CN100593889C - 垂直腔表面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种垂直腔表面发射激光器，其能够高效地将载流子注入光子晶体镜正下方的活性区域。所述垂直腔表面发射激光器包括：第一反射镜(102)，其构成下镜；第二反射镜(112)，其构成上镜；活性层(106)，其被提供在衬底(100)上的所述反射镜之间。所述第二反射镜(112)包括周期性布置在平行于所述衬底的表面的平面中的周期性折射率结构，所述周期性折射率结构包括具有导电性的第一介质(1100)和具有比第一介质(1100)的折射率低的折射率的第二介质(1102)。在所述周期性折射率结构的下侧，由具有比第一介质(1100)的折射率低的折射率的第三介质(1104)构成的层结构被嵌入所述第一介质(1100)中。

Description

垂直腔表面发射激光器
技术领域
本发明涉及一种垂直腔表面发射激光器。
背景技术
作为表面发射激光器的配置，已知垂直腔表面发射激光器，其中，其活性区域被放置在两个反射镜之间，所述两个反射镜被布置在所述活性区域的两侧，以在垂直于其衬底表面的方向上形成谐振器，并且将光从衬底表面发射到垂直方向。
因为垂直腔表面发射激光器具有以下很多技术优点，所以已经积极地研究垂直腔表面发射激光器。
也就是说，这种表面发射激光器以低阈值和低功耗操作，并且还被布置为发射圆形光斑光，从而所述激光器可以容易地与光学元件耦合，以与所述光学元件一起形成阵列。
然而，另一方面，因为表面发射激光器的活性区域小，所以表面发射激光器难以获得振荡所需的增益。
相应地，构成谐振器的一对分布式布拉格反射器(下文中称之为DBR镜)需要具有等于或大于99％的高反射率。
为了实现高反射性，在半导体镜的情况下，需要几十个堆叠层。
由于堆叠层的层厚度，表面发射激光器具有以下问题：热量容易充满谐振器，大的阈值，以及其增加的电阻，这使得难以将电流注入其中。
作为可以被这种DBR替换的谐振镜，第一非专利文献(V.Lousse等人：Opt.Express 12(2004)1575)报告了在使用板型(slab-type)二维光子晶体作为镜的情况下所反射的光和所透射的光的波长依赖性。
光子晶体是这样的结构：其中，人工形成光波长量级的折射率改变，也就是说，周期性地布置周期性折射率结构，在所述周期性折射率结构中，介质具有彼此不同的折射率。
第一非专利文献中所公开的技术在具有高折射率的材料中周期性地形成孔，以形成空气孔(孔)型二维光子晶体作为二维光子晶体。
其后，据报告，如果使得具有预定频率的光从几乎垂直于二维光子晶体的平面的方向进入所述平面，则所述光以几乎100％的效率从所述平面反射。
通过在对于光的谐振方向的垂直布置中使用这种二维(或一维)光子晶体作为反射镜，可以由十分薄的膜形成垂直腔表面发射激光器的反射镜。
也就是说，可以由从几十nm到几百nm量级的十分薄的膜形成常规上已经由大约几μm量级的厚的多层膜形成的反射镜。
因此，诸如由反射镜的层厚度导致的热辐射和电阻的难点的问题可以被减少。
以下，将这种反射镜称为光子晶体镜。
第二非专利文献(H.T.Hattori等人：Opt.Express 11(2003)1799)公开了一种表面发射激光器结构的数值计算示例，该表面发射激光器结构通过将一维光子晶体镜与DBR镜组合作为实际表面发射激光器设备，来配置谐振器。
为了具体描述，如图2所示，假设在以周期性折射率结构形成的层(核心层)之上和之下的层(覆层)是空气层来执行计算。
图2中的下侧的区域206被称为气隙层。在图2中，表面发射激光器结构包括半导体衬底200、DBR镜202、活性层(active layer)204、气隙层(覆层)206、光子晶体镜(核心层)208、以及孔210。
然而，在其图2所示的第二非专利文献的元素的配置中，因为气隙层206被直接形成在光子晶体镜208之下，所以当通过电流注入来驱动元件时，难以将载流子注入被直接布置在光子晶体镜208之下的活性区域204中。
发明内容
本发明的一方面在于提供一种垂直腔表面发射激光器，其能够将载流子高效地注入被直接布置在光子晶体镜之下的活性区域中，以形成具有光子晶体镜的表面发射激光器的反射镜。
根据本发明的垂直腔表面发射激光器包括：第一反射镜，其构成下镜；第二反射镜，其构成上镜；活性层，其形成在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间；以及衬底，所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述活性层形成在所述衬底上，其中，所述第二反射镜具有周期性折射率结构，其中，在平行于所述衬底的表面的方向上周期性地提供具有导电性的第一介质和具有比所述第一介质的折射率低的折射率的第二介质，并且在所述周期性折射率结构的下侧，由具有比所述第一介质的折射率低的折射率的第三介质制成的层结构被嵌入所述第一介质中。
根据本发明，可以实现一种垂直腔表面发射激光器，其中，可以将载流子高效注入被直接布置在光子晶体镜之下的活性区域中，以形成具有光子晶体镜的表面发射激光器的反射镜。
本发明的进一步的特征将通过以下参照附图对示例性实施例的描述变得清楚。
附图说明
图1是示出本发明示例性实施例的垂直腔表面发射激光器的基本配置的示意截面图。
图2是示出第二非专利文献中公开的垂直腔表面发射激光器的基本配置的示意截面图。
图3A和图3B是用于描述本发明第一实施例的垂直腔表面发射激光器的配置的示意图，其中，图3A是在垂直于第一实施例的垂直腔表面发射激光器的衬底的方向上的示意截面图，图3B是当从垂直于镜的表面的方向观看上谐振镜时的上谐振镜的示意性平面图。
图4A、图4B和图4C是用于描述本发明第一实施例的垂直腔表面发射激光器的制造方法的示意图，每一图描述垂直腔表面发射激光器的制造方法的制造工艺的每一部分。
图5A、图5B和图5C是用于描述本发明第一实施例的垂直腔表面发射激光器的制造方法的图，每一图描述图4A至图4C的制造工艺的部分之后的制造工艺的每一部分。
图6A、图6B和图6C是用于描述本发明第一实施例的垂直腔表面发射激光器的制造方法的图，每一图示出图5A至图5C的制造工艺的部分之后的制造工艺的每一部分。
图7是示出本发明第二实施例的垂直腔表面发射激光器的配置的示意截面图。
具体实施方式
接下来，将描述本发明示例性实施例的垂直腔表面发射激光器。
图1示出该示例性实施例的垂直腔表面发射激光器的示意截面图。
如图1所示，垂直腔表面发射激光器包括衬底100、第一反射镜102、第一覆层104、活性层106、第二覆层108、绝缘层(电流限制层)110、第二反射镜112、第一电极114以及第二电极116。
该示例性实施例的垂直腔表面发射激光器包括：第一反射镜102，其构成下镜；第二反射镜112，其构成上镜；活性层106，其形成在所述第一反射镜102和所述第二反射镜112之间；以及衬底100，第一反射镜102、第二反射镜112以及活性层106形成在衬底100上。
此外，第二反射镜112由以下板型的二维光子晶体镜配置成。
也就是说，第二反射镜112具有周期性折射率结构(光子晶体结构)，其包括具有导电性的第一介质1100和具有比第一介质1100的折射率低的折射率的第二介质1102。在平行于衬底100的表面的平面中周期性地提供第二介质1102。
如上所述，因为在本发明实施例中，第二反射镜112由具有导电性的介质1100制成，所以可以容易地执行载流子注入。
随后，在所述周期性折射率结构的下侧，由具有比第一介质1100的折射率低的折射率的第三介质1104制成的层结构被布置为嵌入第一介质1100中。
因为第三介质1104的折射率比第一介质1100的折射率低，所以周期性折射率结构被制成光学限制结构。也就是说，周期性折射率结构用作核心层，第三介质1104用作覆层。
此外，构成折射率结构的第三介质1104优选地由具有比第一介质1100的折射率低10％或更多的折射率的材料配置成。
第一介质1100由对从活性层106发射的光透明并且具有导电性的材料制成。作为第一介质1100的材料，可以是例如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、锡氧化物、锌氧化物等。
此外，第二介质1102由对从活性层106发射的光透明的材料制成。作为第二介质1102的材料，可以是例如空气(孔)。此外，可以通过嵌入硅氮化物、镁氟化物等形成第二介质1102。
顺便地，可以由具有导电性的材料形成第二介质1102。在此情况下，可以通过第二介质1102将从第一介质1100注入的载流子注入到半导体层，并且因此使得能够实现更高效的载流子注入。
此外，由对从活性层106发射的光透明的材料制成第三介质1104。作为第三介质1104的材料，可以使用导电材料和绝缘材料中的任一种。
作为第三介质1104的材料，可以是例如硅氧化物、硅氮化物、镁氟化物、锡氧化物等。
接下来，描述应用二维光子晶体板作为反射镜的原理。
该示例性实施例的板型二维光子晶体借助波导谐振(guidedresonance，GR)效应用作镜。
GR效应是指以下现象，其中，如果光从垂直于板型二维光子晶体的板表面的方向进入板型二维光子晶体，则以几乎100％的效率反射预定频率的光。
也就是说，GR效应是由用于通过具有特定辐射模式的板型二维光子晶体引导波的模式的谐振导致的。
此外，还有可能采用以下配置：将扰乱周期性结构的部分(缺陷)引入在该示例性实施例中形成的周期性折射率结构中作为其一部分。
使得能够通过形成这种缺陷控制板型二维光子晶体的谐振模式和偏振模式。
此外，在该配置中，由于引入缺陷，在该配置的光子带(photonicband)中形成由所述缺陷导致的能级，并且进入二维光子晶体镜的光仅在由缺陷能级导致的模式下在平行于衬底的表面的平面中谐振，从而获得单模。
单模光被发射进入入射光侧的垂直方向，并且在上下两个镜(它们中的至少一个是板型二维光子晶体镜)之间谐振，所述上下两个镜被布置为：在它们之间放置活性层，以最终发射表面发射激光器的相干光。
此时，可以通过空间局域化(localized)的单模光的耦合获得具有大光斑直径的单模光。
可以不仅在二维光子晶体而且还在一维光子晶体中发现上述特性。
二维光子晶体的配置通常是这样的配置，其中，在高折射率介质中周期性地提供低折射率介质。
在此情况下，报告了以下配置：以三角晶格、四边形晶格、蜂窝晶格等的形式布置低折射率介质。可以通过改变低折射率介质的周期性或体积控制所述镜的反射特性。
更进一步地，还可以通过在垂直于光子晶体的周期性折射率结构的方向上调整光子晶体的厚度来控制反射特性。
顺便地，优选地，将厚度设置为使得在二维平面中传播经过光子晶体的光的横模不变成多模。
此外，还可以采用这样的配置，其中，在上述配置中的低折射率介质和高折射率介质彼此互换。
此外，在该示例性实施例中，可以采用这样的配置，其中，第一反射镜102包括分布式布拉格反射镜，第二反射镜112包括由周期性折射率结构制成的一维或二维板型光子晶体。
示例性实施例
下面，将描述本发明示例性实施例。
第一实施例
在第一实施例中，描述通过应用本发明配置的垂直腔表面发射激光器。
图3A和图3B是示出该实施例的垂直腔表面发射激光器的配置的示意图。图3A示出该实施例的垂直腔表面发射激光器在垂直于其衬底的方向上的示意截面图。
此外，图3B示出当从垂直于上谐振镜的表面的方向观看时上谐振镜的示意性平面图。
如图3A和图3B所示，垂直腔表面发射激光器包括蓝宝石衬底300、AlGaN/GaN DBR镜302、n型GaN覆层304、InGaN/GaN多量子阱(MQW)活性层306、以及p型GaN/AlGaN覆层308。
垂直腔表面发射激光器进一步包括硅氧化物层310、板型二维光子晶体镜312(包括ITO层3100、孔3102、以及硅氧化物层3104)、n侧电极314、以及p侧电极316。
该实施例的垂直腔表面发射激光器被布置为使得可以在活性层306的位置、以及覆层304和308以及上镜和下镜(DBR镜302和板型二维光子晶体镜312)中每一个的边界处，形成谐振器中形成的驻波的波腹。
此外，在该实施例中，将Al0.25Ga0.75N/GaN(60对)DBR镜使用作为第一反射镜，在所述DBR镜中，具有1/4波长厚度的高折射率介质和具有1/4波长厚度的低折射率介质被交替地堆叠。
此外，根据该示例性实施例的板型二维光子晶体镜312被使用作为第二反射镜。
接下来，描述该实施例的板型二维光子晶体镜312。
作为透明导电层的ITO层3100(具有折射率：2.2)形成于在衬底300上生长的半导体堆叠结构的最上层上。通过在ITO层3100中形成孔3102而产生的周期性折射率结构被形成为使得ITO层3100的上表面与空气接触。
此外，周期性折射率结构被布置为使得其下表面与具有比ITO层3100的折射率小的折射率(等于1.5)的硅氧化物层3104接触。
通过采用这种配置可以高效获取经过在其中形成周期性折射率结构的层的光的波导。
在此，孔3102中的每一个具有40nm的半径和130nm的深度的圆柱形。
此外，以晶格常数为240nm的三角晶格的形式布置孔3102。
此外，硅氧化物层3104的厚度被制成100nm。
以具有多边的规则正方形的形式形成该实施例中形成的周期性折射率结构(光子晶体)区域，每一边具有20μm的长度。
该实施例的板型二维光子晶体借助上述GR效应用作镜。
在该实施例中，p侧电极316形成在周期性折射率结构(光子晶体)周围的环中，所述周期性折射率结构(光子晶体)形成在作为最上表面的ITO层3100上。
从电极316注入的载流子通过ITO层3100被注入到半导体层，并且由此活性层306发射光。
此外，在该实施例中，硅氧化物层310形成在第二反射镜(板型二维光子晶体镜312)和p型覆层(p GaN/AlGaN)308之间，并且硅氧化物层310的一部分被移除，以形成电流限制层。由此，载流子在硅氧化物层3104与硅氧化物层310之间通过，以被注入到活性层306的中央部分。因此，提供了容易发生单横模振荡的配置。借助这种配置，可以在GaN系统激光器中形成电流限制结构，其中，不会产生氧化物限制结构。
顺便地，该实施例假设将本发明应用于GaN系统激光器。但是，如果本发明应用于GaAs系统激光器等，那么可以通过使用由包括很多Al成分的AlGaAs等的汽相氧化形成的氧化物限制结构来实现电流限制。
接下来，将描述该示例性实施例的垂直腔表面发射激光器的制造方法。
图4A至图6C示出用于描述该示例性实施例的表面发射激光器的制造方法的示意图。
图4A至图4C是用于描述垂直腔表面发射激光器的制造方法的制造工艺的部分的图。
此外，图5A至图5C是用于描述在图4A至图4C的制造工艺的部分之后的制造工艺的部分的图。
此外，图6A至图6C是用于描述在图5A至图5C的制造工艺的部分之后的制造工艺的部分的图。
首先，如图4A所示，如下在GaN衬底400上由金属有机化学汽相淀积(MOCVD)装置通过缓冲层来生长每一层。
AlGaN/GaN DBR镜层402、n型GaN覆层404、InGaN/GaNMQW活性层406、以及p型GaN/AlGaN覆层408依次生长。
在该实施例中，通过按这样的方式生长上述层中的每一层来配置半导体堆叠层。
接下来，借助光刻技术在GaN/AlGaN覆层408上形成抗蚀剂图案410。
其后，如图4B所示，通过以下操作形成20μm高度的柱：通过使用感应耦合等离子体(ICP)蚀刻装置执行干法蚀刻，直到n型GaN覆层404被暴露。
接下来，如图4C所示，通过使用等离子体CVD装置将硅氧化物层412形成为保护层。其后，通过使用光刻技术和蚀刻技术形成电流限制结构。
接下来，如图5A所示，通过使用溅射装置形成ITO层。
其后，通过使用光刻技术和蚀刻技术在所述柱上形成ITO层500。
接下来，如图5B所示，通过使用溅射装置形成硅氧化物层。
其后，通过使用光刻技术和蚀刻技术，于在所述柱上形成的ITO层500上形成硅氧化物层502。
接下来，如图5C所示，通过使用溅射装置形成ITO层。
其后，通过使用光刻技术和蚀刻技术，形成ITO层504以覆盖在所述柱上形成的硅氧化物层502。
接下来，如图6A所示，通过使用电子束光刻技术而在ITO层504上形成抗蚀剂图案600。
接下来，如图6B所示，通过使用ICP蚀刻装置蚀刻ITO层504。此时，蚀刻深度被设置为使得硅氧化物层502被暴露。
其后，通过氧灰化移除其余抗蚀剂。在该工艺的这个部分，形成板型二维光子晶体(三角晶格布置中的柱孔)。
接下来，如图6C所示，通过使用剥离技术在n型GaN覆层404上形成Ti/Al阴极。
类似地，在ITO层504上形成Au阳极602。
通过上述工艺，可以获得在使用DBR镜和板型二维光子晶体镜作为垂直谐振器的反射镜的配置中的垂直腔表面发射激光器。
本发明的配置对于使用III族氮化物半导体的垂直腔表面发射激光器(将电流注入该垂直腔表面发射激光器被认为是困难的)尤其有效。
当然，本发明还可以应用于使用III-V族化合物半导体或II-V族化合物半导体的垂直腔表面发射激光器。
通过这种配置，使用板型二维光子晶体作为根据该实施例的镜的垂直腔表面发射激光器可以形成这样的镜，该镜是具有比常规表面发射激光器的反射率高的反射率的单层。
此外，因为根据该实施例可以减少设备的阻抗，所以可以获得具有与常规表面发射激光器的振荡阈值电流相比更小振荡阈值电流的垂直腔表面发射激光器。
虽然在该实施例中通过三角晶格布置来布置圆柱形孔的周期性，但周期性的布置不限于该实施例。可以通过任意布置模式(例如四角形晶格和蜂窝晶格)来布置所述周期性。此外，所述形状也不限于圆柱形孔，而可以使用椭圆柱孔、正方形柱孔、矩形柱孔、三角柱孔等。
此外，ITO层可以被用作透明导电层，并且具有导电性的材料，例如锡氧化物，可以被用作低折射率材料。
此外，用于该示例性实施例中所示的生长、光刻、蚀刻、灰化和汽相淀积的技术(装置)不限于所描述的(装置)，而可以使用任意技术(装置)，只要它们可以获得类似的效果。
第二实施例
将描述本发明第二实施例的垂直腔表面发射激光器。
图7示出用于描述该示例性实施例的垂直腔表面发射激光器的配置的示意图。
图7所示的垂直腔表面发射激光器包括蓝宝石衬底700、AlGaN/GaN DBR镜702、n型GaN覆层704、InGaN/GaN多量子阱(MQW)活性层706、以及p型GaN/AlGaN覆层708。
所述垂直腔表面发射激光器进一步包括硅氧化物膜710、板型二维光子晶体镜712(包括ITO层7100、孔7102、缺陷7104、以及硅氧化物层7106)、n侧电极714、以及p侧电极716。
在该实施例中，除了板型二维光子晶体镜712的配置之外，元件的基本配置与第一实施例的相似。
相应地，仅参照图7描述板型二维光子晶体镜712。
该实施例的板型二维光子晶体镜712被配置为使得ITO 7100被用作第一介质，孔7102被用作第二介质，硅氧化物层7106被用作第三介质，与第一实施例类似。
在该实施例中，以三角晶格布置布置孔(圆柱形孔)7102，并且在孔7102的一部分处引入扰乱孔7102的周期性的部分，即，所谓的缺陷7104。
该实施例的设备的制造方法与第一实施例的几乎类似。
工艺的不同部分在于，改变在作为第一介质的ITO层7100中形成周期性折射率结构时使用的电子束光刻图案。工艺的其它部分与第一实施例基本相似。
在该实施例中，由于缺陷7104的引入，在光子带中形成由缺陷7104导致的能级，并且进入二维光子晶体镜的光仅在由缺陷能级导致的模式下在二维方向上谐振。因此，可以获得光的单模的实现。
该单模光发射到入射光侧的垂直方向，并且在上下两个镜之间谐振，所述上下两个镜被形成为在它们之间放置活性层706(所述镜中的至少一个是包括缺陷7104的板型二维光子晶体镜712)。随后，垂直腔表面发射激光器最终发射相干光。
此时，可以通过耦合空间局域化的单模光获得具有大光斑直径的单模光。
可以采用所引入的缺陷的周期性布置以及它们的非周期性布置中的任一个作为所述缺陷的形式。在任意情况下，需要的是，被局域化在所述缺陷中的光处于能够将光彼此耦合的距离内，并且优选地，这种距离可以是从两个周期到十个周期的范围，包括两个周期和十个周期。
虽然在该实施例中通过移除孔7102的一部分形成缺陷7104，但缺陷7104的形成不限于该方法。可以通过改变孔的直径(圆柱形孔的直径)(更大或更小)来形成所述缺陷。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被给予最宽的解释，从而包括所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种垂直腔表面发射激光器，包括：
第一反射镜，其构成下镜；
第二反射镜，其构成上镜；
活性层，其形成在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间；以及
衬底，所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述活性层形成在所述衬底上，其中，所述第二反射镜具有周期性折射率结构，在所述周期性折射率结构中，在平行于所述衬底的表面的平面中周期性地提供具有导电性的第一介质和具有比所述第一介质的折射率低的折射率的第二介质，并且
在所述周期性折射率结构的下侧，由具有比所述第一介质的折射率低的折射率的第三介质制成的层结构被嵌入所述第一介质中，其中，所述第三介质由具有比所述第一介质的折射率低10％或更多的折射率的材料制成。
2.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述第一介质和所述第二介质中的每一个由对从所述活性层发射的光透明的材料制成。
3.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述第三介质由对从所述活性层发射的光透明的材料制成。
4.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述第三介质由绝缘材料制成。
5.如权利要求4所述的垂直腔表面发射激光器，其中，由在所述第一介质之下提供的绝缘材料以及所述第三介质形成电流限制结构。
6.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述第一介质由ITO制成。
7.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述第三介质由硅氧化物制成。
8.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述周期性折射率结构包括扰乱所述周期性折射率结构的周期性的部分。
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