激光器及其制作方法与流程

1.本发明属于光电和半导体器件技术领域，尤其涉及一种能够避免发光层受到外界的水汽和氧气影响且能够调节所产生的光线的波长的激光器及其制作方法。


背景技术：

2.二维半导体材料是指材料内的电子仅可以在两个维度的纳米尺寸上自由运动的半导体材料，例如纳米薄膜、超晶格、量子阱等。因为二维半导体材料的厚度是原子级别，所以很容易实现较薄的集成电路，从而有助于电子器件的微型化。
3.二维半导体材料具有着独特的维度特性和较好的可加工性，因此广泛地应用在光电器件和半导体工业等领域，尤其在激光器制作领域中，二维半导体材料用于形成激光器的发光层。但是，二维半导体材料很容易与空气中的水汽和氧气发生反应，从而造成激光器性能不良。
4.此外，采用二维半导体材料来形成激光器的发光层时，可以通过调节发光层的厚度来决定激光器所能够产生的光线的波长。但是，激光器一旦制作完毕后，其发光层的厚度无法再次调节，这意味着现阶段的二维半导体材料激光器只能产生单一波长的光线。因此，当需要一种可以调节波长的激光装置时，只能将发光层的厚度不同的多个激光器集成在一起。但是，这样会增加激光装置的制作难度和生产成本。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术存在的不足，本发明采用了如下的技术方案：
6.根据本发明的一方面提供了一种激光器，该激光器包括衬底以及依序层叠在所述衬底上的第一反射结构、第一电极、第一透明绝缘层、发光层、第二透明绝缘层，所述第二透明绝缘层的背向所述发光层的表面上设有第二电极和第二反射结构，所述发光层包括沿背向所述第一透明绝缘层的方向依序层叠的第一二维半导体材料层和第二二维半导体材料层；其中，所述第一二维半导体材料层和所述第二二维半导体材料层之间形成pn结，所述第一电极的至少部分与所述第一二维半导体材料层接触，所述第二电极的至少部分与所述第二二维半导体材料层接触，所述第一透明绝缘层和所述第二透明绝缘层由防水防氧材料制成。
7.优选地，所述发光层的数量为至少两个，所述至少两个发光层叠层夹设于所述第一透明绝缘层与所述第二透明绝缘层之间；其中，所述第一电极的至少部分和与所述第一透明绝缘层相邻的所述第一二维半导体材料层之间相互接触，所述第二电极的至少部分和与所述第二透明绝缘层相邻的所述第二二维半导体材料层之间相互接触。
8.优选地，所述第一电极面向所述第一透明绝缘层的表面上设有第一环状凸起，以形成第一容纳部，所述第一透明绝缘层设于所述第一容纳部内，所述第一环状凸起与所述第一二维半导体材料层接触；所述第二电极面向所述第二透明绝缘层的表面上设有第二环状凸起，以形成第二容纳部，所述第二透明绝缘层设于所述第二容纳部内，所述第二电极上
设有第一通孔，所述第一通孔与所述第二容纳部连通，所述第二反射结构嵌设在所述第一通孔内，所述第二环状凸起与所述第二二维半导体材料层接触。
9.优选地，所述第一反射结构包括多个层叠的第一反射层，每个所述第一反射层包括沿背向所述衬底的方向依序层叠的第一折射层和第二折射层；其中，所述第一折射层的折射率与所述第二折射层的折射率彼此不同；所述第二反射结构包括多个层叠的第二反射层，每个所述第二反射层包括沿背向所述衬底的方向依序层叠的第三折射层和第四折射层；其中，所述第三折射层的折射率与所述第四折射层的折射率彼此不同。
10.优选地，所述第一反射层的数量大于所述第二反射层的数量。
11.优选地，所述第一反射结构和所述第二反射结构均为布拉格反射镜。
12.根据本发明的另一方面提供了一种激光器的制作方法，该制作方法包括：
13.在衬底上依序形成第一反射结构、第一电极、第一透明绝缘层；
14.在所述第一透明绝缘层上依序层叠形成第一二维半导体材料层和第二二维半导体材料层以形成发光层，并使所述第一电极的至少部分与所述第一二维半导体材料层进行接触；
15.在所述发光层上形成第二透明绝缘层；
16.在所述第二透明绝缘层的背向所述发光层的表面上形成第二电极和第二反射结构，并使所述第二电极的至少部分与所述第二二维半导体材料层进行接触；
17.其中，所述第一二维半导体材料层和所述第二二维半导体材料层之间形成pn结，所述第一透明绝缘层和所述第二透明绝缘层由防水防氧材料制成。
18.优选地，使所述第一电极的至少部分与所述第一二维半导体材料层进行接触的方法包括：
19.在所述第一反射结构的背向所述衬底的一侧上形成第一导电层；
20.在所述第一导电层上形成所述第一透明绝缘层，并暴露所述第一导电层的至少区域；
21.在所述第一导电层的至少区域上直接形成第二导电层，使所述第一导电层和所述第二导电层构成所述第一电极；
22.在所述第二导电层和所述第一透明绝缘层上直接形成所述第一二维半导体材料层，使所述第二导电层与所述第一二维半导体材料层进行接触。
23.优选地，使所述第二电极的至少部分与所述第二二维半导体材料层进行接触的方法包括：
24.在所述第二二维半导体材料层的背向所述衬底的一侧上形成所述第二透明绝缘层，并暴露所述第二二维半导体材料层的至少区域；
25.在所述第二二维半导体材料层的至少区域上直接形成第三导电层，使所述第三导电层与所述第二二维半导体材料层进行接触；
26.在所述第二透明绝缘层和所述第三导电层上直接形成第四导电层，使所述第三导电层和所述第四导电层构成所述第二电极。
27.优选地，所述发光层的数量为至少两个，所述至少两个发光层叠层夹设于所述第一透明绝缘层与所述第二透明绝缘层之间；其中，所述第一电极的至少部分和与所述第一透明绝缘层相邻的所述第一二维半导体材料层之间相互接触，所述第二电极的至少部分和
与所述第二透明绝缘层相邻的所述第二二维半导体材料层之间相互接触。
28.在本发明中，激光器的发光层设置在由防水防氧材料制成的第一透明绝缘层和第二透明绝缘层之间，以此避免了与空气中的水汽和氧气进行接触，防止了激光器的发光层受到污染的问题。
29.此外，第一透明绝缘层和第二透明绝缘层还可以起到电容器的作用，将通过改变施加在第一透明绝缘层和第二透明绝缘层的电压的方式来调节构成发光层的二维半导体材料层的带隙，从而可以调制发光层所产生的光线的波长。
附图说明
30.图1是根据本发明的实施例的激光器的结构示意图；
31.图2是根据本发明的实施例的激光器的另一结构示意图；
32.图3是根据本发明的实施例的激光器的又一结构示意图；
33.图4是图3所示出的激光器的俯视图；
34.图5是根据本发明的实施例的激光器的制作方法的流程图；
35.图6a至图6g是根据本发明的实施例的激光器的制程图；
36.图7a至图7g是根据本发明的实施例的激光器的另一制程图。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
38.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
39.此外，将理解的是，当诸如层、膜、区域或衬底等的元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。可选择地，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。
40.实施例1
41.本实施例提供了一种激光器，如图1所示，所述激光器包括衬底1以及依序层叠在所述衬底1上的第一反射结构2、第一电极3、第一透明绝缘层4、发光层5、第二透明绝缘层6。其中，为了保护所述发光层5不受外界氧气和水汽影响，所述第一透明绝缘层4和所述第二透明绝缘层6均由防水防氧材料制成。
42.进一步地，在所述第二透明绝缘层6的背向所述发光层5的表面上设有第二电极7和第二反射结构8。所述第二反射结构8与所述第一反射结构2结合对所述发光层5中产生的光线起到增幅作用，以此来增强所述发光层5所产生的光线的强度。
43.在本实施例中，所述发光层5包括沿背向所述第一透明绝缘层4的方向依序层叠的第一二维半导体材料层51和第二二维半导体材料层52，所述第一二维半导体材料层51和所述第二二维半导体材料层52之间形成pn结，以此来形成所述发光层5。为了使整个激光器导通，本实施例中所述第一电极3的至少部分与所述第一二维半导体材料层51接触；与此同
时，所述第二电极7的至少部分与所述第二二维半导体材料层52接触。
44.作为导通激光器的一种示例，如图1所示，所述第一电极3面向所述第一透明绝缘层4的表面上设有第一环状凸起31(图中示出的是截面形状)，以形成第一容纳部32。所述第一透明绝缘层4设于所述第一容纳部32内。其中，所述第一环状凸起31与所述第一二维半导体材料层51接触；所述第二电极7面向所述第二透明绝缘层6的表面上设有第二环状凸起71(图中示出的是截面形状)，以形成第二容纳部72。所述第二透明绝缘层6设于所述第二容纳部72内。所述第二电极7上还设有第一通孔73，所述第一通孔73与所述第二容纳部72连通，所述第二反射结构8嵌设在所述第一通孔73内。其中，所述第二环状凸起71与所述第二二维半导体材料层52接触，以此实现整个所述激光器的导通。
45.作为导通激光器的另一种示例，如图2所示，所述第一透明绝缘层4具有第二通孔41，所述第一电极3包括第一连接部32，所述第一连接部32通过所述第二通孔41与所述第一二维半导体材料层51接触；本实施例的所述第二透明绝缘层6具有第三通孔61，所述第二电极7包括第二连接部72，所述第二连接部72通过所述第三通孔61与所述第二二维半导体材料层52接触，以此实现整个所述激光器的导通。要说明的是，在本示例中，所述第二通孔41在所述衬底1上的正投影位于所述第二反射结构8在所述衬底1上的正投影外，所述第二反射结构8在所述衬底1上的正投影位于所述第一反射结构2在所述衬底1上的正投影内。
46.作为导通激光器的又一种示例，如图3所示，所述第一电极3面向所述第一透明绝缘层4的表面上设有第一格栅结构33(图中示出了格栅结构的截面形状)，所述第一格栅结构33包括阵列排布的多个第三容纳部33a。每个所述第三容纳部33a内设有所述第一透明绝缘层4。其中，所述第一格栅结构33与所述第一二维半导体材料层51进行接触；所述第二电极7面向所述第二透明绝缘层6的表面上设有第二格栅结构73(图中示出了格栅结构的截面形状)，所述第二格栅结构73包括阵列排布的多个第四容纳部73a。每个所述第四容纳部73a内所述第二透明绝缘层6。所述第二电极7还包括与所述第四容纳部73a连通的多个第四通孔74，所述第二反射结构8嵌设在所述第四通孔74内。其中，所述第二格栅结构73与所述第二二维半导体材料层52进行接触。
47.优选地，本实施例的所述发光层5的数量为至少两个，所述至少两个发光层5叠层夹设于所述第一透明绝缘层4与所述第二透明绝缘层6之间。当所述发光层5设置为一个以上时，所述第一电极3的至少部分和与所述第一透明绝缘层4相邻的所述第一二维半导体材料层51之间相互接触，所述第二电极7的至少部分和与所述第二透明绝缘层6相邻的所述第二二维半导体材料层52之间相互接触。
48.进一步地，在本实施例中，为了提高反射率所述第一反射结构2包括多个层叠的第一反射层21，每个所述第一反射层21包括沿背向所述衬底1的方向依序层叠的第一折射层21a和第二折射层21b。其中，所述第一折射层21a的折射率与所述第二折射层21b的折射率彼此不同。所述第二反射结构8包括多个层叠的第二反射层81，每个所述第二反射层和第四81包括沿背向所述衬底1的方向依序层叠的第三折射层81a折射层81b。其中，所述第三折射层81a的折射率于所述第四折射层81b的折射率彼此不同。
49.较佳地，在本实施例中，所述第一反射结构2和所述第二反射结构8均为布拉格反射镜。
50.要说明的是，所述第一反射层21和所述第二反射层81的构成材料可以是相同的材
料。例如：所述第一折射层21a和所述第四折射层81b为氮化硅材料，所述第二折射层21b和所述第三折射层81a为二氧化硅材料。此外，在本实施例中，为了将光束从所述第二反射结构8的一侧射出，所述第一反射层21的数量需要大于所述第二反射层81的数量。
51.此外，本实施例的第一透明绝缘层4和第二透明绝缘层6还可以起到电容器的作用。将通过改变施加在第一透明绝缘层4和第二透明绝缘层6的电压的方式来调节构成发光层5的二维半导体材料层的带隙，从而可以调节本实施例的激光器所产生的光线的波长，实现了单一激光器产生不同波长的光线的目的。
52.实施例2
53.本实施例提供了一种激光器的制作方法，如图5所示，所述制作方法包括：
54.步骤s1、在衬底1上依序形成第一反射结构2、第一电极3、第一透明绝缘层4。
55.步骤s2、在所述第一透明绝缘层4上依序层叠形成第一二维半导体材料层51和第二二维半导体材料层52以形成发光层5，并使所述第一电极3的至少部分与所述第一二维半导体材料层51进行接触。
56.步骤s3、在所述发光层5上形成第二透明绝缘层6。
57.步骤s4、在所述第二透明绝缘层6的背向所述发光层5的表面上形成第二电极7和第二反射结构8，并使所述第二电极7的至少部分与所述第二二维半导体材料层52进行接触。
58.其中，所述第一二维半导体材料层51和所述第二二维半导体材料层52之间形成pn结，所述第一透明绝缘层4和所述第二透明绝缘层6由防水防氧材料制成。
59.作为一种示例，如图6a至图6d所示，使所述第一电极3的至少部分与所述第一二维半导体材料层51进行接触的方法包括：
60.如图6a所示，将在所述第一反射结构2的背向所述衬底1的一侧上形成第一导电层a1；
61.如图6b所示，将在所述第一导电层a1上形成所述第一透明绝缘层4，并暴露所述第一导电层a1的至少区域；
62.如图6c所示，将在所述第一导电层a1的至少区域上直接形成第二导电层a2，使所述第一导电层a1和所述第二导电层a2构成所述第一电极3；
63.如图6d所示，将在所述第二导电层a2和所述第一透明绝缘层4上直接形成所述第一二维半导体材料层51，使所述第二导电层a2与所述第一二维半导体材料层51进行接触。
64.更具体地，如图6e至图6g所示，在本实施例中，使所述第二电极7的至少部分与所述第二二维半导体材料层52进行接触的方法包括：
65.如图6e所示，将在所述第二二维半导体材料层52的背向所述衬底1的一侧上形成所述第二透明绝缘层6，并暴露所述第二二维半导体材料层52的至少区域(省略了第二二维半导体材料层52的形成说明)；
66.如图6f所示，将在所述第二二维半导体材料层52的至少区域上直接形成第三导电层a3，使所述第三导电层a3与所述第二二维半导体材料层52进行接触；
67.如图6g所示，将在所述第二透明绝缘层6和所述第三导电层a3上直接形成第四导电层a4，使所述第三导电层a3和所述第四导电层a4构成所述第二电极7(省略了第二反射结构8的形成说明)。
68.优选地，本实施例的所述发光层5的数量为至少两个，所述至少两个发光层5叠层夹设于所述第一透明绝缘层4与所述第二透明绝缘层6之间。其中，所述第一电极3的至少部分和与所述第一透明绝缘层4相邻的所述第一二维半导体材料层51之间相互接触，所述第二电极7的至少部分和与所述第二透明绝缘层6相邻的所述第二二维半导体材料层52之间相互接触。
69.作为另一种示例，如图7a至图7d所示，使所述第一电极3的至少部分与所述第一二维半导体材料层51进行接触的方法包括：
70.如图7a所示，将在所述第一反射结构2的背向所述衬底1的一侧上形成第一导电层a1；
71.如图7b所示，将在所述第一导电层a1上形成多个所述第一透明绝缘层4，并暴露所述第一导电层a1的至少区域，其中，所述第一透明绝缘层4以阵列排布的方式形成，相应地，被暴露的所述第一导电层a1的至少区域的形状为格栅形；
72.如图7c所示，将在所述第一导电层a1的至少区域上直接形成第二导电层a2，使所述第一导电层a1和所述第二导电层a2构成所述第一电极3；
73.如图7d所示，将在所述第二导电层a2和所述第一透明绝缘层4上直接形成所述第一二维半导体材料层51，使所述第二导电层a2与所述第一二维半导体材料层51进行接触。
74.更具体地，如图7e至图7g所示，在本实施例中，使所述第二电极7的至少部分与所述第二二维半导体材料层52进行接触的方法包括：
75.如图7e所示，将在所述第二二维半导体材料层52的背向所述衬底1的一侧上形成所述第二透明绝缘层6，并暴露所述第二二维半导体材料层52的至少区域(省略了第二二维半导体材料层52的形成说明)，其中，所述第二透明绝缘层6以阵列排布的方式形成，相应地，被暴露的所述第二二维半导体材料层52的至少区域的形状为格栅形；
76.如图7f所示，将在所述第二二维半导体材料层52的至少区域上直接形成第三导电层a3，使所述第三导电层a3与所述第二二维半导体材料层52进行接触；
77.如图7g所示，将在所述第二透明绝缘层6和所述第三导电层a3上直接形成第四导电层a4，使所述第三导电层a3和所述第四导电层a4构成所述第二电极7(省略了第二反射结构8的形成说明)。
78.优选地，本实施例的所述发光层5的数量为至少两个，所述至少两个发光层5叠层夹设于所述第一透明绝缘层4与所述第二透明绝缘层6之间。其中，所述第一电极3的至少部分和与所述第一透明绝缘层4相邻的所述第一二维半导体材料层51之间相互接触，所述第二电极7的至少部分和与所述第二透明绝缘层6相邻的所述第二二维半导体材料层52之间相互接触。
79.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
80.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。