一種太赫茲半導體激光器及其制造方法技術

一種太赫茲半導體激光器及其制造方法，該太赫茲半導體激光器包括金屬亞波長光柵層、半絕緣襯底層、高摻雜半導體層及結構相同的兩個臺面，兩個臺面由外延層深度腐蝕形成，其中一個作為該激光器的有源區結構，另一個作為下電極的支撐臺面，兩者的功能僅通過絕緣層的圖形差異控制是否有電流注入來實現。本發明專利技術基于有源區橫向選區電鍍輔助散熱金屬層和圖形化熱沉倒裝焊結構，這種結構既能改善器件有源區的散熱特性又能方便形成襯底面發射，從而提高太赫茲激光發射效率和光束質量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及太赫茲波段光源
，尤其涉及一種太赫茲半導體激光器及其制造方法。
技術介紹
太赫茲量子級聯激光器是一種小型、高效率的太赫茲半導體激光光源，其在天文學、生物醫學、環境科學、安全檢測、自由空間光通信等方面具有重要的潛在應用，近年來受到廣泛的關注。高的輸出功率、高的工作溫度和良好的光束特性一直以來都是太赫茲半導體激光器研究中需要解決的重要課題。太赫茲半導體激光器主要采用兩種波導結構：雙面金屬波導和半絕緣等離子體波導。雙面金屬波導結構由于具有很高的光限制因子，降低了激光器的激射閾值，減少了注入功率消耗，使得器件的工作溫度相比于半絕緣等離子體波導能得到大大的提升。但是由于其在器件外延層方向的亞波長尺寸和高的腔面反射率，使得雙面金屬波導器件相較于半絕緣等離子體波導器件具有大的遠場發散角和較低的輸出功率，即使采用在激光器發光端面增加Si透鏡等方法來改善遠場發散角和輸出功率，器件實際獲得的遠場發散角與輸出功率也不能與半絕緣等離子體波導器件相比。這也限制了雙面金屬波導太赫茲半導體激光器邊發射器件的實用性。因此，對于大功率的太赫茲半導體激光器，通常采用半絕緣等離子體波導結構。這種波導結構由于激光模式可以分布到半絕緣襯底層中，增大了外延層方向光場分布尺度，降低了腔面的反射率，大大增加了輸出功率。但是另一方面，這種結構使得激光器的上下電極在同一側面，封裝時激光器難以實現倒裝焊，較厚的襯底影響了器件有源區的散熱。同時，太赫茲半導體激光器有源區采用多重復周期的量子級聯材料結構，由幾百對超薄(nm量級)的量子阱/壘對組成，有源區縱向熱導率遠遠小于橫向。如何實現半絕緣等離子體波導結構的太赫茲半導體激光器的倒裝焊以及如何充分利用高熱導率的橫向輔助散熱，一直以來都是研究者追尋的目標。
技術實現思路
鑒于以上技術問題，本專利技術的主要目的在于提供一種能夠有效改善有源區散熱的太赫茲半導體激光器。該激光器采用基于有源區橫向選區電鍍輔助散熱金屬層和圖形化熱沉的倒裝焊結構，這種結構既能改善器件有源區的散熱特性又能方便形成襯底面發射，從而提高太赫茲激光發射效率和改善光束質量。為了實現上述目的，作為本專利技術的一個方面，本專利技術提供了一種太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述太赫茲半導體激光器包括金屬亞波長光柵層1、半絕緣襯底層2、高摻雜半導體層3以及結構相同的兩個臺面，所述兩個臺面由外延層深度腐蝕形成，其中一個作為所述太赫茲半導體激光器的有源區結構，另一個作為下電極的支撐臺面11，兩者的功能僅通過絕緣層的圖形差異控制是否有電流注入來實現。作為優選，所述兩個臺面均包括：一激光器有源區4，位于所述高摻雜半導體層3之下；一絕緣層5，所述絕緣層5包覆在所述激光器有源區4的外表面；一金屬接觸層6，所述金屬接觸層6生長在所述絕緣層5的外表面；一金屬電鍍層7，所述金屬電鍍層7生長在所述金屬接觸層6的外表面；一分布反饋光柵區8，所述分布反饋光柵區8由金屬和半導體共同組成，緊鄰所述激光器有源區4且位于所述激光器有源區4之下；一圖形化金屬鍵合層9，所述圖形化金屬鍵合層9位于所述金屬電鍍層7之下；一高熱導率熱沉10，所述高熱導率熱沉10位于所述圖形化金屬鍵合層9之下。作為優選，所述金屬亞波長光柵層1為具有亞波長圖形結構的超薄金屬層，具有表面等離子體的性質，用于改善光束質量。作為優選，所述激光器有源區4為太赫茲量子級聯結構，包括多個級聯重復周期。作為優選，在作為所述太赫茲半導體激光器的有源區結構的臺面上，所述絕緣層5上開有分別供上下電極注入的窗口。作為優選，所述金屬接觸層6在兩個臺面部分相互隔離、互不相連；所述金屬電鍍層7為選區電鍍工藝制作的金屬層，用于橫向輔助散熱。作為優選，所述分布反饋光柵區8為金屬-半導體復合結構的二級及以上級分布反饋布拉格光柵，用于形成垂直面發射。作為優選，所述圖形化金屬鍵合層9為蒸發在高熱導率熱沉10上的圖形化金屬結構，用于鍵合激光器芯片和熱沉；所述高熱導率熱沉10的材料為SiC、金剛石、藍寶石或AlN。作為本專利技術的另一個方面，本專利技術還提供了一種太赫茲半導體激光器的制造方法，包括以下步驟：在半絕緣襯底層上通過分子束外延法在其上生長高摻雜半導體層；在所述高摻雜半導體層上采用分子束外延法生長激光器有源區；所述激光器有源區采用太赫茲量子級聯結構，共生長100-200個重復級聯周期；在所述激光器有源區上深度腐蝕形成結構相同的兩個臺面，其中一個作為所述太赫茲半導體激光器的有源區組件，另一個作為下電極的支撐臺面，兩者的功能僅通過絕緣層的圖形差異控制是否有電流注入來實現；繼續在所述兩個臺面上形成絕緣層、金屬接觸層、金屬電鍍層和圖形化金屬鍵合層，區別僅在于在所述作為有源區組件的臺面上在所述絕緣層上開出預留的窗口，且在所述緊鄰所述激光器有源區且位于所述激光器有源區之下的位置處形成一分布反饋光柵區。作為優選，所述制造方法還包括以下步驟：采用帶膠剝離的方法在所述半絕緣襯底層表面制作金屬亞波長光柵層；將所述兩個臺面與高熱導率熱沉采用熱壓的方法鍵合在一起；其中所述高熱導率熱沉的材料為SiC、金剛石、藍寶石或AlN。從上述技術方案可以看出，本專利技術的太赫茲半導體激光器具有以下有益效果：器件采用有源區橫向電鍍輔助散熱金屬層和圖形化熱沉的倒裝焊結構，利用這種結構可大大改善激光器有源區的散熱；基于倒裝焊結構，器件可形成襯底面發射輸出功率，同時可以大大改善太赫茲激光發射效率和光束質量。附圖說明為了進一步說明本專利技術的特征和效果，下面結合附圖對本專利技術做進一步的說明，其中：圖1是本專利技術的太赫茲半導體激光器的橫截面示意圖；圖2是兩個重復周期的量子級聯材料能帶示意圖；圖3是圖1中所示光柵區的局部示意圖；圖4是本專利技術的高熱導率圖形化熱沉的俯視圖。具體實施方式為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本專利技術作進一步的詳細說明。其中需要說明的是，本專利技術中的“上”、“下”、“內”、“外”僅用于相對參照平面表示各個層之間的相對位置關系，不用于表示實際中的上下和內外關系，實際元器件可以根據具體需要正序安裝或倒序安裝。太赫茲半導體激光器作為一種小型、高效率的相干太赫茲光源具有巨大的應用前景。為了實現大的功率輸出通常采用半絕緣等離子體波導結構。對于這種太赫本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述太赫茲半導體激光器包括金屬亞波長光柵層(1)、半絕緣襯底層(2)、高摻雜半導體層(3)以及結構相同的兩個臺面，所述兩個臺面由外延層深度腐蝕形成，其中一個作為所述太赫茲半導體激光器的有源區結構，另一個作為下電極的支撐臺面(11)，兩者的功能僅通過絕緣層的圖形差異控制是否有電流注入來實現。

【技術特征摘要】
1.一種太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述太赫茲半導體激光
器包括金屬亞波長光柵層(1)、半絕緣襯底層(2)、高摻雜半導體層(3)
以及結構相同的兩個臺面，所述兩個臺面由外延層深度腐蝕形成，其中一
個作為所述太赫茲半導體激光器的有源區結構，另一個作為下電極的支撐
臺面(11)，兩者的功能僅通過絕緣層的圖形差異控制是否有電流注入來
實現。
2.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述兩
個臺面均包括：
一激光器有源區(4)，位于所述高摻雜半導體層(3)之下；
一絕緣層(5)，包覆在所述激光器有源區(4)的外表面；
一金屬接觸層(6)，所述金屬接觸層(6)生長在所述絕緣層(5)的
外表面；
一金屬電鍍層(7)，所述金屬電鍍層(7)生長在所述金屬接觸層(6)
的外表面；
一分布反饋光柵區(8)，所述分布反饋光柵區(8)由金屬和半導體
共同組成，緊鄰所述激光器有源區(4)且位于所述激光器有源區(4)之
下；
一圖形化金屬鍵合層(9)，所述圖形化金屬鍵合層(9)位于所述金
屬電鍍層(7)之下；
一高熱導率熱沉(10)，所述高熱導率熱沉(10)位于所述圖形化金
屬鍵合層(9)之下。
3.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述金
屬亞波長光柵層(1)為具有亞波長圖形結構的超薄金屬層，具有表面等
離子體的性質，用于改善光束質量。
4.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述激
光器有源區(4)為太赫茲量子級聯結構，包括多個級聯重復周期。
5.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光器，其特征在于，在作為
所述太赫茲半導體激光器的有源區結構的臺面上，所述絕緣層(5)上開
有分別供上下電極注入的窗口。
6.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉俊岐，王濤，李媛媛，劉峰奇，王利軍，張錦川，翟慎強，劉舒曼，卓寧，王占國，
申請(專利權)人：中國科學院半導體研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11