阅读说明：本技术 一种太赫兹量子级联激光器及其制作方法 (Terahertz quantum cascade laser and manufacturing method thereof ) 是由 万文坚 曹俊诚 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种太赫兹量子级联激光器及其制作方法,所述激光器后端面垂直于激光器脊条结构长度方向,前端面和脊条结构垂直方向有一倾斜角,两个端面其中一个为解理面,另一个为研磨抛光面,这种不平行的端面导致前后端面反射率和透射率不同,从而改变激光器前后端面的出光比率,端面倾斜角小于激光器有源区全反射临界角时,激光器前端面出光功率比率更大,这种倾斜前端面结构还有利于抑制横向高阶模,适用于宽脊条、单端输出、大功率激光器。(The invention discloses a terahertz quantum cascade laser and a manufacturing method thereof, wherein the rear end face of the laser is vertical to the length direction of a ridge structure of the laser, an inclination angle is formed between the front end face and the ridge structure in the vertical direction, one of the two end faces is a cleavage face, the other end face is a grinding and polishing face, the non-parallel end faces cause different reflectivities and transmittances of the front end face and the rear end face, so that the light emitting ratio of the front end face and the rear end face of the laser is changed, when the inclination angle of the end faces is smaller than the critical angle of total reflection of an active region of the laser, the light emitting power ratio of the front end face of the laser is larger, the inclined front end face structure is also beneficial to inhibiting a transverse high-.)

一种太赫兹量子级联激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，特别涉及一种太赫兹量子级联激光器及其制作方法。

背景技术

太赫兹(THz)波(频率范围：0.1-10THz)是位于红外光和微波之间的电磁波，在国防安全、生物医疗、空间等领域具有潜在应用。由于缺乏高效THz辐射源和探测器，THz波还没有被完全认知，所以其被称为THz间隙。太赫兹辐射源器件主要有耿氏二极管、共振隧穿二极管、单行载流子光电二极管等电子学器件和激光器、光参量振荡器等光子学器件。在1-5THz频率范围内，基于半导体电泵浦的光子学器件THz量子级联激光器(QCL)在输出功率和效率方面比电子学器件高，是关键的THz辐射源器件。

太赫兹量子级联激光器波导结构主要有半绝缘表面等离子体波导和双面金属波导。半绝缘表面等离子体波导激光器有源区上表面为金属层，下方为重掺杂下接触层和半绝缘衬底，激光模式通过表面金属层和重掺杂下接触层进行限制，并很大一部分激光模式延伸到衬底中，波导限制因子小。但这种波导结构工艺相对简单，激光光束质量好，耦合输出效率高，大功率太赫兹量子级联激光器一般都采用这种波导结构，但是在一些情况下还需要一些更强的出光效率才能满足工作需求，仅靠现有的结构很难满足更高功率的输出需求。

通过解理波导两个端面形成谐振腔，即可完成简单的F-P腔激光器。由于F-P腔激光器前后两个端面一致，工作时激光器两个端面状态相同，同时输出相同强度的激光。然而实际应用中，通常仅需利用一端的激光，另一端激光没有利用价值。对于中红外QCL，采用在F-P腔的后端面镀高反膜而前端面镀增透膜，可以有效地提高前端面的出光功率。对于太赫兹QCL，后端面镀金属高反膜也较容易实现，然而由于太赫兹波长较大，四分之一波长的增透介质膜厚度可达数微米甚至几十微米，如此厚的介质膜在工艺上难以实现。

在中红外QCL中，另一种提高单面输出效率的方法是采用倾斜的前端面。中红外QCL出光截面尺寸通常只有数微米，仅采用聚焦离子束(FIB) 刻蚀脊波导附近很小区域形成倾斜前端面，就能有效提高前端面的出光比例。然而对于半绝缘表面等离子体波导太赫兹QCL，由于激光模式很大一部分延伸到衬底中，端面出光区域尺寸通常数百微米，所以对于太赫兹QCL 必须在有源区和衬底上大范围甚至全部制作出端面。用于中红外QCL倾斜端面制作的FIB刻蚀以及等离子体刻蚀方法，由于刻蚀深度有限，并不适用于太赫兹QCL。

因此如何提高太赫兹量子级联激光器前端面的输出功率是当前急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于，提供一种太赫兹量子级联激光器及其制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一方面，本发明提供一种太赫兹量子级联激光器，所述激光器包括前端面和后端面；所述后端面与所述激光器的脊条结构的长度方向垂直，所述前端面所在平面与所述脊条结构长度方向的垂直面形成倾斜角，使得所述前端面和所述后端面的反射率和透射率不同。

进一步地，所述激光器还包括半绝缘衬底、下接触层、下表面金属层、有源区、上接触层、上表面金属层、后端面和前端面；

所述半绝缘衬底、下接触层、有源区、上接触层和上表面金属层从下至上依次层叠，所述有源区、上接触层和上表面金属层在所述下接触层上形成脊条结构，所述下表面金属层位于所述脊条结构的两侧，与所述脊条结构平行，且与所述脊条结构具有一定的间距。

作为可选地，所述后端面为解理面，所述前端面为研磨抛光面。

具体地，所述倾斜角小于所述激光器的全反射临界角。

作为优选地，所述全反射临界角为15°。

作为可选地，所述后端面沉淀介质和金属高反膜，从而增加所述前端面的出光比例。

另一方面，本发明还提供一种太赫兹量子级联激光器的制作方法，所述方法用于制作上述所述的太赫兹量子级联激光器，所述方法包括以下步骤：

划片解理出单个的激光器芯片，激光器前端面和后端面均为解理面；

将激光器倾斜贴在研磨抛光机上，对其中一个端面进行研磨并抛光，制作具有倾斜角的抛光前端面；

用铟将所述激光器芯片焊在热沉上，并金丝键合引出电极，完成器件封装。

作为可选地，所述倾斜角为12°。

进一步地，所述划片解理出单个的激光器芯片，激光器前端面和后端面均为解理面步骤之前还包括以下步骤：

提供半绝缘衬底，从下往上依次设置下接触层、有源区和上接触层；

采用光刻及溅射在所述上接触层上制作上表面金属层

刻蚀激光器脊条，刻蚀深度到达所述下接触层，并使所述上表面金属层位于所述脊条上；

在刻蚀裸露的下接触层部分表面制作下表面金属层并退火。

采用上述技术方案，本发明所述的一种具有倾斜前端面的太赫兹量子级联激光器及其制作方法具有如下有益效果：

1.本发明所述的具有倾斜前端面的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，通过前端面和后端面的不平行，导致前后端面的反射率和透射率不同，从而改变激光器前后端面的出光比率。

2.本发明所述的具有倾斜前端面的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，其中前端面的倾斜角小于激光器有源区全反射临界角时，更大提高了激光器前端面的出光功率比率。

3.本发明所述的具有倾斜前端面的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，，通过倾斜前端面结构还可以利于抑制横向高阶模，适用于宽脊条、单端输出、大功率激光器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1本发明所述的太赫兹量子级联激光器侧视示意图；

图2本发明所述的太赫兹量子级联激光器俯视示意图。

图中：1-半绝缘衬底，2-下接触层，3-下表面金属层，4-有源区，5-上接触层，6-上表面金属层，7-后端面，8-前端面，9-倾斜角。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本说明书的一个实施例提供一种太赫兹量子级联激光器，能够实现前后断面的出光功率不同。

具体地，如图1和图2所示，所述激光器包括前端面8和后端面7，其中所述后端面7与所述激光器的脊条结构的长度方向垂直，所述前端面8 与所述脊条结构的长度方向的垂直面形成倾斜角9，因此由于前后两个端面的不平行对称，导致两者具有不同的反射率和透射率，从而形成不同的出光功率。

在一些实施例中，所述激光器还包括叠层设置的半绝缘衬底1、下接触层2、激光器有源区4、上接触层5和上表面金属层6，其中所述激光器有源区4、所述上接触层5和上表面金属层6形成激光器的脊条结构，而所述脊条方向可以理解为所述脊条的长度方向，其中所述脊条方向可以平行于主定位边，当然所述脊条方向也可以与所述主定位边存在一定夹角。

在一些实施例中，所述上表面金属层6设置在所述脊条上，并且所述上表面金属层6宽度可以为所述脊条的宽度相等，也就是说，所述上表面金属层6完全覆盖在所述脊条上，作为可选地，所述上表面金属层5的宽度为200μm。

在一些实施例中，所述脊条设置在所述下接触层2的部分区域上，作为优选地，所述脊条设置在所述下接触层2的中间位置，并将所述下接触层2的两侧部分暴露出来。

进一步地，在所述下接触层2的暴露部分还设置有下表面金属层3，需要说明的是，所述下表面金属层3只是覆盖暴露的下接触层2的一部分，

由于所述前端面8和所述后端面7是不平行关系，不能同时通过解理得到，因此其中一个面可以是解理面，另外一个面是研磨抛光面。

而所述倾斜角9要小于激光器有源区的全反射临界角，倾斜的前端面模式反射率比后端面反射率低，前端面出光功率相比于后端面更大，并且随着倾斜角增大，前端面出光功率也越大。而当倾斜角增大到大于激光器有源区全反射临界角时，前端面出现全反射，透射率几乎为0，前端面出光功率急速降低，因此，一般设置为前端面倾斜角略小于激光器有源区全反射临界角，前端面具有较大的出光功率。对于太赫兹量子级联激光器，有源区有效折射指数约为3.8，对应的全反射临界角约为15°。

当然了，在一些实施例中，所述后端面7还可以通过镀介质/金属高反膜增加所述后端面7的反射率，从而进一步增加所述前端面8的出光比例。

本说明书的另一个实施例还提供一种太赫兹量子级联激光器的制作方法，用于制作上述所述的太赫兹量子级联激光器。

具体地，所述方法包括以下步骤：

S10：划片解理出单个的激光器芯片，激光器前端面和后端面均为解理面；

通过解理出的激光器芯片的腔长可以为3mm，所述解理面可以与所述激光器的脊条方向垂直，作为可选地，本实施例中所述脊条方向可以与主定位边平行。

S20：将激光器倾斜贴在研磨抛光机上，对其中一个端面进行研磨并抛光，制作具有倾斜角的抛光前端面；

其中所述倾斜角要小于所述激光器有源区的全反射临界角，对于太赫兹量子级联激光器，有源区有效折射指数约为3.8，对应的全反射临界角约为15°，因此本实施例中，所述倾斜角可以是12°。

S30：用铟将所述激光器芯片焊在热沉上，并金丝键合引出电极，完成器件封装。

在一些可能的实施例中，所述激光器的脊条方向可以和所述主定位边存在一定角度，比如，可以将脊条方向与所述主定位边的夹角和倾斜角角度相等，在划片解理时，前后端面通过解理获得，均与主定位边垂直，因此前后端面均与所述脊条结构的长度方向不垂直，而是与脊条方向存在一倾斜角，通过对激光器的后端面进行研磨抛光，并使得后端面垂直于所述脊条结构的长度方向。

在一些实施例中，其中太赫兹量子级联激光器可以是半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器，因此其结构为半绝缘表面等离子体波导结构，因此在划片解理前还包括半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器制作过程，具体为：

S01：提供半绝缘衬底，从下往上依次设置下接触层、有源区和上接触层；

首先需要制作激光器外延片，准备半绝缘衬底，在其上依次外延生长下接触层、激光器有源区和上接触层。

S02：采用光刻及溅射在所述上接触层上制作上表面金属层；

所述上表面金属层可以是Ti/Au金属层，其金属层厚度为Ti金属层 10nm，Au金属层300nm，而其金属层的宽度根据不同的激光器规格设置，作为可选地，所述上表面金属层宽度为200μm，其中所述上表面金属层的金属层方向可以平行主定位边。

S03：刻蚀激光器上接触层和有源区形成脊条，刻蚀深度到达所述下接触层，作为可选地，所述脊条宽度为200μm，并使所述上表面金属层位于所述脊条上；

S04：在刻蚀裸露的下接触层部分表面制作下表面金属层并退火

通过光刻及电子束蒸发Ge/Au/Ni/Au(13/33/30/300nm)在刻蚀裸露的下接触层部分表面制作下表面金属层并退火，而所述下表面金属层并没有接触到所述脊条，作为可选地，所述下表面金属层可以设置在所述脊条两侧，所述下表面金属层距离所述脊条结构为30μm，其中所述下表面金属层的宽度300μm，可以理解为两侧的下表面金属层在所述脊条两侧呈对称设置，并且每个金属层宽度均为300μm。

另外在一些实施例中，还可以对衬底背面进行减薄处理，比如可以减薄至160μm，还可以进行抛光溅射等处理，比如溅射Ti/Au(10/200nm) 金属层。

本发明提出一种太赫兹量子级联激光器及其制作方法，激光器后端面垂直于激光器脊条方向，前端面和脊条结构垂直方向有一倾斜角，两个端面其中一个为解理面，另一个为研磨抛光面。这种不平行的端面导致前后端面反射率和透射率不同，从而改变激光器前后端面的出光比率。一般前端面倾斜角小于激光器有源区全反射临界角时，激光器前端面出光功率比率更大。这种倾斜前端面结构还有利于抑制横向高阶模，适用于宽脊条、单端输出、大功率激光器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。