一种太赫兹半导体激光器及其制造方法技术

一种太赫兹半导体激光器及其制造方法，该太赫兹半导体激光器包括金属亚波长光栅层、半绝缘衬底层、高掺杂半导体层及结构相同的两个台面，两个台面由外延层深度腐蚀形成，其中一个作为该激光器的有源区结构，另一个作为下电极的支撑台面，两者的功能仅通过绝缘层的图形差异控制是否有电流注入来实现。本发明专利技术基于有源区横向选区电镀辅助散热金属层和图形化热沉倒装焊结构，这种结构既能改善器件有源区的散热特性又能方便形成衬底面发射，从而提高太赫兹激光发射效率和光束质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太赫兹波段光源
，尤其涉及一种太赫兹半导体激光器及其制造方法。
技术介绍
太赫兹量子级联激光器是一种小型、高效率的太赫兹半导体激光光源，其在天文学、生物医学、环境科学、安全检测、自由空间光通信等方面具有重要的潜在应用，近年来受到广泛的关注。高的输出功率、高的工作温度和良好的光束特性一直以来都是太赫兹半导体激光器研究中需要解决的重要课题。太赫兹半导体激光器主要采用两种波导结构：双面金属波导和半绝缘等离子体波导。双面金属波导结构由于具有很高的光限制因子，降低了激光器的激射阈值，减少了注入功率消耗，使得器件的工作温度相比于半绝缘等离子体波导能得到大大的提升。但是由于其在器件外延层方向的亚波长尺寸和高的腔面反射率，使得双面金属波导器件相较于半绝缘等离子体波导器件具有大的远场发散角和较低的输出功率，即使采用在激光器发光端面增加Si透镜等方法来改善远场发散角和输出功率，器件实际获得的远场发散角与输出功率也不能与半绝缘等离子体波导器件相比。这也限制了双面金属波导太赫兹半导体激光器边发射器件的实用性。因此，对于大功率的太赫兹半导体激光器，通常采用半绝缘等离子体波导结构。这种波导结构由于激光模式可以分布到半绝缘衬底层中，增大了外延层方向光场分布尺度，降低了腔面的反射率，大大增加了输出功率。但是另一方面，这种结构使得激光器的上下电极在同一侧面，封装时激光器难以实现倒装焊，较厚的衬底影响了器件有源区的散热。同时，太赫兹半导体激光器有源区采用多重复周期的量子级联材料结构，由几百对超薄(nm量级)的量子阱/垒对组成，有源区纵向热导率远远小于横向。如何实现半绝缘等离子体波导结构的太赫兹半导体激光器的倒装焊以及如何充分利用高热导率的横向辅助散热，一直以来都是研究者追寻的目标。
技术实现思路
鉴于以上技术问题，本专利技术的主要目的在于提供一种能够有效改善有源区散热的太赫兹半导体激光器。该激光器采用基于有源区横向选区电镀辅助散热金属层和图形化热沉的倒装焊结构，这种结构既能改善器件有源区的散热特性又能方便形成衬底面发射，从而提高太赫兹激光发射效率和改善光束质量。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种太赫兹半导体激光器，其特征在于，所述太赫兹半导体激光器包括金属亚波长光栅层1、半绝缘衬底层2、高掺杂半导体层3以及结构相同的两个台面，所述两个台面由外延层深度腐蚀形成，其中一个作为所述太赫兹半导体激光器的有源区结构，另一个作为下电极的支撑台面11，两者的功能仅通过绝缘层的图形差异控制是否有电流注入来实现。作为优选，所述两个台面均包括：一激光器有源区4，位于所述高掺杂半导体层3之下；一绝缘层5，所述绝缘层5包覆在所述激光器有源区4的外表面；一金属接触层6，所述金属接触层6生长在所述绝缘层5的外表面；一金属电镀层7，所述金属电镀层7生长在所述金属接触层6的外表面；一分布反馈光栅区8，所述分布反馈光栅区8由金属和半导体共同组成，紧邻所述激光器有源区4且位于所述激光器有源区4之下；一图形化金属键合层9，所述图形化金属键合层9位于所述金属电镀层7之下；一高热导率热沉10，所述高热导率热沉10位于所述图形化金属键合层9之下。作为优选，所述金属亚波长光栅层1为具有亚波长图形结构的超薄金属层，具有表面等离子体的性质，用于改善光束质量。作为优选，所述激光器有源区4为太赫兹量子级联结构，包括多个级联重复周期。作为优选，在作为所述太赫兹半导体激光器的有源区结构的台面上，所述绝缘层5上开有分别供上下电极注入的窗口。作为优选，所述金属接触层6在两个台面部分相互隔离、互不相连；所述金属电镀层7为选区电镀工艺制作的金属层，用于横向辅助散热。作为优选，所述分布反馈光栅区8为金属-半导体复合结构的二级及以上级分布反馈布拉格光栅，用于形成垂直面发射。作为优选，所述图形化金属键合层9为蒸发在高热导率热沉10上的图形化金属结构，用于键合激光器芯片和热沉；所述高热导率热沉10的材料为SiC、金刚石、蓝宝石或AlN。作为本专利技术的另一个方面，本专利技术还提供了一种太赫兹半导体激光器的制造方法，包括以下步骤：在半绝缘衬底层上通过分子束外延法在其上生长高掺杂半导体层；在所述高掺杂半导体层上采用分子束外延法生长激光器有源区；所述激光器有源区采用太赫兹量子级联结构，共生长100-200个重复级联周期；在所述激光器有源区上深度腐蚀形成结构相同的两个台面，其中一个作为所述太赫兹半导体激光器的有源区组件，另一个作为下电极的支撑台面，两者的功能仅通过绝缘层的图形差异控制是否有电流注入来实现；继续在所述两个台面上形成绝缘层、金属接触层、金属电镀层和图形化金属键合层，区别仅在于在所述作为有源区组件的台面上在所述绝缘层上开出预留的窗口，且在所述紧邻所述激光器有源区且位于所述激光器有源区之下的位置处形成一分布反馈光栅区。作为优选，所述制造方法还包括以下步骤：采用带胶剥离的方法在所述半绝缘衬底层表面制作金属亚波长光栅层；将所述两个台面与高热导率热沉采用热压的方法键合在一起；其中所述高热导率热沉的材料为SiC、金刚石、蓝宝石或AlN。从上述技术方案可以看出，本专利技术的太赫兹半导体激光器具有以下有益效果：器件采用有源区横向电镀辅助散热金属层和图形化热沉的倒装焊结构，利用这种结构可大大改善激光器有源区的散热；基于倒装焊结构，器件可形成衬底面发射输出功率，同时可以大大改善太赫兹激光发射效率和光束质量。附图说明为了进一步说明本专利技术的特征和效果，下面结合附图对本专利技术做进一步的说明，其中：图1是本专利技术的太赫兹半导体激光器的横截面示意图；图2是两个重复周期的量子级联材料能带示意图；图3是图1中所示光栅区的局部示意图；图4是本专利技术的高热导率图形化热沉的俯视图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。其中需要说明的是，本专利技术中的“上”、“下”、“内”、“外”仅用于相对参照平面表示各个层之间的相对位置关系，不用于表示实际中的上下和内外关系，实际元器件可以根据具体需要正序安装或倒序安装。太赫兹半导体激光器作为一种小型、高效率的相干太赫兹光源具有巨大的应用前景。为了实现大的功率输出通常采用半绝缘等离子体波导结构。对于这种太赫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹半导体激光器，其特征在于，所述太赫兹半导体激光器包括金属亚波长光栅层(1)、半绝缘衬底层(2)、高掺杂半导体层(3)以及结构相同的两个台面，所述两个台面由外延层深度腐蚀形成，其中一个作为所述太赫兹半导体激光器的有源区结构，另一个作为下电极的支撑台面(11)，两者的功能仅通过绝缘层的图形差异控制是否有电流注入来实现。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹半导体激光器，其特征在于，所述太赫兹半导体激光
器包括金属亚波长光栅层(1)、半绝缘衬底层(2)、高掺杂半导体层(3)
以及结构相同的两个台面，所述两个台面由外延层深度腐蚀形成，其中一
个作为所述太赫兹半导体激光器的有源区结构，另一个作为下电极的支撑
台面(11)，两者的功能仅通过绝缘层的图形差异控制是否有电流注入来
实现。
2.如权利要求1所述的太赫兹半导体激光器，其特征在于，所述两
个台面均包括：
一激光器有源区(4)，位于所述高掺杂半导体层(3)之下；
一绝缘层(5)，包覆在所述激光器有源区(4)的外表面；
一金属接触层(6)，所述金属接触层(6)生长在所述绝缘层(5)的
外表面；
一金属电镀层(7)，所述金属电镀层(7)生长在所述金属接触层(6)
的外表面；
一分布反馈光栅区(8)，所述分布反馈光栅区(8)由金属和半导体
共同组成，紧邻所述激光器有源区(4)且位于所述激光器有源区(4)之
下；
一图形化金属键合层(9)，所述图形化金属键合层(9)位于所述金
属电镀层(7)之下；
一高热导率热沉(10)，所述高热导率热沉(10)位于所述图形化金
属键合层(9)之下。
3.如权利要求1所述的太赫兹半导体激光器，其特征在于，所述金
属亚波长光栅层(1)为具有亚波长图形结构的超薄金属层，具有表面等
离子体的性质，用于改善光束质量。
4.如权利要求1所述的太赫兹半导体激光器，其特征在于，所述激
光器有源区(4)为太赫兹量子级联结构，包括多个级联重复周期。
5.如权利要求1所述的太赫兹半导体激光器，其特征在于，在作为
所述太赫兹半导体激光器的有源区结构的台面上，所述绝缘层(5)上开
有分别供上下电极注入的窗口。
6.如权利要求1所述的太赫兹半导体激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊岐，王涛，李媛媛，刘峰奇，王利军，张锦川，翟慎强，刘舒曼，卓宁，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11