【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种具有2d材料层的垂直腔面发射激光器及制备方法。
技术介绍
1、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
2、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。
3、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。
4、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。
5、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。
6、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。
7、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。
8、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反射器相本文档来自技高网...
【技术保护点】
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
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：
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：
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：
...【技术特征摘要】
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...
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