專利名稱：大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法
技術領域：
本發明涉及激光器領域，特別是涉及一種大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法。
背景技術：
太赫茲(THz)輻射源是太赫茲頻段應用的關鍵器件。在眾多太赫茲輻射產生方式中，基于半導體的全固態的太赫茲量子級聯激光器件(THzQCL)由于其能量轉換效率高、體積小、輕便和易集成等優點，一經發明就引起廣泛的關注并成為本領域的研究熱點。THzQCL是一種單極性子帶間躍遷的相干THz輻射源，具有全固態、電泵浦、可調諧和易集成等優點。相對于中紅外QCL來說，THz光子能量小，對應的激光能級間的能量差就很小，子帶間的散射作用增強，使得在THzQCL中粒子數反轉更加難以實現。同時，在THz波段，自由載流子的吸收增強，波導損耗大大增加。THzQCL自2002年發明以來，器件的輸出功率、工作溫度和激射頻率范圍等都有很大提高與改善。THzQCL的進展主要得益于有源區結構和波導結構的不斷改進。太赫茲量子級聯激光器有源區結構主要有啁啾超晶格結構、束縛態向連續態躍遷結構和共振聲子輔助躍遷結構。前兩種結構是通過電子在超晶格微帶內的快速輸運來實現激光能級間的粒子數反轉的，超晶格結構使得電子的輸運得到了良好的控制，其優點是注入效率高、內量子效率高、閾值電流密度小。但隨著溫度的升高，微帶成為了非輻射復合的重要通道，阻礙了這兩種結構的器件溫度特性的進一步提高。共振聲子輔助躍遷結構是通過聲子輔助躍遷和共振遂穿來實現粒子數反轉的，其最顯著的優點是對激光低能級的電子抽取效率受溫度的影響較小，使得共振聲子結構的器件具有較高的激射溫度，但由于其結構簡單，載流子的輸運不能得到很好的控制，同時由于寄生電流效應顯著，使得該結構的器件具有較大的閾值電流密度。不過，隨著斜躍遷的設計被引入到共振聲子結構中，共振聲子結構的器件的閾值電路密度降低為原來的一半，激射溫度也是目前在沒有磁場條件下達到的最高溫度。然而，由于太赫茲量子級聯激光器件的輸出功率往往會受到注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、注入耦合強度、溫度等多方面因素的影響，勢壘太寬會影響電子的注入和收集效率，勢壘太薄又會導致器件電流過大，發熱嚴重；摻雜太高會導致大電流、高熱量，影響器件工作；零摻雜又會導致器件零增益；注入耦合強度太弱，會導致注入效率不夠高，無法實現激射，注入耦合強度太大，會將增益譜分裂，從而影響器件的峰值功率。因此，如何制備出一種大激射光功率的THzQCL，是本領域技術人員亟待解決的問題。

發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，以便制備出一種大激射光功率的THzQCL。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其至少包括步驟a)基于蒙特卡洛模擬法來模擬多個不同參數下的預定結構的有源區的電傳輸及輸出增益特性，以獲得優化的一組參數；以及1)基于所獲得的一組參數來制備包含所述預定結構的有源區的太赫茲量子級聯的激光器。優選地，所述預定結構的有源區包括三阱共振聲子輔助躍遷結構。優選地，所述參數包括注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、聲子阱寬度、注入耦合強度。優選地，所述步驟1)包括采用氣態源分子束外延設備來生長所述預定結構的有源區。優選地，采用配備砷皖和磷皖作為V族源、元素fei、In、Al作為III族源、及Si、Be、 C作為摻雜源的氣態源分子束外延設備來生長所述預定結構的有源區。優選地，所形成的包含GaAs/AWaAs量子阱的有源區結構中，Al組分為0. 15。優選地，所述步驟1)還包括采用濕法刻蝕以形成包含所述預定結構的有源區的寬脊條半絕緣等離子波導結構。優選地，所述脊條寬度為150-250微米。優選地，采用H3P04 H202 H20溶液進行濕法刻蝕。優選地，所述步驟1)還包括在電極表面鍍散熱層。優選地，所述散熱層的厚度為5微米。優選地，所述步驟1)還包括在共振腔背面鍍高反膜、在出射面鍍低反膜。如上所述，本發明的太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，具有以下有益效果由于采用了基于蒙特卡洛模擬法所獲取的參數來制備激光器，使得所制備出的激光器因參數的優化而具有大激射光功率輸出；此外，半絕緣表面等離子波導結構也能提高光束質量； 再者，寬寬脊條結構增加了泵浦電流密度，進一步提高了激光輻射功率；在材料生長方面， 優化的材料生長速率以及生長溫度，可得到高質量的外延材料，減少缺陷，從而降低非輻射復合中心；采用H3po4:H2O2:H2O溶液進行濕法刻蝕，可精確控制刻蝕深度，從而保證器件在電學上的導通；還有，在電極表面還電鍍5微米厚的金，可大大提高器件的導熱特性；再有， 采用在共振腔的一端鍍高反膜而另一端鍍低反膜，也可以有效地提高出射腔面的激光功率。


圖1顯示為本發明的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法的流程圖。圖2顯示為三阱共振聲子輔助躍遷結構的有源區的結構示意圖。圖3顯示為本發明的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法中基于蒙特卡洛模擬法模擬的共振聲子輔助躍遷的三阱結構有源區的電傳輸及輸出增益特性的示意圖。圖4顯示為本發明的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法所制備出的激光器的結構示意圖。元件標號說明S1-S2 步驟
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。圖1為本發明的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法的流程圖。在步驟Sl中，基于蒙特卡洛模擬法來模擬多個不同參數下的預定結構的有源區的電傳輸及輸出增益特性，以獲得優化的一組參數。其中，所述預定結構的有源區包括但不限于啁啾超晶格結構的有源區、束縛態向連續態躍遷結構的有源區等，優選地，所述預定結構的有源區包括三阱共振聲子輔助躍遷結構的有源區。例如，如圖2所示，其為三阱共振聲子輔助躍遷結構的有源區a示意圖。其中，所述有源區a包括多個周期性排列的量子阱，每一個周期包括三個量子阱，每一個量子阱與一個勢壘相間隔，其中，量子阱al為聲子阱，與所述聲子阱al相鄰的勢壘a2摻雜 AlGaAs，以便提供電子。其中，所述多個不同參數由所有影響THzQCL輸出功率的參數中選擇多個得到，其中，影響THzQCL輸出功率的參數包括但不限于有源區摻雜材料的種類、脊條寬度注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、聲子阱寬度、注入耦合強度等。優選地，所述多個參數包括注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、聲子阱寬度、注入耦合強度。其中，所述電傳輸及輸出增益特性包括電流密度、峰值增益電流密度等。具體地，先使模擬設備，例如計算機，采用蒙特卡洛模擬法以所述多個不同參數中的一個作為變量、其余作為常量，來模擬預定結構的有源區的電傳輸及輸出增益特性，以便確定該個變量的最優值；隨后再基于所述多個不同參數中的另一個作為變量、其余作為常量，來模擬預定結構的有源區的電傳輸及輸出增益特性，以便確定該另一變量的最優值；直至確定所述多個不同參數中的每一個的最優值，從而獲得一組由最優值構成的一組參數。例如，計算機先以注入耦合強度為變量、注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、聲子阱寬度均為常量，來模擬共振聲子輔助躍遷的三阱結構有源區的電傳輸及輸出增益特性，基于5個(即1. 6meV、2. 5meV,4meV,7. 5meV和IOmeV)注入耦合強度值模擬獲得共振聲子輔助躍遷的三阱結構有源區的電流密度JNDR、峰值增益電流密度Jpeak gain以及兩者之差 Δ J如圖3所示，基于該模擬結果可確定注入耦合強度的最優值為7. 5meV ；隨后再基于與確定注入耦合強度的最優值相同或相似的方式來確定注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、聲子阱寬度的最優值，由此獲得包含注入耦合強度、注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、聲子阱寬度最優值的一組參數。需要說明的是，本領域技術人員應該理解，上述基于蒙特卡洛模擬法來確定多組參數下的預定結構的有源區的電傳輸及輸出增益特性的方式僅為舉例，事實上，也可以基于蒙特卡洛模擬法，每次以兩個或兩個以上參數為變量來模擬預定結構的有源區的電傳輸及輸出增益特性等，在此不再予以詳述。在步驟S2中，基于所獲得的一組參數來制備包含所述預定結構的有源區的太赫茲量子級聯的激光器。
例如，在步驟Sl中確定的一組參數包括注入耦合強度、注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、聲子阱寬度最優值，則基于該注入耦合強度、注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、聲子阱寬度最優值，采用常規制備法制備包含圖2所示的有源區結構的太赫茲量子級聯的激光
ο作為一種優選方案，所述步驟S2包括步驟S21 (未予圖示)。在所述步驟S21中，采用氣態源分子束外延設備來生長所述預定結構的有源區。優選地，采用配備砷皖和磷皖作為V族源、元素fei、In、Al作為III族源、及Si、Be、 C作為摻雜源的氣態源分子束外延設備來生長所述預定結構的有源區。例如，先將氣態的砷皖在高溫下裂解得到砷原子，再摻入鎵元素以形成砷化鎵，接著基于步驟Sl中所獲取的摻雜濃度、勢壘寬度、聲子阱寬度等參數采用氣態源分子束外延設備來生長共振聲子輔助躍遷結構。更為優選地，在所形成的包含GaAs/AKiaAs量子阱的有源區結構中，Al組分為 0. 15。此外，需要說明的是，在采用氣態源分子束外延設備生長高質量的THzQCL有源區結構時，由于有源區結構包含幾百甚至上千層的半導體材料，整個生長過程需要十幾個小時，所以材料生長過程中的不斷消耗會影響生長速率，進而影響各層材料的生長厚度，為此，在整個材料生長過程，通過調節生長溫度以及束源爐的溫度，可精確控制各層半導體材料的生長厚度。作為又一種優選方案，所述步驟S2包括步驟S22(未予圖示)。在所述步驟S22中，采用濕法刻蝕以形成包含所述預定結構的有源區的寬脊條半絕緣等離子波導結構，如圖4所示。優選地，在采用標準的化合物半導體工藝制作半絕緣表面等離子波導結構時，采用H3PO4:H2O2:H2O溶液進行濕法刻蝕，如此更有利于實現高性能THzQCL器件。優選地，所述脊條寬度為150-250微米，以實現高功率激射。作為又一種優選方案，所述步驟S2還包括步驟S23(未予圖示)。
在所述步驟S23中，在蒸鍍完金屬電極之后，再在電極表面鍍散熱層。例如，在圖4所示的電極表面采用蒸鍍的方法鍍散熱層，以便散發有源區的焦耳熱。所述散熱層包括但不限于金屬金等。優選地，所述散熱層的厚度為5微米。作為又一種優選方案，所述步驟S2還包括步驟S24 (未予圖示)。在所述步驟S24中，在共振腔背面鍍高反膜、在出射面鍍低反膜，由此提高共振腔背面的反射率，同時降低出射面的反射率。基于上述制備過程，制備形成的圖4所示的太赫茲量子級聯的激光器結構包括如下部分半絕緣GaAs襯底、重摻雜的η型GaAs下接觸層、多量子阱GaAs/AWaAs有源區、 重摻雜η型GaAs上接觸層、上電極、側電極、共振腔背面高反膜、共振腔出射面低反膜、電鍍超厚金屬金。其中，多量子阱GaAs/AKiaAs有源區結構中，其一個周期由三個GaAs阱組成，勢壘材料為A10. 15GaO. 85As,灰色陰影區域所表示的勢壘為摻雜區域，摻雜濃度為 3.61101(1(^_2，為有源區的輸運提供電子，設計偏壓電場為14.7kV/cm。在設計偏壓下，一個周期內的電子輸運過程如下電子從上一周期的注入能級1’注入到當前周期的上激光能級4。然后能級4上的電子通過對角輻射和非輻射躍遷進入下激光能級3。能級3和2形成一個共振雙帶，電子快速進入能級2，然后通過快速的電子-聲子散射進入基態能級1。這里的電聲子散射用于快速地實現下激光能級3上的電子抽取，從而實現激光能級4和3之間的粒子數反轉。綜上所述，本發明的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法由于采用了基于蒙特卡洛模擬法所獲取的參數來制備激光器，使得所制備出的激光器因參數的優化而具有大激射光功率輸出；此外，半絕緣表面等離子波導結構也能提高光束質量；再者，寬寬脊條結構增加了泵浦電流密度，進一步提高了激光輻射功率；在材料生長方面，優化的材料生長速率以及生長溫度，可得到高質量的外延材料，減少缺陷，從而降低非輻射復合中心；采用 H3PO4 H2O2 H2O溶液進行濕法刻蝕，可精確控制刻蝕深度，從而保證器件在電學上的導通；還有，在電極表面還電鍍5微米厚的金，可大大提高器件的導熱特性；再有，采用在共振腔的一端鍍高反膜而另一端鍍低反膜，也可以有效地提高出射腔面的激光功率。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于，所述大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法至少包括步驟基于蒙特卡洛模擬法來模擬多個不同參數下的預定結構的有源區的電傳輸及輸出增益特性，以獲得優化的一組參數；所述太赫茲量子級聯的激光器的制備方法還包括步驟1)基于所獲得的一組參數來制備包含所述預定結構的有源區的太赫茲量子級聯的激光器。
2.根據權利要求1所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于 所述預定結構的有源區包括三阱共振聲子輔助躍遷結構。
3.根據權利要求2所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于 所述參數包括注入和收集勢壘寬度、摻雜濃度、聲子阱寬度、注入耦合強度。
4.根據權利要求2所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于 所述步驟1)包括采用氣態源分子束外延設備來生長所述預定結構的有源區。
5.根據權利要求4所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于 采用配備砷皖和磷皖作為V族源、元素Ga、IruAl作為III族源、及Si、Be、C作為摻雜源的氣態源分子束外延設備來生長所述預定結構的有源區。
6.根據權利要求5所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于 所形成的包含GaAs/AWaAs量子阱的有源區結構中，Al組分為0. 15。
7.根據權利要求1所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于 所述步驟1)還包括采用濕法刻蝕以形成包含所述預定結構的有源區的寬脊條半絕緣等離子波導結構。
8.根據權利要求7所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于 所述脊條寬度為150-250微米。
9.根據權利要求7或8所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于采用H3PO4: H2O2: H2O溶液進行濕法刻蝕。
10.根據權利要求1所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于 所述步驟1)還包括在電極表面鍍散熱層。
11.根據權利要求10所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于所述散熱層的厚度為5微米。
12.根據權利要求1所述的大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法，其特征在于 所述步驟1)還包括在共振腔背面鍍高反膜、在出射面鍍低反膜。
全文摘要
本發明提供一種大功率太赫茲量子級聯的激光器的制備方法。根據本發明的方法，先基于蒙特卡洛模擬法來模擬多個不同參數下的預定結構的有源區的電傳輸及輸出增益特性，以獲得優化的一組參數；隨后再基于所獲得的一組參數來制備包含所述預定結構的有源區的太赫茲量子級聯的激光器。本發明采用了基于蒙特卡洛模擬法所獲取的參數來制備大功率太赫茲量子級聯的激光器，使得所制備出的激光器因參數的優化而具有大激射光功率輸出。
文檔編號H01S5/30GK102545061SQ20121001784
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月19日 優先權日2012年1月19日
發明者曹俊誠, 黎華 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所