Processing of AlGaAs/GaAs quantum-cascade structures for terahertz laser

Abstract

We report research results with regard to AlGaAs/GaAs structure processing for THz quantum-cascade lasers (QCLs). We focus on the processes of Ti/Au cladding fabrication for metal-metal waveguides and wafer bonding with indium solder. Particular emphasis is placed on optimization of technological parameters for the said processes that result in working devices. A wide range of technological parameters was studied using test structures and the analysis of their electrical, optical, chemical, and mechanical properties performed by electron microscopic techniques, energy dispersive x-ray spectrometry, secondary ion mass spectroscopy, atomic force microscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy, and circular transmission line method. On that basis, a set of technological parameters was selected for the fabrication of devices lasing at a maximum temperature of 130 K from AlGaAs/GaAs structures grown by means of molecular beam epitaxy. Their resulting threshold-current densities were on a level of 1.5 kA∕cm 2 . Furthermore, initial stage research regarding fabrication of Cu-based claddings is reported as these are theoretically more promising than the Au-based ones with regard to low-loss waveguide fabrication for THz QCLs.

Technologia wytwarzania terahercowych laserów kaskadowych

“…Dlatego też niezmiernie ważne jest odpowiednie opracowanie elementów technologii wytwarzania płaszcza (dobranie rodzaju metalu/metali i ich grubości oraz rodzaju zastosowanej technologii) w celu minimalizacji strat falowodowych a zarazem uzyskania odpowiednich właściwości elektrycznych. Kwestia wysokości strat falowodowych i ich redukcji jest jednym z kluczowych zagadnień technologii laserów kaskadowych działających w pasmie terahercowym -mają one wyraźny, negatywny wpływ na kluczowe parametry działania tych laserów, takie jak natężenie prądu progowego i maksymalna temperatura pracy przyrządów [7].…”

“…Dlatego też wyznaczono teoretycznie zależność strat falowodowych od grubości warstwy Ti w płaszczu Ti/Au na strukturze lasera Al 0,15 Ga 0,85 As/GaAs (rys.1c). Biorąc pod uwagę wyniki tych obliczeń optymalna grubość bariery dyfuzyjnej Ti nie przekracza 30 nm [5,7]. W ramach prac teoretycznych przeprowadzono rachunek błędów (rys.2) -obliczając możliwe rozbieżności strat falowodowych przy założeniu różnego stopnia rozbieżności dla wartości części rzeczywistej i urojonej współczynnika załamania metalu [6].…”

“…W ramach prac nad laserami THz opracowano technologię wytwarzania ciągłej warstwy tytanu o grubości równiej 5 nm [7]. Przeprowadzono systematyczne badania nad technologią wytwarzania warstw metalicznych, ich celem było dobranie odpowiednich warunków osadzania (ciśnienia i mocy generatora) oraz temperatury krytycznej procesów technologicznych (wygrzewanie w celu uformowania kontaktów oraz łączenie płytek).…”

“…Przeprowadzono systematyczne badania nad technologią wytwarzania warstw metalicznych, ich celem było dobranie odpowiednich warunków osadzania (ciśnienia i mocy generatora) oraz temperatury krytycznej procesów technologicznych (wygrzewanie w celu uformowania kontaktów oraz łączenie płytek). Z zastosowaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej zbadano morfologię powierzchni międzyfazowych dla struktur GaAs (100)/5 nmTi/ 300 nm Au wygrzewanych w zakresie temperatur 250 0 C < T < 560 0 C i na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, iż podczas wygrzewania do T= 405 0 C warstwa Ti jest ciągła [7]. Jako metodę charakteryzacji powierzchni stosowano również mikroskopię sił atomowych i obserwowana topografia powierzchni również była kryterium selekcji właściwych warunków osadzania warstw metalicznych.…”

“…Pełny cykl technologiczny lasera terahercowego AlGaAs/GaAs z płaszczem metalicznym obejmuje [7,10]: osadzanie warstw metalicznych, łączenie obszarów aktywnych laserów z podłożem zastępczym, usuwanie podłoża i warstwy stopującej (warstwy AlAs zatrzymującej trawienie podłoża GaAs, pełniącej funkcję technologiczną podczas usuwania podłoża) i następnie formowanie falowodu grzbietowego (rys.4). Opracowano technologię formowania falowodu grzbietowego zarówno z zastosowaniem trawienia w roztworach wodnych jak i w plazmie.…”