CN109378708A - 蓝光边发射激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蓝光边发射激光器及其制备方法，其包括依次层叠于衬底上的外延结构，其特征在于，所述外延结构包括N型缓冲层、N型限制层、N型波导层、量子阱有源区、P型波导层、P型限制层、P型缓冲层以及欧姆接触层，在所述边发射激光器的出光面设置有石墨烯层与金颗粒的复合结构。本发明将通过石墨烯与金颗粒的复合结构与激光器的激光耦合，产生等离子激元效应，通过金属成分的等离激元效应增强光吸收，然后将吸收的光传输到石墨烯部分，将光场限制在衍射极限以下，提升了蓝光波段边发射激光器的发射效率。并且本发明提供的用于边发射激光器的石墨烯与金颗粒的复合结构，其制备工艺简单，并且与本发明的边发射激光器制备工艺完全兼容。

Description

蓝光边发射激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体涉及一种蓝光边发射激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器由于其体积小、寿命长、电光转化效率高等优点广泛应用于光存储、光显示、光通信等领域。半导体激光器中很大一部分比例是边发射激光器。它是直接利用半导体材料的自然解理面来做谐振腔面，工艺简单，晶面完美。但边发射激光器所固有的一些缺陷，如光束发散角大、光束质量差，出光效率低等问题的存在，给实际应用带来了很大困难。
对于目前广泛应用的量子阱半导体激光器，量子阱激光器是由注入有源区的过剩载流子(电子或空穴)在达到粒子数反转时发生受激辐射复合而形成的激光。从材料组分来讲，量子阱是由一种窄带隙材料夹在上下两层宽带隙材料组成，中间的窄带隙材料通常是一个超薄层，可由金属有机化合物气相沉淀法(MOCVD)或分子束外延技术(MBE)生长而成，沿生长方向，有源层厚度只有几个纳米，而从侧向结构器件来讲，脊形光波导结构激光器的脊形台面一般为几个微米，这种材料种类和尺寸的不相对称导致了激光器端面输出效率低下。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的首要目的是为了提升蓝光波段激光器的发射效率，针对此目的，本发明至少提供如下技术方案：
蓝光边发射激光器，其包括依次层叠于衬底上的外延结构，所述外延结构包括N型缓冲层、N型限制层、N型波导层、量子阱有源区、P型波导层、P型限制层、P型缓冲层以及欧姆接触层，在所述边发射激光器的出光面设置有石墨烯层与金颗粒的复合结构。
进一步的，所述N型限制层中靠近所述N型缓冲层侧为N型掺杂，其N型掺杂的N型限制层对应的厚度为800nm；所述N型限制层远离所述N型缓冲层侧为不掺杂，其不掺杂的N型掺杂层对应的厚度为200nm。
进一步的，所述P型限制层中靠近所述P型缓冲层侧为不掺杂，其不掺杂的P型限制层对应的厚度为800nm；所述P型限制层中远离所述P型缓冲层侧为P型掺杂，其P型掺杂的P型限制层对应的厚度为200nm。
进一步的，所述N型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，所述N型限制层的厚度为1000nm，所述P型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，所述P型限制层的厚度为1000nm。
进一步的，所述衬底为非掺杂GaN衬底，所述GaN衬底的生长晶向为(100)偏<111>2°晶向，所述N型缓冲层为N型GaN缓冲层，所述N型波导层为不掺杂的InGaN，所述P型波导层为不掺杂的InGaN，所述P型缓冲层为P型GaN缓冲层，所述欧姆接触层为P型高掺杂的GaN盖层。
进一步的，所述边发射激光器具有脊形台结构，所述脊形台结构包括P型缓冲层和欧姆接触层。
蓝光边发射激光器的制备方法，其包括以下步骤，
在非掺杂GaN外延衬底上依次外延生长N型GaN缓冲层、N型限制层、N型波导层、量子阱有源区、P型波导层、P型限制层、P型GaN缓冲层以及P型高掺杂的GaN盖层，从而形成层叠结构；
将石墨烯层与金颗粒的复合结构转移至上述层叠结构的出光面上。
进一步的，所述将石墨烯层与金颗粒的复合结构转移至上述层叠结构的出光面上，具体包括：
在石墨烯表面旋涂一层PMMA保护层，烘干后使用氧等离子体刻蚀未被PMMA保护的石墨烯；
将其浸泡于氯化铁溶液中，去除石墨烯表面的杂质；
将石墨烯转印至目标面，烘干，使用丙酮浸泡，去除所述PMMA保护层；
采用电子束蒸发法在所述石墨烯表面沉积金颗粒，热退火处理后即可获得带有石墨烯与金颗粒复合结构的边发射激光器外延结构。
进一步的，还包括采用刻蚀工艺腐蚀所述外延层至所述P型限制层，以形成脊形台结构。
进一步的，所述N型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，在所述N型限制层的生长过程中，先进行Si掺杂，至所述N型限制层生长至800nm厚时，停止Si掺杂，继续生长所述N型限制层200nm；所述P型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，在所述P型限制层的生长过程中，先进行Mg掺杂，至所述P型限制层生长至200nm厚时，停止Mg掺杂，继续生长所述P型限制层800nm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、本发明将通过石墨烯与金颗粒的复合结构与激光器的激光耦合，产生等离子激元效应，通过金属成分的等离激元效应增强光吸收，然后将吸收的光传输到石墨烯部分，将光场限制在衍射极限以下，提升了蓝光波段边发射激光器的发射效率。
2、本发明提供的用于边发射激光器的石墨烯与金颗粒的复合结构，其制备工艺简单，并且与本发明的边发射激光器制备工艺完全兼容，能够保证本发明边发射激光器的其它性能参数基本不受影响，并且该制作方法依然可以用于其它材料系的半导体激光器以改善发光效率。
附图说明
图1是本发明边发射激光器器件的剖面示意图。
图2是本发明边发射激光器器件的正视图。
图3是本发明边发射激光器器件的立体示意图。
附图说明：1是衬底，2是N型GaN缓冲层，3是N型限制层，4是N型波导层，5是量子阱有源区，6是P型波导层，7是P型限制层，8是P型缓冲层，9是欧姆接触层，10是石墨烯层，11是金颗粒。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明的边发射激光器包括层叠于衬底1上的外延结构，衬底1为非掺杂GaN，生长晶向选择(100)偏<111>2°晶向，其其外延结构层叠于衬底1上，其外延结构包括：N型缓冲层2、N型限制层3、N侧波导层4、量子阱有源层5、P侧波导层6、P型限制层7、P型缓冲层8和欧姆接触层9也称之为盖层，在其边发射激光器的出光面设置有石墨烯层与金颗粒的复合结构，通过石墨烯与金颗粒的复合结构与激光器的激光耦合，产生等离子激元效应，通过金属成分的等离激元效应增强光吸收，然后将吸收的光传输到石墨烯部分，将光场限制在衍射极限以下，提升了蓝光波段边发射激光器的发射效率。
本发明的边发射激光器具有脊形台结构，脊形台主要包括P型缓冲层8和欧姆接触层9。
N型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，所述N型限制层的厚度为1000nm，其中，N型限制层中靠近其N型缓冲层侧为N型掺杂，其N型掺杂的N型限制层对应的厚度为800nm，其N型限制层远离其N型缓冲层侧为不掺杂，其不掺杂的N型掺杂层对应的厚度为200nm。
P型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，所述P型限制层的厚度为1000nm，其中，P型限制层中靠近其P型缓冲层侧为不掺杂，其不掺杂的P型限制层对应的厚度为800nm，其P型限制层中远离其P型缓冲层侧为P型掺杂，其P型掺杂的P型限制层对应的厚度为200nm。
N型限制层与P型限制层材料均为AlGaN，且N型限制层3和P型限制层7的铝组分含量较高。高的铝组分使得其能带宽度大于波导层，可以更好的将载流子限制在无掺杂的区域。
依据上述边发射激光器的结构，接下来对本发明边发射激光器的制备方法做详细描述：
外延衬底1材料为非掺杂GaN，生长晶向选择(100)偏<111>2°晶向，这样的生长方向易于晶体的化学抛光，有利于制备较为光滑的表面，便于后期工艺的制作。
外延生长第一层是N型缓冲层2，该N型缓冲层具体为N型掺杂的GaN缓冲层，该缓冲层的设置是为了尽可能减小衬底上存在的晶格缺陷的影响。
外延生长第二层是N型限制层3，其材料为Al0.2Ga0.8N，生长厚度为1000nm，在生长过程中，先生长的800nm使用Si掺杂，后生长的200nm不通入杂质源，以防止过多的杂质扩散进入波导层。并且相比于波导层，N型限制层的折射率更低，较低的折射率更有利于将光限制在波导层内。高铝的组分使得N型限制层的能带宽度大于波导层，可以更好的将载流子限制在N型限制层中无掺杂的区域。由于限制层的厚度较厚，将其掺杂类型设置为N型，尽可能的降低了串联电阻。
(5)外延生长的第三层是N侧波导层4，其材料为InGaN，波导层在生长过程中不掺杂。
(6)外延生长的第四层是有源区5，其材料为由InGaN阱层和GaN磊层组成的量子阱，设置3-8个多量子阱有源层能达到实际发光效果。
(7)外延生长的第五层是P侧波导层6，其材料为InGaN，波导层的生长过程中不掺杂。
(8)外延生长的第六层是P型限制层7，其材料为Al0.2Ga0.8N，生长厚度为1000nm，在生长过程中，先生长的200nm使用Mg掺杂，后生长的800nm不掺杂，与N型限制层的设置类似，较高铝组分的设置能够使其P型限制层的能带宽度大于波导层，可以更好的将载流子限制在无掺杂的区域。
(9)外延生长的第七层是P型缓冲层8，该P型缓冲层具体为P型掺杂的GaN缓冲层，P型掺杂的GaN缓冲层的设置能够消除P型限制层和外延片表面的GaN盖层由于晶格常数差异而产生的弹性应变。
(10)外延生长的第八层是欧姆接触层，即盖层，其具体材料为GaN，位于外延片表面，掺杂类型为高掺杂的P型，高掺杂的P型能够形成更好的欧姆接触。
接下来需要将石墨烯与金颗粒的复合结构转移至边发射激光器的出光面上，其技术如下：
(1)在生长于铜箔上的石墨烯表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，烘干后使用氧等离子体刻蚀未被PMMA保护的石墨烯，以保证转移得到完整干净的单层石墨烯。
(2)将上述石墨烯裁剪成目标尺寸大小，放置于氯化铁溶液，使其悬浮于溶液表面，浸泡1小时去除石墨烯表面的杂质并至铜箔被完全刻蚀，然后转移至去离子水中，多次清洗去除刻蚀液残留，再使用已清洗的外延片捞取石墨烯，将石墨烯转印至上述外延结构的出光面，烘干。
(3)多次浸泡丙酮，去除石墨烯上的PMMA保护层，最终得到转移至外延片的单层石墨烯。
(4)使用电子束蒸发系统在石墨烯表面沉积金颗粒，后经热退火处理，得到石墨烯与金颗粒复合结构。
以上，则是将石墨烯金颗粒的复合机构转移到外延片的过程。最后，生长结束的外延片，还需要经过清洗、光刻、刻蚀、氧化、溅射和封装等一系列加工制作方可制作成为激光器件。过程如下：
(1)具有外延结构的外延片检测、清洗及涂胶：将制作好的外延片放在显微镜下进行查看，观察片上是否有缺陷和物理损伤，若缺陷和损伤过多则不宜使用。观察结束后，使用丙酮将外延片煮两遍，去掉片上的污物，再用乙醇煮两遍，去掉残留丙酮，然后用去离子水冲洗20遍去掉酒精，用N2吹干。使用5214正胶旋涂光刻，使表面形成厚度为1.5μm左右的光刻胶层，并在湿法腐蚀的过程中作为刻蚀掩膜。
(2)光刻脊形台：通过前烘、涂胶、曝光、显影和刻蚀等一系列步骤，刻蚀出脊型台，再用腐蚀液湿法腐蚀光刻后的外延层，腐蚀停至P型限制层，侧壁露出GaN层。
(3)去除光刻胶：腐蚀完成后，用丙酮、乙醇分别煮两遍，超声剥离，去除剩余光刻胶，去离子水冲洗20遍，去除有机溶剂，并用N2气吹干。
(4)沉积SiO2绝缘层：用PECVD在芯片上表面生长SiO2，用来做后期金电极压焊与器件表面的电绝缘。
(5)光刻出引线孔：先光刻出孔状图形，再用SiO2腐蚀液腐蚀去除孔处的SiO2，露出表面GaN以制作欧姆接触，腐蚀完成后去胶。
(6)制备电极：溅射出P型电极后将溅射后的芯片放入丙酮溶液中，超声剥离电极。将衬底减薄，再溅射N侧电极。
(7)经过退火处理，将激光器解理，焊接，封装。
本发明提供的蓝光边发射激光器带有石墨烯与金颗粒复合的复合结构，其提升了蓝光波段边发射激光器的发射效率。并且该复合结构制备工艺简单，能够在保证边发射激光器其它性能参数基本不受影响的情况下，与本发明的制备工艺完全兼容。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.蓝光边发射激光器，其包括依次层叠于衬底上的外延结构，其特征在于，所述外延结构包括N型缓冲层、N型限制层、N型波导层、量子阱有源区、P型波导层、P型限制层、P型缓冲层以及欧姆接触层，在所述边发射激光器的出光面设置有石墨烯层与金颗粒的复合结构。
2.根据权利要求1的所述激光器，其特征在于，所述N型限制层中靠近所述N型缓冲层侧为N型掺杂，其N型掺杂的N型限制层对应的厚度为800nm；所述N型限制层远离所述N型缓冲层侧为不掺杂，其不掺杂的N型掺杂层对应的厚度为200nm。
3.根据权利要求1的所述激光器，其特征在于，所述P型限制层中靠近所述P型缓冲层侧为不掺杂，其不掺杂的P型限制层对应的厚度为800nm；所述P型限制层中远离所述P型缓冲层侧为P型掺杂，其P型掺杂的P型限制层对应的厚度为200nm。
4.根据权利要求1-3之一的所述激光器，其特征在于，所述N型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，所述N型限制层的厚度为1000nm，所述P型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，所述P型限制层的厚度为1000nm。
5.根据权利要求1-3之一的所述激光器，其特征在于，所述衬底为非掺杂GaN衬底，所述GaN衬底的生长晶向为(100)偏<111>2°晶向，所述N型缓冲层为N型GaN缓冲层，所述N型波导层为不掺杂的InGaN，所述P型波导层为不掺杂的InGaN，所述P型缓冲层为P型GaN缓冲层，所述欧姆接触层为P型高掺杂的GaN盖层。
6.根据权利要求1-3之一的所述激光器，其特征在于，所述边发射激光器具有脊形台结构，所述脊形台结构包括P型缓冲层和欧姆接触层。
7.蓝光边发射激光器的制备方法，其包括以下步骤，
在非掺杂GaN外延衬底上依次外延生长N型GaN缓冲层、N型限制层、N型波导层、量子阱有源区、P型波导层、P型限制层、P型GaN缓冲层以及P型高掺杂的GaN盖层，从而形成层叠结构；
将石墨烯层与金颗粒的复合结构转移至上述层叠结构的出光面上。
8.根据权利要求7的所述制备方法，其特征在于，所述将石墨烯层与金颗粒的复合结构转移至上述层叠结构的出光面上，具体包括：
在石墨烯表面旋涂一层PMMA保护层，烘干后使用氧等离子体刻蚀未被PMMA保护的石墨烯；
将其浸泡于氯化铁溶液中，去除石墨烯表面的杂质；
将石墨烯转印至目标面，烘干，使用丙酮浸泡，去除所述PMMA保护层；
采用电子束蒸发法在所述石墨烯表面沉积金颗粒，热退火处理后即可获得带有石墨烯与金颗粒复合结构的边发射激光器外延结构。
9.根据权利要求7或8的所述制备方法，其特征在于，还包括采用刻蚀工艺腐蚀所述外延层至所述P型限制层，以形成脊形台结构。
10.根据权利要求7或8的所述制备方法，其特征在于，所述N型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，在所述N型限制层的生长过程中，先进行Si掺杂，至所述N型限制层生长至800nm厚时，停止Si掺杂，继续生长所述N型限制层200nm；所述P型限制层的材料为Al0.2Ga0.8N，在所述P型限制层的生长过程中，先进行Mg掺杂，至所述P型限制层生长至200nm厚时，停止Mg掺杂，继续生长所述P型限制层800nm。
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