垂直腔发光元件及其制造方法与流程

本发明涉及诸如垂直腔面发射激光器(vcsel：verticalcavitysurfaceemittinglaser)这样的垂直腔发光元件，以及用于制造这种垂直腔发光元件的方法。

背景技术：

垂直腔面发射激光器是具有用于使得光垂直共振到基板表面，并使得光沿垂直于基板表面的方向出射的结构的半导体激光器。例如，专利文献1(第5707742号日本专利)公开了一种垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器在氮化物半导体层的表面中的至少一个上包括：具有开口的绝缘层、设置在绝缘层上以便覆盖开口的透明电极、以及经由透明电极设置在开口上方的反射镜。通过置于中间的透明电极的开口和发光层面向彼此的反射镜构成腔。进一步地，专利文献2(第2000-277852号日本特开专利申请)公开了一种面发射半导体激光器。

技术实现要素：

然而，在传统垂直腔面发射激光器中，出射开口中的半透明或透光电极的折射率低于其周围区域，并且不存在横向的限制结构。而且，因为经由半透明电极(诸如ito膜)从出射开口的外侧朝向开口中心执行电流注入，所以开口中心部分中的电流密度由于ito膜的片电阻而在驱动时降低。因此，在垂直腔面发射激光器中生成沿着开口边缘具有环形的高电流密度区域，由此不利地引起多模式振荡。

本发明鉴于上述问题而进行。本发明的目的是提供一种能够具有单个横模式振荡的垂直腔发光元件或装置。

根据本发明的一个方面，一种垂直腔发光元件包括：第一反射器，该第一反射器形成在基板上；半导体结构层，该半导体结构层形成在第一反射器上，该半导体结构层包括第一导电型的半导体层、有源层、以及与第一导电型相反的第二导电型的半导体层；绝缘电流限制层，该绝缘电流限制层形成在第二导电型的半导体层上；贯穿开口，该贯穿开口形成在电流限制层中而贯穿电流限制层；透明电极，该透明电极覆盖贯穿开口和电流限制层，并且经由贯穿开口与第二导电型的半导体层接触；以及第二反射器，该第二反射器形成在透明电极上。在贯穿开口中彼此接触的、透明电极的对应于开口的部分和第二导电型的半导体层的对应于开口的部分中的至少一者包括：沿着贯穿开口的内周布置的第一电阻区域，和布置在贯穿开口的中心区域上的第二电阻区域。第一电阻区域具有比第二电阻区域的电阻值高电阻值。

附图说明

图1是示意性例示了根据本发明的第一实施方式的、以4×4阵列设置16个面发射激光器的垂直腔面发射激光器的构造的整体立体图；

图2是示意性例示了沿着图1中的线x-x截取的、垂直腔面发射激光器的一部分的部分剖面图；

图3是示意性例示了由图2中的线y围绕的、垂直腔面发射激光器的一部分的部分剖面图；

图4是用于说明根据本发明的第一实施方式的垂直腔面发射激光器的构造的整体顶视图；

图5a至图5c是各用于说明根据本发明的第一实施方式的垂直腔面发射激光器在制造期间的构造的一部分的整体部分剖面图；

图6a至图6c是各用于说明根据本发明的第一实施方式的垂直腔面发射激光器在制造期间的构造的一部分的整体部分剖面图；

图7是示意性例示了根据本发明的第二实施方式的垂直腔面发射激光器的整体部分剖面图；

图8是根据比较例的垂直腔面发射激光器的整体部分剖面图；

图9a至图9d是各用于说明根据本发明的第二实施方式的垂直腔面发射激光器在制造期间的构造的一部分的整体部分剖面图；

图10a至图10f是各用于说明根据本发明的第二实施方式的垂直腔面发射激光器在制造期间的构造的一部分的整体部分剖面图；

图11是示意性例示了根据本发明的第三实施方式的垂直腔面发射激光器的整体部分剖面图；

图12a和图12b是各用于说明根据本发明的第三实施方式的垂直腔面发射激光器在制造期间的构造的一部分的整体部分剖面图；以及

图13是示意性例示了包括根据本发明的实施方式中的一个的垂直腔面发射激光器的面发射激光器阵列白色光源的构造的整体立体图。

具体实施方式

将参照附图来描述垂直腔面发射激光器(下文中，还被简称为面发射激光器)，作为根据本发明的垂直腔发光元件的示例。在以下描述和附图中，实质上相同或等同的部分将由相同的附图标记来表示。

【第一实施方式】

图1是例示了根据本发明的第一实施方式的16个面发射激光器以4*4阵列布置为发光单元的面发射激光器10a的外观的整体立体图。图2是示意性例示了沿着图1中的线x-x截取的、单个面发射激光器10的一部分的部分剖面图。

如图2所示，面发射激光器10具有多层结构，该多层结构例如包括导电的第一反射器13、n型半导体层15、包括量子井层的有源层17、以及p型半导体层19，它们以该顺序形成在包括gan(氮化镓)的导电基板11上。多层结构中的第一反射器13，以及包括n型半导体层15、有源层17(该有源层包括量子井层)以及p型半导体层19的半导体结构层smc，由gan基半导体构成。

面发射激光器10还包括绝缘电流限制层21、导电透明电极23以及第二反射器，它们以该顺序形成在半导体结构层smc中的p型半导体层19上。

电流限制层21具有贯穿开口op1。透明电极23形成在电流限制层21和p型半导体层19上方，以便覆盖贯穿开口op1且，与p型半导体层19接触。电流限制层21阻碍到除了贯穿开口op1之外的区域中的p型半导体层19中的电流注入。在贯穿开口op1内，电流经由p型半导体层19从透明电极23注入到有源层17中。

如图2所示，用于注入电流的p电极27p形成在贯穿开口op1的周围，以便电连接到透明电极23。p垫电极29p形成在贯穿开口op1周围，以便穿过绝缘第二反射器25，以便电连接到p电极27p。由此，透明电极23可以经由p电极27p电连接到外部装置。

如图2所示，n电极27n形成在基板11的偏移表面(该表面位于有源层17与第一反射器13之间)，以便穿过绝缘电流限制层21。n电极27n形成在p垫电极29p周围，以便电连接到n型半导体层15。n垫电极29n形成在p垫电极29p周围，以便穿过绝缘第二反射器25，以便电连接到n电极27n。由此，n型半导体层15可以经由n垫电极29n电连接到外部装置。

在贯穿开口op1和有源层17置于中间的情况下面向彼此的第一反射器13和第二反射器25之间的部分构成腔20。

在腔20内部，直接形成在透明电极23下方的电流限制层的贯穿开口op1(透明电极23与半导体结构(smc)之间的界面)对应于激光束出射窗口。激光束从第一反射器13侧或第二反射器25侧二者之一发射。

在本实施方式中，第一反射器13被形成为包括gan基半导体多层膜的分布式布拉格反射器(dbr)。例如，40对gan/inaln可以被层叠为形成第一反射器13。第二反射器25被形成为包括电介质多层膜的分布式布拉格反射器。第二反射器25和第一反射器13使半导体结构层smc置于中间，并且配置共振结构。第一反射器13和第二反射器25被构造为，通过适当调整具有不同折射率的两个薄膜多次交替层叠的多层膜中对的数量、它们的材料、它们的厚度等，来获得第一反射器13和第二反射器25期望的导电特性、绝缘特性以及反射率。对于绝缘反射器，电介质薄膜材料的示例可以包括：金属或半金属的氧化物，和诸如a1n、algan、gan、bn以及sin这样的氮化物。绝缘反射器可以通过周期层叠具有不同折射率的至少两个电介质薄膜(例如，sio2/nb2o5、sio2/zro2、sio2/a1n或al2o3/nb2o5的对)来获得。

图3是示意性例示了由图2中所示的折线围绕的面发射激光器10的一部分的部分剖面图。

半导体结构层smc由n型半导体层15、包括量子井层的有源层17、以及p型半导体层19形成，n型半导体层15、包括量子井层的有源层17、以及p型半导体层19以该顺序形成在第一反射器13上。在本实施方式中，第一反射器13和半导体结构层smc中的各层各具有alxinyga1-x-yn(0<x<1，0<y<1，0<x+y<1)的组成。例如，第一反射器13具有如下的结构，其中，多次交替层叠具有alinn的组成的低折射率半导体层，和具有gan的高折射率半导体层的组(对)。在本实施方式中，有源层17具有如下的量子井结构，其中，交替层叠作为一组(对)的具有ingan的组成的井层(未示出)，和具有gan的组成的势垒层(未示出)。n型半导体层15具有gan的组成，并且包含si作为n型杂质。p型半导体层19具有gan的组成，并且包含诸如mg这样的p型杂质。由此，n型半导体层15和p型半导体层19具有彼此相反的导电型。而且，半导体结构层smc可以被设计为具有400nm至450nm的发射波长。

第一反射器13和半导体结构层smc例如由金属氧化化学气相沉积法(mocvd法)来形成。注意，缓冲层(未示出)可以形成在基板11与第一反射器13之间。

用于电流限制层21的构成材料的示例可以包括：诸如sio2、ga2o3、ai2o3以及zro2这样的氧化物，和诸如sin、a1n以及algan这样的氮化物。优选地，sio2用于电流限制层21中。电流限制层21的厚度为5nm至1000nm，并且优选地为10nm至300nm。

用于导电透明电极23的、具有透光性的构成材料的示例可以包括：ito(铟锡氧化物)、izo(掺杂in的zno)、azo(掺杂al的zno)、gzo(掺杂ga的zno)、ato(掺杂sb的sno2)、fto(掺杂f的sno2)、nto(掺杂nb的tio2)以及zno。优选地，ito用于透明电极23中。透明电极23的厚度为3nm至100nm，并且优选地为大于20nm。透明电极23例如可以由电子束蒸发技术或溅射技术来沉积。

图4是用于说明面发射激光器10中的电流限制层21的贯穿开口op1中的透明电极23的构成的、如在省略第二反射器25的例示的同时从第二反射器25侧观察的整体顶透视图。

如图4所示，贯穿开口op1优选地具有直径为1μm至15μm(优选地为3μm至10μm)的圆形，使得可以通过等距离地设置到束中心的距离来获得高斯束。这允许到有源层17的均匀电流注入和光束的均匀限制。注意，贯穿开口op1可以具有除了圆形之外的形状，诸如椭圆形、多边形或接近圆形这样的形状。

如图3和图4所示，电流限制层21中沿着贯穿开口op1的边缘形成的第一电阻区域24a具有环形。换言之，在贯穿开口op1中与p型半导体层19接触的透明电极23的开口部分具有：沿着贯穿开口op1的内周布置的第一电阻区域24a，和布置在贯穿开口op1的中心区域上的第二电阻区域24b。第一电阻区域24a具有高于第二电阻区域24b的电阻值。

第一电阻区域24a例如以以下这种方式来构造：包括诸如sio2这样的透明绝缘材料的多个岛ild在诸如ito这样的导电透明电极23中分散地设置在p型半导体层19上。在本实施方式中，多个sio2岛ild(岛区域)沿着电流限制层21的贯穿开口op1的边缘而形成，使得在第一电阻区域24a中产生比没有岛ild的第二电阻区域24b(贯穿开口的中心部分)更高的接触电阻值(透明电极23的界面相对于p型半导体层19的面积与第二电阻区域24b相比减小)。这样，驱动时的电流密度分布可以被控制为，在贯穿开口的中心部高且在贯穿开口的边缘部中低。换言之，在本实施方式中，没有岛ild的中心部具有低接触电阻值，由此增大驱动时的电流密度，从而增大透明电极23中的贯穿开口的中心部中的折射率。除了sio2之外，用于多个岛ild的优选构成材料的示例例如可以包括：诸如ga2o3、al2o3以及zro2的氧化物的、具有透光性的电介质。

岛ild可以由图5a至图5c中所示的方法来形成。首先，如图5a所示，在p型半导体层19上的电流限制层21中形成贯穿开口op1的步骤中，贯穿开口op1以以下这种方式由剥离技术形成：sio2电流限制层21中的开口内壁的脚在p型半导体层19上具有逐渐减小的厚度。如图5a所示，电流限制层21中的开口内壁的脚具有圆锥剖面形状。接着，如图5b所示，在仅露出电流限制层21中的开口内壁的脚的同时，将抗蚀图案res形成为覆盖开口的内壁和电流限制层21。接着，如图5c所示，由蚀刻去除露出的薄脚部分。多个岛ild可以通过调整该蚀刻步骤的蚀刻率来形成在p型半导体层19上。

另选地，岛ild可以由图6a至图6c中所示的方法来形成。首先，与图5a中所示的步骤相同，如图6a所示，由剥离技术将电流限制层21中的开口内壁形成为具有圆锥剖面形状。接着，如图6b所示，在仅露出电流限制层21中的开口的整个内壁的同时将抗蚀图案(res)形成为覆盖电流限制层21。接着，如图6c所示，通过蚀刻咬边(etchingundercut)，来切割出露出的开口内壁。多个岛ild可以通过调整该蚀刻步骤的蚀刻率，来形成在p型半导体层19上的扩展区域上方。

【第二实施方式】

图7是示意性例示了根据本发明的第二实施方式的一个面发射激光器10的部分剖面图。

如图7所示，第二实施方式的面发射激光器10具有与第一实施方式中的部件实质上相同的部件，除了在第一实施方式中的透明电极的第一电阻区域24a中没有形成岛，且透明电极23中的第一电阻区域24a的平均厚度小于第二电阻区域24b的平均厚度。下面将不描述由相同附图标记表示的部件的构造和功能。

在本实施方式中，通过使得诸如ito这样的透明电极23的厚度小于第一电阻区域24a(在开口的边缘附近)中，且大于第二电阻区域24b(开口的中心区域)中，来给予透明电极23的片电阻(sheetresistance)rs分布。ito透明电极23具有更小厚度的部分具有更高的片电阻，而ito透明电极具有更大厚度的部分具有更低的片电阻rs(即，片电阻rs1>片电阻rs2)。由此，增大驱动时第二电阻区域24b中的电流密度，并且由于温度上升而减小带隙。因此，增大开口的中心区域处的透明电极23的折射率。换言之，在开口中可以形成透明电极23的折射率引导结构。通过如刚刚描述的在电流注入区域中在第一电阻区域24a与第二电阻区域24b之间的电阻差，可以稳定单个横模式振荡。ito具有更大厚度的部分(第二电阻区域24b)优选地如图7所示的平坦形成(与第二反射器25的界面)。这是因为，例如如图8所示的球面透明电极23的形成引起布置在这种透明电极23上的第二反射器25中的连续厚度分布，由此引起相位变化。

如图7所示在第一电阻区域24a和第二电阻区域24b中具有厚度分布的透明电极23，可以由图9a至图9d中所示的方法来形成。首先，如图9a所示，将用于透明电极的第一电阻区域的ito膜23a形成为，覆盖电流限制层21和贯穿开口op1中的p型半导体层19。接着，如图9b所示，在仅露出电流限制层21中的开口中的p型半导体层19上的ito膜23a的同时，将抗蚀图案res形成为覆盖电流限制层21上的ito膜23a。接着，如图9c所示，由溅射技术在电流限制层21的开口中的p型半导体层19上的露出ito膜23a上沉积ito，以便形成具有更大厚度的ito膜23b。接着，如图9d所示，由剥离技术去除抗蚀图案。这样，在第一电阻区域24a和第二电阻区域24b中具有厚度分布的透明电极23，可以形成在p型半导体层19上。换言之，可以获得以下厚度分布：在透明电极23对应于开口的部分中，第二电阻区域24b的厚度实质上恒定，并且第一电阻区域24a的厚度朝向的贯穿开口op1的边缘持续减小。

另选地，在第一电阻区域24a和第二电阻区域24b中具有厚度分布的透明电极23，可以由图10a至图10f中所示的方法来形成。首先，如图10a所示，在形成电流限制层之前，由溅射技术形成用于透明电极23的第一电阻区域的ito膜23a，以便覆盖露出的p型半导体层19。接着，如图10b所示，为了仅留下p型半导体层19上的ito膜23a的在将为稍后形成的电流限制层的开口中心的区域处的部分，通过用预定抗蚀图案res蚀刻来去除ito膜23a的处于将形成电流限制层的区域处的部分。接着，如图10c所示，将抗蚀图案res形成为覆盖电流限制层的开口中的p型半导体层19上的ito膜及其周围区域(即，将为第一电阻区域的区域)。接着，如图10d所示，在p型半导体层19上形成用于电流限制层21的sio2膜，以便具有预定厚度。接着，如图10e所示，由剥离技术去除抗蚀图案res，以便在电流限制层21中形成贯穿开口op1，并且露出p型半导体层19上的ito膜。接着，如图10f所示，由溅射技术沉积ito，以便覆盖电流限制层21的开口中的p型半导体层19上的已露出ito膜23a、其周围的p型半导体层以及电流限制层21，以形成用于透明电极23的第二电阻区域24b的、具有更大厚度的ito膜23b。这样，在第一电阻区域24a和第二电阻区域24b中具有厚度分布的透明电极23，可以形成在p型半导体层19上。

【第三实施方式】

图11是示意性例示了根据本发明的第三实施方式的一个面发射激光器10的一部分的部分剖面图。

如图11所示，第三实施方式的面发射激光器10具有与第一实施方式中的部件实质上相同的部件，除了在第一实施方式中的透明电极23的第一电阻区域24a中没有形成岛，贯穿开口op1中的透明电极23的电阻分布均匀，并且被使得高电阻的第一电阻区域24a和不被使得高电阻的第二电阻区域24b设置在贯穿开口op1中的p型半导体层19的表面(与透明电极23的界面)上。下面将不描述由相同附图标记表示的组件的构造和功能。

在本实施方式中，p型半导体层的表面在第二电阻区域24b(开口的中心区域)中不经受等离子体处理，但在第一电阻区域24a(开口边缘附近)经受等离子体处理。这在开口中的p型半导体层19的表面(与透明电极23的界面)上产生电阻分布。这种电阻分布可以如下获得。例如，p-gan半导体层19的表面经受诸如等离子体处理、离子注入或电子束照射这样的处理，以便退出作为比镓更轻的元素的许多氮。这样，有目的地创建氮空缺区域nv(即，氮成分原子不足的成分原子空缺区域)，由此部分形成p-n结。这增大电阻值，从而实现电阻分布。该方法使用经处理gan表面与未被照射gan表面相比具有增大的串联电阻的现象。通过如刚刚描述的在p型半导体层19的界面处在电流诸如区域中在开口的边缘部分中的第一电阻区域24a与开口中心处的第二电阻区域24b之间引起电阻差，可以稳定单个横模式振荡。

作为这种等离子体处理的示例，如图12a所示，在p型半导体层19上形成电流限制层21和贯穿开口op1。接着，将抗蚀图案(未示出)形成为覆盖电流限制层的贯穿开口op1在p型半导体层19上的中心部分(即，要为第二电阻区域的区域)。其后，如图12b所示，在大约一帕斯卡的压力下，以50w的rf功率用氩气，对处于将为第一电阻区域的区域处的p型半导体层19执行等离子体处理达10秒到几分钟。这样，可以在开口的边缘部分中的第一电阻区域24a中形成氮空缺区域nv，该第一电阻区域的电阻值高于处于贯穿开口op1的中心区域处的第二电阻区域24b的电阻值。

另选地，本实施方式可以结合上述第一实施方式和第二实施方式的、透明电极对应于开口的部分中的第一电阻区域来具体实施。更具体地，在图3所示的第一实施方式中，氮空缺区域nv可以形成在直接在透明电极23的第一电阻区域24a中的岛下方的p型半导体层19中，但省略其图示。在图7所示的第二实施方式中，氮空缺区域nv可以形成在：直接具有比第二电阻区域24b的厚度更小的厚度的第一电阻区域24a中的透明电极23下方的p型半导体层19中，但省略其图示。

用于检查经受等离子体处理的p-gan半导体层中的氮空缺区域nv的有无的氮空缺验证方法可以包括以下方法。

【第一方法：通过测量接触电阻验证】

当通过对p-gan表面执行ar等离子体处理(>50w，60秒以上)来形成通常的p型接触层时，产生的接触电阻从大约1×10^-2qcm²而戏剧性地劣化(诸如1qcm²,在等离子体损伤较大时，这种值指示完全绝缘)。这一点的原因如下。氮不足ga原子的外电子作为自由电子补偿p-gan中的空缺。如果氮空缺浓度较高，则p-gan转变为n型半导体，并且整个二极管结构实质上形成npn结构(晶体管)。由此，展示绝缘特性。

【第二方法：通过测量表面电势来验证】

可以通过测量半导体表面电势，来识别半导体表面上的载流子类型和载流子密度。例如，当前使用的循环伏安法蚀刻分析器例如启用用于由ar等离子体处理产生的电子浓度的定量评价和氮空缺浓度的确定。

【第三方法：由x射线光电子光谱法来验证】

当用x射线光电子光谱法(xps)装置针对有无ar等离子体照射的gan表面检查ga的3d核心光谱时，结合能取决于等离子体处理的水平而朝向高能侧偏移大约0mev至大约数百mev。这种偏移量可以用于定量评价氮空缺浓度。

根据上述的本发明，4×4阵列化的面发射激光器10a例如可以用于获得面发射激光器阵列白色光源。例如，如图13所示，将荧光玻璃板30附接到面发射激光器10a的基板11(第一反射器)侧。其后，准备安装板31。安装板31包括诸如si、aln或sic这样的高导热材料，并且具有如下安装表面，在该安装表面上面设置分别对应于面发射激光器10a的p垫电极和n垫电极的对应p连接电极31p和对应的n连接电极31n。其后，将面发射激光器10a的半导体结构层smc(第二反射器、p垫电极以及n垫电极)侧芯片反转安装在安装板31的安装面上，以获得面发射激光器阵列白色光源。注意，从散热效率和布线设计的观点，au-sn共晶层优选地用于安装技术中。本发明例如可以应用于包括车辆前照灯的高强度和高发光强度分布光源和用于传感器的多信道信号源。

根据上述的本发明的面发射激光器，不仅可以减小面发射激光器本身的阈值电流(功耗)，而且可以提高面发射激光器的成品率。具体地，本发明可以有助于减少阵列化的面发射激光器中的多个面发射激光器的发光单元之间的阈值电流的变化。进一步地，可以提供一种具有经稳定单个横模式振荡的垂直腔发光元件。

注意，本发明还可以应用于诸如被构造为包括具有多重量子井(mqw)结构的有源层17，而不是本发明的任一实施方式中的有源层17的面发射激光器的垂直腔发光元件。虽然上述半导体结构层smc包括gan(氮化镓)基半导体，但晶系不限于此。上述实施方式可以酌情修改且与彼此组合。

本申请基于日本第2016-082565号专利申请，在此以引证的方式将该申请并入。