[发明专利]一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺

说明书

技术领域

本发明属于激光器半导体技术领域，涉及一种太赫兹量子级联激光器，具体涉及一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺。

背景技术

太赫兹(THz)量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)作为一种重要的太赫兹辐射源，具有体积小、重量轻、易集成等优点，是太赫兹领域的一个研究热点。太赫兹量子级联激光器的研究主要集中在有源区和波导两个方面，要求器件具有高工作温度、低阈值电流密度、高转换效率、高输出功率、单模窄光谱线宽、小远场发散角等性能。

太赫兹量子级联激光器波导结构主要有单面金属波导和双面金属波导，其中双面金属波导对太赫兹波损耗小、模式限制作用强；双面金属波导激光器具有更低的阈值电流密度和更高的工作温度。激光的出射有边缘发射和表面发射两种形式。

边缘发射太赫兹量子级联激光器通常采用波导两个解离端面形成的F-P腔产生谐振，然而F-P腔激光器往往会产生多个激光模式，因此，为了获得稳定的单模输出，通常在波导表面金属层引入一阶光栅。边缘发射太赫兹量子级联激光器的出光孔径较小，激光光束非常发散，这种亚波长模式限制引起的光束发散对于双面金属波导激光器尤其明显。

表面发射太赫兹量子级联激光器具有较大的出射面积，因此可望具有更窄的光束发散模式以及更大的功率输出。二阶光栅可以实现激光的表面辐射，对于二阶光栅表面发射太赫兹量子级联激光器，存在的问题为在垂直光栅排列方向上光束发散没有得到限制以及输出功率较小。解决上述问题的一种方法为在波导表面制作二维光子晶体，在二维上抑制光束的发散，平行衬底传播的太赫兹光通过光子晶体的一级衍射实现垂直衬底表面辐射，二级衍射产生谐振。表面发射波导端面的反射会影响激光的模式，大面积波导容易激发横向高次模，一个有效的解决方法是在波导的四周制作吸收边以减弱端面反射、抑制横向高次模，但是增加吸收边会使光子晶体波导谐振腔的品质因子变小。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺，该激光器输出功率高，且为单模窄线宽的面发射太赫兹量子级联激光器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺。

一种单模大功率太赫兹量子级联激光器，所述单模大功率太赫兹量子级联激光器包括位于中心的二维光子晶体波导和环绕二维光子晶体波导分布的一阶光栅波导。

作为本发明的一种优选方案，所述二维光子晶体波导与所述一阶光栅波导的连接处设有锥形波导。

作为本发明的另一种优选方案，所述一阶光栅波导在远离中心的端面镀有高反射膜。

作为本发明的再一种优选方案，所述二维光子晶体波导的结构为：在垂直方向从下至上依次为重掺杂n型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述上金属层和上接触层刻蚀有二维点阵孔洞。

作为本发明的再一种优选方案，所述一阶光栅波导的结构为：在垂直方向从下至上依次为重掺杂n型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述上金属层和上接触层刻蚀有一阶光栅。

一种单模大功率太赫兹量子级联激光器的制作工艺，包括以下步骤：

步骤一，以半绝缘GaAs为衬底，外延生长一刻蚀阻挡层；在所述刻蚀阻挡层上外延生长一上接触层；在所述上接触层上外延生长一有源区；在所述有源区上外延生长一下接触层，然后在下接触层上电子束蒸发一下金属层；至此形成一片衬底；

步骤二，在另一重掺杂n型GaAs衬底表面电子束蒸发Pd/Ge/Pd/In薄膜形成另一片衬底；

步骤三，将两片衬底的金属面相对，热压键合在一起；

步骤四，对所述半绝缘GaAs衬底进行抛光，直到离刻蚀阻挡层预设距离，然后采用湿法腐蚀，腐蚀到刻蚀阻挡层，再用HF酸去除刻蚀阻挡层；再用湿法腐蚀减薄上接触层至预设厚度；采用剥离技术在所述半绝缘GaAs衬底上蒸发一上金属层；以上金属层为模版，自对准刻蚀出位于中心的波导和环绕中心波导分布的脊形波导；再在中心的波导表面光刻出二维点阵孔洞，在脊形波导表面光刻出一阶光栅，将上金属层和上接触层刻通，形成二维光子晶体波导和一阶光栅波导。

作为本发明的一种优选方案，所述脊形波导在远离中心波导的端面镀有高反射膜。

作为本发明的另一种优选方案，所述光子晶体波导为圆形、方形或六边形。