TW385580B - Surface emitting laser and its manufacturing process - Google Patents

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Description

A7 ________ B7 五、發明説明（1 ) .技術領域 本發明係關於垂直共振器型的面發光雷射，特別是， 關於從複te的光線射出部射出相位同步的雷射光，可在高 輸出功率下獲得放射角狹窄的雷射光之面發光雷射及其製 造方法。 背景技術 如何在高輸出功率下射出放射角狹窄的雷射光係面發 光雷射的課題。於日本專利特開平8 — 3 40 1 5 6號公 報，揭示著從複數的光線射出部，射出相位同步的雷射光 ，藉由光的干涉效果，.而呈現視覺上爲一道雷射光束的面 發光雷射。在視覺上成爲一道光束的雷射光，是高功率的 而被觀測到放射角狹窄。 於此面發光雷射，於光線射出側的每覆^學杂形成柱狀 部分，於此柱狀部分的周圍被形成埋入層，光線射出側的 電極具有複數的開口部，開口部的周緣部與柱狀部分接觸 。而在電極的開口部正下方、與周緣部的正下方，光線的 發振模式不同，從開口部射出的複數雷射光，成爲在視覺 上爲一道光束的雷射光。 在此面發光雷射，使用絕緣性物質作爲埋入層。作爲 ....... 絕緣性的埋入層而一般被使用的s i 0 2等的氧It fJ或 $丄1 p 4等的氮化物或7 n .S e_等的Π — IV族化合物，與 成爲包覆層的構成要素之G a A s等之m — V族化合物， .其折射率有很大的差異。亦即，因爲太過於將光線關入共 -4- B7 五、發明説明（2 ) 振器的中心部，所以無法切掉高次橫模式。 本發明，係爲了解決上述從前的問題而發明者，提供 控制橫模k，從複數的光線射出部射出相位同步的雷射光 .，而可以獲得視覺上爲一道光束的雷射光之面發光雷射及 其製造方法。 發明之揭示 (1 )相關於本發明之垂直共振器型的面發光雷射， 係：具有至少由光線射出側的反射鏡的一部份所構成的柱 狀部，及圍住此柱狀部的周圍之埋入層，及被形成於前述 柱狀部及前述埋入層之上的上部電極，及被形成於前述柱 狀部及前述埋入層之下的絕緣層； 於前述上部電極，在前述柱狀部之上，被形成有複數 的開口部， ‘ 於前述絕緣層，在對應於開口部的位置，被形成絕緣 開口部’ 前述埋入層，絕對折射率較柱狀部略小。 根據本發明，在絕緣層形成著有絕緣開口部，從上部 電極透過絕緣開口部對活性層供給電流。對應各絕緣開口 部產生的光，成爲相同的發振模式。接著，從複數的電極 開口部，，射出相位同步的複數雷射光。此複數雷射光，在 外觀上是高輸出的放射角狹窄的一道雷射光束。 此外，根據本發明，埋入層包圍住柱狀部的周圍，埋 .入層的絕C·對折射率（對真空的絕對折射率），較柱狀部的 )\\'ί (fNS)A4^^ ( 210 X 297^# ) ' " n n In ϋ n - n m ti - -- , n n _ _ n- T tn in n------ .-. ,^ (¾先間請免而之注意事項再填穷本頁) -5- A7 _ B7 五、發明説明（3 ) 絕對折射率變得更小。藉由此構造，與光纖同樣地，於柱 狀部內可以使光線全反射而關入。 尙且L在光纖的場合，芯線與包覆層的絕對折射率差 變大的話傳送多數模式係屬習知。亦即，藉由縮小絕對折 射率差可以控制橫模式。 同樣的，根據本發明，因爲絕對折射率差很小，所以 可以控制橫模式。 (2 )於上述面發光雷射， 形成前述柱狀部的物質，是被單晶化者， 形成前述埋入層的物質，是與前述柱狀部相同的物質 ，而以被非單晶化者較佳。 相同的物質被單晶化的話密度變高絕對折射率也跟著 變高，相對的，非單晶化（多晶化或是非晶質化）的話會 稍微降低而絕對折射率也跟著稍微降低。如此，藉由單晶 化或是非單晶化，可以稍微改變絕對折射率。 (3 )於上述面發光雷射， 以各電極開口部直徑係1〜6 /zm程度，相鄰的前述 電極開口部間的距離係約爲7 // m以下者較佳。. (4 )於上述面發米雷射， 以前述埋入層，電阻値低者較佳。 如此，可以藉埋入選的霞阻獰E而抑制發熱。 - * ............. (5 )相關於本發明的垂直共振器型的面發光雷射之 製造方法，包含： 形成位於較活性層爲上，較光線射出側的反射鏡爲下· — …*· ——_——·.，· •，必^—.. _ _________________ )|； 'i： :i' i ) ( ：] 0X 297^·^ ) . — --- (請七閲請f-而之注意事項再填寫本頁) •裝·
、1T 線 A7 B7 ――_ 五、發明説明（4 ) 的單晶層的工程，及 在前述單晶層上形成非單晶的絕緣層的工程’及 於前k絕緣層形成複數的絕緣開口部，形成前述單晶 層的露出部的工程，及 非選擇地使多膜層成長於包含前述絕緣開口部地前述 絕緣層之上的工程，及 在前述多層膜上，形成具有對應於前述絕緣開口部的 電極開口部之上部電極的工程； 前述多層膜，在前述非單晶的絕緣層上f皮非單晶化， 在前述絕緣開口部上被單晶化。 根據本發明，藉由非選擇成長而成長的多層膜，因爲 從絕緣開口部露出單晶層的緣故，所以在此絕緣開口部上 成爲被單晶化的柱狀部，在其周圍成爲被非單晶化（多晶 化或是非晶質化）的埋入層。如此，可以簡單地製造上述 的面發光雷射。 (6 )於上述面發光雷射之製造方法，以前述多層膜 的電阻値低者爲佳。 如此，使多層膜的電阻降低，可以抑制在埋入層之發 熱。 供實施發明之最佳形態 、 以下’參照圖面針對本發明較佳之實施形態加以說明 。第1圖係相關於本發明之實施形態之面發光雷射的剖面 圖。 木紙乐尺戍丨 -7- 五、發明説明（ 5 A7 B7 於該圖，例如於n型G a A s等的半導體基板1 2的 背面，形成下部電極1 1。 此外！’於半導體基板1 2之上被形成有下部反射鏡 1 3。下部反射鏡1 3 ，例如由4 0對（p a i r )之η 型 A lo.8Gao.2As 層及 A lo.isGao.ssAs 層 所構成，對於波長8 0 0 nm附近的光具有9 9 . 5%以 上的反射率之分布反射型（D B R : Distributed Bragg Reflector )多層膜反射鏡。 下部反射鏡1 3之上，由下依序形成包覆層14、活 性層1' 5及單晶層1 6。包覆層1 4，例如由η型 A 1。. 7 G a。. 3 A s層所構成，活性層1 5例如由η -型 G a A s井底層及A 1 0.3G a η . 7 A .s井壁層所構成.的 多重井構造，單晶層1 6，成爲包覆層，例如由p型 Al〇.7Ga〇.3As層所構成。 於單晶層1 6上，形成著有絕緣層1 8。此外，絕緣 層1 8，係由非單晶（多晶或是非晶質）之S i 0 2等的氧 化膜所構成，具有絕緣性。 在絕緣層1 8被形成有複數的開口部1 8 a·，透過開 口部1 8 a，於單晶層1 6的露出部1 6 a上，被形成有 單晶之A 1 A s層1 9 a。於絕緣層1 8上，被形成有非 單晶之AlAs層19b。 於A 1 A s層1 9 a上’被形成有柱狀部2 〇。更詳 言之，於絕緣層1 8的開口部1 8 a附近之上，被形成有 柱狀部2 0。亦即’柱狀部2 0的一部份，介於單晶的 冬紙乐尺度说川'丨( ( ) Λ4说枱（210X297公# ) (誚先閱請^:而之注念事項再填寫本頁) .裝. 訂 線 -8- J-h A7 __________________ B7 _______________ 五、發明説明（6 ) A lAs層19 a及開口部18a，位於單晶層16上。 柱狀部，係由單晶之A 1 q.8G a〇.2A s層以及單 晶之A 1 0i.i5G a〇.85A s層交互層積的多層膜所構成 。A i A s層1 9 a以及柱狀部2 0，構成光線射出側的 反射鏡。 於柱狀部2 0的周圍，被形成有埋入層2 2。埋入層 2 2 ’係由非卓晶之A 1 q.sG a q.2A s層以及非單晶 之A 1 o.isG a q_85A s層交互層積的多層膜所構成。 此處，所謂非單晶，指的是多晶或是非晶質二者之一。形 成埋入層2 2的物質，與形成柱狀部2 0的物質是同一物 質而被非單晶化者。而，如果是相同物質，因爲非單晶較 單晶的密度爲低，所以非單晶的埋入層2 2，絕對折射率 較單晶的柱狀部2 0稍低些（約〇 . 0 1 )。此外，埋入 層.2 2的電阻變低。又，於絕緣層1 8上，被形成非單晶 的 AlAs 層 19b。 從埋入層2 2之上，在位於柱狀部2 0的最上層的接 觸層2 1之上，形成上部電極2 3。於上部電極2 3，被 形成複數的開口部2 3 a。開口部2 3 a ，係被形成於對 應絕緣層1 8的開口部1 8 a的正上方的位置。此處，開 口部2 3 a爲矩形，一邊的寬度W爲1〜6 # m程度，開 口部2 3 a彼此的間隔s以在7 # m以下（其中，較佳者 爲5 5 μ m以下）者較佳。又，開口部2 3 a的形狀並 不以矩形爲限，也可以是圓形等形狀。將開口部2 3 a形 成爲圓形的場合，直徑以1〜6 A m程度較佳。 木纸汴乂度坆川 '丨 «FdUM (U ) λΤ^Τ'?.Η»X ) ^ -9- 五、發明説明 A7 B7 Ιί 卑 J.'·,
；ίί f." A 接著，上部電極2 3，接觸於柱狀部2 0的最上層的 接觸層2 1而供給電流。 相關k本實施形態的面發光雷射，係由上述般的被構 成。槪略說明其作用的話，於活性層1 5發光’以下部反 射鏡1 3與成爲射出側的反射鏡之A 1 A s層1 9 a及柱 狀部2 0構成共振器，光線在此共振器之間共振。由發光 所失去的能量，藉由上部電極2 3與下部電極1 1之間所 流通的電流供給。接著，來自柱狀部2 0的接觸層2 1的 透過光成爲光輸出。此面發光雷射，被分類爲共振器係被 構成爲與半導體基板12垂直的垂直共振器型。 此外，在本實施形態，埋入層2 2的電阻變低的緣故 ，來自上部電極2 3的電流，不僅從接觸層2 1也從埋入 層2 2流入柱狀部2 0。亦即，在埋入層2 2的發熱被抑 制。 接著’藉由被形成於埋入層2 2之下的絕緣層1 8 , 遮斷電流。但是，於絕緣層1 8被形成有開口部1 8 a , 透過此開口部1 8 a ，電流流入單晶層1 6。如此，可以 對應於此開口部1 8 a ，使部分電流集中於活性層1 8， 而使其產生雷射光。 在活性層1 5所發出的光，通過開口部1 8 a ，在成 爲上ηβ反射靜的柱狀部2 0以及A 1 A s層1 9 a與下部 反射鏡1 3之間被增幅。 在本實施例’對應複數的開口部1 8 a ，於上部電極 2 3被形成著有複數的開口部2 3 a。接著，雷射光從各 rNS)A4ML^i:21()X 297-:.>^) {請七閱請背'西之注意事項再填寫本頁) •裝· 訂· 卜線 -10 - ii A7 ____________ B7 五、發明説明（8 ) 開口部2 3 a射出，從各開口部2 3 a射出的雷射光，其 相位係同步。亦即，.複數之雷射光，在視覺上係放射角狹 窄的一道ίΐ射光束。 此外，與成爲光線射出側的反射鏡之A 1 A s層 1 9 a及柱狀部2 0相比，包圍其周圍的埋入層2 2的絕 對折射率變得稍低（約0 . 0 1 )。亦即，因爲不是將所 有的光關入的緣故，所以可以控制橫模式。 如此，根據本實施形態，可以射出放射角安定的高輸 出功率雷射光。 其次，第2圖A〜第2圖C係說明第1圖所示的面發 光雷射的製造方法之一例之圖。 首先，如第2圖A所示，於半導體基板1 2的背面形 成下部電極1 1 ，同時藉由有機氣相成長（MOCVD :
Metal Organic Chemical Vapor Deposition )法或是分子線 晶晶（Μ B E ·· Molecular Beam Epitaxy )法等，在半導體 基板1 2的表面使成長下部反射鏡1 3至單晶層1 6。 其次，如第2圖B所示，於單晶層1 6上形成絕緣層 行 1 8。此絕緣層1 8，係藉由C V D法或濺鍍法等而成膜 ;Λ '：；； 的S i 〇2等之非單晶（多晶或非晶質）的氧化膜。 | 或者是，也可以使單晶層16的表面氧化，形成非單 il 晶的氧北鋁層，以此爲絕緣層1 8。 .1 f 其次，如第2圖c，於絕緣層1 8形成複數開口部，
Si 形成單晶層1 6的露出部1 6 a。於開口部1 8 a的形成
lV v ，適用光蝕刻技術。 木Κ K.H. ·!:;、，（（ NS ) 21()/297公#) I I— n -----,.— 士卜— _ — II _ Γ---——I ——：'-.泉 (iir閱讀背'面之注t事項再填寫本頁) -11 - A7 _____ B7 五、發明説明（9 ) 或者是’也可以在卓晶1 6上形成薄的A 1 G a A s 層，於其上形成作爲最上層的A 1 A s層，抑制室溫下在 大氣中的1A 1 A s層的氧化，藉由光蝕刻技術於a 1 A s 層形成開口部’使A 1 G a A s層的一部份露出後，在約 4 0 0 °C的水蒸汽環境中使A 1 A s層氧化亦可。在此場' 合，氧化的A 1 A s層相當於絕緣層1 8 .，A 1 G a A s 層的露出部相當於單晶層1 6的露出部1 6 a。 又，於單晶層1 6的表面，以施以非活性化（ p a s s i v a t i ο η )處理較佳。爲此，可以進行脫脂洗淨、硫化 氨的塗布以及高溫處理，或者是超純水洗淨以及高溫處理 卜 接著，如第3圖A所示般的，於絕緣層1 8及單晶層 1 6上，藉由MOCVD法成長A 1 A s。.如此一來，進 行非選擇成長，於絕緣層1 8及單晶層1 6上，形成 △1入3層19 3、191^。 A 1 A s層1 9 A，在單晶層1 6上被單晶化， A 1 A s層1 9 b，在絕緣層1 8上被非單晶化（多晶化 或非晶質化）。尙且，於絕緣層1 8，被形成有開口部 1 8 a ’較此開口部1 8 a更寬廣的區域被單晶化。亦即 ’如第3圖A所示般的，開口部1. 8 a附近之上，全體被 單晶化。 接著，於 AlAs 層 19a、19b， Alo.15Gao.85As 層 31 以友 · A 1 q.8G a〇.2A s層3 2交互層積。 i.h A- 閱 面 之 注 意 事 項 再 填 本 頁 裝 -12- A7 _______ B7 五、發明祝明（1〇 ) 即使於A 1 ct.15GaQ.85A s層3 1.，位於被單晶 化的A 1 A s層1 9 a之上的部分3 1 a被單晶化，位於 非單晶化ί(多晶化或是非晶質化）的A 1 A s層1 9 b上 的部分3 1 b被非單晶化（多晶化或是非晶質化）。 同樣的，即使於A 1 Q . 8 G a。. 2 A S層3 2，位於 被單晶化的部分3 1 a之上的部分3 2 a被單晶化，位於 非單晶化（多晶化或是非晶質化）的部分3 1 b上的部分 3 2 b被非單晶化（多晶化或是非晶質化）。 如此，藉由被單晶化的部分3 1 a、3 2 a形成柱狀 部2 0，而藉由被非單晶化的部分3 1 b、3 2 b形成埋 入層2 2。總之，可以形成單晶的柱狀部2 0與非單晶的 埋入層2 2。柱狀部2 0以及單晶層1 9 a，成爲光線射 出側的反射鏡。 又，形成單晶層1 6時，測定以單晶層r 6與下部反 射鏡1 3所構成的共振器的縱模式，調整構成柱狀部2 0 的多層膜的分別的厚度以調整縱模式是較佳的。 進而詳言之，AlAs、AlQ.8GaQ.2AsW& A lo-i5Ga〇.85As ’係以 TMGa、TM.A1、 A s H3爲原料，在基板溫度6 5 〇〜8 0 CTC程度（其中 以約75〇。〇較佳），1〇〜2〇〇T〇rr程度（其中 以約1 4 5 T 〇 r r較佳）的減壓環境下，使用 M 〇 C v D成長的。此處，在a 1 Q . 1 5 G a。. 8 5 A s的 成長’代袠A s與G a的莫耳比的ν/π比爲2 9 0 ，而 在八lQ.8Ga〇.2As的成長，代表As與Ga的莫耳 ---------—裝— (誚先閱請背好之注意事項再填筠本頁) 訂 卜線 -13- A7 B7________ 五、發明説明（彳彳） 比的V /皿比爲9 5 ，所以成長對於v / 111比並沒有依存 性。 其次f，如第3圖B所示，埋入層2 2與成爲柱狀部 2 0的最上層的接觸層2 1之上’使金屬蒸鑛而形成上部 電極2 3。接著，藉由除去蒸鍍的金屬的一部份’如第1 圖所示般的，於上部電極2 3形成開口部2 3 a。此開口 部2 3 a，被形成於對應絕緣層1 8的開口部1 8 a。 比起以乾蝕刻等形成柱狀部2 0，其後藉由再成長埋 入非單晶而形成埋入層2 2的方法，根據此製造方法可以 更爲簡便的方法，製造第1圖所示的面發光雷射。 又，本發明並不以上述實施形態爲限，可以進行種種 的變型。、 例如，於第3圖A所示的工程’也可以使用以氮N取 代 A 1 A s、A 1 〇.8G.a〇.2A s 以及 A 1 q.isG a〇.85A s之A s的羾一V族氮化物半導體 〇 或者是在第2圖C的工程結束之後’於第3圖A的工 程之前，於單晶層1 6的露出部1 6 a上’與絕緣層1 8 成爲平頂（falt-top的方式’形成第2單晶層亦可。 詳言之，在第2圖C所示的狀態，於声緣層1 8及露 出部1 6 a之上，藉由Μ 0 C V D法’使成長A 1組成較 低G a組成較高的A 1。. 1 5 G a。. 8 5 A s。如此一來’ 由於G a的組成較高所以進行選擇成長’ A 1。. t 5 G a。. 8 5 A s ，S. i 〇 2等的氧化膜所構成的 _____________________ 、— — —-------—______-*---—--—-------*--； ) ( 2l0x 297^f ) -14- A7 B7 五、發明説明（12 ) 絕緣層1 8上完全不成長，而僅在由單晶A 1 G a A s所 成的露出部1 6 a上成長。又，第2單晶層，以具有成爲 多層膜反射鏡的一層膜的程度的厚度者較佳。因此，.與第 2單晶層成爲平頂的絕緣層1 8，也以同樣的厚度形成者 較佳。 圖面之簡單說明 第1圖係相關於本發明之實施形態之面發光雷射的剖 面圖。 第2圖A〜C係顯示相關於本發明之實施形態之面發 光雷射的製造方法之一例。 第3圖A與B係顯示相關於本發明之實施形態之面發 光雷射的製造方法之一例。 下部反射鏡 包覆層 活性層 · 單晶層（包覆層） 絕緣層 開口部（絕緣開口部） 9 b A 1 A s層（光線射出側的反射鏡） 柱狀部（光線射出側的反射鏡） 埋入層（非單晶層）
意 事 項 再 填 寫 本 頁 裝 符號說明
線 -15- A7 B7 13 發明説明 上部電極 a 開口部（電極開口部） Λii (請先閲讀背兩之注意事項再填寫本頁 -裝 訂 線 (rr\S )八4叹松（210X 297公# ) -16-

Claims (1)

  1. 燦請委員明示，本案修正後是否變更原實赁内容經濟部中央標—員工消費合作社印製 A8 385Sat I 六、申請專利範圍 第87 1 1 6263號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國88年3月修正 1 . 一種面發光雷射，係垂直共振器型的面發光雷射 ，其特徵爲：具有至少由光線射出側的反射鏡的一部份所 構成的柱狀部，及圍住此柱狀部的周圍之埋入層，及被形 成於前述柱狀部及前述埋入層之上的上部電極，及被形成 » 於前述柱狀部及前述埋入層之下的絕緣層； - 於前述上部電極，在前述柱狀部之上，被形成有複數 的電極開口部， . 於前述絕緣層，在對應於前述電極開口部的位置，被 形成絕緣開口部， 前述埋入層，絕對折射率較前述柱狀部略小。 .2 .如申請專利範圍第1項之面發光雷射，其中 形成前述柱狀部的物質，是被單晶化者， 形成前述埋入層的物質，是與前述柱狀部相同的物質 ，而被非單晶化者。 3 .如宇請專利範圍第1項之面發光雷射，其中 各電極開口部直徑係1〜6 程度，相鄰的前述電 極開口部間的距離係約爲7 # m以下。 4 ·如申請專利範圍第1 ' 2或3項之面發光雷射， 其中 前述埋入層，電阻値低。 5 種面發光雷射之製造方法，係垂直共振器型的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公4 ) ~ —^· J ' 11'. In 111 n —J I n n n n I I , . I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
    燦請委員明示，本案修正後是否變更原實赁内容經濟部中央標—員工消費合作社印製 A8 385Sat I 六、申請專利範圍 第87 1 1 6263號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國88年3月修正 1 . 一種面發光雷射，係垂直共振器型的面發光雷射 ，其特徵爲：具有至少由光線射出側的反射鏡的一部份所 構成的柱狀部，及圍住此柱狀部的周圍之埋入層，及被形 成於前述柱狀部及前述埋入層之上的上部電極，及被形成 » 於前述柱狀部及前述埋入層之下的絕緣層； - 於前述上部電極，在前述柱狀部之上，被形成有複數 的電極開口部， . 於前述絕緣層，在對應於前述電極開口部的位置，被 形成絕緣開口部， 前述埋入層，絕對折射率較前述柱狀部略小。 .2 .如申請專利範圍第1項之面發光雷射，其中 形成前述柱狀部的物質，是被單晶化者， 形成前述埋入層的物質，是與前述柱狀部相同的物質 ，而被非單晶化者。 3 .如宇請專利範圍第1項之面發光雷射，其中 各電極開口部直徑係1〜6 程度，相鄰的前述電 極開口部間的距離係約爲7 # m以下。 4 ·如申請專利範圍第1 ' 2或3項之面發光雷射， 其中 前述埋入層，電阻値低。 5 種面發光雷射之製造方法，係垂直共振器型的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公4 ) ~ —^· J ' 11'. In 111 n —J I n n n n I I , . I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A8 B8 C8 D8 385581 六、申請專利範圍 面發光雷射之製造方法，其特徵爲包含： 形成位於較活性層爲上，較光線射出側的反射鏡爲下 的單晶層的工程，及 在前述單晶層上形成非單晶的絕緣層的工程，及 於前述絕緣層形成複數的絕緣開口部，形成前述單晶 層的露出部的工程，及 非選擇地使多膜層成長於包含前述絕緣開口部的前述 絕緣層之上的工程，及 - 在前述多層膜上，形成具有對應於前述絕緣開口部的 電極開口部之上部電極的工程； 前述多層膜，在前述非單晶的絕緣層上被非單晶化， 在前述絕緣開口部上被單晶化。 6 .如申請專利範圍第5項之面發光雷射之製造方法 ，其中 前述多層膜的電阻値低。 — ------裝—-------訂------線 I.J (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
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