CN117748290A - 一种具有2d材料层的垂直腔面发射激光器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，在基板上形成2D材料层；范德华外延层形成在2D材料层上，为III‑V族化合物或III族氮化物，且材质相异于基板；底部介电质DBR形成在基板的部分区域上或范德华外延层的部分表面上，以介电质DBR作为侧向外延屏蔽，侧向外延层结合n型/p型掺杂层覆盖在底部介电质DBR和范德华外延层上；有源层形成在n型/p型掺杂层上；p型/n型掺杂层形成在有源层上；顶部DBR形成在p型/n型掺杂层上；n电极和p电极分别安装在n型掺杂层和p型掺杂层上。本发明并提供其制备方法，可以脱离外延基板的局限，实现高质量化合物半导体外延，大幅提升产出效率和产品良率，提升产品效能、良率和性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器及制备方法。
背景技术
二极管激光器为一种固态激光器，基础发光原理与一般发光二极管近似，均由III-V族或III族氮化物等化合物半导体二极管构成组件主要结构；与发光二极管不同的是，二极管激光器内需有镜射器(mirrors)或反射器(reflectors)形成光学谐振腔；二极管激光器目前主要分为下面两大类：A.边发射激光器(EEL：Edge Emitting Laser)：光学谐振腔与外延平面平行，系由外延后切割成晶粒并在侧边蒸镀金属反射薄膜构成，激光沿水平方向(在外延平面内)来回谐振，由侧边射出，所以称为“边发射型”。B.面发射激光器(SEL：Surface Emitting Laser)：外延结构与反射器形成与外延平面垂直的光学谐振腔，激光沿垂直方向谐振，由外延表面射出，所以称为“面发射型”。垂直腔面发射激光器(Verticalcavity surface emitting lasers，VCSELs)是面发射激光器的一种，已广泛应用在消费电子、工业控制、光通信等领域，目前近红外光VCSEL已成为3D传感的主要光源技术，包括面部识别、车用激光雷达(LiDAR)等，可以取代发光二极管或边发射激光器(EEL)。VCSEL从开发阶段就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域，数据中心、超级运算中心等装置间连接常可以见到以VCSEL为光源的光模块。VCSEL的独特优点包括阈值电流低、易实现单纵模工作、调制频率高、发散角度小、圆形光斑、易与光纤耦合、不必解理即可完成工艺制作和检测，易实现高密度二维数组及光电集成等应用范围相当广泛，短期内应不易被其他技术取代。然而，除了砷化镓(GaAs)基的近红外光VCSEL实现商业量化生产外，氮化镓(GaN)基的可见光/紫外光VCSEL以及磷化铟(InP)基的长波长VCSEL均存在技术尚未发展成熟或生产成本偏高等问题待克服。
近二十年来，GaN基半导体材料在外延生长和光电子器件制备方面均取得了重大科技突破，其中发光二极管(LED)和边发射激光器(EEL)已经实现产业化，但是具有更优越特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)仍处于实验室研究阶段。GaN VCSEL可应用于高密度光学储存、高分辨率打印机以及微投影上。但是GaN VCSEL的发展相较于GaN EEL或是其他材料制作的近红外光VCSEL来说相对迟缓许多，主要技术障碍还是在于缺乏高质量的外延DBR，其次则是激光增益介质对外延质量需求较高，特别是InGaN有源区高In含量外延质量控管的既存问题。
分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)是VCSEL组件所采用的典型反射器，特别是外延式的DBR，针对特定波长把不同折射率的材料薄层交互周期性的堆栈以达到接近全反射的效果；氮化镓系统外延DBR主要分成两种，包含AlN/GaN、与AlInN/GaN，但尚未突破技术困难达成适于量产的高质量GaN VCSEL。另一种DBR方案为介电质(dielectrics)DBR，由于介质式DBR不需受限于晶格匹配的问题，可自由选用折射率差异大的两种介质材料，因此更易于制作出高反射率以及宽禁止带的DBR，也因此可以实现堆栈层数与总厚度远低于外延式DBR的反射器。
GaN VCSEL的技术发展也因此形成三种方案：全外延式、混合式与全介电质式DBR。由于介电质层可以经由气相沉积方式形成DBR，利于顶部DBR的工序兼容性，至于底部DBR采用介电质层时则无法直接在其表面进行外延，所谓混合式DBR即底部仍采外延式DBR而顶部为介电质式DBR为主；如图1所示，即底部采用外延式DBR的VCSEL架构，在同质单晶基板100上形成底部外延式DBR层200、n型掺杂层300、有源区500、p型掺杂层400和顶部DBR层600，制作n电极310和p电极410等制作VCSEL。至于全介电质式DBR则需将外延层与外延基板分离，再与备有介电质式DBR的新基板键合，此方案工序复杂度明显提高，且存有谐振腔厚度较难精准控制问题；另一种在单一基板上实现全介电质式DBR GaN VCSEL的技术，如图2所示，在外延基板上进行外延时，以介电质式DBR 20为侧向外延(Epitaxial Lateral Overgrowth，ELO)屏蔽，目前已证实技术可行性并于单晶GaN基板10表面实现性能较佳的GaN基蓝光VCSEL，在单晶GaN基板10和介电质式DBR 20上形成n型掺杂层30、有源区50、p型掺杂层40和顶部DBR层60，制作n电极301和p电极401，但该方案在单晶GaN基板10上方的n型掺杂层30和p型掺杂层40也都受限于n-GaN和p-GaN材质。
尽管多数的技术方案已采用高成本的单晶GaN作为外延基板，GaN VCSEL仍处于实验室研究阶段，尤其GaN基绿光VCSEL更因高In含量InGaN外延的问题即使采用单晶GaN外延基板帮助也有限，实现量产化的难度明显高于GaN基蓝光VCSEL。GaN VCSEL常用于技术开发的介电质式DBR则有SiO2/HfO2、SiO2/ZrO2、SiO2/TiO2及Ta2O5/SiO2等组合。
磷化铟(InP)基的长波长VCSEL的主要发光波长在1300nm以上范围，目前市场在智能型手机上使用对人眼安全性更高的感测光源有显著需求，目前业界正致力于量产技术的开发。此外，在光通讯、光达(LiDAR)、硅光子(Si Photonics)及气体感测等应用领域都具有关键的重要性；磷化铟(InP)基VCSEL目前主要的技术困难点在于缺乏理想的外延DBR，导致达到高反射率DBR需要远高于GaAs基VCSEL的DBR堆栈层数，因而造成外延制程上的问题，又由于外延DBR材质热传导性不佳，DBR厚度大增更恶化组件的散热问题；其次，InP基VCSEL使用的单晶InP基板目前最大尺寸为4英寸，不但价格昂贵而且产出效率偏低，存在成本与产效问题。
为了改善外延DBR瓶颈，有两种技术方案被提出：其一是导入顶部与底部介电质式DBR并辅以金属散热层，而制作底部DBR前须进行InP外延基板移除；另一方案是在InP基板上外延谐振腔，而顶部与底部外延式DBR则另行在GaAs基板表面制作，然后经过双重晶圆熔接(wafer fusion)与外延基板移除等工序才能完成谐振腔与顶部及底部外延式DBR键合；即使两种方案皆能取得通过效能与可靠性验证的成果，但工序的复杂度明显提升，不符实际市场需求。整体方案之外，针对顶部反射器也有DBR之外的技术选项，例如高对比度光栅(high contrast grating，HCG)反射器等也具有实质效益并适用于其他VCSEL组件。目前常用于技术开发的介电质式DBR则有Al2O3/a-Si、CaF2/a-Si、CaF2/ZnS及AlF3/ZnS等组合。
综合前述，尽管预期性能优势显著而应用广泛，在部分发光波段的VCSEL仍有技术难点待克服，特别是环绕DBR反射器相关的技术问题，限制许多实际需求无法顺利获得完整解决方案；作为二极管激光器之一，谐振增益产生激光的机制需要优良的谐振腔外延质量为基础，也同时面临发光二极管等化合物半导体组件共通的基板/外延层匹配问题导致的各种设计制造或性能上的局限；如果导入能广泛解决外延匹配问题的技术方案，或能有效改善VCSEL等化合物半导体组件技术面的各种局限问题。
二维材料(two-dimensional(2D)materials)是一个快速发展的新兴领域，2D材料家族中最早吸引大量研发投入也最知名的材料为石墨烯(graphene)，其二维层状结构具备特殊或优异的物理/化学/机械/光电特性，层与层间则没有强力的键结存在仅以范德华力结合，这也表示层状结构表面没有空悬键(dangling bond)存在，目前石墨烯已被确认具有广泛而优异的应用潜能；石墨烯研发工作于全球普遍开展，同时也带动更多2D材料的研发，包括六方氮化硼hBN(hexagonal Boron Nitride)，过渡金属二硫族化物TMDs(transitionmetal dichalcogenides)以及黑磷black phosphorus等也是2D材料家族中累积较多研发成果者，上述材料均各自具备特异的材料特性与应用潜能，相关材料的制造技术开发也持续积极推展中。除了优异的光电特性之外，石墨烯、hBN以及TMDs材料之一的MoS2都被视为具有优异的扩散阻障特性，也有程度不一的高温稳定性，尤其hBN更具有绝佳的化学钝性(inertness)以及高温耐氧化性。由于具备上述层状结构本质以及层间范德华力结合特性，将2D材料家族中两种或多种材料制作成层状堆栈异质结构(hetero-structures)技术可行性大开，异质结构除了结合不同特性更创造出新的应用特性或制作出新的组件成为可能，目前光电及半导体领域的研发相当积极。2D材料的范德华力结合特性也获得应用于传统3D材料的外延基板用途的关注，其着眼点在于外延技术中外延材料在晶体结构、晶格常数(lattice constant)、热膨胀系数(CTE，coefficient of thermal expansion)必须与基板材料匹配非常良好，但现实上常遭遇欠缺适合基板材料，或者是理想的基板材料成本偏高或不容易取得等情形，此时2D材料对于异质外延基板提供了另一种解决方案，也就是所谓的范德华外延(van der Waals Epitaxy)。范德华外延可能有利于异质外延的机制来自于传统外延界面直接的化学键改由范德华力结合所取代，将使得来自于外延制程中晶格以及热膨胀不匹配的应力或应变能因此获得一定程度的舒缓，从而使得外延质量获得改善，或者说藉由2D材料以及范德华外延导入可以使某些原先无法实用化的异质外延技术成为可能。相关研究也指出，当上述2D材料相互迭层形成异质结构时，相互间作用力以范德华力为主；而在2D材料上进行3D材料的外延时，由于界面上3D材料的空悬键(dangling bond)存在、同时对界面的结合力有贡献，这种外延实质上并非纯粹范德华外延(van der WaalsEpitaxy)或者更精确地可视为准范德华外延(Quasi van der Waals Epitaxy)；不论何种情形，晶格与热膨胀的匹配程度，无疑地仍对最终的外延质量起了一定的作用，2D材料中介层与基板材料都对整体的匹配度有所贡献。上述2D层状材料具有六角形或蜂巢状(hexagonor honeycomb)结构，与纤锌矿(Wurtzite)和闪锌矿(Zinc-Blende)结构材料在外延时被视为结构兼容,本发明相关领域主要外延材料均属此类结构。
近年研究指出在单晶的c面(c-plane)蓝宝石表面可以CVD等方式成长结晶性良好的层状hBN以及MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、MoTe2、WTe2等TMD材料，成长出来的hBN、TMD材料存在两种(0°及60°)晶体指向(crystal orientation)。针对本发明所关注的III族氮化物材料而言，其纤锌矿(Wurtzite)晶体结构在外延接面上具有六方对称性，上述的hBN或TMD层虽不构成单晶层，但作为外延基板时无碍于III族氮化物外延层形成单晶，此现象已在多项GaN及AlN基在前述二维材料表面的范德华外延研究中验证，并获得优异的外延质量；如在成长MoS2薄层的蓝宝石基板表面可以获得高质量的AlN外延，缺陷密度远低于直接在蓝宝石表面外延的结果，原因即为前述的晶格匹配性提升而范德华外延界面亦能纾解部分的应力(参考文献：JournalofCrystalGrowth 2020，544，125726)；目前将hBN、TMD层自蓝宝石表面剥下并移转到其他基板表面的技术已达成实用化及大面积化，蓝宝石基板可以重复循环使用，已属于商业量产可行的制程。针对闪锌矿(ZincBlende)结构材料如GaAs及InP等III-V族化合物在二维材料表面的范德华外延，则必须在单晶石墨烯、hBN及TMD等表面进行，实现GaAs(111)或InP(111)面向的外延。前述二维材料的单晶制作已有多项技术成果发表，例如晶圆尺度的单晶hBN成长与移转学界及业界均有发表，相关技术已具备量产可行性(参考文献：Nature 2020，579，219-223)。
化合物半导体外延多年来广泛运用的侧向外延(epitaxial lateralovergrowth，ELO)技术，在外延制程中应用非晶质介电层如SiO2或SiN等作为屏蔽(mask)进行择区外延(Selective Area Epitaxy，SAE)，以及侧向外延覆盖非晶质屏蔽，而后外延层重行合拢形成平坦表面。ELO可以有效抑制外延时主要缺陷插排(threadingdislocations)在外延层内延伸，适当应用可以大幅度降低外延层缺陷密度，最佳可达几个数量级的幅度，特别是在屏蔽层表面以上的侧向外延层，在显微分析之下常呈现接近无插排缺陷的状态，仅侧向外延层合拢的接合面存在少数缺陷。当采用多重ELO时能进一步抑制外延缺陷；如采用双层SiN屏蔽进行ELO有效地在蓝宝石表面制作出质量优异的GaN外延层，并有效纾解热应力，GaN外延层缺陷密度优异，达到与使用商用独立式(freestanding)单晶GaN基板相当的缺陷密度水平(参考文献：ACSAppl.Mater.Interfaces 2016，8，33，21480–21489)。
硅光子(Si Photonics)集硅集成电路与半导体激光器之大成，将过去离散的组件整合，并将光学主动与被动组件微小化、积体化，甚至与成熟的CMOS电路逐步整合进入单一的芯片中，以达到集成电路长期演示的性能、产效持续提升及成本持续下降。大型数据处理及云端运算中心内外采用光传输已行之有年，随着海量数据处理及传输的需求加速增长，进一步提升效能的硅光子技术角色越发关键，随着AI需求跃升技术展更受到广泛关注；然而，硅属于间接能隙材料发光效率不佳，兼以既有光纤数据传输采用讯号损失小的红外光波段，居于中介的硅光子势必仍以红外光为理想的主要应用波段，此处牵涉到的半导体激光器即以III-V族特别是InP基最为适合，InP基VCSEL为最适合的组件之一。如何将III-V族半导体激光器光源与硅集成电路整合，甚至进入单一的芯片中正是硅光子最主要的技术挑战。目前除了采用外接光源或封装方式整合激光光源之外，仅有少数厂商握有将InP激光光源整合进入单一的芯片中的技术，其中美国Intel成为技术领先者一家独享近半数硅光子组件市占。然而，这样的技术方案仍是在InP单晶基板制作完成外延层，然后以晶圆键合方式将前述外延层与制作有光学被动组件的SOI(Silicon-on-insulator)晶圆键合，以达成InP激光光源整合；此方案涉及InP单晶以及SOI两种基板，并涉及晶圆键合及基板移除。如果采用前项所述及的用二维材料来致能范德华外延，同时以侧向外延方式维系谐振腔具有优良外延质量，可在制作有光学被动组件的单一硅基基板上完成外延及VCSEL组件结构，达成单石(monolithic)架构的硅光子芯片。
近期量子通讯及量子运算技术发展受到瞩目，由于氮化硅光波导可以弥补硅光波导无法涵盖的可见光及近紫外光波段，应用氮化硅(Si3N4)光波导以及在可见光及近紫外光运作的硅光子平台成为了技术焦点，比利时微电子研究中心(imec)表示，氮化硅光波导用于硅光子带来的优点在于降低传输损耗、精准控制相位、低损耗光耦合、降低热学变异和提高功率等；同时，因为氮化硅是CMOS制程技术习用的材料，对VLSI领域而言相关制造技术完备成熟，氮化硅光波导等光学被动组件在硅晶圆上制造技术进展迅速；但是氮化硅的材料特性相对于硅而言，更难匹配III-V族或III族氮化物的外延制程，与激光光源整合达成高效的单石芯片仍需解决方案；同样地，采用前述的应用二维材料来致能范德华外延，同时以侧向外延方式维系共振腔具有优良外延质量，可在制作有氮化硅光波导的硅基板上完成III-V族或III族氮化物外延及VCSEL组件结构，达成单石架构的氮化硅光波导硅光子芯片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，并提供其制备方法，可以脱离外延基板的局限，实现高质量化合物半导体外延，大幅提升产出效率和产品良率，提升产品效能、良率和性能。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，包括：基板、2D材料层、范德华外延层、底部介电质DBR、n型掺杂层、有源层、p型掺杂层和顶部DBR；2D材料层形成在基板上；范德华外延层形成在2D材料层上，范德华外延层为III-V族化合物或III族氮化物，且范德华外延层的材质相异(extrinsic)于基板；底部介电质DBR形成在基板的部分区域上或范德华外延层的部分表面上，以介电质DBR作为侧向外延(Epitaxial Lateral Overgrowth，ELO)屏蔽，侧向外延层结合n型掺杂层或p型掺杂层覆盖在底部介电质DBR和范德华外延层上；有源层形成在n型掺杂层或p型掺杂层上；p型掺杂层或n型掺杂层形成在有源层上；顶部DBR形成在p型掺杂层或n型掺杂层上；n电极和p电极分别安装在n型掺杂层和p型掺杂层上。
所述顶部DBR与p型掺杂层或n型掺杂层之间形成透明电流分散层，p电极或n电极避开顶部DBR安装在透明电流分散层上。
所述侧向外延层包括第一侧向外延层和第二侧向外延层；底部介电质DBR形成在范德华外延层部分表面上，在范德华外延层上未受介电质DBR覆盖(避开介电质DBR)的其他表面上的部分位置还形成介电质掩膜层，以介电质掩膜层作为第一次侧向外延屏蔽，在范德华外延层未受介电质DBR覆盖的其他表面上形成邻接介电质DBR的第一侧向外延层，以介电质DBR作为第二次侧向外延屏蔽，第二侧向外延层结合n型掺杂层或p型掺杂层覆盖在底部介电质DBR和范德华外延层上的第一侧向外延层上。所述介电质掩膜层是选自非晶质SiO2或SiN。
所述底部介电质DBR直接形成在基板的部分区域上，在基板未受介电质DBR覆盖的其他表面上形成2D材料层；范德华外延层邻接于介电质DBR形成在2D材料层上。
所述2D材料层是选自hBN、石墨烯或二维过渡金属硫族化合物(transition metaldichal cogenides，TMDs)。
所述基板是一包含硅晶圆或SOI(Silicon-On-Insulator)基板在内的硅基基板，硅基基板上形成对应于底部介电质DBR的光学被动元件。
一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括下列步骤：
第一步，在基板表面的部分区域上形成底部介电质DBR，在基板表面邻接介电质DBR的区域形成2D材料层；
第二步，在2D材料层上形成邻接介电质DBR的范德华外延层，范德华外延层为III-V族化合物或III族氮化物，且材质相异(extrinsic)于基板；
第三步，以介电质DBR为屏蔽进行侧向外延，侧向外延层结合n型掺杂层或p型掺杂层覆盖在底部介电质DBR和范德华外延层上；
第四步，在n型掺杂层或p型掺杂层上形成有源层；
第五步，在有源层上形成p型掺杂层或n型掺杂层；
第六步，在p型掺杂层或n型掺杂层上形成顶部DBR；
第七步，在n型掺杂层和p型掺杂层上分别安装n电极和p电极。
另一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括下列步骤：
第一步，在基板上形成2D材料层；
第二步，在2D材料层上形成范德华外延层，范德华外延层为III-V族化合物或III族氮化物，且材质相异(extrinsic)于基板；
第三步，在范德华外延层表面的部分区域上形成底部介电质DBR，在范德华外延层未被介电质DBR覆盖的其他表面上的部分位置形成介电质掩膜层；
第四步，借助介电质掩膜层进行第一次侧向外延，在范德华外延层未被介电质DBR覆盖的其他表面上形成第一侧向外延层，第一侧向外延层覆盖在范德华外延层未被介电质DBR覆盖的其他表面上，且第一侧向外延层邻接于介电质DBR；
第五步，以介电质DBR为屏蔽再进行第二次侧向外延，第二侧向外延层结合n型掺杂层或p型掺杂层覆盖在底部介电质DBR和第一侧向外延层上；
第六步，在n型掺杂层或p型掺杂层上形成有源层；
第七步，在有源层上形成p型掺杂层或n型掺杂层；
第八步，在p型掺杂层或n型掺杂层上形成顶部DBR；
第九步，在n型掺杂层和p型掺杂层上分别安装n电极和p电极。
所述第八步，先在p型掺杂层或n型掺杂层上形成透明电流分散层，再在透明电流分散层的部分区域形成顶部DBR；第九步，在透明电流分散层上，避开顶部DBR安装p电极或n电极。
采用上述方案后，本发明借助适当的2D材料来致能范德华外延，在范德华外延层处以侧向外延来降低外延材质相异的匹配问题，并大幅度降低外延层缺陷密度，由此可以脱离外延基板的局限，大幅提升材质选用的弹性，避开以往的基板移除、熔接，或被迫选用价昂量少尺寸小的同质性单晶基板的技术困难，同时，制程上的改良也使得产品良率和产出效率获得提升，在较广泛的基板选项下实现高质量化合物半导体外延，也可能应用于VCSEL技术方案的改善，同时提高生产效率并降低成本。针对GaN基与InP基VCSEL关于DBR反射器的技术难点，当采用底部介电质式DBR选项时，可以应用2D材料来致能范德华外延，同时达成不需要做晶圆熔接或移除、也不需要采用同质性单晶基板的情形下，在单一基板上完成外延及组件结构，大幅提升产出效率和产品良率；底部介电质式DBR则同时作为侧向外延的介电质屏蔽来达成谐振腔具有优良外延质量，提升产品效能；或在范德华外延层表面额外导入介电质掩膜层屏蔽并进行侧向外延，外延至底部介电质DBR表面时则形成第二次侧向外延，连续进行两次侧向外延，使得外延层结构瑕疵被有效消减，产品质量明显提升。
下面结合附图及具体实施例，对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1是一种现有技术的结构剖视图，用以说明底部采用外延式DBR、顶部为介电质式DBR的混合式VCSEL架构；
图2是另一种现有技术的结构剖视图，用以说明在单晶GaN基板表面以介电质式DBR为侧向外延屏蔽制造的GaN基蓝光VCSEL；
图3是本发明第一较佳实施例的结构剖视图；
图4是本发明第二较佳实施例的结构剖视图；
图5是本发明第三较佳实施例的结构剖视图。
标号说明
同质单晶基板100，外延式DBR层200，n型掺杂层300，n电极310，p型掺杂层400，p电极410，有源区500，顶部DBR层600；
单晶GaN基板10，介电质式DBR 20，n型掺杂层30，n电极301，p型掺杂层40，p电极401，有源区50，顶部DBR层60；
基板1，光学被动元件11，2D材料层2，范德华外延层3，底部介电质DBR 4，介电质掩膜层41，第一侧向外延层42，n型掺杂层5，n电极51，有源层6，p型掺杂层7，p电极71，顶部DBR8，透明电流分散层9。
具体实施方式
如图3所示，揭示了本发明第一较佳实施例，包括基板1、2D材料层2、范德华外延层3、底部介电质DBR 4、n型掺杂层5、有源层6、p型掺杂层7和顶部DBR 8。将底部介电质DBR 4直接形成在基板1的部分区域上，将2D材料层2形成在基板1未受底部介电质DBR 4覆盖的其他表面上，2D材料层2邻接底部介电质DBR 4。将范德华外延层3形成在2D材料层2上，范德华外延层3邻接于底部介电质DBR 4，范德华外延层3为III-V族化合物或III族氮化物，且范德华外延层3的材质相异(extrinsic)于基板1。以底部介电质DBR 4作为侧向外延(EpitaxialLateral Overgrowth，ELO)屏蔽，侧向外延层结合n型掺杂层5覆盖在底部介电质DBR 4和范德华外延层3上。有源层6形成在n型掺杂层5上。p型掺杂层7形成在有源层6上；顶部DBR 8形成在p型掺杂层7上。n电极51和p电极71分别安装在n型掺杂层5和p型掺杂层7上。其中，n型掺杂层5和p型掺杂层7的位置可以调换。
上述实施例中，由于范德华外延层3是形成于2D材料层2之上，和2D材料层2下方的外延基板1完全可以采用异质材料，提供更佳的材料选用弹性。在底部介电质DBR 4侧边的范德华外延层3上外延的是n型掺杂材质，受到底部介电质DBR 4作为屏蔽的部分遮蔽，侧向外延层结合的n型掺杂层5最终将覆盖底部介电质DBR 4和在2D材料层2上的范德华外延层3。侧向外延的过程可以让相异材质之间原本匹配度不够良好、外延时主要缺陷插排在外延内延伸等问题获得改善。n型掺杂层5上方形成有源层6和p型掺杂层7，本实施例中的p型掺杂层7截面积等同于有源层6，但熟悉本领域技术人士可以轻易理解，p型掺杂层7的截面积亦可仅部分覆盖有源层6。由于受到上下两侧的n型掺杂层5和p型掺杂层7提供能量，使得有源层6内的价电子被泵送至高能量状态，造成粒子数反转，从而在上下两侧的底部介电质DBR 4和顶部DBR 8之间的共振腔诱发出高同调性(coherence)光子，最终由垂直面发出高同调性的激光束。
如图4所示，揭示了本发明第二较佳实施例，包括基板1、2D材料层2、范德华外延层3、底部介电质DBR 4、n型掺杂层5、有源层6、p型掺杂层7和顶部DBR 8。在基板1上形成2D材料层2。在2D材料层2上形成范德华外延层3，范德华外延层3为III-V族化合物或III族氮化物，且材质相异(extrinsic)于基板1。在范德华外延层3表面的部分区域上形成底部介电质DBR 4，在范德华外延层3未被底部介电质DBR 4覆盖的其他表面上(底部介电质DBR 4的左右两侧)的部分位置形成介电质掩膜层41，介电质掩膜层41可以选自非晶质SiO2或SiN。借助介电质掩膜层41进行第一次侧向外延，在范德华外延层3未被底部介电质DBR 4覆盖的其他表面上形成第一侧向外延层42(第一侧向外延层42覆盖在范德华外延层3未被底部介电质DBR 4覆盖的其他表面和介电质掩膜层41上)，且第一侧向外延层42邻接于底部介电质DBR 4，由于第一侧向外延层42会受到介电质掩膜层41的部分屏蔽，使得第一侧向外延层42可以将范德华外延层3中存在的缺陷密度大幅降低。再以底部介电质DBR 4为屏蔽，进行第二次侧向外延，第二侧向外延层结合n型掺杂层5覆盖在底部介电质DBR 4和第一侧向外延层42上，此实施例包括两个侧向外延层(第一侧向外延层42和结合n型掺杂层5的第二侧向外延层)，采用双重的侧向外延架构，进一步改善因相异材质之间匹配度不好、外延时产生缺陷等问题，n型掺杂层5不仅形成绝佳的平坦表面，外延层缺陷密度也被降低至近乎无缺陷的情况。在n型掺杂层5上形成有源层6。在有源层6上形成p型掺杂层7。进一步，此实施例在p型掺杂层7上形成透明电流分散层9(例如氧化铟锡ITO)，在透明电流分散层9的部分区域形成顶部DBR 8。在透明电流分散层9上，避开顶部DBR 8安装p电极71，在n型掺杂层5上安装n电极51。此p电极71的电流通过透明电流分散层9分散至p型掺杂层7，让电流可以水平分散，使得电子电洞对复合位置不会过于集中在p电极71下方。
上述实施例中，由于范德华外延层3先后经过介电质掩膜层41和底部介电质DBR 4两次的侧向外延和重行合拢，即使范德华外延层3的材质异于基板1材质，向上外延的过程仍然可以大幅降低缺陷密度，使得材质不匹配问题大幅缓解，外延表面的平整度也相当优异。至于范德华外延层3、第一侧向外延层42是否具有等同于n型掺杂层5的掺杂，也都无须局限。
如图5所示，揭示了本发明第三较佳实施例，包括基板1、2D材料层2、范德华外延层3、底部介电质DBR 4、n型掺杂层5、有源层6、p型掺杂层7和顶部DBR 8。其中，基板1采用绝缘层上覆硅(SOI)基板。至于在基板1上的2D材料层2、范德华外延层3、底部介电质DBR 4、n型掺杂层5、有源层6、p型掺杂层7和顶部DBR 8的外延结构以及n电极51和p电极71的制作方法可以参见前述第一较佳实施例和第二较佳实施例。进一步，在绝缘层上覆硅(SOI)基板内部预先备置例如硅波导、光耦合器、调变器等光学被动元件11，可构成一种硅光子Siphotonic集成电路架构或芯片。
综上所述，本发明通过2D材料层2、范德华外延层3以及侧向外延的结构，巧妙解决异质结构界面不匹配以及外延磊晶时缺陷插排在晶格内延伸等问题，不仅大幅提高基板选用弹性，并且让合拢后的外延表面平坦、缺陷密度大幅降低，使得具有2D材料层的垂直腔面发射激光器制造成本降低、产出效率提升、产品良率提高，尤其可以搭配光学被动元件而使得单石(monolithic)硅光子芯片变得可轻易量产。
Claims (10)
1.一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，其特征在于包括：基板、2D材料层、范德华外延层、底部介电质DBR、n型掺杂层、有源层、p型掺杂层和顶部DBR；2D材料层形成在基板上；范德华外延层形成在2D材料层上，范德华外延层为III-V族化合物或III族氮化物，且范德华外延层的材质相异于基板；底部介电质DBR形成在基板的部分区域上或范德华外延层的部分表面上，以介电质DBR作为侧向外延屏蔽，侧向外延层结合n型掺杂层或p型掺杂层覆盖在底部介电质DBR和范德华外延层上；有源层形成在n型掺杂层或p型掺杂层上；p型掺杂层或n型掺杂层形成在有源层上；顶部DBR形成在p型掺杂层或n型掺杂层上；n电极和p电极分别安装在n型掺杂层和p型掺杂层上。
2.如权利要求1所述的一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述顶部DBR与p型掺杂层或n型掺杂层之间形成透明电流分散层，p电极或n电极避开顶部DBR安装在透明电流分散层上。
3.如权利要求1所述的一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述侧向外延层包括第一侧向外延层和第二侧向外延层；底部介电质DBR形成在范德华外延层部分表面上，在范德华外延层上未受介电质DBR覆盖的其他表面上的部分位置还形成介电质掩膜层，以介电质掩膜层作为第一次侧向外延屏蔽，在范德华外延层未受介电质DBR覆盖的其他表面上形成邻接介电质DBR的第一侧向外延层，以介电质DBR作为第二次侧向外延屏蔽，第二侧向外延层结合n型掺杂层或p型掺杂层覆盖在底部介电质DBR和范德华外延层上的第一侧向外延层上。
4.如权利要求3所述的一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述介电质掩膜层是选自非晶质SiO2或SiN。
5.如权利要求1所述的一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述底部介电质DBR直接形成在基板的部分区域上，在基板未受介电质DBR覆盖的其他表面上形成2D材料层；范德华外延层邻接于介电质DBR形成在2D材料层上。
6.如权利要求1所述的一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述2D材料层是选自hBN、石墨烯或二维过渡金属硫族化合物。
7.如权利要求1所述的一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述基板是一包含硅晶圆或SOI基板在内的硅基基板，硅基基板上形成对应于底部介电质DBR的光学被动元件。
8.一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
第一步，在基板表面的部分区域上形成底部介电质DBR，在基板表面邻接介电质DBR的区域形成2D材料层；
第二步，在2D材料层上形成邻接介电质DBR的范德华外延层，范德华外延层为III-V族化合物或III族氮化物，且材质相异于基板；
第三步，以介电质DBR为屏蔽进行侧向外延，侧向外延层结合n型掺杂层或p型掺杂层覆盖在底部介电质DBR和范德华外延层上；
第四步，在n型掺杂层或p型掺杂层上形成有源层；
第五步，在有源层上形成p型掺杂层或n型掺杂层；
第六步，在p型掺杂层或n型掺杂层上形成顶部DBR；
第七步，在n型掺杂层和p型掺杂层上分别安装n电极和p电极。
9.一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
第一步，在基板上形成2D材料层；
第二步，在2D材料层上形成范德华外延层，范德华外延层为III-V族化合物或III族氮化物，且材质相异于基板；
第三步，在范德华外延层表面的部分区域上形成底部介电质DBR，在范德华外延层未被介电质DBR覆盖的其他表面上的部分位置形成介电质掩膜层；
第四步，借助介电质掩膜层进行第一次侧向外延，在范德华外延层未被介电质DBR覆盖的其他表面上形成第一侧向外延层，第一侧向外延层覆盖在范德华外延层未被介电质DBR覆盖的其他表面上，且第一侧向外延层邻接于介电质DBR；
第五步，以介电质DBR为屏蔽再进行第二次侧向外延，第二侧向外延层结合n型掺杂层或p型掺杂层覆盖在底部介电质DBR和第一侧向外延层上；
第六步，在n型掺杂层或p型掺杂层上形成有源层；
第七步，在有源层上形成p型掺杂层或n型掺杂层；
第八步，在p型掺杂层或n型掺杂层上形成顶部DBR；
第九步，在n型掺杂层和p型掺杂层上分别安装n电极和p电极。
10.如权利要求9所述的一种具有2D材料层的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：
第八步，先在p型掺杂层或n型掺杂层上形成透明电流分散层，再在透明电流分散层的部分区域形成顶部DBR；
第九步，在透明电流分散层上，避开顶部DBR安装p电极或n电极。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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