[发明专利]太赫兹半导体激光器、其制备方法及应用

说明书

一种太赫兹半导体激光器、其制备方法及应用，该太赫兹半导体激光器包括一第一金属层，作为半导体激光器底部的压焊金属层和散热通道；一支撑衬底；一第一高掺层，其设置在支撑衬底上，作为激光器的下波导光限制层；一有源区，其生长于第一高掺层上；一第二高掺层，其位于有源区上；多个电隔离沟；一欧姆接触层；一电隔离层，以及一第二金属层。本发明采用周期性多脊阵列与矩形腔耦合结构，借助同相干涉引起的自成像效应，来改善器件脊宽方向的光束发散角；使用周期性多脊阵列，增大了激光器的增益体积，输出功率得到提高。

技术领域

本发明涉及太赫兹波段半导体激光器件光波导技术领域，尤其涉及一种太赫兹半导体激光器、其制备方法及应用。

背景技术

由于太赫兹波段(0.3-10THz)电磁波能量值对应一些特殊气体分子以及水分子的转动和振动能，其在气体成分检测、医学诊断、危险品遥测、自由空间通信等方面具有独特的应用价值。太赫兹量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)是一种基于耦合多量子阱导带子能级间受激辐射发光的单极性太赫兹半导体激光器，具有小型化，易携带并且连续功率高等特点，逐渐成为上述应用较为理想的太赫兹相干光源，所以针对其性能，尤其是在高输出光功率、高光束质量等方面进行的研究探索，意义重大。为了得到大功率器件，对于条形激光器，最直接的方式就是增加器件的脊宽和腔长，从而增加器件的增益体积，提高输出功率。但长腔、宽脊的太赫兹量子级联激光器必然会面对一些弊端：首先，腔长、脊宽增加引起光波导损耗增大，阈值增益增加，不利于器件的连续波工作，加之热负载增大，热导率降低，器件散热受阻，热性能将严重退化；其次，脊宽增加容易在该方向出现高阶横模激射，此时器件近场光斑为多瓣，远场光强分布为高阶高斯线型，光束发散角较基横模有很大增加，光束质量恶化；此外，由于尺寸较大引起的电流耗散和电注入不均匀也会影响器件的性能。上述这些弊端成为通过持续增大增益体积来提高激光器光输出功率的瓶颈。为了在增加器件输出功率的同时改善器件的光束质量，相继出现了树形阵列QCL，光子晶体(Photonic Crystal，PC)QCL，主振荡器功率放大(Master-oscillator Power-amplifier，MOPA)QCL以及斜腔QCL等新型器件，其中由Y型单元组成的树形阵列量子级联激光器由同相模式输出，实现了远场单瓣，但器件功率低，阈值电流密度高。此外，有关于PC DFB(光子晶体分布反馈)量子级联激光器的制作，器件单腔面峰值功率较高，并得到了近衍射极限的远场发散角，但是由于光子晶体存在多个带边模式，器件为双纵模激射。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种太赫兹半导体激光器、其制备方法及应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种太赫兹半导体激光器，包括：

一第一金属层，作为半导体激光器底部的压焊金属层和散热通道；

一支撑衬底，其设置在第一金属层上，起支撑作用；

一第一高掺层，其设置在支撑衬底上，作为激光器的下波导光限制层；

一有源区，其生长于第一高掺层上；

一第二高掺层，其位于有源区上；所述有源区、第二高掺层被制作成第一多脊区、矩形腔区和第二多脊区，三者构成谐振腔，用于激光模式的选择和放大并改善输出光束质量；

多个电隔离沟，其设置在第一多脊区、第二多脊区各自的每个脊条与矩形腔区的连接处，用于隔离第一多脊区、第二多脊区各自与矩形腔区之间的电注入；

一欧姆接触层，用于实现第二金属层与第一高掺层、第二高掺层之间的欧姆接触；

一电隔离层，其设置在第一多脊区、第二多脊区各自表面的非电注入区和正负电极间隔区的第一高掺层上，用于隔离正电极区与负电极区的电注入；以及