面发射激光器元件、面发射激光器元件制造方法和原子振荡器的制造方法
面发射激光器元件、面发射激光器元件制造方法和原子振荡器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种面发射激光器元件，包括半导体基底和构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，每个面发射激光器包括布置在半导体基底上的下布拉格反射镜，布置在下布拉格反射镜上的谐振器、布置在谐振器上的上布拉格反射镜、以及布置在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中的波长调节层，包含在面发射激光器中的波长调节层具有彼此不同的厚度，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括由两种材料构成的调节层，波长调节层所包括的调节层的数目彼此不同。
【专利说明】面发射激光器元件、面发射激光器元件制造方法和原子振荡器
【技术领域】
[0001]本发明的至少一个方面涉及至少一种面发射激光器元件、一种制造面发射激光器元件的方法、以及一种原子振荡器。
【背景技术】
[0002]面发射激光器(VCSEL:垂直腔面发射激光器)是沿相对于基底表面的垂直方向发射光线的半导体激光器，与边发射型半导体激光器相比，它具有价格低、耗电量小、结构紧凑、性能高等特点，并且可随时进行二维集成。
[0003]面发射激光器具有谐振腔区，该谐振器区包括活性层以及由分别位于谐振器区上方和下方的上反射镜和下反射镜构成的谐振器结构(参见例如日本专利申请公开文件2008-53353)。因此，谐振腔器形成有预定的光学厚度，使得波长为λ的光在谐振器区中振荡，以获得振荡波长为λ的光。上反射镜和下反射镜通过交替地层压并形成具有不同折射率的材料(即，低折射率材料和高折射率材料)而形成，并且其形成方式使得低折射率材料和高折射率材料的光学薄膜厚度为λ/4，以获得波长λ条件下的高反射能力。
[0004]而且，还揭示了芯片中针对不同波长的构成元件(参见例如日本专利2751814、日本专利申请公开文件2000-058958、日本专利申请公开文件11-330631和日本专利申请公开文件2008-283129)。通过在面发射激光器元件的谐振器区上交替层压用于不同蚀刻液的两种材料以形成波长调节层、并利用湿蚀刻法针对每个面发射激光器逐一消除这种波长调节层以改变波长调节层的厚度，能够形成多波长面发射激光器元件。
[0005]同时，还有作为定时极其精确的时钟的原子钟(原子振荡器)，并研究了对这种原子钟进行小型化的技术。原子钟是以构成碱金属原子的电子的跃迁能量为基础的振荡器，特别是，在没有干扰的条件下，碱金属原子中的电子的跃迁能量值非常精确，因而能够获得比石英晶体振荡器高几个数量级的频率稳定性。
[0006]有多种此类原子钟，在这些原子钟中，相干布居捕获(CPT)型原子钟的频率稳定性比常规石英振荡器的高约三个数量级，并且还可以具有非常紧凑的结构和极低的电力消耗(参见例如Applied Physics Letters (应用物理学快报)第85期第1460-1462页(2004)、Comprehenisve Microsystems (微系统大全)第3期第571-612页、以及日本专利申请公开文件2009-188598)。
[0007]CPT型原子钟具有激光器元件、封装有碱金属的腔体，以及用于接收透过该腔体的激光的光接收元件，其中，对激光进行调制，并通过在特定波长的载波两侧同时出现的边带波长对其进行激励从而同时获得碱金属原子的两次电子跃迁。这种跃迁的跃迁能量是恒定的，当激光的边带波长与对应于跃迁能量的波长重合时，会发生透明度提高现象，在该现象中，碱金属的光吸收率降低。因此，这种原子钟的特征在于，通过调节载波的波长来降低碱金属的光吸收率，并且由光接收元件检测的信号被反馈给调制器，从而调制器对激光器元件发射的激光的调制频率进行调节。另外，在这种原子钟中，激光器元件发射的激光通过准直透镜和λ/4波片照射封装有碱金属的腔体。
[0008]对于这种很紧凑的原子钟的光源，具有极低功耗和很高波长质量的紧凑型面发射激光器比较适合，并且相对于特定波长，载波的波长精度应为±1纳米(参见例如Proc.0fSPIE(国际光学工程学会论文集)第6132卷613208-1 (2006))。
[0009]同时，当把面发射激光器元件用于原子钟时，可能需要为每个面发射激光器提供较窄的波长间隔(5纳米)。因此，在面发射激光器的谐振腔区上形成有波长调节层，相应地，当形成这种具有很窄的波长间隔的面发射激光器时，可能需要通过适当的方式形成膜层，使波长调节层中的每层膜的厚度非常薄。但是，由于在形成半导体层时生长速率差异以及膜厚分布不规则等问题，在形成波长调节层时，难以保证每层膜的厚度极薄并且一致。
[0010]具体而言，如日本专利2751814所示，当在谐振器区上形成波长调节层并且振荡波长的预定间隔为5纳米以下时，波长调节层的膜厚可能需要为1.2纳米以下，但是采用当前的化合物半导体晶体生长技术，很难控制这么薄的膜厚。因而，即使膜厚发生轻微变化，振荡波长也可能受到影响。
【发明内容】
[0011]根据本发明的一个方面，本发明提供一种面发射激光器元件，包括半导体基底和构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，每个面发射激光器包括布置在半导体基底上的下布拉格反射镜，布置在下布拉格反射镜上的谐振器、布置在谐振器上的上布拉格反射镜、以及布置在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中的波长调节层，包含在面发射激光器中的波长调节层具有彼此不同的厚度，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括由两种材料构成的调节层，波长调节层所包括的调节层的数目彼此不同。
[0012]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种制造面发射激光器元件的方法，所述面发射激光器元件包括构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，所述方法包括以下步骤:在半导体基底上形成下布拉格反射镜，在下布拉格反射镜上形成谐振器，在谐振器上形成上布拉格反射镜，在下布拉格反射镜或上布拉格反射镜上层压由两种材料构成的调节层，以形成波长调节层，使用第一蚀刻液去除波长调节层中的一个调节层，使用不同于第一蚀刻液的第二蚀刻液去除波长调节层中的另一个调节层，从而使包含在面发射激光器中的波长调节层具有彼此不同的厚度，并且波长调节层所包含的调节层的数目彼此不同。
[0013]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种原子振荡器，该原子振荡器包括上述的面发射激光器兀件、包含由面发射激光器兀件发射的光照射的碱金属的碱金属腔体、配置为检测透过碱金属腔体的光的光检测器、以及配置为根据光检测器检测的光控制面发射激光器元件的振荡频率的控制器。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是第一实施例中的面发射激光器元件的俯视图。
[0015]图2是第一实施例中的面发射激光器元件的示意图。
[0016]图3是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的结构图。
[0017]图4Α和图4Β是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(I)。
[0018]图5Α和图5Β是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(2)。
[0019]图6A和图6B是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(3)。
[0020]图7A和图7B是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(4)。
[0021]图8是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(5)。
[0022]图9是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(6)。
[0023]图10是第二实施例中的面发射激光器元件的俯视图。
[0024]图11是第二实施例中的面发射激光器元件的示意图。
[0025]图12A和图12B是第二实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(I)。
[0026]图13A和图13B是第二实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图⑵。
[0027]图14是第三实施例中的面发射激光器元件的俯视图。
[0028]图15A和图15B是第三实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图。
[0029]图16是第一波长调节层和第二波长调节层与振荡波长之间的关系图。
[0030]图17A和图17B是第三实施例中的面发射激光器元件的第一波长调节层的示意图⑴。
[0031]图18A和图18B是第三实施例中的面发射激光器元件的第一波长调节层的示意图⑵。
[0032]图19A和图19B是第三实施例中的面发射激光器元件的第一波长调节层的示意图⑶。
[0033]图20是第四实施例中的面发射激光器元件的俯视图。
[0034]图21是第五实施例中的原子振荡器的结构图。
[0035]图22是CPT型原子钟的原子能级的示意图。
[0036]图23是面发射激光器调制时的输出波长的示意图。
[0037]图24是调制频率与透射光量之间的关系图。
【具体实施方式】
[0038]下面将说明本发明的实施例。另外，相同的构件以相同的标号示出，并省略其说明。
[0039][第一实施例]
[0040](面发射激光器元件的结构)
[0041]下面说明第一实施例中的面发射激光器元件。如图1和图2A所示，此实施例的面发射激光器元件10具有多个面发射激光器，具体而言，具有第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13、以及第四面发射激光器14。另外，为了更好地说明此实施例，图1进行了适当简化，其中，略去了接触层等部分的描述。另外，图2是沿图1中的虚线1A-1B剖切而获得的截面图。
[0042]此实施例的面发射激光器元件10形成在300微米方形半导体芯片上，其中，形成在该半导体芯片上的第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的每一个都与相应的电极极板连接。具体而言，电极极板21与第一面发射激光器11连接，电极极板22与第二面发射激光器12连接，电极极板23与第三面发射激光器13连接，电极极板24与第四面发射激光器14连接。
[0043]而且，第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14发出具有彼此不同的波长的光。即，第一面发射激光器11的发射波长为λ 1，第二面发射激光器12的发射波长为λ 2，第三面发射激光器13的发射波长为λ 3，第四面发射激光器14的发射波长为λ 4，这些波长彼此不同。
[0044]另外，本实施例中的面发射激光器元件用于实现具有894.6纳米振荡波长的面发射激光器，其中，四个面发射激光器形成在300微米方形半导体芯片(基底)上。由于能在面发射激光器元件的很窄区域中形成多个面发射激光器，因此即使在切换发光的面发射激光器时，发光点的位置变化也极小。因此，基底的尺寸是500微米Χ500微米以下，因而不需要对光轴等进行调节，或者调节时极其方便。
[0045]对于本实施例中的面发射激光器元件，在由半导体等材料构成的基底101上交替地层压并形成具有不同折射率的半导体材料，以形成下布拉格反射镜102，并在下布拉格反射镜102上形成下分隔层103、活性层104、以及上分隔层105。在上分隔层105上形成第一上布拉格反射镜106、接触层110、波长调节区120和第二上布拉格反射镜107。而且，在接触层110上形成上电极111并与接触层110连接，在基底101的背面形成下电极112。虽然在此实施例中波长调节层130由接触层110和波长调节区120组成，但在接触层110形成时不与波长调节区邻接的情况中，波长调节层130可仅由波长调节区120组成。另外，在基底101上形成的半导体层(即，下布拉格反射镜102、下分隔层103、活性层104、上分隔层105、第一上布拉格反射镜106、接触层110和波长调节区)是通过外延生长半导体材料而形成的。具体而言，这些半导体层是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)法外延生长而形成的。另外，在本申明说明书中所述的布拉格反射镜可称为分布布拉格反射镜(DBR)。
[0046]而且，第二上布拉格反射镜107形成在每个面发射激光器的波长调节层130上。第二上布拉格反射镜107是由氧化物、氮化物、氟化物等构成的介质膜，并且是通过交替地层压并形成高折射率材料薄膜和低折射率材料薄膜而形成的。另外，在此实施例中，上布拉格反射镜由第一上布拉格反射镜106、波长调节层130和第二上布拉格反射镜107组成。而且，波长调节层130可在下布拉格反射镜102内形成。
[0047]在此实施例的面发射激光器元件中，第一面发射激光器11、第二面发射激光器
12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的波长调节层130中的波长调节区120的厚度彼此不同。具体而言，如图3所示，波长调节区120形成在接触层110上，其中，波长调节区120由第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123组成。在此实施例中，第一调节层121和第三调节层123由磷化镓铟(GaInP)构成，而第二调节层122由磷砷化镓(GaAsP)构成。另外，用于制造第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123的材料可以彼此相反。
[0048]因此，在此实施例的面发射激光器元件中，第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四表面发射激光器14中的波长调节区120的厚度彼此不同。
[0049]具体而言，在第一面发射激光器11中，第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123形成在波长调节区120上，其中，发射的光的波长为λ I，该波长与波长调节层130的厚度对应，波长调节层130的厚度是波长调节区120与接触层110的厚度的和。
[0050]而且，在第二面发射激光器12中，第一调节层121和第二调节层122形成在波长调节区120中，其中，发射的光的波长为λ 2，该波长与波长调节层130的厚度对应，波长调节层130的厚度是波长调节区120与接触层110的厚度的和。
[0051]而且，在第三面发射激光器13中，第一调节层121形成在波长调节区120中，其中，发射的光的波长为λ 3，该波长与波长调节层130的厚度对应，波长调节层130的厚度是这样的波长调节区120与接触层110的厚度的和。
[0052]而且，在第四面发射激光器14中未形成波长调节区120，发射的光的波长为λ 4，该波长与波长调节层130的厚度对应，波长调节层130的厚度等于接触层110的厚度。
[0053]因此，可以逐渐改变第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的波长调节层130的厚度，并以与至少一个或每个波长调节层130的厚度对应的波长发光。
[0054](制造面发射激光器元件的方法)
[0055]在此实施例中，使用η型砷化镓(n-GaAs)基底作为基底101。而且，下布拉格反射镜102是通过层压35.5对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成，并且每层的光学薄膜的厚度为λ/4。
[0056]由砷化镓铟(GaInAs)量子阱层/磷砷化镓铟(GaInPAs)阻挡层组成的活性层104通过由铝。.2镓。.8砷构成的下分隔层103形成在下布拉格反射镜102上。由铝α2镓α8砷构成的上分隔层105和第一上布拉格反射镜106形成在活性层104上。另外,具有一个波长光学厚度的谐振器区由下分隔层103、活性层104和上分隔层105组成。
[0057]第一上布拉格反射镜106通过层压6对η-铝αι镓α9砷高折射率层和η_铝α9镓(1.1砷低折射率层形成，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。第一上布拉格反射镜106的低折射率层之一由铝砷限流层108组成，其中，限流层108的周围部分被选择性地氧化，以形成选择性氧化区108a，并在限流层的中央部分形成未氧化的限流区108b。
[0058]由P型砷化镓(p-GaAs)构成的接触层110和由第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123组成的波长调节区120形成在第一上布拉格反射镜106上。另外，如上所述，波长调节区120中的层的一部分被去除，从而与每个面发射激光器发出的光的波长对应。
[0059]此实施例的面发射激光器元件中的每个面发射激光器具有台面结构，其中，这种台面结构是通过蚀刻法去除待形成的面发射激光器之间的半导体层而形成的。在形成台面结构后，在水蒸汽中进行热处理，以氧化台面结构周围的限流层108，从而在周围部分形成选择性氧化区108a(氧化区)，在中央部分形成未氧化的限流区108b。S卩，限流层108由氧化的选择性氧化区108a和未氧化的限流区108b组成，以形成限流结构。另外，从台面结构顶端看的形状可为圆形、椭圆形、方形或长方形。
[0060]而且，第二上布拉格反射镜107形成在波长调节层130上，在波长调节层130中，与每个面发射激光器对应通过蚀刻进行去除操作。第二上布拉格反射镜107通过层压8.5对二氧化钛高折射率层和二氧化硅低折射率层而形成，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。另外，第二上布拉格反射镜107也可以仅由介质材料构成，并且通过层压高折射率材料和低折射率材料而形成，其中，具体而言，可以采用氧化物、氮化物或氟化物等材料。对于高折射率材料，可以采用五二氧化二钽、氧化铪等、以及二氧化钛。而且，对于低折射率材料，可以采用氟化镁等，以及二氧化硅。对于在第二上布拉格反射镜107中形成二氧化钛高折射率层和二氧化硅低折射率层的方法，可通过溅射或真空沉积等方法来形成。而且，还形成整体的氮化硅保护膜140，并在各个面发射激光器的台面之间形成由树脂材料(例如聚酰亚胺)构成的树脂膜141。
[0061]随后，形成上电极111，该上电极为P侧电极。每个上电极111与相应的面发射激光器对应形成，其中，每个上电极111与电极极板21-24中的每一个连接。而且，在基底101的背面上形成下电极112，该下电极是η侧电极。
[0062]下面将详细说明此实施例的面发射激光器元件中的波长调节层130的形成方法。
[0063]首先，在基底101上以MOCVD或MBE法通过外延生长形成由半导体材料构成的下布拉格反射镜102、下分隔层103、活性层104、上分隔层105、第一上布拉格反射镜106、接触层110和波长调节区120。另外，波长调节层130由接触层110和波长调节区120组成，其中，波长调节区120是通过层压第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123而形成的。在此，如上所述，第一调节层121和第三调节层123由磷化镓铟(GaInP)构成，而第二调节层122由磷砷化镓(GaAsP)构成。
[0064]然后，在形成有第一面发射激光器11的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区120上的第三调节层123上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0065]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第三调节层123。具体而言，湿蚀刻是采用盐酸和水的混合液进行的，因为第三调节层123由磷化镓铟(GaInP)构成。因而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第三调节层123，以露出第二调节层122的表面。另夕卜，这种混合液可用于对构成第三调节层123的磷化镓铟(GaInP)进行蚀刻，但是很难用于对构成第二调节层122的磷砷化镓(GaAsP)进行蚀刻。这种混合液还可称为第一蚀刻液。随后,通过有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0066]然后，在形成有第一面发射激光器11和第二面发射激光器12的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区120上的第三调节层123和第二调节层122上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0067]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第二调节层122。具体而言，湿蚀刻是采用硫酸、过氧化氢和水的混合液进行的，因为第二调节层122由磷砷化镓(GaAsP)构成。因而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第二调节层122，以露出第一调节层121的表面。另外，这种混合液可用于对构成第二调节层122的磷砷化镓(GaAsP)进行蚀刻，但是很难用于对构成第一调节层121的磷化镓铟(GaInP)进行蚀刻。这种混合液还可称为第二蚀刻液。随后，通过有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0068]然后，在形成有第一面发射激光器11、第二面发射激光器12和第三面发射激光器13的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区120上的第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0069]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层121。具体而言，使用第一蚀刻液去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层121。从而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层121，以露出接触层110的表面。随后，使用有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0070]然后，形成第二上布拉格反射镜107。具体而言，通过交替地层压由高折射率材料构成的介质膜和由低折射率材料构成的介质膜来形成，这些介质膜由氧化物、氮化物、氟化物等材料制成，每层介质膜具有通过溅射等方式形成的预定膜厚。另外，还可通过层压并形成具有不同折射率的半导体材料来形成第二上布拉格反射镜107。
[0071]从而，在此实施例的面发射激光器元件中形成波长调节层130和第二上布拉格反射镜107。
[0072]在此实施例中，在构成波长调节层130中的波长调节区120的第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123的任何一层中不含铝，因此，在蚀刻后几乎不会发生氧化，从而能够在蚀刻后保持洁净的表面状况。即，由于铝极易发生腐蚀，因此，若第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123中的任何一层由含铝的材料形成，则在进行湿蚀刻等处理后，表面状况可能很差，即使在其上形成第二上布拉格反射镜107，也可能发生剥落，或者其厚度可能不均一。但是，此实施例的面发射激光器元件中的波长调节区120由不含铝的材料形成，因此不会导致铝等材料的腐蚀，并且不会发生这种问题。
[0073]而且，此实施例的波长调节层130中的波长调节区120由磷砷化镓(GaAsP)和磷化镓铟(GaInP)交叠而成，在进行湿蚀刻时，使用两种蚀刻液进行蚀刻,其中，每种蚀刻液可用于进行上述两种材料之一的蚀刻，但不能用于另一种材料的蚀刻。蚀刻使用这两种蚀刻液进行，因而在蚀刻后表面很平坦，可以进行预定厚度膜层的成形，而不会发生过度蚀亥IJ。因而，能够获得具有稳定特性的面发射激光器元件。
[0074]另外，虽然在此实施例的说明中说明的是磷砷化镓和磷化镓铟组合的情况，但是也可以与不含铝的其它材料组合，该材料还可用于另一种不同的蚀刻液，并且是带隙能量大于振荡波长的半导体材料。对于此实施例中的振荡波长(894.6纳米)，磷砷化镓铟(GaInAsP) /磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)/磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)/磷砷化镓铟(GaInAsP)、磷砷化镓(GaAsP)/磷砷化镓铟(GaInAsP)等可作为这种半导体材料的组合。而且，在其中可以添加氮或锑，例如镓砷氮(GaAsN)/磷化镓铟(GaInP)、镓铟氮砷(GaInNAs) /磷化镓铟(GaInP)、镓砷锑(GaAsSb) /磷化镓铟(GaInP)等。
[0075]如上所述，在此实施例的面发射激光器元件的一个基底101上可以形成发射不同波长的光的多个面发射激光器。从而，即使在面发射激光器元件的制造过程中半导体层的膜厚发生变化，也可以在第一面发射激光器11至第四面发射激光器14中选择发光波长最接近所需波长的面发射激光器，从而能够轻松获得具有所需波长的半导体激光器。因而，能够以很低的成本制造具有发射预定波长的光的面发射激光器的面发射激光器元件。
[0076]另外，当在波长调节区120上形成接触层110时，根据波长调节区120的厚度，每个面发射激光器的载流能力会发生变化，并且每个面发射激光器的电气特性和发光特性也有很大不同。而且，当电流在波长调节区120中流动时，由于每层界面处的能带不连续性，电阻可能会增加。但是，在本实施例中，接触层110形成在面发射激光器元件中的波长调节区120之下，因而注入表面发射激光器的电流不会通过波长调节区120，并且电阻等不会随波长调节区120的厚度而发生变化。
[0077]下面将说明在波长调节层130和谐振器区之间形成的第一上布拉格反射镜106的优点。例如，当在光学长度为一个波长的谐振器区中形成波长调节层、并且设置四个波长、中心波长为895纳米、波长间隔为I纳米时，构成波长调节层的每层为1.3纳米，使用当前的晶体生长技术很难在晶片表面上一致地形成。因此，在此实施例中，作为上布拉格反射镜的一部分的第一上布拉格反射镜106在谐振器区和波长调节层130之间形成。具体而言，通过层压6对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层并使每层的光学薄膜厚度为λ/4而形成第一上布拉格反射镜106。而且,接触层110形成在第一上布拉格反射镜106上，波长调节区120形成在接触层110上。构成波长调节区120的第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123的形成方式使得磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)的膜厚分别为16纳米/16纳米/16纳米，因而利用当前的晶体生长技术能够进行足够一致的制造。因此，能够减小面发射激光器之间的波长间隔偏差。
[0078]而且，通过形成这种结构，还能减小电阻。即，第二上布拉格反射镜107是形成在波长调节层130之上的介质层，上电极111形成在其周围，其中，当在谐振器区中布置波长调节层时，由于是层状结构，并且电流通道很能很窄，会增加电阻，因此可能需要在靠近接触层的位置布置待选择性氧化的AlAs层。在此实施例中，第一上布拉格反射镜106形成在波长调节层130(其中，在波长调节区120下形成接触层110)和谐振器区之间，因而可以拓宽电流通道，并能减小电阻。
[0079]另外，利用由七对或更多对构成的第二上布拉格反射镜107，能够进一步增加波长调节层130中的波长调节区120内的每层的膜厚，从而有利于一致的制造，并且还能减小电阻。但是，若第二上布拉格反射镜107中的层对数增加，则波长调节层130的光学厚度可能大于λ/4，上反射镜的总反射率可能会降低。第二上布拉格反射镜107的层对数有最优数值，使得波长调节层130的光学厚度接近λ/4。
[0080]下面将说明波长调节层130的厚度。如图4Α所示，当波长调节层130的光学厚度P为λ /4 < Ρ 〈 λ /2时，第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的上布拉格反射镜的反射率大致为常数，如图4Β所示。另外，LI是第一面发射激光器11中的波长调节层130的表面，L2是第二面发射激光器12中的波长调节层130的表面，L3是第三面发射激光器13中的波长调节层130的表面，L4代表第四面发射激光器14中的波长调节层130的表面。
[0081]另一方面，如图5Α所不，当波长调节层130的光学厚度P为λ/2〈Ρ时,第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的上布拉格反射镜的反射率可能大不相同，如图5Β所示。
[0082]而且，如图6Α所示，当波长调节层130的光学厚度P为Ρ〈 λ /4时，第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的上布拉格反射镜的反射率可能大不相同，如图6Β所示。
[0083]如上所述，波长调节层130的光学厚度P优选为λ /4≤Ρ〈 λ /2，概而言之，优选为(2Ν-1) λ/4≤Ρ〈Ν λ/2，其中，N是正整数，若考虑光吸收的影响所导致的不良作用(例如阈值电流增加)，则优选N为较小的值。
[0084]而且，当波长调节区120的厚度较小，并且波长调节区120和接触层110的光学厚度的和小于λ/4时，可以在波长调节层130中布置相位调节区131，如图7Α所示。因而，如图7Β所示，可以使波长调节层130的光学厚度为λ/4≤Ρ〈 λ/2 (概括为(2Ν-1)λ /4 < Ρ<2Ν λ /4)，并且第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的上布拉格反射镜的反射率大致为常数。另外，在这种情况中，波长调节层130由接触层110、波长调节区120和相位调节区131组成。而且，相位调整区131由铝砷化镓(AlGaAs)构成，其中，相位调节区131可在接触层110下形成，如图7A所示，相位调节区131也可在接触层110和波长调节区120之间形成，如图8所示。而且，相位调节区131a可由磷砷化镓(GaAsP)和磷化镓铟(GaInP)交替层压形成的层压薄膜组成，如图9所示。
[0085]而且，在此实施例中，面发射激光器元件具有在波长调节区120中形成有多层薄膜的结构，其中，优选波长调节层130的形成方式确保:当形成的薄膜(调节层)的层数为M时(其中，M为正整数)，在M为奇数的情况下，从顶端算起，光学薄膜厚度为λ/4的位置为第(M+l)/2层膜(调节层)，在M为偶数的情况下，从顶端算起，该位置为第Μ/2或(M/2)+l层膜(调节层)。
[0086][第二实施例]
[0087]下面说明第二实施例中的面发射激光器元件。另外，此实施例的面发射激光器元件是894.6纳米波长的面发射激光器，布置有波长调节区的结构在下布拉格反射镜上。如图10和图11所示，此实施例的面发射激光器元件150具有多个面发射激光器，具体而言，具有第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153、以及第四面发射激光器154。另外，为了更好地说明此实施例，图10进行了适当简化，其中，略去了接触层等部分的描述。另外，图11是沿图10中的虚线10Α-10Β剖切而获得的截面图。
[0088]此实施例的面发射激光器元件150形成在300微米方形半导体芯片上，其中，形成在该半导体芯片上的第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的每一个都与相应的电极极板连接。具体而言，电极极板161与第一面发射激光器151连接，电极极板162与第二面发射激光器152连接，电极极板163与第三面发射激光器153连接，电极极板164与第四面发射激光器154连接。
[0089]而且，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154发出具有彼此不同的波长的光。即，第一面发射激光器151的发射波长为λ I,第二面发射激光器152的发射波长为λ 2,第三面发射激光器153的发射波长为λ 3，第四面发射激光器154的发射波长为λ 4，这些波长彼此不同。
[0090]另外，本实施例中的面发射激光器元件用于实现具有894.6纳米振荡波长的面发射激光器，其中，四个面发射激光器形成在300微米方形半导体芯片(基底)上。由于能在面发射激光器元件的很窄区域中形成多个面发射激光器，因此即使在切换发光的面发射激光器时，发光点的位置变化也极小。
[0091]对于本实施例中的面发射激光器元件，在由半导体等材料构成的基底101上交替地层压并形成具有不同折射率的半导体材料，以形成第一下布拉格反射镜172，并在第一下布拉格反射镜172上形成相位调节层173、波长调节区180、第二下布拉格反射镜174、下分隔层103、活性层104、以及上分隔层105。在上分隔层105上形成上布拉格反射镜176和接触层177。而且，在接触层177上形成上电极178并与接触层177连接，在基底101的背面形成下电极112。另外，在此实施例中，波长调节层190由波长调节区180和相位调节层173组成，而下布拉格反射镜170由第一下布拉格反射镜172、相位调节区173、波长调节区180和第二下布拉格反射镜174组成。
[0092]而且，在基底101上形成的半导体层(即，第一下布拉格反射镜172、相位调节区173、波长调节区180、第二下布拉格反射镜174、下分隔层103、活性层104、上分隔层105、上布拉格反射镜176和接触层177)是通过外延生长半导体材料而形成的。具体而言，这些半导体层是通过MOCVD或MBE法外延生长而形成的。
[0093]在此实施例的面发射激光器元件中，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的各个波长调节层180的厚度彼此不同。具体而言，波长调节区180由第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183组成。在此实施例中，第一调节层181和第三调节层183由磷化镓铟(GaInP)构成，而第二调节层182由磷砷化镓(GaAsP)构成。另外，用于制造第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183的材料可以彼此相反。
[0094]因此，在此实施例的面发射激光器元件中，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四表面发射激光器154中的波长调节区180的厚度(即，波长调节层190的厚度)彼此不同。
[0095]具体而言，第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183形成在第一面发射激光器151中的波长调节区180上，其中，发射的光的波长为λ I，该波长与包含该波长调节区180的波长调节层190的厚度对应。
[0096]而且，第一调节层181和第二调节层182形成在第二面发射激光器152中的波长调节区180中，其中，发射的光的波长为λ 2，该波长与包含该波长调节区180的波长调节层190的厚度对应。
[0097]而且，第一调节层181形成在第三面发射激光器153中的波长调节区180中，其中，发射的光的波长为λ 3，该波长与包含该波长调节区180的波长调节层190的厚度对应。
[0098]而且，在第四面发射激光器154中未形成波长调节区180，因此，在未形成波长调节区180的情况中，发射的光的波长为λ 4，该波长与波长调节层190的厚度对应。
[0099]因此，可以逐渐改变第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的波长调节区180的厚度，并以与至少一个或每个波长调节区180的厚度对应的波长发光。
[0100]在此实施例中，使用η型砷化镓(n-GaAs)基底作为基底101。而且，下布拉格反射镜170是通过层压35.5对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成，并且每层的光学薄膜的厚度为λ/4。
[0101]如上所述，下布拉格反射镜170由基底101上的第一下布拉格反射镜172、相位调节区173、波长调节区180和第二下布拉格反射镜174组成。因此，相位调节区173和波长调节区180在下布拉格反射镜170内形成。另外，在此实施例中，形成方式使得相位调节区173的光学薄膜厚度与波长调节区180的光学薄膜厚度的一半(即，从相位调节区173底部至波长调节区180的中部的光学薄膜厚度)的和为λ/4，如图12所示。
[0102]由砷化镓铟(GaInAs)量子阱层/磷砷化镓铟(GaInPAs)阻挡层组成的活性层104通过由铝α2镓α8砷构成的下分隔层103形成在下布拉格反射镜170上。由铝α2镓α8砷构成的上分隔层105形成在活性层104上。另外，具有一个波长光学厚度的谐振器区由下分隔层103、活性层104和上分隔层105组成。
[0103]上布拉格反射镜176通过层压24对η_铝α i镓α9砷高折射率层和η_铝α9镓Q.1砷低折射率层形成，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。上布拉格反射镜176的低折射率层之一由铝砷限流层108组成，其中，限流层108的周围部分被选择性地氧化，以形成选择性氧化区108a，并在限流层的中央部分形成未氧化的限流区108b。而且，由p-GaAs构成的接触层177形成在上布拉格反射镜176上。
[0104]如图12A所示，当相位调节区173的光学薄膜厚度与波长调节区180的光学薄膜厚度的一半的和大约为λ/4时，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的下布拉格反射镜的反射率大致为常数，如图12Β所示。另外，LI是第一面发射激光器151中的波长调节层190的表面，L2是第二面发射激光器152中的波长调节层190的表面，L3是第三面发射激光器153中的波长调节层190的表面，L4代表第四面发射激光器154中的波长调节层190的表面。
[0105]此实施例的面发射激光器元件中的每个面发射激光器具有台面结构，其中，这种台面结构是通过干蚀刻法等方法去除待形成的面发射激光器之间的半导体层而形成的。在形成台面结构之后，在水蒸汽中进行热处理，以氧化台面结构周围的限流层108，从而在周围部分形成选择性氧化区108a(氧化区)，在中央部分形成未氧化的限流区108b。S卩，限流层108由氧化的选择性氧化区108a和未氧化的限流区108b组成，以形成限流结构。具体而言，在水蒸汽中对构成限流层108的AlAs材料进行热处理，使其氧化并形成AlxOy，并利用如此形成的AlxOy制造选择性氧化区108a。在此，限流区108b由限流层108中的未氧化的AlAs材料构成。另外，从台面结构的顶端看，形成的形状可为圆形、椭圆形、方形或长方形。
[0106]而且，形成由氮化硅构成的整体保护膜140，并通过嵌入树脂材料(例如聚酰亚胺)在各个面发射激光器的台面之间形成树脂膜141。最后，形成上电极178，该上电极为P侧电极。每个上电极178与相应的面发射激光器对应形成，其中，每个上电极178与相应的电极极板161-164连接。
[0107]具体而言，形成由氮化硅构成的保护膜140，并通过在各个面发射激光器的台面之间嵌入并摊平树脂材料(例如聚酰亚胺)而形成树脂层141。随后，去除接触层177上的保护膜140和树脂层141，以露出接触层177，并在接触层177上形成上电极178。另外，在基底101的背面形成下电极112，该下电极为η-侧电极。
[0108]此实施例的面发射激光器元件在基底101侧的对侧发射激光。另外，由于在此实施例中有介质材料，因此可以使用由氮化硅构成的保护膜140保护因台面刻蚀而露出并易发生腐蚀的含铝层的侧面和底面，由此可提高可靠性。
[0109]下面将说明在波长调节区180和谐振器之间形成的第二下布拉格反射镜174的优点。当在光学长度为一个波长的谐振器中形成波长调节区、并且设置四个波长、中心波长为895纳米、波长间隔为I纳米时，构成波长调节层的调节层中的一层约为I纳米，使用当前的晶体生长技术很难在晶片表面上一致地形成。
[0110]因此，在此实施例中，作为下布拉格反射镜170的一部分的第二下布拉格反射镜174在谐振器和波长调节区180之间形成。具体而言，通过层压10对η-$αι.α9砷高折射率层和η-铝α9镓αι砷低折射率层并使每层的光学薄膜厚度为λ /4而形成第二下布拉格反射镜174。因而，构成波长调节区180的第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183中的砷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)的膜厚可分别为16纳米/16纳米/16纳米，因而基于当前的晶体生长技术能够进行足够一致的制造，从而像第一实施例一样能够减小波长间隔偏差。
[0111]另外，当第二下布拉格反射镜174由十一对或更多对组成时，波长调节区180的每层的膜厚可以更大，由此能进一步提高一致性。但是，如图13A和图13B所示，若第二下布拉格反射镜174中的层对数增加，则波长调节区180的光学薄膜厚度可能远大于λ/4(布拉格反射镜的光学薄膜厚度)，因此，下布拉格反射镜170的总反射率可能会降低，而这是不更可取的。因此，第二下布拉格反射镜的层对数有最优数值，使得波长调节区180的光学厚度接近λ/4。
[0112]另一方面，如图13Α所示，当相位调节区173的光学薄膜厚度与波长调节区180的光学薄膜厚度的一半的和为λ/4或更大时，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的下布拉格反射镜的反射率可以很大，如图13Β所示。但是，在此实施例中，可以提高每个下布拉格反射镜的反射率的一致性，如图12Β所示。
[0113]下面将详细说明此实施例的面发射激光器元件中的波长调节区180的形成方法。
[0114]首先，利用MOCVD或MBE法通过外延生长在基底101上形成由半导体材料构成的第一下布拉格反射镜172、相位调节区和波长调节区180。如上所述，波长调节层190由相位调节区173和波长调节区180组成，其中，波长调节区180是通过层压第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183而形成的。另外，第一调节层181和第三调节层183由磷化镓铟(GaInP)构成，而第二调节层182由磷砷化镓(GaAsP)构成。
[0115]然后，在形成有第一面发射激光器151的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区180上的第三调节层183上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0116]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第三调节层183。具体而言，湿蚀刻是采用盐酸和水的混合液进行的，因为第三调节层183由磷化镓铟(GaInP)构成。因而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第三调节层183，以露出第二调节层182的表面。另夕卜，这种混合液可用于对构成第三调节层183的磷化镓铟(GaInP)进行蚀刻，但是很难用于对构成第二调节层182的磷砷化镓(GaAsP)进行蚀刻。这种混合液还可称为第一蚀刻液。随后,通过有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0117]然后，在形成有第一面发射激光器151和第二面发射激光器152的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区180上的第三调节层183和第二调节层182上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0118]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第二调节层182。具体而言，湿蚀刻是采用硫酸、过氧化氢和水的混合液进行的，因为第二调节层182由磷砷化镓(GaAsP)构成。因而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第二调节层182，以露出第一调节层181的表面。另外，这种混合液可用于对构成第二调节层182的磷砷化镓(GaAsP)进行蚀刻，但是很难用于对构成第一调节层181的磷化镓铟(GaInP)进行蚀刻。这种混合液还可称为第二蚀刻液。随后，通过有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0119]然后，在形成有第一面发射激光器151、第二面发射激光器152和第三面发射激光器153的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区180上的第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0120]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层181。具体而言，使用第一蚀刻液去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层181。从而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层181，以露出相位调节层173的表面。随后，使用有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0121]然后，形成第二下布拉格反射镜174。从而，在此实施例的面发射激光器元件中可形成包含波长调节区180的下布拉格反射镜170。
[0122]在此实施例中，在构成波长调节层190中的波长调节区180的第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183的任何一层中不含铝，因此，在蚀刻后几乎不会发生氧化，从而能够在蚀刻后保持洁净的表面状况。即，由于铝极易发生腐蚀，因此，若第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183中的任何一层由含铝的材料形成，则在进行湿蚀刻等处理后，表面状况可能很差，即使在其上形成第二下布拉格反射镜174，也可能发生剥落，或者其厚度可能不均一。但是，此实施例的面发射激光器元件中的波长调节区180由不含铝的材料形成，因此不会导致铝等材料的腐蚀，并且不会发生这种问题。
[0123]而且，此实施例的波长调节层190中的波长调节区180由磷砷化镓(GaAsP)和磷化镓铟(GaInP)交叠而成，在进行湿蚀刻时，使用两种蚀刻液进行蚀刻,其中，每种蚀刻液可用于进行上述两种材料之一的蚀刻，但不能用于另一种材料的蚀刻。由于蚀刻使用这两种蚀刻液进行，因而在蚀刻后表面很平坦，可以进行预定厚度膜层的成形，而不会发生过度蚀刻。因而，能够获得具有稳定特性的面发射激光器元件。
[0124]另外，虽然在此实施例的说明中说明的是磷砷化镓(GaAsP)和磷化镓铟(GaInP)组合的情况，但是也可以与不含铝的其它材料组合，该材料还可用于另一种不同的蚀刻液，并且是带隙能量大于振荡波长的半导体材料。对于此实施例中的振荡波长(894.6纳米)，磷砷化镓铟(GaInAsP)/磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)/磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)/磷砷化镓铟(GaInAsP)、磷砷化镓(GaAsP)/磷砷化镓铟(GaInAsP)等可作为这种半导体材料的组合。而且，在其中可以添加氮或锑，例如镓砷氮(GaAsN)/磷化镓砷(GaInP)、镓铟氮砷(GaInNAs) /磷化镓铟(GaInP)、镓砷锑(GaAsSb) /磷化镓铟(GaInP)等。
[0125]如上所述，在此实施例的面发射激光器元件的一个基底101上可以形成发射不同波长的光的多个面发射激光器。从而，即使在面发射激光器元件的制造过程中半导体层的膜厚发生变化，也可以在第一面发射激光器151至第四面发射激光器154中选择发光波长最接近所需波长的面发射激光器，从而能够轻松获得具有所需波长的半导体激光器。因而，能够以很低的成本制造具有发射预定波长的光的面发射激光器的面发射激光器元件。
[0126]另外，除上述内容之外的其它方面与第一实施例类似。
[0127][第三实施例]
[0128]下面将说明第三实施例。此实施例的面发射激光器是780纳米波长的12通道面发射激光器，下面将参照图14和图15来说明。另外，图14是此实施例中的面发射激光器的俯视图，而图15A是通过沿图14中的虚线14A-14B剖切而获得的截面图，图15B是通过沿图14中的虚线14C-14D剖切而获得的截面图。
[0129]此实施例的面发射激光器元件200形成在300微米方形半导体芯片上，其中，形成在该半导体芯片上的第一面发射激光器201、第二面发射激光器202、第三面发射激光器203、第四面发射激光器204、第五面发射激光器205、第六面发射激光器206、第七面发射激光器207、第八面发射激光器208、第九面发射激光器209、第十面发射激光器210、第十一面发射激光器211和第十二面发射激光器212中的每一个都与相应的电极极板连接。
[0130]具体而言，电极极板221与第一面发射激光器201连接，电极极板222与第二面发射激光器202连接，电极极板223与第三面发射激光器203连接，电极极板224与第四面发射激光器204连接，电极极板225与第五面发射激光器205连接，电极极板226与第六面发射激光器206连接，电极极板227与第七面发射激光器207连接，电极极板228与第八面发射激光器208连接，电极极板229与第九面发射激光器209连接，电极极板230与第十面发射激光器210连接，电极极板231与第十一面发射激光器211连接，电极极板232与第十二面发射激光器212连接。
[0131]而且，第一面发射激光器201、第二面发射激光器202、第三面发射激光器203、第四面发射激光器204、第五面发射激光器205、第六面发射激光器206、第七面发射激光器207、第八面发射激光器208、第九面发射激光器209、第十面发射激光器210、第十一面发射激光器211、以及第十二面发射激光器212发射不同波长的光。即，第一面发射激光器201的发射波长为λ 1，第二面发射激光器202的发射波长为λ 2，第三面发射激光器203的发射波长为λ 3，第四面发射激光器204的发射波长为λ 4，第五面发射激光器205的发射波长为λ 5,第六面发射激光器206的发射波长为λ 6,第七面发射激光器207的发射波长为入7，第八面发射激光器208的发射波长为λ 8，第九面发射激光器209的发射波长为λ 9，第十面发射激光器210的发射波长为λ 10，第十一面发射激光器211的发射波长为λ 11，第十二面发射激光器212的发射波长为λ 12，这些波长彼此不同。
[0132]对于本实施例中的面发射激光器元件，在由半导体等材料构成的基底101上形成下布拉格反射镜102、下分隔层103、活性层104、上分隔层105和第一上布拉格反射镜106,在第一上布拉格反射镜106上形成第一波长调节层250、第二上布拉格反射镜271、第二波长调节层260、第三上布拉格反射镜272、接触层240和上电极111。而且，在基底101的背面上形成与上电极111和下电极112连接的接触层240。另外，在此实施例中，形成在基底101上的半导体层(即，下布拉格反射镜102、下分隔层103、活性层104、上分隔层105、第一上布拉格反射镜106、第一波长调节层250、第二上布拉格反射镜271、第二波长调节层260、第三上布拉格反射镜272和接触层240)是通过外延生长半导体材料而形成的。具体而言，这些半导体层是通过MOCVD或MBE法外延生长而形成的。另外，在此实施例中，上布拉格反射镜由第一上布拉格反射镜106、第一波长调节层250、第二上布拉格反射镜271、第二波长调节层260和第三上布拉格反射镜272组成。而且，第一波长调节层250和第二波长调节层260可形成在下布拉格反射镜102之内。
[0133]在此实施例中，使用η型砷化镓(n-GaAs)基底作为基底101。而且，下布拉格反射镜102是通过层压35.5对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成的，并且每层的光学薄膜的厚度为λ/4。
[0134]由砷化镓铟(GaInAs)量子阱层/磷砷化镓铟(GaInPAs)阻挡层组成的活性层104通过由铝。.2镓。.8砷构成的下分隔层103形成在下布拉格反射镜102上。由铝α2镓α8砷构成的上分隔层105和第一上布拉格反射镜106形成在活性层104上。另外,具有一个波长光学厚度的谐振器区由下分隔层103、活性层104和上分隔层105组成。
[0135]第一上布拉格反射镜106通过层压3.5对η-铝α i镓α 9砷高折射率层和η_铝0.9镓0.1砷低折射率层形成，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。另外，第一上布拉格反射镜106的低折射率层之一由铝砷限流层108组成(在图15Α和图15Β中未示出)。
[0136]第一波长调节层250形成在第一上布拉格反射镜106上。第一波长调节层250是通过层压由P-铝αι.α9砷构成的相位调节区254、由磷化镓铟(GaInP)构成的第一调节层251、由磷砷化镓(GaAsP)构成的第二调节层252、以及由磷化镓铟(GaInP)构成的第三调节层253而形成的。
[0137]第二上布拉格反射镜271形成在第一波长调节层250上。第二上布拉格反射镜271是通过层压4.5对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成的，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。
[0138]第二波长调节层260形成在第二上布拉格反射镜271上。第二波长调节层260是通过层压由P-铝αι.α9砷构成的相位调节区263、由磷化镓铟(GaInP)构成的第四调节层261、以及由磷砷化镓(GaAsP)构成的第五调节层262而形成的。
[0139]第三上布拉格反射镜272形成在第二波长调节层260上。第三上布拉格反射镜272是通过层压17对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成的，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。
[0140]由p-GaAs构成的接触层240形成在第三上布拉格反射镜272上，而上电极111形成在接触层240上，下电极112形成在基底101的背面上。
[0141]在此实施例中，每个面发射激光器的形成方式使得第一波长调节层250和第二波长调节层260对于每个相应的通道具有不同的厚度。另外，通过与第一实施例相似的方法，可以形成具有不同厚度的第一波长调节层250和第二调节层260。具体而言，可以通过适当的方式通过光刻法和选择性蚀刻法来形成，使得波长调节层中的层数不同。例如，在蚀刻磷砷化镓(GaAsP)时(与砷化镓(GaAs)的情况类似)，可以使用硫酸、过氧化氢和水的混合液，在蚀刻磷化镓铟(GaInP)时，可以使用盐酸和水的混合液。在对第一波长调节层250进行选择性蚀刻后，通过晶体生长形成第二上布拉格反射镜271和第二波长调节层260，然后对第二波长调节层260进行选择性蚀刻，并通过晶体生长形成第三上布拉格反射镜272和接触层240。另外，形成每个面发射激光器所需的台面蚀刻可通过干蚀刻进行。另外，在接触层240上形成作为每个面发射激光器的P侧电极的上电极111，在基底101的背面上形成作为η侧共用电极的下电极112，如图15Α和图15Β所示。此实施例中的面发射激光器元件在基底101侧的对侧发射激光。
[0142]在日本专利2751814中，在光学厚度为一个波长的谐振器区中形成波长调节层。例如，在此情况中，若中心波长为780纳米且波长间隔为3纳米，则构成波长调节层的一层为0.9纳米。该厚度相当于大约三个原子层的厚度，使用当前的晶体生长技术难以在晶片表面上进行一致地成形。而且，若提供光学长度为X个波长(X = 2、3.......)的谐振器区，
则构成波长调节层的一层的膜厚可增加至0.9ΧΧ纳米，但是在此情况中，张弛振荡波长可能减小Χ_1/2倍，因而可能发生使高速调制操作变得很困难的不良作用。
[0143]另一方面,在此实施例的面发射激光器兀件中，第一上布拉格反射镜106在谐振器区和波长调节层250之间形成，如图15Α和图15Β所示。具体而言，第一上布拉格反射镜106通过在第一波长调节层250和谐振器区之间层压4.5对P-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓αι砷低折射率层而形成。在此情况中，即使当不同发光元件之间的振荡波长间隔为3纳米时，构成第一波长调节层250的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)的膜厚也分别为11.6纳米/11.6纳米/11.6纳米，因而利用当前的晶体生长技术能够进行足够一致的制造。因此，能够减小面发射激光器之间的波长间隔偏差。
[0144]而且，在第一波长调节层250上形成有第二上布拉格反射镜271和第二波长调节层260。因而，当振荡波长的间隔变窄时，能够更一致地形成第一波长调节层250。图16示出了第一波长调节层250和第二波长调节层260的膜厚与图14、图15A和图15B中所示的此实施例的面发射激光器元件的振荡波长之间的关系。另外，通过对构成第一波长调节层250的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)材料进行选择性蚀刻，可以改变第一波长调节层250的膜厚。类似地，通过对构成第二波长调节层260的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)材料进行选择性蚀刻，可以改变第二波长调节层260的膜厚。
[0145]如图16所示，当第二波长调节层260的膜厚为常数时，可以改变第一波长调节层250的膜厚，即，可以逐个对构成第一波长调节层250的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)(分别为11.6纳米/11.6纳米/11.6纳米)进行蚀刻，从而能获得约3纳米的振荡波长变化。而且，当第一波长调节层250的膜厚为常数时，可以改变第二波长调节层260的膜厚，即，可以逐个对构成第二波长调节层260的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)(分别为14纳米/11纳米)进行蚀刻，从而能获得约I纳米的振荡波长变化。因此，如图15A和图15B所示，可以分别把第一波长调节层250和第二波长调节层260的膜厚改变4级和3级，从而能够形成具有不同振动波长(4X3 = 12级)的面发射激光器。而且，如图16所示，可以调节第一波长调节层250和第二波长调节层260的膜厚，从而能使所有十二个面发射激光器以间隔为I纳米的不同波长振荡。
[0146]下面将说明在第一波长调节层250上形成的相位调节区254。图17B示出了形成有第一调节层251、第二调节层252和第三调节层253、但未形成图17A所示的相位调节区254的情况中的反射率，其中，磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)中的每一层都通过湿蚀刻法去除。如图17B所示，若不形成相位调节区254，则第一波长调节层250的厚度变化可能显著改变反射率。这意味着激光器的特性偏差(例如每个波长的阈值电流)可能增大。
[0147]另一方面，如图18A所示，在第一波长调节层250上形成有相位调节区254，因而第一波长调节层250的光学厚度为λ /4的位置可以是形成由GaAsP构成的第一调节层252的位置。从而能够减小反射率的变化，如图18Β所示。
[0148]即，第一波长调节层250的光学厚度Pl优选为λ /4 < Ρ1 ≤ λ /2，概括而言，优选为(2Ν-1) λ/4 ≤Ρ1〈2Νλ/4。另外，N是正整数。
[0149]而且，形成方式优选确保:当形成的薄膜(调节层)的层数为M时(其中，M为正整数)，在M为奇数的情况下，从顶端算起，第一波长调节层250的光学薄膜厚度为λ /4的位置为第(M+l)/2层膜(调节层)，在M为偶数的情况下，从顶端算起，该位置为第Μ/2或(M/2)+l层膜(调节层)。
[0150]如图19Α所示,相位调节区254可由ρ_招α工镓α9砷构成,如图19Β所示,相位调节区254a通过交替地层压磷化镓铟(GaInP)和磷砷化镓(GaAsP)而形成。另外，虽然上述的是第一波长调节层250，但是该说明也适用于第二波长调节层260。
[0151]同时，对于波长调节层，日本专利申请公开文件11-330631揭示了铝砷化镓(AlGaAs)和磷化铟镓(InGaP)的组合，日本专利2751814揭示了砷化镓(GaAs)和铝砷化镓(AlGaAs)的组合。它们都采用含铝的铝砷化镓(AlGaAs)，但是由于含铝因而易于发生腐蚀(例如氧化)，所以可能存在可靠性问题。尤其是，当在对如本实施例所述的波长调节层进行蚀刻后进行半导体层的晶体生长时，在制造过程中波长调节层的表面会与大气接触，因此，铝的表面可能被氧化，因而难以在其上进行上布拉格反射镜的晶体生长。另一方面，与日本专利2751814或日本专利申请公开文件11-330631不同的是，在此实施例的面发射激光器元件中，波长调节层由不含铝的磷化镓铟(GaInP)和磷砷化镓(GaAsP)构成，因而能够在制造过程中显著延缓腐蚀的发展，并获得高可靠性。
[0152]另外，虽然在此实施例的说明中说明的是磷砷化镓和磷化镓铟组合的情况，但是也可以与不含铝的其它材料组合，该材料还可用于另一种不同的蚀刻液，并且是带隙能量大于振荡波长的半导体材料。例如，在此实施例中的780纳米振荡波长的情况下，磷砷化镓铟(GaInAsP) /磷化镓铟(GaInP)、磷砷化镓(GaAsP) /磷砷化镓铟(GaInAsP)等可作为半导体材料的组合。而且，在I微米以上的长波长的情况中，可以使用砷化镓(GaAs)代替磷砷化镓(GaAsP)。在此情况中，对于砷化镓(GaAs)基底，可以不使用磷砷化镓(GaAsP)等易变形的材料，因此很好处理。
[0153]另外，除上述内容之外的其它方面与第一实施例类似。
[0154][第四实施例]
[0155]下面将说明第四实施例。在此将参照图20说明此实施例的面发射激光器元件。此实施例的面发射激光器元件300在基底301上有八个面发射激光器，其中，以第一至第三实施例为基础形成以不同波长发光的面发射激光器，而且，以相同波长发光的面发射激光器以成对的方式形成。
[0156]具体而言，此实施例的面发射激光器元件具有形成在基底301上的第一面发射激光器311、第二面发射激光器312、第三面发射激光器313、第四面发射激光器314、第五面发射激光器315、第六面发射激光器316、第七面发射激光器317和第八面发射激光器318。第一面发射激光器311至第八面发射激光器318中的每一个都与相应的电极极板连接。具体而言，电极极板321与第一面发射激光器311连接，电极极板322与第二面发射激光器312连接，电极极板322与第三面发射激光器313连接，电极极板324与第四面发射激光器314连接，电极极板325与第五面发射激光器315连接，电极极板326与第六面发射激光器316连接，电极极板327与第七面发射激光器317连接，电极极板328与第八面发射激光器318连接。
[0157]而且，第一面发射激光器311至第八面发射激光器318的形成方式是:具有相同波长的面发射激光器以成对的方式布置。具体而言，第一面发射激光器311和第二面发射激光器312发射的光具有相同的波长λ 1，第三面发射激光器313和第四面发射激光器314发射的光具有相同的波长λ 2,第五面发射激光器315和第六面发射激光器316发射的光具有相同的波长λ 3，第七面发射激光器317和第八面发射激光器318发射的光具有相同的波长入4，其中，波长λ?至λ4互不相同。因此，为了使每个面发射激光器以不同的波长发光，按与第一实施例相似的方式布置波长调节层，并且波长调节层的形成方式使得每个面发射激光器的波长调节层各不相同。另外，电极极板321至328中的每一个都为50微米左右的方形，基底301是300微米方形半导体芯片。
[0158]在此实施例的面发射激光器元件中，以相同波长发光的面发射激光器以成对的方式布置，从而即使以相同波长发光的面发射激光器中的某一个由于故障而不能发光，也可以使用另一个。因此，能够延长面发射激光器元件的使用寿命，并能进一步提高其产出率。而且，在此实施例的面发射激光器元件中，不仅可以使用发射波长最接近必要波长的元件，还可以使用发射波长第二最接近必要波长的元件，这种元件可用作预备面发射激光器，从而能够实现较长的寿命。
[0159]另外，除上述内容之外的其它方面与第一至第三实施例类似。
[0160][第五实施例]
[0161]下面将说明第五实施例。此实施例是采用第一至第四实施例中的面发射激光器元件的原子振荡器。在此将参照图21说明此实施例的原子振荡器。此实施例中的原子振荡器是CPT型紧凑式原子振荡器，具有光源、准直透镜420、λ /4波片430、碱金属腔体440、光检测器450和调制器460。
[0162]对于光源410，采用第一至第四实施例中的面发射激光器元件。对于碱金属腔体440，封装有铯(Cs)原子气体作为其中的碱金属，其中，采用Dl线跃迁。对于光检测器450，采用光电二极管。
[0163]在此实施例的原子振荡器中，封装有铯原子气体的碱金属腔体440发射由光源410发出的光，从而激励铯原子的电子。透过碱金属腔体440的光被光检测器450检测，其中，光检测器450检测到的信号被反馈给调制器460，光源410中的面发射激光器元件由调制器460调制。
[0164]图22示出了与CPT相关的原子能级的构造。所利用的一个规律是，当电子被同时从两个基态能级激励到激发能级时，光的吸收率降低。对于面发射激光器，采用载波波长为894.6纳米附近的元件。可通过改变面发射激光器的温度或输出来微调载波波长。当温度或输出提高时，可能导致向较长波长的漂移，其中，改变碱金属腔体的光密度不可取，因此优选利用温度变化。具体而言，可以按约0.05纳米/°C来调节波长的温度相关性。如图23所示，进行调制，以便在载波的两侧产生边带，其中，以4.6GHz进行调制，调制时的频差为9.2GHz，该值是铯原子的本征频率。如图24所示，当边带频差与铯原子的本征频差重合时，穿过受激铯气体的激光为最大值，因此，通过在调制器460中进行反馈来调节光源410中的面发射激光器元件的调制频率，使得光检测器450的输出保持最大值。由于原子的本征频率可能极其稳定，因此调制频率是稳定值，从而可把此信息作为输出。另外，当波长为894.6纳米时，可能需要波长范围为±1纳米的光源。即，可能需要使用波长范围为893.6纳米- 895.6纳米的光源。
[0165]在此实施例的原子振荡器中，使用第一至第四实施例中的面发射激光器元件，因此，能够以很低的成本制造和提供原子振荡器。而且，使用第三实施例和/或第四实施例中的面发射激光器元件，因此还能够提供具有更长寿命的原子振荡器。
[0166]而且，虽然在此实施例中使用铯作为碱金属，并使用波长为894.6纳米的面发射激光器来使用其Dl线跃迁，但是在利用铯的D2线的情况中，也可以使用852.3纳米波长。而且,可以使用铷(Rb)作为碱金属，其中，在利用Dl线的情况中，可以使用795.0纳米波长，在利用D2线的情况中，可以使用780.2纳米波长。可以根据波长来设计活性层的材料成分。而且，在使用铷(Rb)的情况中，对于87Rb,调制在3.4GHz调制频率进行，对于85Rb,调制在1.5GHz调制频率进行。另外，即使对于这种波长，也可能需要波长范围为±1纳米的光源。即，当利用铯的D2线时，可能需要波长范围为851.3纳米-853.3纳米的光源。而且，当利用铷的Dl线时，可能需要波长范围为794.0纳米-796.0纳米的光源。而且，当利用铷的D2线时，可能需要波长范围为779.2纳米-781.2纳米的光源。
[0167]虽然在上文中说明了本发明的一些实施例，但是本发明的内容不局限于上述内容。而且，虽然在本发明的一些实施例中说明的是把面发射激光器元件用于原子振荡器的情况，但是也可以把第一至第四实施例中的面发射激光器元件用于需要具有预定波长的其它装置(例如气体传感器等)，在这种情况中，发射具有与其应用对应的预定波长的光的面发射激光器也可用于这种装置，并能获得类似效果。
[0168][附录]
[0169]〈面发射激光器元件、制造面发射激光器元件的方法和原子振荡器的解释性实施例>
[0170]本发明的至少一个解释性实施例涉及一种面发射激光器元件、一种制造面发射激光器元件的方法、以及一种原子振荡器。
[0171]本发明的至少一个解释性实施例的一个目的是提供一种面发射激光器元件，该面发射激光器元件具有能够以所需的波长间隔更精确地振荡的多个面发射激光器。
[0172]本发明的至少一个解释性实施例的特征在于具有多个面发射激光器，所述面发射激光器具有形成在半导体基底上的下布拉格反射镜、包括形成在下布拉格反射镜上的活性层的谐振器、以及形成在谐振器上的上布拉格反射镜，其中，在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中形成有波长调节层，通过改变波长调节层的厚度使得从其中射出的光分别以不同的波长发出，波长调节层通过层压由两种不同材料构成的各个调节层而形成，通过改变波长调节层中的调节层数目来改变波长调节层的厚度。
[0173]而且，本发明的至少一个解释性实施例的特征在于一种制造面发射激光器元件的方法，该面发射激光器元件具有多个面发射激光器，所述面发射激光器具有形成在半导体基底上的下布拉格反射镜、包括形成在下布拉格反射镜上的活性层的谐振器、以及形成在谐振器上的上布拉格反射镜，其中，在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中形成有波长调节层，通过改变波长调节层的厚度使得从其中射出的光分别以不同的波长发出，波长调节层通过层压由两种不同材料构成的各个调节层而形成，通过去除波长调节层中的调节层从而改变层数来改变波长调节层的厚度，该方法包括使用第一蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层的步骤，以及使用第二蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的另一个调节层的步骤，其中，第一蚀刻液和第二蚀刻液彼此不同。
[0174]解释性实施例(I)是一种面发射激光器元件,其特征在于,具有多个面发射激光器，所述面发射激光器具有形成在半导体基底上的下布拉格反射镜、包括形成在下布拉格反射镜上的活性层的谐振器、以及形成在谐振器上的上布拉格反射镜，其中，在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中形成有波长调节层，通过改变波长调节层的厚度使得从其中射出的光分别以不同的波长发出，波长调节层通过层压由两种不同材料构成的各个调节层而形成，通过改变波长调节层中的调节层数目来改变波长调节层的厚度。
[0175]解释性实施例(2)是解释性实施例(I)中所述的面发射激光器元件，其特征在于，波长调节层的光学厚度P为(2N-1) λ/4<Ρ〈Νλ/2，其中，λ是面发射激光器的波长，N是正整数。
[0176]解释性实施例(3)是解释性实施例⑴或(2)中所述的面发射激光器元件，其特征在于，在波长调节层中形成M层(Μ是正整数)调节层，在M是奇数的情况下，从布置活性层的一侧算起，波长调节层的光学薄膜厚度为λ/4的位置是从波长调节层的顶端算起的第(Μ+1) /2个调节层，或者，在M是偶数的情况下，该位置是从波长调节层的顶端算起的第Μ/2或(M/2)+l个调节层。
[0177]解释性实施例(4)是解释性实施例(I)至(3)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，波长调节层由波长调节区和相位调节区组成，所述波长调节区由通过两种不同材料构成的各个调节层组成。
[0178]解释性实施例(5)是解释性实施例(4)中所述的面发射激光器元件，其特征在于，波长调节层包括形成在比波长调节区更靠近谐振器的一侧的接触层，其中，所述接触层与一个电极连接。
[0179]解释性实施例(6)是解释性实施例(I)至(5)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，形成有一组波长调节层。
[0180]解释性实施例(7)是解释性实施例(I)至(6)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，在上布拉格反射镜中形成有一组波长调节层。
[0181]解释性实施例(8)是解释性实施例(I)至(7)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，通过去除波长调节层中的调节层来改变波长调节层的膜厚，其中，使用第一蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层，使用第二蚀刻液去除另一个调节层，所述第一蚀刻液和第二蚀刻液彼此不同。
[0182]解释性实施例(9)是解释性实施例(I)至(8)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层由磷化镓铟(GaInP)构成,另一个调节层由磷砷化镓(GaAsP)或砷化镓(GaAs)构成。
[0183]解释性实施例(10)是解释性实施例(I)至(9)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，上布拉格反射镜包括从形成有活性层的一侧开始按顺序形成的第一上布拉格反射镜、波长调节层和第二上布拉格反射镜，其中，第二上布拉格反射镜通过交替地层压并形成具有不同折射率的介质层而形成。
[0184]解释性实施例(11)是解释性实施例(I)至(10)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，多个波长中的至少一个在893.6纳米-895.6纳米、851.3纳米-853.3纳米、794.0纳米-796.0纳米或779.2纳米-781.2纳米范围之内。
[0185]解释性实施例(12)是一种制造面发射激光器元件的方法，该面发射激光器元件具有多个面发射激光器，所述面发射激光器具有形成在半导体基底上的下布拉格反射镜、包括形成在下布拉格反射镜上的活性层的谐振器、以及形成在谐振器上的上布拉格反射镜，其中，在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中形成有波长调节层，通过改变波长调节层的厚度使得从其中射出的光分别以不同的波长发出，波长调节层通过层压由两种不同材料构成的各个调节层而形成，通过去除波长调节层中的调节层从而改变层数来改变波长调节层的厚度，该方法包括使用第一蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层的步骤，以及使用第二蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的另一个调节层的步骤，其中，第一蚀刻液和第二蚀刻液彼此不同。
[0186]解释性实施例(13)是解释性实施例(12)中所述的制造面发射激光器元件的方法，其特征在于，波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层由磷化镓铟(GaInP)构成，另一个调节层由磷砷化镓(GaAsP)或砷化镓(GaAs)构成。
[0187]解释性实施例(14)是解释性实施例(12)或(13)中所述的制造面发射激光器元件的方法，其特征在于，上布拉格反射层包括从形成有活性层的一侧开始按顺序形成的第一上布拉格反射镜、波长调节层和第二上布拉格反射镜，其中，第二上布拉格反射镜通过交替地层压并形成具有不同折射率的介质层而形成。
[0188]解释性实施例(15)是一种原子振荡器，其特征在于，具有解释性实施例(I)至
(11)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件、封装有碱金属的碱金属腔体、以及用于检测从面发射激光器元件中的表面发射激光器发出的照射碱金属腔体的光中透过碱金属腔体的光的光检测器，其中，在从表面发射激光器射出的光中，具有两种不同波长并包括边带的光射到碱金属腔体上，从而基于由两种谐振光的量子干涉效应导致的光吸收特性来控制振荡频率。
[0189]解释性实施例(16)是解释性实施例(15)中所述的原子振荡器，其特征在于，所述碱金属是铷或铯。
[0190]根据本发明的至少一个解释性实施例，能够提供具有多个面发射激光器的面发射激光器元件，由于能够增加形成波长调节层的薄膜的膜厚，因而该面发射激光器能够以所需的波长间隔更精确地振荡。
[0191]虽然在上文中参照【专利附图】
【附图说明】了本发明的解释性实施例和/或具体例子，但本发明不局限于任何解释性实施例和/或具体例子，在不脱离本发明的范围的前提下，能够对这些解释性实施例和/或具体例子进行变化、修饰或组合。
[0192]本专利申请要求于2011年12月2日提交的日本专利申请2011-264908和于2012年10月23日提交的日本专利申请2012-234113的优先权益，其完整内容通过引用结合在此。
【权利要求】
1.一种面发射激光器元件，包括半导体基底和构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，每个面发射激光器包括布置在所述半导体基底上的下布拉格反射镜，布置在所述下布拉格反射镜上的谐振器、布置在所述谐振器上的上布拉格反射镜、以及布置在所述上布拉格反射镜或所述下布拉格反射镜中的波长调节层，包含在所述面发射激光器中的所述波长调节层具有彼此不同的厚度，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括由两种材料构成的调节层，所述波长调节层所包括的所述调节层的数目彼此不同。
2.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，所述波长调节层中的至少一个波长调节层构造为满足(2N-1) λ/4<Ρ〈Νλ/2的条件，其中，P是所述至少一个波长调节层的光学厚度，λ是从每个面发射激光器发射的光的波长，N是正整数。
3.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，M是包含在所述至少一个波长调节层中的调节层的数目，在M为奇数的情况下，从布置有谐振器的一侧算起，所述至少一个波长调节层的光学厚度为λ/4的位置是从调节层的顶端算起的第(M+l)/2个调节层，或者，在M是偶数的情况下，该位置是从调节层的顶端算起的第Μ/2或(M/2)+l个调节层。
4.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括波长调节区和相位调节区，所述波长调节区包括由两种材料构成的调节层。
5.如权利要求4所述的面发射激光器元件，其中，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括布置在比波长调节区更靠近谐振器的一侧的接触层，并且该接触层与一个电极连接。
6.如权利要求1 所述的面发射激光器元件，其中，所述波长调节层中的至少一个波长调节层布置在上布拉格反射镜中。
7.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，所述至少一个波长调节层中的一个调节层由磷化镓铟(GaInP)构成，另一个调节层由磷砷化镓(GaAsP)或砷化镓(GaAs)构成。
8.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，所述上布拉格反射镜包括从谐振器一侧开始按顺序布置的第一上布拉格反射镜、所述波长调节层和第二上布拉格反射镜，所述第二上布拉格反射镜由交替层压的具有不同折射率的介质层组成。
9.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，彼此不同的波长中至少一个波长在893.6纳米至895.6纳米、851.3纳米至853.3纳米、794.0纳米至796.0纳米、或779.2纳米至781.2纳米范围之内。
10.一种制造面发射激光器元件的方法，所述面发射激光器元件包括构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，所述方法包括以下步骤:在半导体基底上形成下布拉格反射镜；在下布拉格反射镜上形成谐振器；在谐振器上形成上布拉格反射镜；在下布拉格反射镜或上布拉格反射镜上层压由两种材料构成的调节层，以形成波长调节层；使用第一蚀刻液去除波长调节层中的一个调节层；以及使用不同于第一蚀刻液的第二蚀刻液去除波长调节层中的另一个调节层，从而使包含在面发射激光器中的波长调节层具有彼此不同的厚度，并且所述波长调节层所包含的所述调节层的数目彼此不同。
11.如权利要求10所述的制造面发射激光器元件的方法，其中，波长调节层中的一个调节层由磷化镓铟(GaInP)构成，另一个调节层由磷砷化镓(GaAsP)或砷化镓(GaAs)构成。
12.如权利要求10所述的制造面发射激光器元件的方法，其中，上布拉格反射层形成为包括第一上布拉格反射镜和第二布拉格反射镜，其中，第一上布拉格反射镜、波长调节层和第二布拉格反射镜从谐振器一侧开始按顺序形成，第二上布拉格反射镜通过交替地层压具有不同折射率的介质层而形成。
13.一种原子振荡器，包括:权利要求1所述的面发射激光器元件；包含由面发射激光器元件发射的光照射的碱金属的碱金属腔体；配置为检测透过碱金属腔体的光的光检测器；以及，配置为根据光检测器检测的光控制面发射激光器元件的振荡频率的控制器。
14.如权利要求13所述的原 子振荡器，其中，所述碱金属包括铷或铯。
【文档编号】H01S5/183GK104081599SQ201280068530
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2011年12月2日
【发明者】铃木亮一郎, 佐藤俊一 申请人:株式会社理光
【专利摘要】本发明公开一种面发射激光器元件，包括半导体基底和构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，每个面发射激光器包括布置在半导体基底上的下布拉格反射镜，布置在下布拉格反射镜上的谐振器、布置在谐振器上的上布拉格反射镜、以及布置在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中的波长调节层，包含在面发射激光器中的波长调节层具有彼此不同的厚度，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括由两种材料构成的调节层，波长调节层所包括的调节层的数目彼此不同。
【专利说明】面发射激光器元件、面发射激光器元件制造方法和原子振荡器
【技术领域】
[0001]本发明的至少一个方面涉及至少一种面发射激光器元件、一种制造面发射激光器元件的方法、以及一种原子振荡器。
【背景技术】
[0002]面发射激光器(VCSEL:垂直腔面发射激光器)是沿相对于基底表面的垂直方向发射光线的半导体激光器，与边发射型半导体激光器相比，它具有价格低、耗电量小、结构紧凑、性能高等特点，并且可随时进行二维集成。
[0003]面发射激光器具有谐振腔区，该谐振器区包括活性层以及由分别位于谐振器区上方和下方的上反射镜和下反射镜构成的谐振器结构(参见例如日本专利申请公开文件2008-53353)。因此，谐振腔器形成有预定的光学厚度，使得波长为λ的光在谐振器区中振荡，以获得振荡波长为λ的光。上反射镜和下反射镜通过交替地层压并形成具有不同折射率的材料(即，低折射率材料和高折射率材料)而形成，并且其形成方式使得低折射率材料和高折射率材料的光学薄膜厚度为λ/4，以获得波长λ条件下的高反射能力。
[0004]而且，还揭示了芯片中针对不同波长的构成元件(参见例如日本专利2751814、日本专利申请公开文件2000-058958、日本专利申请公开文件11-330631和日本专利申请公开文件2008-283129)。通过在面发射激光器元件的谐振器区上交替层压用于不同蚀刻液的两种材料以形成波长调节层、并利用湿蚀刻法针对每个面发射激光器逐一消除这种波长调节层以改变波长调节层的厚度，能够形成多波长面发射激光器元件。
[0005]同时，还有作为定时极其精确的时钟的原子钟(原子振荡器)，并研究了对这种原子钟进行小型化的技术。原子钟是以构成碱金属原子的电子的跃迁能量为基础的振荡器，特别是，在没有干扰的条件下，碱金属原子中的电子的跃迁能量值非常精确，因而能够获得比石英晶体振荡器高几个数量级的频率稳定性。
[0006]有多种此类原子钟，在这些原子钟中，相干布居捕获(CPT)型原子钟的频率稳定性比常规石英振荡器的高约三个数量级，并且还可以具有非常紧凑的结构和极低的电力消耗(参见例如Applied Physics Letters (应用物理学快报)第85期第1460-1462页(2004)、Comprehenisve Microsystems (微系统大全)第3期第571-612页、以及日本专利申请公开文件2009-188598)。
[0007]CPT型原子钟具有激光器元件、封装有碱金属的腔体，以及用于接收透过该腔体的激光的光接收元件，其中，对激光进行调制，并通过在特定波长的载波两侧同时出现的边带波长对其进行激励从而同时获得碱金属原子的两次电子跃迁。这种跃迁的跃迁能量是恒定的，当激光的边带波长与对应于跃迁能量的波长重合时，会发生透明度提高现象，在该现象中，碱金属的光吸收率降低。因此，这种原子钟的特征在于，通过调节载波的波长来降低碱金属的光吸收率，并且由光接收元件检测的信号被反馈给调制器，从而调制器对激光器元件发射的激光的调制频率进行调节。另外，在这种原子钟中，激光器元件发射的激光通过准直透镜和λ/4波片照射封装有碱金属的腔体。
[0008]对于这种很紧凑的原子钟的光源，具有极低功耗和很高波长质量的紧凑型面发射激光器比较适合，并且相对于特定波长，载波的波长精度应为±1纳米(参见例如Proc.0fSPIE(国际光学工程学会论文集)第6132卷613208-1 (2006))。
[0009]同时，当把面发射激光器元件用于原子钟时，可能需要为每个面发射激光器提供较窄的波长间隔(5纳米)。因此，在面发射激光器的谐振腔区上形成有波长调节层，相应地，当形成这种具有很窄的波长间隔的面发射激光器时，可能需要通过适当的方式形成膜层，使波长调节层中的每层膜的厚度非常薄。但是，由于在形成半导体层时生长速率差异以及膜厚分布不规则等问题，在形成波长调节层时，难以保证每层膜的厚度极薄并且一致。
[0010]具体而言，如日本专利2751814所示，当在谐振器区上形成波长调节层并且振荡波长的预定间隔为5纳米以下时，波长调节层的膜厚可能需要为1.2纳米以下，但是采用当前的化合物半导体晶体生长技术，很难控制这么薄的膜厚。因而，即使膜厚发生轻微变化，振荡波长也可能受到影响。
【发明内容】
[0011]根据本发明的一个方面，本发明提供一种面发射激光器元件，包括半导体基底和构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，每个面发射激光器包括布置在半导体基底上的下布拉格反射镜，布置在下布拉格反射镜上的谐振器、布置在谐振器上的上布拉格反射镜、以及布置在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中的波长调节层，包含在面发射激光器中的波长调节层具有彼此不同的厚度，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括由两种材料构成的调节层，波长调节层所包括的调节层的数目彼此不同。
[0012]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种制造面发射激光器元件的方法，所述面发射激光器元件包括构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，所述方法包括以下步骤:在半导体基底上形成下布拉格反射镜，在下布拉格反射镜上形成谐振器，在谐振器上形成上布拉格反射镜，在下布拉格反射镜或上布拉格反射镜上层压由两种材料构成的调节层，以形成波长调节层，使用第一蚀刻液去除波长调节层中的一个调节层，使用不同于第一蚀刻液的第二蚀刻液去除波长调节层中的另一个调节层，从而使包含在面发射激光器中的波长调节层具有彼此不同的厚度，并且波长调节层所包含的调节层的数目彼此不同。
[0013]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种原子振荡器，该原子振荡器包括上述的面发射激光器兀件、包含由面发射激光器兀件发射的光照射的碱金属的碱金属腔体、配置为检测透过碱金属腔体的光的光检测器、以及配置为根据光检测器检测的光控制面发射激光器元件的振荡频率的控制器。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是第一实施例中的面发射激光器元件的俯视图。
[0015]图2是第一实施例中的面发射激光器元件的示意图。
[0016]图3是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的结构图。
[0017]图4Α和图4Β是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(I)。
[0018]图5Α和图5Β是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(2)。
[0019]图6A和图6B是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(3)。
[0020]图7A和图7B是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(4)。
[0021]图8是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(5)。
[0022]图9是第一实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(6)。
[0023]图10是第二实施例中的面发射激光器元件的俯视图。
[0024]图11是第二实施例中的面发射激光器元件的示意图。
[0025]图12A和图12B是第二实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图(I)。
[0026]图13A和图13B是第二实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图⑵。
[0027]图14是第三实施例中的面发射激光器元件的俯视图。
[0028]图15A和图15B是第三实施例中的面发射激光器元件的波长调节层的示意图。
[0029]图16是第一波长调节层和第二波长调节层与振荡波长之间的关系图。
[0030]图17A和图17B是第三实施例中的面发射激光器元件的第一波长调节层的示意图⑴。
[0031]图18A和图18B是第三实施例中的面发射激光器元件的第一波长调节层的示意图⑵。
[0032]图19A和图19B是第三实施例中的面发射激光器元件的第一波长调节层的示意图⑶。
[0033]图20是第四实施例中的面发射激光器元件的俯视图。
[0034]图21是第五实施例中的原子振荡器的结构图。
[0035]图22是CPT型原子钟的原子能级的示意图。
[0036]图23是面发射激光器调制时的输出波长的示意图。
[0037]图24是调制频率与透射光量之间的关系图。
【具体实施方式】
[0038]下面将说明本发明的实施例。另外，相同的构件以相同的标号示出，并省略其说明。
[0039][第一实施例]
[0040](面发射激光器元件的结构)
[0041]下面说明第一实施例中的面发射激光器元件。如图1和图2A所示，此实施例的面发射激光器元件10具有多个面发射激光器，具体而言，具有第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13、以及第四面发射激光器14。另外，为了更好地说明此实施例，图1进行了适当简化，其中，略去了接触层等部分的描述。另外，图2是沿图1中的虚线1A-1B剖切而获得的截面图。
[0042]此实施例的面发射激光器元件10形成在300微米方形半导体芯片上，其中，形成在该半导体芯片上的第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的每一个都与相应的电极极板连接。具体而言，电极极板21与第一面发射激光器11连接，电极极板22与第二面发射激光器12连接，电极极板23与第三面发射激光器13连接，电极极板24与第四面发射激光器14连接。
[0043]而且，第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14发出具有彼此不同的波长的光。即，第一面发射激光器11的发射波长为λ 1，第二面发射激光器12的发射波长为λ 2，第三面发射激光器13的发射波长为λ 3，第四面发射激光器14的发射波长为λ 4，这些波长彼此不同。
[0044]另外，本实施例中的面发射激光器元件用于实现具有894.6纳米振荡波长的面发射激光器，其中，四个面发射激光器形成在300微米方形半导体芯片(基底)上。由于能在面发射激光器元件的很窄区域中形成多个面发射激光器，因此即使在切换发光的面发射激光器时，发光点的位置变化也极小。因此，基底的尺寸是500微米Χ500微米以下，因而不需要对光轴等进行调节，或者调节时极其方便。
[0045]对于本实施例中的面发射激光器元件，在由半导体等材料构成的基底101上交替地层压并形成具有不同折射率的半导体材料，以形成下布拉格反射镜102，并在下布拉格反射镜102上形成下分隔层103、活性层104、以及上分隔层105。在上分隔层105上形成第一上布拉格反射镜106、接触层110、波长调节区120和第二上布拉格反射镜107。而且，在接触层110上形成上电极111并与接触层110连接，在基底101的背面形成下电极112。虽然在此实施例中波长调节层130由接触层110和波长调节区120组成，但在接触层110形成时不与波长调节区邻接的情况中，波长调节层130可仅由波长调节区120组成。另外，在基底101上形成的半导体层(即，下布拉格反射镜102、下分隔层103、活性层104、上分隔层105、第一上布拉格反射镜106、接触层110和波长调节区)是通过外延生长半导体材料而形成的。具体而言，这些半导体层是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)法外延生长而形成的。另外，在本申明说明书中所述的布拉格反射镜可称为分布布拉格反射镜(DBR)。
[0046]而且，第二上布拉格反射镜107形成在每个面发射激光器的波长调节层130上。第二上布拉格反射镜107是由氧化物、氮化物、氟化物等构成的介质膜，并且是通过交替地层压并形成高折射率材料薄膜和低折射率材料薄膜而形成的。另外，在此实施例中，上布拉格反射镜由第一上布拉格反射镜106、波长调节层130和第二上布拉格反射镜107组成。而且，波长调节层130可在下布拉格反射镜102内形成。
[0047]在此实施例的面发射激光器元件中，第一面发射激光器11、第二面发射激光器
12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的波长调节层130中的波长调节区120的厚度彼此不同。具体而言，如图3所示，波长调节区120形成在接触层110上，其中，波长调节区120由第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123组成。在此实施例中，第一调节层121和第三调节层123由磷化镓铟(GaInP)构成，而第二调节层122由磷砷化镓(GaAsP)构成。另外，用于制造第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123的材料可以彼此相反。
[0048]因此，在此实施例的面发射激光器元件中，第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四表面发射激光器14中的波长调节区120的厚度彼此不同。
[0049]具体而言，在第一面发射激光器11中，第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123形成在波长调节区120上，其中，发射的光的波长为λ I，该波长与波长调节层130的厚度对应，波长调节层130的厚度是波长调节区120与接触层110的厚度的和。
[0050]而且，在第二面发射激光器12中，第一调节层121和第二调节层122形成在波长调节区120中，其中，发射的光的波长为λ 2，该波长与波长调节层130的厚度对应，波长调节层130的厚度是波长调节区120与接触层110的厚度的和。
[0051]而且，在第三面发射激光器13中，第一调节层121形成在波长调节区120中，其中，发射的光的波长为λ 3，该波长与波长调节层130的厚度对应，波长调节层130的厚度是这样的波长调节区120与接触层110的厚度的和。
[0052]而且，在第四面发射激光器14中未形成波长调节区120，发射的光的波长为λ 4，该波长与波长调节层130的厚度对应，波长调节层130的厚度等于接触层110的厚度。
[0053]因此，可以逐渐改变第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的波长调节层130的厚度，并以与至少一个或每个波长调节层130的厚度对应的波长发光。
[0054](制造面发射激光器元件的方法)
[0055]在此实施例中，使用η型砷化镓(n-GaAs)基底作为基底101。而且，下布拉格反射镜102是通过层压35.5对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成，并且每层的光学薄膜的厚度为λ/4。
[0056]由砷化镓铟(GaInAs)量子阱层/磷砷化镓铟(GaInPAs)阻挡层组成的活性层104通过由铝。.2镓。.8砷构成的下分隔层103形成在下布拉格反射镜102上。由铝α2镓α8砷构成的上分隔层105和第一上布拉格反射镜106形成在活性层104上。另外,具有一个波长光学厚度的谐振器区由下分隔层103、活性层104和上分隔层105组成。
[0057]第一上布拉格反射镜106通过层压6对η-铝αι镓α9砷高折射率层和η_铝α9镓(1.1砷低折射率层形成，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。第一上布拉格反射镜106的低折射率层之一由铝砷限流层108组成，其中，限流层108的周围部分被选择性地氧化，以形成选择性氧化区108a，并在限流层的中央部分形成未氧化的限流区108b。
[0058]由P型砷化镓(p-GaAs)构成的接触层110和由第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123组成的波长调节区120形成在第一上布拉格反射镜106上。另外，如上所述，波长调节区120中的层的一部分被去除，从而与每个面发射激光器发出的光的波长对应。
[0059]此实施例的面发射激光器元件中的每个面发射激光器具有台面结构，其中，这种台面结构是通过蚀刻法去除待形成的面发射激光器之间的半导体层而形成的。在形成台面结构后，在水蒸汽中进行热处理，以氧化台面结构周围的限流层108，从而在周围部分形成选择性氧化区108a(氧化区)，在中央部分形成未氧化的限流区108b。S卩，限流层108由氧化的选择性氧化区108a和未氧化的限流区108b组成，以形成限流结构。另外，从台面结构顶端看的形状可为圆形、椭圆形、方形或长方形。
[0060]而且，第二上布拉格反射镜107形成在波长调节层130上，在波长调节层130中，与每个面发射激光器对应通过蚀刻进行去除操作。第二上布拉格反射镜107通过层压8.5对二氧化钛高折射率层和二氧化硅低折射率层而形成，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。另外，第二上布拉格反射镜107也可以仅由介质材料构成，并且通过层压高折射率材料和低折射率材料而形成，其中，具体而言，可以采用氧化物、氮化物或氟化物等材料。对于高折射率材料，可以采用五二氧化二钽、氧化铪等、以及二氧化钛。而且，对于低折射率材料，可以采用氟化镁等，以及二氧化硅。对于在第二上布拉格反射镜107中形成二氧化钛高折射率层和二氧化硅低折射率层的方法，可通过溅射或真空沉积等方法来形成。而且，还形成整体的氮化硅保护膜140，并在各个面发射激光器的台面之间形成由树脂材料(例如聚酰亚胺)构成的树脂膜141。
[0061]随后，形成上电极111，该上电极为P侧电极。每个上电极111与相应的面发射激光器对应形成，其中，每个上电极111与电极极板21-24中的每一个连接。而且，在基底101的背面上形成下电极112，该下电极是η侧电极。
[0062]下面将详细说明此实施例的面发射激光器元件中的波长调节层130的形成方法。
[0063]首先，在基底101上以MOCVD或MBE法通过外延生长形成由半导体材料构成的下布拉格反射镜102、下分隔层103、活性层104、上分隔层105、第一上布拉格反射镜106、接触层110和波长调节区120。另外，波长调节层130由接触层110和波长调节区120组成，其中，波长调节区120是通过层压第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123而形成的。在此，如上所述，第一调节层121和第三调节层123由磷化镓铟(GaInP)构成，而第二调节层122由磷砷化镓(GaAsP)构成。
[0064]然后，在形成有第一面发射激光器11的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区120上的第三调节层123上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0065]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第三调节层123。具体而言，湿蚀刻是采用盐酸和水的混合液进行的，因为第三调节层123由磷化镓铟(GaInP)构成。因而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第三调节层123，以露出第二调节层122的表面。另夕卜，这种混合液可用于对构成第三调节层123的磷化镓铟(GaInP)进行蚀刻，但是很难用于对构成第二调节层122的磷砷化镓(GaAsP)进行蚀刻。这种混合液还可称为第一蚀刻液。随后,通过有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0066]然后，在形成有第一面发射激光器11和第二面发射激光器12的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区120上的第三调节层123和第二调节层122上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0067]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第二调节层122。具体而言，湿蚀刻是采用硫酸、过氧化氢和水的混合液进行的，因为第二调节层122由磷砷化镓(GaAsP)构成。因而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第二调节层122，以露出第一调节层121的表面。另外，这种混合液可用于对构成第二调节层122的磷砷化镓(GaAsP)进行蚀刻，但是很难用于对构成第一调节层121的磷化镓铟(GaInP)进行蚀刻。这种混合液还可称为第二蚀刻液。随后，通过有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0068]然后，在形成有第一面发射激光器11、第二面发射激光器12和第三面发射激光器13的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区120上的第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0069]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层121。具体而言，使用第一蚀刻液去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层121。从而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层121，以露出接触层110的表面。随后，使用有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0070]然后，形成第二上布拉格反射镜107。具体而言，通过交替地层压由高折射率材料构成的介质膜和由低折射率材料构成的介质膜来形成，这些介质膜由氧化物、氮化物、氟化物等材料制成，每层介质膜具有通过溅射等方式形成的预定膜厚。另外，还可通过层压并形成具有不同折射率的半导体材料来形成第二上布拉格反射镜107。
[0071]从而，在此实施例的面发射激光器元件中形成波长调节层130和第二上布拉格反射镜107。
[0072]在此实施例中，在构成波长调节层130中的波长调节区120的第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123的任何一层中不含铝，因此，在蚀刻后几乎不会发生氧化，从而能够在蚀刻后保持洁净的表面状况。即，由于铝极易发生腐蚀，因此，若第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123中的任何一层由含铝的材料形成，则在进行湿蚀刻等处理后，表面状况可能很差，即使在其上形成第二上布拉格反射镜107，也可能发生剥落，或者其厚度可能不均一。但是，此实施例的面发射激光器元件中的波长调节区120由不含铝的材料形成，因此不会导致铝等材料的腐蚀，并且不会发生这种问题。
[0073]而且，此实施例的波长调节层130中的波长调节区120由磷砷化镓(GaAsP)和磷化镓铟(GaInP)交叠而成，在进行湿蚀刻时，使用两种蚀刻液进行蚀刻,其中，每种蚀刻液可用于进行上述两种材料之一的蚀刻，但不能用于另一种材料的蚀刻。蚀刻使用这两种蚀刻液进行，因而在蚀刻后表面很平坦，可以进行预定厚度膜层的成形，而不会发生过度蚀亥IJ。因而，能够获得具有稳定特性的面发射激光器元件。
[0074]另外，虽然在此实施例的说明中说明的是磷砷化镓和磷化镓铟组合的情况，但是也可以与不含铝的其它材料组合，该材料还可用于另一种不同的蚀刻液，并且是带隙能量大于振荡波长的半导体材料。对于此实施例中的振荡波长(894.6纳米)，磷砷化镓铟(GaInAsP) /磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)/磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)/磷砷化镓铟(GaInAsP)、磷砷化镓(GaAsP)/磷砷化镓铟(GaInAsP)等可作为这种半导体材料的组合。而且，在其中可以添加氮或锑，例如镓砷氮(GaAsN)/磷化镓铟(GaInP)、镓铟氮砷(GaInNAs) /磷化镓铟(GaInP)、镓砷锑(GaAsSb) /磷化镓铟(GaInP)等。
[0075]如上所述，在此实施例的面发射激光器元件的一个基底101上可以形成发射不同波长的光的多个面发射激光器。从而，即使在面发射激光器元件的制造过程中半导体层的膜厚发生变化，也可以在第一面发射激光器11至第四面发射激光器14中选择发光波长最接近所需波长的面发射激光器，从而能够轻松获得具有所需波长的半导体激光器。因而，能够以很低的成本制造具有发射预定波长的光的面发射激光器的面发射激光器元件。
[0076]另外，当在波长调节区120上形成接触层110时，根据波长调节区120的厚度，每个面发射激光器的载流能力会发生变化，并且每个面发射激光器的电气特性和发光特性也有很大不同。而且，当电流在波长调节区120中流动时，由于每层界面处的能带不连续性，电阻可能会增加。但是，在本实施例中，接触层110形成在面发射激光器元件中的波长调节区120之下，因而注入表面发射激光器的电流不会通过波长调节区120，并且电阻等不会随波长调节区120的厚度而发生变化。
[0077]下面将说明在波长调节层130和谐振器区之间形成的第一上布拉格反射镜106的优点。例如，当在光学长度为一个波长的谐振器区中形成波长调节层、并且设置四个波长、中心波长为895纳米、波长间隔为I纳米时，构成波长调节层的每层为1.3纳米，使用当前的晶体生长技术很难在晶片表面上一致地形成。因此，在此实施例中，作为上布拉格反射镜的一部分的第一上布拉格反射镜106在谐振器区和波长调节层130之间形成。具体而言，通过层压6对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层并使每层的光学薄膜厚度为λ/4而形成第一上布拉格反射镜106。而且,接触层110形成在第一上布拉格反射镜106上，波长调节区120形成在接触层110上。构成波长调节区120的第一调节层121、第二调节层122和第三调节层123的形成方式使得磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)的膜厚分别为16纳米/16纳米/16纳米，因而利用当前的晶体生长技术能够进行足够一致的制造。因此，能够减小面发射激光器之间的波长间隔偏差。
[0078]而且，通过形成这种结构，还能减小电阻。即，第二上布拉格反射镜107是形成在波长调节层130之上的介质层，上电极111形成在其周围，其中，当在谐振器区中布置波长调节层时，由于是层状结构，并且电流通道很能很窄，会增加电阻，因此可能需要在靠近接触层的位置布置待选择性氧化的AlAs层。在此实施例中，第一上布拉格反射镜106形成在波长调节层130(其中，在波长调节区120下形成接触层110)和谐振器区之间，因而可以拓宽电流通道，并能减小电阻。
[0079]另外，利用由七对或更多对构成的第二上布拉格反射镜107，能够进一步增加波长调节层130中的波长调节区120内的每层的膜厚，从而有利于一致的制造，并且还能减小电阻。但是，若第二上布拉格反射镜107中的层对数增加，则波长调节层130的光学厚度可能大于λ/4，上反射镜的总反射率可能会降低。第二上布拉格反射镜107的层对数有最优数值，使得波长调节层130的光学厚度接近λ/4。
[0080]下面将说明波长调节层130的厚度。如图4Α所示，当波长调节层130的光学厚度P为λ /4 < Ρ 〈 λ /2时，第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的上布拉格反射镜的反射率大致为常数，如图4Β所示。另外，LI是第一面发射激光器11中的波长调节层130的表面，L2是第二面发射激光器12中的波长调节层130的表面，L3是第三面发射激光器13中的波长调节层130的表面，L4代表第四面发射激光器14中的波长调节层130的表面。
[0081]另一方面，如图5Α所不，当波长调节层130的光学厚度P为λ/2〈Ρ时,第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的上布拉格反射镜的反射率可能大不相同，如图5Β所示。
[0082]而且，如图6Α所示，当波长调节层130的光学厚度P为Ρ〈 λ /4时，第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的上布拉格反射镜的反射率可能大不相同，如图6Β所示。
[0083]如上所述，波长调节层130的光学厚度P优选为λ /4≤Ρ〈 λ /2，概而言之，优选为(2Ν-1) λ/4≤Ρ〈Ν λ/2，其中，N是正整数，若考虑光吸收的影响所导致的不良作用(例如阈值电流增加)，则优选N为较小的值。
[0084]而且，当波长调节区120的厚度较小，并且波长调节区120和接触层110的光学厚度的和小于λ/4时，可以在波长调节层130中布置相位调节区131，如图7Α所示。因而，如图7Β所示，可以使波长调节层130的光学厚度为λ/4≤Ρ〈 λ/2 (概括为(2Ν-1)λ /4 < Ρ<2Ν λ /4)，并且第一面发射激光器11、第二面发射激光器12、第三面发射激光器13和第四面发射激光器14中的上布拉格反射镜的反射率大致为常数。另外，在这种情况中，波长调节层130由接触层110、波长调节区120和相位调节区131组成。而且，相位调整区131由铝砷化镓(AlGaAs)构成，其中，相位调节区131可在接触层110下形成，如图7A所示，相位调节区131也可在接触层110和波长调节区120之间形成，如图8所示。而且，相位调节区131a可由磷砷化镓(GaAsP)和磷化镓铟(GaInP)交替层压形成的层压薄膜组成，如图9所示。
[0085]而且，在此实施例中，面发射激光器元件具有在波长调节区120中形成有多层薄膜的结构，其中，优选波长调节层130的形成方式确保:当形成的薄膜(调节层)的层数为M时(其中，M为正整数)，在M为奇数的情况下，从顶端算起，光学薄膜厚度为λ/4的位置为第(M+l)/2层膜(调节层)，在M为偶数的情况下，从顶端算起，该位置为第Μ/2或(M/2)+l层膜(调节层)。
[0086][第二实施例]
[0087]下面说明第二实施例中的面发射激光器元件。另外，此实施例的面发射激光器元件是894.6纳米波长的面发射激光器，布置有波长调节区的结构在下布拉格反射镜上。如图10和图11所示，此实施例的面发射激光器元件150具有多个面发射激光器，具体而言，具有第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153、以及第四面发射激光器154。另外，为了更好地说明此实施例，图10进行了适当简化，其中，略去了接触层等部分的描述。另外，图11是沿图10中的虚线10Α-10Β剖切而获得的截面图。
[0088]此实施例的面发射激光器元件150形成在300微米方形半导体芯片上，其中，形成在该半导体芯片上的第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的每一个都与相应的电极极板连接。具体而言，电极极板161与第一面发射激光器151连接，电极极板162与第二面发射激光器152连接，电极极板163与第三面发射激光器153连接，电极极板164与第四面发射激光器154连接。
[0089]而且，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154发出具有彼此不同的波长的光。即，第一面发射激光器151的发射波长为λ I,第二面发射激光器152的发射波长为λ 2,第三面发射激光器153的发射波长为λ 3，第四面发射激光器154的发射波长为λ 4，这些波长彼此不同。
[0090]另外，本实施例中的面发射激光器元件用于实现具有894.6纳米振荡波长的面发射激光器，其中，四个面发射激光器形成在300微米方形半导体芯片(基底)上。由于能在面发射激光器元件的很窄区域中形成多个面发射激光器，因此即使在切换发光的面发射激光器时，发光点的位置变化也极小。
[0091]对于本实施例中的面发射激光器元件，在由半导体等材料构成的基底101上交替地层压并形成具有不同折射率的半导体材料，以形成第一下布拉格反射镜172，并在第一下布拉格反射镜172上形成相位调节层173、波长调节区180、第二下布拉格反射镜174、下分隔层103、活性层104、以及上分隔层105。在上分隔层105上形成上布拉格反射镜176和接触层177。而且，在接触层177上形成上电极178并与接触层177连接，在基底101的背面形成下电极112。另外，在此实施例中，波长调节层190由波长调节区180和相位调节层173组成，而下布拉格反射镜170由第一下布拉格反射镜172、相位调节区173、波长调节区180和第二下布拉格反射镜174组成。
[0092]而且，在基底101上形成的半导体层(即，第一下布拉格反射镜172、相位调节区173、波长调节区180、第二下布拉格反射镜174、下分隔层103、活性层104、上分隔层105、上布拉格反射镜176和接触层177)是通过外延生长半导体材料而形成的。具体而言，这些半导体层是通过MOCVD或MBE法外延生长而形成的。
[0093]在此实施例的面发射激光器元件中，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的各个波长调节层180的厚度彼此不同。具体而言，波长调节区180由第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183组成。在此实施例中，第一调节层181和第三调节层183由磷化镓铟(GaInP)构成，而第二调节层182由磷砷化镓(GaAsP)构成。另外，用于制造第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183的材料可以彼此相反。
[0094]因此，在此实施例的面发射激光器元件中，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四表面发射激光器154中的波长调节区180的厚度(即，波长调节层190的厚度)彼此不同。
[0095]具体而言，第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183形成在第一面发射激光器151中的波长调节区180上，其中，发射的光的波长为λ I，该波长与包含该波长调节区180的波长调节层190的厚度对应。
[0096]而且，第一调节层181和第二调节层182形成在第二面发射激光器152中的波长调节区180中，其中，发射的光的波长为λ 2，该波长与包含该波长调节区180的波长调节层190的厚度对应。
[0097]而且，第一调节层181形成在第三面发射激光器153中的波长调节区180中，其中，发射的光的波长为λ 3，该波长与包含该波长调节区180的波长调节层190的厚度对应。
[0098]而且，在第四面发射激光器154中未形成波长调节区180，因此，在未形成波长调节区180的情况中，发射的光的波长为λ 4，该波长与波长调节层190的厚度对应。
[0099]因此，可以逐渐改变第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的波长调节区180的厚度，并以与至少一个或每个波长调节区180的厚度对应的波长发光。
[0100]在此实施例中，使用η型砷化镓(n-GaAs)基底作为基底101。而且，下布拉格反射镜170是通过层压35.5对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成，并且每层的光学薄膜的厚度为λ/4。
[0101]如上所述，下布拉格反射镜170由基底101上的第一下布拉格反射镜172、相位调节区173、波长调节区180和第二下布拉格反射镜174组成。因此，相位调节区173和波长调节区180在下布拉格反射镜170内形成。另外，在此实施例中，形成方式使得相位调节区173的光学薄膜厚度与波长调节区180的光学薄膜厚度的一半(即，从相位调节区173底部至波长调节区180的中部的光学薄膜厚度)的和为λ/4，如图12所示。
[0102]由砷化镓铟(GaInAs)量子阱层/磷砷化镓铟(GaInPAs)阻挡层组成的活性层104通过由铝α2镓α8砷构成的下分隔层103形成在下布拉格反射镜170上。由铝α2镓α8砷构成的上分隔层105形成在活性层104上。另外，具有一个波长光学厚度的谐振器区由下分隔层103、活性层104和上分隔层105组成。
[0103]上布拉格反射镜176通过层压24对η_铝α i镓α9砷高折射率层和η_铝α9镓Q.1砷低折射率层形成，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。上布拉格反射镜176的低折射率层之一由铝砷限流层108组成，其中，限流层108的周围部分被选择性地氧化，以形成选择性氧化区108a，并在限流层的中央部分形成未氧化的限流区108b。而且，由p-GaAs构成的接触层177形成在上布拉格反射镜176上。
[0104]如图12A所示，当相位调节区173的光学薄膜厚度与波长调节区180的光学薄膜厚度的一半的和大约为λ/4时，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的下布拉格反射镜的反射率大致为常数，如图12Β所示。另外，LI是第一面发射激光器151中的波长调节层190的表面，L2是第二面发射激光器152中的波长调节层190的表面，L3是第三面发射激光器153中的波长调节层190的表面，L4代表第四面发射激光器154中的波长调节层190的表面。
[0105]此实施例的面发射激光器元件中的每个面发射激光器具有台面结构，其中，这种台面结构是通过干蚀刻法等方法去除待形成的面发射激光器之间的半导体层而形成的。在形成台面结构之后，在水蒸汽中进行热处理，以氧化台面结构周围的限流层108，从而在周围部分形成选择性氧化区108a(氧化区)，在中央部分形成未氧化的限流区108b。S卩，限流层108由氧化的选择性氧化区108a和未氧化的限流区108b组成，以形成限流结构。具体而言，在水蒸汽中对构成限流层108的AlAs材料进行热处理，使其氧化并形成AlxOy，并利用如此形成的AlxOy制造选择性氧化区108a。在此，限流区108b由限流层108中的未氧化的AlAs材料构成。另外，从台面结构的顶端看，形成的形状可为圆形、椭圆形、方形或长方形。
[0106]而且，形成由氮化硅构成的整体保护膜140，并通过嵌入树脂材料(例如聚酰亚胺)在各个面发射激光器的台面之间形成树脂膜141。最后，形成上电极178，该上电极为P侧电极。每个上电极178与相应的面发射激光器对应形成，其中，每个上电极178与相应的电极极板161-164连接。
[0107]具体而言，形成由氮化硅构成的保护膜140，并通过在各个面发射激光器的台面之间嵌入并摊平树脂材料(例如聚酰亚胺)而形成树脂层141。随后，去除接触层177上的保护膜140和树脂层141，以露出接触层177，并在接触层177上形成上电极178。另外，在基底101的背面形成下电极112，该下电极为η-侧电极。
[0108]此实施例的面发射激光器元件在基底101侧的对侧发射激光。另外，由于在此实施例中有介质材料，因此可以使用由氮化硅构成的保护膜140保护因台面刻蚀而露出并易发生腐蚀的含铝层的侧面和底面，由此可提高可靠性。
[0109]下面将说明在波长调节区180和谐振器之间形成的第二下布拉格反射镜174的优点。当在光学长度为一个波长的谐振器中形成波长调节区、并且设置四个波长、中心波长为895纳米、波长间隔为I纳米时，构成波长调节层的调节层中的一层约为I纳米，使用当前的晶体生长技术很难在晶片表面上一致地形成。
[0110]因此，在此实施例中，作为下布拉格反射镜170的一部分的第二下布拉格反射镜174在谐振器和波长调节区180之间形成。具体而言，通过层压10对η-$αι.α9砷高折射率层和η-铝α9镓αι砷低折射率层并使每层的光学薄膜厚度为λ /4而形成第二下布拉格反射镜174。因而，构成波长调节区180的第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183中的砷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)的膜厚可分别为16纳米/16纳米/16纳米，因而基于当前的晶体生长技术能够进行足够一致的制造，从而像第一实施例一样能够减小波长间隔偏差。
[0111]另外，当第二下布拉格反射镜174由十一对或更多对组成时，波长调节区180的每层的膜厚可以更大，由此能进一步提高一致性。但是，如图13A和图13B所示，若第二下布拉格反射镜174中的层对数增加，则波长调节区180的光学薄膜厚度可能远大于λ/4(布拉格反射镜的光学薄膜厚度)，因此，下布拉格反射镜170的总反射率可能会降低，而这是不更可取的。因此，第二下布拉格反射镜的层对数有最优数值，使得波长调节区180的光学厚度接近λ/4。
[0112]另一方面，如图13Α所示，当相位调节区173的光学薄膜厚度与波长调节区180的光学薄膜厚度的一半的和为λ/4或更大时，第一面发射激光器151、第二面发射激光器152、第三面发射激光器153和第四面发射激光器154中的下布拉格反射镜的反射率可以很大，如图13Β所示。但是，在此实施例中，可以提高每个下布拉格反射镜的反射率的一致性，如图12Β所示。
[0113]下面将详细说明此实施例的面发射激光器元件中的波长调节区180的形成方法。
[0114]首先，利用MOCVD或MBE法通过外延生长在基底101上形成由半导体材料构成的第一下布拉格反射镜172、相位调节区和波长调节区180。如上所述，波长调节层190由相位调节区173和波长调节区180组成，其中，波长调节区180是通过层压第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183而形成的。另外，第一调节层181和第三调节层183由磷化镓铟(GaInP)构成，而第二调节层182由磷砷化镓(GaAsP)构成。
[0115]然后，在形成有第一面发射激光器151的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区180上的第三调节层183上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0116]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第三调节层183。具体而言，湿蚀刻是采用盐酸和水的混合液进行的，因为第三调节层183由磷化镓铟(GaInP)构成。因而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第三调节层183，以露出第二调节层182的表面。另夕卜，这种混合液可用于对构成第三调节层183的磷化镓铟(GaInP)进行蚀刻，但是很难用于对构成第二调节层182的磷砷化镓(GaAsP)进行蚀刻。这种混合液还可称为第一蚀刻液。随后,通过有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0117]然后，在形成有第一面发射激光器151和第二面发射激光器152的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区180上的第三调节层183和第二调节层182上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0118]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第二调节层182。具体而言，湿蚀刻是采用硫酸、过氧化氢和水的混合液进行的，因为第二调节层182由磷砷化镓(GaAsP)构成。因而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第二调节层182，以露出第一调节层181的表面。另外，这种混合液可用于对构成第二调节层182的磷砷化镓(GaAsP)进行蚀刻，但是很难用于对构成第一调节层181的磷化镓铟(GaInP)进行蚀刻。这种混合液还可称为第二蚀刻液。随后，通过有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0119]然后，在形成有第一面发射激光器151、第二面发射激光器152和第三面发射激光器153的区域中形成抗蚀图案。具体而言，通过在波长调节区180上的第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183上涂光致抗蚀剂并使用曝光装置进行曝光和显影来形成抗蚀图案。
[0120]然后，通过湿蚀刻法去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层181。具体而言，使用第一蚀刻液去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层181。从而，仅去除未形成抗蚀图案的区域中的第一调节层181，以露出相位调节层173的表面。随后，使用有机溶剂等去除抗蚀图案。
[0121]然后，形成第二下布拉格反射镜174。从而，在此实施例的面发射激光器元件中可形成包含波长调节区180的下布拉格反射镜170。
[0122]在此实施例中，在构成波长调节层190中的波长调节区180的第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183的任何一层中不含铝，因此，在蚀刻后几乎不会发生氧化，从而能够在蚀刻后保持洁净的表面状况。即，由于铝极易发生腐蚀，因此，若第一调节层181、第二调节层182和第三调节层183中的任何一层由含铝的材料形成，则在进行湿蚀刻等处理后，表面状况可能很差，即使在其上形成第二下布拉格反射镜174，也可能发生剥落，或者其厚度可能不均一。但是，此实施例的面发射激光器元件中的波长调节区180由不含铝的材料形成，因此不会导致铝等材料的腐蚀，并且不会发生这种问题。
[0123]而且，此实施例的波长调节层190中的波长调节区180由磷砷化镓(GaAsP)和磷化镓铟(GaInP)交叠而成，在进行湿蚀刻时，使用两种蚀刻液进行蚀刻,其中，每种蚀刻液可用于进行上述两种材料之一的蚀刻，但不能用于另一种材料的蚀刻。由于蚀刻使用这两种蚀刻液进行，因而在蚀刻后表面很平坦，可以进行预定厚度膜层的成形，而不会发生过度蚀刻。因而，能够获得具有稳定特性的面发射激光器元件。
[0124]另外，虽然在此实施例的说明中说明的是磷砷化镓(GaAsP)和磷化镓铟(GaInP)组合的情况，但是也可以与不含铝的其它材料组合，该材料还可用于另一种不同的蚀刻液，并且是带隙能量大于振荡波长的半导体材料。对于此实施例中的振荡波长(894.6纳米)，磷砷化镓铟(GaInAsP)/磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)/磷化镓铟(GaInP)、砷化镓(GaAs)/磷砷化镓铟(GaInAsP)、磷砷化镓(GaAsP)/磷砷化镓铟(GaInAsP)等可作为这种半导体材料的组合。而且，在其中可以添加氮或锑，例如镓砷氮(GaAsN)/磷化镓砷(GaInP)、镓铟氮砷(GaInNAs) /磷化镓铟(GaInP)、镓砷锑(GaAsSb) /磷化镓铟(GaInP)等。
[0125]如上所述，在此实施例的面发射激光器元件的一个基底101上可以形成发射不同波长的光的多个面发射激光器。从而，即使在面发射激光器元件的制造过程中半导体层的膜厚发生变化，也可以在第一面发射激光器151至第四面发射激光器154中选择发光波长最接近所需波长的面发射激光器，从而能够轻松获得具有所需波长的半导体激光器。因而，能够以很低的成本制造具有发射预定波长的光的面发射激光器的面发射激光器元件。
[0126]另外，除上述内容之外的其它方面与第一实施例类似。
[0127][第三实施例]
[0128]下面将说明第三实施例。此实施例的面发射激光器是780纳米波长的12通道面发射激光器，下面将参照图14和图15来说明。另外，图14是此实施例中的面发射激光器的俯视图，而图15A是通过沿图14中的虚线14A-14B剖切而获得的截面图，图15B是通过沿图14中的虚线14C-14D剖切而获得的截面图。
[0129]此实施例的面发射激光器元件200形成在300微米方形半导体芯片上，其中，形成在该半导体芯片上的第一面发射激光器201、第二面发射激光器202、第三面发射激光器203、第四面发射激光器204、第五面发射激光器205、第六面发射激光器206、第七面发射激光器207、第八面发射激光器208、第九面发射激光器209、第十面发射激光器210、第十一面发射激光器211和第十二面发射激光器212中的每一个都与相应的电极极板连接。
[0130]具体而言，电极极板221与第一面发射激光器201连接，电极极板222与第二面发射激光器202连接，电极极板223与第三面发射激光器203连接，电极极板224与第四面发射激光器204连接，电极极板225与第五面发射激光器205连接，电极极板226与第六面发射激光器206连接，电极极板227与第七面发射激光器207连接，电极极板228与第八面发射激光器208连接，电极极板229与第九面发射激光器209连接，电极极板230与第十面发射激光器210连接，电极极板231与第十一面发射激光器211连接，电极极板232与第十二面发射激光器212连接。
[0131]而且，第一面发射激光器201、第二面发射激光器202、第三面发射激光器203、第四面发射激光器204、第五面发射激光器205、第六面发射激光器206、第七面发射激光器207、第八面发射激光器208、第九面发射激光器209、第十面发射激光器210、第十一面发射激光器211、以及第十二面发射激光器212发射不同波长的光。即，第一面发射激光器201的发射波长为λ 1，第二面发射激光器202的发射波长为λ 2，第三面发射激光器203的发射波长为λ 3，第四面发射激光器204的发射波长为λ 4，第五面发射激光器205的发射波长为λ 5,第六面发射激光器206的发射波长为λ 6,第七面发射激光器207的发射波长为入7，第八面发射激光器208的发射波长为λ 8，第九面发射激光器209的发射波长为λ 9，第十面发射激光器210的发射波长为λ 10，第十一面发射激光器211的发射波长为λ 11，第十二面发射激光器212的发射波长为λ 12，这些波长彼此不同。
[0132]对于本实施例中的面发射激光器元件，在由半导体等材料构成的基底101上形成下布拉格反射镜102、下分隔层103、活性层104、上分隔层105和第一上布拉格反射镜106,在第一上布拉格反射镜106上形成第一波长调节层250、第二上布拉格反射镜271、第二波长调节层260、第三上布拉格反射镜272、接触层240和上电极111。而且，在基底101的背面上形成与上电极111和下电极112连接的接触层240。另外，在此实施例中，形成在基底101上的半导体层(即，下布拉格反射镜102、下分隔层103、活性层104、上分隔层105、第一上布拉格反射镜106、第一波长调节层250、第二上布拉格反射镜271、第二波长调节层260、第三上布拉格反射镜272和接触层240)是通过外延生长半导体材料而形成的。具体而言，这些半导体层是通过MOCVD或MBE法外延生长而形成的。另外，在此实施例中，上布拉格反射镜由第一上布拉格反射镜106、第一波长调节层250、第二上布拉格反射镜271、第二波长调节层260和第三上布拉格反射镜272组成。而且，第一波长调节层250和第二波长调节层260可形成在下布拉格反射镜102之内。
[0133]在此实施例中，使用η型砷化镓(n-GaAs)基底作为基底101。而且，下布拉格反射镜102是通过层压35.5对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成的，并且每层的光学薄膜的厚度为λ/4。
[0134]由砷化镓铟(GaInAs)量子阱层/磷砷化镓铟(GaInPAs)阻挡层组成的活性层104通过由铝。.2镓。.8砷构成的下分隔层103形成在下布拉格反射镜102上。由铝α2镓α8砷构成的上分隔层105和第一上布拉格反射镜106形成在活性层104上。另外,具有一个波长光学厚度的谐振器区由下分隔层103、活性层104和上分隔层105组成。
[0135]第一上布拉格反射镜106通过层压3.5对η-铝α i镓α 9砷高折射率层和η_铝0.9镓0.1砷低折射率层形成，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。另外，第一上布拉格反射镜106的低折射率层之一由铝砷限流层108组成(在图15Α和图15Β中未示出)。
[0136]第一波长调节层250形成在第一上布拉格反射镜106上。第一波长调节层250是通过层压由P-铝αι.α9砷构成的相位调节区254、由磷化镓铟(GaInP)构成的第一调节层251、由磷砷化镓(GaAsP)构成的第二调节层252、以及由磷化镓铟(GaInP)构成的第三调节层253而形成的。
[0137]第二上布拉格反射镜271形成在第一波长调节层250上。第二上布拉格反射镜271是通过层压4.5对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成的，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。
[0138]第二波长调节层260形成在第二上布拉格反射镜271上。第二波长调节层260是通过层压由P-铝αι.α9砷构成的相位调节区263、由磷化镓铟(GaInP)构成的第四调节层261、以及由磷砷化镓(GaAsP)构成的第五调节层262而形成的。
[0139]第三上布拉格反射镜272形成在第二波长调节层260上。第三上布拉格反射镜272是通过层压17对η-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓α i砷低折射率层而形成的，并且每层的光学薄膜厚度为λ/4。
[0140]由p-GaAs构成的接触层240形成在第三上布拉格反射镜272上，而上电极111形成在接触层240上，下电极112形成在基底101的背面上。
[0141]在此实施例中，每个面发射激光器的形成方式使得第一波长调节层250和第二波长调节层260对于每个相应的通道具有不同的厚度。另外，通过与第一实施例相似的方法，可以形成具有不同厚度的第一波长调节层250和第二调节层260。具体而言，可以通过适当的方式通过光刻法和选择性蚀刻法来形成，使得波长调节层中的层数不同。例如，在蚀刻磷砷化镓(GaAsP)时(与砷化镓(GaAs)的情况类似)，可以使用硫酸、过氧化氢和水的混合液，在蚀刻磷化镓铟(GaInP)时，可以使用盐酸和水的混合液。在对第一波长调节层250进行选择性蚀刻后，通过晶体生长形成第二上布拉格反射镜271和第二波长调节层260，然后对第二波长调节层260进行选择性蚀刻，并通过晶体生长形成第三上布拉格反射镜272和接触层240。另外，形成每个面发射激光器所需的台面蚀刻可通过干蚀刻进行。另外，在接触层240上形成作为每个面发射激光器的P侧电极的上电极111，在基底101的背面上形成作为η侧共用电极的下电极112，如图15Α和图15Β所示。此实施例中的面发射激光器元件在基底101侧的对侧发射激光。
[0142]在日本专利2751814中，在光学厚度为一个波长的谐振器区中形成波长调节层。例如，在此情况中，若中心波长为780纳米且波长间隔为3纳米，则构成波长调节层的一层为0.9纳米。该厚度相当于大约三个原子层的厚度，使用当前的晶体生长技术难以在晶片表面上进行一致地成形。而且，若提供光学长度为X个波长(X = 2、3.......)的谐振器区，
则构成波长调节层的一层的膜厚可增加至0.9ΧΧ纳米，但是在此情况中，张弛振荡波长可能减小Χ_1/2倍，因而可能发生使高速调制操作变得很困难的不良作用。
[0143]另一方面,在此实施例的面发射激光器兀件中，第一上布拉格反射镜106在谐振器区和波长调节层250之间形成，如图15Α和图15Β所示。具体而言，第一上布拉格反射镜106通过在第一波长调节层250和谐振器区之间层压4.5对P-铝α i镓α9砷高折射率层和η-铝α9镓αι砷低折射率层而形成。在此情况中，即使当不同发光元件之间的振荡波长间隔为3纳米时，构成第一波长调节层250的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)的膜厚也分别为11.6纳米/11.6纳米/11.6纳米，因而利用当前的晶体生长技术能够进行足够一致的制造。因此，能够减小面发射激光器之间的波长间隔偏差。
[0144]而且，在第一波长调节层250上形成有第二上布拉格反射镜271和第二波长调节层260。因而，当振荡波长的间隔变窄时，能够更一致地形成第一波长调节层250。图16示出了第一波长调节层250和第二波长调节层260的膜厚与图14、图15A和图15B中所示的此实施例的面发射激光器元件的振荡波长之间的关系。另外，通过对构成第一波长调节层250的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)材料进行选择性蚀刻，可以改变第一波长调节层250的膜厚。类似地，通过对构成第二波长调节层260的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)材料进行选择性蚀刻，可以改变第二波长调节层260的膜厚。
[0145]如图16所示，当第二波长调节层260的膜厚为常数时，可以改变第一波长调节层250的膜厚，即，可以逐个对构成第一波长调节层250的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)(分别为11.6纳米/11.6纳米/11.6纳米)进行蚀刻，从而能获得约3纳米的振荡波长变化。而且，当第一波长调节层250的膜厚为常数时，可以改变第二波长调节层260的膜厚，即，可以逐个对构成第二波长调节层260的磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)(分别为14纳米/11纳米)进行蚀刻，从而能获得约I纳米的振荡波长变化。因此，如图15A和图15B所示，可以分别把第一波长调节层250和第二波长调节层260的膜厚改变4级和3级，从而能够形成具有不同振动波长(4X3 = 12级)的面发射激光器。而且，如图16所示，可以调节第一波长调节层250和第二波长调节层260的膜厚，从而能使所有十二个面发射激光器以间隔为I纳米的不同波长振荡。
[0146]下面将说明在第一波长调节层250上形成的相位调节区254。图17B示出了形成有第一调节层251、第二调节层252和第三调节层253、但未形成图17A所示的相位调节区254的情况中的反射率，其中，磷化镓铟(GaInP)/磷砷化镓(GaAsP)/磷化镓铟(GaInP)中的每一层都通过湿蚀刻法去除。如图17B所示，若不形成相位调节区254，则第一波长调节层250的厚度变化可能显著改变反射率。这意味着激光器的特性偏差(例如每个波长的阈值电流)可能增大。
[0147]另一方面，如图18A所示，在第一波长调节层250上形成有相位调节区254，因而第一波长调节层250的光学厚度为λ /4的位置可以是形成由GaAsP构成的第一调节层252的位置。从而能够减小反射率的变化，如图18Β所示。
[0148]即，第一波长调节层250的光学厚度Pl优选为λ /4 < Ρ1 ≤ λ /2，概括而言，优选为(2Ν-1) λ/4 ≤Ρ1〈2Νλ/4。另外，N是正整数。
[0149]而且，形成方式优选确保:当形成的薄膜(调节层)的层数为M时(其中，M为正整数)，在M为奇数的情况下，从顶端算起，第一波长调节层250的光学薄膜厚度为λ /4的位置为第(M+l)/2层膜(调节层)，在M为偶数的情况下，从顶端算起，该位置为第Μ/2或(M/2)+l层膜(调节层)。
[0150]如图19Α所示,相位调节区254可由ρ_招α工镓α9砷构成,如图19Β所示,相位调节区254a通过交替地层压磷化镓铟(GaInP)和磷砷化镓(GaAsP)而形成。另外，虽然上述的是第一波长调节层250，但是该说明也适用于第二波长调节层260。
[0151]同时，对于波长调节层，日本专利申请公开文件11-330631揭示了铝砷化镓(AlGaAs)和磷化铟镓(InGaP)的组合，日本专利2751814揭示了砷化镓(GaAs)和铝砷化镓(AlGaAs)的组合。它们都采用含铝的铝砷化镓(AlGaAs)，但是由于含铝因而易于发生腐蚀(例如氧化)，所以可能存在可靠性问题。尤其是，当在对如本实施例所述的波长调节层进行蚀刻后进行半导体层的晶体生长时，在制造过程中波长调节层的表面会与大气接触，因此，铝的表面可能被氧化，因而难以在其上进行上布拉格反射镜的晶体生长。另一方面，与日本专利2751814或日本专利申请公开文件11-330631不同的是，在此实施例的面发射激光器元件中，波长调节层由不含铝的磷化镓铟(GaInP)和磷砷化镓(GaAsP)构成，因而能够在制造过程中显著延缓腐蚀的发展，并获得高可靠性。
[0152]另外，虽然在此实施例的说明中说明的是磷砷化镓和磷化镓铟组合的情况，但是也可以与不含铝的其它材料组合，该材料还可用于另一种不同的蚀刻液，并且是带隙能量大于振荡波长的半导体材料。例如，在此实施例中的780纳米振荡波长的情况下，磷砷化镓铟(GaInAsP) /磷化镓铟(GaInP)、磷砷化镓(GaAsP) /磷砷化镓铟(GaInAsP)等可作为半导体材料的组合。而且，在I微米以上的长波长的情况中，可以使用砷化镓(GaAs)代替磷砷化镓(GaAsP)。在此情况中，对于砷化镓(GaAs)基底，可以不使用磷砷化镓(GaAsP)等易变形的材料，因此很好处理。
[0153]另外，除上述内容之外的其它方面与第一实施例类似。
[0154][第四实施例]
[0155]下面将说明第四实施例。在此将参照图20说明此实施例的面发射激光器元件。此实施例的面发射激光器元件300在基底301上有八个面发射激光器，其中，以第一至第三实施例为基础形成以不同波长发光的面发射激光器，而且，以相同波长发光的面发射激光器以成对的方式形成。
[0156]具体而言，此实施例的面发射激光器元件具有形成在基底301上的第一面发射激光器311、第二面发射激光器312、第三面发射激光器313、第四面发射激光器314、第五面发射激光器315、第六面发射激光器316、第七面发射激光器317和第八面发射激光器318。第一面发射激光器311至第八面发射激光器318中的每一个都与相应的电极极板连接。具体而言，电极极板321与第一面发射激光器311连接，电极极板322与第二面发射激光器312连接，电极极板322与第三面发射激光器313连接，电极极板324与第四面发射激光器314连接，电极极板325与第五面发射激光器315连接，电极极板326与第六面发射激光器316连接，电极极板327与第七面发射激光器317连接，电极极板328与第八面发射激光器318连接。
[0157]而且，第一面发射激光器311至第八面发射激光器318的形成方式是:具有相同波长的面发射激光器以成对的方式布置。具体而言，第一面发射激光器311和第二面发射激光器312发射的光具有相同的波长λ 1，第三面发射激光器313和第四面发射激光器314发射的光具有相同的波长λ 2,第五面发射激光器315和第六面发射激光器316发射的光具有相同的波长λ 3，第七面发射激光器317和第八面发射激光器318发射的光具有相同的波长入4，其中，波长λ?至λ4互不相同。因此，为了使每个面发射激光器以不同的波长发光，按与第一实施例相似的方式布置波长调节层，并且波长调节层的形成方式使得每个面发射激光器的波长调节层各不相同。另外，电极极板321至328中的每一个都为50微米左右的方形，基底301是300微米方形半导体芯片。
[0158]在此实施例的面发射激光器元件中，以相同波长发光的面发射激光器以成对的方式布置，从而即使以相同波长发光的面发射激光器中的某一个由于故障而不能发光，也可以使用另一个。因此，能够延长面发射激光器元件的使用寿命，并能进一步提高其产出率。而且，在此实施例的面发射激光器元件中，不仅可以使用发射波长最接近必要波长的元件，还可以使用发射波长第二最接近必要波长的元件，这种元件可用作预备面发射激光器，从而能够实现较长的寿命。
[0159]另外，除上述内容之外的其它方面与第一至第三实施例类似。
[0160][第五实施例]
[0161]下面将说明第五实施例。此实施例是采用第一至第四实施例中的面发射激光器元件的原子振荡器。在此将参照图21说明此实施例的原子振荡器。此实施例中的原子振荡器是CPT型紧凑式原子振荡器，具有光源、准直透镜420、λ /4波片430、碱金属腔体440、光检测器450和调制器460。
[0162]对于光源410，采用第一至第四实施例中的面发射激光器元件。对于碱金属腔体440，封装有铯(Cs)原子气体作为其中的碱金属，其中，采用Dl线跃迁。对于光检测器450，采用光电二极管。
[0163]在此实施例的原子振荡器中，封装有铯原子气体的碱金属腔体440发射由光源410发出的光，从而激励铯原子的电子。透过碱金属腔体440的光被光检测器450检测，其中，光检测器450检测到的信号被反馈给调制器460，光源410中的面发射激光器元件由调制器460调制。
[0164]图22示出了与CPT相关的原子能级的构造。所利用的一个规律是，当电子被同时从两个基态能级激励到激发能级时，光的吸收率降低。对于面发射激光器，采用载波波长为894.6纳米附近的元件。可通过改变面发射激光器的温度或输出来微调载波波长。当温度或输出提高时，可能导致向较长波长的漂移，其中，改变碱金属腔体的光密度不可取，因此优选利用温度变化。具体而言，可以按约0.05纳米/°C来调节波长的温度相关性。如图23所示，进行调制，以便在载波的两侧产生边带，其中，以4.6GHz进行调制，调制时的频差为9.2GHz，该值是铯原子的本征频率。如图24所示，当边带频差与铯原子的本征频差重合时，穿过受激铯气体的激光为最大值，因此，通过在调制器460中进行反馈来调节光源410中的面发射激光器元件的调制频率，使得光检测器450的输出保持最大值。由于原子的本征频率可能极其稳定，因此调制频率是稳定值，从而可把此信息作为输出。另外，当波长为894.6纳米时，可能需要波长范围为±1纳米的光源。即，可能需要使用波长范围为893.6纳米- 895.6纳米的光源。
[0165]在此实施例的原子振荡器中，使用第一至第四实施例中的面发射激光器元件，因此，能够以很低的成本制造和提供原子振荡器。而且，使用第三实施例和/或第四实施例中的面发射激光器元件，因此还能够提供具有更长寿命的原子振荡器。
[0166]而且，虽然在此实施例中使用铯作为碱金属，并使用波长为894.6纳米的面发射激光器来使用其Dl线跃迁，但是在利用铯的D2线的情况中，也可以使用852.3纳米波长。而且,可以使用铷(Rb)作为碱金属，其中，在利用Dl线的情况中，可以使用795.0纳米波长，在利用D2线的情况中，可以使用780.2纳米波长。可以根据波长来设计活性层的材料成分。而且，在使用铷(Rb)的情况中，对于87Rb,调制在3.4GHz调制频率进行，对于85Rb,调制在1.5GHz调制频率进行。另外，即使对于这种波长，也可能需要波长范围为±1纳米的光源。即，当利用铯的D2线时，可能需要波长范围为851.3纳米-853.3纳米的光源。而且，当利用铷的Dl线时，可能需要波长范围为794.0纳米-796.0纳米的光源。而且，当利用铷的D2线时，可能需要波长范围为779.2纳米-781.2纳米的光源。
[0167]虽然在上文中说明了本发明的一些实施例，但是本发明的内容不局限于上述内容。而且，虽然在本发明的一些实施例中说明的是把面发射激光器元件用于原子振荡器的情况，但是也可以把第一至第四实施例中的面发射激光器元件用于需要具有预定波长的其它装置(例如气体传感器等)，在这种情况中，发射具有与其应用对应的预定波长的光的面发射激光器也可用于这种装置，并能获得类似效果。
[0168][附录]
[0169]〈面发射激光器元件、制造面发射激光器元件的方法和原子振荡器的解释性实施例>
[0170]本发明的至少一个解释性实施例涉及一种面发射激光器元件、一种制造面发射激光器元件的方法、以及一种原子振荡器。
[0171]本发明的至少一个解释性实施例的一个目的是提供一种面发射激光器元件，该面发射激光器元件具有能够以所需的波长间隔更精确地振荡的多个面发射激光器。
[0172]本发明的至少一个解释性实施例的特征在于具有多个面发射激光器，所述面发射激光器具有形成在半导体基底上的下布拉格反射镜、包括形成在下布拉格反射镜上的活性层的谐振器、以及形成在谐振器上的上布拉格反射镜，其中，在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中形成有波长调节层，通过改变波长调节层的厚度使得从其中射出的光分别以不同的波长发出，波长调节层通过层压由两种不同材料构成的各个调节层而形成，通过改变波长调节层中的调节层数目来改变波长调节层的厚度。
[0173]而且，本发明的至少一个解释性实施例的特征在于一种制造面发射激光器元件的方法，该面发射激光器元件具有多个面发射激光器，所述面发射激光器具有形成在半导体基底上的下布拉格反射镜、包括形成在下布拉格反射镜上的活性层的谐振器、以及形成在谐振器上的上布拉格反射镜，其中，在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中形成有波长调节层，通过改变波长调节层的厚度使得从其中射出的光分别以不同的波长发出，波长调节层通过层压由两种不同材料构成的各个调节层而形成，通过去除波长调节层中的调节层从而改变层数来改变波长调节层的厚度，该方法包括使用第一蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层的步骤，以及使用第二蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的另一个调节层的步骤，其中，第一蚀刻液和第二蚀刻液彼此不同。
[0174]解释性实施例(I)是一种面发射激光器元件,其特征在于,具有多个面发射激光器，所述面发射激光器具有形成在半导体基底上的下布拉格反射镜、包括形成在下布拉格反射镜上的活性层的谐振器、以及形成在谐振器上的上布拉格反射镜，其中，在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中形成有波长调节层，通过改变波长调节层的厚度使得从其中射出的光分别以不同的波长发出，波长调节层通过层压由两种不同材料构成的各个调节层而形成，通过改变波长调节层中的调节层数目来改变波长调节层的厚度。
[0175]解释性实施例(2)是解释性实施例(I)中所述的面发射激光器元件，其特征在于，波长调节层的光学厚度P为(2N-1) λ/4<Ρ〈Νλ/2，其中，λ是面发射激光器的波长，N是正整数。
[0176]解释性实施例(3)是解释性实施例⑴或(2)中所述的面发射激光器元件，其特征在于，在波长调节层中形成M层(Μ是正整数)调节层，在M是奇数的情况下，从布置活性层的一侧算起，波长调节层的光学薄膜厚度为λ/4的位置是从波长调节层的顶端算起的第(Μ+1) /2个调节层，或者，在M是偶数的情况下，该位置是从波长调节层的顶端算起的第Μ/2或(M/2)+l个调节层。
[0177]解释性实施例(4)是解释性实施例(I)至(3)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，波长调节层由波长调节区和相位调节区组成，所述波长调节区由通过两种不同材料构成的各个调节层组成。
[0178]解释性实施例(5)是解释性实施例(4)中所述的面发射激光器元件，其特征在于，波长调节层包括形成在比波长调节区更靠近谐振器的一侧的接触层，其中，所述接触层与一个电极连接。
[0179]解释性实施例(6)是解释性实施例(I)至(5)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，形成有一组波长调节层。
[0180]解释性实施例(7)是解释性实施例(I)至(6)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，在上布拉格反射镜中形成有一组波长调节层。
[0181]解释性实施例(8)是解释性实施例(I)至(7)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，通过去除波长调节层中的调节层来改变波长调节层的膜厚，其中，使用第一蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层，使用第二蚀刻液去除另一个调节层，所述第一蚀刻液和第二蚀刻液彼此不同。
[0182]解释性实施例(9)是解释性实施例(I)至(8)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层由磷化镓铟(GaInP)构成,另一个调节层由磷砷化镓(GaAsP)或砷化镓(GaAs)构成。
[0183]解释性实施例(10)是解释性实施例(I)至(9)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，上布拉格反射镜包括从形成有活性层的一侧开始按顺序形成的第一上布拉格反射镜、波长调节层和第二上布拉格反射镜，其中，第二上布拉格反射镜通过交替地层压并形成具有不同折射率的介质层而形成。
[0184]解释性实施例(11)是解释性实施例(I)至(10)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件，其特征在于，多个波长中的至少一个在893.6纳米-895.6纳米、851.3纳米-853.3纳米、794.0纳米-796.0纳米或779.2纳米-781.2纳米范围之内。
[0185]解释性实施例(12)是一种制造面发射激光器元件的方法，该面发射激光器元件具有多个面发射激光器，所述面发射激光器具有形成在半导体基底上的下布拉格反射镜、包括形成在下布拉格反射镜上的活性层的谐振器、以及形成在谐振器上的上布拉格反射镜，其中，在上布拉格反射镜或下布拉格反射镜中形成有波长调节层，通过改变波长调节层的厚度使得从其中射出的光分别以不同的波长发出，波长调节层通过层压由两种不同材料构成的各个调节层而形成，通过去除波长调节层中的调节层从而改变层数来改变波长调节层的厚度，该方法包括使用第一蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层的步骤，以及使用第二蚀刻液去除波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的另一个调节层的步骤，其中，第一蚀刻液和第二蚀刻液彼此不同。
[0186]解释性实施例(13)是解释性实施例(12)中所述的制造面发射激光器元件的方法，其特征在于，波长调节层中由两种不同材料构成的各个调节层中的一个调节层由磷化镓铟(GaInP)构成，另一个调节层由磷砷化镓(GaAsP)或砷化镓(GaAs)构成。
[0187]解释性实施例(14)是解释性实施例(12)或(13)中所述的制造面发射激光器元件的方法，其特征在于，上布拉格反射层包括从形成有活性层的一侧开始按顺序形成的第一上布拉格反射镜、波长调节层和第二上布拉格反射镜，其中，第二上布拉格反射镜通过交替地层压并形成具有不同折射率的介质层而形成。
[0188]解释性实施例(15)是一种原子振荡器，其特征在于，具有解释性实施例(I)至
(11)中任何一个实施例所述的面发射激光器元件、封装有碱金属的碱金属腔体、以及用于检测从面发射激光器元件中的表面发射激光器发出的照射碱金属腔体的光中透过碱金属腔体的光的光检测器，其中，在从表面发射激光器射出的光中，具有两种不同波长并包括边带的光射到碱金属腔体上，从而基于由两种谐振光的量子干涉效应导致的光吸收特性来控制振荡频率。
[0189]解释性实施例(16)是解释性实施例(15)中所述的原子振荡器，其特征在于，所述碱金属是铷或铯。
[0190]根据本发明的至少一个解释性实施例，能够提供具有多个面发射激光器的面发射激光器元件，由于能够增加形成波长调节层的薄膜的膜厚，因而该面发射激光器能够以所需的波长间隔更精确地振荡。
[0191]虽然在上文中参照【专利附图】
【附图说明】了本发明的解释性实施例和/或具体例子，但本发明不局限于任何解释性实施例和/或具体例子，在不脱离本发明的范围的前提下，能够对这些解释性实施例和/或具体例子进行变化、修饰或组合。
[0192]本专利申请要求于2011年12月2日提交的日本专利申请2011-264908和于2012年10月23日提交的日本专利申请2012-234113的优先权益，其完整内容通过引用结合在此。
【权利要求】
1.一种面发射激光器元件，包括半导体基底和构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，每个面发射激光器包括布置在所述半导体基底上的下布拉格反射镜，布置在所述下布拉格反射镜上的谐振器、布置在所述谐振器上的上布拉格反射镜、以及布置在所述上布拉格反射镜或所述下布拉格反射镜中的波长调节层，包含在所述面发射激光器中的所述波长调节层具有彼此不同的厚度，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括由两种材料构成的调节层，所述波长调节层所包括的所述调节层的数目彼此不同。
2.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，所述波长调节层中的至少一个波长调节层构造为满足(2N-1) λ/4<Ρ〈Νλ/2的条件，其中，P是所述至少一个波长调节层的光学厚度，λ是从每个面发射激光器发射的光的波长，N是正整数。
3.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，M是包含在所述至少一个波长调节层中的调节层的数目，在M为奇数的情况下，从布置有谐振器的一侧算起，所述至少一个波长调节层的光学厚度为λ/4的位置是从调节层的顶端算起的第(M+l)/2个调节层，或者，在M是偶数的情况下，该位置是从调节层的顶端算起的第Μ/2或(M/2)+l个调节层。
4.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括波长调节区和相位调节区，所述波长调节区包括由两种材料构成的调节层。
5.如权利要求4所述的面发射激光器元件，其中，所述波长调节层中的至少一个波长调节层包括布置在比波长调节区更靠近谐振器的一侧的接触层，并且该接触层与一个电极连接。
6.如权利要求1 所述的面发射激光器元件，其中，所述波长调节层中的至少一个波长调节层布置在上布拉格反射镜中。
7.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，所述至少一个波长调节层中的一个调节层由磷化镓铟(GaInP)构成，另一个调节层由磷砷化镓(GaAsP)或砷化镓(GaAs)构成。
8.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，所述上布拉格反射镜包括从谐振器一侧开始按顺序布置的第一上布拉格反射镜、所述波长调节层和第二上布拉格反射镜，所述第二上布拉格反射镜由交替层压的具有不同折射率的介质层组成。
9.如权利要求1所述的面发射激光器元件，其中，彼此不同的波长中至少一个波长在893.6纳米至895.6纳米、851.3纳米至853.3纳米、794.0纳米至796.0纳米、或779.2纳米至781.2纳米范围之内。
10.一种制造面发射激光器元件的方法，所述面发射激光器元件包括构造为以彼此不同的波长发光的多个面发射激光器，所述方法包括以下步骤:在半导体基底上形成下布拉格反射镜；在下布拉格反射镜上形成谐振器；在谐振器上形成上布拉格反射镜；在下布拉格反射镜或上布拉格反射镜上层压由两种材料构成的调节层，以形成波长调节层；使用第一蚀刻液去除波长调节层中的一个调节层；以及使用不同于第一蚀刻液的第二蚀刻液去除波长调节层中的另一个调节层，从而使包含在面发射激光器中的波长调节层具有彼此不同的厚度，并且所述波长调节层所包含的所述调节层的数目彼此不同。
11.如权利要求10所述的制造面发射激光器元件的方法，其中，波长调节层中的一个调节层由磷化镓铟(GaInP)构成，另一个调节层由磷砷化镓(GaAsP)或砷化镓(GaAs)构成。
12.如权利要求10所述的制造面发射激光器元件的方法，其中，上布拉格反射层形成为包括第一上布拉格反射镜和第二布拉格反射镜，其中，第一上布拉格反射镜、波长调节层和第二布拉格反射镜从谐振器一侧开始按顺序形成，第二上布拉格反射镜通过交替地层压具有不同折射率的介质层而形成。
13.一种原子振荡器，包括:权利要求1所述的面发射激光器元件；包含由面发射激光器元件发射的光照射的碱金属的碱金属腔体；配置为检测透过碱金属腔体的光的光检测器；以及，配置为根据光检测器检测的光控制面发射激光器元件的振荡频率的控制器。
14.如权利要求13所述的原 子振荡器，其中，所述碱金属包括铷或铯。
【文档编号】H01S5/183GK104081599SQ201280068530
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2011年12月2日
【发明者】铃木亮一郎, 佐藤俊一 申请人:株式会社理光
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