CN110137801A - 垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

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曹阳
王群
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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，属于半导体技术领域。所述垂直腔面发射激光器包括衬底、散热层、下反射层、发光区、上反射层、上金属电极和下金属电极；所述散热层、所述下反射层、所述发光区、所述上反射层和所述上金属电极依次层叠在所述衬底的第一表面上，所述下金属电极设置在所述衬底的第二表面上，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对；所述下反射层包括依次层叠的多层硼烯薄膜，所述散热层的材料采用石墨烯或者砷化硼。本发明将下反射层从DBR结构改为依次层叠的多层硼烯薄膜，可以有效增强底部的反光效果，下反射层的反射率将远高于上反射层的反射率，VCSEL的出光效率得到极大提高。

Description

垂直腔面发射激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(英文：Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称：VCSEL)是一种以砷化镓半导体材料为基础制作的、垂直于顶面射出激光的半导体器件。有别于发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)、激光二极管(英文：LaserDiode，简称：LD)等需要在制作完成后才能进行测试的光源，VCSEL可以在制作的任何阶段进行品质测试并对测试发现的问题进行及时处理，可以有效避免制作过程和加工时间的浪费。而且VCSEL具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，可以广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。
现有的VCSEL包括衬底、下分布式布拉格反射镜(英文：Distributed BraggReflection，简称：DBR)、发光区、上DBR、上金属电极和下金属电极，下DBR、发光区、上DBR和上金属电极依次层叠在衬底的第一表面上，下金属电极设置在衬底的第二表面上，衬底的第二表面与衬底的第一表面相对。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于VCSEL设计为朝向VCSEL上部的光束用作输出，因此需要下DBR具有比上DBR更高的反射率。但是上DBR和下DBR通常都采用GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构，上DBR的反射率和下DBR的反射率之间相差较小，导致VCSEL的出光效率较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，能够解决现有技术上DBR和下DBR折射率差不多，VCSEL正面出光效率较低的问题。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器包括衬底、散热层、下反射层、发光区、上反射层、上金属电极和下金属电极；所述散热层、所述下反射层、所述发光区、所述上反射层和所述上金属电极依次层叠在所述衬底的第一表面上，所述下金属电极设置在所述衬底的第二表面上，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对；所述下反射层包括依次层叠的多层硼烯薄膜，所述散热层的材料采用石墨烯或者砷化硼。
可选地，每层所述硼烯薄膜的厚度为0.3nm～0.5nm，所述下反射层中硼烯薄膜的数量为80个～150个。
可选地，所述下反射层还包括纳米Ag层，所述纳米Ag层位于所述散热层和所述多层硼烯薄膜之间。
优选地，所述纳米Ag层的厚度为2nm～5nm。
可选地，所述散热层为叠层结构或者颗粒阵列。
进一步地，当所述散热层为叠层结构，且所述散热层的材料采用石墨烯时，所述散热层的厚度为0.3nm～0.5nm；当所述散热层为叠层结构，且所述散热层的材料采用砷化硼时，所述散热层的厚度为20nm～30nm。
进一步地，当所述散热层为颗粒阵列时，所述颗粒阵列中颗粒的粒径与相邻两个颗粒之间的距离之比为1:1～2:1。
另一方面，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器的制作方法，所述制作方法包括：
在衬底的第一表面上依次形成散热层、下反射层、发光区、上反射层、上金属电极；
在衬底的第二表面上形成下金属电极，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对；
其中，所述下反射层包括依次层叠的多层硼烯薄膜，所述散热层的材料采用石墨烯或者砷化硼。
可选地，所述下反射层采用如下方式形成：
在所述散热层上形成纳米Ag层；
在真空环境中控制蒸发形成的B原子在所述纳米Ag层上沉积，形成硼烯薄膜。
优选地，所述真空环境中的压力为10-8torr～10-6torr。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
将下反射层从DBR结构改为依次层叠的多层硼烯薄膜，硼烯是一种单原子层厚度的二维硼材料，因此硼烯材料形成的硼烯薄膜有限，相邻两层硼烯薄膜之间会存在分界面，光线射入多层硼烯薄膜内存在多次反射。而且硼烯薄膜中硼原子的排列结构使得硼烯薄膜的表面呈现出“褶皱”，反射光线的方向会增多，加上多次反射，使得依次层叠的多层硼烯薄膜具有99％以上的反射率和几乎为0的吸光率，作用的波长范围覆盖从红外光到紫外光的整个波段，可以有效增强底部的反光效果，下反射层的反射率将远高于上反射层的反射率，VCSEL的出光效率得到极大提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的下反射层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的俯视图；
图4是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器。图1为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图。参见图1，该垂直腔面发射激光器包括衬底10、散热层20、下反射层21、发光区30、上反射层22、上金属电极41和下金属电极42，散热层20、下反射层21、发光区30、上反射层22和上金属电极41依次层叠在衬底10的第一表面上，下金属电极42设置在衬底10的第二表面上，衬底10的第二表面与衬底10的第一表面相对。
图2为本发明实施例提供的下反射层的结构示意图。参见图2，在本实施例中，下反射层21包括依次层叠的多层硼烯薄膜211，散热层20的材料采用石墨烯或者砷化硼。
本发明实施例将下反射层从DBR结构改为依次层叠的多层硼烯薄膜，硼烯是一种单原子层厚度的二维硼材料，因此硼烯材料形成的硼烯薄膜有限，相邻两层硼烯薄膜之间会存在分界面，光线射入多层硼烯薄膜内存在多次反射。而且硼烯薄膜中硼原子的排列结构使得硼烯薄膜的表面呈现出“褶皱”，反射光线的方向会增多，加上多次反射，使得依次层叠的多层硼烯薄膜具有99％以上的反射率和几乎为0的吸光率，作用的波长范围覆盖从红外光到紫外光的整个波段，可以有效增强底部的反光效果，下反射层的反射率将远高于上反射层的反射率，VCSEL的出光效率得到极大提高。另外，多层硼烯薄膜依次层叠形成的下反射层厚度整体较薄，不会影响到VCSEL的外延生长。
而且发光区在发出光线的同时还会产生热量，硼烯在常温下的导热性能有限，无法将产生的热量有效传导出去，导致VCSEL发热进而升温，影响VCSEL的性能，最终降低VCSEL的正面出光效率。本发明实施例在硼烯薄膜和衬底之间设置石墨烯或者砷化硼形成的散热层，石墨烯和砷化硼都具有良好的散热性能，可以将集聚在下反射层的热量及时传导出去，避免热量累积影响导致VCSEL温度升高，影响发光区发出光线，保证VCSEL的出光效率。另外，石墨烯来说的性能与硼烯薄膜类似，砷化硼具有与硼烯薄膜相同的硼元素，并且石墨烯和砷化硼都和衬底一样是半导体材料，将石墨烯或者砷化硼形成的散热层***在硼烯薄膜和衬底之间，也不会影响到VCSEL的外延生长。
可选地，每层硼烯薄膜211的厚度可以为0.3nm～0.5nm，如0.4nm。硼烯薄膜很薄，即使层叠多个也不会影响到原来的外延生长。
在实际应用中，每层硼烯薄膜的厚度也可以小于0.3nm或者大于0.5nm，此时多层硼烯薄膜依次层叠形成的下反射层的反射率还是会比GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构形成的上反射层高，VCSEL的出光效率得到提高。
进一步地，下反射层21中硼烯薄膜211的数量可以为80个～150个，如120个。当下反射层中硼烯薄膜的数量为80个～150个时，下反射层具有99％以上的反射率和几乎为0的吸光率，可以有效提高具有99％以上的反射率和几乎为0的吸光率，有效提高VCSEL的出光效率。
在实际应用中，下反射层21中硼烯薄膜211的数量也可以小于80个或者大于150个，此时依然可以利用光线射入多层硼烯薄膜内的多次反射、以及每层硼烯薄膜表面呈现出的“褶皱”对光线方向的增加，提高下反射层的反射率，提高VCSEL的出光效率。
可选地，如图2所示，下反射层21还可以包括纳米Ag层212，纳米Ag层212位于衬底10和多层硼烯薄膜211之间，以利用纳米Ag层在衬底上形成硼烯薄膜。
进一步地，纳米Ag层的厚度可以为2nm～5nm，如3.5nm。当纳米Ag层的厚度为2nm～5nm时，既能实现硼烯薄膜的沉积，也可以避免材料的浪费。
在实际应用中，纳米Ag层的厚度也可以大于5nm，此时也能实现硼烯薄膜的沉积。
在实际应用中，上反射层22的反射率低于下反射层21的反射率，以使光线从正面射出。示例性地，上反射层22可以包括依次层叠的多个周期结构，每个周期结构包括GaAs层和AlAs层，或者每个周期结构包括两个组分含量不同的AlGaAs层，有利于维持整体的晶格结构。其中，两个组分含量不同的AlGaAs层中含量不同的组分可以为Al和Ga中的至少一个。
可选地，散热层20可以为叠层结构或者颗粒阵列。散热层为叠层结构，实现方便，而且散热效果好。
进一步地，当散热层20为叠层结构，且散热层20的材料采用石墨烯时，散热层20的厚度可以为0.3nm～0.5nm，既能将下反射层集聚的热量及时传导出去，也不会影响到VCSEL的外延生长。
在实际应用中，散热层20的厚度也可以大于0.5nm，此时也可以将下反射层集聚的热量及时传导出去。
进一步地，当散热层20为叠层结构，且散热层20的材料采用砷化硼时，散热层20的厚度可以为20nm～30nm，既能将下反射层集聚的热量及时传导出去，也不会造成材料的浪费。
在实际应用中，散热层20的厚度也可以大于30nm，此时也可以将下反射层集聚的热量及时传导出去。
进一步地，当散热层为颗粒阵列时，颗粒阵列中颗粒的粒径与相邻两个颗粒之间的距离之比可以为1:1～2:1，可以将下反射层集聚的热量及时传导出去。
在本实施例中，衬底10可以为GaAs。发光区30可以包括依次层叠的第一N型半导体层、第一有源层和第一P型半导体层；第一N型半导体层的材料可以采用N型掺杂的GaAs或者InP；第一P型半导体层的材料可以采用P型掺杂的GaAs或者InP；第一有源层可以为InGaAs量子阱、InGaAsN量子阱、InGaAs量子点、InGaNAs量子点中的一个。上金属电极41和下金属电极42的材料可以采用金(Au)、铝(Al)、镍(Ni)、铂(Pt)、铬(Cr)、钛(Ti)中的一种或多种。
图3为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的俯视图。参见图3和图1，在实际应用中，上金属电极41可以设置在上反射层22的上表面的整个边缘区域上，同时上反射层22的上表面的中心区域露出。例如，如图3所示，上反射层22的上表面为圆形，上金属电极41为沿上反射层22的上表面边缘设置的环形结构。另外，下金属电极42铺设在衬底10的整个第二表面上。
由于上金属电极41设置在上反射层22的上表面的整个边缘区域上，因此上金属电极41可以将电流均匀注入到发光区30中，同时上反射层22的上表面的中心区域露出，使得发光区30发生的光线可以集中从上反射层22的中心区域射出，形成理想的点光源。
可选地，该垂直腔面发射激光器还可以包括PN结51和中间电极52，PN结51设置在衬底10的第一表面上，中间电极52和下反射层21间隔设置在叠层结构51上。PN结和中间电极、下金属电极42组成光电二极管，当发光区发出的光线射到PN结时，PN结内的载流子吸收光子进行迁移，导致PN结内的电流增大，实现对发光区发光光线的检测。在实际应用中，可以基于PN结的检测结果，控制发光区的发光，从而达到较好的使用效果。而且整体器件共用衬底和电极，集成度高，实现成本低。
具体地，PN结51可以包括依次层叠的第二N型半导体层、第二有源层和第二P型半导体层；第二N型半导体层的材料可以采用N型掺杂的GaAs或者InP；第二P型半导体层的材料可以采用P型掺杂的GaAs或者InP；第二有源层可以为InGaAs量子阱、InGaAsN量子阱、InGaAs量子点、InGaNAs量子点中的一个。中间电极52的材料可以采用金(Au)、铝(Al)、镍(Ni)、铂(Pt)、铬(Cr)、钛(Ti)中的一种或多种。
在实际应用中，如图1和图3所示，下反射层21可以设置在PN结51的上表面的中心区域上，中间电极52设置在PN结51的上表面的整个边缘区域上，发光区30发生的光线可以集中从上反射层22的中心区域射出，形成理想的点光源。
本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器的制作方法，适用于制作图1所示的垂直腔面发射激光器。图4为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。参见图4，该制作方法包括：
步骤201：在衬底的第一表面上依次形成散热层、下反射层、发光区、上反射层、上金属电极。
在本实施例中，下反射层包括依次层叠的多层硼烯薄膜，散热层的材料采用石墨烯或者砷化硼。
可选地，下反射层可以采用如下方式形成：
在散热层上形成纳米Ag层；
在真空环境中控制蒸发形成的B原子在纳米Ag层上沉积，形成硼烯薄膜。
通过先形成纳米Ag层，可以实现硼烯薄膜的形成。
进一步地，在散热层上形成纳米Ag层，可以包括：
利用甩胶机将纳米Ag溶液均匀铺设在衬底上；
对纳米Ag溶液进行加热，在衬底上形成纳米Ag层。
通过甩胶技术在衬底上均匀形成纳米Ag层。
示例性地，在真空环境中控制蒸发形成的B原子在纳米Ag层上沉积，形成硼烯薄膜，可以包括：
将衬底放入反应室内，并对反应室进行抽真空；
采用化学气相沉积(英文：Chemical Vapor Deposition，简称：CVD)控制蒸发形成的B原子在纳米Ag层上沉积，形成硼烯薄膜。
利用PVD技术实现硼烯薄膜的沉积，简单方便。
进一步地，反应室内的温度可以为500℃～800℃，如650℃；反应室内的压力可以为10-8torr～10-6torr，如10-7torr，可以有效控制硼烯薄膜中杂质的含量，使得形成的硼烯薄膜质量较好。
优选地，纳米Ag层的厚度可以为2nm～5nm，有利于硼烯薄膜的沉积。
可选地，当散热层的材料采用石墨烯时，散热层可以采用如下方式形成：
采用化学气相沉积技术在镍金属基板上制备石墨烯薄膜；
在石墨烯薄膜上涂覆第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料；
采用金属腐蚀液溶解镍金属基板；
移动第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将石墨烯薄膜转移至衬底上；
在第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料上涂覆第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将石墨烯薄膜紧密贴合在衬底上；
加热第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料紧密粘合；
将第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料浸在丙酮溶液中加热去除。
可选地，当散热层的材料采用砷化硼时，可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)工艺形成。发光区和上反射层可以采用MOCVD工艺形成。上金属电极可以采用真空蒸镀工艺形成。另外，可以通过光刻工艺实现上金属电极的图形化。
步骤202：在衬底的第二表面上形成下金属电极，衬底的第二表面与衬底的第一表面相对。
可选地，下金属电极也可以采用真空蒸镀工艺形成。
可选地，该制作方法还可以包括：
在步骤201之前，在衬底的第一表面上形成PN结。
在步骤201之后，在上反射层上开设延伸至PN结的凹槽；在凹槽内的PN结上形成中间电极。
进一步地，PN结可以采用MOCVD工艺形成，中间电极可以采用真空蒸镀工艺形成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器包括衬底(10)、散热层(20)、下反射层(21)、发光区(30)、上反射层(22)、上金属电极(41)和下金属电极(42)；所述散热层(20)、所述下反射层(21)、所述发光区(30)、所述上反射层(22)和所述上金属电极(41)依次层叠在所述衬底(10)的第一表面上，所述下金属电极(42)设置在所述衬底(10)的第二表面上，所述衬底(10)的第二表面与所述衬底(10)的第一表面相对；所述下反射层(21)包括依次层叠的多层硼烯薄膜(211)，所述散热层(20)的材料采用石墨烯或者砷化硼。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，每层所述硼烯薄膜(211)的厚度为0.3nm～0.5nm，所述下反射层(21)中硼烯薄膜(211)的数量为80个～150个。
3.根据权利要求1或2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述下反射层还包括纳米Ag层(212)，所述纳米Ag层(212)位于所述散热层(20)和所述多层硼烯薄膜(211)之间。
4.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述纳米Ag层(212)的厚度为2nm～5nm。
5.根据权利要求1或2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述散热层(20)为叠层结构或者颗粒阵列。
6.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，当所述散热层(20)为叠层结构，且所述散热层(20)的材料采用石墨烯时，所述散热层(20)的厚度为0.3nm～0.5nm；当所述散热层(20)为叠层结构，且所述散热层(20)的材料采用砷化硼时，所述散热层(20)的厚度为20nm～30nm。
7.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，当所述散热层(20)为颗粒阵列时，所述颗粒阵列中颗粒的粒径与相邻两个颗粒之间的距离之比为1:1～2:1。
8.一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底的第一表面上依次形成散热层、下反射层、发光区、上反射层、上金属电极；
在衬底的第二表面上形成下金属电极，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对；
其中，所述下反射层包括依次层叠的多层硼烯薄膜，所述散热层的材料采用石墨烯或者砷化硼。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述下反射层采用如下方式形成：
在所述散热层上形成纳米Ag层；
在真空环境中控制蒸发形成的B原子在所述纳米Ag层上沉积，形成硼烯薄膜。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述真空环境中的压力为10-8torr～10-6torr。
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