[發明專利]一種太赫茲半導體激光器及其制造方法

有效

• 申請號: 201610069089.6
• 申請日: 2016-02-01
• 公開（公告）號: CN105655866B
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發明（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

1.一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；

其中，所述兩個臺面均包括：

一激光器有源區(4)，位于所述高摻雜半導體層(3)之下；

一絕緣層(5)，包覆在所述激光器有源區(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；

其中，作為所述太赫茲半導體激光器的有源區結構的臺面還包括一分布反饋光柵區(8)，所述分布反饋光柵區(8)由金屬和半導體共同組成，緊鄰所述激光器有源區(4)且位于所述激光器有源區(4)之下；

其中，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)為選區電鍍工藝制作的金屬層，用于橫向輔助散熱。

2.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述金屬亞波長光柵層(1)為具有亞波長圖形結構的超薄金屬層，具有表面等離子體的性質，用于改善光束質量。

3.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述激光器有源區(4)為太赫茲量子級聯結構，包括多個級聯重復周期。

4.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光器，其特征在于，在作為所述太赫茲半導體激光器的有源區結構的臺面上，所述絕緣層(5)上開有分別供上下電極注入的窗口。

5.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述分布反饋光柵區(8)為金屬-半導體復合結構的二級及以上級分布反饋布拉格光柵，用于形成垂直面發射。

6.如權利要求1所述的太赫茲半導體激光器，其特征在于，所述圖形化金屬鍵合層(9)為蒸發在高熱導率熱沉(10)上的圖形化金屬結構，用于鍵合激光器芯片和熱沉；所述高熱導率熱沉(10)的材料為SiC、金剛石、藍寶石或AlN。

7.一種太赫茲半導體激光器的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

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體層；

在所述高摻雜半導體層上采用分子束外延法生長激光器有源區；所述激光器有源區采用太赫茲量子級聯結構，共生長100-200個重復級聯周期；

在所述激光器有源區上深度腐蝕形成結構相同的兩個臺面，其中一個作為所述太赫茲半導體激光器的有源區組件，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；

繼續在所述兩個臺面上均形成絕緣層、金屬接觸層、金屬電鍍層和圖形化金屬鍵合層，區別僅在于在所述作為有源區組件的臺面上在所述絕緣層上開出預留的窗口，且在緊鄰所述作為太赫茲半導體激光器的有源區組件的臺面的激光器有源區且位于所述激光器有源區之下的位置處形成一分布反饋光柵區；其中，所述金屬接觸層在兩個臺面部分相互隔離、互不相連；所述金屬電鍍層為選區電鍍工藝制作的金屬層，用于橫向輔助散熱；

將所述兩個臺面與高熱導率熱沉采用熱壓的方法鍵合在一起，鍵合后從上下電極分別引線，由此得到所述太赫茲半導體激光器。

8.如權利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法還包括以下步驟：

采用帶膠剝離的方法在所述半絕緣襯底層背對高摻雜半導體層的一側表面制作金屬亞波長光柵層；

其中，所述高熱導率熱沉的材料為SiC、金剛石、藍寶石或AlN。