一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法
【专利摘要】本发明提供一种太赫兹量子级联光放大器，包括：半绝缘GaAs衬底；位于所述衬底表面的GaAs缓冲层；位于所述缓冲层表面的n型重掺杂下接触层；位于所述下接触层表面的有源区；位于有源区上表面的n型重掺杂上接触层；位于所述上接触层表面、且彼此分隔的上电极金属层，各上电极金属层间设有凹至所述缓冲层的深隔离槽；及位于所述下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层；所述光放大器根据各上电极金属层分主波导段，和位于主波导段两端、且对称分布的至少两个耦合腔波导段，主波导段和耦合腔波导段在水平方向上呈一直线分布。通过本发明的光放大器，解决了现有光放大器是分立器件，无法与前级THz QCL同时制备，实现片上集成，而且在使用过程中还需进行光学对准的问题。
【专利说明】
一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及激光器半导体技术领域，特别是涉及一种太赫兹量子级联光放大器以 及制作方法。
【背景技术】
[0002] 太赫兹(THz)波是指频率位于IOOGHz到IOTHz的一段电磁波，介于微波与红外波之 间。从能量上来说，THz波的光子能量覆盖了半导体及等离子体的特征能量，也与有机和生 物大分子等的转动及振动能量相匹配，因此可用于物质检测、环境监测等领域;从频域上 看，THz波的频率高，适用于空间保密通信及高速信号处理等领域;此外，THz波能够穿透多 种非导电材料，如塑料、木头、纸张等，在成像及公共安全等领域也有广泛的应用前景。在众 多的THz辐射产生方式中，基于半导体的THz量子级联激光器(QCL)由于其体积小、轻便、功 率高和易集成等特点，成为此领域一类重要的辐射源器件。
[0003] 自2002年第一个THz QCL诞生，在巨大潜在应用前景的驱动下，THz QCL的有源区 和波导结构不断优化，各项性能也不断刷新，目前的THz QCL激射波长能够覆盖0.84~ 5. OTHz的频率范围，脉冲模式下输出峰值功率超过IW，最高工作温度达到225K。在这样的背 景下，目前有关THz QCL的研究热点已经逐渐转移到开发基于THz QCL材料的各种新型功能 性器件，如波长可调谐THz QCL、THz光梳等。由于上述各种新型功能性器件都是基于THz QCL材料体系，这些器件的波导结构能够相互匹配，有望在未来组成全固态甚至片上集成的 THz光学系统，对实现THz光学系统小型化与低功耗有非常重要的意义。
[0004] THz光放大器，顾名思义，就是一类能够对前级THz QCL输出的THz光进行放大的器 件，使用此类器件可以获得更高的输出光功率，对拓展THz QCL的应用范围和加快THz QCL 的实用化进程有实际意义，也是未来THz片上集成光学系统中不可或缺的部件。然而，如图1 所示，目前的太赫兹量子级联光放大器是通过在普通法布里-珀罗(FP)腔THz QCL的两个端 面上生长高透膜来实现的。由于高透膜生长工艺需要在已经解理的THz QCL的解理面上进 行，因此，这种带高透膜的THz量子级联光放大器是一种分立的器件，无法与前级THz QCL同 时制备，也无法与前级THz QCL实现片上集成。此外，这种分立的光放大器在使用过程中还 需要进行精确的光学对准，以提高波束质量和功率放大效果。
[0005] 鉴于此，有必要设计一种新的太赫兹量子级联光放大器及其制作方法用以解决上 述问题。
【发明内容】
[0006] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹量子级联光放 大器及其制作方法，用于解决现有的太赫兹光放大器是分立器件，无法与前级THz QCL同时 制备，实现片上集成，而且在使用过程中还需要进行光学对准的问题。
[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹量子级联光放大器及其 制作方法，所述太赫兹量子级联光放大器包括：
[0008] 半绝缘GaAs衬底；
[0009] 位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；
[0010] 位于所述GaAs缓冲层上表面的η型重掺杂下接触层；
[0011] 位于所述η型重掺杂下接触层上表面的有源区；
[0012] 位于所述有源区上表面的η型重掺杂上接触层；
[0013] 位于所述η型重掺杂上接触层上表面、且彼此分隔的上电极金属层，其中，各上电 极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽；
[0014] 以及位于所述η型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层；
[0015] 其中，所述太赫兹量子级联光放大器根据各上电极金属层分为主波导段，和位于 所述主波导段两端、且对称分布的至少两个耦合腔波导段，所述主波导段和耦合腔波导段 在水平方向上呈一条直线分布。
[0016] 优选地，所述深隔离槽的长度L6范围为5~15um。
[0017]优选地，所述主波导段的长度Ll范围为1~2mm。
[0018] 优选地，所述耦合腔波导段的长度小于主波导段的长度。
[0019] 优选地，所述各耦合腔波导段的长度相等。
[0020] 优选地，通过传输矩阵法设计得到所述耦合腔波导段以及深隔离槽的长度。
[0021] 优选地，所述太赫兹量子级联光放大器包括位于所述主波导段两端、且对称分布 的四个耦合腔波导段。
[0022] 优选地，所述主波导段和耦合腔波导段的宽度相等。
[0023] 优选地，所述有源区为束缚态到连续态跃迀结构、共振声子结构、或啁嗽晶格结构 中的一种。
[0024] 本发明还提供一种系统，所述系统包括所述太赫兹量子级联光放大器。
[0025] 本发明还提供一种太赫兹量子级联光放大器的制造方法，所述制作方法包括：
[0026] Sl:提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs 缓冲层、η型重掺杂下接触层、有源区以及η型重掺杂上接触层；
[0027] S2:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述η型重掺杂上接触层表面生长彼此分隔的上 电极金属层，带胶剥离；
[0028] S3:在各上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用刻蚀工艺刻蚀 所述各上电极金属层两侧直至暴露所述η型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻 胶刻蚀掩蔽层；
[0029] S4:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述η型重掺杂下接触层表面形成下电极金属 层，带胶剥离；
[0030] S5:采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，使用干法刻蚀工艺对所述各上电极金属层的间 隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽；
[0031] S6:进行高温快速退火工艺；
[0032] S7:减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
[0033] 如上所述，本发明的一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法，具有以下有益 效果：
[0034] 1、本发明所述的太赫兹量子级联光放大器在材料和制备工艺方面与前级THz QCL 完全匹配，可在同一衬底上一起制备，实现片上集成，并且在制备过程中实现自对准。
[0035] 2、本发明所述的太赫兹量子级联光放大器采用耦合腔波导结构实现减少光放大 器端面反射率的问题，结构简单有效，设计方便。
【附图说明】
[0036]图1显示为现有技术中FP腔的太赫兹量子级联光放大器的结构示意图。
[0037]图2显示为本发明实施例一所述太赫兹量子级联光放大器的结构示意图。
[0038] 图3显示为图2的俯视图。
[0039]图4显示为图2沿AA'方向的剖面图，图5显示为图2沿BB'方向的剖面图，图6显示为 图2沿CC'方向的剖面图。
[0040] 图7显示为使用归一化振幅研究激光器复腔体的示意图。
[0041] 图8~图11显示为实施例一所述太赫兹量子级联光放大器制作过程中的结构示意 图（侧视图）。
[0042]图12显示为本发明实施例二所述太赫兹量子级联光放大器的结构示意图。
[0043]图13显不为本发明实施例一、实施例二和现有技术FP腔的太赫兹量子级联光放大 器输出端面处等效反射率随频率变化的曲线图。
[0044] 元件标号说明
[0045] 1 主波导段
[0046] 21 第一耦合腔波导段
[0047] 22 第二耦合腔波导段
[0048] 23 第三耦合腔波导段
[0049] 24 第四耦合腔波导段
[0050] 3 深隔离槽
[0051 ] 4 半绝缘GaAs衬底
[0052] 5 GaAs 缓冲层
[0053] 6 η型重掺杂下接触层
[0054] 7 有源区
[0055] 8 η型重掺杂上接触层
[0056] 9 上电极金属层
[0057] 10 下电极金属层
[0058] Sl~S7 步骤1~步骤7
【具体实施方式】
[0059]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0060]请参阅图2至图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其 组件布局型态也可能更为复杂。
[0061]如图2至图12所示，本发明提供一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法，所述 太赫兹量子级联光放大器包括：
[0062] 半绝缘GaAs衬底；
[0063] 位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；
[0064] 位于所述GaAs缓冲层上表面的η型重掺杂下接触层；
[0065] 位于所述η型重掺杂下接触层上表面的有源区；
[0066] 位于所述有源区上表面的η型重掺杂上接触层；
[0067] 位于所述η型重掺杂上接触层上表面、且彼此分隔的上电极金属层，其中，各上电 极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽；
[0068] 以及位于所述η型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层；
[0069] 其中，所述太赫兹量子级联光放大器根据各上电极金属层分为主波导段，和位于 所述主波导段两端、且对称分布的至少两个耦合腔波导段，所述主波导段和耦合腔波导段 在水平方向上呈一条直线分布。
[0070] 需要说明的是，所述深隔离槽壁应尽量陡直光滑，以便于减少THz光的损耗。
[0071] 需要说明的是，所述耦合腔波导段位于所述主波导段的左右两端、对称分布，且与 所述主波导段在水平方向上呈一条直线分布。具体为所述耦合腔波导段可以是如图2所示 的位于主波导段的左右两端、且对称分布的第一、第二耦合腔波导段;或如图11所示的，位 于主波导段的左右两端、且对称分布的第一、第二、第三、第四耦合腔波导段;或其它数量的 位于主波导段的左右两端、且对称分布的耦合腔波导段。
[0072] 具体的，所述有源区为束缚态到连续态跃迀结构、共振声子结构、或啁嗽晶格结构 中的一种。
[0073] 具体的，所述主波导段的长度范围为1~2mm，所述各耦合腔波导段的长度相等，所 述耦合腔波导段的长度小于主波导段的长度，所述深隔离槽的长度范围为5~15um，所述主 波导段和耦合腔波导段的宽度相等。
[0074] 需要说明的是，通过传输矩阵法设计得到所述耦合腔波导段以及深隔离槽的长 度。
[0075] 本发明还提供一种系统，所述系统包括本发明所述的太赫兹量子级联光放大器。
[0076] 本发明还提供一种太赫兹量子级联光放大器的制造方法，所述制作方法包括：
[0077] Sl:提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs 缓冲层、η型重掺杂下接触层、有源区以及η型重掺杂上接触层；
[0078] S2:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述η型重掺杂上接触层表面生长彼此分隔的上 电极金属层，带胶剥离；
[0079] S3:在各上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用刻蚀工艺刻蚀 所述各上电极金属层两侧直至暴露所述η型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻 胶刻蚀掩蔽层；
[0080] S4:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述η型重掺杂下接触层表面形成下电极金属 层，带胶剥离；
[0081] S5:采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，使用干法刻蚀工艺对所述各上电极金属层的间 隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽；
[0082] S6:进行高温快速退火工艺；
[0083] S7:减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
[0084] 实施例一
[0085] 如图2至图6所示，本实施例提供一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法，所 述太赫兹量子级联光放大器包括：
[0086] 半绝缘GaAs衬底；
[0087] 位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；
[0088] 位于所述GaAs缓冲层上表面的η型重掺杂下接触层；
[0089] 位于所述η型重掺杂下接触层上表面的有源区；
[0090] 位于所述有源区上表面的η型重掺杂上接触层；
[0091] 位于所述η型重掺杂上接触层上表面、且彼此分隔的上电极金属层，其中，各上电 极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽；
[0092] 以及位于所述η型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层；
[0093] 其中，所述太赫兹量子级联光放大器根据各上电极金属层分为主波导段，和位于 所述主波导段两端、且对称分布的第一、第二耦合腔波导段，所述主波导段和第一、第二耦 合腔波导段在水平方向上呈一条直线分布。
[0094] 具体的，所述主波导段的宽度Wl、第一耦合腔波导段的宽度W2及第二耦合腔波导 段的宽度W3相等。优选地，在本实施例中，所述Wl = W2=W3 = 250um。
[0095] 具体的，所述主波导段在电流注入下起放大输入太赫兹波的作用。所述主波导段 的长度Ll的范围为1~2_。优选地，在本实施例中，所述主波导段的长度LI = 1.27_。
[0096] 具体的，所述第一、第二耦合腔波导段不注入电流，所述第一、第二耦合腔波导段 长度相等，且远小于主波导段的长度，即L2 = L3〈L1。
[0097] 所述第一耦合腔波导段、第二耦合腔波导段与主波导段一起构成耦合腔结构。根 据耦合腔理论，调节每个耦合腔波导段的长度和深隔离槽的长度可有效降低主波导段两个 端面处的端面等效反射率(R eff)，达到与端面覆盖高透膜相类似的作用，从而实现光放大器 的功能。
[0098] 具体的，通过传输矩阵法可计算得到耦合腔波导段和深隔离槽的最优长度。
[0099]需要说明的是，利用传输矩阵法设计耦合腔结构的THz量子级联光放大器时主要 有两点要求：1.尽可能降低主波导段两个端面处的端面等效反射率Reff，使得前级THz QCL 输出的THz光能够尽可能多地进入主波导段，在经过主波导段放大后又能尽可能多地从主 波导段输出，以增加光放大器的总增益;2.主波导段所用THz QCL材料的波导增益大小随频 率而变化，通过传输矩阵法计算出的端面等效反射率大小也随频率而变化，设计时应使主 波导段的增益峰的频率与端面等效反射率最小值的频率匹配，以最大限度地利用THz QCL 材料的放大功能增加光放大器的总增益。本实施例中，主波导段所用THz QCL材料的增益峰 在2.5~2.6THz之间。
[0100]需要说明的是，传输矩阵法是将含有无数阻抗断点的轴向结构分析化简为矩阵相 乘的一种数学求解方法，可以简便且严谨地分析各种不同激光器的轴向结构。本发明所述 传输矩阵法的数学模型简述如下：
[0101]研究激光器复腔体时，使用归一化振幅（振幅的幅度为功率流的平方根）比较便 利。具体如图7所不，A j表不向后传输电磁波的归一化振幅，B j表不向前传输电磁波的归一化 振幅。推导可得，对于一个单元结构而言，其一个端口的输入和输出(、+1和叫 +1)与另一个端 口的输入和输出(Aj和Bj)之间的关系可以用传输矩阵Tj来表不：
[0102]
[0103]
[0104]其中，ΛΖΑΑ倒、+1的距离，如、<^、幻分别为介质」的介电常数、本征损耗和模式增 益。
[0?05]矩阵Tj描述了一个单元结构的两个端口之间输入和输出的关系，本发明的光放大 器轴向结构可拆解为由一个个上述单元结构级联而成，故可以用上述传输矩阵依次相乘来 描述，即：
[0106]
[0107]然后利用MATLAB语言编程求解，即可得到对本发明所述光放大器的完整描述，从 而仿真得到耦合腔波导段和深隔离槽的最优长度。
[0108] 需要说明的是，由仿真结果可知，所述耦合腔波导段的长度对端面等效反射率 (Rrff)的大小影响较小，而对端面等效反射率最小值的频率影响较大。而且，耦合腔波导段 的长度越小，端面等效反射率频率曲线的带宽越宽，越有利于与增益峰的频率匹配，故在满 足制备工艺和频率匹配的前提下应尽可能缩短耦合腔波导段的长度。优选地，在本实施例 中，所述第一、第二耦合腔波导段的长度L2 = L3 = 16um。
[0109] 需要说明的是，由仿真结果可知，所述深隔离槽的长度对端面等效反射率的大小 影响较大，而对端面等效反射率最小值的频率影响较小。深隔离槽的长度越长，R rff越小，但 同时会引入较多的太赫兹波损耗，故在制备工艺允许的范围内应适当的设置深隔离槽的长 度。所述深隔离槽的长度L6的范围为5~15um。优选地，在本实施例中，所述深隔离槽的长度 L6 = 5um〇
[0110] 下面请参阅图8至图11，说明所述太赫兹量子级联光放大器的制造方法。
[0111] 如图8所示提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生 长GaAs缓冲层、η型重掺杂下接触层、有源区以及η型重掺杂上接触层。
[0112]需要说明的是，所述有源区为束缚态到连续态跃迀结构、共振声子结构、或啁嗽晶 格结构中的一种。优选地，在本实施例中，所述有源区为束缚态到连续态跃迀结构。
[0113] 如图9所示，采用光刻、电子束蒸发工艺在所述η型重掺杂上接触层表面生长彼此 分隔的主波导段、第一耦合腔波导段、第二耦合腔波导段的上电极金属层，带胶剥离。
[0114] 需要说明的是，所述各波导段上电极金属层之间的分隔距离即为所述深隔离槽的 长度L6。
[0115] 之后，在各波导段的上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用刻 蚀工艺刻蚀所述各波导段的上电极金属层两侧直至暴露所述型重掺杂下接触层，形成脊形 波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层。
[0116]如图10所示，采用光刻、电子束蒸发工艺在所述η型重掺杂下接触层表面形成下电 极金属层，带胶剥离。
[0117] 如图11所示，采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，使用干法刻蚀工艺对所述各波导段的 上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽。
[0118] 最后，对上述结构进行高温快速退火工艺，然后减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完 成器件制作。
[0119] 需要说明的是，本发明所述太赫兹量子级联光放大器与前级THz QCL的制作方法 相同，均采用标准的GaAs材料体系工艺制备，故可实现在同一衬底上一起制备，实现片上集 成;而且在制备过程中可直接实现所述太赫兹量子级联光放大器与前级THz QCL自对准，实 现提高波束质量和功率放大效果。
[0120] 实施例二
[0121 ]如图12所示，本实施例所述太赫兹量子级联光放大器包括：
[0122] 半绝缘GaAs衬底；
[0123] 位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；
[0124] 位于所述GaAs缓冲层上表面的η型重掺杂下接触层；
[0125] 位于所述η型重掺杂下接触层上表面的有源区；
[0126] 位于所述有源区上表面的η型重掺杂上接触层；
[0127] 位于所述η型重掺杂上接触层上表面、且彼此分隔的上电极金属层，其中，各上电 极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽；
[0128] 以及位于所述η型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层；
[0129] 其中，所述太赫兹量子级联光放大器根据各上电极金属层分为主波导段，和位于 所述主波导段两端、且对称分布的第一、第二、第三、第四耦合腔波导段，所述主波导段和第 一、第二、第三及第四耦合腔波导段在水平方向上呈一条直线分布。
[0130]需要说明的是，本实施例通过增加耦合腔波导段的数量，进一步降低端面等效反 射率Rrff。
[0131] 进一步需要说明的是，虽然通过增加耦合腔波导段的数量能够进一步降低端面等 效反射率，但并不说明耦合腔波导段的数量越多越好。过多数量的耦合腔波导段一方面会 引入较高的光损耗，降低放大器的总增益;另一方面会影响端面等效反射率的频率特性，使 其带宽变窄，不利于与增益谱的频率匹配。
[0132] 具体的，所述主波导段的长度Ll的范围为1~2mm。优选地，在本实施例中，所述主 波导段的长度LI = 1.27mm。
[0133] 具体的，所述第一、第二、第三、第四耦合腔波导段不注入电流，所述第一、第二、第 三、第四耦合腔波导段的长度相等，且远小于主波导段的长度。优选地，在本实施例中，所述 第一、第二、第三、第四耦合腔波导段的长度L2 = L3 = L4 = L5 = 18um。
[0134] 具体的，所述深隔离槽的长度L6的范围为5~15um。优选地，在本实施例中，所述深 隔离槽的长度L6 = 5um〇
[0135] 具体的，所述主波导段的宽度Wl、第一耦合腔波导段的宽度W2及第二耦合腔波导 段的宽度W3相等。优选地，在本实施例中，所述Wl = W2=W3 = 250um。
[0136] 具体的，所述主波导段所用THz QCL材料的增益峰在2.5~2.6THz之间。
[0137] 由于本实施例所述的太赫兹量子级联光放大器与实施例一中所述结构仅在親合 腔波导段的数量及长度上有差别，其器件结构与制作方法与实施例一大体相同，故在此不 再赘述。
[0138] 如图13所示，为了展现本发明所述耦合腔结构对主波导段端面等效反射率Re3ff的 影响，运用传输矩阵法对图1、图2和图12所述三个不同器件进行了仿真，仿真结果如图13所 示。其中，图1所示的普通FP腔的THz QCL的长度为1.27mm。
[0139] 从图13可以看出，包含两个耦合腔波导段的太赫兹量子级联光放大器在2.5~ 2.6THz之间最低Reff为0.11，而包含四个親合腔波导段的太赫兹量子级联光放大器在2.5~ 2.6THz之间最低R eff为0.03，均远低于普通FP腔THz QCL的Reff (约为0.32)，达到了利用耦合 腔结构降低主波导段端面等效反射率的目的。
[0140]综上所述，本发明的一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法，具有以下有益 效果：
[0141] 1、本发明所述的太赫兹量子级联光放大器在材料和制备工艺方面与前级THz QCL 完全匹配，可在同一衬底上一起制备，实现片上集成，并且在制备过程中实现自对准。
[0142] 2、本发明所述的太赫兹量子级联光放大器采用耦合腔波导结构实现减少光放大 器端面反射率的问题，结构简单有效，设计方便。
[0143] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因 此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述太赫兹量子级联光放大器包括： 半绝缘GaAs衬底； 位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层； 位于所述GaAs缓冲层上表面的η型重掺杂下接触层； 位于所述η型重掺杂下接触层上表面的有源区； 位于所述有源区上表面的η型重掺杂上接触层； 位于所述η型重掺杂上接触层上表面、且彼此分隔的上电极金属层，其中，各上电极金 属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽； 以及位于所述η型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层； 其中，所述太赫兹量子级联光放大器根据各上电极金属层分为主波导段，和位于所述 主波导段两端、且对称分布的至少两个耦合腔波导段，所述主波导段和耦合腔波导段在水 平方向上呈一条直线分布。2. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述深隔离槽的长度 L6范围为5~15um。3. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述主波导段的长度 L1范围为1~2mm。4. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述耦合腔波导段的 长度小于主波导段的长度。5. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述各耦合腔波导段 的长度相等。6. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特性在于，通过传输矩阵法设计 得到所述耦合腔波导段以及深隔离槽的长度。7. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述太赫兹量子级联 光放大器包括位于所述主波导段两端、且对称分布的四个耦合腔波导段。8. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述主波导段和耦合 腔波导段的宽度相等。9. 根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述有源区为束缚态 到连续态跃迀结构、共振声子结构、或啁嗽晶格结构中的一种。10. -种系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1~9中任一项所述的太赫兹量子 级联光放大器。11. 一种太赫兹量子级联光放大器的制造方法，其特征在于，所述制作方法包括： S1:提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲 层、η型重掺杂下接触层、有源区以及η型重掺杂上接触层； S2:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述η型重掺杂上接触层表面生长彼此分隔的上电极 金属层，带胶剥离； S3:在各上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用刻蚀工艺刻蚀所述 各上电极金属层两侧直至暴露所述η型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻 蚀掩蔽层； S4:采用光刻、电子束蒸发工艺在所述η型重掺杂下接触层表面形成下电极金属层，带 胶剥离； S5:采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，使用干法刻蚀工艺对所述各上电极金属层的间隙进 行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽； S6:进行高温快速退火工艺； S7:减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。
【文档编号】H01S5/06GK106067656SQ201610404270
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月8日 公开号201610404270.8, CN 106067656 A, CN 106067656A, CN 201610404270, CN-A-106067656, CN106067656 A, CN106067656A, CN201610404270, CN201610404270.8
【发明人】徐天鸿, 黎华, 曹俊诚
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所