CN110048305A - 石墨烯-介质dbr单模垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
石墨烯‑介质DBR单模垂直腔面发射激光器及其制备方法,涉及半导体激光器和石墨烯领域。本发明的结构通过多片集成的方式获得,half‑VCSEL、石墨烯和上DBR分别进行制备,half‑VCSEL制备完成后在其上面转移石墨烯,最后得到具有曲率的上DBR部分,形成完整的VCSEL结构。将横向光场限制在顶部,增加了高阶模损失和阈值增益,从而产生高质量的单模,同时降低了器件的接触电阻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器和石墨烯领域,尤其涉及一种石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL,vertical-cavity surface-emitting laser)在功能集成光学领域的发展前景尤为广阔。具有单一横模的高速VCSEL非常重要,因为它能够有效地与光纤耦合,并防止由于光纤中的色散而导致的长传输距离的脉冲展宽,通常VCSEL需要减小腔截面面积,以减少所支持的横模数,从而实现单一横模。但是,这样会减少其有效体积,从而限制基本模式的输出功率。
可以利用***振模式、表面起伏模式、隧道结模式和光子晶体模式等技术对VCSEL中的高阶模进行了控制,然而这些模式控制技术除了复杂的工艺条件和昂贵的技术以外,还会导致高阈值电流的问题。
因此,VCSEL中高功率基模发射一直是一个挑战,当下极需一种有效措施以解决现有技术存在的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器及其制备方法。这种器件结构利用具有一定曲率的介质DBR将横向光场限制在顶部,增加了高阶模损失和阈值增益,从而产生高质量的单模,同时降低了器件的接触电阻,该器件为高功率基模VCSEL提供了一种新的设计思路以及制备方法。
本发明石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器,其结构如图1所示;该结构自下而上依次主要包括激光器背面电极(1)、GaAs衬底(2)、下DBR(3)、有源区(4),在有源区(4)上设有氧化限制层(6)阵列,每个氧化限制层(6)单元的上层为P++掺杂GaAs层(5);在上述产品外延结构包封有一层SiO2钝化层(7),即包括氧化限制层(6)和P++掺杂GaAs层(5)的阵列的上端面以及侧面同时还包括阵列之间的有源区(4)上均包封SiO2钝化层(7),且SiO2钝化层(7)在每单元对应的P++掺杂GaAs层(5)的上端面中间刻蚀有孔A即对应激光器出光孔,使得暴露P++掺杂GaAs层(5);在阵列中的每个单元的SiO2钝化层(7)的四周外侧设有VCSEL电极(8),且VCSEL电极(8)还通过孔A的内侧面与P++掺杂GaAs层(5)连接,此时形成half-VCSEL;在VCSEL电极(8)的四周外侧以及孔A对应的P++掺杂GaAs层(5)上均设有石墨烯层(9),整个石墨烯层(9)为一完整的包封结构;阵列中每个单元的顶面石墨烯层(9)上设有上DBR(10),上DBR(10)整体为具有曲率的弧层球面结构,球面结构向上凸起,同时球面结构将孔A罩住。优选弧层球面各点的厚度一致。
本发明的结构中石墨烯层部分通过涂PMMA转移到half-VCSEL;
本发明的结构中上DBR部分是在玻璃基底上利用利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)或真空电子束蒸发镀膜机交替生长的薄膜构成。
VCSEL电极(8)为Ti/Au。
本发明的结构通过多片集成的方式获得,half-VCSEL、石墨烯和上DBR分别进行制备,half-VCSEL制备完成后在其上面转移石墨烯,最后得到具有曲率的上DBR部分,形成完整的VCSEL结构。
本发明还提供一种石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器的制备方法,其中包括:
(1)采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)首先在n型GaAs衬底上交替生长n-Al0.12Ga0.88As层与n-Al0.9Ga0.1As层,构成下DBR;然后生长GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱结构构成有源区;然后再生长重掺杂p型AlGaAs即Al0.98Ga0.02As形成P++掺杂GaAs层(5),便于与注入电极形成良好的欧姆接触;
(2)最后通过氧化工艺使得重掺杂p型AlGaAs层底部形成氧化限制层(6),在步骤(1)中生长的外延片上光刻激光器图形,使用选择性腐蚀液将光刻后的外延片腐蚀成台面结构,腐蚀深度至露出Al0.98Ga0.02As氧化限制层侧壁;利用高温氧化炉通过湿氮氧化法上述所得外延片进行横向氧化形成氧化限制层,制作注入电流限制孔;
(3)使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)淀积SiO2钝化层,并光刻、腐蚀出激光器出光孔;
(4)溅射Ti/Au形成激光器阵列注入电极,并剥离光刻胶形成激光器出光孔;完成half-VCSEL;
(5)在制备好的形成half-VCSEL区上转移一层石墨烯;
(6)利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)或真空电子束蒸发镀膜机在石墨烯另一面交替生长Si3N4/SiO2薄膜,构成激光器的上DBR;
(7)将衬底磨薄,溅射AuGeNi/Au形成激光器阵列背面电极,并进行退火,使金属层与半导体材料形成良好的欧姆接触;
(8)刻蚀生长上DBR从而露出电极,并在350℃、N2气体下进行退火30秒,得到完整弯曲DBR VCSEL器件制备完成。
附图说明
图1:石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器整体结构示意图;
图2:石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器外延片的结构示意图;
图3:石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器刻蚀出的台面示意图;
图4:器件氧化限制层横向氧化后形成注入电流限制孔示意图;
图5:器件生长SiO2钝化层后结构示意图;
图6:器件刻蚀SiO2钝化层后结构示意图;
图7:溅射Ti/Au形成激光器注入电极示意图;
图8:剥离Ti/Au激光器注入电极示意图;
图9:减薄衬底制备激光器阵列背面电极示意图;
图10:在half-VCSEL上转移石墨烯示意图;
图11:在石墨烯另一面交替生长薄膜构成上DBR示意图;
图12:退火后石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器结构示意图;
图13:石墨烯转移到Half-VCSEL结构上后的平面扫描电镜图像。
图14:石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器的光学显微镜图像。
图15:石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器的扫描电镜图像。
图16:石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器的单模光谱图。
图1中:1.激光器背面电极、2.GaAs衬底、3.下DBR、4.有源区、5.P++掺杂GaAs层、6.氧化限制层、7.SiO2钝化层、8.VCSEL电极、9.石墨烯层、10.上DBR。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
下面结合图2--图16详细介绍石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器制备方法以及实物图和光谱图:
步骤1、采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)首先在n型GaAs衬底上交替生长n-Al0.12Ga0.88As层与n-Al0.9Ga0.1As层共30对,构成下DBR;然后生长GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱结构构成有源区;再然后生长Al0.98Ga0.02As层形成氧化限制层;最后生长重掺杂p型AlGaAs,便于与注入电极形成良好的欧姆接触;
步骤2、在步骤1中生长的外延片上光刻激光器阵列图形,使用选择性腐蚀液将光刻后的外延片腐蚀成台面结构,腐蚀深度至露出Al0.98Ga0.02As氧化限制层侧壁;
步骤3、利用高温氧化炉通过湿氮氧化法对步骤2中外延片进行横向氧化形成氧化限制层,制作注入电流限制孔;
步骤4、使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)淀积300nm厚的SiO2钝化层,并光刻、腐蚀出激光器出光孔;
步骤5、溅射Ti/Au形成激光器阵列注入电极,并剥离光刻胶形成出光孔;
步骤6、将衬底磨薄至200μm,溅射AuGeNi/Au形成激光器阵列背面电极,并进行退火,使金属层与半导体材料形成良好的欧姆接触,激光器half-VCSEL区制作完成;
步骤7、在制备好的形成half-VCSEL区上转移一层石墨烯;
步骤8、利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)或真空电子束蒸发镀膜机在顶层石墨烯上交替生长Si3N4/SiO2薄膜共7对,Si3N4/SiO2薄膜的下面覆盖激光器出光孔,构成激光器的平层上DBR;
步骤10、在刻蚀上DBR从而露出接触电极,并在350℃、N2气体下进行退火30秒,完整器件制备完成。
图13为石墨烯转移到Half-VCSEL结构上后的平面扫描电镜图。
图14、15是石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器的光学显微镜图像和扫描电镜图,对其进行机械表面扫描,显示大约4.5m的曲率。
由图16可分析出石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器单模光输出、中心波长约858.5nm。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器,其特征在于,该结构自下而上依次主要包括激光器背面电极(1)、GaAs衬底(2)、下DBR(3)、有源区(4),在有源区(4)上设有氧化限制层(6)阵列,每个氧化限制层(6)单元的上层为P++掺杂GaAs层(5);在上述产品外延结构包封有一层SiO2钝化层(7),即包括氧化限制层(6)和P++掺杂GaAs层(5)的阵列的上端面以及侧面同时还包括阵列之间的有源区(4)上均包封SiO2钝化层(7),且SiO2钝化层(7)在每单元对应的P++掺杂GaAs层(5)的上端面中间刻蚀有孔A即对应激光器出光孔,使得暴露P++掺杂GaAs层(5);在阵列中的每个单元的SiO2钝化层(7)的四周外侧设有VCSEL电极(8),且VCSEL电极(8)还通过孔A的内侧面与P++掺杂GaAs层(5)连接,此时形成half-VCSEL;在VCSEL电极(8)的四周外侧以及孔A对应的P++掺杂GaAs层(5)上均设有石墨烯层(9),整个石墨烯层(9)为一完整的包封结构;阵列中每个单元的顶面石墨烯层(9)上设有上DBR(10),上DBR(10)整体为具有曲率的弧层球面结构,球面结构向上凸起,同时球面结构将孔A罩住。
2.按照权利要求1所述的石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器,其特征在于,石墨烯层部分通过涂PMMA转移到half-VCSEL。
3.按照权利要求1所述的石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器,其特征在于,结构中上DBR部分是在玻璃基底上利用利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)或真空电子束蒸发镀膜机交替生长的薄膜构成。
4.按照权利要求1所述的石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器,其特征在于,VCSEL电极(8)为Ti/Au。
5.权利要求1所述的石墨烯-介质DBR单模垂直腔面发射激光器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)首先在n型GaAs衬底上交替生长n-Al0.12Ga0.88As层与n-Al0.9Ga0.1As层,构成下DBR;然后生长GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱结构构成有源区;然后再生长重掺杂p型AlGaAs即Al0.98Ga0.02As形成P++掺杂GaAs层(5),便于与注入电极形成良好的欧姆接触;
(2)最后通过氧化工艺使得重掺杂p型AlGaAs层底部形成氧化限制层(6),在步骤(1)中生长的外延片上光刻激光器图形,使用选择性腐蚀液将光刻后的外延片腐蚀成台面结构,腐蚀深度至露出Al0.98Ga0.02As氧化限制层侧壁;利用高温氧化炉通过湿氮氧化法上述所得外延片进行横向氧化形成氧化限制层,制作注入电流限制孔;
(3)使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)淀积SiO2钝化层,并光刻、腐蚀出激光器出光孔;
(4)溅射Ti/Au形成激光器阵列注入电极,并剥离光刻胶形成激光器出光孔;完成half-VCSEL;
(5)在制备好的形成half-VCSEL区上转移一层石墨烯厚度为3.6nm;
(6)利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)或真空电子束蒸发镀膜机在石墨烯另一面交替生长Si3N4/SiO2薄膜,构成激光器的上DBR;
(7)将衬底磨薄,溅射AuGeNi/Au形成激光器阵列背面电极,并进行退火,使金属层与半导体材料形成良好的欧姆接触;
(8)刻蚀生长上DBR从而露出电极,并在350度N2气体下进行退火30秒,得到完整弯曲DBRVCSEL器件制备完成。
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