[發(fā)明專利]一種太赫茲半導體激光器及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610069089.6
• 申請日: 2016-02-01
• 公開（公告）號: CN105655866B
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發(fā)明（設計）人: 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
• 主分類號: H01S5/00
• 分類號: H01S5/00;H01S5/02;H01S5/024
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

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(qū)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(xiàn)。本發(fā)明基于有源區(qū)橫向選區(qū)電鍍輔助散熱金屬層和圖形化熱沉倒裝焊結構，這種結構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)射效率和光束質(zhì)量。

技術領域

本發(fā)明涉及太赫茲波段光源技術領域，尤其涉及一種太赫茲半導體激光器及其制造方法。

背景技術

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體激光光源，其在天文學、生物醫(yī)學、環(huán)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(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場發(fā)散角和輸出功率，器件實際獲得的遠場發(fā)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(fā)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(xiàn)倒裝焊，較厚的襯底影響了器件有源區(qū)的散熱。同時，太赫茲半導體激光器有源區(qū)采用多重復周期的量子級聯(lián)材料結構，由幾百對超薄(nm量級)的量子阱/壘對組成，有源區(qū)縱向熱導率遠遠小于橫向。如何實現(xiàn)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。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上技術問題，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構，這種結構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。

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(qū)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(xiàn)。

作為優(yōu)選，所述兩個臺面均包括：

一激光器有源區(qū)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(qū)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(qū)8，所述分布反饋光柵區(qū)8由金屬和半導體共同組成，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；

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。