CN106611934A - 采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器(VCSEL)及其制备方法。所述面发射激光器的出光端面上分布有石墨烯桥接层，所述石墨烯桥接层连续覆盖出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极，且所述石墨烯桥接层还与出光端面电极以及出光端面外接电极电性接触而共同形成所述激光器的上表面电极。本发明通过采用石墨烯材料作为桥接层，其具有优异柔韧性，不易断裂，能有效避免VCSEL隔离槽上电极金属容易断裂的问题，提高了激光器的稳定性，同时其还具有导电性好、透光性好等优点，能有效减少对器件发光的吸收，进一步提升激光器性能，还可大幅降低器件生产成本。本发明采用的VCSEL制备工艺与传统III‑V族制作工艺兼容，工艺流程简单易于实施。

Description

采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种面发射激光器及其制备方法，特别涉及一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器及其制备方法，属于激光器领域。

背景技术

垂面发射激光器(VCSEL)具有阈值低、波长稳定性好、光发散角小、与光纤耦合效率高易于实现高密度集成等优点，是光通讯、高密度存储器、激光打印、激光显示、光信息处理等光电子领域不可缺少的重要器件之一。为了能有效地形成光限制和电流限制，VCSEL经常采用隔离槽结构，通过干法刻蚀或湿法腐蚀等在器件发光端面形成具有一定深度的隔离槽。隔离槽中间的发光端面的电极面积较小难以直接与驱动电路连接，通常需要在隔离槽外制备面积较大电极进行电流注入，同时需要将隔离槽两侧的电极进行连接形成电流回路。传统的电极制备需要对隔离槽进行填充，通过金属桥接实现隔离槽两侧电极导通，但目前采用隔离槽填充物多为一些有机胶，这些胶耐温性较差，高低温时体积变化较大，容易导致上面的桥接金属层断裂，导致器件失效。

因此，如何改善VCSEL隔离槽两侧的电极桥接可靠性，进而改善器件的工作稳定性，已经成为目前VCSEL制备中亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器及其制备方法，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

在一些实施例中提供了一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器，其出光端面上分布有石墨烯桥接层，所述石墨烯桥接层连续覆盖出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极，且所述石墨烯桥接层还与出光端面电极以及出光端面外接电极电性接触而共同形成所述激光器的上表面电极。

在一些实施例中还提供了一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器的制备方法，其包括：提供面发射激光器外延片，并在所述外延片的出光面上设置出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极、下表面电极和石墨烯桥接层，且使所述石墨烯桥接层连续覆盖出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极，并使所述石墨烯桥接层与出光端面电极以及出光端面外接电极电性接触而共同形成所述激光器的上表面电极，从而制得所述激光器。

较之现有技术，本发明至少具有如下优点：

(1)通过采用石墨烯材料作为桥接层，其具有优异柔韧性，不易断裂，能有效避免VCSEL隔离槽上电极金属容易断裂的问题，提高了激光器的稳定性，同时其还具有导电性好、透光性好等优点，能有效减少对器件发光的吸收，进一步提升激光器性能，还可大幅降低器件生产成本；

(2)采用的VCSEL制备工艺与传统III-V族制作工艺兼容，工艺流程简单易于实施。

附图说明

图1a-图1b为本发明一典型实施例中一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器外延片的俯视图及剖视图；

图2a-图2b为本发明一典型实施例中一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器的俯视图及剖视图；

图3为本发明一典型实施例中一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器的制备工艺流程图；

附图标记说明：衬底01、下DBR层02、下限制层03、有源区04、上限制层05、氧化限制层06、上DBR层07、接触层08、出光端面电极09、出光端面外接电极10、隔离槽11、石墨烯桥接层12、下表面电极13和绝缘层14。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术的不足，例如采用沟槽填充后用金属进行电极连接的方法容易导致金属断裂的问题，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，如下将作详细说明。

本发明的一个方面提供了一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器，其中激光器发光端面采用一层石墨烯材料覆盖隔离槽使端面电极与外电极导通，共同形成激光器的上表面电极。

更为具体的，在一些实施例中，所述面发射激光器的出光端面上分布有石墨烯桥接层，所述石墨烯桥接层连续覆盖出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极，且所述石墨烯桥接层还与出光端面电极以及出光端面外接电极电性接触而共同形成所述激光器的上表面电极。

进一步的，所述激光器结构包括隔离槽、出光端面电极、出光端面外接电极、石墨烯桥接层和下表面电极。

更进一步的，所述面发射激光器包括沿设定方向依次设置的下表面电极、外延结构层和上表面电极，所述激光器的出光端面上分布有隔离槽，所述隔离槽环绕设置于所述出光端面电极周围，从而将出光端面电极与出光端面外接电极隔离。

进一步的，所述面发射激光器包括沿设定方向依次设置的下表面电极、衬底、下DBR层、下限制层、有源区、上限制层、氧化限制层、上DBR层、接触层和上表面电极。

进一步的，所述激光器的出光端面上除出光端面电极、出光孔以及隔离槽区域外均分布有绝缘层。

进一步的，所述石墨烯桥接层包括石墨烯薄膜。

其中，所述面发射激光器可以是中远红外晶格异变激光器等，且不限于此。

本发明的另一个方面还提供了一种制备所述激光器的方法，其可以包括：生长VCSEL外延片，在VCSEL外延片上依次制备绝缘层、隔离槽、出光端面电极、出光端面外接电极、石墨烯桥接层和下表面电极，获得目标产物。

在一些实施例中，所述制备方法可以包括：提供面发射激光器外延片，并在所述外延片的出光面上设置出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极、下表面电极和石墨烯桥接层，且使所述石墨烯桥接层连续覆盖出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极，并使所述石墨烯桥接层与出光端面电极以及出光端面外接电极电性接触而共同形成所述激光器的上表面电极，从而制得所述激光器。

进一步的，所述的制备方法还包括：在所述激光器的出光端面上除出光端面电极、出光孔以及隔离槽区域外设置绝缘层。

进一步的，所述的制备方法包括：通过在所述激光器的出光面上直接生长石墨烯薄膜而形成石墨烯桥接层；或者，通过将石墨烯薄膜转移并固定在所述激光器的出光面上而形成石墨烯桥接层。

进一步的，所述的制备方法包括：通过湿法转移或CVD方法制备形成所述的石墨烯桥接层。

进一步的，所述的制备方法包括：于衬底上依次设置下DBR层、下限制层、有源区、上限制层、氧化限制层、上DBR层和接触层而形成所述面发射激光器外延片。

本发明提供的采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器能有效避免VCSEL隔离槽上电极金属容易断裂的问题，拓宽了器件电极材料的选择范围，提高激光器的稳定性，同时该VCSEL的工艺与传统III-V族制作工艺兼容，制备方法成熟，工艺流程简单，并可大大降低器件生产成本，为VCSEL上表面电极的制备提供了一条新途径。

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做详细说明。

请参阅附图1a-1b及图2a-2b所示是本发明一典型实施例中一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器的外延片及器件成品的结构示意图。

该采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器包括衬底01、下DBR层02、下限制层03、有源区04、上限制层05、氧化限制层06、上DBR层07、接触层08、隔离槽11、出光端面电极09、出光端面外接电极10、石墨烯桥接层12、下表面电极13和绝缘层14。

所述面发射激光器的上表面电极包括出光端面电极09、出光端面外接电极10、石墨烯桥接层12，出光端面电极09和出光端面外接电极10通过石墨烯桥接层12连接。

所述面发射激光器的制备可以包括：生长VCSEL外延片，在VCSEL外延片上依次制备绝缘层14、隔离槽11、出光端面电极09、出光端面外接电极10、石墨烯桥接层12和下表面电极13，获得目标激光器。

所述面发射激光器之中，石墨烯桥接层可以通过湿法转移或CVD方法制备。作为一种优选的实施方式，所述的石墨烯桥接层可以通过湿法转移制备。

请参阅图3是一种制备所述面发射激光器的制备工艺流程图，其可以包括如下步骤：

步骤S301，采用MOCVD外延生长技术在VCSEL衬底01上依次生长下DBR层02、下限制层03、有源区04、上限制层05、氧化限制层06、上DBR层07、接触层08，完成器件的外延结构。

步骤S302，生长绝缘层，采用ICP刻蚀工艺在外延片上形成隔离槽结构11，通过湿法氧化在氧化限制层06形成氧化孔。

所述隔离槽通过湿法腐蚀或干发刻蚀制备。优选的，隔离槽采用ICP刻蚀完成。

所述的氧化孔采用高铝组分的化合物半导体材料，通过氧化形成氧化孔。优选的，氧化孔通过湿法氧化形成。

步骤S303，在器件发光端面形成出光孔端面电极09和外接电极10，采用湿法转移技术在发光端面制备一层石墨烯桥接层12使光孔端面电极09和外接电极10导通，制备下表面电极13形成最终器件。

所述激光器石墨烯桥接层可以通过湿法转移或CVD方法制备。优选的，石墨烯桥接层通过湿法转移制备。

采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器能有效提高激光器的稳定性，制备方法成熟，工艺流程简单，大大降低了生产成本。

更为具体的，请再次参阅图1a-图1b及图2a-图2b，在本发明的一优选实施例中，可采用MOCVD方法生长所述的VCSEL外延结构并通过工艺完成器件的制备，具体如下：

(1)采用MOCVD方法生长下DBR层02、下限制层03、有源区04、上限制层05、氧化限制层06、上DBR层07、接触层08，完成器件的外延层结构。

(2)生长绝缘层14，采用ICP刻蚀工艺在外延片上形成隔离槽结构11。

(3)通过湿法氧化在氧化限制层11形成氧化孔径。

(4)通过电子束蒸发和lift-off工艺在器件发光端面形成出光孔端面电极09和外接电极10。

(5)采用湿法转移技术在发光端面制备一层石墨烯桥接层12使光孔端面电极09和外接电极10导通，形成上表面电极。

(6)通过电子束蒸发在器件下表面蒸镀金属形成下表面电极13。

在本发明的器件及制备工艺之中，器件中各结构层的材质、尺寸及制备工艺中各工序的操作及工艺条件均可以选用业界已知的任何合适材料或条件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器，其特征在于所述激光器的出光端面上分布有石墨烯桥接层，所述石墨烯桥接层连续覆盖出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极，且所述石墨烯桥接层还与出光端面电极以及出光端面外接电极电性接触而共同形成所述激光器的上表面电极。

2.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于包括沿设定方向依次设置的下表面电极、外延结构层和上表面电极，所述激光器的出光端面上分布有隔离槽，所述隔离槽环绕设置于所述出光端面电极周围，从而将出光端面电极与出光端面外接电极隔离。

3.根据权利要求2所述的面发射激光器，其特征在于包括沿设定方向依次设置的下表面电极、衬底、下DBR层、下限制层、有源区、上限制层、氧化限制层、上DBR层、接触层和上表面电极。

4.根据权利要求2-3中任一项所述的面发射激光器，其特征在于所述激光器的出光端面上除出光端面电极、出光孔以及隔离槽区域外均分布有绝缘层。

5.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于所述石墨烯桥接层包括石墨烯薄膜。

6.一种采用石墨烯进行电极搭桥的面发射激光器的制备方法，其特征在于包括：提供面发射激光器外延片，并在所述外延片的出光面上设置出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极、下表面电极和石墨烯桥接层，且使所述石墨烯桥接层连续覆盖出光端面电极、隔离槽和出光端面外接电极，并使所述石墨烯桥接层与出光端面电极以及出光端面外接电极电性接触而共同形成所述激光器的上表面电极，从而制得所述激光器。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于还包括：在所述激光器的出光端面上除出光端面电极、出光孔以及隔离槽区域外设置绝缘层。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于包括：通过在所述激光器的出光面上直接生长石墨烯薄膜而形成石墨烯桥接层；或者，通过将石墨烯薄膜转移并固定在所述激光器的出光面上而形成石墨烯桥接层。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于包括：通过湿法转移或CVD方法制备形成所述的石墨烯桥接层。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于包括：于衬底上依次设置下DBR层、下限制层、有源区、上限制层、氧化限制层、上DBR层和接触层而形成所述面发射激光器外延片。