太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光器半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太赫茲量子級聯(lián)激光器，特別是涉及一種太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(以下簡稱THz，l THz = 1012 Hz)波段是指電磁波譜中頻率從100 GHz到10 THz，對應(yīng)的波長從3毫米到30微米，介于毫米波與紅外光之間的電磁波譜區(qū)域。THz輻射源是THz技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵器件。在眾多THz輻射產(chǎn)生方式中，THz量子級聯(lián)激光器(以下簡稱THz QCL)由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、體積小、輕便和易集成等優(yōu)點，是THz輻射源的主要采用過的結(jié)構(gòu)之一。其中，太赫茲光譜學(xué)、通信、成像等系統(tǒng)中需要具有良好的溫度特性、能夠連續(xù)狀態(tài)工作的THz QCLo通常THz QCL工作在高偏壓和電流下，大部分輸入電功率最終轉(zhuǎn)換成了焦耳熱。不能從器件中及時散出到熱沉的焦耳熱會積累在器件中，最終導(dǎo)致有源區(qū)溫度升高，遠遠高于熱沉溫度。而有源區(qū)溫度升高會使上能級到下能級的非輻射光學(xué)聲子散射增加，破壞粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，抑制器件激射，降低輻射效率。另外，在較高溫度下，載流子分布在更寬廣的能級范圍內(nèi)，也會抑制器件激射。當THz QCL處于連續(xù)或高占空比脈沖的工作狀態(tài)下，熱量產(chǎn)生會更多，散熱問題更加嚴重。因此，設(shè)計提高器件良好溫度特性和散熱能力是THz QCL能否在連續(xù)或高占空比脈沖的狀態(tài)下工作的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中太赫茲量子級聯(lián)激光器在工作過程中存在的散熱不佳的問題。
[0004]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)，所述太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)至少包括:脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0005]所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括半絕緣GaAs襯底、GaAs緩沖層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、導(dǎo)熱絕緣層、上金屬層及下金屬層；其中，所述半絕緣GaAs襯底、GaAs緩沖層、下接觸層、有源區(qū)及上接觸層由下至上依次層疊，所述有源區(qū)及所述上接觸層在所述下接觸層上形成脊型結(jié)構(gòu)；所述上金屬層覆蓋于所述脊型結(jié)構(gòu)的頂部與兩側(cè)；所述導(dǎo)熱絕緣層位于所述脊型結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，且位于所述上金屬層與所述脊型結(jié)構(gòu)及所述下接觸層之間；
[0006]所述下金屬層位于所述上金屬層的兩側(cè)，且與所述上金屬層具有一定的間距。
[0007]優(yōu)選地，所述脊波導(dǎo)還包括下電極支撐結(jié)構(gòu)；所述下電極支撐結(jié)構(gòu)位于所述下接觸層上，包括有源區(qū)、上接觸層及導(dǎo)熱絕緣層；其中，所述有源區(qū)及所述上接觸層由下至上依次形成于所述下接觸層上，且在所述下接觸層上形成脊型結(jié)構(gòu)；所述導(dǎo)熱絕緣層覆蓋于所述脊型結(jié)構(gòu)的頂部與兩側(cè)；所述下金屬層覆蓋于所述導(dǎo)熱絕緣層的頂部與兩側(cè)。
[0008]優(yōu)選地，所述導(dǎo)熱絕緣層的材料為二氧化硅或氮化硅。
[0009]優(yōu)選地，所述有源區(qū)包括束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍迀結(jié)構(gòu)、共振聲子結(jié)構(gòu)或啁啾晶格結(jié)構(gòu)。
[0010]優(yōu)選地，所述脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為半絕緣等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0011]優(yōu)選地，所述器件結(jié)構(gòu)還包括一支撐基片，所述支撐基片上形成有與所述上金屬層及所述下金屬層相對應(yīng)的電極引出金屬層；所述支撐基片通過所述電極引出金屬層焊接于所述上金屬層及所述下金屬層的上表面。
[0012]優(yōu)選地，所述器件結(jié)構(gòu)還包括銦層，所述銦層位于所述上金屬層及所述下金屬層與所述電極引出金屬層之間。
[0013]優(yōu)選地，所述支撐基片的材料為硅。
[0014]本發(fā)明還提供一種太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)的制作方法，至少包括以下步驟:
[0015]提供一半絕緣GaAs襯底，在所述半絕緣GaAs襯底上依次生長緩沖層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層；
[0016]第一次光刻，采用刻蝕工藝形成脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及下電極支撐結(jié)構(gòu)；
[0017]在所述脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及所述下電極支撐結(jié)構(gòu)上生長導(dǎo)熱絕緣層；第二次光刻，并通過刻蝕工藝刻蝕所述導(dǎo)熱絕緣層形成上電極窗口，在所述上電極窗口內(nèi)形成上電極金屬，帶膠剝離形成的上電極，并覆蓋所述脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的側(cè)壁；
[0018]第三次光刻形成下電極窗口，在所述下電極窗口內(nèi)形成下電極金屬，帶膠剝離形成下電極，退火形成歐姆接觸；
[0019]提供一支撐基片，第四次光刻，在所述支撐基片上對應(yīng)于上下電極倒裝焊觸處開窗口，在所述開口內(nèi)濺射生長金屬，帶膠剝離，形成電極引出金屬層；
[0020]減薄所述支撐基片與所述GaAs襯底至一定厚度，解理，進行倒裝焊封裝，完成器件制作。
[0021]優(yōu)選地，在形成電極引出金屬層之后，進行倒裝焊封裝之前，還包括一進行第五次光刻，在所述電極引出金屬層處開窗口，電子束蒸發(fā)銦層，帶膠剝離，用于倒裝焊的步驟。
[0022]如上所述，本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)及其制作方法，具有以下有益效果:(1)本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)中通過在器件側(cè)面淀積導(dǎo)熱絕緣層并覆蓋金屬，導(dǎo)熱絕緣層既起到鈍化作用，保護器件，又可以將覆蓋的金屬與有源區(qū)絕緣；由于有源區(qū)量子阱結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率是各向異性的，且熱導(dǎo)率橫向分量大于垂直方向的熱導(dǎo)率分量，以往并未加以利用，在器件側(cè)壁覆蓋金屬，加上中間的導(dǎo)熱絕緣層，提供了器件橫向的散熱通道，較以往側(cè)壁未覆蓋金屬的THz QCL散熱能力更強。
[0023](2)在支撐基片上制作電極引線，將器件倒裝焊在支撐基片上，支撐基片采用硅等熱導(dǎo)率高的材料，較正常封裝器件的半絕緣GaAs襯底散熱能力得到提高，可以將器件有源區(qū)產(chǎn)生的熱量更快散到支撐基片下面的熱沉上。在焊線封裝時，由于采用倒裝焊后，支撐基片電極引線面積更大，電極可以更多地焊接金線，利用焊接在熱沉上外部導(dǎo)熱陶瓷片也可以將器件產(chǎn)生熱量更好地散出。
[0024](3)本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)制作方法可由標準半導(dǎo)體工藝制作，適于工業(yè)量產(chǎn)。
【附圖說明】
[0025]圖1顯示為本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)中脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。
[0026]圖2顯示為本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)中支撐基片的俯視示意圖。
[0027]圖3顯示為本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)倒裝封裝后的俯視示意圖。
[0028]圖4顯示為圖3沿AA’方向的橫截面示意圖。
[0029]圖5顯示為本發(fā)明的太赫茲量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)制作方法的流程圖。
[0030]元件標號說明
[0031]I 上金屬層
[0032]2 上接觸層
[0033]3 有源區(qū)
[0034]4 下接觸層
[0035]5 GaAs 緩沖層
[0036]6 半絕緣GaAs襯底
[0037]7 導(dǎo)熱絕緣層
[0038]8 下金屬層
[0039]9 支撐基片
[0040]10 電極引出接觸層
[0041]11 脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
【具體實施方式】
[0042]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點