CN102868091A

CN102868091A - 应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器

Info

Publication number: CN102868091A
Application number: CN2012103388378A
Authority: CN
Inventors: 徐晨; 毛明明; 许坤; 孙捷; 解意洋; 刘久澄; 邓军; 朱彦旭
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2013-01-09

Abstract

一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，属于半导体光电子技术领域。包括下电极10，N型衬底2，N型分布布拉格反射镜31，有源层4，电流限制层5，P型分布布拉格反射镜32，欧姆接触层6，石墨烯电流扩展层7，上电极11。利用石墨烯薄膜的高导电性，良好的透光率及导热性来用作顶发射型垂直腔面发射激光器的表面电流扩展层，提高大功率垂直腔面发射激光器性能。解决之前电流扩展差，电流注入拥挤的问题。而石墨烯在紫外和近红外区透光率远高于常用的氧化铟锡透明导电膜（ITO），其纳米级的厚度也不会给器件带来有关光干涉的影响。

Description

应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率垂直腔面发射激光器，特别是顶发射的大功率垂直腔面发射激光器。

背景技术

对于大功率的垂直腔面发射激光器，要增加输出功率，必然要求出光面积增大，易导致注入的电流集中于电极环边缘，不能有效流经整个出光面而注入到有源区。致使电流扩展不均匀，局部发热严重，影响器件模式。如采用表面过高的掺杂的方法来增加电流扩展，又会增加因载流子引起的光的吸收。为解决大功率面发射激光器电流扩展和散热的问题人们采用倒装技术，即激光从衬底方向一侧出射（底发射）。这种方法工艺复杂，成品率较低。

自2004年英国Manchester大学的A.K.Geim小组利用机械剥离方法制备出单原子层的石墨样品（即石墨烯）以来，由于其优越的性质而受到研究者们越来越多的关注。如室温下的电子迁移率高达~10000cm²/（v*s），其导电性可与金属铜相比，在可见光范围的透光率可达97.7%，远高于导电薄膜。同时，石墨烯具有高柔性，在6％的应变下，石墨烯方阻不会变化，还具有突出的导热性能（3000W/（m·K））等。

利用石墨烯的高导电性，良好的透光率及导热性，可以将其移植到普通正装大功率激光器的出光表面来解决之前电流扩展差，电流注入拥挤，散热性能不好的问题。特别是其在紫外和近红外区透光率远高于常用的氧化铟锡薄膜（ITO），而其纳米级的厚度也不会给器件带来光干涉的影响。从而提高顶发射型垂直腔面发射激光器的性能，此方法可作为大功率垂直腔面发射激光器的一种实现方案。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，其是在普通正装面发射激光器结构基础之上，利用石墨烯薄膜的高导电性，良好的透光率及导热性来用作表面电流扩展层，提高其光电特性。

本发明采用如下技术方案：

一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，从下至上依次为下电极10，N型衬底2，N型分布布拉格反射镜31，有源层4，电流限制层5，P型分布布拉格反射镜32，欧姆接触层6，石墨烯薄膜电流扩展层7，上电极11；其特征在于，利用外延生长的办法在N型衬底2上依次生长出除上下电极和石墨烯电流扩展层的各层结构。

电流限制层5上经由质子注入方式形成电流限制区域51或经由湿法氧化方式形成电流限制区域52。

N型分布布拉格反射镜31为多对，为折射率周期性交替变化的半导体材料组成，且厚度满足λ/4n₁和λ/4n₂，其中λ为激射的波长，n₁和n₂分别为两种材料的折射率。

有源层4为单量子阱结构，或多量子阱结构，或多有源区级联结构，或量子点发光结构。

P型分布布拉格反射镜32为多对，为折射率交替变化的半导体材料组成，且厚度满足λ/4n₁和λ/4n₂，其中λ为激射的波长，n₁和n₂分别为两种材料的折射率。

N型分布布拉格反射镜31的对数要高于P型分布布拉格反射镜32的对数2~15对，使得N侧的反射率高于P侧从而使激光从顶部发射。

欧姆接触层6为掺杂浓度达～1E19的P型半导体材料。

石墨烯薄膜电流扩展层7为单层或多层石墨烯薄膜材料。

大功率垂直腔面发射激光器的工作波长覆盖紫外到红外波段。

本发明的有益效果是，用单层或多层石墨烯薄膜来做电流扩展层，利用石墨烯导电率高，透光性好，导热率高的性质来改善顶发射的大功率垂直腔面发射激光器性能。可避免采用表面过高的掺杂的方法来增加电流扩展，会增加因载流子引起的光的吸收的问题。而石墨烯在紫外和近红外区透光率远高于常用的氧化铟锡薄膜（ITO），而其纳米级的厚度也不会给器件带来光干涉的影响。

附图说明

图1：本发明中应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器示意图；

图2：利用质子注入方式形成电流限制路径的石墨烯表面电流扩展层的大功率垂直腔面发射激光器的示意图；

图3：利用湿法氧化方式形成电流限制路径的石墨烯表面电流扩展层的大功率垂直腔面发射激光器的示意图；

图中：10、下电极，11、上电极，2、N型衬底，31、N型分布布拉格反射镜，32、P型分布布拉格反射镜，4、有源层，5、电流限制层，51质子注入形成的高阻电流限制区域，52、湿法氧化方式形成的高阻电流限制区域，6、欧姆接触层，7、石墨烯薄膜电流扩展层，8、二氧化硅钝化层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步说明：

实施例1：

如图2所示，其制备过程如下：

在N型衬底2上利用MOVCD的外延办法或MBE的外延办法依次生长N型分布布拉格反射镜31，有源层4，电流限制层5，P型分布布拉格反射镜32，欧姆接触层6。

利用光刻技术在表层的欧姆接触层6上做好质子注入的掩膜。

在掩膜的保护下用高能质子轰击样品，形成具有质子注入形成的高阻电流限制区域51的电流限制路径。

去除掩膜，利用石墨烯薄膜转移技术将石墨烯薄膜转移至表面，形成表面电流扩展层7。

溅射上电极11，减薄衬底2后溅射背面电极10。

形成具有质子注入形成的高阻电流限制区域51的大功率面发射激光器。

实施例2：

如图3所示，其制备过程如下：

利用光刻技术做好刻蚀的掩膜，在掩膜保护下进行ICP刻蚀，刻蚀出如图3所示的大台面结构，露出电流限制层5。

用湿法氧化技术对露出的电流限制层5进行氧化，形成湿法氧化方式形成的高阻电流限制区域52的电流限制路径。

PECVD淀积二氧化硅8进行钝化保护，并开出出光孔径。

利用石墨烯薄膜转移技术将石墨烯薄膜转移至表面，形成表面电流扩展层7。

溅射上电极11，减薄衬底2后溅射背面电极10。

形成具有湿法氧化方式形成的高阻电流限制区域52的大功率面发射激光器。

Claims

1.一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，从下至上依次为下电极（10），N型衬底（2），N型分布布拉格反射镜（31），有源层（4），电流限制层（5），P型分布布拉格反射镜（32），欧姆接触层（6），石墨烯薄膜电流扩展层（7），上电极（11）；其特征在于，利用外延生长的办法在N型衬底（2）上依次生长出除上下电极和石墨烯电流扩展层的各层结构。

2.如权利要求1所述的一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，其特征在于，电流限制层（5）上经由质子注入方式形成电流限制区域（51）或经由湿法氧化方式形成电流限制区域（52）。

3.如权利要求1或权利要求2所述的一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，其特征在于，N型分布布拉格反射镜（31）为多对，为折射率周期性交替变化的半导体材料组成，且厚度满足λ/4n₁和λ/4n₂，其中λ为激射的波长，n₁和n₂分别为两种材料的折射率。

4.如权利要求1或权利要求2所述的一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，其特征在于，有源层（4）为单量子阱结构，或多量子阱结构，或多有源区级联结构，或量子点发光结构。

5.如权利要求1或权利要求2所述的一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，其特征在于，P型分布布拉格反射镜（32）为多对，为折射率交替变化的半导体材料组成，且厚度满足λ/4n₁和λ/4n₂，其中λ为激射的波长，n₁和n₂分别为两种材料的折射率。

6.如权利要求5所述的一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，其特征在于，N型分布布拉格反射镜（31）的对数要高于P型分布布拉格反射镜（32）的对数2~15对，使得N侧的反射率高于P侧从而使激光从顶部发射。

7.如权利要求1所述的一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，其特征在于，欧姆接触层（6）为掺杂浓度达～1E19的P型半导体材料。

8.如权利要求1所述的一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，其特征在于，石墨烯薄膜电流扩展层（7）为单层或多层石墨烯薄膜材料。

9.如权利要求1所述的一种应用石墨烯表面电流扩展层的大功率面发射激光器，其特征在于，该大功率垂直腔面发射激光器的工作波长覆盖紫外到红外波段。