本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極及這種電極的制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著信息化社會的不斷發(fā)展，高精度的激光測量技術(shù)、激光加工技術(shù)以及大容量、高速度的光信息存儲、交換、傳輸和處理技術(shù)發(fā)展迅速，這主要依賴于光電子器件技術(shù)及光纖通訊技術(shù)的重大突破，而半導(dǎo)體激光器則是在信息化社會最具有代表性的關(guān)鍵光電子器件之一。半導(dǎo)體激光器從1970年實現(xiàn)室溫連續(xù)輸出至今，已經(jīng)在光纖通信，激光掃描，激光加工，高功率光泵浦等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并且其結(jié)構(gòu)已經(jīng)呈現(xiàn)多樣化以滿足不同應(yīng)用需求。

垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)由于可以在襯底上并列集成多個激光器，在新的光電子領(lǐng)域中起著越來越重要的作用。與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器(eel)不同，垂直腔面發(fā)射激光器是光從垂直于半導(dǎo)體襯底表面方向出射的一種新型半導(dǎo)體激光器，具有單縱模、發(fā)散角小、圓形對稱光斑、耦合效率高、閾值低、調(diào)制速率高、體積小、可二維集成、價格低等很多優(yōu)點。三十多年來，隨著材料外延技術(shù)的發(fā)展及器件制備工藝的提高，垂直腔面發(fā)射激光器的性能也不斷提高，并逐步從實驗室走向市場，廣泛應(yīng)用于光纖通訊、激光打印、泵浦固體及光纖激光器等領(lǐng)域。

典型的垂直腔面發(fā)射激光器由高反射率(>99%)的上下dbr(distributedbraggreflectors：分布布拉格反射)反射鏡、有源區(qū)和金屬接觸層組成。量子阱有源區(qū)夾在n-dbr和p-dbr之間。dbr反射鏡由光學(xué)厚度為λ/4的高折射率層和低折射率層交替生長而成。vcsel器件常制作成圓形、方形和環(huán)形結(jié)構(gòu)，分別在襯底和p-dbr的外表面制作金屬接觸層，并在p-dbr或n-dbr上制作一個圓形出光窗口。相比傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(vcsel)由于不存在常規(guī)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器件的光學(xué)腔面損傷，并且具有低的閾值電流和高的工作溫度，圓形對稱輸出光斑等多種優(yōu)點，近年來受到了高溫低能耗器件應(yīng)用上的廣泛關(guān)注。另外，vcsel器件為表面出光，易于實現(xiàn)高的集成密度，因而在高功率激光應(yīng)用上也有重要意義，被大量應(yīng)用于多種領(lǐng)域的光學(xué)系統(tǒng)中，如光網(wǎng)絡(luò)，平行光互連系統(tǒng)，激光打印，高密度存儲光盤，光纖激光器泵浦等。

傳統(tǒng)vcsel器件通常在襯底和p-dbr的外表面制作金屬接觸層，然后在p-dbr或n-dbr上制作一個圓形出光窗口，并在金屬接觸層上制備金屬電極實現(xiàn)vcsel器件。金屬接觸層為半導(dǎo)體材料對有源區(qū)發(fā)射的光子有一定的吸收并產(chǎn)生熱量，降低器件的轉(zhuǎn)換效率和器件性能。同時，金屬電極制備在金屬接觸層上，金屬電極不透光，環(huán)形的金屬電極降低了vcsel器件的出光面積，進(jìn)而限制了高功率器件的制備。對于p面為環(huán)形電極時，當(dāng)口徑較大時，其電流分布不均勻，容易導(dǎo)致差的光斑質(zhì)量。因此，尋找一種vcsel器件電極實現(xiàn)器件出光面積的提高，電流分布的均勻性，對于改善器件光斑質(zhì)量提高器件輸出功率具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極，該電極材料為單層或多層石墨烯薄膜材料，石墨烯薄膜層在垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片的襯底和p-dbr側(cè)的外表面，其中在出光面一側(cè)激光器芯片已經(jīng)刻蝕出圓形出光窗口，然后在圓形出光窗口側(cè)p-dbr（或襯底）外表面的石墨烯薄膜層上制作金接觸點，在金接觸點上引出金屬導(dǎo)線，襯底（或p-dbr）外表面的石墨烯薄膜層用焊料焊接在熱沉上，完成垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件電極的制備，這種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極利用石墨烯材料獨(dú)特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電特性，對有源區(qū)發(fā)射的光子不存在吸收，可以增大器件的出光面積，避免了在傳統(tǒng)器件中由于金屬接觸層的存在對有源區(qū)光子的吸收而產(chǎn)生大量的熱，這種電極較好的導(dǎo)電特性可以使器件電流分布均勻，在出光口徑較大時保持電流均勻分布，進(jìn)而使器件保持較好的光斑質(zhì)量，同時，石墨烯材料的超高導(dǎo)熱特性可實現(xiàn)器件產(chǎn)生熱量的快速散失，使器件具有較好的散熱性能。本發(fā)明提出的這種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極，可使垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件具有更大的出光面積，提高器件輸出功率，這種電極可使器件具有電流分布均勻，產(chǎn)生熱量較少，散熱較快等優(yōu)點，從而實現(xiàn)光斑質(zhì)量較好高功率高性能垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件。

本發(fā)明提出一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極，該電極為單層或多層石墨烯材料，采用化學(xué)氣相沉積(cvd)方法制備在銅箔上，然后采用有膠遷移的方式將石墨烯薄膜層遷移至垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片上，所述電極制備包括以下步驟：1、垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片的制備；2、石墨烯薄膜層材料的制備；3、石墨烯薄膜層遷移在垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片的襯底和p-dbr外表面；4、在出光窗口一側(cè)（p-dbr或襯底）表面的石墨烯薄膜層制備金接觸點；5、在p-dbr（或襯底）石墨烯薄膜層上的金接觸點引出金屬導(dǎo)線，然后將襯底（或p-dbr）外表面用焊料焊接在熱沉上，完成器件電極制備。

本發(fā)明提出的這種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極，其優(yōu)點是該電極采用石墨烯材料，石墨烯為零帶隙材料，有源區(qū)發(fā)射的光子可以透過這種電極，且這種電極對有源區(qū)發(fā)射的光子不存在吸收，避免了由于吸收光子而產(chǎn)生熱量，該電極為透光的從而可以實現(xiàn)較大的出光面積實現(xiàn)高功率器件，同時這種電極導(dǎo)電性好可以使器件電流分布均勻使器件具有較好的光斑質(zhì)量，這種電極具有超高導(dǎo)熱性能使器件具有良好的散熱性能，本發(fā)明提出的這種電極制備工藝簡單，可以使器件實現(xiàn)較大的出光面積，使器件出光面得到充分利用實現(xiàn)高功率輸出，該電極能夠使器件電流分布均勻，獲得質(zhì)量較好的輸出光斑，同時該電極可減少器件熱量產(chǎn)生并使器件能夠快速散熱，獲得高性能垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極及與激光器芯片構(gòu)成的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中器件結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

本發(fā)明提出一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極，該電極材料為單層或多層石墨烯薄膜材料，該電極首先采用化學(xué)氣相沉積(cvd)方法制備在銅箔上，然后將石墨烯薄膜層從銅箔上遷移到垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片上。本發(fā)明提出的這種電極制備工藝簡單，可以使器件實現(xiàn)較大的出光面積，使器件出光面得到充分利用實現(xiàn)高功率輸出，該電極能夠使器件電流分布均勻，獲得質(zhì)量較好的輸出光斑，同時該電極可減少器件熱量產(chǎn)生并使器件能夠快速散熱，獲得高性能垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明提出一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極進(jìn)行詳細(xì)描述。

如圖1所示為本發(fā)明提出的一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極與激光器芯片構(gòu)成的器件結(jié)構(gòu)示意圖，包括石墨烯薄膜層1、襯底2、n-dbr反射鏡3、量子阱有源區(qū)4、p-dbr反射鏡5、石墨烯薄膜層6、金接觸點7、金屬導(dǎo)線8。根據(jù)實際需要設(shè)計n-dbr反射鏡3和p-dbr反射鏡5，實現(xiàn)激光從石墨烯薄膜層6或石墨烯薄膜層1側(cè)出光，金接觸點7制備在石墨烯薄膜層6或石墨烯薄膜層1上，然后從石墨烯薄膜層6上的金接觸點7上引出金屬導(dǎo)線8，石墨烯薄膜層1用焊料焊接在熱沉上，或者從石墨烯薄膜層1上的金接觸點7上引出金屬導(dǎo)線8，石墨烯薄膜層6用焊料焊接在熱沉上完成電極的制備。在本實施例中選擇化學(xué)氣相沉積(cvd)方法將石墨烯薄膜層制備在銅箔上，然后將石墨烯薄膜層遷移至垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片獲得石墨烯電極，垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器從石墨烯薄膜層6側(cè)出光，即頂部出光（p面），石墨烯薄膜層1用焊料焊接在熱沉上。

實現(xiàn)本實施例所提出一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極的具體實施步驟如下：

步驟一：對垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器外延片進(jìn)行器件制備工藝，依次進(jìn)行：外延片清洗、采用機(jī)械的方法先把外延片減薄到350μm-400μm左右、光刻、濕法刻蝕獲得圓柱形臺面結(jié)構(gòu)、420℃溫度下在1.5l/min的氮?dú)鈹y帶95℃的水蒸氣進(jìn)入氧化爐對有源層上方的薄層進(jìn)行濕法選擇性氧化、濺射sio2膜用作絕緣層以防止把器件粘在熱沉上時形成短路、采用化學(xué)拋光的方法將n面襯底進(jìn)行減薄拋光至150μm-180μm、雙面對準(zhǔn)光刻出圓形出光窗口、出光窗口光學(xué)膜制備。

步驟二：采用cvd方法，甲烷氣體作為碳源，在銅箔上進(jìn)行石墨烯薄膜層的制備。將銅箔裝載入cvd儀器石英管中，打開機(jī)械泵使得腔體的壓強(qiáng)達(dá)到50mtorr；給腔體充氣，氫氣（h2）為60sccm，輸運(yùn)氣體氬氣（ar）為150sccm，整個腔體的壓強(qiáng)保持在30torr；設(shè)定程序并啟動，升溫速率控制在20℃/min，將溫度從室溫升至600℃，然后將銅箔推送至目標(biāo)生長區(qū)域，并給銅箔迅速加熱至880℃-900℃；在880℃-900℃條件下維持氫氣為70sccm，氬氣為200sccm氣氛環(huán)境，使銅箔退火20min-30min；通入碳源ch4，流量為35sccm，生長壓強(qiáng)為500mtorr，在催化劑催化作用下進(jìn)行石墨烯薄膜層的生長，生長時間5min-10min；最后，維持氫氣為70sccm，氬氣為200sccm氣氛環(huán)境，使銅箔緩慢降溫至室溫，完成在銅箔上進(jìn)行石墨烯薄膜層的生長。

步驟三：采用pmma作為輔助的有膠遷移方式將石墨烯薄膜層從銅箔上遷移至垂直腔面發(fā)射激光器芯片上，然后自然干燥，再放入120℃熱板上烘焙10min，之后放入丙酮中，直到pmma膠去除干凈，完成石墨烯電極的制備。

步驟四：在制備完成石墨烯薄膜電極的激光器芯片出光側(cè)的石墨烯薄膜層上制備金接觸點，然后在金接觸點上引出金屬導(dǎo)線，非出光側(cè)采用焊料將石墨烯薄膜層焊接到銅熱沉上。

步驟五：對步驟四中的芯片進(jìn)行封裝，獲得具有石墨烯電極的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件。

通過以上步驟實現(xiàn)本申請所要求保護(hù)的一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器電極，該電極采用石墨烯薄膜材料，制備在垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片襯底和p-dbr的外表面，作為激光器器件的電極。這種電極利用石墨烯材料獨(dú)特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電特性，本發(fā)明所提出的這種電極對有源區(qū)發(fā)射的光子不存在吸收，可以增大器件的出光面積，使器件注入電流均勻分布，產(chǎn)生熱量少，使器件能夠較快散熱，實現(xiàn)器件輸出功率提高，輸出光斑質(zhì)量較好的高功率高性能垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件。