[发明专利]一种太赫兹半导体激光器及其制造方法

说明书

一种太赫兹半导体激光器及其制造方法，该太赫兹半导体激光器包括金属亚波长光栅层、半绝缘衬底层、高掺杂半导体层及结构相同的两个台面，两个台面由外延层深度腐蚀形成，其中一个作为该激光器的有源区结构，另一个作为下电极的支撑台面，两者的功能仅通过绝缘层的图形差异控制是否有电流注入来实现。本发明基于有源区横向选区电镀辅助散热金属层和图形化热沉倒装焊结构，这种结构既能改善器件有源区的散热特性又能方便形成衬底面发射，从而提高太赫兹激光发射效率和光束质量。

技术领域

本发明涉及太赫兹波段光源技术领域，尤其涉及一种太赫兹半导体激光器及其制造方法。

背景技术

太赫兹量子级联激光器是一种小型、高效率的太赫兹半导体激光光源，其在天文学、生物医学、环境科学、安全检测、自由空间光通信等方面具有重要的潜在应用，近年来受到广泛的关注。高的输出功率、高的工作温度和良好的光束特性一直以来都是太赫兹半导体激光器研究中需要解决的重要课题。太赫兹半导体激光器主要采用两种波导结构：双面金属波导和半绝缘等离子体波导。双面金属波导结构由于具有很高的光限制因子，降低了激光器的激射阈值，减少了注入功率消耗，使得器件的工作温度相比于半绝缘等离子体波导能得到大大的提升。但是由于其在器件外延层方向的亚波长尺寸和高的腔面反射率，使得双面金属波导器件相较于半绝缘等离子体波导器件具有大的远场发散角和较低的输出功率，即使采用在激光器发光端面增加Si透镜等方法来改善远场发散角和输出功率，器件实际获得的远场发散角与输出功率也不能与半绝缘等离子体波导器件相比。这也限制了双面金属波导太赫兹半导体激光器边发射器件的实用性。因此，对于大功率的太赫兹半导体激光器，通常采用半绝缘等离子体波导结构。这种波导结构由于激光模式可以分布到半绝缘衬底层中，增大了外延层方向光场分布尺度，降低了腔面的反射率，大大增加了输出功率。但是另一方面，这种结构使得激光器的上下电极在同一侧面，封装时激光器难以实现倒装焊，较厚的衬底影响了器件有源区的散热。同时，太赫兹半导体激光器有源区采用多重复周期的量子级联材料结构，由几百对超薄(nm量级)的量子阱/垒对组成，有源区纵向热导率远远小于横向。如何实现半绝缘等离子体波导结构的太赫兹半导体激光器的倒装焊以及如何充分利用高热导率的横向辅助散热，一直以来都是研究者追寻的目标。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明的主要目的在于提供一种能够有效改善有源区散热的太赫兹半导体激光器。该激光器采用基于有源区横向选区电镀辅助散热金属层和图形化热沉的倒装焊结构，这种结构既能改善器件有源区的散热特性又能方便形成衬底面发射，从而提高太赫兹激光发射效率和改善光束质量。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种太赫兹半导体激光器，其特征在于，所述太赫兹半导体激光器包括金属亚波长光栅层1、半绝缘衬底层2、高掺杂半导体层3以及结构相同的两个台面，所述两个台面由外延层深度腐蚀形成，其中一个作为所述太赫兹半导体激光器的有源区结构，另一个作为下电极的支撑台面11，两者的功能仅通过绝缘层的图形差异控制是否有电流注入来实现。

作为优选，所述两个台面均包括：

一激光器有源区4，位于所述高掺杂半导体层3之下；

一绝缘层5，所述绝缘层5包覆在所述激光器有源区4的外表面；

一金属接触层6，所述金属接触层6生长在所述绝缘层5的外表面；

一金属电镀层7，所述金属电镀层7生长在所述金属接触层6的外表面；

一分布反馈光栅区8，所述分布反馈光栅区8由金属和半导体共同组成，紧邻所述激光器有源区4且位于所述激光器有源区4之下；

一图形化金属键合层9，所述图形化金属键合层9位于所述金属电镀层7之下；

一高热导率热沉10，所述高热导率热沉10位于所述图形化金属键合层9之下。