专利名称：基于一维光子晶体的腔结构及其制备方法
技术领域：
本项发明属于光电技术领域，具体涉及一种半导体腔镜面制备方法，尤其是一种可用于半导体激光二极管、波导及其集成光路的可集成化的腔镜面制备方法。特别是可用于解决GaN基激光二极管腔镜面制备及其集成化难点的一种先进的制备方法。本发明涉及一种由至少有一个基于聚焦离子束技术的一维光子晶体的腔镜面组成的半导体激光器，及其制备方法。
背景技术：
半导体激光二极管(LD)是一种小型便捷的固体激光光源，在光通信、光存储(VCD、DVD)等信息技术领域中被广泛采用。也是光电集成回路中重要的有源器件。
波长为0.4微米的GaN基蓝紫光激光二极管(LD)是发展信息科技领域下一代DVD超高密度大容量光存取技术的关键性器件——光源，可使DVD存储容量比用现有红光LD光源的光盘增至4-5倍；同时，在高清晰度激光印刷，全息照相，大屏幕电视和全彩色图象显示，医疗诊断，海底通讯等方面也有广阔的应用前景。GaN基激光器已成为目前世界各主要国家的研究和发展的热点和目标产品。
迄今多数和最好的GaN基激光器(LD)都是在晶格严重失配的蓝宝石上用MOCVD生长的外延片制成的。除了解决外延生长外，谐振腔镜面是制备LD至关重要的关键和难点。但是由于GaN基材料系以下方面的原因(1)与蓝宝石衬底有高达14％的严重晶格失配，外延膜生长面与衬底晶面发生偏转，难以制作理想的GaN自然解理的腔镜面；(2)具有较低的折射率，即使是完美晶体的GaN自然解理腔镜面，其反射率也不能满足激光器要求；(3)发光波长短，对腔镜面平整度的要求更为苛刻。
因此GaN基激光器谐振腔镜面的制备难度大，难于用传统半导体激光器通用的简单的晶体自然解理方法实现。国际上目前常用RIE(反应离子刻蚀)、CAIBE(化学辅助离子束刻蚀)等干法刻蚀技术或将衬底剥离后解理等方法获得GaN基谐振腔镜面，以此为基础再在腔镜面上进行多层膜的蒸镀，以提高反射率。上述方法的共同特点是工艺技术繁复，制备工序多而周期长，更难以实现短腔长激光器及其集成光路中的激光腔镜面。
发明内容
针对GaN基激光器谐振腔镜面的制备难点，本项发明提出一种基于光子晶体的新型的适于研制GaN腔镜面的结构和方法。即，提出一种由深度刻蚀半导体微结构形成半导体与空气交替变化的一维周期性光子晶体结构和方法，采用先进的直写式聚焦离子束(FIB)亚微米微加工技术和简化的工艺步骤，制作出半导体激光器的谐振腔镜面。
本发明采用聚焦离子束(FIB)技术制作布拉格组合为3λ/4(空气)和5λ/4(GaN)的一维光子晶体实现GaN基激光器谐振腔镜面，是目前已报道的FIB制备的周期最短的深刻蚀的GaN布拉格光栅即一维光子晶体，尚属首次，因此综合材料系对象、制备工艺技术以及一维光子晶体布拉格反射器组合诸方面均具有新颖性和创造性。
本发明的目的是提出一种具有新型谐振腔镜面的制备工序简单的GaN基激光二极管，以及制备这种半导体腔镜面的方法。
本发明的半导体激光二极管芯片的外延多层结构为传统的“分别限制”结构，由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术生长而成。其发光的有源层由多量子阱组成，有源层依次夹在上下波导层、限制层和P型N型电流注入层的中间。
本发明的半导体激光二极管，具有边发射结构。
本发明的半导体激光二极管分别具有正负两个电注入接点区域。
本发明的半导体激光二极管，其发光区为条形结构。所述条形结构可以是以下两种波导结构中的任意一种，第一种为增益波导如氧化条形结构；第二种为折射率波导脊型波导结构。条形的宽度为1至20微米或更宽。通过常规的半导体微加工工艺制作出分立管芯的芯片。本发明也同样使用其它类型、其它材料系的边发射结构的半导体激光器。
本发明的半导体激光二极管在边发射条形结构的两端面制作出前后两个谐振腔镜面。本发明制备半导体激光二极管的腔镜面至少有一个由聚焦离子束刻蚀一维光子晶体加工而成。所述的一维光子晶体为半导体与空气交替变化的一维周期性光子晶体。
所述聚焦离子束制备的激光二极管谐振腔有三种，第一种为前后腔镜面均由聚焦离子束刻蚀加工一维光子晶体的制备方法；第二种制备方法为后腔镜面由聚焦离子束刻蚀加工成一维光子晶体反射镜，前腔镜保持传统的激光二极管腔镜面即采用自然解理或干法刻蚀腔镜面的制备方法。
第三种制备方法为后腔镜面由聚焦离子束刻蚀加工成一维光子晶体反射镜，而前端面谐振腔镜由聚焦离子束刻蚀加工成抛光的腔镜面。
本发明以先进的聚焦离子束刻蚀技术工艺一次性代替了传统的自然腔镜面的解理和多层介质薄膜的蒸镀等多次步骤，得到具有高反射率镜面的谐振腔结构。既得到了较高反射率的镜面又简化了工艺步骤。
下面结合附图对本发明进一步详细地说明图1现有氮化物基激光二极管结构示意图；图2本发明氮化物基激光二极管腔镜面示意图，其中图2a为前后腔镜面均为一维光子晶体腔镜面示意图；图2b为后腔镜面是一维光子晶体反射镜，前腔镜保持传统的激光二极管腔镜面，即采用自然解理或干法刻蚀腔镜面腔镜面的结构示意图；图2c为后腔镜面是一维光子晶体反射镜，前端面谐振腔镜由聚焦离子束刻蚀加工成抛光的腔镜面的结构示意图；图3氮化镓基腔镜面反射率随波长的变化实验测量结果比较。
图中各附图标记对应的名称分别为1—蓝宝石衬底，2—GaN缓冲层，3—n型GaN，4—n型AlGaN/GaN超晶格限制层，5—n型GaN波导层，6-InGaN/GaN多量子阱有源层，7—p型AlGaN电子阻挡层，8—p型GaN波导层，9—p型AlGaN/GaN超晶格限制层，10—p型GaN欧姆接触层，11—p型欧姆接触电极，12—n型欧姆接触电极，13—解理镜面，14—一维光子晶体腔镜面，14a—一维光子晶体前端腔镜面，14b—一维光子晶体后端腔镜面，15—自然解理或干法刻蚀制备出的腔镜面，16—聚焦离子束抛光的前端腔镜面。
最佳实施例详细描述下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的最佳实施例。
本发明提出了一种具有新型谐振腔镜面的制备工序简单的GaN基激光二极管，以及制备这种半导体腔镜面的结构和方法。
如图1所示为现有氮化物基激光二极管结构示意图，本发明的半导体激光二极管芯片的外延多层结构为传统的“分别限制”结构，由金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术生长而成。其发光的有源层由多量子阱组成，有源层依次夹在上下波导层、限制层和P型N型电流注入层的中间。
本发明的半导体激光二极管，具有边发射结构，并且分别具有正负两个电注入接点区域。
根据本发明的半导体激光二极管，其发光区为条形结构。所述条形结构可以是以下两种常用波导结构中的任意一种，第一种为增益波导结构或条形波导结构；第二种为折射率波导结构或脊条形波导结构。增益波导指通过在器件上形成绝缘介质或高阻区，比如沉积一层氧化膜，通过绝缘区之间一定宽度的条形窗口将电流注入到激光二极管。而折射率波导结构则制成一种脊型光波导，使电流从脊形窄条顶部注入到激光二极管。条形的宽度为1至20微米或更宽。通过常规的半导体微加工工艺制作出分立管芯的芯片。本发明同样也可以使用其它类型和材料系的边发射结构的半导体激光器。
本发明的半导体激光二极管在边发射条形结构的两端面制作出前后两个谐振腔镜面。两个腔镜面至少有一个由聚焦离子束刻蚀一维光子晶体加工而成，所述的一维光子晶体为半导体与空气交替变化的一维周期性光子晶体。光子晶体是折射率或介电常数在波长尺度范围内发生周期性变化从而可产生光子带隙的介质结构，仅在一维空间内发生变化的即为一维光子晶体。人们所熟知的多层介质膜布拉格反射镜面是最简单的一维光子晶体的实例。
如图2所示为本发明氮化物基激光二极管腔镜面示意图，所述聚焦离子束制备的激光二极管谐振腔有三种，第一种为前后腔镜面均由聚焦离子束刻蚀加工一维光子晶体结构，如图2a所示，制备方法的步骤包括1)首先研制出传统的条形或脊型波导结构的半导体激光二极管，包括a)生长出激光二极管外延基片；
b)在基片上进行p电极欧姆接触多层膜淀积；c)按照版图进行光刻；d)干法刻蚀P区台面；刻蚀深度达到n型区；e)SiO2薄膜淀积；f)n电极的光刻，开电极接触窗口g)电极多层膜淀积，可根据需要进行n电极多层膜淀积或剥离法n电极多层膜淀积；h)合金化，得到半导体激光二极管。
2)计算和设计具有一维光子晶体结构的半导体/空气分布布拉格(DBR)反射镜的具体尺寸和容差要求；其中空气(即刻蚀沟槽)和半导体的宽度由公式mλ/4n确定，m为奇数(1，3，5)，λ为发光波长，n为空气或半导体激光器波导结构的有效折射率。容差要求则根据所要求的反射率要求用通用的传统的求的。
3)聚焦离子束(FIB)进行半导体/空气分布布拉格(DBR)反射镜的刻蚀。选择聚焦离子束的加速电压，一般固定为30kV，选择聚焦离子束的束流，一般为1pA-300pA，利用聚焦离子束系统的图形控制软件和操作系统将聚焦的离子束直接在激光器端面项部扫描出待刻蚀的沟槽结构，具体的刻蚀参数视待刻蚀的材料和根据步骤2)中计算所要求刻蚀的精度而定，刻蚀深度由激光二极管外延结构决定，以深达n区限制层以下为宜，而布拉格结构的周期取3-5个即可。
如图2b所示为第二种结构示意图，即后腔镜面由聚焦离子束刻蚀加工成一维光子晶体反射镜，前腔镜保持传统的激光二极管腔镜面即采用自然解理或干法刻蚀制备出腔镜面。其中一维光子晶体反射镜同第一种方法中的步骤。
如图2c所示为第三种制备方法的腔镜面结构示意图，即后腔镜面由聚焦离子束刻蚀加工成一维光子晶体反射镜，而前端面谐振腔镜由聚焦离子束刻蚀加工成抛光的腔镜面。其中一维光子晶体反射镜同第一种方法中的步骤。
本发明的原理及积极效果分析传统的半导体(如GaAs或InP基材料系)边发射激光器的谐振腔镜面一般由自然解理面组成。但是其反射率取决于半导体材料的折射率，这样，GaAs或InP基的自然解理镜面反射率极限值为30％，而GaN基仅为18％。为此，在传统的半导体边发射激光器制备工艺中一般采用先制备出自然解理的谐振腔镜面，再通过蒸镀多层介质薄膜来提高镜面的反射率，这样的制备方法步骤多，工艺繁复，而且只能制备分立的激光器，无法实现半导体激光器的光集成。
光子晶体是折射率在波长尺度范围内发生周期性变化从而可产生光子带隙的具有微结构的材料。理论和实验证实，光子晶体可操纵光波成为制造新型光学元件的引人注目的结构。比如可用于获得微型高反射镜、微型波导、微腔激光器及滤波器等。
图3氮化镓基腔镜面反射率随波长的变化实验测量结果比较图，根据光子晶体原理，在半导体激光二极管的端面用微加工技术形成半导体/空气交替结构的一维周期性光子晶体，理论上，采用有限个周期数(3-5个)就可获得反射率高达90％的谐振腔镜面。我们的实验证明，三个周期深刻蚀的GaN/空气交替结构的一维光子晶体，其反射率可达60％，是解理镜面的3倍。
本发明的主要优点本发明以先进的聚焦离子束刻蚀技术工艺一次性代替了传统的自然腔镜面的解理和多层介质薄膜的蒸镀多次步骤，得到高反射率的谐振腔镜面。既得到了较高反射率的镜面又简化了工艺步骤。具体而言(1)制备方法简单易行。一次完成了多个步骤所需达到的效果，简化了工艺步骤；(2)尤其是解决了蓝宝石衬底上生长的GaN基激光器的谐振腔镜面制作的难点；(3)可用于制作GaN基激光器的集成光路；(4)本发明的构思和方法不仅适用于GaN基激光二极管，而且也可用于其它各种波段和材料系的半导体激光二极管特别是短腔长激光二极管及其集成光路的制作、研究和生产。
因此本发明为研制发展半导体激光二极管开辟了新的思路，提出了一种改善激光器腔镜面，实现半导体激光二极管的光集成的工艺步骤简单的先进的新方法，可应用于各种半导体激光二极管的制造，促进带有半导体激光器光源的集成光路特别是未来GaN基激光器集成光路技术的发展。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
权利要求
1.一种基于一维光子晶体的腔结构，半导体激光二极管边发射条形结构的两端面有前后两个谐振腔镜面，其特征在于两个腔镜面中至少有一个为聚焦离子束刻蚀一维光子晶体结构；所述的一维光子晶体结构为半导体与空气交替变化的一维周期性光子晶体；另外一个腔镜面采用自然解理腔镜面或干法刻蚀制备的腔镜面，或者是由聚焦离子束刻蚀加工成抛光的腔镜面。
2.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的腔结构，其特征在于所述一维光子晶体为仅在一维空间内，折射率或介电常数在波长尺度范围内发生周期性变化从而可产生光子带隙的介质结构。
3.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的腔结构，其特征在于所述半导体激光二极管，具有边发射结构。
4.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的腔结构，其特征在于所述半导体激光二极管分别具有正负两个电注入接点区域。
5.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的腔结构，其特征在于所述半导体激光二极管，其发光区为条形结构。
6.根据权利要求4所述的基于一维光子晶体的腔结构，其特征在于所述条形结构为增益波导结构或者条形波导结构中的一种，或者折射率波导结构或脊条形波导结构中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的腔结构，其特征在于所述半导体激光二极管的外延多层结构为传统的“分别限制”结构，其发光的有源层由多量子阱组成，有源层依次夹在上下波导层、限制层和P型N型电流注入层的中间。
8.一种基于一维光子晶体的腔结构的制备方法，具体包括以下步骤首先在半导体激光二极管边发射条形结构的两端面制备有前后两个谐振腔镜面；将其中至少一个谐振腔镜面采用聚焦离子束刻蚀技术，制备成一维光子晶体结构；所述的一维光子晶体结构为半导体与空气交替变化的一维周期性光子晶体；另外一个腔镜面采用自然解理腔镜或干法刻蚀制备得到，或者采用聚焦离子束刻蚀加工成抛光得到腔镜面。
9.根据权利要求8所述的基于一维光子晶体的腔结构的制备方法，其特征在于，一维光子晶体结构的具体制备方法包括以下步骤首先制备出传统的条形或脊型波导结构的半导体激光二极管；计算和设计具出有一维光子晶体结构的半导体/空气分布布拉格反射镜的具体尺寸和容差要求；采用聚焦离子束技术进行半导体/空气分布布拉格反射镜的刻蚀。
全文摘要
本项发明提出一种基于光子晶体的新型的适于研制GaN腔镜面的结构和方法。本发明采用深度刻蚀半导体微结构形成半导体与空气交替变化的一维周期性光子晶体结构，采用先进的直写式聚焦离子束(FIB)亚微米微加工技术和简化的工艺步骤，制作出半导体激光器的谐振腔镜面。本发明制备半导体激光二极管的腔镜面至少有一个由聚焦离子束刻蚀一维光子晶体加工而成。所述的一维光子晶体为半导体与空气交替变化的一维周期性光子晶体。另外一个腔镜面采用自然解理腔镜面或干法刻蚀制备的腔镜面，或者是由聚焦离子束刻蚀加工成抛光的腔镜面。
文档编号H01S5/22GK1829014SQ200510011368
公开日2006年9月6日 申请日期2005年2月28日 优先权日2005年2月28日
发明者章蓓, 徐军, 张振生 申请人:北京大学