一種太赫茲半導(dǎo)體激光器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲波段光源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種太赫茲半導(dǎo)體激光器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲量子級聯(lián)激光器是一種小型、高效率的太赫茲半導(dǎo)體激光光源，其在天文學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、安全檢測、自由空間光通信等方面具有重要的潛在應(yīng)用，近年來受到廣泛的關(guān)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(dǎo)體激光器研究中需要解決的重要課題。太赫茲半導(dǎo)體激光器主要采用兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu):雙面金屬波導(dǎo)和半絕緣等離子體波導(dǎo)。雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)器件相較于半絕緣等離子體波導(dǎo)器件具有大的遠(yuǎn)場發(fā)散角和較低的輸出功率，即使采用在激光器發(fā)光端面增加Si透鏡等方法來改善遠(yuǎn)場發(fā)散角和輸出功率，器件實際獲得的遠(yuǎn)場發(fā)散角與輸出功率也不能與半絕緣等離子體波導(dǎo)器件相比。這也限制了雙面金屬波導(dǎo)太赫茲半導(dǎo)體激光器邊發(fā)射器件的實用性。因此，對于大功率的太赫茲半導(dǎo)體激光器，通常采用半絕緣等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使得激光器的上下電極在同一側(cè)面，封裝時激光器難以實現(xiàn)倒裝焊，較厚的襯底影響了器件有源區(qū)的散熱。同時，太赫茲半導(dǎo)體激光器有源區(qū)采用多重復(fù)周期的量子級聯(lián)材料結(jié)構(gòu)，由幾百對超薄(rim量級)的量子阱/皇對組成，有源區(qū)縱向熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橫向。如何實現(xiàn)半絕緣等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的太赫茲半導(dǎo)體激光器的倒裝焊以及如何充分利用高熱導(dǎo)率的橫向輔助散熱，一直以來都是研究者追尋的目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于以上技術(shù)問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種能夠有效改善有源區(qū)散熱的太赫茲半導(dǎo)體激光器。該激光器采用基于有源區(qū)橫向選區(qū)電鍍輔助散熱金屬層和圖形化熱沉的倒裝焊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既能改善器件有源區(qū)的散熱特性又能方便形成襯底面發(fā)射，從而提高太赫茲激光發(fā)射效率和改善光束質(zhì)量。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種太赫茲半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述太赫茲半導(dǎo)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(dǎo)體層3以及結(jié)構(gòu)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(dǎo)體激光器的有源區(qū)結(jié)構(gòu)，另一個作為下電極的支撐臺面U，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(xiàn)。
[0005]作為優(yōu)選，所述兩個臺面均包括:
[0006]—激光器有源區(qū)4，位于所述高摻雜半導(dǎo)體層3之下；
[0007]—絕緣層5，所述絕緣層5包覆在所述激光器有源區(qū)4的外表面；
[0008]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；
[0009]—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；
[0010]—分布反饋光柵區(qū)8，所述分布反饋光柵區(qū)8由金屬和半導(dǎo)體共同組成，緊鄰所述激光器有源區(qū)4且位于所述激光器有源區(qū)4之下；
[0011]—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；
[0012]—高熱導(dǎo)率熱沉10，所述高熱導(dǎo)率熱沉10位于所述圖形化金屬鍵合層9之下。
[0013]作為優(yōu)選，所述金屬亞波長光柵層I為具有亞波長圖形結(jié)構(gòu)的超薄金屬層，具有表面等離子體的性質(zhì)，用于改善光束質(zhì)量。
[0014]作為優(yōu)選，所述激光器有源區(qū)4為太赫茲量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括多個級聯(lián)重復(fù)周期。
[0015]作為優(yōu)選，在作為所述太赫茲半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)結(jié)構(gòu)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。
[0016]作為優(yōu)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(qū)電鍍工藝制作的金屬層，用于橫向輔助散熱。
[0017]作為優(yōu)選，所述分布反饋光柵區(qū)8為金屬-半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的二級及以上級分布反饋布拉格光柵，用于形成垂直面發(fā)射。
[0018]作為優(yōu)選，所述圖形化金屬鍵合層9為蒸發(fā)在高熱導(dǎo)率熱沉10上的圖形化金屬結(jié)構(gòu)，用于鍵合激光器芯片和熱沉;所述高熱導(dǎo)率熱沉10的材料為SiC、金剛石、藍(lán)寶石或A1N。
[0019]作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供了一種太赫茲半導(dǎo)體激光器的制造方法，包括以下步驟:
[0020]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(dǎo)體層；
[0021]在所述高摻雜半導(dǎo)體層上采用分子束外延法生長激光器有源區(qū)；所述激光器有源區(qū)采用太赫茲量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)，共生長100-200個重復(fù)級聯(lián)周期；
[0022]在所述激光器有源區(qū)上深度腐蝕形成結(jié)構(gòu)相同的兩個臺面，其中一個作為所述太赫茲半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)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(xiàn)；
[0023]繼續(xù)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(qū)別僅在于在所述作為有源區(qū)組件的臺面上在所述絕緣層上開出預(yù)留的窗口，且在所述緊鄰所述激光器有源區(qū)且位于所述激光器有源區(qū)之下的位置處形成一分布反饋光柵區(qū)。
[0024]作為優(yōu)選，所述制造方法還包括以下步驟:
[0025]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；
[0026]將所述兩個臺面與高熱導(dǎo)率熱沉采用熱壓的方法鍵合在一起;其中所述高熱導(dǎo)率熱沉的材料為SiC、金剛石、藍(lán)寶石或A1N。
[0027]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的太赫茲半導(dǎo)體激光器具有以下有益效果:器件采用有源區(qū)橫向電鍍輔助散熱金屬層和圖形化熱沉的倒裝焊結(jié)構(gòu)，利用這種結(jié)構(gòu)可大大改善激光器有源區(qū)的散熱;基于倒裝焊結(jié)構(gòu)，器件可形成襯底面發(fā)射輸出功率，同時可以大大改善太赫茲激光發(fā)射效率和光束質(zhì)量。
【附圖說明】
[0028]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和效果，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，其中:
[0029]圖1是本發(fā)明的太赫茲半導(dǎo)體激光器的橫截面示意圖；
[0030]圖2是兩個重復(fù)周期的量子級聯(lián)材料能帶示意圖；
[0031]圖3是圖1中所示光柵區(qū)的局部示意圖；
[0032]圖4是本發(fā)明的高熱導(dǎo)率圖形化熱沉的俯視圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。其中需要說明的是，本發(fā)明中的“上”、“下”、“內(nèi)”、“外”僅用于相對參照平面表示各個層之間的相對位置關(guān)系，不用于表示實際中的上下和內(nèi)外關(guān)系，實際元器件可以根據(jù)具體需要正序安裝或倒序安裝。
[0034]太赫茲半導(dǎo)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(yīng)用前景。為了實現(xiàn)大的功率輸出通常采用半絕緣等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。對于這種太赫茲激光器來說，大電流注入導(dǎo)致的有源區(qū)熱積累是限制其性能的主要因素之一。本發(fā)明提出基于有源區(qū)橫向選區(qū)電鍍輔助散熱金屬層和圖形化熱沉倒裝焊的太赫茲半導(dǎo)體激光器，其獨特之處在于利用選區(qū)微尺度電鍍方法形成橫向輔助散熱金屬層結(jié)構(gòu)和利用圖形化襯底倒裝貼片方法形成半絕緣等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的倒裝焊。
[0035]更具體地，本發(fā)明公開了一種太赫茲半導(dǎo)體激光器，包括結(jié)構(gòu)相同的兩個臺面，其中所述兩個臺面均依次包括:
[0036]—激光器有源區(qū)，位于所述高摻雜半導(dǎo)體層之下；
[0037]—絕緣層，所述絕緣層生長在所述激光器有源區(qū)外表面；
[0038]—金屬接觸層，所述金屬接觸層生長在所述絕緣層外表面；
[0039]—金屬電鍍層，所述金屬電鍍層生長在所述金屬接觸層的外表面；
[0040]—分布反饋光柵區(qū)，所述分布反饋光柵區(qū)由金屬和半導(dǎo)體共同組成，位于所述激光器有源區(qū)之下；
[0041]—圖形化金屬鍵合層，所述圖形化金屬鍵合層位于所述金屬電鍍層之下；
[0042]—高熱導(dǎo)率熱沉，位于所述圖形化金屬鍵合層之下。
[0043]其中所述的結(jié)構(gòu)相同的二個臺面由外延層深度腐蝕形成，其中之一作為激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)，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電流注入來實現(xiàn)。
[0044]其中所述的金屬亞波長光柵層為具有亞波長圖形結(jié)構(gòu)的超薄金屬層，具有表面等離