CN107069423B - 一种垂直腔面发射半导体激光器制备方法 - Google Patents

一种垂直腔面发射半导体激光器制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射半导体激光器电极，该电极可有效解决垂直腔面发射半导体激光器电极制备工艺复杂、光面积小的问题。该电极为石墨烯材料，用化学气相沉积(CVD)方法将石墨烯薄膜制备在铜箔上，然后通过有胶迁移的方式将石墨烯薄膜迁移到垂直腔面发射半导体激光器芯片衬底和P‑DBR侧的外表面，最后在出光侧石墨烯薄膜层上制备金接触点并引出金属导线。这种电极利用石墨烯材料零带隙、高的导电导热特性，有效的提高了垂直腔面发射半导体激光器的出光面积，同时具有较好的导电特性和散热特性，使器件在较大出光口径时保持电流均匀注入，器件产生的热量能够快速有效散失，实现器件输出功率的提高并保持较好的光斑质量。

Description

一种垂直腔面发射半导体激光器制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种垂直腔面发射半导体激光器的制备方法。
背景技术
近年来，随着信息化社会的不断发展，高精度的激光测量技术、激光加工技术以及大容量、高速度的光信息存储、交换、传输和处理技术发展迅速，这主要依赖于光电子器件技术及光纤通讯技术的重大突破，而半导体激光器则是在信息化社会最具有代表性的关键光电子器件之一。半导体激光器从1970年实现室温连续输出至今，已经在光纤通信，激光扫描，激光加工，高功率光泵浦等领域得到广泛的应用，并且其结构已经呈现多样化以满足不同应用需求。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于可以在衬底上并列集成多个激光器，在新的光电子领域中起着越来越重要的作用。与传统的边发射激光器(EEL)不同，垂直腔面发射激光器是光从垂直于半导体衬底表面方向出射的一种新型半导体激光器，具有单纵模、发散角小、圆形对称光斑、耦合效率高、阈值低、调制速率高、体积小、可二维集成、价格低等很多优点。三十多年来，随着材料外延技术的发展及器件制备工艺的提高，垂直腔面发射激光器的性能也不断提高，并逐步从实验室走向市场，广泛应用于光纤通讯、激光打印、泵浦固体及光纤激光器等领域。
典型的垂直腔面发射激光器由高反射率(>99％)的上下DBR(Distributed BraggReflectors：分布布拉格反射)反射镜、有源区和金属接触层组成。量子阱有源区夹在n-DBR和p-DBR之间。DBR反射镜由光学厚度为λ/4的高折射率层和低折射率层交替生长而成。VCSEL器件常制作成圆形、方形和环形结构，分别在衬底和p-DBR的外表面制作金属接触层，并在p-DBR或n-DBR上制作一个圆形出光窗口。相比传统的边发射半导体激光器结构，垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)由于不存在常规边发射半导体激光器件的光学腔面损伤，并且具有低的阈值电流和高的工作温度，圆形对称输出光斑等多种优点，近年来受到了高温低能耗器件应用上的广泛关注。另外，VCSEL器件为表面出光，易于实现高的集成密度，因而在高功率激光应用上也有重要意义，被大量应用于多种领域的光学系统中，如光网络，平行光互连系统，激光打印，高密度存储光盘，光纤激光器泵浦等。
传统VCSEL器件通常在衬底和p-DBR的外表面制作金属接触层，然后在p-DBR或n-DBR上制作一个圆形出光窗口，并在金属接触层上制备金属电极实现VCSEL器件。金属接触层为半导体材料对有源区发射的光子有一定的吸收并产生热量，降低器件的转换效率和器件性能。同时，金属电极制备在金属接触层上，金属电极不透光，环形的金属电极降低了VCSEL器件的出光面积，进而限制了高功率器件的制备。对于P面为环形电极时，当口径较大时，其电流分布不均匀，容易导致差的光斑质量。因此，寻找一种VCSEL器件电极实现器件出光面积的提高，电流分布的均匀性，对于改善器件光斑质量提高器件输出功率具有重要意义。
发明内容
本发明提出一种垂直腔面发射半导体激光器制备方法，该方法使用材料为单层或多层石墨烯薄膜材料，石墨烯薄膜层在垂直腔面发射半导体激光器芯片的衬底和P-DBR侧的外表面，其中在出光面一侧激光器芯片已经刻蚀出圆形出光窗口，然后在圆形出光窗口侧P-DBR(或衬底)外表面的石墨烯薄膜层上制作金接触点，在金接触点上引出金属导线，衬底(或P-DBR)外表面的石墨烯薄膜层用焊料焊接在热沉上，完成垂直腔面发射半导体激光器的制备，这种垂直腔面发射半导体激光器制备方法利用石墨烯材料独特的零带隙能带结构和良好的导电特性，对有源区发射的光子不存在吸收，可以增大器件的出光面积，避免了在传统器件中由于金属接触层的存在对有源区光子的吸收而产生大量的热，这种电极较好的导电特性可以使器件电流分布均匀，在出光口径较大时保持电流均匀分布，进而使器件保持较好的光斑质量，同时，石墨烯材料的超高导热特性可实现器件产生热量的快速散失，使器件具有较好的散热性能。本发明提出的这种垂直腔面发射半导体激光器制备方法，可使垂直腔面发射半导体激光器器件具有更大的出光面积，提高器件输出功率，这种方法可使器件具有电流分布均匀，产生热量较少，散热较快等优点，从而实现光斑质量较好高功率高性能垂直腔面发射半导体激光器器件。
本发明提出一种垂直腔面发射半导体激光器制备方法，该方法所用材料为单层或多层石墨烯材料，采用化学气相沉积(CVD)方法制备在铜箔上，然后采用有胶迁移的方式将石墨烯薄膜层迁移至垂直腔面发射半导体激光器芯片上，所述激光器制备方法包括以下步骤：1、垂直腔面发射半导体激光器芯片的制备；2、石墨烯薄膜层材料的制备；3、石墨烯薄膜层迁移在垂直腔面发射半导体激光器芯片的衬底和P-DBR外表面；4、在出光窗口一侧(P-DBR或衬底)表面的石墨烯薄膜层制备金接触点；5、在P-DBR(或衬底)石墨烯薄膜层上的金接触点引出金属导线，然后将衬底(或P-DBR)外表面用焊料焊接在热沉上，完成激光器制备。
本发明提出的这种垂直腔面发射半导体激光器制备方法，其优点是该方法所用材料为石墨烯材料，石墨烯为零带隙材料，有源区发射的光子可以透过这种材料，且这种材料对有源区发射的光子不存在吸收，避免了由于吸收光子而产生热量，并且可以实现较大的出光面积实现高功率器件，同时这种材料导电性好可以使器件电流分布均匀使器件具有较好的光斑质量，这种材料具有超高导热性能使器件具有良好的散热性能，本发明提出的这种制备方法工艺简单，可以使器件实现较大的出光面积，使器件出光面得到充分利用实现高功率输出，该方法所制备器件能够使器件电流分布均匀，获得质量较好的输出光斑，同时可减少器件热量产生并使器件能够快速散热，获得高性能垂直腔面发射半导体激光器器件。
附图说明
图1为本发明实施例中通过所述制备方法制备的一种垂直腔面发射半导体激光器电极及与激光器芯片构成的器件结构示意图。
图2为图1中器件结构示意图的俯视图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提出一种垂直腔面发射半导体激光器制备方法，该方法所用材料为单层或多层石墨烯薄膜材料，该方法首先采用化学气相沉积(CVD)方法制备在铜箔上，然后将石墨烯薄膜层从铜箔上迁移到垂直腔面发射半导体激光器芯片上。本发明提出的这种电极制备工艺简单，可以使器件实现较大的出光面积，使器件出光面得到充分利用实现高功率输出，该方法所制备器件能够使器件电流分布均匀，获得质量较好的输出光斑，同时可减少器件热量产生并使器件能够快速散热，获得高性能垂直腔面发射半导体激光器器件。下面结合附图和实施例对本发明提出一种垂直腔面发射半导体激光器电极进行详细描述。
如图1所示为本发明提出的通过所述制备方法制备的一种垂直腔面发射半导体激光器电极与激光器芯片构成的器件结构示意图，包括第一石墨烯薄膜层1、衬底2、N-DBR反射镜3、量子阱有源区4、P-DBR反射镜5、第二石墨烯薄膜层6、金接触点7、金属导线8。根据实际需要设计N-DBR反射镜3和P-DBR反射镜5，实现激光从第二石墨烯薄膜层6或第一石墨烯薄膜层1侧出光，金接触点7制备在第二石墨烯薄膜层6或第一石墨烯薄膜层1上，然后从第二石墨烯薄膜层6上的金接触点7上引出金属导线8，第一石墨烯薄膜层1用焊料焊接在热沉上，或者从第一石墨烯薄膜层1上的金接触点7上引出金属导线8，第二石墨烯薄膜层6用焊料焊接在热沉上完成电极的制备。在本实施例中选择化学气相沉积(CVD)方法将石墨烯薄膜层制备在铜箔上，然后将石墨烯薄膜层迁移至垂直腔面发射半导体激光器芯片获得石墨烯电极，垂直腔面发射半导体激光器从第二石墨烯薄膜层6侧出光，即顶部出光(P面)，第一石墨烯薄膜层1用焊料焊接在热沉上。
实现本实施例所提出一种垂直腔面发射半导体激光器制备方法的具体实施步骤如下：
步骤一：对垂直腔面发射半导体激光器外延片进行器件制备工艺，依次进行：外延片清洗、采用机械的方法先把外延片减薄到350μm-400μm左右、光刻、湿法刻蚀获得圆柱形台面结构、420℃温度下在1.5L/min的氮气携带95℃的水蒸气进入氧化炉对有源层上方的薄层进行湿法选择性氧化、溅射SiO2膜用作绝缘层以防止把器件粘在热沉上时形成短路、采用化学抛光的方法将N面衬底进行减薄抛光至150μm-180μm、双面对准光刻出圆形出光窗口、出光窗口光学膜制备。
步骤二：采用CVD方法，甲烷气体作为碳源，在铜箔上进行石墨烯薄膜层的制备。将铜箔装载入CVD仪器石英管中，打开机械泵使得腔体的压强达到50mTorr；给腔体充气，氢气(H2)为60sccm，输运气体氩气(Ar)为150sccm，整个腔体的压强保持在30Torr；设定程序并启动，升温速率控制在20℃/min，将温度从室温升至600℃，然后将铜箔推送至目标生长区域，并给铜箔迅速加热至880℃-900℃；在880℃-900℃条件下维持氢气为70sccm，氩气为200sccm气氛环境，使铜箔退火20min-30min；通入碳源CH4，流量为35sccm，生长压强为500mTorr，在催化剂催化作用下进行石墨烯薄膜层的生长，生长时间5min-10min；最后，维持氢气为70sccm，氩气为200sccm气氛环境，使铜箔缓慢降温至室温，完成在铜箔上进行石墨烯薄膜层的生长。
步骤三：采用PMMA作为辅助的有胶迁移方式将石墨烯薄膜层从铜箔上迁移至垂直腔面发射激光器芯片上，然后自然干燥，再放入120℃热板上烘焙10min，之后放入丙酮中，直到PMMA胶去除干净，完成石墨烯电极的制备。
步骤四：在制备完成石墨烯薄膜电极的激光器芯片出光侧的石墨烯薄膜层上制备金接触点，然后在金接触点上引出金属导线，非出光侧采用焊料将石墨烯薄膜层焊接到铜热沉上。
步骤五：对步骤四中的芯片进行封装，获得具有石墨烯电极的垂直腔面发射半导体激光器器件。
通过以上步骤实现本申请所要求保护的一种垂直腔面发射半导体激光器制备方法，该方法采用石墨烯薄膜材料，制备在垂直腔面发射半导体激光器芯片衬底和P-DBR的外表面，作为激光器器件的电极。这种方法利用石墨烯材料独特的零带隙能带结构和良好的导电特性，本发明所提出的这种方法所制备的器件对有源区发射的光子不存在吸收，可以增大器件的出光面积，使器件注入电流均匀分布，产生热量少，使器件能够较快散热，实现器件输出功率提高，输出光斑质量较好的高功率高性能垂直腔面发射半导体激光器器件。

Claims (2)

1.一种垂直腔面发射半导体激光器制备方法，包括：
对垂直腔面发射半导体激光器外延片进行器件制备工艺；
通过化学气相沉积(CVD)方法将石墨烯薄膜层制备在铜箔上；
采用有胶迁移的方式将石墨烯薄膜层迁移到垂直腔面发射半导体激光器芯片衬底和P-DBR侧的外表面；以及在出光侧石墨烯薄膜层上制备金接触点并引出金属导线；
其中，将石墨烯薄膜层制备在铜箔上包括：将铜箔装载入CVD仪器石英管中，打开机械泵使得腔体的压强达到50mTorr；给腔体充气，氢气(H2)为60sccm，输运气体氩气(Ar)为150sccm，整个腔体的压强保持在30Torr；设定程序并启动，升温速率控制在20℃/min，将温度从室温升至600℃，然后将铜箔推送至目标生长区域，并给铜箔迅速加热至880℃-900℃；在880℃-900℃条件下维持氢气为70sccm，氩气为200sccm气氛环境，使铜箔退火20min-30min；通入碳源CH4，流量为35sccm，生长压强为500mTorr，在催化剂催化作用下进行石墨烯薄膜层的生长，生长时间5min-10min；最后，维持氢气为70sccm，氩气为200sccm气氛环境，使铜箔缓慢降温至室温。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：所述石墨烯薄膜层作为垂直腔面发射半导体激光器的P型和N型电极；其中，所述石墨烯薄膜层可以为单层石墨烯材料或多层石墨烯材料，所述石墨烯薄膜层对激光器有源区发射的光子不存在吸收。
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