一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件及其制作方法技術

本發明專利技術提供一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件及其制作方法，所述器件包括：半絕緣GaAs襯底；位于該襯底上表面的GaAs緩沖層；位于該緩沖層表面的n型重摻雜下接觸層；位于該下接觸層表面的有源區；位于有源區表面的n型重摻雜上接觸層；位于n型重摻雜上接觸層表面且各自分隔的第一、第二、第三上電極金屬層，第一上電極金屬層與第二上電極金屬層之間設有凹至GaAs緩沖層的深隔離槽，第三上電極金屬層為退火后可形成高波導損耗的上電極金屬層；以及位于n型重摻雜下接觸層表面及有源區兩側的下電極金屬層。通過本發明專利技術提供的一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件及其制作方法，解決了現有技術中無法測得THz?QCL在可工作電流密度范圍內完整的增益譜變化情況的問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及激光器半導體
，特別是涉及一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件及其制作方法。
技術介紹
太赫茲(THz)波是指頻率位于100GHz到10THz的一段電磁波，介于微波與紅外波之間。從能量上來說，THz波的光子能量覆蓋了半導體及等離子體的特征能量，也與有機和生物大分子等的轉動及振動能量相匹配，因此可用于物質檢測、環境監測等領域；從頻域上看，THz波的頻率高，適用于空間保密通信及高速信號處理等領域；此外，THz波能夠穿透多種非導電材料，如塑料、木頭、紙張等，在成像及公共安全等領域也有廣泛的應用前景。在眾多的THz輻射產生方式中，基于半導體的太赫茲量子級聯激光器(THzQCL)由于其體積小、輕便、功率高和易集成等特點，成為此領域一類重要的輻射源器件。目前有關THzQCL的研究工作已經不僅僅局限于提高器件的工作溫度和輸出功率了，而是傾向于開發和提高THzQCL作為一種相干光源的其它性能，如單模輸出、波長可調諧度等。開發基于THzQCL材料的THz光梳，THz鎖模激光器，THz光放大器等新型功能性器件已經成為新的熱點方向。THzQCL的器件性能與有源區量子阱結構和波導結構的細微變化直接相關，相比于激射頻率和輸出功率這樣的宏觀參量，增益譜是更為底層的器件表征參數。對THzQCL增益譜的研究可以增進對THzQCL結構和器件內部微觀物理性能的了解，對改進器件有源區和波導結構設計，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實際意義。如圖1和圖2所示，早在2000年Barbieri教授的課題組利用兩段式波導結構的樣本器件(從左到右依次包括泵浦段和被測波導段)和傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)的測量方法已經實現了對中紅外QCL完整增益譜的測量(IEEEJournalofQuantumElectronics,36,6,736-741,2000)，但將這種測量方法運用到THzQCL材料上時卻不適用了。原因在于：1.此測量方法要求測量樣本器件中的泵浦段有足夠高的波導損耗來吸收左端面反射波，防止反射波進入右側被測波導段，以保證測量的準確性；然而，由于THzQCL的波導損耗(約3～15cm-1)遠小于中紅外QCL(約20～50cm-1)；如果采用增加泵浦段波導長度的方法來提高對反射波的吸收，則樣本器件會尺寸過長(>1cm)，導致工藝制備困難；如果采用端面磨角的方法來減少反射波，也會增加工藝制備難度且并不能完全消除反射波。2.在測量增益譜時，要求樣本器件處于亞閾值狀態(即電流注入下器件的增益小于閾值增益，器件不產生激光)，如果使用中紅外QCL增益譜測量樣本器件結構，這就要求測量時泵浦段的注入電流密度足夠低，這將直接導致泵浦段輸出參考光的功率非常小；由于中紅外波段的高靈敏度高速探測器(如碲鎘汞MCT探測器等)發展較為成熟，可以完成對極微弱中紅外光的探測，而THz波段的探測器在靈敏度和速度方面遠不及中紅外波段的產品，為了完成增益譜的測量實驗，只能考慮如何增加樣本器件測量時的輸出光功率。2007年，維也納技術大學KarlUnterrainer教授的課題組在《自然》雜志上報道了用THz時域頻譜儀(TDS)進行THzQCL增益譜測量的方法(Nature,449,7163,698-701,2007)，但此方法只在電流較小的時候得到了一段增益譜，而后隨著電流增加樣本器件激射出激光，增益被鉗制在一個固定值上，測得的增益譜失效。所有的THzQCL材料都存在一個最高可工作電流密度Jmax，完整的增益譜研究應該能反映THzQCL材料從零到Jmax整個范圍內增益譜的變化情況。鑒于此，有必要提供一種新的太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件及其制作方法用以解決上述問題。
技術實現思路
鑒于以上所述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提供一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件及其制作方法，用于解決現有技術中無法測得THzQCL在可工作電流密度范圍內完整的增益譜變化情況的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本專利技術提供一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件及其制作方法，所述增益譜測量器件包括：半絕緣GaAs襯底；位于所述半絕緣GaAs襯底上表面的GaAs緩沖層；位于所述GaAs緩沖層表面的n型重摻雜下接觸層；位于所述n型重摻雜下接觸層表面的有源區；位于所述有源區表面的n型重摻雜上接觸層；位于所述n型重摻雜上接觸層表面且各自分隔的第一、第二、第三上電極金屬層，所述第一上電極金屬層與所述第二上電極金屬層之間設有凹至GaAs緩沖層的深隔離槽，所述第三上電極金屬層為退火后可形成高波導損耗的上電極金屬層；以及位于所述n型重摻雜下接觸層表面及有源區兩側的下電極金屬層。優選地，所述退火后可形成高波導損耗的上電極金屬層為Pd/Ge/Ti/Au金屬層。優選地，所述Pd/Ge/Ti/Au金屬層中Ge與Pd的原子比大于1，Ti層的厚度范圍為10～20um，Au層的厚度大于50um。優選地，所述第一、第二、第三上電極金屬層的寬度相等。優選地，所述有源區為束縛態到連續態躍遷結構、共振聲子結構、啁啾晶格結構中的一種。本專利技術還提供一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件的制作方法，所述制作方法包括：S1：提供一半絕緣GaAs襯底，在所述半絕緣GaAs襯底上分子束外延依次生長GaAs緩沖層、n型重摻雜下接觸層、有源區以及n型重摻雜上接觸層；S2：采用光刻、電子束蒸發工藝在所述n型重摻雜上接觸層表面分別生長各自分隔的第一、第二、第三上電極金屬層，帶膠剝離，其中，所述第三上電極金屬層為退火后可形成高波導損耗的上電極金屬層；S3：在所述第一、第二、第三上電極金屬層所在表面涂覆光刻膠作為刻蝕掩蔽層，采用光刻、刻蝕工藝刻蝕所述第一、第二、第三上電極金屬層兩側直至暴露所述n型重摻雜下接觸層，形成脊形波導結構，去除光刻膠刻蝕掩蔽層；S4：進行溫度大于等于340℃，時間大于等于20s的高溫快速退火工藝；S5：采用光刻、電子束蒸發工藝在所述n型重摻雜下接觸層表面形成下電極金屬層，帶膠剝離；S6：采用光刻膠作為刻蝕掩蔽層，對所述第一、第二上電極金屬層的間隙進行刻蝕，直至進入GaAs緩沖層，形成深隔離槽；S7：進行高溫快速退火工藝；S8：減薄襯底、金絲焊接、以及封裝，完成器件制作。優選地，所述S4中高溫快速退火工藝的溫度小于425℃，時間小于120s。優選地，當所述S7中高溫快速退火工藝的溫度大于等于340℃，且時間大于等本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件，其特征在于，所述增益譜測量器件包括：半絕緣GaAs襯底；位于所述半絕緣GaAs襯底上表面的GaAs緩沖層；位于所述GaAs緩沖層表面的n型重摻雜下接觸層；位于所述n型重摻雜下接觸層表面的有源區；位于所述有源區表面的n型重摻雜上接觸層；位于所述n型重摻雜上接觸層表面且各自分隔的第一、第二、第三上電極金屬層，所述第一上電極金屬層與所述第二上電極金屬層之間設有凹至GaAs緩沖層的深隔離槽，所述第三上電極金屬層為退火后可形成高波導損耗的上電極金屬層；以及位于所述n型重摻雜下接觸層表面及有源區兩側的下電極金屬層。

【技術特征摘要】
1.一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件，其特征在于，所述增益譜測量器件包括：
半絕緣GaAs襯底；
位于所述半絕緣GaAs襯底上表面的GaAs緩沖層；
位于所述GaAs緩沖層表面的n型重摻雜下接觸層；
位于所述n型重摻雜下接觸層表面的有源區；
位于所述有源區表面的n型重摻雜上接觸層；
位于所述n型重摻雜上接觸層表面且各自分隔的第一、第二、第三上電極金屬層，所述
第一上電極金屬層與所述第二上電極金屬層之間設有凹至GaAs緩沖層的深隔離槽，所述第三
上電極金屬層為退火后可形成高波導損耗的上電極金屬層；
以及位于所述n型重摻雜下接觸層表面及有源區兩側的下電極金屬層。
2.根據權利要求1所述的太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件，其特征在于，所述退火后
可形成高波導損耗的上電極金屬層為Pd/Ge/Ti/Au金屬層。
3.根據權利要求2所述的太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件，其特征在于，所述
Pd/Ge/Ti/Au金屬層中Ge與Pd的原子比大于1，Ti層的厚度范圍為10～20um，Au層的
厚度大于50um。
4.根據權利要求1所述的太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件，其特征在于，所述第一、
第二、第三上電極金屬層的寬度相等。
5.根據權利要求1所述的太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件，其特征在于，所述有源區
為束縛態到連續態躍遷結構、共振聲子結構、啁啾晶格結構中的一種。
6.一種太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
S1：提供一半絕緣GaAs襯底，在所述半絕緣GaAs襯底上分子束外延依次生長GaAs緩沖
層、n型重摻雜下接觸層、有源區以及n型重摻雜上接觸層；
S2：采用光刻、電子束蒸發工藝在所述n型重摻雜上接觸層表面分別生長各自分隔的第
一、第二、第三上電極金屬層，帶膠剝離，其中，所述第三上電極金屬層為退火后可形成高
波導損耗的上電極金屬層；
S3：在所述第一、第二、第三上電極金屬層所在表面涂覆光刻膠作為刻蝕掩蔽層，采用
光刻、刻蝕工藝刻蝕所述第一、第二、第三上電極金屬層兩側直至暴露所述n型重摻雜下接
觸層，形成脊形波導結構，去除光刻膠刻蝕掩蔽層；
S4：進行溫度大于等于340℃，時間大于等于20s的高溫快速退火工藝；
S5：采用光刻、電子束蒸發工藝在所述n型重摻雜下接觸層表面形成下電極金屬層，帶
膠剝離；
S6：采用光刻膠作為刻蝕掩蔽層，對所述第一、第二上電極金屬層的間隙進行刻蝕，直
至進入GaAs緩沖層，形成深隔離槽；
S7：進行高溫快速退火工藝；
S8：減薄襯底、金絲焊接、以及封裝，完成器件制作。
7.根據權利要求6所述的太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件的制作方法，其特征在于，
所述S4中高溫快速退火工藝的溫度小于425℃，時間小于120s。
8.根據權利要求6所述的太赫茲量子級聯激光器增益譜測量器件的制作方法，其特征在于，
當所述S7中高溫快速退火工藝的溫度大于等于340℃，且時間大于等于20s時，所述制
作...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐天鴻，曹俊誠，
申請(專利權)人：中國科學院上海微系統與信息技術研究所，
類型：發明
國別省市：上海;31