一种半导体激光器及其制备方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种半导体激光器及其制备方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)是一种出光方向垂直与谐振腔表面的激光器，具有阈值电流小，发散角小且光斑呈现圆形对称性，易二维集成等优点，目前被广泛应用于光互连、光存储、光通信等领域。
3.现有vcsel器件中通常采用氧化或者离子注入的方式限制电流，以达到电流局限的效果，搭配使用环状电极，这会使得器件电场分布不均匀，导致界面处载流子分布不均匀，使得激光发光的光斑不均匀。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种半导体激光器及其制备方法，以解决现有激光器件中因为电场分布不均匀，所以激光发光的光斑不均匀的问题。
5.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
6.本技术实施例的一方面，提供一种半导体激光器，包括衬底以及依次层叠于衬底上的底部dbr层、多量子阱层和顶部dbr层，在顶部dbr层背离多量子阱层的一侧设置具有出光孔的接触金属，在接触金属上设置有覆盖接触金属和出光孔的mxene薄膜，在mxene薄膜上设置有适配出光孔的顶部电极，mxene薄膜为ti2ct
x
薄膜。
7.可选的，mxene薄膜满足：d＝kλ/4n，其中，d为mxene薄膜的厚度，n为mxene薄膜的折射率，λ为半导体激光器的波长，k＝2n+1。
8.可选的，在顶部dbr层靠近多量子阱层的一侧形成具有氧化限制孔的氧化层，氧化限制孔与出光孔对应。
9.可选的，在顶部dbr层内形成具有电流限制孔的离子注入区，电流限制孔的孔径小于氧化限制孔的孔径。
10.本技术实施例的另一方面，提供一种半导体激光器制备方法，方法包括：
11.在衬底上外延生长外延结构，外延结构包括依次层叠于衬底上的底部dbr层、多量子阱层和顶部dbr层；
12.在顶部dbr层背离多量子阱层的一侧形成具有出光孔的接触金属；
13.在接触金属上旋涂mxene薄膜，mxene薄膜覆盖接触金属和出光孔，mxene薄膜为ti2ct
x
薄膜；
14.在mxene薄膜上形成有适配出光孔的顶部电极。
15.可选的，mxene薄膜满足：d＝kλ/4n，其中，d为mxene薄膜的厚度，n为mxene薄膜的折射率，λ为半导体激光器的波长，k＝2n+1。
16.可选的，在在衬底上外延生长外延结构之后，方法还包括：
17.通过台面刻蚀在衬底上形成台面；
18.通过侧向氧化在顶部dbr层靠近多量子阱层的一侧形成具有氧化限制孔的氧化层，氧化限制孔与出光孔对应。
19.可选的，在通过侧向氧化在顶部dbr层靠近多量子阱层的一侧形成具有氧化限制孔的氧化层之后，方法还包括：
20.通过侧向离子注入在顶部dbr层内形成具有电流限制孔的离子注入区，电流限制孔的孔径小于氧化限制孔的孔径。
21.本技术的有益效果包括：
22.本技术提供了一种半导体激光器及其制备方法，包括衬底以及依次层叠于所述衬底上的底部dbr层、多量子阱层和顶部dbr层，在所述顶部dbr层背离所述多量子阱层的一侧设置具有出光孔的接触金属，在所述接触金属上设置有覆盖所述接触金属和所述出光孔的mxene薄膜，在所述mxene薄膜上设置有适配所述出光孔的顶部电极。通过在顶部dbr的接触金属上设置覆盖接触金属和出光孔的mxene薄膜，并且mxene薄膜为ti2ct
x
薄膜，利用ti2ct
x
薄膜的高透明度和高导电性，不仅在器件的接触金属覆盖区域能够形成电场，导通电流，还能够在器件的出光孔也覆盖电场，使得该区域电流流通，由此，使得器件的电场分布较为均匀，能够匀化电流导向，优化光形，使得器件发光所形成的光斑较为均匀。此外，借助mxene薄膜的高导电性，也能够避免增加电流密度，从而避免对器件的散热造成影响。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为本技术实施例提供的一种半导体激光器制备方法的流程示意图之一；
25.图2为本技术实施例提供的一种半导体激光器制备方法的流程示意图之二；
26.图3为本技术实施例提供的一种半导体激光器制备方法的流程示意图之三；
27.图4为本技术实施例提供的一种半导体激光器制备方法的流程示意图之四；
28.图5为本技术实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图。
29.图标：110-衬底；120-底部dbr层；130-多量子阱层；140-顶部dbr层；150-氧化层；160-离子注入区；170-接触金属；180-mxene薄膜；190-顶部电极；200-外延结构。
具体实施方式
30.下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求的范围内。
31.应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
32.应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
33.诸如“在
…
下方”或“在
…
上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。应当理解，这些术语和上文所论述的那些术语意图涵盖装置的除图中所描绘的取向之外的不同取向。
34.本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。
35.除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。
36.半导体激光器一般采用氧化或者离子注入的方式来形成限制孔，限制电流仅能够从中间的限制孔内流通，以便于达到电流局限的效果，从而获得较好的出光效果。为了方便对半导体激光器进行激励，可以在半导体激光器顶部设置有电极，而为了避免电极对出光区域进行遮挡，可以使电极设置为环状电极，以便于半导体激光器能够通过环状电极的内圈(未被环状电极遮挡的区域)顺利出光，但是环状电极仅能够使得电场分布于其所覆盖的区域，由此，容易使得器件的电场分布不均匀，导致界面处载流子分布不均匀，使得激光发光的光斑不均匀。
37.基于此基础，本技术实施例的一方面，提供一种半导体激光器，通过在顶部dbr的接触金属上设置覆盖接触金属和出光孔的mxene薄膜，并且mxene薄膜180为ti2ct
x
薄膜，利用ti2ct
x
薄膜的高透明度和高导电性，不仅在器件的接触金属覆盖区域能够形成电场，导通电流，还能够在器件的出光孔也覆盖电场，使得该区域电流流通，由此，使得器件的电场分布较为均匀，能够匀化电流导向，优化光形，使得器件发光所形成的光斑较为均匀。此外，借助ti2ct
x
薄膜的高导电性，也能够避免增加电流密度，从而避免对器件的散热造成影响。
38.请参照图5所示，提供一种半导体激光器，其包括衬底110以及位于衬底110上的外延结构200，外延结构200可以包括依次层叠于衬底110上的底部dbr层120、多量子阱层130和顶部dbr层140。
39.请继续参照图5，在顶部dbr层140上方(也即顶部dbr层140背离多量子阱层130的一侧表面)设置接触金属170，接触金属170可以是单金属层，也可以是叠层金属，以叠层金属为例，可以是ti/w/au，以及与其相类似的叠层，本技术对其不做具体限制。为了保证器件的顺利出光，接触金属170具有出光孔，例如接触金属170可以是环状金属，环状金属内圈的掏空区域作为出光孔，同时，接触金属170能够在其所覆盖的区域形成电场，并在激励时流通电流。
40.如图5所示，在接触金属170上设置mxene薄膜180，接触金属170可以与其相对两侧的顶部dbr层140和mxene薄膜180形成欧姆接触，以便电流导通，并且mxene薄膜180对接触金属170以及出光孔均进行覆盖，为了便于对器件进行激励，可以在mxene薄膜180上设置有顶部电极190，并且顶部电极190也可以同样采用环状电极，以便于适配出光孔，方便器件顺利出光，避免遮挡器件的出光孔。由此，如图5所示，mxene薄膜180为ti2ct
x
薄膜，鉴于ti2ct
x
薄膜的高透明度和高导电性，在对器件进行激励时，顶部电极190会流经高导电性的mxene薄膜180，并且通过接触电极向下导通电流，同时，也能够直接通过高导电性的mxene薄膜180所覆盖的出光孔区域形成向下导通的电流，从而匀化电场分布以及电流导向。
41.综上，利用ti2ct
x
薄膜的高透明度和高导电性，不仅能够使得接触金属170覆盖的区域能够形成电场，导通电流，而且还能够在器件的出光孔也覆盖电场，使得该区域电流流通，由此，使得器件的电场分布较为均匀，能够匀化电流导向，优化光形，使得器件发光所形成的光斑较为均匀。并且，借助ti2ct
x
薄膜的高导电性，也能够避免增加电流密度，从而避免对器件的散热造成影响。
42.在一些实施方式中，衬底110可以是本领域技术人员熟知的用以承载半导体集成电路组成元件的基材，例如碳化硅、砷化镓等。
43.在一些实施方式中，衬底110可以是n-gaas衬底110，底部dbr层120可以是n-dbr层，顶部dbr层140可以是p-dbr层，顶部电极190可以是p-金属。
44.可选的，mxene薄膜180为ti2ct
x
薄膜，由此，使得该薄膜具有较好的透明度和导电性。具体的，在一种实施方式中，ti2ct
x
薄膜的材质可以是ti2ct
x
(as synthesized)，在另一种实施方式中，ti2ct
x
薄膜的材质也可以是ti2ct
x
(plasma treated)。
45.可选的，mxene薄膜180的厚度可以满足：d＝kλ/4n，其中，d为mxene薄膜180的厚度，n为mxene薄膜180的折射率，λ为半导体激光器的波长，k＝2n+1。由此，可以通过调整mxene薄膜180的厚度，使其能够对应适用于不同波长的激光器，从而使得不同波长的激光器均能够出射较佳性能的激光束。
46.可选的，如图5所示，可以在顶部dbr层140靠近多量子阱层130的一侧形成氧化层150，氧化层150可以通过侧向氧化的工艺形成，氧化层150具有可供电流流通的氧化限制孔，并且氧化限制孔与出光孔对应，以便于能够通过氧化限制孔提供较好的电流局限效果，使得电流较为集中。具体的，可以对顶部dbr层140靠近多量子阱层130一侧的高铝层进行侧向氧化，以便于形成al2o3，从而起到电流局限的效果。
47.可选的，虽然通过氧化层150能够起到较好的电流局限效果，但是器件出光后的光斑角度较大，光斑形态较差。为了有效提高器件的出光效果，如图5所示，还可以在顶部dbr层140内形成离子注入区160，以便于通过离子植入的方式在顶部dbr层140内形成电流限制孔，通过搭配氧化层150的氧化限制孔，如图5所示，离子注入区160单侧沿平行衬底110方向
的宽度大于氧化层150单侧沿平行衬底方向的宽度，从而使得电流限制孔的孔径a小于氧化限制孔的孔径b，由此，能够形成特殊的限制图形用来限制电流，起到优化光形的效果。其中，可以通过控制离子植入的强度和浓度调整离子注入区160的分布，并可经离子植入后的高温回火修复晶格，从而形成预期的离子注入区160。
48.本技术实施例的另一方面，提供一种半导体激光器制备方法，方法包括：
49.s010：在衬底110上外延生长外延结构200，外延结构200包括依次层叠于衬底110上的底部dbr层120、多量子阱层130和顶部dbr层140。
50.如图1所示，在衬底110上形成外延结构200，也即，在衬底110上通过外延生长依次形成底部dbr层120、多量子阱层130和顶部dbr层140。外延生长可以是通过化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)或原子层沉积(ald)等工艺进行，本技术对其不做限定，具体可以根据实际需求进行合理选择。
51.s020：在顶部dbr层140背离多量子阱层130的一侧形成具有出光孔的接触金属170。
52.s030：在接触金属170上旋涂mxene薄膜180，mxene薄膜180覆盖接触金属170和出光孔，mxene薄膜180为ti2ct
x
薄膜。
53.s040：在mxene薄膜180上形成有适配出光孔的顶部电极190。
54.如图5所示，在顶部dbr层140上方通过蒸镀、电镀等工艺形成接触金属170，接触金属170可以是单金属层，也可以是叠层金属，以叠层金属为例，可以是ti/w/au，以及与其相类似的叠层，本技术对其不做具体限制。为了保证器件的顺利出光，接触金属170具有出光孔，例如接触金属170可以是环状金属，环状金属内圈的掏空区域作为出光孔，同时，接触金属170能够在其所覆盖的区域形成电场，并在激励时流通电流。
55.然后在接触金属170上通过旋转涂布的方式形成一整层mxene薄膜180，接触金属170可以与其相对两侧的顶部dbr层140和mxene薄膜180形成欧姆接触，以便电流导通，同时，mxene薄膜180对接触金属170以及出光孔均进行覆盖，为了便于对器件进行激励，可以在mxene薄膜180上设置有顶部电极190，并且顶部电极190也可以同样采用环状电极，以便于适配出光孔，方便器件顺利出光，避免遮挡器件的出光孔。由此，如图5所示，mxene薄膜180为ti2ct
x
薄膜，鉴于ti2ct
x
薄膜的高透明度和高导电性，在对器件进行激励时，顶部电极190会流经高导电性的ti2ct
x
薄膜，并且通过接触电极向下导通电流，同时，也能够直接通过高导电性的ti2ct
x
薄膜所覆盖的出光孔区域形成向下导通的电流，从而匀化电场分布以及电流导向。
56.综上，利用ti2ct
x
薄膜的高透明度和高导电性，不仅能够使得接触金属170覆盖的区域能够形成电场，导通电流，而且还能够在器件的出光孔也覆盖电场，使得该区域电流流通，由此，使得器件的电场分布较为均匀，能够匀化电流导向，优化光形，使得器件发光所形成的光斑较为均匀。并且，借助ti2ct
x
薄膜的高导电性，也能够避免增加电流密度，从而避免对器件的散热造成影响。
57.可选的，mxene薄膜180为ti2ct
x
薄膜，由此，使得该薄膜具有较好的透明度和导电性。具体的，在一种实施方式中，ti2ct
x
薄膜的材质可以是ti2ct
x
(as synthesized)，在另一种实施方式中，ti2ct
x
薄膜的材质也可以是ti2ct
x
(plasma treated)。
58.可选的，mxene薄膜180的厚度可以满足：d＝kλ/4n，其中，d为mxene薄膜180的厚
度，n为mxene薄膜180的折射率，λ为半导体激光器的波长，k＝2n+1。由此，可以通过调整mxene薄膜180的厚度，使其能够对应适用于不同波长的激光器，以便于提供丰富的高性能半导体激光器。
59.可选的，通过s010在衬底110上外延生长外延结构200之后，方法还包括：如图2所示，通过台面刻蚀在衬底110的周缘形成台面，如图3所示，然后通过侧向氧化工艺在顶部dbr层140靠近多量子阱层130的一侧形成氧化层150，氧化层150具有可供电流流通的氧化限制孔，并且氧化限制孔与出光孔对应，以便于能够通过氧化限制孔提供较好的电流局限效果，使得电流较为集中。具体的，可以对顶部dbr层140靠近多量子阱层130一侧的高铝层进行侧向氧化，以便于形成al2o3，从而起到电流局限的效果。
60.可选的，虽然通过氧化层150能够起到较好的电流局限效果，但是器件出光后的光斑角度较大，光斑形态较差。因此，为了有效提高器件的出光效果，在通过侧向氧化在顶部dbr层140靠近多量子阱层130的一侧形成具有氧化限制孔的氧化层150之后，方法还包括：如图4所示，通过侧向离子注入在顶部dbr层140内形成具有电流限制孔的离子注入区160，通过搭配氧化层150的氧化限制孔，使得电流限制孔的孔径a小于氧化限制孔的孔径b，由此，能够形成特殊的限制图形用来限制电流，起到优化光形的效果。其中，可以通过控制离子植入的强度和浓度调整离子注入区160的分布，并可经离子植入后的高温回火修复晶格，从而形成预期的离子注入区160。
61.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种半导体激光器，其特征在于，包括衬底以及依次层叠于所述衬底上的底部dbr层、多量子阱层和顶部dbr层，在所述顶部dbr层背离所述多量子阱层的一侧设置具有出光孔的接触金属，在所述接触金属上设置有覆盖所述接触金属和所述出光孔的mxene薄膜，在所述mxene薄膜上设置有适配所述出光孔的顶部电极，所述mxene薄膜为ti2ct
x
薄膜。2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述mxene薄膜满足：d＝kλ/4n，其中，d为所述mxene薄膜的厚度，n为所述mxene薄膜的折射率，λ为所述半导体激光器的波长，k＝2n+1。3.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，在所述顶部dbr层靠近所述多量子阱层的一侧形成具有氧化限制孔的氧化层，所述氧化限制孔与所述出光孔对应。4.如权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，在所述顶部dbr层内形成具有电流限制孔的离子注入区，所述电流限制孔的孔径小于所述氧化限制孔的孔径。5.一种半导体激光器制备方法，其特征在于，所述方法包括：在衬底上外延生长外延结构，所述外延结构包括依次层叠于所述衬底上的底部dbr层、多量子阱层和顶部dbr层；在所述顶部dbr层背离所述多量子阱层的一侧形成具有出光孔的接触金属；在所述接触金属上旋涂mxene薄膜，所述mxene薄膜覆盖所述接触金属和所述出光孔，所述mxene薄膜为ti2ct
x
薄膜；在所述mxene薄膜上形成有适配所述出光孔的顶部电极。6.如权利要求5所述的半导体激光器制备方法，其特征在于，所述mxene薄膜满足：d＝kλ/4n，其中，d为所述mxene薄膜的厚度，n为所述mxene薄膜的折射率，λ为所述半导体激光器的波长，k＝2n+1。7.如权利要求5所述的半导体激光器制备方法，其特征在于，在所述在衬底上外延生长外延结构之后，所述方法还包括：通过台面刻蚀在所述衬底上形成台面；通过侧向氧化在所述顶部dbr层靠近所述多量子阱层的一侧形成具有氧化限制孔的氧化层，所述氧化限制孔与所述出光孔对应。8.如权利要求7所述的半导体激光器制备方法，其特征在于，在所述通过侧向氧化在所述顶部dbr层靠近所述多量子阱层的一侧形成具有氧化限制孔的氧化层之后，所述方法还包括：通过侧向离子注入在所述顶部dbr层内形成具有电流限制孔的离子注入区，所述电流限制孔的孔径小于所述氧化限制孔的孔径。

技术总结
本申请提供一种半导体激光器及其制备方法，涉及半导体技术领域，包括衬底以及依次层叠于衬底上的底部DBR层、多量子阱层和顶部DBR层，在顶部DBR层背离多量子阱层的一侧设置具有出光孔的接触金属，在接触金属上设置有覆盖接触金属和出光孔的MXene薄膜，通过在顶部DBR的接触金属上设置覆盖接触金属和出光孔的MXene薄膜，并且MXene薄膜为Ti2CT


技术研发人员：姜驰 王磊 范纲维 曾评伟
受保护的技术使用者：厦门市三安集成电路有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/31