本發(fā)明涉及紅外半導(dǎo)體光電器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于，將外延片做成環(huán)形雙溝結(jié)構(gòu)，再在襯底上制作二級(jí)環(huán)形金屬光柵，一方面，襯底二級(jí)環(huán)形金屬光柵結(jié)構(gòu)能夠在整個(gè)環(huán)形腔范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)太赫茲光的有效抽??；另一方面，可以改善太赫茲光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散。

背景技術(shù)：

波長(zhǎng)為30-300μm介于紅外和微波之間的太赫茲波由于其特殊的光譜位置，使其在光譜成像，射電天文，自由空間通信，醫(yī)療以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前傳統(tǒng)可用的大功率太赫茲源非常有限，一些電子器件因受到電子渡越時(shí)間和寄生時(shí)間常數(shù)的限制而難以制作大于1thz的輻射源，光學(xué)器件受到材料禁帶寬度的限制而難以制作小于10thz的輻射源，形成了所謂的1-10thz的太赫茲空隙。量子級(jí)聯(lián)激光器具有能帶可裁剪性的特點(diǎn)，所以為了得到高效便攜的1-10thz太赫茲光源，研究者們自然將目光對(duì)準(zhǔn)了量子級(jí)聯(lián)激光器，希望通過(guò)能帶的“裁剪”實(shí)現(xiàn)量子級(jí)聯(lián)激光器在1-10thz波段的激射。2002年意大利科學(xué)家等人成功制作出了第一支激射于太赫茲波段的量子級(jí)聯(lián)激光器，此后太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器飛速發(fā)展，到2015年實(shí)現(xiàn)了低溫下大于1w的大功率輸出，但是隨工作溫度升高，功率下降很快，不能在室溫下使用。量子級(jí)聯(lián)激光器中量子態(tài)之間強(qiáng)耦合能夠產(chǎn)生巨大的非線性效應(yīng)，理論上二階非線性系數(shù)能夠達(dá)到106pm/v，比普通非線性晶體的高了四個(gè)數(shù)量級(jí)，此外基于量子級(jí)聯(lián)激光器的中紅外光已經(jīng)實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)高的泵浦功率，所以基于中紅外雙波長(zhǎng)腔內(nèi)差頻的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器成為實(shí)現(xiàn)室溫的最有前途的太赫茲光源。2007年美國(guó)哈佛大學(xué)的m.a.belkin等人采用模式相位匹配的方式基于束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)和雙聲子共振的雙有源區(qū)結(jié)構(gòu)成功研制第一支雙波長(zhǎng)差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，但是由于實(shí)際中二階非線性系數(shù)并沒(méi)有106pm/v、中紅外多模激射、模式相位不匹配、外耦合長(zhǎng)度太短等原因?qū)е略摬铑l太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器沒(méi)有實(shí)現(xiàn)室溫操作而且輸出功率僅為納瓦量級(jí)，通過(guò)改善摻雜以及波導(dǎo)層的厚度等僅用一年時(shí)間該組就實(shí)現(xiàn)了差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的室溫操作，但是室溫輸出功率仍然小于1μw。直到2012年karunvijayraghavan等人采用基于cerenkov相位匹配的方式，中紅外-太赫茲的轉(zhuǎn)換效率得到提高，輸出效率也得到提高，此后基于cerenkov相位匹配方式的差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器迅速發(fā)展。目前基于雙波長(zhǎng)差頻量子級(jí)聯(lián)激光器的太赫茲光源脈沖峰值功率最高達(dá)到1.9mw，是2015年由美國(guó)西北大學(xué)m.razeghi組采用單聲子共振的有源區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)合cerenkov相位匹配方案得到的，但是其外耦合效率也僅是15％，室溫連續(xù)僅為微瓦量級(jí)。通過(guò)在inp襯底粘硅條或者利用表面二級(jí)光柵在整個(gè)腔長(zhǎng)范圍內(nèi)抽取太赫茲光可以提高外耦合效率，但是前者襯底仍然不能減薄，器件散熱性不好，不利于實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，后者遠(yuǎn)場(chǎng)在脊寬方向發(fā)散仍然會(huì)較大。目前基于環(huán)形腔的中紅外面發(fā)射量子級(jí)聯(lián)激光器單模輸出已經(jīng)達(dá)到400mw，基于環(huán)形腔遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角小的優(yōu)勢(shì)，為了同時(shí)提高外耦合效率改善遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散，本專利提出采用環(huán)形腔面發(fā)射機(jī)制實(shí)現(xiàn)太赫茲光的有效抽取同時(shí)改善其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

綜上所述的各種導(dǎo)致太赫茲光外耦合效率較低的問(wèn)題，本專利提出一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)，其可提高其外耦合效率實(shí)現(xiàn)太赫茲光的有效抽取。該結(jié)構(gòu)首先在上波導(dǎo)層制作一級(jí)光柵實(shí)現(xiàn)中紅外的單模，將外延片做成環(huán)狀脊形雙溝結(jié)構(gòu)，在襯底制作針對(duì)太赫茲光的二級(jí)表面金屬光柵實(shí)現(xiàn)太赫茲光的面上抽取，同時(shí)使器件的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角減小。

本發(fā)明提供一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在一襯底上依序生長(zhǎng)下波導(dǎo)層、下光學(xué)限制層、第一有源層、間隔層、第二有源層、上光學(xué)限制層和上波導(dǎo)層；

步驟2：移除上波導(dǎo)層，在上光學(xué)限制層上呈放射狀向下刻蝕多條光柵，形成一個(gè)雙周期的環(huán)形光柵；

步驟3：在刻蝕后的上光學(xué)限制層上重新生長(zhǎng)上波導(dǎo)層；

步驟4：在上波導(dǎo)層上向下刻蝕一環(huán)形脊結(jié)構(gòu)，刻蝕深度到達(dá)下光學(xué)限制層；

步驟5：在刻蝕后的環(huán)形脊結(jié)構(gòu)的溝槽中填滿半絕緣inp：fe；

步驟6：在溝槽中填滿半絕緣inp：fe的環(huán)形脊結(jié)構(gòu)上蒸發(fā)正面金屬電極，鍍金；

步驟7：將襯底減薄，拋光，在襯底的背面蒸發(fā)背面金屬電極；

步驟8：刻蝕金屬電極，制備出二級(jí)環(huán)形表面金屬光柵，完成制備。

本發(fā)明的有益效果是：

1、采用環(huán)形腔在襯底表面制作二級(jí)金屬光柵對(duì)太赫茲光進(jìn)行抽取，可以沿整個(gè)腔面抽取太赫茲光能夠有效提高外耦合效率。

2、采用在襯底上制作二級(jí)金屬光柵結(jié)構(gòu)避免了襯底拋光20-30°角帶來(lái)的襯底不能減薄引起的器件散熱問(wèn)題，與器件倒焊工藝相兼容有利于器件的散熱提高室溫連續(xù)的功率，同時(shí)改善器件在脊寬方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散。

附圖說(shuō)明

為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和效果，下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的說(shuō)明，其中：

圖1為本發(fā)明的制備流程圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1及圖2所示，本發(fā)明提供一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在一襯底1上依序生長(zhǎng)下波導(dǎo)層2、下光學(xué)限制層3、第一有源層4、間隔層5、第二有源層6、上光學(xué)限制層7和上波導(dǎo)層8，所述的襯底1的材料為n型摻雜的半絕緣inp，所述的下波導(dǎo)層2的材料為n型摻雜的ingaas，所述的下光限制層3的材料為n型摻雜的inp，所述的第一有源層4和第二有源層6由20-40個(gè)周期的ingaas/inalas量子阱組成，該第一有源層4和第二有源層6對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為7-11μm，所述間隔層5的材料為n型摻雜的ingaas，所述的上光學(xué)限制層7的材料為n型摻雜的ingaas，所述的上波導(dǎo)層8的材料為n型摻雜的inp。；

步驟2：移除上波導(dǎo)層8，在上光學(xué)限制層7上呈放射狀向下刻蝕多條光柵，制備一個(gè)具有雙周期的結(jié)構(gòu)環(huán)形光柵，該雙周期的環(huán)形光柵是為了純化兩個(gè)中紅外的波長(zhǎng)，進(jìn)而可以獲得單模的太赫茲波，與直條型相比，理論上環(huán)形的光柵結(jié)構(gòu)中兩個(gè)中紅外波沒(méi)有腔面損耗，閾值電流密度更低，可以降低功耗；

步驟3：在刻蝕后的上光學(xué)限制層7上重新生長(zhǎng)上波導(dǎo)層8，形成所述的光柵結(jié)構(gòu)，光柵結(jié)構(gòu)的材料為ingaas/inp，該光柵結(jié)構(gòu)具有一級(jí)分布反饋結(jié)構(gòu)，該光柵的兩個(gè)周期分別由兩個(gè)有源層所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)結(jié)合一級(jí)光柵公式：λ＝2neffλ決定，所述的上波導(dǎo)層8的材料為n型摻雜的inp；

步驟4：在上波導(dǎo)層8上向下刻蝕一環(huán)形脊結(jié)構(gòu)，刻蝕深度到達(dá)下光學(xué)限制層3；

步驟5：在刻蝕后的環(huán)形脊結(jié)構(gòu)的溝槽中填滿半絕緣inp：fe，填滿半絕緣inp：fe是為了器件能夠更好的散熱；

步驟6：在溝槽中填滿半絕緣inp：fe的環(huán)形脊結(jié)構(gòu)上蒸發(fā)正面金屬電極9，鍍金，鍍金是為了進(jìn)一步改善器件的散熱特性；

步驟7：將襯底1減薄，拋光，在襯底1的背面蒸發(fā)背面金屬電極10，襯底1減薄也有利于器件的散熱；

步驟8：刻蝕金屬電極，制備出二級(jí)環(huán)形金屬光柵，所述的二級(jí)環(huán)形金屬光柵由金屬/air組成，該金屬材料為ti/au，該二級(jí)環(huán)形金屬光柵的周期由公式：λg＝λthz/(ninp·cosθc)決定，λthz為太赫茲波長(zhǎng)，ninp為太赫茲波在襯底的折射率，θc為cerenkov輻射角，完成制備。制備該二級(jí)光柵的目的是為了實(shí)現(xiàn)太赫茲的襯底出光。

與現(xiàn)有的差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器源相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì)：

一、襯底出光，不影響器件的減薄、拋光和倒焊工藝，有利于器件的散熱；而目前采用襯底拋光20°-30°出光方式的器件為了盡可能外耦合更多的太赫茲光襯底一般不會(huì)進(jìn)行減薄，嚴(yán)重阻礙了器件的散熱，不利于器件性能的提高。本發(fā)明所采用的結(jié)構(gòu)可以有效避免這個(gè)問(wèn)題。

二、表面二級(jí)光柵，可以沿整個(gè)器件結(jié)構(gòu)抽取太赫茲光，太赫茲光以cerenkov圓錐向外輻射，從一面抽取只有50％的光能夠被收集，再考慮二級(jí)光柵的耦合效率為80％-90％，理論上太赫茲光的外耦合效率能達(dá)到40％-45％；而目前差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的的外耦合效率太低也是導(dǎo)致其輸出功率較低的原因之一，目前已報(bào)道的[luq，razeghim.recentadvancesinroomtemperature，high-powerterahertzquantumcascadelasersourcesbasedondifference-frequencygeneration[c]/photonics.multidisciplinarydigitalpublishinginstitute，2016，3(3)：42.]最高的差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的脈沖功率峰值為1.9mw，室溫連續(xù)功率為14μw，但是其所述的外耦合效率也僅為15％。從國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì)看，目前大家基本認(rèn)同差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器是太赫茲激光材料領(lǐng)域1thz以上頻率唯一能夠室溫工作連續(xù)可調(diào)的電泵浦半導(dǎo)體太赫茲源，所以任何能夠提高其外耦合效率和輸出功率的結(jié)構(gòu)都值得被研究。本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)理論上能夠?qū)⑻掌澒獾耐怦詈闲侍岣咧?0％-45％，能夠有效改善太赫茲光的光電轉(zhuǎn)換效率。

三、本發(fā)明表面環(huán)形出光口可以做的較寬遠(yuǎn)大于太赫茲波長(zhǎng)，這樣一方面太赫茲波不會(huì)從兩側(cè)泄漏，另一方面可以改善器件的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散，提高太赫茲光的光束質(zhì)量。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)比說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明一種環(huán)形腔面發(fā)射差頻太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)有了清楚的認(rèn)識(shí)。

按照權(quán)利要求書(shū)所述的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，以及后面對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上權(quán)利要求書(shū)所述僅為本發(fā)明的大致實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。