CN112436380A - 基于范德华外延的垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于范德华外延的垂直腔面发射激光器及其制作方法，上述制作方法中，制作GaN基有源区结构，包括：在第一衬底上覆盖单层二维材料；在覆盖有单层二维材料的第一衬底上外延生长GaN基有源区结构。GaN基有源区结构自下而上包括：n型GaN层、有源区、电子阻挡层、p型GaN层以及p+GaN层，p+GaN层作为第一欧姆接触层。在第二衬底上形成第一分布式布拉格反射镜结构。将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离。将剥离后的GaN基有源区结构与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合。在键合后结构的第一欧姆接触层之上形成第二分布式布拉格反射镜结构。形成了具有低阈值电流密度、高增益的垂直腔面发射激光器。

Description

基于范德华外延的垂直腔面发射激光器及其制作方法
技术领域
本公开属于激光器技术领域，涉及一种基于范德华外延的垂直腔面发射激光器及其制作方法。
背景技术
宽禁带的GaN基发光材料可以覆盖从深紫外到绿色的波长范围，而垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有低阈值电流、可形成二维阵列、单纵向模式、光束圆对称及高调制速率等优势，为全色彩的激光投影、激光显示、白光固态照明、生物传感器和高速光通信提供了可能。
垂直腔面发射激光器是通过腔体两侧的分布式布拉格反射镜(DBR)，将光子限制在垂直于腔体的方向的发光器件。腔体中的多量子阱结构(MQWs)将载流子限制在有源区内部。金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术能够精确控制腔体各层组分与厚度，可以将腔模式的波腹与多量子阱结构(MQWs)区域重叠，以实现最大增益，从而实现激光激射。目前已广泛应用的基于GaAs的VCSEL，其DBR采用外延的方法生长两种不同组分、折射率差较大的AlGaAs层，由于AlGaAs与GaAs晶格常数非常相近，这种DBR缺陷密度很低，反射率接近100％，并可掺杂以实现低电压下均匀的电流注入，与多量子阱结构相邻的AlAs层的选择性氧化实现了对光和载流子的侧向限制作用，大大促进了基于GaAs的VCSEL的发展。
发明人在实现本公开的技术构思时发现现有技术存在以下技术问题：与GaAs基VCSEL相比，GaN基VCSEL更适合使用全介质DBR，全介质DBR通常采用的材料组合为非晶的高、低折射率介质材料，并且两种材料之间折射率差越大，更易实现接近100％的反射率，并且阻带宽度也越大，对DBR每层厚度的精度要求在现有溅射工艺能力范围内。然而，GaN基的VCSEL的DBR由于不同组分AlGaN之间存在较大晶格失配和热失配，导致较大的缺陷密度形成裂纹，以及高Al组分的氮化物半导体中p型掺杂剂的高活化能，因此无法实现外延生长的氮化物DBR。而在VCSEL GaN有源区部分的端面覆盖介质DBR，特别是衬底侧的介质DBR，必须去除用于GaN有源区部分外延生长的单晶衬底，需要通过剥离、键合来实现GaN有源区部分包含有源区的GaN部分与介质DBR的接触。通常采用的剥离技术有激光诱导剥离(LLO)、牺牲层的光电化学刻蚀(PEC)，湿法/干法刻蚀或化学机械抛光(CMP)等，不仅工艺复杂，还会对有源区部分造成严重破坏。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于范德华外延的垂直腔面发射激光器及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本公开的第一个方面提供了一种基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法。上述制作方法中，制作GaN基有源区结构，包括：在第一衬底上覆盖单层二维材料；在覆盖有单层二维材料的第一衬底上外延生长GaN基有源区结构。GaN基有源区结构自下而上包括：n型GaN层、有源区、电子阻挡层、p型GaN层以及p+GaN层，p+GaN层作为第一欧姆接触层。在第二衬底上形成第一分布式布拉格反射镜结构。将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离。将剥离后的GaN基有源区结构与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合。在键合后结构的第一欧姆接触层之上形成第二分布式布拉格反射镜结构。
根据本公开的实施例，在形成第二分布式布拉格反射镜结构之前还包括：在键合后结构形成通光孔径与电流注入限制结构。
根据本公开的实施例，形成通光孔径与电流注入限制结构的方法包括：在键合后结构的两侧进行离子注入，注入的离子深度由第一欧姆接触层至n型GaN层的内部，离子注入区域为通光孔径与电流注入限制结构。或者，形成通光孔径与电流注入限制结构的方法包括：在键合后结构的第一欧姆接触层之上进行氧化物沉积、图案化以及刻蚀操作，使得部分第一欧姆接触层裸露出来，未被刻蚀的氧化物为通光孔径与电流注入限制结构。或者，形成通光孔径与电流注入限制结构的方法包括：在键合后结构的第一欧姆接触层之上形成第二欧姆接触层，第二欧姆接触层为导体层，在第二欧姆接触层之上进行氧化物沉积、图案化以及刻蚀操作，使得部分第二欧姆接触层裸露出来，未被刻蚀的氧化物为通光孔径与电流注入限制结构。
根据本公开的实施例，当采用离子注入的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，在键合后结构的第一欧姆接触层上形成环状的p型电极，使得p型电极覆盖于第一欧姆接触层的部分离子未注入区域。或者，当采用离子注入的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，在键合后结构的第一欧姆接触层的离子注入区域和离子未注入区域之上形成第二欧姆接触层，第二欧姆接触层为导体层；在第二欧姆接触层之上形成环状的p型电极。p型电极的投影在离子注入区域之内，或者，p型电极的投影覆盖离子注入区域和部分离子未注入区域。其中，至少部分第二分布式布拉格反射镜结构覆盖于环状的p型电极内部。
根据本公开的实施例，当在第一欧姆接触层之上通过氧化物沉积、图案化以及刻蚀的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，图案化并刻蚀氧化物以得到环状的电极通孔，在第一欧姆接触层之上的电极通孔内形成环状的p型电极。当在第二欧姆接触层之上通过氧化物沉积、图案化以及刻蚀的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，图案化并刻蚀氧化物以得到环状的电极通孔，在第二欧姆接触层之上的电极通孔内形成环状的p型电极。
根据本公开的实施例，上述制作方法还包括：制作环状的n型电极。其中，位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构的长宽尺寸小于GaN基有源区结构的对应长宽尺寸，GaN基有源区结构与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合后，GaN基有源区结构的n型GaN层的底部裸露出来，在裸露的n型GaN层的下表面形成环状的n型电极。或者，位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构的长宽尺寸小于GaN基有源区结构的对应长宽尺寸，GaN基有源区结构与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合后，通过在键合后结构上刻蚀至n型GaN层的内部以制作台面，使得部分n型GaN层的上表面裸露出来，在裸露的n型GaN层的上表面形成环状的n型电极。
根据本公开的实施例，第一衬底为以下衬底的一种：蓝宝石衬底、硅单晶衬底、尖晶石衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底、硅上生长氧化铝复合衬底、硅上生长氮化铝复合衬底、硅上生长氧化锌复合衬底、氮化镓衬底或者氮化铝衬底。
根据本公开的实施例，覆盖单层二维材料的方法包括以下一种：转移或者直接生长。二维材料包括以下材料的一种：石墨烯或者氮化硼。
根据本公开的实施例，将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离的方法包括：通过将聚二甲基硅氧烷或热释放胶带粘附于GaN基有源区结构上与第一衬底剥离。
根据本公开的实施例，键合的方法包括：将剥离后的GaN基有源区结构与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构加压贴合后，进行退火处理使其键合，退火温度为100℃-300℃。
根据本公开的实施例，n型GaN层的厚度为1μm-3μm；和/或，
有源区为InGaN/GaN多量子阱或InGaN量子点，其中InGaN/GaN多量子阱层的周期数≥1，其中势垒或势阱的宽度范围均为0-100nm；和/或，
电子阻挡层的厚度为10nm-30nm；和/或，
p型GaN层的厚度为100nm-300nm；和/或，
p+GaN层的厚度为0-10nm；和/或，
第一分布式布拉格反射镜结构和第二分布式布拉格反射镜结构包括：SiO2/Ta2O5的周期性结构，周期数为8-15。
根据本公开的实施例，p型电极包括以下电极的一种：Ni/Au透明电极、ITO透明电极或者ZnO透明电极；和/或，n型电极包括以下电极的一种：Ti/Al或者Cr/Au。
本公开的另一个方面提供了一种垂直腔面发射激光器。上述垂直腔面发射激光器包括：GaN基有源区结构，自下而上包括：n型GaN层、有源区、电子阻挡层、p型GaN层以及p+GaN层，p+GaN层作为第一欧姆接触层，GaN基有源区结构通过在覆盖有二维材料的第一衬底上外延制作后剥离得到；位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构，与GaN基有源区结构键合；以及形成于第一欧姆接触层之上的第二分布式布拉格反射镜结构。
根据本公开的实施例，垂直腔面发射激光器还包括：形成于第一欧姆接触层之上的环状的p型电极，以及形成于n型GaN层的下表面或上表面的环状的n型电极；其中，至少部分第二分布式布拉格反射镜结构覆盖于环状的p型电极内部。
根据本公开的实施例，垂直腔面发射激光器还包括：通光孔径与电流注入限制结构。
其中，键合后结构的两侧注入有硼离子，注入的硼离子深度由第一欧姆接触层至n型GaN层的内部，离子注入区域为通光孔径与电流注入限制结构；
其中，p型电极覆盖于第一欧姆接触层的部分离子未注入区域；
或者，p型电极形成于第二欧姆接触层之上，第二欧姆接触层形成于第一欧姆接触层的离子注入区域和离子未注入区域之上，p型电极的投影在离子注入区域之内，或者，p型电极的投影覆盖离子注入区域和部分离子未注入区域。
或者，
键合后结构的上方形成有内部为中空圆形的氧化物，氧化物为通光孔径与电流注入限制结构，第二分布式布拉格反射镜结构的至少部分位于中空圆形内；
其中，氧化物形成于第一欧姆接触层之上，氧化物的边缘侧或内侧设置有环形的电极通孔，p型电极形成于第一欧姆接触层之上的电极通孔之内；
或者，氧化物形成于第二欧姆接触层之上，第二欧姆接触层形成于第一欧姆接触层之上，氧化物的边缘侧或内侧设置有环形的电极通孔，p型电极形成于第二欧姆接触层之上的电极通孔之内。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器及其制作方法，具有以下有益效果：
将GaN基有源区结构外延生长于覆盖有单层二维材料的第一衬底上，基于单层二维材料的设置，可以将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离之后与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合，大大减少了对GaN基有源区结构的破坏，从而提高有源区部分的晶体质量，减小了阈值电流，得到更高质量的GaN基VCSEL，至少解决了现有的制作工艺导致的垂直腔面发射激光器的外延困难以及由于复杂的剥离工艺导致的有源区遭到破坏，使得垂直腔面发射激光器的生长质量差的问题。此外，采用范德华外延生长有源区结构然后转印的方法不会对第一衬底造成破坏，理论上可实现第一衬底的无限重复使用，且工艺简单，大大节省了生产成本，还解决了由于体GaN、SiC等高成本衬底对高质量GaN基材料大批量产业化外延的阻碍以及GaN基VCSEL制造过程中复杂的剥离工艺造成的高生产成本问题。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
图2为根据本公开一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的各步骤对应的结构示意图，其中(a)为在第一衬底上覆盖单层二维材料的示意图，(b)为在覆盖有单层二维材料的第一衬底上外延生长GaN基有源区结构的示意图，(c)为将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离的示意图，(d)为将剥离后的GaN基有源区结构与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合的示意图，(e)为在键合后结构上形成第二分布式布拉格反射镜结构和电极的示意图。
图3为根据本公开另一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的各步骤对应的结构示意图，其中(a)为在第一衬底上覆盖单层二维材料的示意图，(b)为在覆盖有单层二维材料的第一衬底上外延生长GaN基有源区结构的示意图，(c)为将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离的示意图，(d)为将剥离后的GaN基有源区结构与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合的示意图，(e)为在键合后结构上形成第二分布式布拉格反射镜结构和电极的示意图。
图4为根据本公开另一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
图5为根据本公开又一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
图6-图9分别为根据本公开实施例所示的包含通光孔径与电流注入限制结构的垂直腔面发射激光器的四个示例性结构示意图。
【符号说明】
1-垂直腔面发射激光器；
101-第一衬底；102-单层二维材料；
11-GaN基有源区结构；
111-n型GaN层；112-有源区；
113-电子阻挡层；114-p型GaN层；
115-欧姆接触层；
115a-第一欧姆接触层；115b-第二欧姆接触层；
12-第一DBR结构；
121-第二衬底；122-
13’-离子注入区域；13”-氧化层；
14-第二DBR结构；
151-p型电极；152-n型电极。
具体实施方式
本公开的实施例提供了一种基于范德华外延的垂直腔面发射激光器及其制作方法，将GaN基有源区结构外延生长于覆盖有单层二维材料的第一衬底上，基于单层二维材料的设置，可以将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离之后与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合，大大减少了对GaN基有源区结构的破坏，从而提高有源区部分的晶体质量，减小了阈值电流，得到更高质量的GaN基VCSEL。同时采用范德华外延生长有源区结构然后转印的方法不会对第一衬底造成破坏，理论上可实现第一衬底的无限重复使用，且工艺简单，大大节省了生产成本。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开的第一个示例性式实施例提供了一种基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法。
图1为根据本公开一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
参照图1所示，本公开的基于范德华外延的VCSEL的制作方法包括以下步骤：S11、S12、S13、S14以及S17。
在步骤S11，制作GaN基有源区结构。
步骤S11包括子步骤S111和子步骤S112。
在子步骤S111，在第一衬底上覆盖单层二维材料。
在子步骤S112，在覆盖有单层二维材料的第一衬底上外延生长GaN基有源区结构。
GaN基有源区结构自下而上包括：n型GaN层、有源区、电子阻挡层、p型GaN层以及p+GaN层，p+GaN层作为第一欧姆接触层。
在步骤S12，在第二衬底上形成第一分布式布拉格反射镜结构。
在步骤S13，将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离。
在步骤S14，将剥离后的GaN基有源区结构与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合。
在步骤S17，在键合后结构的第一欧姆接触层之上形成第二分布式布拉格反射镜结构。
根据本公开的实施例，上述制作方法除了包括上述步骤S11、S12、S13、S14和S17之外，还包括步骤S18：制作环状的p型电极和环状的n型电极。
图2为根据本公开一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的各步骤对应的结构示意图。
在一实施例中，n型电极与p型电极之间为垂直导电形式，下面参照图2中(a)～(e)进行描述。
在子步骤S111，首先，在第一衬底101上覆盖单层二维材料102，参照图2中(a)所示。
根据本公开的实施例，第一衬底101可以是同质衬底，也可以是异质衬底。第一衬底101包括但不限于以下衬底的一种：蓝宝石衬底、硅单晶衬底、尖晶石衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底、硅上生长氧化铝复合衬底、硅上生长氮化铝复合衬底、硅上生长氧化锌复合衬底、氮化镓衬底或者氮化铝衬底。
然后，在子步骤S112，在覆盖有单层二维材料102的第一衬底101上外延生长GaN基有源区结构11。在一实例中，在覆盖有单层二维材料102的第一衬底101上依次外延生长n型GaN层111、有源区112、电子阻挡层113、p型GaN层114以及p+GaN层，该p+GaN层作为第一欧姆接触层115a，参照图2中(b)所示。
根据本公开的实施例，n型GaN层的厚度为1μm-3μm，包含两个端点值；和/或，
有源区为InGaN/GaN多量子阱或InGaN量子点，其中InGaN/GaN多量子阱层的周期数≥1，其中势垒或势阱的宽度范围均为0-100nm，包含右侧端点值；和/或，
电子阻挡层的厚度为10nm-30nm，包含两个端点值；和/或，
p型GaN层的厚度为100nm-300nm，包含两个端点值；和/或，
p+GaN层的厚度为0-10nm，包含右侧端点值。
根据本公开的实施例，覆盖单层二维材料102的方法包括以下一种：转移或者直接生长。
单层二维材料102包括以下材料的一种：单层石墨烯或者氮化硼。
在步骤S12，在第二衬底120上形成第一分布式布拉格反射镜结构12，为了简化表述，在附图中将其描述为第一DBR结构12，参照图2中(d)的下半部分所示。
步骤S12与步骤S11可以各自独立实施，先后顺序不作限定。
接着，在步骤S13，将GaN基有源区结构11从第一衬底101上剥离，参照图2中(c)所示。
由于单层二维材料通过范德华力将GaN基有源区结构11与第一衬底101进行结合，在外力的作用下很容易将GaN基有源区结构11从第一衬底101上剥离。
根据本公开的实施例，将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离的方法包括：通过将聚二甲基硅氧烷(PDMS)或热释放胶带粘附于GaN基有源区结构11上与第一衬底101剥离。
接着，在步骤S14，将剥离后的GaN基有源区结构11与位于第二衬底120上的第一分布式布拉格反射镜结构12键合，参照图2中(d)所示。
根据本公开的实施例，键合的方法包括：将剥离后的GaN基有源区结构11与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构12加压贴合后，进行退火处理使其键合，退火温度为100℃-300℃。
加压的方式可以是：通过压片施加压力。
图2中(d)示意了在键合后结构的第一欧姆接触层115a之上形成第二DBR结构14以及制作了环状的p型电极151和环状的n型电极152之后的结构。
参照图2中(d)所示，长度方向沿着左右方向，宽度方向垂直于纸面方向，高度方向沿着上下方向。在该实施例中，位于第二衬底120上的第一DBR结构12的长宽尺寸小于GaN基有源区结构11的对应长宽尺寸，GaN基有源区结构11与位于第二衬底120上的第一分布式布拉格反射镜结构12键合后，GaN基有源区结构11的n型GaN层111的底部裸露出来，在裸露的n型GaN层111的下表面形成环状的n型电极152。
图3为根据本公开另一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的各步骤对应的结构示意图。
在另一实施例中，n型电极与p型电极之间为横向导电形式，参照图3中(a)～(e)所示，其中图3中(a)～(d)的过程与图2中(a)～(d)的过程是一致的，不再赘述。参照图3中(e)所示，位于第二衬底120上的第一DBR结构12的长宽尺寸小于GaN基有源区结构11的对应长宽尺寸，GaN基有源区结构11与位于第二衬底120上的第一DBR结构12键合后，通过在键合后结构上刻蚀至n型GaN层111的内部以制作台面，使得部分n型GaN层111的上表面裸露出来，在裸露的n型GaN层111的上表面形成环状的n型电极152。
例如第一DBR结构12和第二DBR结构14包括：SiO2/Ta2O5的周期性结构，周期数为8-15。SiO2的反射率n为1.47，Ta2O5的反射率n为2.15，第一DBR结构12的周期数可以为11.5，即第一DBR结构12的上下两侧均为SiO2。第二DBR结构14的优选周期数可以为11，第一DBR结构12的上下两侧中一侧为SiO2，另一侧为Ta2O5。
根据本公开的实施例，p型电极包括以下电极的一种：Ni/Au透明电极、ITO透明电极或者ZnO透明电极，或者其他电极材料，可以是不透光的电极材料。n型电极包括以下电极的一种：Ti/Al或者Cr/Au。
上述两个示例性实施例中，第二DBR结构14形成于第一欧姆接触层之上，例如示例的第二DBR结构14与第一欧姆接触层115a接触。由于p+GaN层的p型高浓度掺杂较为困难，因此p+GaN层至多能够实现中等程度的掺杂，掺杂浓度大于1019cm-3，例如为1020cm-3～1022cm-3，在一些实施例中，为了提升接触导电特性，会在第一欧姆接触层115a之上进一步形成第二欧姆接触层115b，第二欧姆接触层115b为导体层，例如可以是氧化铟锡ITO，这种情况下第二DBR结构14形成于第一欧姆接触层之上会包含第二DBR结构14与第一欧姆接触层之间存在中间层，例如第二欧姆接触层的情况。
图4为根据本公开另一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
图5为根据本公开又一实施例所示的基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
为了进一步提升激光器的性能，例如降低阈值电流，根据本公开的实施例，参照图4所示，上述制作方法除了包括上述步骤S11、S12、S13、S14、S17和S18之外，还可以包括步骤S15，制作通光孔径与电流注入限制结构。
为了提升接触导电特性，参照图5所示，上述制作方法还可以进一步包括步骤S16，在键合后结构的第一欧姆接触层之上形成第二欧姆接触层，第二欧姆接触层为导体层。
根据本公开的实施例，在形成第二DBR的步骤S17之前还包括：在键合后结构制作/形成通光孔径与电流注入限制结构的步骤S15。
图6-图9分别为根据本公开实施例所示的包含通光孔径与电流注入限制结构的垂直腔面发射激光器的四个示例性结构示意图。需要说明的是，这里以包含台面的结构形式作为示例，下面的介绍内容同样适用于n型电极与p型电极之间为垂直导电形式的VCSEL结构。
根据本公开的实施例，图6和图7中以虚线框和位于虚线框内的虚线斜线示意离子注入区域。形成通光孔径与电流注入限制结构的方法包括：在键合后结构的两侧进行离子注入，注入的离子深度由第一欧姆接触层115a至n型GaN层111的内部，离子注入区域13’为通光孔径与电流注入限制结构，参照图6和图7所示。离子注入区域13’的通光性差且内部绝缘，如此可以在离子未注入的区域限定出通光孔径以及电流注入的区域。
根据本公开的一实施例，参照图6所示，当采用离子注入的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，在键合后结构的第一欧姆接触层115a上形成环状的p型电极151，使得p型电极151覆盖于第一欧姆接触层115a的部分离子未注入区域，以实现p型电极151与第一欧姆接触层115a的电性接触。至少部分第二DBR结构14覆盖于环状的p型电极151内部。如图6所示，在一些实施例中，还可以有部分第二DBR结构覆盖于p型电极151上方，图6中仅仅是相对位置的示意，没有细化示意第二DBR结构为多层高/低折射率层周期性结构，实际上，分别形成于p型电极151内部和上方的多层高/低折射率层周期性结构并不在一个平面上。
当p型电极151为透明电极时，图6所示例的VCSEL的通光孔径由离子注入区域13’限定。当p型电极151为不透明电极时，由于p型电极151覆盖于第一欧姆接触层115a的部分离子未注入区域，会遮挡部分光，使得通光孔径进一步缩小。
根据本公开的另一实施例，为了提升接触导电特性，参照图7所示，当采用离子注入的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，在键合后结构的第一欧姆接触层115a的离子注入区域和离子未注入区域之上形成第二欧姆接触层115b，第二欧姆接触层115b为导体层，例如图7中示例的ITO层；然后，在第二欧姆接触层115b之上形成环状的p型电极151。p型电极151的投影在离子注入区域之内，或者，p型电极的投影覆盖离子注入区域和部分离子未注入区域，可以根据器件的性能需要对p型电极的尺寸进行调节。其中，至少部分第二分布式布拉格反射镜结构覆盖于环状的p型电极内部。
图8和图9中“/”表示或者的含义，可以是第一欧姆接触层115a或者为包含第一欧姆接触层115a与第二欧姆接触层115b的欧姆接触层115。
根据本公开的另一实施例，参照图8中第一欧姆接触层115a的情况所示，形成通光孔径与电流注入限制结构的方法包括：在键合后结构的第一欧姆接触层115a之上进行氧化物沉积、图案化以及刻蚀操作，使得部分第一欧姆接触层115a裸露出来，未被刻蚀的氧化物13”为通光孔径与电流注入限制结构。
根据本公开又一实施例，参照图8中欧姆接触层115的情况所示，形成通光孔径与电流注入限制结构的方法包括：在键合后结构的第一欧姆接触层115a之上形成第二欧姆接触层115b，第二欧姆接触层115b为导体层，第一欧姆接触层115a与第二欧姆接触层115b构成欧姆接触层115。在第二欧姆接触层之上进行氧化物沉积、图案化以及刻蚀操作，使得部分第二欧姆接触层115b裸露出来，未被刻蚀的氧化物13”为通光孔径与电流注入限制结构。
图8中，以未被刻蚀的氧化物13”的内边缘来限制通光孔径进行示例，这种情况下，氧化物13”刻蚀有通孔，使得第一欧姆接触层115a或者第二欧姆接触层115b裸露，p型电极151位于通孔的外侧。在其它实施例中，参照图9所示，氧化物13”刻蚀有通孔，使得第一欧姆接触层115a或者第二欧姆接触层115b裸露，p型电极151位于通孔的内侧，当p型电极151为透光性差的材料时，可以由p型电极151的内缘限定通光孔径。
根据本公开的实施例，继续参照图8所示，当在第一欧姆接触层115a之上通过氧化物沉积、图案化以及刻蚀的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，图案化并刻蚀氧化物13”以得到环状的电极通孔，在第一欧姆接触层115a之上的电极通孔内形成环状的p型电极151。当在第二欧姆接触层115b之上通过氧化物沉积、图案化以及刻蚀的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，图案化并刻蚀氧化物以得到环状的电极通孔，在第二欧姆接触层之上的电极通孔内形成环状的p型电极。环状的p型电极151的尺寸大小、材料可以根据实际需要进行选择。
在一实例中，采用上述制作方法来制作VCSEL结构，包括以下步骤：
(1)选择(0001)面蓝宝石作为生长GaN材料的衬底。
(2)采用铜箔上化学气相沉积(CVD)生长单层石墨烯，转移到GaN衬底上。
(3)采用MOCVD方法，三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH3作为氮源，硅烷作n型掺杂剂。在上述转移有单层二维材料的衬底上生长一层2.5μm的n型GaN，掺杂浓度约为1018cm-3。
(4)在n型GaN层上生长4个周期的InGaN(3nm)/GaN(10nm)的多量子阱。
(5)在多量子阱上生长20nm AlGaN电子阻挡层。
(6)在电子阻挡层上生长一层293nm的p型GaN层，其中使用Mg作为p型掺杂剂，掺杂浓度约为1019cm-3。
(7)在p型GaN层上生长一层10nm中等程度掺杂的p+GaN层，得到GaN基有源区结构。
(8)在Si衬底上交替溅射11.5对Ta2O5/SiO2。
(9)用PDMS将上述GaN基有源区结构从石墨烯/GaN衬底上剥离。
(10)将上述剥离后的GaN基有源区结构与上述11.5对Ta2O5/SiO2底部介质DBR加压贴合后，在退火炉中300℃退火，使之键合。
(11)在上述转印后的结构上注入硼离子作为孔径限制结构。
(12)在制作有孔径限制结构的器件上表面沉积ITO层，以作为第二欧姆接触层。
(13)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在表面刻出台面。
(14)可选的，使用PECVD技术在台面上沉积200nm的SiO2钝化层，以对器件的台面侧壁进行保护，使得器件性能稳定。
(15)如果有沉积钝化层的步骤的话，使用反应离子刻蚀(RIE)钝化层，以刻蚀出电极通孔。
(16)使用电子束蒸发/磁控溅射和光刻技术在p+GaN层上制作环形的Ni/Au电极，在n型GaN层上制作环形的Cr/Au电极。
(17)在p+GaN层上方交替溅射10对Ta2O5/SiO2并采用光刻和刻蚀技术，以形成顶部DBR结构。
本公开的另一个示例性实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，本实施例的VCSEL结构可以由第一实施例制作得到。
本实施例中，参照图6-图9所示，该垂直腔面发射激光器包括：GaN基有源区结构，自下而上包括：n型GaN层、有源区、电子阻挡层、p型GaN层以及p+GaN层，p+GaN层作为第一欧姆接触层，GaN基有源区结构通过在覆盖有二维材料的第一衬底上外延制作后剥离得到；位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构，与GaN基有源区结构键合；以及形成于第一欧姆接触层之上的第二分布式布拉格反射镜结构。
根据本公开的实施例，垂直腔面发射激光器还包括：形成于第一欧姆接触层之上的环状的p型电极，以及形成于n型GaN层的下表面或上表面的环状的n型电极；其中，至少部分第二分布式布拉格反射镜结构覆盖于环状的p型电极内部。
根据本公开的实施例，垂直腔面发射激光器还包括：通光孔径与电流注入限制结构。
其中，根据一实施例，键合后结构的两侧注入有硼离子，注入的硼离子深度由第一欧姆接触层至n型GaN层的内部，离子注入区域为通光孔径与电流注入限制结构。其中，p型电极覆盖于第一欧姆接触层的部分离子未注入区域；或者，p型电极形成于第二欧姆接触层之上，第二欧姆接触层形成于第一欧姆接触层的离子注入区域和离子未注入区域之上，p型电极的投影在离子注入区域之内，或者，p型电极的投影覆盖离子注入区域和部分离子未注入区域。
根据另一实施例，键合后结构的上方形成有内部为中空圆形的氧化物，氧化物为通光孔径与电流注入限制结构，第二分布式布拉格反射镜结构的至少部分位于中空圆形内。其中，氧化物形成于第一欧姆接触层之上，氧化物的边缘侧(参照图8所示)或内侧(参照图9所示)设置有环形的电极通孔，p型电极形成于第一欧姆接触层之上的电极通孔之内；或者，氧化物形成于第二欧姆接触层之上，第二欧姆接触层形成于第一欧姆接触层之上，氧化物的边缘侧(参照图8所示)或内侧(参照图9所示)设置有环形的电极通孔，p型电极形成于第二欧姆接触层之上的电极通孔之内。
综上所述，本公开实施例提供了一种基于范德华外延的垂直腔面发射激光器及其制作方法，将GaN基有源区结构外延生长于覆盖有单层二维材料的第一衬底上，基于单层二维材料的设置，可以将GaN基有源区结构从第一衬底上剥离之后与位于第二衬底上的第一分布式布拉格反射镜结构键合，大大减少了对GaN基有源区结构的破坏，从而提高有源区部分的晶体质量，减小了阈值电流，得到更高质量的GaN基VCSEL，至少解决了现有的制作工艺导致的垂直腔面发射激光器的外延困难以及由于复杂的剥离工艺导致的有源区遭到破坏，使得垂直腔面发射激光器的生长质量差的问题。此外，采用范德华外延生长有源区结构然后转印的方法不会对第一衬底造成破坏，理论上可实现第一衬底的无限重复使用，且工艺简单，大大节省了生产成本，还解决了由于体GaN、SiC等高成本衬底对高质量GaN基材料大批量产业化外延的阻碍以及GaN基VCSEL制造过程中复杂的剥离工艺造成的高生产成本问题。
还需要说明的是，虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于范德华外延的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，包括：
制作GaN基有源区结构，包括：
在第一衬底上覆盖单层二维材料；
在覆盖有单层二维材料的第一衬底上外延生长GaN基有源区结构，所述GaN基有源区结构自下而上包括：n型GaN层、有源区、电子阻挡层、p型GaN层以及p+GaN层，所述p+GaN层作为第一欧姆接触层；
在第二衬底上形成第一分布式布拉格反射镜结构；
将GaN基有源区结构从所述第一衬底上剥离；
将剥离后的所述GaN基有源区结构与位于第二衬底上的所述第一分布式布拉格反射镜结构键合；以及
在键合后结构的第一欧姆接触层之上形成第二分布式布拉格反射镜结构。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在形成第二分布式布拉格反射镜结构之前还包括：在键合后结构形成通光孔径与电流注入限制结构。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述形成通光孔径与电流注入限制结构的方法包括：
在键合后结构的两侧进行离子注入，注入的离子深度由第一欧姆接触层至所述n型GaN层的内部，离子注入区域为通光孔径与电流注入限制结构；或者，
在键合后结构的第一欧姆接触层之上进行氧化物沉积、图案化以及刻蚀操作，使得部分第一欧姆接触层裸露出来，未被刻蚀的氧化物为通光孔径与电流注入限制结构；或者，
在键合后结构的第一欧姆接触层之上形成第二欧姆接触层，所述第二欧姆接触层为导体层，在所述第二欧姆接触层之上进行氧化物沉积、图案化以及刻蚀操作，使得部分第二欧姆接触层裸露出来，未被刻蚀的氧化物为通光孔径与电流注入限制结构。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，
当采用离子注入的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，在键合后结构的第一欧姆接触层上形成环状的p型电极，使得所述p型电极覆盖于第一欧姆接触层的部分离子未注入区域；或者，
当采用离子注入的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，在键合后结构的第一欧姆接触层的离子注入区域和离子未注入区域之上形成第二欧姆接触层，第二欧姆接触层为导体层；在第二欧姆接触层之上形成环状的p型电极，所述p型电极的投影在离子注入区域之内，或者，所述p型电极的投影覆盖离子注入区域和部分离子未注入区域；
其中，至少部分所述第二分布式布拉格反射镜结构覆盖于所述环状的p型电极内部。
5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，
当在第一欧姆接触层之上通过氧化物沉积、图案化以及刻蚀的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，图案化并刻蚀所述氧化物以得到环状的电极通孔，在第一欧姆接触层之上的电极通孔内形成环状的p型电极；
当在第二欧姆接触层之上通过氧化物沉积、图案化以及刻蚀的方式形成通光孔径与电流注入限制结构之后，图案化并刻蚀所述氧化物以得到环状的电极通孔，在第二欧姆接触层之上的电极通孔内形成环状的p型电极。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制作方法，其特征在于，还包括：制作环状的n型电极；
其中，位于第二衬底上的所述第一分布式布拉格反射镜结构的长宽尺寸小于所述GaN基有源区结构的对应长宽尺寸，所述GaN基有源区结构与位于第二衬底上的所述第一分布式布拉格反射镜结构键合后，所述GaN基有源区结构的n型GaN层的底部裸露出来，在裸露的n型GaN层的下表面形成环状的n型电极；或者，
位于第二衬底上的所述第一分布式布拉格反射镜结构的长宽尺寸小于所述GaN基有源区结构的对应长宽尺寸，所述GaN基有源区结构与位于第二衬底上的所述第一分布式布拉格反射镜结构键合后，通过在键合后结构上刻蚀至n型GaN层的内部以制作台面，使得部分n型GaN层的上表面裸露出来，在裸露的n型GaN层的上表面形成环状的n型电极。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，
第一衬底为以下衬底的一种：蓝宝石衬底、硅单晶衬底、尖晶石衬底、碳化硅衬底、氧化锌衬底、硅上生长氧化铝复合衬底、硅上生长氮化铝复合衬底、硅上生长氧化锌复合衬底、氮化镓衬底或者氮化铝衬底；和/或，
覆盖单层二维材料的方法包括以下一种：转移或者直接生长；和/或，
所述二维材料包括以下材料的一种：石墨烯或者氮化硼；和/或，
所述将GaN基有源区结构从所述第一衬底上剥离的方法包括：通过将聚二甲基硅氧烷或热释放胶带粘附于GaN基有源区结构上与第一衬底剥离；和/或，
所述键合的方法包括：将所述剥离后的所述GaN基有源区结构与位于第二衬底上的所述第一分布式布拉格反射镜结构加压贴合后，进行退火处理使其键合，退火温度为100℃-300℃；和/或，
所述n型GaN层的厚度为1μm-3μm；和/或，
所述有源区为InGaN/GaN多量子阱或InGaN量子点，其中InGaN/GaN多量子阱层的周期数≥1，其中势垒或势阱的宽度范围均为0-100nm；和/或，
所述电子阻挡层的厚度为10nm-30nm；和/或，
所述p型GaN层的厚度为100nm-300nm；和/或，
所述p+GaN层的厚度为0-10nm；和/或，
所述第一分布式布拉格反射镜结构和所述第二分布式布拉格反射镜结构包括：SiO2/Ta2O5的周期性结构，周期数为8-15。
8.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
GaN基有源区结构，自下而上包括：n型GaN层、有源区、电子阻挡层、p型GaN层以及p+GaN层，所述p+GaN层作为第一欧姆接触层；所述GaN基有源区结构通过在覆盖有二维材料的第一衬底上外延制作后剥离得到；
位于第二衬底上的所述第一分布式布拉格反射镜结构，与所述GaN基有源区结构键合；以及
形成于第一欧姆接触层之上的第二分布式布拉格反射镜结构。
9.根据权利要求8所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括：形成于第一欧姆接触层之上的环状的p型电极，以及形成于n型GaN层的下表面或上表面的环状的n型电极；
其中，至少部分所述第二分布式布拉格反射镜结构覆盖于所述环状的p型电极内部。
10.根据权利要求9所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括：通光孔径与电流注入限制结构；
其中，键合后结构的两侧注入有硼离子，注入的硼离子深度由第一欧姆接触层至所述n型GaN层的内部，所述离子注入区域为所述通光孔径与电流注入限制结构；
其中，所述p型电极覆盖于第一欧姆接触层的部分离子未注入区域；
或者，所述p型电极形成于第二欧姆接触层之上，所述第二欧姆接触层形成于第一欧姆接触层的离子注入区域和离子未注入区域之上，所述p型电极的投影在离子注入区域之内，或者，所述p型电极的投影覆盖离子注入区域和部分离子未注入区域；
或者，
键合后结构的上方形成有内部为中空圆形的氧化物，所述氧化物为所述通光孔径与电流注入限制结构，所述第二分布式布拉格反射镜结构的至少部分位于所述中空圆形内；
其中，所述氧化物形成于第一欧姆接触层之上，所述氧化物的边缘侧或内侧设置有环形的电极通孔，p型电极形成于第一欧姆接触层之上的电极通孔之内；
或者，所述氧化物形成于第二欧姆接触层之上，所述第二欧姆接触层形成于第一欧姆接触层之上，所述氧化物的边缘侧或内侧设置有环形的电极通孔，p型电极形成于第二欧姆接触层之上的电极通孔之内。
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