，输出效率也得到提高，此后基于Cerenkov相位匹配方式的差频太赫兹量子级联激光器迅速发展。目前基于双波长差频量子级联激光器的太赫兹光源脉冲峰值功率最高达到1.9mW，是2015年由美国西北大学M.Razeghi组采用单声子共振的有源区结构结合Cerenkov相位匹配方案得到的，但是其外耦合效率也仅是15％，室温连续仅为微瓦量级。通过在InP衬底粘硅条或者利用表面二级光栅在整个腔长范围内抽取太赫兹光可以提高外耦合效率，但是前者衬底仍然不能减薄，器件散热性不好，不利于实现连续操作，后者远场在脊宽方向发散仍然会较大。目前基于环形腔的中红外面发射量子级联激光器单模输出已经达到400mW，基于环形腔远场发散角小的优势，为了同时提高外耦合效率改善远场发散，本专利提出采用环形腔面发射机制实现太赫兹光的有效抽取同时改善其远场发散。
发明内容
综上所述的各种导致太赫兹光外耦合效率较低的问题，本专利提出一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其可提高其外耦合效率实现太赫兹光的有效抽取。该结构首先在上波导层制作一级光栅实现中红外的单模，将外延片做成环状脊形双沟结构，在衬底制作针对太赫兹光的二级表面金属光栅实现太赫兹光的面上抽取，同时使器件的远场发散角减小。
本发明提供一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上依序生长下波导层、下光学限制层、第一有源层、间隔层、第二有源层、上光学限制层和上波导层；
步骤2：移除上波导层，在上光学限制层上呈放射状向下刻蚀多条光栅，形成一个双周期的环形光栅；
步骤3：在刻蚀后的上光学限制层上重新生长上波导层；
步骤4：在上波导层上向下刻蚀一环形脊结构，刻蚀深度到达下光学限制层；
步骤5：在刻蚀后的环形脊结构的沟槽中填满半绝缘InP：Fe；
步骤6：在沟槽中填满半绝缘InP：Fe的环形脊结构上蒸发正面金属电极，镀金；
步骤7：将衬底减薄，抛光，在衬底的背面蒸发背面金属电极；
步骤8：刻蚀背面金属电极，制备出二级环形表面金属光栅，完成制备。
本发明的有益效果是：
1、采用环形腔在衬底表面制作二级金属光栅对太赫兹光进行抽取，可以沿整个腔面抽取太赫兹光能够有效提高外耦合效率。
2、采用在衬底上制作二级金属光栅结构避免了衬底抛光20-30°角带来的衬底不能减薄引起的器件散热问题，与器件倒焊工艺相兼容有利于器件的散热提高室温连续的功率，同时改善器件在脊宽方向的远场发散。
附图说明
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合实施例及附图对本发明做更进一步的说明，其中：
图1为本发明的制备流程图；
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明提供一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底1上依序生长下波导层2、下光学限制层3、第一有源层4、间隔层5、第二有源层6、上光学限制层7和上波导层8，所述的衬底1的材料为n型掺杂的半绝缘InP，所述的下波导层2的材料为n型掺杂的InGaAs，所述的下光限制层3的材料为n型掺杂的InP，所述的第一有源层4和第二有源层6由20-40个周期的InGaAs/InAlAs量子阱组成，该第一有源层4和第二有源层6对应的波长为7-11μm，所述间隔层5的材料为n型掺杂的InGaAs，所述的上光学限制层7的材料为n型掺杂的InGaAs，所述的上波导层8的材料为n型掺杂的InP。；
步骤2：移除上波导层8，在上光学限制层7上呈放射状向下刻蚀多条光栅，制备一个具有双周期的结构环形光栅，该双周期的环形光栅是为了纯化两个中红外的波长，进而可以获得单模的太赫兹波，与直条型相比，理论上环形的光栅结构中两个中红外波没有腔面损耗，阈值电流密度更低，可以降低功耗；
步骤3：在刻蚀后的上光学限制层7上重新生长上波导层8，形成所述的光栅结构，光栅结构的材料为InGaAs/InP，该光栅结构具有一级分布反馈结构，该光栅的两个周期分别由两个有源层所对应的波长结合一级光栅公式：λ＝2neffΛ决定，所述的上波导层8的材料为n型掺杂的InP；
步骤4：在上波导层8上向下刻蚀一环形脊结构，刻蚀深度到达下光学限制层3；
步骤5：在刻蚀后的环形脊结构的沟槽中填满半绝缘InP：Fe，填满半绝缘InP：Fe是为了器件能够更好的散热；
步骤6：在沟槽中填满半绝缘InP：Fe的环形脊结构上蒸发正面金属电极9，镀金，镀金是为了进一步改善器件的散热特性；
步骤7：将衬底1减薄，抛光，在衬底1的背面蒸发背面金属电极10，衬底1减薄也有利于器件的散热；
步骤8：刻蚀金属电极，制备出二级环形金属光栅，所述的二级环形金属光栅由金属/air组成，该金属材料为Ti/Au，该二级环形金属光栅的周期由公式：Λg＝λTHz/(nInP·cosθc)决定，λTHz为太赫兹波长，nInP为太赫兹波在衬底的折射率，θc为Cerenkov辐射角，完成制备。制备该二级光栅的目的是为了实现太赫兹的衬底出光。
与现有的差频太赫兹量子级联激光器源相比，本发明具有如下优势：
一、衬底出光，不影响器件的减薄、抛光和倒焊工艺，有利于器件的散热；而目前采用衬底抛光20°-30°出光方式的器件为了尽可能外耦合更多的太赫兹光衬底一般不会进行减薄，严重阻碍了器件的散热，不利于器件性能的提高。本发明所采用的结构可以有效避免这个问题。
二、表面二级光栅，可以沿整个器件结构抽取太赫兹光，太赫兹光以Cerenkov圆锥向外辐射，从一面抽取只有50％的光能够被收集，再考虑二级光栅的耦合效率为80％-90％，理论上太赫兹光的外耦合效率能达到40％-45％；而目前差频太赫兹量子级联激光器的的外耦合效率太低也是导致其输出功率较低的原因之一，目前已报道的[Lu Q，RazeghiM.Recent advances in room temperature，high-power terahertz quantum cascadelaser sources based on difference-frequency generation[C]/Photonics.Multidisciplinary Digital Publishing Institute，2016，3(3)：42.]最高的差频太赫兹量子级联激光器的脉冲功率峰值为1.9mW，室温连续功率为14μW，但是其所述的外耦合效率也仅为15％。从国际上的发展趋势看，目前大家基本认同差频太赫兹量子级联激光器是太赫兹激光材料领域1THz以上频率唯一能够室温工作连续可调的电泵浦半导体太赫兹源，所以任何能够提高其外耦合效率和输出功率的结构都值得被研究。本发明提供的结构理论上能够将太赫兹光的外耦合效率提高至40％-45％，能够有效改善太赫兹光的光电转换效率。
三、本发明表面环形出光口可以做的较宽远大于太赫兹波长，这样一方面太赫兹波不会从两侧泄漏，另一方面可以改善器件的远场发散，提高太赫兹光的光束质量。
至此，已经结合附图对比说明了本发明的优势。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器结构有了清楚的认识。
按照权利要求书所述的本发明的结构，以及后面对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上权利要求书所述仅为本发明的大致实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上依序生长下波导层、下光学限制层、第一有源层、间隔层、第二有源层、上光学限制层和上波导层；
步骤2：移除上波导层，在上光学限制层上呈放射状向下刻蚀多条光栅，形成一个双周期的环形光栅；
步骤3：在刻蚀后的上光学限制层上重新生长上波导层；
步骤4：在上波导层上向下刻蚀一环形脊结构，刻蚀深度到达下光学限制层；
步骤5：在刻蚀后的环形脊结构的沟槽中填满半绝缘InP：Fe；
步骤6：在沟槽中填满半绝缘InP：Fe的环形脊结构上蒸发正面金属电极，镀金；
步骤7：将衬底减薄，抛光，在衬底的背面蒸发背面金属电极；
步骤8：刻蚀背面金属电极，制备出二级环形表面金属光栅，完成制备。
2.按权利要求1所述的环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其中所述的衬底的材料为半绝缘InP。
3.按权利要求1所述的环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其中所述的下波导层的材料为n型掺杂的InGaAs。
4.按权利要求1所述的环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其中所述的下光学限制层的材料为n型掺杂的InP。
5.按权利要求1所述的环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其中所述的第一有源层和第二有源层由20-40个周期的InGaAs/InAlAs量子阱组成，该第一有源层和第二有源层对应的波长为7-11μm。
6.按权利要求1所述的环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其中所述间隔层的材料为n型掺杂的InGaAs。
7.按权利要求1所述的环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其中所述的上光学限制层（ 7） 的材料为n型掺杂的InGaAs，所述的在上光学限制层（ 7） 上制备的光栅结构为InGaAs/InP，该光栅结构具有一级分布反馈结构。
8.按权利要求1所述的环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其中所述的上波导层的材料为n型掺杂的InP；所述的正面金属电极的材料为Au/Ge/Ni/Au。
9.按权利要求1所述的环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其中所述的背面金属电极的材料为Ti/Au。
10.按权利要求1所述的环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其中所述的二级环形金属光栅由金属/air组成，该金属材料为Ti/Au，该二级环形金属光栅的周期由公式：Λg＝λTHz/(nInP·cosθc)决定，其中λTHz为太赫兹波长，nInP为太赫兹波在衬底的折射率，θc为Cerenkov辐射角。
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