一种利用二维材料隔层外延生长激光器的方法与流程

本公开涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种利用二维材料隔层外延生长激光器的方法。

背景技术

半导体激光器(ld)具有体积小、重量轻、价格低廉、寿命长、效率高、易于调制等优点，自从1961年发明以来，便被广泛应用于光通信、光存储、光陀螺、激光打印扫描、激光测距、激光制导、激光雷达、激光照明显示等领域。iii族氮化物半导体材料由于具有宽禁带、直接带隙的特点，其在室温下的禁带宽度从aln的6.2ev，到gan的3.42ev，再到inn的0.7ev，其三元(algan、ingan、alinn)和四元(inalgan)合金能够实现从紫外(～200nm)波段到红外(～1770nm)波段的全覆盖，并且gan基材料还具有耐高压、耐辐射、电子迁移率高、导热性好等优势应用前景广阔，是制作紫外、可见光激光器的理想材料。

目前gan基材料主要通过mocvd、mbe等外延设备在蓝宝石衬底上得到，由于蓝宝石与gan之间的晶格失配高达16％，晶格失配导致的高缺陷密度使得这种方法得到的gan基材料无法用于制作激光器。因此通用的gan基激光器主要基于gan自支撑衬底外延得到，其gan体材料位错密度可以低至10⁶/cm²。激光器结构如图1所示。

在该结构中，ingan多量子阱作为有源区发出可见光，ingan(gan)波导层折射率高，algan光限制层折射率小，利用这种对光的折射率差，当光从波导层传播向限制层时，可以实现全内反射，将光场限制在有源区附近较小区域，从而为激光器提供足够增益，以实现较低阈值激射。理论上，ingan中in的组分越高，其折射率越大，algan中al组分越高，其折射率越小。为保证光限制因子尽量高以提供足够高的增益，一方面ingan层需要in组分足够高，同时保证合适的厚度；另一方面应该使algan层的厚度和al组分都尽量高。

但是inn和gan之间存在较大的物理性质差异，包括晶格常数、成键能，因此生长较厚的较高组分ingan异常困难，随厚度、组分增加，晶体材料质量会急剧恶化，常常面临表面粗糙、位错密度过高、in偏析等问题。因此一般致力于提高algan限制层的al组分和厚度。传统的激光器生长中，先在gan自支撑衬底上生长一定厚度的gan体材料，然后生长algan光限制层。但是aln与gan之间仍然存在2.5％的晶格失配。在gan上生长algan时，algan会受到张应力，因此生长一定组分的algan超过一定厚度后，algan层极易通过裂开的方式释放张应力(裂纹如图2所示)，目前即使通过生长algan/gan超晶格的方式，algan层的平均al组分最多也只能到8％，且厚度很难超过1μm。

公开内容

(一)要解决的技术问题

针对上述技术问题，本公开提出了一种利用二维材料隔层外延生长激光器的方法。

(二)技术方案

本公开提供了一种利用二维材料隔层外延生长激光器的方法，包括：制备gan自支撑衬底；在gan自支撑衬底上形成二维材料层；在二维材料层上外延生长n型algan光限制层；在n型algan光限制层上生长n-ingan波导层、ingan多量子阱或者量子点有源区、p-algan电子阻挡层、p-ingan波导层、p-algan光限制层和p-gan接触层。

在本公开的一些实施例中，所述在gan自支撑衬底上形成二维材料层包括：在gan自支撑衬底上利用转印或沉积方法铺上至少一层二维材料，形成二维材料层。

在本公开的一些实施例中，所述二维材料包括：石墨烯、bn、mos2。

在本公开的一些实施例中，所述至少一层二维材料为1-3层二维材料。

在本公开的一些实施例中，所述在二维材料层上外延生长algan光限制层包括：利用mocvd工艺在形成有二维材料层的gan自支撑衬底上隔层外延生长algan光限制层。

在本公开的一些实施例中，所述制备gan自支撑衬底包括：采用氢化物气相外延法外延制得gan单晶，通过衬底剥离、切割抛光制得gan自支撑衬底。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

利用本公开方法生长的激光器，可以克服algan与gan之间的晶格失配导致的一系列问题，生长出高晶体质量的、无裂纹的、高al组分、足够厚度的algan光限制层，提高激光器光限制因子，增加激光器有源区增益，降低激射阈值。

附图说明

图1是现有的gan基蓝绿光激光器的结构示意图。

图2显示了现有的gan体材料上生长algan一定厚度后产生裂纹。

图3是本公开实施例利用二维材料隔层外延生长激光器的方法流程图。

图4是本公开实施例高al组分algan光限制层生长步骤示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开一实施例的利用二维材料隔层外延生长激光器的方法，可以直接生长高al组分的algan材料，且理论上生长厚度不受algan与下gan层之间的晶格失配限制，参见图3以及图4所示，该方法包括：

步骤1：制备gan自支撑衬底。

si、gaas等半导体单晶一般采用直拉法、布里奇曼法等溶体生长技术制得衬底。但对于熔点极高的gan而言，这种方法难度极大，因此本实施例采用氢化物气相外延法(hvpe)外延制得gan单晶，通过衬底剥离、切割抛光制得gan自支撑衬底。

步骤2：在gan自支撑衬底上形成二维材料层。

在该步骤中，在gan自支撑衬底上使用转印或沉积等方法铺上1-3层二维材料，形成二维材料层。二维材料包括但不限于石墨烯、bn、mos2等。二维材料层可以有效隔绝gan自支撑衬底与algan层之间的晶格失配，从而避免使algan层受到张应变。

步骤3：在二维材料层上外延生长n型algan光限制层。

在该步骤中，在1000℃附近在形成有二维材料层的gan自支撑衬底上利用mocvd工艺在1000℃左右温度下进行隔层外延，直接生长无裂纹、高质量的合适al组分的n型algan光限制层。

步骤4：在n型algan光限制层上生长n-ingan波导层、ingan多量子阱或者量子点有源区、p-algan电子阻挡层、p-ingan波导层、p-algan光限制层和p-gan接触层。

在生长出足够厚度后的n-algan光限制层后，即可进行后续的激光器结构生长。包括在740℃左右温度下生长一定in组分的n-ingan波导层、适合温度下的ingan多量子阱或者量子点有源区、740℃左右温度下p-algan电子阻挡层和p-ingan波导层、900℃左右温度下的p-algan光限制层和p-gan接触层等。

利用本公开方法生长的激光器，可以克服algan与gan之间的晶格失配导致的一系列问题，生长出高晶体质量的、无裂纹的、高a1组分、足够厚度的algan光限制层，提高激光器光限制因子，增加激光器有源区增益，降低激射阈值。

另外，本公开方法不仅能用于在gan等衬底上生长高a1组分、高厚度的algan，也能用于在gan等衬底上生长高in组分、高厚度的ingan等与衬底存在较大晶格失配的晶体材料。

至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)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；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

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。