垂直腔面发射激光器及其制备方法

1.本发明涉及半导体激光器和石墨烯技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。


背景技术：

2.自上世纪九十年代以来，全球范围内掀起了研究gan基材料与器件的热潮，它的研究拓展了半导体激光器的波长范围，且在高密度光盘存储、激光显示以及生化医疗等领域具有广阔的市场前景。其中垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)具有远场发散角小、近圆形光斑、大孔径操作、二维排列的优点，并且易于实现高功率、高传输数据率、高速响应，所以在光互联、光通讯、光信号处理以及光纤通讯、神经网络、计算机芯片中的光互连和自由空间光互连和实时光信号及图形处理等方面有着很广泛的应用前景。vcsel的器件性能与材料质量密切相关，目前最常用的制备gan基vcsel的方法是在蓝宝石衬底上外延出分布式布拉格反射镜中间的激光器结构，再通过激光剥离并键合等复杂的工艺手段来完成。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.针对于现有的技术问题，本发明提供一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，用于至少部分解决以上技术问题。
5.(二)技术方案
6.本发明提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：将连接层02转移至第一衬底01上或在第一衬底01上制备连接层02，其中，连接层02为至少一层且每层为具有单原子或单分子厚度的层状二维材料，连接层02的层间原子间通过范德华力结合，和/或连接层02与第一衬底01的原子间通过范德华力结合；在连接层02上外延激光器主体部分08，连接层02与激光器主体部分08的原子间通过范德华力结合；对连接层02进行机械剥离，将承载有激光器主体部分08的连接层02转移到覆盖有第一反射镜11的第二衬底12上。
7.可选地，在将连接层02转移至第一衬底01上之前，方法还包括：制备石墨烯层作为连接层02。
8.可选地，制备石墨烯层包括：制备单层石墨烯或2-15层多层石墨烯。
9.可选地，在将连接层02转移至第一衬底01上之前，方法还包括：在同质衬底或蓝宝石衬底或非晶衬底上生长1～5μm的非掺gan层得到第一衬底01。
10.可选地，垂直腔面发射激光器的制备方法还包括：在激光器主体部分08的p电极区域制备离子注入高阻区13或介质薄膜电流阻挡层17；在激光器主体部分08上制备透明导电层09，并在透明导电层09上制备第二反射镜10，其中，第二反射镜10的反射率小于第一反射镜11的反射率；分别刻蚀到p电极区域的透明导电层09和激光器主体部分08中n电极区的n型掺杂gan电子注入层03，得到p电极图形和n电极图形；采用电子束蒸发或者溅射的方法，
分别在n电极图形和p电极图形上制备第一金属电极14和第二金属电极15；表面沉积一层钝化层并光刻腐蚀去除部分钝化层，得到钝化层16，暴露出第二反射镜10，第一金属电极14和第二金属电极15。
11.可选地，利用不同折射率材料交替生长或蒸镀第一反射镜11和第二反射镜10。
12.可选地，在将承载有激光器主体部分08的连接层02转移到覆盖有第一反射镜11的第二衬底12上之前，方法还包括：利用si层，sic层或aln层中的任何一种制备第二衬底12。
13.可选地，在连接层02上外延生长激光器主体部分08包括：在连接层02上依次外延生长n型掺杂gan电子注入层03、多量子阱发光层04、p型掺杂algan电子阻挡层05、p型掺杂gan空穴注入层06和重掺杂p型gan欧姆接触层07，其中，多量子阱发光层04为al
x
ga
1-x
n/gan或inyga
1-y
n/gan量子阱发光层，0＜x＜1，0＜y＜1。
14.可选地，分别在n电极图形和p电极图形上制备第一金属电极14和第二金属电极15包括：利用au、ag、cu、pt、cr、ni、al、ti中的一种或其任意组合制备第一金属电极14和第二金属电极15；表面沉积一层钝化层并光刻腐蚀去除部分钝化层，得到钝化层16包括：利用氧化硅、氮化硅或氧化铝介质薄膜中的一种或几种的混合，沉积得到钝化层16。
15.本发明另一方面提供一种垂直腔面发射激光器，包括：依次叠加的第二衬底12，第一反射镜11，连接层02，激光器主体部分08，透明导电层09，和第二反射镜10；其中，连接层02为至少一层且每层为具有单原子或单分子厚度的层状二维材料，连接层02的层间原子间通过范德华力结合，和/或连接层02与第一反射镜11和激光器主体部分08的原子间通过范德华力结合；第二反射镜10的反射率小于第一反射镜11的反射率。
16.(三)有益效果
17.本发明提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，通过在激光器主体部分和第一衬底之间增加一层或多层层内原子间通过共价键结合的具有单原子或单分子厚度的层状材料，使得激光器主体部分容易从第一衬底上机械剥离开，相对于传统的激光剥离的方式，大大简化工艺流程，降低了激光器件的生产成本，同时更易于转移，拓展氮化物光电器件的应用。
18.石墨烯是一种具有单原子或单分子厚度的层状材料，其层内原子间通过共价键结合，层间则通过微弱的范德瓦尔斯力结合在一起。这种二维材料由于层间弱键合容易实现层间分离从而实现器件的剥离与转移。对材料的种类及厚度的选择，充分考虑了器件的成本以及应用效果，性价比突出。
附图说明
19.图1示意性示出了本发明一个实施例的垂直腔面发射激光器的制备方法流程图；
20.图2示意性示出了本发明另一个实施例的垂直腔面发射激光器的制备方法流程图；
21.图3示意性示出了本发明又一个实施例的垂直腔面发射激光器的制备方法流程图；
22.图4示意性示出了本发明实施例的垂直腔面发射激光器外延片剥离的结构图；
23.图5示意性示出了本发明一个实施例的垂直腔面发射激光器制备第二反射镜时的结构图；
24.图6示意性示出了本发明另一个实施例的垂直腔面发射激光器制备第二反射镜时的结构图；
25.图7示意性示出了本发明一个实施例的垂直腔面发射激光器刻蚀出的台面结构图；
26.图8示意性示出了本发明另一个实施例的垂直腔面发射激光器刻蚀出的台面结构图；
27.图9示意性示出了本发明一个实施例的垂直腔面发射激光器的结构图；
28.图10示意性示出了本发明另一个实施例的垂直腔面发射激光器的结构图。
29.【附图标记说明】
30.01-第一衬底
31.02-连接层
32.03-n型掺杂gan电子注入层
33.04-多量子阱发光层
34.05-p型掺杂algan电子阻挡层
35.06-p型掺杂gan空穴注入层
36.07-重掺杂p型gan欧姆接触层
37.08-激光器主体部分
38.09-透明导电层
39.10-第二反射镜
40.11-第一反射镜
41.12-第二衬底
42.13-高阻区
43.14-第一金属电极
44.15-第二金属电极
45.16-钝化层
46.17-介质薄膜电流阻挡层
具体实施方式
47.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
48.图1示出了本发明实施例的垂直腔面发射激光器的制备方法流程图。
49.根据本发明的实施例，如图1所示，垂直腔面发射激光器的制备方法例如包括：
50.s101，将连接层02转移至第一衬底01上或在第一衬底01上制备连接层02，其中，连接层02为至少一层且每层为具有单原子或单分子厚度的层状二维材料，连接层02的层间原子间通过范德华力结合，和/或连接层02与第一衬底01的原子间通过范德华力结合。
51.根据本发明的实施例，在将连接层02转移至第一衬底01上之前，垂直腔面发射激光器的制备方法例如还包括：制备石墨烯层作为连接层02。其中，制备石墨烯层例如包括：制备单层石墨烯或2-15层多层石墨烯，其中，当制备单层石墨烯时，石墨烯层与第一衬底01之间通过范德华力结合，当制备多层石墨烯时，石墨烯层与石墨烯层之间，以及石墨烯层与
第一衬底01之间通过范德华力结合。
52.根据本发明的实施例，在将连接层02转移至第一衬底01上之前，垂直腔面发射激光器的制备方法例如还包括：在同质衬底或蓝宝石衬底或非晶衬底等能范德华外延出高质量氮化物材料的衬底上外延生长1～5μm的非掺gan层得到第一衬底01，例如采用蓝宝石衬底外延生长3μm的非掺gan层。
53.根据本发明的实施例，例如可以先生长石墨烯层，再将石墨烯层转移到非掺gan衬底上，或者也可以直接在非掺gan衬底上生长石墨烯层。
54.s102，在连接层02上外延生长激光器主体部分08，连接层02与激光器主体部分08的原子间通过范德华力结合。
55.根据本发明的实施例，例如采用金属有机物化学气相沉积的方法，在连接层02上外延生长激光器主体部分08，外延生长方法例如包括：在连接层02上依次外延生长n型掺杂gan电子注入层03、多量子阱发光层04、p型掺杂algan电子阻挡层05、p型掺杂gan空穴注入层06和重掺杂p型gan欧姆接触层07，其中，多量子阱发光层04为al
x
ga
1-x
n/gan或inyga
1-y
n/gan量子阱发光层，0＜x＜1，0＜y＜1。
56.根据本发明的实施例，垂直腔面发射激光器的制备方法例如还包括：在激光器主体部分08的p电极区域进行离子注入，例如注入硼离子但不局限于注入硼离子，制备高阻区13，或者在激光器主体部分08的p电极区域制备介质薄膜电流阻挡层17，介质薄膜电流阻挡层17可以但不局限于氧化硅层，限制电流在本区域的注入；在激光器主体部分08上制备透明导电层09，并在透明导电层09上制备第二反射镜10，其中，第二反射镜10的反射率小于第一反射镜11的反射率；分别刻蚀到p电极区域的透明导电层09和激光器主体部分08中n电极区的n型掺杂gan电子注入层03，得到p电极图形和n电极图形；采用电子束蒸发或者溅射方法，分别在n电极图形和p电极图形上制备第一金属电极14和第二金属电极15；表面沉积一层钝化层并光刻腐蚀去除部分钝化层，得到钝化层16，暴露出第二反射镜10，第一金属电极14和第二金属电极15。
57.根据本发明的实施例，在透明导电层09上制备第二反射镜10，例如可以采用12对sio2/ta2o5分布式布拉格反射镜，可以但不局限于12对sio2/ta2o5，来制备第二反射镜10。
58.在本发明的一些实施例中，例如也可以先制备顶层分布式布拉格反射镜，p电极与金属氧化物透明导电层相连；n电极区刻蚀到暴露出n型掺杂gan电子注入层03，使n电极与n型掺杂gan电子注入层03相连。
59.根据本发明的实施例，例如采用电子束蒸发或者溅射方法，分别在n电极图形和p电极图形上制备第一金属电极14和第二金属电极15例如包括：利用au、ag、cu、pt、cr、ni、al、ti等半导体工艺中常用的金属中的一种或其任意组合制备第一金属电极14和第二金属电极15，第一金属电极14和第二金属电极15可以但不局限于cr、al、ti、au等膜系；表面沉积一层钝化层并光刻腐蚀去除部分钝化层，得到钝化层16包括：利用氧化硅、氮化硅或氧化铝等介质薄膜中的一种或几种的混合，沉积得到钝化层16。钝化层16可以但不局限于sio2钝化层。
60.s103，对连接层02进行机械剥离，将承载有激光器主体部分08的连接层02转移到覆盖有第一反射镜11的第二衬底12上。
61.根据本发明的实施例，剥离并转移激光器主体部分08是利用连接层02，例如石墨
烯，层与层之间的范德华力实现非掺gan衬底与激光器主体部分08的机械剥离，并将激光器主体部分08移到si、sic、aln等任意覆盖有高反射率分布式布拉格反射镜的第二衬底12上，实现任意衬底上垂直腔面发射激光器的制备。
62.根据本发明的实施例，激光器主体部分08采用胶带或者粘合剂进行剥离，然后转移到覆盖有分布式布拉格反射镜的第二衬底12上面。
63.根据本发明的实施例，例如可以利用不同折射率材料交替生长或蒸镀第一反射镜11和第二反射镜10。本实施例的顶/底层分布式布拉格反射镜例如为不同折射率材料交替生长或蒸镀的外延或介质分布式布拉格反射镜，例如可以在第二衬底12上生长15对sio2/ta2o5分布式布拉格反射镜，可以但不局限于15对sio2/ta2o5。
64.根据本发明的实施例，在将承载有激光器主体部分08的连接层02转移到覆盖有第一反射镜11的第二衬底12上之前，垂直腔面发射激光器的制备方法例如还包括：利用si层，sic层或aln层中的任伺一种制备第二衬底12。第二衬底12采用si衬底，可以但不局限于si衬底。
65.图2示意性示出了本发明另一个实施例的垂直腔面发射激光器的制备方法流程图。
66.根据本发明的实施例，如图2所示，本发明另一个实施例的垂直腔面发射激光器的制备方法例如包括：
67.s201：在蓝宝石衬底上生长非掺gan层。
68.根据本发明的实施例，非掺gan衬底为在蓝宝石衬底上直接外延3μm的非掺gan层。
69.s202：在非掺gan衬底上例如覆盖单层石墨烯薄膜。
70.根据本发明的实施例，单层石墨烯例如可以为在cu箔上cvd生长的石墨烯上旋涂pmma并在110～130℃的环境下固化10～18min，固化后在15～30％浓度的溶液中浸泡3～5小时，待cu箔腐蚀完之后转移到干净的蓝宝石衬底，自然晾干后去掉pmma；也可以在非掺gan衬底上例如覆盖多层石墨烯，多层石墨烯的制备为重复制备单层的步骤，逐层获得多层石墨烯。
71.s203：在石墨烯上生长激光器的主体部分。
72.在本发明的一些实施例中，垂直腔面发射激光器主体部分的外延生长例如采用金属有机化学气相沉积的方法完成。
73.根据本发明的实施例，mocvd外延生长激光器有源区。例如通过在石墨烯上生长si掺杂的gan电子注入层，其后生长in
0.11
ga
0.89
n/gan多量子阱发光层、p型掺杂algan电子阻挡层05、p型掺杂gan空穴注入层06，最后生长一层重掺杂p型gan欧姆接触层07。
74.s204：机械剥离激光器主体部分，并将其转移到覆盖有高反射率分布式布拉格反射镜的衬底上。
75.在本发明的一些实施例中，剥离并转移激光器主体部分08例如是通过石墨烯的范德华力实现非掺gan衬底与激光器主体部分08的机械剥离，并将激光器主体部分08转移到任意覆盖有高反射率分布式布拉格反射镜的衬底上。
76.根据本发明的实施例，例如可以利用热释放胶带常温下有粘附性，加热粘合力消失的特点，将高粘度的热释放胶带粘取待转移的有源区，将其机械剥离下来转移到目标位置，再在90～150℃的条件下加热3～10分钟，去除热释放胶带。即激光器主体部分08例如可
以采用热释放胶带进行剥离，并转移到覆盖有分布式布拉格反射镜的第二衬底12上，再在90～150℃的条件下加热0.5～5分钟，去除热释放胶带。可以但不局限于热释放胶带。
77.s205：离子注入硼，形成高阻区。
78.根据本发明的实施例，例如可以在p电极区域注入硼离子，形成高阻区13，限制电流的注入。
79.s206：在重掺杂p型gan欧姆接触层上制备金属氧化物透明导电层，并光刻腐蚀n区域的透明导电层。
80.根据本发明的实施例，例如通过蒸镀ito做透明导电层09，具体实验条件例如可以为：180～240℃下蒸镀10～100nm，并在氮气环境下300～550℃退火15～45min，光刻n台面，使p电极区域被光刻胶覆盖，n电极区域ito暴露，湿法腐蚀n电极区域的ito。
81.s207：光刻出顶层低反射率分布式布拉格反射镜图形。
82.根据本发明的实施例，例如光刻顶层分布式布拉格反射镜图形，露出p、n电极区域。
83.s208：等离子体刻蚀到n电极区的n型掺杂的gan电子注入层，刻出n电极图形。
84.根据本发明的实施例，例如先用光刻胶定义出n电极的台阶区域，利用台阶上的光刻胶作为掩膜，然后进行等离子体刻蚀，直至刻蚀到n型掺杂的gan电子注入层为止。
85.s209：制备p电极和n电极。
86.根据本发明的实施例，制备金属电极一般例如可以采用电子束蒸发、热蒸发或者溅射au、ag、cu、pt、cr、ni、al、ti等半导体工艺中常用的金属中的一种或其任意组合。
87.根据本发明的实施例，例如采用电子束蒸发ni/au，在p电极区域的ito导电层和n电极区域的n型掺杂的gan电子注入层上分别制备p电极和n电极。
88.s210：表面沉积一层sio2并光刻腐蚀去除部分sio2暴露出分布式布拉格反射镜上的出光区域和p、n电极区域，形成绝缘钝化层。
89.根据本发明的实施例，例如采用等离子增强化学气相沉积(pecvd)的方法淀积sio2，并光刻、腐蚀出激光器p、n电极和出光区，完成垂直腔面发射激光器的制备。
90.图3示意性示出了本发明又一个实施例的垂直腔面发射激光器的制备方法流程图。
91.根据本发明的实施例，如图3所示，本发明又一个实施例的垂直腔面发射激光器的制备方法例如包括：
92.s301：在蓝宝石衬底上生长非掺gan层。
93.s302：在非掺gan衬底上例如覆盖单层石墨烯薄膜。
94.s303：在石墨烯上生长激光器的主体部分。
95.s304：机械剥离激光器主体部分，并将其转移到覆盖有高反射率分布式布拉格反射镜的衬底上。
96.s305：制备一层介质薄膜电流阻挡层。
97.根据本发明的实施例，例如制备一层介质薄膜电流阻挡层17，限制电流在本区域的注入。
98.s306：在重掺杂p型gan欧姆接触层上制备金属氧化物透明导电层，并光刻腐蚀n区域的透明导电层。
99.s307：光刻出顶层低反射率分布式布拉格反射镜图形。
100.s308：等离子体刻蚀到n电极区的n型掺杂的gan电子注入层，刻出n电极图形。
101.s309：制备p电极和n电极。
102.s310：表面沉积一层sio2并光刻腐蚀去除部分sio2暴露出分布式布拉格反射镜上的出光区域和p、n电极区域，形成绝缘钝化层。
103.综上所述，本发明实施例提出一种垂直腔面发射激光器的制备方法。通过在激光器主体部分和第一衬底之间增加一层或多层层内原子间通过共价键结合的具有单原子或单分子厚度的层状二维材料，使得激光器主体部分容易从第一衬底上机械剥离开，相对于传统的激光剥离的方式，大大简化工艺流程，降低了激光器件的生产成本，同时更易于转移，拓展氮化物光电器件的应用。
104.本发明实施例另一方面提供了垂直腔面发射激光器。
105.图4示意性示出了本发明实施例的垂直腔面发射激光器外延片剥离的结构图。
106.根据本发明的实施例，如图4所示，在将承载有激光器主体部分08的连接层02转移到覆盖有第一反射镜11的第二衬底12上之前，垂直腔面发射激光器外延片剥离的结构例如包括：第一衬底01，其中，第一衬底01例如包括：同质衬底或蓝宝石衬底及非晶衬底上的非掺gan层，连接层02，例如为石墨烯层，和激光器主体部分08。
107.图5示意性示出了本发明一个实施例的垂直腔面发射激光器制备第二反射镜时的结构图。
108.根据本发明的实施例，第二反射镜例如为分布式布拉格反射镜，例如通过光刻的方法在透明导电层09上制得，如图5所示，该第二反射镜例如包括：第二衬底12，第一反射镜11，连接层02，激光器主体部分08，透明导电层09，第二反射镜10，以及高阻区13。
109.图6示意性示出了本发明另一个实施例的垂直腔面发射激光器制备第二反射镜时的结构图。
110.根据本发明的实施例，第二反射镜例如为分布式布拉格反射镜，例如通过光刻的方法在透明导电层09上制得，如图6所示，该第二反射镜例如包括：第二衬底12，第一反射镜11，连接层02，激光器主体部分08，透明导电层09，第二反射镜10，以及介质薄膜电流阻挡层17。
111.图7示意性示出了本发明实施例的垂直腔面发射激光器刻蚀出的台面结构图。
112.根据本发明的实施例，如图7所示，本发明实施例的垂直腔面发射激光器的n电极区域例如已被刻蚀至n型掺杂gan电子注入层03中。p电极区域例如有高阻区13。
113.图8示意性示出了本发明另一个实施例的垂直腔面发射激光器刻蚀出的台面结构图。
114.根据本发明的实施例，如图8所示，本发明实施例的垂直腔面发射激光器的n电极区域例如已被刻蚀至n型掺杂gan电子注入层03中。p电极区域例如有介质薄膜电流阻挡层17。
115.图9示意性示出了本发明一个实施例的垂直腔面发射激光器的结构图。
116.根据本发明的实施例，如图9所示，本发明实施例的垂直腔面发射激光器例如包括：依次叠加的第二衬底12，第一反射镜11，连接层02，激光器主体部分08，透明导电层09，和第二反射镜10，以及第一金属电极14和第二金属电极15和钝化层16；其中，连接层02为至
少一层且每层为具有单原子或单分子厚度的层状二维材料，连接层02的层间原子间通过范德华力结合，和/或连接层02与第一反射镜11和激光器主体部分08的原子间通过范德华力结合；第一反射镜11和第二反射镜10用于形成激光器谐振腔，便于出光，第二反射镜10的反射率小于第一反射镜11的反射率；激光器主体部分08的p电极区域有用于限制电流在本区域注入的高阻区13，透明导电层09例如可以为金属氧化物但不局限于金属氧化物，处于第二反射镜10与重掺杂p型gan欧姆接触层07之间，用于实现p侧横向电流扩展。
117.根据本发明的实施例，激光器主体部分08例如包括：n型掺杂gan电子注入层03、多量子阱发光层04、p型掺杂algan电子阻挡层05、p型掺杂gan空穴注入层06和重掺杂p型gan欧姆接触层07，其中，n型掺杂gan电子注入层03，用于提供电子，注入到激光器有源区。多量子阱发光层04为al
x
ga
1-x
n/gan或inyga
1-y
n/gan量子阱发光层，0＜x＜1，0＜y＜1，例如可以为algan/gan、ingan/gan等适合vcsel结构的量子阱发光层。p型掺杂algan电子阻挡层05，用于减少电子泄露并提供足够的空穴数量，使更多的载流子在量子阱处复合发光，增加电子空穴对的复合效率。p型掺杂gan空穴注入层06，用于提供空穴，注入到激光器有源区。重掺杂p型gan欧姆接触层07，用于与p面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆接触电阻。
118.图10示意性示出了本发明另一个实施例的垂直腔面发射激光器的结构图。
119.根据本发明的实施例，如图10所示，本发明实施例的垂直腔面发射激光器例如包括：依次叠加的第二衬底12，第一反射镜11，连接层02，激光器主体部分08，透明导电层09，和第二反射镜10，以及第一金属电极14和第二金属电极15和钝化层16；其中，连接层02为至少一层且每层为单原子或单分子厚度的层状材料，连接层02的层间原子间通过范德华力结合，和/或连接层02与第一反射镜11和激光器主体部分08的原子间通过范德华力结合；第一反射镜11和第二反射镜10用于形成激光器谐振腔，便于出光，第二反射镜10的反射率小于第一反射镜11的反射率；激光器主体部分08的p电极区域有用于限制电流在本区域注入的介质薄膜电流阻挡层17，透明导电层09例如可以为金属氧化物但不局限于金属氧化物，处于第二反射镜10与重掺杂p型gan欧姆接触层07之间，用于实现p侧横向电流扩展。
120.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。