专利名称：微小孔垂直腔面发射激光器的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器的制备方法，具体涉及微小 孔垂直腔面发射激光器的制备方法。
背景技术：
目前的光学数据存储系统，如CD或者DVD都是远场存储 系统，由于受到了衍射极限的限制，所以存储密度有限。利用 光源近场处的倏逝波可以很好的突破衍射极限的限制，大大提 高存储密度，因此高密度光学数据存储成为近场光学应用一个 很大的领域。如果能制造出突破衍射分辨率极限的微小光源， 对微区成像、微区探测和纳米光刻等应用领域都将是极大的推 动。在这样的背景下，近场光学得到了飞速发展。近场数据存 储成为了最有前景的高密度数据存储方法之一。其中制备高质 量近场光源是一个重要的研究方向。基于边发射激光器制备的微小孔径激光器 (very-small-aperture laser, VSAL)， 使探针型近场存储取 得了突破性进展，通光效率比普通光纤探针有很大的提高，必
将极大的提高近场光学显微镜的分辨能力，作为纳米尺度的光 源还可用于纳米光刻、纳米加工、纳米光操作及纳米光谱等众 多领域。但是，由于制备VASL时要在有源区上刻蚀出微小孔，而 有源区的尺寸很小，小孔的准确定位难控制，工艺的可重复性 差。从而导致制备工艺复杂、难度大、成品率较低。并且制备 出的器件寿命很短，达到的功率密度也还不足以进行数据的存 储。基于垂直腔面发射激光器相对于边发射激光器本身的优 越性，如有更小的尺寸，更利于实现集成化，阈值电流密度低， 具有对称光输出模式等特点。并且相对于基于边发射激光器制 备的微小孔激光器来说，基于垂直腔面发射激光器制备微小孔 激光器会相对容易。发明内容本发明的目的在于，提供一种微小孔垂直腔面发射激光器 的制备方法，其具有以下优点具有更小的尺寸，利于实现集 成化，阈值电流密度低，并且具有对称光输出模式；制备工艺 简单，工艺可重复性好，刻蚀微小孔l 6时定位容易。本发明一种微小孔垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤l:取一普通垂直腔面发射激光器，该激光器包括，N面电极、出光腔面、出光孔、P面电极；步骤2:在普通垂直腔面发射激光器的出光腔面上制备增 透膜；步骤3:利用聚焦离子束刻蚀技术刻蚀掉P面电极上的增 透膜；步骤4:在出光腔面上的增透膜上和P面电极上制备金属膜；步骤5:在出光孔上刻蚀出亚波长尺寸的微小孔，完成微小孔垂直腔面发射激光器的制作。其中所述增透膜材料为Si02和SiNx的混合物，或者是 A 1 203 、 MgF材料，厚度为2 0 0 nm— 4 0 0 nm。其中所述的增透膜为绝缘层，可以避免在下一步中金属和 出光腔面直接接触，从而保护出光腔面。其中所述的P面电极和N面电极为电流注入通道。其中所述的金属膜材料为Ti/Au、 Ti/Ag、 Ti/Al或者 Ti/Ni，其中Ti的厚度为5 nm— 3 0 nm， Au、 Ag、 Al或者Ni 层的厚度为6 0 nm— 4 0 0 nm。其中所述金属膜中的Ti可以提高器件表面的粘附性。其中所述金属膜为高反射膜，可以阻挡住普通垂直腔面发 射激光器正常的输出光。其中所述在出光孔上刻蚀的微小孔尺寸为亚波长量级，深
度和金属膜的厚度相同。其中所述聚焦离子束刻蚀时，采用最小的离子束流密度和 最大的重合距离。本发明的微小孔垂直腔面发射激光器的制备方法，在普通 垂直腔面发射激光器基础上制备得到的。具体制备工艺包括在 普通垂直腔面发射激光器出光腔面1 1上镀增透膜1 4，去掉P面电极l 3上的增透膜1 4后镀金属膜1 5，然后用聚焦离 子束刻蚀的方法在出光孔1 2上制备亚波长尺寸的微小孔1 6，将光限制在低损失微小谐振腔中，使光通过微小孔l 6出 射，从而生成高效率的近场光。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明 详细说明如后，其中图1为普通垂直腔面发射激光器出光腔面示意图。图2 —图5是在普通垂直腔面发射激光器基础上制造本 发明微小孔垂直腔面发射激光器的工艺流程图。图中1 0为N面电极，1 l为出光腔面，1 2为出光孔， 13为P面电极，14为增透膜，15为金属膜，16为微小 孔，1 7为侧面，1 8为激光器。
具体实施方式
请参阅图1 一图5所示，本发明一种微小孔垂直腔面发射 激光器，其中包括以下步骤(1 )在普通VCSEL (图l )的出光腔面l l上用电子回旋共振等离子体化学气相沉积法(ECR plasma CVD)淀积增透 膜1 4 ，如图2所示，材料是Si02和SiNx混合物，或者为Al 2 0 3 、 MgF等材料，厚度为2 0 0 nm— 400 nm。增透膜14 作为绝缘膜可以避免在下一步中金属和出光腔面11直接接 触，从而起到保护出光腔面ll的作用。(2 )利用聚焦离子束系统刻蚀掉P面电极1 3上的增透 膜1 4，如图3所示，使P面电极1 3和N面电极1 0能够形 成电流注入通道。刻蚀时间为3 0 s — 1 2 0 s 。(3)在增透膜1 4上面溅射金属膜1 5，如图4所示， 材料为Ti/Au、 Ti/Ag、 Ti/Al或者Ti/Ni，其中Ti的厚度比 较薄，为5 nm— 3 0 nm，主要是为了提高粘附性，使Au层在 腔面上的粘附性较好，不易剥落。Au、 Ag、 Al.或者Ni膜的厚 度为6 0 nm— 4 0 0 rm金属膜1 5作为反射膜阻挡住激光器正常的输出光，使出光腔面l l的反射率在激射波长附近大于 9 0%。制备金属膜l 5时，把激光器的N面电极1 O用绝缘 材料粘到玻璃片上，同时用绝缘材料对激光器的侧面1 7进行 保护，防止溅射过程中金属蔓延到器件侧面1 7使N面电极1 0和出光腔面1 l短路。溅射完成后，检测激光器的功率-电
压-电流特性，确保激光器的电压特性正常，金属膜l5完全 覆盖住正常的输出光，以提高微小孔垂直腔面发射激光器的成品率o(4 )利用聚焦离子束刻蚀技术在出光孔1 2上刻蚀出亚 波长尺寸的微小孔l 6，如图5所示，将光限制在低损失微小 谐振腔中，使光通过微小孔1 6出射，以产生高效率的近场 光。刻蚀金属膜1 5时，为了最大程度的减轻刻蚀过程对出光 腔面l 1的损伤，采用最小的离子束流密度，它是决定刻蚀速 率的主要因素。对于决定表面粗糙度的主要因素——重合距 离，采用了最大的重合距离。刻蚀的微小孔l 6为亚波长尺 寸，本发明涉及的垂直腔面发射激光器波长为6 5 0 nm—9 80 nm，微小孔1 6的直径为5 0 nm— 4 5 0 nm，深度和金属膜1 5的厚度相同。单个微小孔1 6的刻蚀时间一般为2 0 s — 6 0 s ，以恰好打掉金属膜1 5为据。所述步骤(1 )是这样进行的，在普通VCSEL的出光腔面 1 1上用电子回旋共振等离子体化学气相沉积法(ECR plasma CVD)淀积材料为Si02和SiNx混合物的增透膜l 4，或者是 A1 2 0 3 、 MgF等材料，厚度为2 0 0 nm— 4 0 0 nm。这种方法 真空度高；可在较低温度下淀积；淀积的增透膜l 4几乎没有 针孔致密度高；可用电子回旋共振的H2/He等离子体对腔面 进行去碳去氧的清洁处理，且淀积的薄膜可重复性好。这层增 透膜l4作为绝缘层在下一步镀金时避免了金属和出光腔面1 1直接接触，可以起到保护出光腔面1 1的作用。所述步骤(2 )是这样进行的，刻蚀掉P面电极1 3上的增透膜l 4，厚度为2 0 0 nm— 4 0 0 nm，使P面电极1 3和 N面电极l O能够形成电流注入通道。刻蚀时间3 0 s— 1 2 0s。采用的是美国FEI公司生产的双束DualBeam DB 2 3 5 —FIB工作站，Ga +离子束的最小聚焦点7 nm。整个系统在 1 0 "Pa以上的高真空条件下进行工作。所述步骤(3 )是这样进行的，用磁控溅射法镀金属膜 1 5 ，材料为Ti/Au、 Ti/Ag、 Ti/Al或者Ti/Ni，其中Ti的 厚度比较薄，为5 nm— 3 0 nm，它的作用是提高粘附性，使 Au层在腔面上的粘附性较好，不易剥落。Au、 Ag、 Al或者 Ni层的厚度为6 0 nm— 4 0 0 nm。金属膜l 5作为反射膜可以阻挡住垂直腔面发射激光器正常的输出光，使出光腔面1 1 的反射率在激射波长附近大于9 0%。制备金属膜l 5时，把 激光器的N面电极1 0用绝缘材料粘到玻璃片上，同时用绝缘 材料对激光器的侧面1 7进行保护，防止溅射过程中金属蔓延 到器件侧面l 7使N面电极1 0和出光腔面1 l发生短路。溅 射完成后，检测激光器的功率-电压-电流特性，确保金属膜l 5完全覆盖住正常的输出光，器件的电压特性正常，以提高微 小孔器件的成品率。所述步骤(4 )是这样进行的，在出光孔1 2上刻蚀的微 小孔1 6尺寸为亚波长量级，本发明涉及的垂直腔面发射激光
器波长为6 5 0 nm— 9 8 0 nm，微小孔1 6的直径为5 0 nm 一 4 5 0 nm，形状为单个圆形孔、方形孔或者异形孔，也可以 是具有 一 定周期性环形结构或者 一 系列微小孔1 6组成的阵 列结构，刻蚀微小孔1 6的深度和金属膜1 5的厚度相同。单 个微小孔1 6的刻蚀时间一般为2 0 s— 6 0 s，以恰好打掉金 属膜1 5为据。采用的是和步骤(2 )中相同的FIB系统，刻 蚀过程对金属膜1 5的刻蚀速率有一定要求，可以通过调节刻 蚀时的离子束流密度、驻留时间，束斑重合距离，离子束流扫 描时间等工艺条件来做到精确控制，从而刻蚀后得到较好的表 面平整度。刻蚀时为了最大程度减轻刻蚀过程对出光腔面1 1 的损伤，采用了最小的离子束流密度，它是决定刻蚀速率的主 要因素。同时采用最大的重合距离，它是决定表面粗糙度的主 要因素。
权利要求
1. 一种微小孔垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征 在于，包括以下步骤步骤l:取一普通垂直腔面发射激光器，该激光器包括， N面电极、出光腔面、出光孔、P面电极；步骤2:在普通垂直腔面发射激光器的出光腔面上制备增 透膜；步骤3:利用聚焦离子束刻蚀技术刻蚀掉P面电极上的增 透膜；步骤4:在出光腔面上的增透膜上和P面电极上制备金属膜；步骤5:在出光孔上刻蚀出亚波长尺寸的微小孔，完成微 小孔垂直腔面发射激光器的制作。
2. 根据权利要求1所述的微小孔垂直腔面发射激光器的 制备方法，其特征在于，其中所述增透膜材料为Si02和SiJ^ 的混合物，或者是A1 2 0 3 、 MgF材料，厚度为2 0 0 nm— 4 0 0 nnu
3. 根据权利要求1所述的微小孔垂直腔面发射激光器的 制备方法，其特征在于，其中所述的增透膜为绝缘层，可以避 免在下一步中金属和出光腔面直接接触，从而保护出光腔面。
4. 根据权利要求1所述的微小孔垂直腔面发射激光器的 制备方法，其特征在于，其中所述的P面电极和N面电极为电 流注入通道。
5. 根据权利要求1所述的微小孔垂直腔面发射激光器的 制备方法，其特征在于，其中所述的金属膜材料为Ti/Au、 Ti/Ag、 Ti/Al或者Ti/Ni，其中Ti的厚度为5 nm— 3 0 nm， Au、 Ag、 Al或者Ni层的厚度为6 0 nm— 4 0 0 nm。
6. 根据权利要求1所述的微小孔垂直腔面发射激光器的 制备方法，其特征在于，其中所述金属膜中的Ti可以提高器 件表面的粘附性。
7. 根据权利要求1所述的微小孔垂直腔面发射激光器的 制备方法，其特征在于，其中所述金属膜为高反射膜，可以阻 挡住普通垂直腔面发射激光器正常的输出光。
8. 根据权利要求1所述的微小孔垂直腔面发射激光器的 制备方法，其特征在于，其中所述在出光孔上刻蚀的微小孔尺 寸为亚波长量级，深度和金属膜的厚度相同。
9. 根据权利要求1所述的微小孔垂直腔面发射激光器的 制备方法，其特征在于，其中所述聚焦离子束刻蚀时，采用最 小的离子束流密度和最大的重合距离。
全文摘要
一种微小孔垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤步骤1取一普通垂直腔面发射激光器，该激光器包括，N面电极、出光腔面、出光孔、P面电极；步骤2在普通垂直腔面发射激光器的出光腔面上制备增透膜；步骤3利用聚焦离子束刻蚀技术刻蚀掉P面电极上的增透膜；步骤4在出光腔面上的增透膜上和P面电极上制备金属膜；步骤5在出光孔上刻蚀出亚波长尺寸的微小孔，完成微小孔垂直腔面发射激光器的制作。
文档编号H01S5/00GK101145672SQ20061011293
公开日2008年3月19日 申请日期2006年9月13日 优先权日2006年9月13日
发明者宋国峰, 甘巧强, 陈良惠, 高建霞 申请人:中国科学院半导体研究所