垂直腔表面發射激光器的制作方法

專利名稱：垂直腔表面發射激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種垂直腔表面發射激光器。
背景技術：
作為表面發射激光器的配置，已知垂直腔表面發射激光器，其中， 其活性區域被放置在兩個反射鏡之間，所述兩個反射鏡被布置在所述 活性區域的兩側，以在垂直于其襯底表面的方向上形成諧振器，并且 將光從襯底表面發射到垂直方向。
因為垂直腔表面發射激光器具有以下很多技術優點，所以已經積 極地研究垂直腔表面發射激光器。
也就是說，這種表面發射激光器以低閾值和低功耗操作，并且還 被布置為發射圓形光斑光，從而所述激光器可以容易地與光學元件耦 合，以與所述光學元件一起形成陣列。
然而，另一方面，因為表面發射激光器的活性區域小，所以表面 發射激光器難以獲得振蕩所需的增益。
相應地，構成諧振器的一對分布式布拉格反射器(下文中稱之為
DBR鏡)需要具有等于或大于99%的高反射率。
為了實現高反射性，在半導體鏡的情況下，需要幾十個堆疊層。 由于堆疊層的層厚度，表面發射激光器具有以下問題熱量容易
充滿諧振器，大的閾值，以及其增加的電阻，這使得難以將電流注入其中。
作為可以被這種DBR替換的諧振鏡，第一非專利文獻(V. Lousse 等人:Opt. Express 12 ( 2004 ) 1575 )報告了在使用板型(slab-type ) 二維光子晶體作為鏡的情況下所反射的光和所透射的光的波長依賴 性。光子晶體是這樣的結構其中，人工形成光波長量級的折射率改 變，也就是說，周期性地布置周期性折射率結構，在所述周期性折射 率結構中，介質具有彼此不同的折射率。
第一非專利文獻中所公開的技術在具有高折射率的材料中周期 性地形成孔，以形成空氣孔(孔)型二維光子晶體作為二維光子晶體。
其后，據報告，如果使得具有預定頻率的光從幾乎垂直于二維光 子晶體的平面的方向進入所述平面，則所述光以幾乎100%的效率從 所述平面反射。
通過在對于光的諧振方向的垂直布置中使用這種二維(或一維) 光子晶體作為反射鏡，可以由十分薄的膜形成垂直腔表面發射激光器
的反射鏡。
也就是說，可以由從幾十nm到幾百nm量級的十分薄的膜形成 常規上已經由大約幾nm量級的厚的多層膜形成的反射鏡。
因此，諸如由反射鏡的層厚度導致的熱輻射和電阻的難點的問題 可以凈皮減少。
以下，將這種反射鏡稱為光子晶體鏡。
第二非專利文獻(H. T. Hattori等人:Opt. Express 11 ( 2003 ) 1799)公開了一種表面發射激光器結構的數值計算示例，該表面發射 激光器結構通過將一維光子晶體鏡與DBR鏡組合作為實際表面發射 激光器設備，來配置諧振器。
為了具體描述，如圖2所示，假設在以周期性折射率結構形成的 層(核心層)之上和之下的層(覆層)是空氣層來執行計算。
圖2中的下側的區域206被稱為氣隙層。在圖2中，表面發射激 光器結構包括半導體襯底200、 DBR鏡202、活性層(active layer) 204、氣隙層(覆層)206、光子晶體鏡(核心層)208、以及孔210。
然而，在其圖2所示的第二非專利文獻的元素的配置中，因為氣 隙層206被直接形成在光子晶體鏡208之下，所以當通過電流注入來 驅動元件時，難以將載流子注入被直接布置在光子晶體鏡208之下的 活性區域204中。發明內容本發明的一方面在于提供一種垂直腔表面發射激光器，其能夠將 載流子高效地注入被直接布置在光子晶體鏡之下的活性區域中，以形 成具有光子晶體鏡的表面發射激光器的反射鏡。根據本發明的垂直腔表面發射激光器包括第一反射鏡，其構成 下鏡；第二反射鏡，其構成上鏡；活性層，其形成在所述第一反射鏡 和所述第二反射鏡之間；以及襯底，所述第一反射鏡、所述第二反射 鏡以及所述活性層形成在所述襯底上，其中，所述第二反射鏡具有周 期性折射率結構，其中，在平行于所述襯底的表面的方向上周期性地 提供具有導電性的第 一介質和具有比所述第 一介質的折射率低的折射 率的第二介質，并且在所述周期性折射率結構的下側，由具有比所述第一介質的折射率低的折射率的第三介質制成的層結構被嵌入所述第 一介質中。根據本發明，可以實現一種垂直腔表面發射激光器，其中，可以 將載流子高效注入被直接布置在光子晶體鏡之下的活性區域中，以形 成具有光子晶體鏡的表面發射激光器的反射鏡。本發明的進一 步的特征將通過以下參照附圖對示例性實施例的描述變得清楚。


圖1是示出本發明示例性實施例的垂直腔表面發射激光器的基本 配置的示意截面圖。圖2是示出第二非專利文獻中公開的垂直腔表面發射激光器的基 本配置的示意截面圖。圖3A和圖3B是用于描述本發明第一實施例的垂直腔表面發射 激光器的配置的示意圖，其中，圖3A是在垂直于第一實施例的垂直 腔表面發射激光器的襯底的方向上的示意截面圖，圖3B是當從垂直 于鏡的表面的方向觀看上諧振鏡時的上諧振鏡的示意性平面圖。圖4A、圖4B和圖4C是用于描述本發明第一實施例的垂直腔表 面發射激光器的制造方法的示意圖，每一圖描述垂直腔表面發射激光 器的制造方法的制造工藝的每一部分。圖5A、圖5B和圖5C是用于描述本發明第一實施例的垂直腔表 面發射激光器的制造方法的圖，每一圖描述圖4A至圖4C的制造工藝 的部分之后的制造工藝的每一部分。圖6A、圖6B和圖6C是用于描述本發明第一實施例的垂直腔表 面發射激光器的制造方法的圖，每一圖示出圖5A至圖5C的制造工藝 的部分之后的制造工藝的每一部分。圖7是示出本發明第二實施例的垂直腔表面發射激光器的配置的 示意截面圖。
具體實施方式
接下來，將描述本發明示例性實施例的垂直腔表面發射激光器。 圖1示出該示例性實施例的垂直腔表面發射激光器的示意截面圖。如圖l所示，垂直腔表面發射激光器包括襯底100、第一反射鏡 102、第一覆層104、活性層106、第二覆層108、絕緣層(電流限制 層)IIO、第二反射鏡112、第一電極114以及第二電極116。該示例性實施例的垂直腔表面發射激光器包括第一反射鏡102, 其構成下鏡；第二反射鏡112,其構成上鏡；活性層106,其形成在所 述第一反射鏡102和所述第二反射鏡112之間；以及襯底100，第一 反射鏡102、第二反射鏡112以及活性層106形成在襯底100上。此外，第二反射鏡112由以下板型的二維光子晶體鏡配置成。也就是說，第二反射鏡112具有周期性折射率結構(光子晶體結 構)，其包括具有導電性的第一介質1100和具有比第一介質1100的 折射率低的折射率的第二介質1102。在平行于襯底100的表面的平面 中周期性地提供第二介質1102。如上所述，因為在本發明實施例中，第二反射鏡112由具有導電性的介質1100制成，所以可以容易地執行載流子注入。隨后，在所述周期性折射率結構的下側，由具有比第一介質1100 的折射率低的折射率的第三介質1104制成的層結構被布置為嵌入第 一介質1100中。因為第三介質1104的折射率比第一介質1100的折射率低，所以 周期性折射率結構被制成光學限制結構。也就是說，周期性折射率結 構用作核心層，第三介質1104用作覆層。此外，構成折射率結構的第三介質1104優選地由具有比第一介 質1100的折射率低10%或更多的折射率的材料配置成。第一介質1100由對從活性層106發射的光透明并且具有導電性 的材料制成。作為第一介質1100的材料，可以是例如銦錫氧化物 (ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、錫氧化物、鋅氧化物等。此外，第二介質1102由對從活性層106發射的光透明的材料制 成。作為第二介質1102的材料，可以是例如空氣(孔)。此外，可以 通過嵌入硅氮化物、鎂氟化物等形成第二介質1102。順便地，可以由具有導電性的材料形成第二介質1102。在此情況 下，可以通過第二介質1102將從笫一介質1100注入的栽流子注入到 半導體層，并且因此使得能夠實現更高效的載流子注入。此外，由對從活性層106發射的光透明的材料制成第三介質 1104。作為第三介質1104的材料，可以使用導電材料和絕緣材料中的 任一種。作為第三介質1104的材料，可以是例如硅氧化物、硅氮化物、 鎂氟化物、錫氧化物等。接下來，描述應用二維光子晶體板作為反射鏡的原理。該示例性實施例的板型二維光子晶體借助波導諧振(guided resonance, GR)效應用作鏡。GR效應是指以下現象，其中，如果光從垂直于板型二維光子晶 體的板表面的方向進入板型二維光子晶體，則以幾乎100%的效率反 射預定頻率的光。也就是說，GR效應是由用于通過具有特定輻射模式的板型二維 光子晶體引導波的模式的諧振導致的。此外，還有可能采用以下配置將擾亂周期性結構的部分(缺陷) 引入在該示例性實施例中形成的周期性折射率結構中作為其一部分。使得能夠通過形成這種缺陷控制板型二維光子晶體的諧振模式 和偏振模式。此外，在該配置中，由于引入缺陷，在該配置的光子帶(photonic band)中形成由所述缺陷導致的能級，并且進入二維光子晶體鏡的光 僅在由缺陷能級導致的模式下在平行于襯底的表面的平面中諧振，從而獲得單模。單模光被發射進入入射光側的垂直方向，并且在上下兩個鏡(它 們中的至少一個是板型二維光子晶體鏡)之間諧振，所述上下兩個鏡 被布置為在它們之間放置活性層，以最終發射表面發射激光器的相 干光。此時，可以通過空間局域化(localized)的單模光的耦合獲得具有大光斑直徑的單模光。可以不僅在二維光子晶體而且還在一維光子晶體中發現上述特性。二維光子晶體的配置通常是這樣的配置，其中，在高折射率介質 中周期性地提供低折射率介質。在此情況下，報告了以下配置以三角晶格、四邊形晶格、蜂窩 晶格等的形式布置低折射率介質。可以通過改變低折射率介質的周期 性或體積控制所述鏡的反射特性。更進一步地，還可以通過在垂直于光子晶體的周期性折射率結構 的方向上調整光子晶體的厚度來控制反射特性。順便地，優選地，將厚度設置為使得在二維平面中傳播經過光子 晶體的光的橫模不變成多模。此外，還可以采用這樣的配置，其中，在上述配置中的低折射率 介質和高折射率介質彼此互換。此外，在該示例性實施例中，可以釆用這樣的配置，其中，第一反射鏡102包括分布式布拉格反射鏡，第二反射鏡112包括由周期性 折射率結構制成的一維或二維板型光子晶體。 示例性實施例下面，將描述本發明示例性實施例。 第一實施例在第一實施例中，描述通過應用本發明配置的垂直腔表面發射激光器。圖3A和圖3B是示出該實施例的垂直腔表面發射激光器的配置 的示意圖。圖3A示出該實施例的垂直腔表面發射激光器在垂直于其 襯底的方向上的示意截面圖。此外，圖3B示出當從垂直于上諧振鏡的表面的方向觀看時上諧 振鏡的示意性平面圖。如圖3A和圖3B所示，垂直腔表面發射激光器包括藍寶石襯底 300、 AlGaN/GaN DBR鏡302、 n型GaN覆層304、 InGaN/GaN多量 子阱(MQW )活性層306、以及p型GaN/AlGaN覆層308。垂直腔表面發射激光器進一步包括硅氧化物層310、板型二維光 子晶體鏡312 (包括ITO層3100、孔3102、以及硅氧化物層3104 )、 n側電極314、以及p側電極316。該實施例的垂直腔表面發射激光器被布置為使得可以在活性層 306的位置、以及覆層304和308以及上鏡和下鏡(DBR鏡302和板 型二維光子晶體鏡312)中每一個的邊界處，形成諧振器中形成的駐 波的波腹。此外，在該實施例中，將Al0.25Ga0.75N/GaN ( 60對)DBR鏡使 用作為第一反射鏡，在所述DBR鏡中，具有1/4波長厚度的高折射率 介質和具有1/4波長厚度的低折射率介質被交替地堆疊。此外，根據該示例性實施例的板型二維光子晶體鏡312被使用作為第二反射鏡。接下來，描述該實施例的板型二維光子晶體鏡312。作為透明導電層的ITO層3100 (具有折射率2.2)形成于在襯 底300上生長的半導體堆疊結構的最上層上。通過在ITO層3100中 形成孔3102而產生的周期性折射率結構被形成為使得ITO層3100的 上表面與空氣接觸。
此外，周期性折射率結構被布置為使得其下表面與具有比ITO 層3100的折射率小的折射率(等于1.5)的硅氧化物層3104接觸。
通過采用這種配置可以高效獲取經過在其中形成周期性折射率 結構的層的光的波導。
在此，孔3102中的每一個具有40nm的半徑和130nm的深度的 圓柱形。
此外，以晶格常數為240nm的三角晶格的形式布置孔3102。
此外，珪氧化物層3104的厚度^皮制成100nm。
以具有多邊的規則正方形的形式形成該實施例中形成的周期性 折射率結構(光子晶體)區域，每一邊具有20nm的長度。
該實施例的板型二維光子晶體借助上述GR效應用作鏡。
在該實施例中，p側電極316形成在周期性折射率結構(光子晶 體)周圍的環中，所述周期性折射率結構(光子晶體)形成在作為最 上表面的ITO層3100上。
從電極316注入的栽流子通過ITO層3100被注入到半導體層， 并且由此活性層306發射光。
此外，在該實施例中，硅氧化物層310形成在第二反射鏡(板型 二維光子晶體鏡312 )和p型覆層(p GaN/AlGaN ) 308之間，并且 硅氧化物層310的一部分被移除，以形成電流限制層。由此，栽流子 在硅氧化物層3104與硅氧化物層310之間通過，以被注入到活性層 306的中央部分。因此，提供了容易發生單橫模振蕩的配置。借助這 種配置，可以在GaN系統激光器中形成電流限制結構，其中，不會產 生氧化物限制結構。
順便地，該實施例假設將本發明應用于GaN系統激光器。但是， 如果本發明應用于GaAs系統激光器等，那么可以通過使用由包括很接下來，將描述該示例性實施例的垂直腔表面發射激光器的制造方法。圖4A至圖6C示出用于描述該示例性實施例的表面發射激光器 的制造方法的示意圖。圖4A至圖4C是用于描述垂直腔表面發射激光器的制造方法的 制造工藝的部分的圖。此外，圖5A至圖5C是用于描迷在圖4A至圖4C的制造工藝的 部分之后的制造工藝的部分的圖。此外，圖6A至圖6C是用于描述在圖5A至圖5C的制造工藝的 部分之后的制造工藝的部分的圖。首先，如圖4A所示，如下在GaN村底400上由金屬有機化學汽 相淀積(MOCVD)裝置通過緩沖層來生長每一層。AlGaN/GaN DBR鏡層402、 n型GaN覆層404、 InGaN/GaN MQW活性層406、以及p型GaN/AlGaN覆層408依次生長。在該實施例中，通過按這樣的方式生長上述層中的每一層來配置 半導體堆疊層。接下來，借助光刻技術在GaN/AlGaN覆層408上形成抗蝕劑圖 案410。其后，如圖4B所示，通過以下操作形成20jnm高度的柱通過 使用感應耦合等離子體(ICP)蝕刻裝置執行干法蝕刻，直到n型GaN 覆層404被暴露。接下來，如圖4C所示，通過使用等離子體CVD裝置將硅氧化 物層412形成為保護層。其后，通過使用光刻技術和蝕刻技術形成電 流限制結構。接下來，如圖5A所示，通過使用濺射裝置形成ITO層。其后，通過使用光刻技術和蝕刻技術在所述柱上形成ITO層500。接下來，如圖5B所示，通過使用濺射裝置形成硅氧化物層。其后，通過使用光刻技術和蝕刻技術，于在所述柱上形成的ITO 層500上形成硅氧化物層502。
接下來，如圖5C所示，通過使用濺射裝置形成ITO層。
其后，通過使用光刻技術和蝕刻技術，形成ITO層504以覆蓋 在所述柱上形成的硅氧化物層502。
接下來，如圖6A所示，通過使用電子束光刻技術而在ITO層 504上形成抗蝕劑圖案600。
接下來，如圖6B所示，通過使用ICP蝕刻裝置蝕刻ITO層504。 此時，蝕刻深度被設置為使得硅氧化物層502被暴露。
其后，通過氧灰化移除其余抗蝕劑。在該工藝的這個部分，形成 板型二維光子晶體(三角晶格布置中的柱孔)。
接下來，如圖6C所示，通過使用剝離技術在n型GaN覆層404 上形成Ti/Al陰極。
類似地，在ITO層504上形成Au陽極602。
通過上述工藝，可以獲得在使用DBR鏡和板型二維光子晶體鏡 作為垂直諧振器的反射鏡的配置中的垂直腔表面發射激光器。
本發明的配置對于使用III族氮化物半導體的垂直腔表面發射激 光器(將電流注入該垂直腔表面發射激光器被認為是困難的)尤其有 效。
當然，本發明還可以應用于使用III-V族化合物半導體或II-V族 化合物半導體的垂直腔表面發射激光器。
通過這種配置，使用板型二維光子晶體作為根據該實施例的鏡的 垂直腔表面發射激光器可以形成這樣的鏡，該鏡是具有比常規表面發 射激光器的反射率高的反射率的單層。
此外，因為根據該實施例可以減少設備的阻抗，所以可以獲得具 有與常規表面發射激光器的振蕩閾值電流相比更小振蕩閾值電流的垂 直腔表面發射激光器。
雖然在該實施例中通過三角晶格布置來布置圓柱形孔的周期性， 但周期性的布置不限于該實施例。可以通過任意布置模式(例如四角形晶格和蜂窩晶格)來布置所述周期性。此外，所述形狀也不限于圓 柱形孔，而可以使用橢圓柱孔、正方形柱孔、矩形柱孔、三角柱孔等。此外，ITO層可以被用作透明導電層，并且具有導電性的材料， 例如錫氧化物，可以被用作低折射率材料。此外，用于該示例性實施例中所示的生長、光刻、蝕刻、灰化和 汽相淀積的技術(裝置)不限于所描述的(裝置)，而可以使用任意 技術(裝置)，只要它們可以獲得類似的效果。第二實施例將描述本發明第二實施例的垂直腔表面發射激光器。 圖7示出用于描述該示例性實施例的垂直腔表面發射激光器的配 置的示意圖。圖7所示的垂直腔表面發射激光器包括藍寶石襯底700、 AlGaN/GaN DBR鏡702、 n型GaN覆層704、 InGaN/GaN多量子阱 (MQW )活性層706、以及p型GaN/AlGaN覆層708。所述垂直腔表面發射激光器進一步包括硅氧化物膜710、板型二 維光子晶體鏡712 (包括ITO層7100、孔7102、缺陷7104、以及硅 氧化物層7106) 、 n側電極714、以及p側電極716。在該實施例中，除了板型二維光子晶體鏡712的配置之外，元件的基本配置與第一實施例的相似。相應地，僅參照圖7描述板型二維光子晶體鏡712。 該實施例的板型二維光子晶體鏡712被配置為使得ITO 7100被用作第一介質，孔7102被用作第二介質，硅氧化物層7106被用作第三介質，與第一實施例類似。在該實施例中，以三角晶格布置布置孔(圓柱形孔)7102，并且 在孔7102的一部分處引入擾亂孔7102的周期性的部分，即，所謂的 缺陷7104。該實施例的設備的制造方法與第 一 實施例的幾乎類似。 工藝的不同部分在于，改變在作為第一介質的ITO層7100中形 成周期性折射率結構時使用的電子束光刻圖案。工藝的其它部分與第一實施例基本相似。
在該實施例中，由于缺陷7104的引入，在光子帶中形成由缺陷 7104導致的能級，并且進入二維光子晶體鏡的光僅在由缺陷能級導致 的模式下在二維方向上諧振。因此，可以獲得光的單模的實現。
該單模光發射到入射光側的垂直方向，并且在上下兩個鏡之間諧 振，所述上下兩個鏡被形成為在它們之間放置活性層706 (所述鏡中 的至少一個是包括缺陷7104的板型二維光子晶體鏡712 )。隨后，垂 直腔表面發射激光器最終發射相干光。
此時，可以通過耦合空間局域化的單模光獲得具有大光斑直徑的 單模光。
可以采用所引入的缺陷的周期性布置以及它們的非周期性布置 中的任一個作為所述缺陷的形式。在任意情況下，需要的是，被局域 化在所述缺陷中的光處于能夠將光彼此耦合的距離內，并且優選地， 這種距離可以是從兩個周期到十個周期的范圍，包括兩個周期和十個 周期。
雖然在該實施例中通過移除孔7102的一部分形成缺陷7104,但 缺陷7104的形成不限于該方法。可以通過改變孔的直徑(圓柱形孔的 直徑)(更大或更小)來形成所述缺陷。
雖然已經參照示例性實施例描述了本發明，但應理解，本發明不 限于公開的示例性實施例。所附權利要求的范圍應被給予最寬的解釋， 從而包括所有這樣的修改以及等同的結構和功能。
權利要求
1. 一種垂直腔表面發射激光器，包括第一反射鏡，其構成下鏡；第二反射鏡，其構成上鏡；活性層，其形成在所述第一反射鏡和所述第二反射鏡之間；以及襯底，所述第一反射鏡、所述第二反射鏡以及所述活性層形成在所述襯底上，其中，所述第二反射鏡具有周期性折射率結構，其中，在平行于所述襯底的表面的平面中周期性地提供具有導電性的第一介質和具有比所述第一介質的折射率低的折射率的第二介質，并且在所述周期性折射率結構的下側，由具有比所述第一介質的折射率低的折射率的第三介質制成的層結構被嵌入所述第一介質中。
2. 如權利要求1所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述第一 介質和所述第二介質中的每一個由對從所述活性層發射的光透明的材 料制成。
3. 如權利要求l所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述第三 介質由具有比所述第一介質的折射率低10%或更多的折射率的材料 制成。
4. 如權利要求3所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述第三 介質由對從所述活性層發射的光透明的材料制成。
5. 如權利要求1所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述第三 介質由絕緣材料制成。
6. 如權利要求5所述的垂直腔表面發射激光器，其中，由在所述 第 一介質之下提供的絕緣材料以及所述第三介質形成電流限制結構。
7. 如權利要求1所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述第一 介質由ITO制成。
8. 如權利要求1所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述第三 介質由硅氧化物制成。
9. 如權利要求1所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述周期 性折射率結構包括擾亂所述周期性折射率結構的周期性的部分。
全文摘要
本發明提供一種垂直腔表面發射激光器，其能夠高效地將載流子注入光子晶體鏡正下方的活性區域。所述垂直腔表面發射激光器包括第一反射鏡(102)，其構成下鏡；第二反射鏡(112)，其構成上鏡；活性層(106)，其被提供在襯底(100)上的所述反射鏡之間。所述第二反射鏡(112)包括周期性布置在平行于所述襯底的表面的平面中的周期性折射率結構，所述周期性折射率結構包括具有導電性的第一介質(1100)和具有比第一介質(1100)的折射率低的折射率的第二介質(1102)。在所述周期性折射率結構的下側，由具有比第一介質(1100)的折射率低的折射率的第三介質(1104)構成的層結構被嵌入所述第一介質(1100)中。
文檔編號H01S5/183GK101304158SQ200810095659
公開日2008年11月12日 申請日期2008年5月7日 優先權日2007年5月7日
發明者內田達朗 申請人:佳能株式會社