太赫兹量子级联激光器器件结构及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光器半导体技术领域，涉及一种太赫兹量子级联激光器，特别是涉及一种太赫兹量子级联激光器器件结构及其制作方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹(以下简称THz，l THz = 1012 Hz)波段是指电磁波谱中频率从100 GHz到10 THz，对应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间的电磁波谱区域。THz辐射源是THz技术应用的关键器件。在众多THz辐射产生方式中，THz量子级联激光器(以下简称THz QCL)由于具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，是THz辐射源的主要采用过的结构之一。其中，太赫兹光谱学、通信、成像等系统中需要具有良好的温度特性、能够连续状态工作的THz QCLo通常THz QCL工作在高偏压和电流下，大部分输入电功率最终转换成了焦耳热。不能从器件中及时散出到热沉的焦耳热会积累在器件中，最终导致有源区温度升高，远远高于热沉温度。而有源区温度升高会使上能级到下能级的非辐射光学声子散射增加，破坏粒子数反转，抑制器件激射，降低辐射效率。另外，在较高温度下，载流子分布在更宽广的能级范围内，也会抑制器件激射。当THz QCL处于连续或高占空比脉冲的工作状态下，热量产生会更多，散热问题更加严重。因此，设计提高器件良好温度特性和散热能力是THz QCL能否在连续或高占空比脉冲的状态下工作的关键。
【发明内容】
[0003]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激光器器件结构及其制作方法，用于解决现有技术中太赫兹量子级联激光器在工作过程中存在的散热不佳的问题。
[0004]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激光器器件结构，所述太赫兹量子级联激光器器件结构至少包括:脊波导结构；
[0005]所述脊波导结构包括半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层、下接触层、有源区、上接触层、导热绝缘层、上金属层及下金属层；其中，所述半绝缘GaAs衬底、GaAs缓冲层、下接触层、有源区及上接触层由下至上依次层叠，所述有源区及所述上接触层在所述下接触层上形成脊型结构；所述上金属层覆盖于所述脊型结构的顶部与两侧；所述导热绝缘层位于所述脊型结构的两侧，且位于所述上金属层与所述脊型结构及所述下接触层之间；
[0006]所述下金属层位于所述上金属层的两侧，且与所述上金属层具有一定的间距。
[0007]优选地，所述脊波导还包括下电极支撑结构；所述下电极支撑结构位于所述下接触层上，包括有源区、上接触层及导热绝缘层；其中，所述有源区及所述上接触层由下至上依次形成于所述下接触层上，且在所述下接触层上形成脊型结构；所述导热绝缘层覆盖于所述脊型结构的顶部与两侧；所述下金属层覆盖于所述导热绝缘层的顶部与两侧。
[0008]优选地，所述导热绝缘层的材料为二氧化硅或氮化硅。
[0009]优选地，所述有源区包括束缚态到连续态跃迀结构、共振声子结构或啁啾晶格结构。
[0010]优选地，所述脊型波导结构为半绝缘等离子波导结构。
[0011]优选地，所述器件结构还包括一支撑基片，所述支撑基片上形成有与所述上金属层及所述下金属层相对应的电极引出金属层；所述支撑基片通过所述电极引出金属层焊接于所述上金属层及所述下金属层的上表面。
[0012]优选地，所述器件结构还包括铟层，所述铟层位于所述上金属层及所述下金属层与所述电极引出金属层之间。
[0013]优选地，所述支撑基片的材料为硅。
[0014]本发明还提供一种太赫兹量子级联激光器器件结构的制作方法，至少包括以下步骤:
[0015]提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上依次生长缓冲层、下接触层、有源区、上接触层；
[0016]第一次光刻，采用刻蚀工艺形成脊型波导结构及下电极支撑结构；
[0017]在所述脊型波导结构及所述下电极支撑结构上生长导热绝缘层；第二次光刻，并通过刻蚀工艺刻蚀所述导热绝缘层形成上电极窗口，在所述上电极窗口内形成上电极金属，带胶剥离形成的上电极，并覆盖所述脊型波导结构的侧壁；
[0018]第三次光刻形成下电极窗口，在所述下电极窗口内形成下电极金属，带胶剥离形成下电极，退火形成欧姆接触；
[0019]提供一支撑基片，第四次光刻，在所述支撑基片上对应于上下电极倒装焊触处开窗口，在所述开口内溅射生长金属，带胶剥离，形成电极引出金属层；
[0020]减薄所述支撑基片与所述GaAs衬底至一定厚度，解理，进行倒装焊封装，完成器件制作。
[0021]优选地，在形成电极引出金属层之后，进行倒装焊封装之前，还包括一进行第五次光刻，在所述电极引出金属层处开窗口，电子束蒸发铟层，带胶剥离，用于倒装焊的步骤。
[0022]如上所述，本发明的太赫兹量子级联激光器器件结构及其制作方法，具有以下有益效果:(1)本发明的太赫兹量子级联激光器器件结构中通过在器件侧面淀积导热绝缘层并覆盖金属，导热绝缘层既起到钝化作用，保护器件，又可以将覆盖的金属与有源区绝缘；由于有源区量子阱结构的热导率是各向异性的，且热导率横向分量大于垂直方向的热导率分量，以往并未加以利用，在器件侧壁覆盖金属，加上中间的导热绝缘层，提供了器件横向的散热通道，较以往侧壁未覆盖金属的THz QCL散热能力更强。
[0023](2)在支撑基片上制作电极引线，将器件倒装焊在支撑基片上，支撑基片采用硅等热导率高的材料，较正常封装器件的半绝缘GaAs衬底散热能力得到提高，可以将器件有源区产生的热量更快散到支撑基片下面的热沉上。在焊线封装时，由于采用倒装焊后，支撑基片电极引线面积更大，电极可以更多地焊接金线，利用焊接在热沉上外部导热陶瓷片也可以将器件产生热量更好地散出。
[0024](3)本发明的太赫兹量子级联激光器器件结构制作方法可由标准半导体工艺制作，适于工业量产。
【附图说明】
[0025]图1显示为本发明的太赫兹量子级联激光器器件结构中脊型波导结构的横截面示意图。
[0026]图2显示为本发明的太赫兹量子级联激光器器件结构中支撑基片的俯视示意图。
[0027]图3显示为本发明的太赫兹量子级联激光器器件结构倒装封装后的俯视示意图。
[0028]图4显示为图3沿AA’方向的横截面示意图。
[0029]图5显示为本发明的太赫兹量子级联激光器器件结构制作方法的流程图。
[0030]元件标号说明
[0031]I 上金属层
[0032]2 上接触层
[0033]3 有源区
[0034]4 下接触层
[0035]5 GaAs 缓冲层
[0036]6 半绝缘GaAs衬底
[0037]7 导热绝缘层
[0038]8 下金属层
[0039]9 支撑基片
[0040]10 电极引出接触层
[0041]11 脊型波导结构
【具体实施方式】
[0042]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